جمعه، تیر ۰۱، ۱۳۸۶

داستان پایان‌نامه‌ی من _ قسمت هفتم

بیشتر کتاب‌های مکانیک کوانتومی با شرح و مروری بر چند آزمایش تاریخی شروع می‌شوند که نخستین مورد آنها معمولاً مسأله‌ی تابش جسم سیاه است. این مسأله در سال‌های پایانی قرن نوزدهم میلادی به یکی از معضلات اساسی فیزیک تبدیل شده‌بود. مسأله مربوط به یکی از بدیهی‌ترین مشاهدات فیزیکی است: اجسام مادی همواره در حال جذب انرژی تابشی از محیط اطراف خود و گسیل این انرژی به شکل تابش الکترومغناطیسی هستند. جسم سیاه در این‌جا یک اصطلاح است. جسم سیاه ایده‌آل به عنوان جسمی تعریف می‌شود که تمامی طول موج‌های رسیده به سطح خود را جذب کند (منعکس نکند) و همچنین تمامی طول موج‌ها را از خود بتاباند (یعنی طیف تابشی آن پیوسته و کامل باشد). عملاً جسم سیاه واقعی در طبیعت وجود ندارد (سیاه‌چاله‌ها را با جسم سیاه اشتباه نگیرید، چون جذب تابش توسّط سیاه‌چاله اساساً مربوط به یک مکانیسم دیگر است و در ضمن هنوز نمی‌دانیم که تابش از سیاه‌چاله‌ها واقعاً وجود دارد یا نه و اگر وجود دارد به چه صورت است.). در آزمایش‌های مربوط به جسم سیاه سعی می‌کنیم از اجسامی استفاده کنیم که با تقریب خوبی مثل جسم سیاه ایده‌آل رفتار کنند. هر جسم جامد (که از این‌جا به بعد جسم سیاه ایده‌آل فرض می‌شود) در حالت تعادل گرمایی جسم با محیط اطراف خود، تابش الکترومغناطیسی را با تمامی طول موج‌ها (فرکانس‌ها) گسیل می‌کند. امّا توزیع فرکانسی این تابش و میزان کلّ توان تابشی (= میزان انرژی تابیده شده بر واحد زمان) برای یک جسم مشخّص، تابعی از دما است. بدیهی است که اگر میزان کلّ توان تابیده‌شده در دمای ثابت توسّط یک جسم جامد در تمامی طول موج‌های ممکن را با هم جمع بزنیم (در واقع انتگرال بگیریم)، باید به یک عدد متناهی برسیم. چرا؟ خوب معلوم است، چون یک جسم معیّن که نمی‌تواند بی‌نهایت انرژی در واحد زمان گسیل کند. حالا اگر یک ساز و کار نظری بیاید و مقداری بی‌نهایت را برای توان کلّ تابش شده از یک جسم سیاه پیش‌بینی کند (چیزی که به وضوح مغایر با مشاهدات ما است)، آیا این پیش‌بینی آن قدر بد نیست که آن را فاجعه بنامیم؟ در واقع مکانیک آماری کلاسیک و نظریه‌ی الکترومغناطیس ماکسول (که دو رکن بسیار مهمّ فیزیک قرن نوزدهم بودند) در کنار هم به این نتیجه می‌رسیدند که توان تابشی گسیل شده از یک جسم جامد، باید به طور پیوسته با فرکانس افزایش یابد و در واقع برای فرکانس‌های بالا به بی‌نهایت برسد. این پیش‌بینی نادرست به قدری آزاردهنده بود که آن را فاجعه‌ی فرابنفش (Ultraviolet Catastrophe) خواندند.

شاید این هم از طنزهای روزگار باشد که شخصی که راه گریز از «فاجعه» را یافت، هنگامی که قبلاً برای تعیین موضوع تز دکترای فیزیکش به استاد راهنمای خود مراجعه کرده‌بود، با پاسخ ناامیدکننده‌ای مواجه شد. استادش به او گفته‌بود که مسأله‌ی حل‌نشده‌ای در فیزیک باقی نمانده و بهتر است وقت خود را صرف پژوهش در زیست‌شناسی کند. استاد او مسلّماً فیزیک‌دان بی‌خردی نبوده. جوّ غالب فکری در پایان قرن نوزدهم همین گونه بود. موفّقیّت‌های مکانیک نیوتونی و سپس الکترودینامیک کلاسیک و مکانیک آماری، بسیاری را به این نتیجه رسانده‌بود که واقعاً فیزیک وظیفه‌ی خود در توصیف رفتار بنیادی طبیعت را به پایان رسانده.

به هر حال، نام این شخص ماکس پلانک بود. پلانک علاقه‌ی زیادی به مکانیک آماری داشت و بینش عمیق او در مکانیک آماری بود که به او در یافتن پاسخ این مسأله کمک کرد، هرچند خود او بعدها یافته‌ی خود را متواضعانه یک شانس دانست.

پلانک تابش را متشکّل از بسته‌هایی دانست که هر یک حامل مقدار معیّنی انرژی است. او گسسته (ذرّه‌ای) بودن تابش را به مکانیسم تابش در سطح جسم داغ نسبت داد (بر خلاف آینشتاین که بعداً ذرّه‌ای بودن را به ماهیت تابش الکترومغناطیس نسبت داد ، و نه به ساز و کار تابش). پلانک انرژی هر بسته را با طول موج تابش الکترومغناطیسی متناظر با آن ذرّه، متناسب دانست. به این ترتیب او مسأله را از بررسی آماری امواج الکترومغناطیسی به بررسی آماری یک سیستم ذرّات تبدیل کرد. جواب‌هایی که بر این اساس به دست آورد، دقیقاً با نتایج آزمایش‌ها و قوانینی که تا پیش از آن به صورت تجربی به دست آمده‌بود هم‌خوانی داشت. استاد راهنمای پلانک شاید شگفت‌زده می‌شد اگر می‌دانست دانشجویی را از پژوهش در فیزیک نهی کرده که کار او نقطه‌ی آغاز داستان‌های بعدی فیزیک گردید و شرح آزمایش و مشاهدات او سرآغاز کتاب‌های آموزش فیزیک قرن بیستم شده‌است.

پلانک مقاله‌ی خود را در سال 1900 میلادی ارائه کرد. پس تاریخ تولّد فوتون در ذهن بشر را باید همان سال دانست. البته نیوتون هم قبلاً ماهیت ذرّه‌ای را برای نور پیش‌نهاد کرده‌بود، امّا منشاء تفکّر نیوتون مشاهدات وی در اپتیک هندسی بود. نیوتون به راستی بزرگ‌ترین فیزیک‌دانی بوده که تاکنون بر سطح این سیّاره زیسته‌است.

مسأله‌ی تابش جسم سیاه فقط از نظر تاریخی مهم نیست. کاربردهای آن در حوزه‌های مختلفی مثل کیهان‌شناسی و مهندسی بسیار حیاتی هستند. اگر حال و حوصله‌ی خواندن را دارید، این مقاله از ویکی‌پدیا را بخوانید. به ویژه این عکس را در توضیح طیف تابشی ببینید.

اثر فوتوالکتریک بماند برای پست بعد از این سری.

برچسب‌ها: ,

0 Comments:

ارسال یک نظر

Links to this post:

ایجاد یک پیوند

<< Home