Home / مقالات علمی / دنیای کوانتوم / كوانتوم به زبان ساده 1
كوانتوم به زبان ساده 1

كوانتوم به زبان ساده 1

نویسنده: سیاوش کسروی

 

بخش اول انقلابي در فيزيك نوين- قانون پلانك

شايد بتوان گفت كه كشف آتش انقلابي ترين اكتشافي بود كه تاريخ بشر به خود ديده است، كشفي كه بشر اوليه و غارنشين را رهسپار كره ي ماه نمود، اما از كشف آتش زماني به طول صدها هزار سال نياز بود تا توجه بشر از گرماي حيات بخش آن به ماهيت اين گرما و نور ساطع شده از آن جلب شود.
چرا وقتي آهن را در كوره قرار ميدهيم ابتدا سرخ بعد زرد و در نهايت سفيد ميشود؟ چرا شعله ي آبي رنگ گرماي بيشتري از شعله ي سرخ رنگ دارد؟ ماكس پلانك فيزيكدان برجسته ي آلماني با استفاده از مفاهيم فيزيك نور و گرما اين تغيير رنگ ها در دماهاي مختلف را توضيح داد، ايده اي كه نور را به صورت آماري بيشتر بصورت يك موج پيوسته توصيف مي كرد به واقع ايده ي انقلابي پلانك بود كه منجر به تولد فيزيك كوانتوم گشت، گرچه خود پلانك همچون تني چند از ديگر بنيانگذاران كوانتوم همچون آلبرت انيشتين نابغه ي نام آشناي دانش فيزيك، از نتايج اين ايده شگفت زده و حتي ناخشنود بود.

رنگ- گرما- موج
در قرن نوزدهم فيزيكدانان دريافته بودند كه وقتي اجسام گرم مي شوند، فارغ از جنسشان طبق الگوي ثابت و خاصي، از خود نور ساطع مي كنند، آنها پي برده بودند هرچقدر دماي جسم بالا مي رود فركانس قله موج ساطع شده از آن به طول موج هاي كوتاه تري تغيير پيدا مي كند، دانشمندان مي دانستند طول موج هاي كوتاه تر حاوي انرژي بيشتري هستند، با بالا رفتن دما، جسم ابتدا قرمز، زرد و سپس به آبي و سفيد تغيير رنگ پيدا مي كند وبيشترين مقدار نور خود را در فركانس خاصي ساطع مي كند،

تابش جسم سياه فاجعه ي فرابنفش

همانطور كه شرح داده شد رنگ هاي مختلف فركانس هاي متفاوتي از خود ساطع مي كنند، به همين روال ميزان جذب انرژي در اجسام با رنگ هاي متفاوت نيز، با يكديگر تفاوت دارد، كافي ست در يك روز گرم تابستاني، لباسي تيره رنگ را جانشين لباس رنگ روشن خود كنيد تا جذب گرماي طاقت فرساي خورشيد را با گوشت و پوست خود درك كنيد! هرچه كه تيره گي لباس شما بيشتر باشد گرماي بيشتري را حس خواهيد كرد! اين پديده ي به ظاهر ساده كه همه ي ما از كنار آن به سادگي گذر مي كنيم براي مدتها يكي از معضلات در دانش فيزيك بود! مواد تاريك در جذب گرما بهترين توانايي را دارند و به همين نسبت و بر طبق آنچه كه فيزيكدانان بر طبق قوانين كيرشهف بدان پي برده بودند، از آنجا كه ميزان تابش و جذب انرژي با هم متناسب هستند، اجسام سياه مي بايست در گسيل گرما هم بهترين توانايي را داشته باشند! اصطلاح تابش جسم سياه زماني اطلاق مي شود كه يك جسم تمام تابش هاي الكترومغناطيسي فرودي را جذب كند و در نتيجه سياه ديده شود و چون گفتيم جذب و گسيل انرژي بر طبق قضيه ي كيرشهف به هم مربوط هستند مي بينيم كه يك جسم سياه يك تابش كننده ي ايده آل نيز هست. از نظر تجربي يك روزنه ي كوچك واقع در يك كاواك داغ مانند درب كوره، همچون يك جسم ايده آل عمل مي كند. گسيل انرژي از يك جسم ملتهب با زياد شدن دما افزايش مي يابد. دانشمندان گرچه گراف هاي جسم سياه را اندازه گرفته اند ولي نتوانستند آن ها را درك كنند يا توضيح دهند چرا فركانس در يك رنگ ويژه بالا مي رود،
فيزيكدانان بسياري تا قبل از پلانك تلاش كردند، تا علت اين پديده را به درستي شرح دهند اما تمامي اين تلاش ها منجر به شكست مي د و راه حل هاي ارائه شده در عمل مشكلاتي به بار مي آورد. چون پيشگويي مي كرد كه مقدار انرژي معين در طول موج هاي فرابنفش و بيش از آن، بر اثر طيف هاي بالا رونده مقدار بي نهايتي آزاد مي شود. اين مساله آشكار، فاجعه ي فرابنفش لقب گرفت و تمامي تلاش ها براي آن با شكست مواجه مي شد، تا اينكه ماكس پلانك به اين مناقشات خاتمه داد.

پلانك دانشمند برجسته آلماني كه شيفته ي مفهوم آنترپي و قانون دوم ترموديناميك بود و همچنين اعتقاد راسخي به رياضيات داشت، فيزيك نور و گرما را به هم پيوند داد و با ارائه ي راهي براي حل اين مشكل، ناخواسته راه حل هوشمندانه را به دست آورد كه فيزيك را دگرگون ساخت.
پلانك دريافت همانطور كه دما تقسيم انرژي گرماي بين تعداد متناهي از ذرات است، امواج الكترومغناطيسي نيز مجموعه اي از واحد هاي بسيار كوچكي از واحدهاي ميدان الكترومغناطيسي است، او اين واحدها را كوانتا ناميد كه در لاتين به معناي چه مقدار است. او اين انرژي الكترومغناطيسي را با فركانس درجه بندي كرد و به هر طول موج الكترومغناطيس يك انرژي معين نسبت داد. در اين صورت بندي جديد كوانتايي انرژي، نور و طول موج هاي الكترومغناطيس، سطح انرژي مشخصي دارند و به خوبي توضيح داده مي شد چرا دماهاي مختلف طيف هاي طول موج خاصي از خود بروز مي دهند.
در سال ١٩٠١ پلانك قانون خود را منتشر كرد و با ايجاد رابطه اي بين امواج و احتمال، تحسين بسياري را برانگيخت، با گسترش سريع فيزيك اتمي، فرمول بندي جديد پلانك معنا و مفهوم شگفت انگيزي پيدا كرد و بذري كه پلانك كاشت به سرعت رشد كرده و به يكي از بالنده ترين و تنومندترين تئوري هاي تاريخ فيزيك بدل گشت.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*

Scroll To Top