فرهنگ امروز/ مهرا سپینود:

درباره تاثیر نیلز بور بر علم فیزیک، سخن‌ها گفته‌اند. برخی نظیر ورنر هایزنبرگ، دانشمند بزرگ فیزیک نظری، گفته‌اند تاثیر بور بر فیزیک و فیزیکدانان قرن بیستم حتی بیشتر از تاثیر اینشتین بوده است. اما چرا نظریه کوانتومی در علم فیزیک مشکل‌آفرین شد؟ چون این نظریه باورکردنی نیست و می‌گوید ذرات در سطحِ زیراتمی از قوانین فیزیک کلاسیک پیروی نمی‌کنند. یعنی چیزهایی مانند الکترون‌ها می‌توانند همزمان به دو صورت متفاوت وجود داشته باشند. به صورت ماده یا به صورت انرژی؛ بسته به اینکه چگونه اندازه‌گیری شوند. اینکه یک پدیده یا یک شیء همزمان به دو صورت وجود داشته باشد، ناقض «معرفت عمومی» است. اما نیلز بور و شاگردانش باکی از احکام معرفت عمومی نداشتند؛ چراکه اینشتین گفته بود «معرفت عمومی انباشتِ پیشداوری‌هایی است که ما تا ١٨ سالگی کسب کرده‌ایم.»پل‌استراترن در کتاب «بور و نظریه کوانتومی» کوشیده است این نظریه را با بررسی زندگی نیلز بور، به زبانی حتی‌المقدور ساده توضیح دهد.

فوتبالیستی که فیزیکدان شد

نیلز بور در ١٨٨٥ در کپنهاگ دانمارک در خانواده‌ای سرشناس و مرفه به دنیا آمد. پدرش، کریستین بور، فیزیولوژیستی بود که بابت کار علمی‌اش درباره دستگاه تنفسی، تا آستانه کسب جایزه نوبل پیش رفت. کریستین بور شیفته انگلستان بود و وقتی که انگلیسی‌ها بازی فوتبال را ابداع کردند، نقش زیادی در پایه‌ریزی و راه‌اندازی فوتبال در دانمارک ایفا کرد. نیلز بور در دوران نوجوانی شبیه نابغه‌ها نبود. به تبع پدرش به فوتبال علاقه پیدا کرد و به همراه برادر کوچک‌ترش، هارالد، در تیم فوتبال دانشگاه‌شان، که یکی از قوی‌ترین تیم‌های دانمارک بود و هنوز هم در لیگ دوم دانمارک می‌درخشد، بازی می‌کرد. او به دلیل جثه بزرگش دروازه‌بان بود و برادرش در خط میانی توپ می‌زد. هارالد حتی در بازی‌های المپیک ١٩٠٤ هم در تیم ملی دانمارک بازی کرد. اما نیلز بور عشق دیگری هم داشت: آزمایشگاه. او کارهای تجربی در آزمایشگاه را دوست داشت و کم‌کم از دروازه فوتبال بیرون آمد و معنا و لذت زندگی را در فعالیت علمی در آزمایشگاه پیدا کرد. نظریه کوانتومی درباره سازگاری دو پدیده متضاد به ظاهر ناسازگار است. پل استراترن احتمال می‌دهد که نطفه این نظریه، در جریان مهمانی‌های شبانه پدر نیلز بور با دوستان دانشمندش، در ذهن نیلز جوان شکل گرفته باشد. وقتی که دانشمندان و متفکران به خانه کریستین بور می‌آمدند، پس از صرف شام بحث‌های گوناگونی بین آنان درمی‌گرفت و نیلز و هارالد فقط مجاز بودند که در مقام «شنونده خاموش» در آن مباحث حضور داشته باشند. از آنجایی که خاموشی مقدمه تفکر است، نیلز جوان با غرق شدن در مباحث آن مهمانی‌های شبانه، ذهنش درگیر این موضوع شد که چطور یک واژه همزمان می‌تواند معانی ناسازگاری داشته باشد و اساسا آغشته باشد به ابهام. او کوشید با استفاده از ریاضیات، ابهام واژه‌ها را از بین ببرد ولی عاقبت ناچار شد بپذیرد چنین ابهام‌هایی، ذاتی زبان هستند. یعنی به تدریج درک کرد که تفسیرهای ناسازگار می‌توانند همزمان وجود داشته باشند. استراترن معتقد است درپیچیدن بور با معضل «ابهام» و تسلیم شدنش در برابر «امکان تفسیرهای ناسازگار اما مقبول در زمان واحد»، شالوده نظریه کوانتومی را در ناخودآگاه ذهن نیلز بور پی‌ریزی کرد.

بازگشت تفکر به علم

استراترن تولد دانشمندانی مثل نیلز بور را محصول کاهش اهمیت «تجربه» در دنیای علم می‌داند. مطابق این تحلیل، از زمان گالیله علم به این رای مایل شده بود که حقیقت را با آزمایش می‌توان کشف کرد نه صرفا با تفکر. اما پس از ٢٠٠ سال تاخت و تاز «آزمایش» در دنیای علم، دانشمندان به تدریج نقش بیشتری برای «تفکر» قائل شدند. در ١٩٠٥، اینشتین نظریه نسبیت خاص را ارایه کرد که فقط محصول تفکر بود نه آزمایش. یعنی اینشتین برای رسیدن به این نظریه، از ریاضیات استفاده کرد نه از آزمایش. استراترن رای هیوم در زیر سوال بردن رابطه علت و معلول و نیز فلسفه کانت را عواملی موثر در افزایش اهمیت «تفکر» در کار و بار دانشمندان می‌داند. در واقع او معتقد است که از اواخر قرن نوزدهم، علم با فلسفه محک زده می‌شد و این معنایی نداشت جز حمله علم به خودش. در همین راستا، وقتی که بور در ١٩٠٩ کار روی رساله دکترای خودش را آغاز کرد، درگیر پروژه‌ای کاملاً تئوریک و به کلی غیر تجربی شد. عنوان پایان‌نامه بور «تحقیقی پیرامون نظریه فلزات» بود. سه سال قبل از پایان قرن نوزدهم، جی. جی تامسون نخستین ذره زیراتمی را کشف کرده بود: الکترون. جان کلام بور در رساله دکتری‌اش این بود که در سطح زیراتمی، فرضیات فیزیک کلاسیک معتبر نیستند و برای توضیح آنچه درون اتم روی می‌دهد، ظاهرا نوع به کلی متفاوتی از فیزیک لازم است. اما این حرف او در آن زمان دقیقا مثل این بود که کسی بگوید ٢+٢ مساوی با ٤ نیست. در ١٩١١ بور با رادرفورد آشنا شد و همکاری با این دانشمند برجسته و خوش‌مشرب را آغاز کرد. رادرفورد در تحقیقاتش متوجه شده بود تنها راه بررسی کردن چیزی به کوچکی اتم، بمباران کردن آن با چیزی باز هم کوچک‌تر یعنی یک ذره زیراتمی است. او پس از آزمایش‌های متعدد، نهایتا به این نتیجه رسیده بود که در مرکز اتم یک هسته ریز و به غایت چگال وجود دارد و این هسته مثبت را تعدادی الکترون منفی احاطه کرده‌اند و تحت تاثیر جاذبه هسته در مدارهای مشخص به دورش می‌چرخند. با اینکه بسیاری از فیزیکدانان مخالف تبیین رادرفورد از ساختار اتم بودند (زیرا هسته‌ای که صرفا از ذرات مثبت تشکیل شده، قاعدتا باید در اثر دافعه این ذرات متلاشی می‌شد) ولی بور آن را پذیرفت و تحقیقاتش را بر همان اساس ادامه داد.

کوانتوم چیست؟

در یکی از صبح‌های سرد دسامبر ١٩٠٠ ماکس پلانک، استاد فیزیک دانشگاه برلین، هنگامی که مشغول پیاده‌روی در جنگل‌های برلین بود به پسرش گفت: «امروز موفق به کشفی شدم که به اهمیت کشف نیوتون است. من نخستین گام را فراتر از فیزیک کلاسیک برداشته‌ام.» پلانک کشف کرده بود که نور به هر دو صورت امواج و ذرات رفتار می‌کند و این موج-ذرات را «کوانتوم‌ها» نامید. ایده پلانک به قدری انقلابی بود که هیچ کس آن را باور نمی‌کرد. اما آلبرت اینشتین در سال ١٩٠٥ نظریه کوانتومی پلانک را تایید کرد. در ١٩٠٥ معلوم شد که برخورد نور فرابنفش با فلزات خاصی منجر به گسیل الکترون‌ها می‌شود و این الکترون‌ها مطابق قوانین فیزیک کلاسیک رفتار نمی‌کنند. یعنی میزان گسیل آنها بستگی به بسامد نور بمباران‌کننده داشت نه شدت آن. هر چه بسامد بالاتر بود، الکترون‌های بیشتری از جا کنده می‌شدند. اگر نور به عنوان چیزی متشکل از کوانتوم‌ها در نظر گرفته می‌شد، این فرآیند قابل توجیه بود. چنانکه پیداست، این ایده که دو تفسیر یا تلقی متضاد همزمان می‌توانند درست باشند، در نظریه موجی-ذره‌ای بودن نور هم وجود داشت. و این پلورالیسم ذاتی نظریه کوانتوم شده بود. توضیح اینشتین درباره برخورد نور فرابنفش با فلزات خاص تقریبا در همان حوزه‌ای بود که بور در پایان‌نامه‌اش درباره نظریه الکترونی فلزات به آن پرداخته بود. بور نیز به این نتیجه رسیده بود که ذرات زیراتمی از قوانین فیزیک کلاسیک پیروی نمی‌کنند اما نه او و نه دیگران نتوانسته بودند بفهمند که چگونه همه این موارد به مساله ساختار اتمی مربوط می‌شوند. رادرفورد ساختار اتم را مثل ساختار منظومه شمسی می‌دانست و بور در پی اثبات همین فرضیه بود. خود رادرفورد این تز را موقت و بیش از حد تئوریک می‌دانست ولی بور ول‌کن قضیه نبود!

تولد مکانیک کوانتوم

در ١٩١٢، بور مقاله نهایی‌اش را درباره ساختار اتم آماده کرد. درک مقاله بور برای دانشمندان هم بسیار دشوار بود چراکه او همچنان گرفتار زبان بود. یعنی موقع نوشتن فراموش می‌کرد زبان ابزاری است برای توصیف کار علمی‌اش؛ و چنان غرق خلاقیت زبانی در مقام نوشتن می‌شد که زبانش از زبان علمی فاصله می‌گرفت و خصلت ادبی و فلسفی پیدا می‌کرد. بنابراین فقط آن دانشمندانی که برخوردار از تمرکز طولانی‌مدت و درک سریع مطلب بودند توانستند سخنرانی بور را درک کنند. بور نظریه کوانتومی را بیانگر نحوه کار کردن اتم‌ها دانست. اما حرف او مصداق «مهملات» قلمداد شد. چگونه ممکن بود ماده بر چیزی به کلی ناپایدار استوار باشد؟ فون لاوئه، فیزیکدان آلمانی، پس از سخنرانی بور گفت: «اگر این نظریه صحیح باشد، من از فیزیک دست می‌کشم.» از نظر منتقدان، نظریه بور نه علمی بود نه منطقی؛ چراکه توصیف ساختار اتم با تلفیق فیزیک کلاسیک و نظریه کوانتومی (که برآمده از مطالعات ماکس پلانک و رادرفورد و خود بور و دیگران بود)، کاری عبث بود؛ زیرا اصول فیزیک کلاسیک و اصول نظریه کوانتومی متناقض بودند. مثلا مطابق تصویر کوانتومی، خط‌های گسیل‌شده در یک طیف اتم هنگامی ایجاد می‌شوند که الکترون از یک مدار به مدار دیگر جهش کند (مدارهایی که دور هسته مثبت اتم وجود دارند) و اگر الکترون در حالت مانای خود به دور هسته بچرخد هیچ پرتوی گسیل نمی‌شود. اما مکانیک کلاسیک حکمش برعکس است. یعنی می‌گوید پرتو هنگامی ایجاد می‌شود که الکترون به دور هسته بچرخد. قاعدتا این دو تصویر همزمان نمی‌توانند درست و واقعی باشند. بور دریافت که هر جهش کوانتومی را می‌توان با یک مدار متناظر در مکانیک کلاسیک متناسب ساخت. بنابراین اتم می‌توانست همزمان کلاسیک و کوانتومی باشد. با این دریافت، بور «اصل تطابق» را ارائه کرد که بر اساس آن، در بسامدهای پایین، قوانین نظریه کوانتومی و قوانین مکانیک کلاسیک یکسان می‌شوند. شگفت‌انگیز بودن فیزیک کوانتومی، که بور در حال بالا بردن بنای آن بود، بنایی که ماکس پلانک پی‌ریزی‌اش کرده بود، نه فقط موجب تهدید فون لاوئه به رها کردن فیزیک شد، بلکه اینشتین را هم در برابر بور قرار داد. در این جهان زیراتمی، نه منطق نفوذی داشت نه علیت جاری بود. همین باعث شد که اینشتین در واکنش به علم غریب نوپدیدِ «مکانیک کوانتومی»، بگوید: «خداوند برای اداره جهان تاس نمی‌ریزد.»

به پیش ‌ای سربازان مسیحی

نیلز بور در ١٩٢٢ برنده جایزه نوبل شد و بهترین فیزیکدانان جوان جهان را جذب خود کرد. اکثر این جوانان در زمان مطرح شدن نظریه کوانتومی اولیه ماکس کلان، هنوز به دنیا نیامده بودند. آنها به بور اقتدا کردند و در انستیتوی بور در کپنهاگ، به تدریج از نردبان دانش بالا رفتند و به بزرگ‌ترین فیزیکدانان قرن بیستم بدل شدند. هایزنبرگ یکی از این غول‌های علمی بیرون آمده از زیر شنل بور بود. به بور ایراد می‌گرفتند که «اصل تطابق»اش فقط موارد کم‌اهمیت را توضیح می‌دهد؛ اما او و شاگردانش به کارشان ادامه دادند و مکانیک کوانتوم را روز به روز فربه‌تر کردند. هایزنبرگ اصل عدم قطعیت را ارایه کرد و آخرین میخ را به تابوت فیزیک کلاسیک کوبید. او ابتدا معتقد بود فقط اندازه‌گیری می‌تواند موجب قطعیت شود ولی دیری نپایید که فهمید در مکانیک کوانتوم حتی اندازه‌گیری نمی‌تواند موجب قطعیت همه‌جانبه شود. یعنی الکترون‌ها به قدری ریز هستند که هر نوع شیوه اندازه‌گیری بر رفتار آنها اثر خواهد گذاشت. اگر به روی الکترون نور بتابانیم، می‌توانیم آن را ببینیم ولی همان نور موجب انحراف الکترون از مسیرش می‌شود و بر سرعت و مکان آن اثر می‌گذارد. بور توضیح داد که «هر مشاهده‌ای درباره رفتار الکترون در اتم با تغییری در حالت اتم همراه خواهد بود.» اما اگر هیچ اقدامی برای اندازه‌گیری الکترون نکنیم، به هیچ‌وجه نمی‌توانیم آن را ببینیم و هیچ چیز درباره آن درنمی‌یابیم! استراترن در کتابش نکاتی خواندنی درباره نقش شاگردان بور در پیشرفت مکانیک کوانتوم آورده است. بور زمانی که شاگرد رادرفورد بود و هر روز صبح در آزمایشگاه، او را می‌دید که قدم‌رو می‌رود و سرود «به پیش ‌ای سربازان مسیحی» را برای شاگردانش می‌خواند، در پایان دهه ١٩٢٠ به شاگردان کوشا و نابغه‌ خودش مفتخر بود و با مکاتبات علمی فراوانی که با آنها داشت، به رشد افکارشان و رفیع‌تر شدن بنای مکانیک کوانتوم کمک می‌کرد. با این حال خود بور هنوز در اوج خلاقیت قرار داشت. او در ١٩٢٧ «اصل مکمل بودن» را ارایه کرد تا دوگانگی مکان/تکانه را در نظریه هایزنبرگ توجیه کند. مطابق این اصل «شواهد به دست آمده تحت شرایط مختلف آزمایشگاهی نمی‌توانند در چارچوب یک تصویر منفرد فهم شوند بلکه باید به منزله مکمل قلمداد شوند؛ به این ترتیب تنها با در نظر گرفتن کل پدیده‌ها می‌توان اطلاعات قابل قبول درباره موضوع را به‌طور کامل تفسیر کرد.» این اصل مساله دوگانگی ذره/موج را نیز، در بحث از ماهیت نور، حل کرد. بر اساس این اصل، اینکه چیزی مانند یک ذره یا موج رفتار کند فقط بستگی به این دارد که چه دستگاهی برای بررسی رفتار آن انتخاب کرده باشیم.

شکافت هسته‌ای چیست؟

بور هسته اتم را متشکل از گروهی از ذرات می‌دید که در اثر نیروهای کوتاه‌برد یکپارچه شده‌اند؛ بسیار شبیه به مولکول‌ها درریزقطره یک مایع. هنگامی که یک ذره به این هسته ریزقطره برخورد کند انرژی آن می‌تواند به سرعت توسط ذراتی که به هم برخورد می‌کنند جذب شود و خود بخشی از ریزقطره می‌شود. متناسب با آن، ریزقطره گرم می‌شود و این حالت برای مدتی طولانی ادامه خواهد یافت. هسته زمانی فرومی‌پاشد که انرژی افزایش‌یافته در حال افت و خیز سبب تراکم انرژی روی یک ذره شود و به آن امکان فرار دهد. شبیه تبخیر در یک ریزقطره حرارت‌دیده. بنابراین هنگامی که هسته سنگین و بزرگ باشد (مثل هسته اورانیوم)، فرار ذره سبب خواهد شد که ریزقطره به دو ریزقطره هم‌اندازه تقسیم شود. این فرآیند را شکافت هسته‌ای می‌نامند. بور نخستین کسی بود که شرح داد در شکافت هسته‌ای چه اتفاقی می‌افتد. او در ١٩٣٩ شکافت هسته‌ای را تشریح کرد و کمی بعد دریافت که دو فیزیدان آلمانی، اتو هان و اولیز ماینتز، چنین کاری را در یکی از آزمایشگاه‌های آلمان انجام داده‌اند. بور از این خبر مطلع شد و بی‌درنگ معنای ترسناک شکستن اتم و انرژی عظیمی را که آزاد می‌کند را درک کرد. در همان سال به امریکا رفت و به اینشتین هشدار داد که آلمان نازی از دانش تئوریک برای آغاز پژوهش در جهت ساخت بمب اتمی برخوردار است. اینشتین موضوع را به آیزنهاور، رییس‌جمهور امریکا، اطلاع داد و او نیز دستور داد پروژه منهتن آغاز شود تا امریکا اولین کشور صاحب بمب اتمی شود. در ١٩٤١ هایزنبرگ به دیدن بور آمد. او که مجبور شده بود با نازی‌ها برای ساختن بمب اتمی همکاری کند، نموداری رمزی به بور داد که فاش می‌ساخت برنامه اتمی نازی‌ها تا کجا پیش رفته است. در ١٩٤٣، بور به دلیل بی‌اعتنایی علنی به رژیم هیتلر، مجبور به فرار از دانمارک شد. او با هزار مکافات خودش را به انگلستان رساند و از آن‌جا به امریکا رفت و نمودار هایزنبرگ را به اوپنهایمر، فیزیکدان امریکایی و مدیر پروژه منهتن، نشان داد. هر چه بود، امریکایی‌ها پیش از هیتلر به بمب اتمی رسیدند. شاید چون رژیم هیتلر فیزیک نظری را مصداق «علوم یهودی» می‌دانست و اکثر فیزیکدانان بزرگ آلمان و اروپا را به امریکا فراری داده بود. بور در امریکا سهم خود را در ساخت بمب اتمی ادا کرد ولی پس از نابودی هیروشیما و ناکازاکی، از مشاهده پیامدهای عمق فاجعه وحشت‌زده شد و به یکی از پرچمداران مبارزه با تحقیقات هسته‌ای بدل شد. پس از مرگ اینشتین در ١٩٥٥، مقام «بزرگ‌ترین دانشمند زنده» به نیلز بور اعطا شد. او تا سال ١٩٦٢ زندگی کرد و در هفده سال آخر عمرش، نهضت به اشتراک گذاردن جهانی همه معلومات درباره شکافت هسته‌ای را راه‌اندازی و رهبری کرد. بور معتقد بود این کار می‌تواند از تولید بمب‌های هسته‌ای مخرب‌تر جلوگیری کند؛ رویایی که تعبیر نشد و تاریخ گویای این حقیقت است.

بور نخستین کسی بود که شرح داد در شکافت هسته‌ای چه اتفاقی می‌افتد. او در ١٩٣٩ شکافت هسته‌ای را تشریح کرد و کمی بعد دریافت که دو فیزیکدان آلمانی، اتو هان و اولیز ماینتز، چنین کاری را در یکی از آزمایشگاه‌های آلمان انجام داده‌اند. در همان سال به امریکا رفت و به اینشتین هشدار داد که آلمان نازی از دانش تئوریک برای آغاز پژوهش در جهت ساخت بمب اتمی برخوردار است. اینشتین موضوع را به آیزنهاور، رییس‌جمهور امریکا، اطلاع داد و او نیز دستور داد پروژه منهتن آغاز شود تا امریکا اولین کشور صاحب بمب اتمی شود. در ١٩٤١ هایزنبرگ به دیدن بور آمد. او که مجبور شده بود با نازی‌ها برای ساختن بمب اتمی همکاری کند، نموداری رمزی به بور داد که فاش می‌ساخت برنامه اتمی نازی‌ها تا کجا پیش رفته است. در ١٩٤٣، بور به دلیل بی‌اعتنایی علنی به رژیم هیتلر، مجبور به فرار از دانمارک شد. او به آمریکا رفت و سهم خود را در ساخت بمب اتمی ادا کرد.

روزنامه اعتماد