فيزيك مكتب كپنهاگ
با ظهور مكانيك كوانتومي ديدگاه به جهان به شكل عميقي تغيير كرد. مفاهيم فيزيك كلاسيك نظير ذرات ، ذرات پرتابهها ، سرعتها ، اسپين و انرژي ديگر رسا نبودند. انقلاب در مفاهيم فيزيك كه بوسيله "فيزيك نوين" رخ داد (و در واقع در دهه 1920 گسترش يافته بود) چنان عميق بود كه هنوز ، جز براي فيزيكدانهاي حرفهاي ، براي عامه مردم آنچنان قابل فهم نيست. بنابراين ، بسيار جالب خواهد بود كه به نمايشنامه تئاتري "كپنهاك" نوشته ميشل فراين اشاره كنيم كه در تئاترهاي مهم جهان نظير لندن ، نيويورك و استكهلم به روي صحنه رفت.
اين نمايشنامه به روش بسيار استادانه و مارهانهاي مقولههاي ظريف و در هم آميخته اخلاقي و سياسي كه منجر به ساختن بمب اتمي شد، همراه با سوالهاي پيچيده مربوط به تفسير مكانيك كوانتومي را مطرح ميسازد. نمايشنامه حول ملاقات سري هايزنبرگ در آزمايشگاه بور در دانمارك كه اشغال شده و در سپتامبر 1941 اتفاق افتاد متمركز شده است و تنها سه نفري كه روي صحنه ظاهر ميشوند ورنر هايزنيرگ ، نيلس بور و مارگارت بور (همسر نيلس بور) هستند. در تلاش براي بازسازي رويدادهاي دهههاي بعد از ملاقات هايزنبرگ ، گفتگوها گاهي به جزئيات نشيبها و فرازها و رنجها و پيروزيهاي مربوط به توسعه فيزيك نوين ميپردازد.
براي فيزيكدانها ، نمايشنامه يقينا ابعاد ديگري از بسياري پرسشهاي مفهومي را كه هنگام مطالعه اين حوزه از علم با آن دست به گريبان ميشوند، مطرح ميسازد. براي عامه مردم ، بسياري از مفاهيم پيچيده بايد بطور شفاف بيان شوند و اين موضوع ايجاد جاذبه بيشتري را براي يادگيري بيشتري حول اين موضوع ايجاد ميكند. وقتي نمايشنامه در تئاتر دراماتيك سلطنتي سوئد در استكهلم به روي صحنه رفت، فرصتي عالي براي ارائه علمي عامه پسند و فراگير با جاذبههاي قابل توجه بويژه در روشن ساختن وجه شگفت انگيز دو گانگي موج - ذره و ديگر مفاهيم مكانيك كوانتومي پيش آمد.
فضاي علمي خلاق و كشفيانه اوليه
نيلس بور وقتي كه دانشجوي جواني بود ساليان زيادي را در دو مركز بسيار مهم و پر متحرك فيزيك به رهبري برجسته ترين فيزكدانان جهان يعني جي جي تامسون در كمبريج و ارنست رادرفورد در منچستر سپري كرد. در سال 1978، تامسون الكترون را كشف كرد و نشان داد كه اين ذره يكي از اجزاء بنيادي ماده است. اين ذره در تمام نمونههاي مواد كه تامسون مطالعه كرده بود وجود داشت. رادرفورد كشف كرد كه اتمك شبيه يك كيك كشمشي نيست و اين ذرات مانند كشمشهايي كه درون كيكي پخش شده باشند، درون اتم پخش نشدهاند، بلكه اتم شامل هسته بسيار كوچكي با بار مثبت و الكترونهايي است كه بار منفي آنها معادل بار مثبت هسته است.
كه در چنين فضايي به همراه برجستهترين فيزيكدانان زمان كه روي شناخت درون ماده كاوش و تلاش ميكردند، نيلس بور ، شروع به توصيف فرآيندهاي مختلفي نمود كه در اين زمينه مشاهده كرده بود. از جمله ، تغييرات و جهشهاي شگفت آوري منچستر ، او نظريهاي درباره اتم هيدروژن ارائه داد كه قادر به توضيح خطوط طيفي مشاهده شده در مجموعه بالمر بود. بور علاوه بر استفاده از دستاوردهاي تجربي تامسون و رادرفورد براي بسط نظريات خود به كوانتش ارائه شده توسط پلانك و انيشتين نيز نيازمند بود.
در سال 1916 بور به كپنهاگ بازگشت و يكي از مهمترين و فعالترين مراكز تحقيقات نظري را براي كاوش در جهان كوانتومي تأسيس نمود. بسياري از فيزيكدانان برجسته زمان از جمله ورنر هايزنبرگ به اين مركز در كپنهاگ پيوسنتند. هايزنبرگ بعدها رئيس موسسه ماكس پلانك در مونيخ شد.
منظر عمومي از مكتب كپنهاگ
اولين تصميم كه گرفته شد اين بود كه فعاليتهاي نظري و تجربي را باهم مطرح سازند. بدين طريق با ايجاد گفتگويي حاد و عميق بين تجربه گرايان ، در طرح پرسشهايي درباره طبيعت و دقيقتر ، توانستند احساس خوبي درباره گسترش علوم طبيعي نوين منتقل كنند. دو ساعت اول نمايش با مقدمهاي تاريخي و توضيحي نظري درباره مكانيك موجي و نمايشي از يك موج ايستاده دايرهاي كه بنا به توصيف نيلس بور منشأ توصيف پديده موجب در اتم شد، آغاز گرديد.
موارد اساسي مطرح شده عبارت اند از:
- توصيف نظري مكانيك موجي.
- آزمايشهايي با امواج ايستاده.
- نور به عنوان ذرات و امواج و يا دوگانگي موج - ذره.
- مطالعه اتم.
- نظريه عدم قطعيت هايزنبرگ.
- بررسي رابط عدم قطعيت هايزنبرگ در تجربيات آزمايشگاهي.
- ديدگاه كيهاني.
- افت و خيزهاي كوانتومي در خلأ.
توصيف نظري مكانيك موجي
در اولين جلسه نظري ، يك بحث بنيادي را بر اساس آنچه فاينمن از رمز و راز آزمايش اثر تداخلي دو شكافي يانگ براي نور تعبير كرده بود، ارائه دادند. در ارتباط با زندگي روزمرهمان ، به نمايش يك شبيه سازي با تداخل امواج آب و توضيح اصل برهمنهش پرداختند. كاملا آشكار بود كه نقش تداخلي يكي از نشانههاي پديده موجي است كه بر پرده ظاهر ميشود، ولي اين ذرات (فوتونها) هستند كه موجب اين اثر ميگردند. حقيقت اين است كه فريزهاي تداخلي حتي با شدتهايي كه حاصل از فقط چند فوتون در ساعت هستند نيز ظاهر ميشوند و اينكه يك اندازه گيري از كدام شكاف و فوتوني كه نقش تداخلي را خراب ميكند، ميسر ميشود.
آزمايشهايي با امواج
براي اين كار ، يك باريكه ليزر بر يك تك شكافي و يك چند شكافي تابانده شد. از نقش پراش حاصل با يك دستگاه دوربين ويدئو تصوير برداري شد. همزمان با شبيه سازي عبور امواج آب از شكافهاي با پهناي متغير ، نقش حاصل به نمايش گذاشته شد.
سپس باريكه ليزر را بر مجموعهاي از روزنههايي كه اشكال گوناگون داشتند، يعني: شكافهاي موازي ، روزنه مربع شكل ، روزنه شش ضلعي و يك روزنه دايرهاي ، تابانده شد. واضح بود كه تقارن در اشكال روزنهها موجب تقارن در نقش پراش ميشود. در يك روزنه دايرهاي شكل نقش پراش حاصل به دليل تقارن دايرهاي بايد يك دايره باشد.
باريكهاي از الكترونها درون يك لامپ خلأ از لايه نازك اتمهاي كربن گسيل شدند و براي روشن شدن آثار برخورد ذرات الكترون ، جلوي لامپ خلأ را نظير صفحه تلويزيون با ماده فلورسنت آغشته كردند، نقش پراش حاصل روي لايه فلورسنت لامپ به صورت دايرههاي هم مركزي ظاهر شد (كه باز هم بوسيله دوربين ويديويي قابل نمايش است). بلافاصله به اين نتيجه رسيدند كه اين دايرهها همان نقش پراش است و اين بدان معنا بود كه الكترونها در اين آزمايش خصوصيت موجي از خود نشان دادهاند، تقارن دايرهاي حاصل در نقش پراش نتيجه طبيعي ساختار اتمهاي كربن در لايه روبروي باريكه الكترونها بود.
مطالعه اتمها
مطالعه اتمها در گسترش نظريه كوانتومي نقش قاطعي داشت. ساختار ماده و اينكه چرا ماده اين چنين به سختي متراكم ميشود؟ از آنجا كه اتمها از ذرات سبكي (الكترونها) تشكيل شدهاند كه به دور هسته سنگين ميچرخند، لذا قاعدتا بايد ساده باشد كه با كوچكتر كردن مدار حركت الكترونها به دور هسته ، اندازه يك اتم را كوچكتر كنيم. ولي برعكس ، اغلب مواد جامد با سختي زيادي متراكم ميشوند.
آزمايشهايي با امواج ايستاده
براي نمايش مدل اتمي بور و نقش امواج در فزيك نوين ، آزمايشهايي با امواج ايستاده نشان داده شدند. براي اين كار ريسمان سفيد قابل ارتجاعي بين دو ميله محكم گره خورده و يكي از ميلهها به چشمه قابل ارتعاشي وصل بود. مجموعهاي از بسامدهاي تشديد شده و شبيه سازي حالتهاي كوانتومي ساخته شد. در اين اينجا به شبيه سازي مشابهي در هارموني نتها در ريسمان اشاره ميشود.
پس از آن يك سيم پيانو در دايرهاي بسته شد و به چشمه مرتعشي متصل گرديد، براي بسامدهاي معيني يك موج ايستاده روي سيم بوجود آمد كه شرط كونتش بوريعني n? = 2?r را نشان ميداد. اين امر حاكي از آن بود كه "موج ايستاده الكترون" فقط وقتي تشكيل ميشود كه محيط مدار الكترون مضرب صحيحي از طول موج باشد.
نگاهي به ساختار اتمها
ميكروسكوپ كوچك و بسيار دقيقي براي ديدن اتمهاي كربن بكار برده شد. نقش شش ضلعي اتمهاي كربن در گرافيت به وضوح ديده ميشدند. اين مشاهده مربوط به آزمايش پراش الكترون بود كه لايه گرافيتي براي ايجاد پراش بكار برده شده بود. از آنجا كه لايههاي مختلف در گرافيت نسبت به هم به شكل كاتورهاي و تصادفي جابجا شده و ميچرخيدند، لذا تقارن شش ضلعي هر لايه اتمي از بين ميرفت. اين امر هر جهت برتري را از بين ميبرد و نقش پراش حاصل ، لاجرم به شكل دايرهاي تشكيل ميشد. فيزيك مكتب كپنهاگ يكي از مباحث آزمايشگاه علوم براي هر دو قشر يعني دانشجويان و مردم عادي شده است.
بر گرفته از؛ هوپا