ماکس پلانک؛ پدر فیزیک کوانتومکه بود و چه کرد؟

برای بسیاری از مردم این سؤال مطرح است که کوانتوم چیست؟ پلانک این ایده را مطرح کرد که انرژی نیز مانند ماده از واحدها یا بسته‌های کوچکی درست شده. او هر یک از این بسته‌ها را کوانتوم نامید. بنابراین کوانتوم مثل سلول در یک ارگانیسم یا مثل مولکول در ماده، واحد کوچکی است که در کنار واحدهایی نظیر خودش، سازندۀ انرژی است.

عصر ایران - ماکس پلانک در سال 1858 در آلمان به دنیا آمد. او یکی از مهم‌ترین فیزیکدانان نظری در تاریخ علم فیزیک بوده که نظریۀ کوانتوم را پی‌ریزی کرد؛ نظریه‌ای که جایزۀ نوبل را در سال 1918 بری پلانک به ارمغان آورد. پلانک خدمات زیادی به فیزیک نظری کرد ولی آوازۀ بلندش بیشتر ناشی از نقش وی به عنوان پدیدآورندۀ نظریۀ کوانتوم است. این نظریه دریافت جدید از فرایندهای اتمی و زیراتمی را از پایه دگرگون کرد؛ درست همان طور که نظریۀ نسبیت اینشتین در فهم فضا و زمان تحولی بنیادی پدید آورد.

پلانک کاشف اینشتین در دنیای فیزیک بود. این دو نفر با نظریات کوانتوم و نسبیت در واقع نظریه‌های بنیادی فیزیک قرن بیستم را پایه‌گذاری کردند. این دو نظریه بسیاری از فیلسوفان را واداشتند که در پاره‌ای از اساسی‌ترین باورهای فلسفی‌شان بازنگری کنند. همچنین، این دو نظریه کربردهای نظامی و صنعتی اثرگذار بر همۀ جنبه‌های زندگی مدرن بشر داشته‌اند. استعدادهای فکری پلانک در نتیجۀ پژوهش‌های مستقل او، موجب توجه وی به نوشته‌های رودلف کلاوزیوس دربارۀ ترمودینامیک شد. پلانک گفته است:«تصمیم نخست من برای زندگی‌ام در مسیر علم، نتیجۀ مستقیم کشف این نکته بود که قوانین استدلال انسان با قوانین حاکم بر زنجیرۀ تاثیراتی که ما از دنیای پیرامون خود دریافت می‌کنیم هماهنگ و سازگارند. در نتیجه، استدلال دقیق می‌تواند مکان دسیابی به بینشی در مکانیسم جهان را برای انسان فراهم کند.»

در واقع پلانک در دوره‌ای که فیزیک نظری هنوز به عنوان رشته‌ای علمی شکل نگرفته بود، تصمیم گرفت فیزیکدان نظری شود. اما او از این حد هم فراتر رفت و به این نتیجه رسید که وجود قوانین فیزیکی بر این امر دلالت می‌کنند که در جهان بیرون، چیزی مستقل از فکر انسان هست.»

چنین دیدگاهی نافی آن دیدگاه فلسفی مشهور بود که فلسفه نمی‌تواند "جهان خارج" را اثبات کند. نظری که فیلسوفانی چون برکلی و کانت هم از آن دفاع یا آن را تایید کرده‌اند. برکلی ایده‌آلیست بود و ایده‌آلیست‌ها در دنیای فلسفه، بخصوص ایده‌آلیست‌های رادیکال، به شدت مدافع این رای بوده‌اند که ممکن است چیزی به نام "جهان خارج" وجود نداشته باشد و هر چه هست، فقط ذهن آدمی باشد و جهان خارج نیز چیزی بیشتر از تصورات ذهنی نباشد. وقتی پلانک می‌گوید وجود قوانین فیزیک بر این امر دلالت می‌کنند که در جهان بیرون، چیزی مستقل از فکر انسان وجود دارد، در واقع در حال نفی رأی فلسفی مشهور ایده‌آلیست‌هاست؛ رأیی که البته به سفسطه شباهت دارد ولی سفسطه‌ها را لزوما نمی‌توان به آسانی از میدان مباحثه بیرون کرد. به همین دیل بسیاری هنوز معتقدند که ممکن است کل جهان خارج، چیزی جز یک امر موهوم نباشد. باری، نخستین نمونۀ مطلق در طبیعت که پلانک را سخت تحت تاثیر قرار داد، قانون پایستگی (باقی) انرژی بود. یعنی نخستین قانون ترمودینامیک. بعدها در طول سال‌های کار در دانشگاه، پلانک متقاعد شد که قانون آنتروپی (بی‌نظمی)

یکی از نخستین مسائلی که پلانک تلاش کرد آن را حل کند، مسئلۀ تابش جسم سیاه بود. تا دهۀ 1890، آزمایش‌ها و تلاش‌های نظری زیادی برای تعیین توزیع انرژی طیف (نمایش منحنی اینکه در فرکانس‌های متفاوت برای حرارت معین جسم سیاه، چه مقدار انرژی ساطع می‌شود) انجام شده بود. پلانک شیفتۀ فرمولی شد که همکارش ویلهلم وین در سال 1896 کشف کرده بود. سپس برای دستیابی به "قانون وین" و نتیجه‌گیری از آن بر پایهۀ قانون دوم ترمودینامیک، سلسله تلاش‌های پژوهشی‌اش را آغاز کرد. با این حال تا اکتبر 1900 دیگران به نشانه‌های آشکاری دست یافتند که بوضوح گویای آن بودند که قانون وین، در همان حال که در فرکانس‌های بالا معتبر است، در فرکانس‌های پایین کاملا با شکست مواجه می‌شود. پلانک درست قبل از نشست انجمن فیزیک آلمان در اکتبر 1900، از این نتایج آگاه شد. او پی برد که آنتروپی تابش در ناحیۀ بسامد بالا، اگر قانون وین در آن‌جا معتبر باشد، چگونه از نظر ریاضی باید به انرژی‌اش وابسته باشد. همچنین متوجه شد که برای بازتولید نتایج آزمایشی، در ناحیۀ فرکانس پایین، چقدر از این وابستگی باید در آن‌جا باشد.

این رو او حدس زد که باید بکوشد تا این دو تعبیر را با ساده‌ترین روش ممکن، با هم ترکیب کند و نتیجه را در فرمولی دربارۀ انرژی تابش نسبت به بسامد آن تغییر دهد. از این نتیجه، که قانون تابش پلانک خوانده می‌شود، به عنوان "درستِ بی‌چون‌وچرا" استقبال شد. با این همه، از نظر پلانک این تنها یک گمان، یک "حدس درست" بود که اگر قرار بود جدی گرفته شود، باید به گونه‌ای از اصل نخست استخراج می‌شد. این امر وظیفه‌ی بود که پلانک بی‌درنگ به انجام آن همت گماشت و تا 14 دسامبر 1900 در این زمینه به موفقیت دست یافت، اما به بهایی گزاف. برای دستیابی به این هدف، او دریافت که باید از یکی از ارجمندترین باورهایش - یعنی اینکه قانون دوم ترمودینامیک، قانون مطلق طبیعت است – دست بکشد. در واقع باید گفت که در اواخر دهه 1800 فیزیک با یک بحران روبرو شده بود. فیزیکدانان در تلاش بودند تا ارتعاشات اتمی را مدل کنند اما چیزی که به دست می‌آمد با واقعیت سازگاری نداشت. تمام چیزی که در آن زمان می‌دانستند این بود که مدل کردن ارتعاشات اتمی باید شکل خاصی داشته باشد. این مشکلی بود که ماکس پلانک آن را حل کرد. فیزیکدانان قبل از او تصور می‌کردند که ارتعاشات اتمی پیوسته است؛ یعنی این ارتعاشات می‌توانند در هر فرکانسی رخ دهند. ولی پلانک فرض کرد که اتم‌ها فقط در فرکانس‌های خاصی که مضربی از فرکانس‌های پایه هستند ارتعاش می‌کنند که او فرکانس‌های پایه را h نامید. به عبارت دیگر، اتم‌ها می‌توانند در فرکانس‌های h، 2h یا 3h ارتعاش کنند اما این موضوع برای فرکانس 2.5h صادق نیست. به بیانی دیگر در مکانیک کلاسیک زمانی که یک کودک در حال تاب‌سواری است می تواند در هر دامنه (ارتفاع) در مسیر نوسان قرار گیرد و انرژی موجود در سیستم متناسب با مربع دامنه است. از این رو کودک می‌تواند در هر محدودۀ پیوسته انرژی از صفر تا یک نقطه معین تاب‌سواری کند. اما وقتی از دید کوانتومی به مسئله نگاه کنید رفتار سیستم متفاوت می‌شود. در این حالت مقدار انرژی‌ای که یک نوسانگر می‌تواند داشته باشد مانند پله‌های روی نردبان گسسته است. سطوح انرژی از مرتبۀ hf با یکدیگر تفاوت دارند که f فرکانس فوتون است. یک الکترون با آزاد کردن یا جذب انرژی می‌تواند از یک سطح به سطح دیگر انرژی برود.

فرض پلانک واقعاً عجیب بود ولی در مورد مسئلۀ او کار کرد. با توجه به این مدل به نظر می‌رسد که اتم‌ها (و بسیاری از موارد دیگر) فقط می‌توانند مقادیر خاصی را به خود اختصاص دهند. به این ویژگی در فیزیک کوانتیدگی کمیت می‌گوییم. اکتشاف پلانک باعث شروع تحقیقات در زمینه جدیدی از فیزیک به نام مکانیک کوانتومی شد. این ثابت بعدها به نام خود او نام‌گذاری شد و به معنای واقعی بیانگر کلمه کوانتوم در مکانیک کوانتومی است. برای بسیاری از مردم این سؤال مطرح است که کوانتوم چیست؟ پلانک این ایده را مطرح کرد که انرژی نیز مانند ماده از واحدها یا بسته‌های کوچکی درست شده. او هر یک از این بسته‌ها را کوانتوم نامید. بنابراین کوانتوم مثل سلول در یک ارگانیسم یا مثل مولکول در ماده، واحد کوچکی است که در کنار واحدهایی نظیر خودش، سازندۀ انرژی است. به غیر از اهمیت ناشی از بنیانگذاری نظریۀ کوانتوم و ارائۀ "ثابت پلانک" به دنیای علم و البته سایر تحقیقات علمی، پلانک از حیث دیدگاهش نسبت به "خدا" نیز در بین دانشمندان قرن بیستم اهمیت دارد