فضای علمی خلاق و کشفیانه اولیه

نیلس بور وقتی که دانشجوی جوانی بود سالیان زیادی را در دو مرکز بسیار مهم و پر متحرک فیزیک به رهبری برجسته ترین فیزکدانان جهان یعنی جی جی تامسون در کمبریج و ارنست رادرفورد در منچستر سپری کرد. در سال 1978، تامسون الکترون را کشف کرد و نشان داد که این ذره یکی از اجزاء بنیادی ماده است. این ذره در تمام نمونه‌های مواد که تامسون مطالعه کرده بود وجود داشت. رادرفورد کشف کرد که اتمک شبیه یک کیک کشمشی نیست و این ذرات مانند کشمشهایی که درون کیکی پخش شده باشند، درون اتم پخش نشده‌اند، بلکه اتم شامل هسته بسیار کوچکی با بار مثبت و الکترونهایی است که بار منفی آنها معادل بار مثبت هسته است.

که در چنین فضایی به همراه برجسته‌ترین فیزیکدانان زمان که روی شناخت درون ماده کاوش و تلاش می‌کردند، نیلس بور ، شروع به توصیف فرآیندهای مختلفی نمود که در این زمینه مشاهده کرده بود. از جمله ، تغییرات و جهشهای شگفت آوری منچستر ، او نظریه‌ای درباره اتم هیدروژن ارائه داد که قادر به توضیح خطوط طیفی مشاهده شده در مجموعه بالمر بود. بور علاوه بر استفاده از دستاوردهای تجربی تامسون و رادرفورد برای بسط نظریات خود به کوانتش ارائه شده توسط پلانک و انیشتین نیز نیازمند بود.

در سال 1916 بور به کپنهاگ بازگشت و یکی از مهمترین و فعالترین مراکز تحقیقات نظری را برای کاوش در جهان کوانتومی تأسیس نمود. بسیاری از فیزیکدانان برجسته زمان از جمله ورنر هایزنبرگ به این مرکز در کپنهاگ پیوسنتند. هایزنبرگ بعدها رئیس موسسه ماکس پلانک در مونیخ شد.

منظر عمومی از مکتب کپنهاگ

اولین تصمیم که گرفته شد این بود که فعالیتهای نظری و تجربی را باهم مطرح سازند. بدین طریق با ایجاد گفتگویی حاد و عمیق بین تجربه گرایان ، در طرح پرسشهایی درباره طبیعت و دقیقتر ، توانستند احساس خوبی درباره گسترش علوم طبیعی نوین منتقل کنند. دو ساعت اول نمایش با مقدمه‌ای تاریخی و توضیحی نظری درباره مکانیک موجی و نمایشی از یک موج ایستاده دایره‌ای که بنا به توصیف نیلس بور منشأ توصیف پدیده موجب در اتم شد، آغاز گردید.

موارد اساسی مطرح شده عبارت بودند از:

• توصیف نظری مکانیک موجی.
• آزمایشهایی با امواج ایستاده.
• نور به عنوان ذرات و امواج و یا دوگانگی موج - ذره.
• مطالعه اتم.
• نظریه عدم قطعیت هایزنبرگ.
• بررسی رابط عدم قطعیت هایزنبرگ در تجربیات آزمایشگاهی.
• دیدگاه کیهانی.
• افت و خیزهای کوانتومی در خلأ.

توصیف نظری مکانیک موجی

در اولین جلسه نظری ، یک بحث بنیادی را بر اساس آنچه فاینمن از رمز و راز آزمایش اثر تداخلی دو شکافی یانگ برای نور تعبیر کرده بود، ارائه دادند. در ارتباط با زندگی روزمره‌مان ، به نمایش یک شبیه سازی با تداخل امواج آب و توضیح اصل برهمنهش پرداختند. کاملا آشکار بود که نقش تداخلی یکی از نشانه‌های پدیده موجی است که بر پرده ظاهر می‌شود، ولی این ذرات (فوتونها) هستند که موجب این اثر می‌گردند. حقیقت این است که فریزهای تداخلی حتی با شدتهایی که حاصل از فقط چند فوتون در ساعت هستند نیز ظاهر می‌شوند و اینکه یک اندازه گیری از کدام شکاف و فوتونی که نقش تداخلی را خراب می‌کند، میسر می‌شود.

آزمایشهایی با امواج

برای این کار ، یک باریکه لیزر بر یک تک شکافی و یک چند شکافی تابانده شد. از نقش پراش حاصل با یک دستگاه دوربین ویدئو تصویر برداری شد. همزمان با شبیه سازی عبور امواج آب از شکافهای با پهنای متغیر ، نقش حاصل به نمایش گذاشته شد.
سپس باریکه لیزر را بر مجموعه‌ای از روزنه‌هایی که اشکال گوناگون داشتند، یعنی: شکافهای موازی ، روزنه مربع شکل ، روزنه شش ضلعی و یک روزنه دایره‌ای ، تابانده شد. واضح بود که تقارن در اشکال روزنه‌ها موجب تقارن در نقش پراش می‌شود. در یک روزنه دایره‌ای شکل نقش پراش حاصل به دلیل تقارن دایره‌ای باید یک دایره باشد.

باریکه‌ای از الکترونها درون یک لامپ خلأ از لایه نازک اتمهای کربن گسیل شدند و برای روشن شدن آثار برخورد ذرات الکترون ، جلوی لامپ خلأ را نظیر صفحه تلویزیون با ماده فلورسنت آغشته کردند، نقش پراش حاصل روی لایه فلورسنت لامپ به صورت دایره‌های هم مرکزی ظاهر شد (که باز هم بوسیله دوربین ویدیویی قابل نمایش است). بلافاصله به این نتیجه رسیدند که این دایره‌ها همان نقش پراش است و این بدان معنا بود که الکترونها در این آزمایش خصوصیت موجی از خود نشان داده‌اند، تقارن دایره‌ای حاصل در نقش پراش نتیجه طبیعی ساختار اتمهای کربن در لایه روبروی باریکه الکترونها بود.

مطالعه اتمها

مطالعه اتمها در گسترش نظریه کوانتومی نقش قاطعی داشت. ساختار ماده و اینکه چرا ماده این چنین به سختی متراکم میشود؟ از آنجا که اتمها از ذرات سبکی (الکترونها) تشکیل شده‌اند که به دور هسته سنگین می‌چرخند، لذا قاعدتا باید ساده باشد که با کوچکتر کردن مدار حرکت الکترونها به دور هسته ، اندازه یک اتم را کوچکتر کنیم. ولی برعکس ، اغلب مواد جامد با سختی زیادی متراکم می‌شوند.

آزمایشهایی با امواج ایستاده

برای نمایش مدل اتمی بور و نقش امواج در فزیک نوین ، آزمایشهایی با امواج ایستاده نشان داده شدند. برای این کار ریسمان سفید قابل ارتجاعی بین دو میله محکم گره خورده و یکی از میله‌ها به چشمه قابل ارتعاشی وصل بود. مجموعه‌ای از بسامدهای تشدید شده و شبیه سازی حالتهای کوانتومی ساخته شد. در این اینجا به شبیه سازی مشابهی در هارمونی نتها در ریسمان اشاره می‌شود.

پس از آن یک سیم پیانو در دایره‌ای بسته شد و به چشمه مرتعشی متصل گردید، برای بسامدهای معینی یک موج ایستاده روی سیم بوجود آمد که شرط کونتش بوریعنی nλ = 2πr را نشان می‌داد. این امر حاکی از آن بود که "موج ایستاده الکترون" فقط وقتی تشکیل می‌شود که محیط مدار الکترون مضرب صحیحی از طول موج باشد.

نگاهی به ساختار اتمها

میکروسکوپ کوچک و بسیار دقیقی برای دیدن اتمهای کربن بکار برده شد. نقش شش ضلعی اتمهای کربن در گرافیت به وضوح دیده می‌شدند. این مشاهده مربوط به آزمایش پراش الکترون بود که لایه گرافیتی برای ایجاد پراش بکار برده شده بود. از آنجا که لایه‌های مختلف در گرافیت نسبت به هم به شکل کاتوره‌ای و تصادفی جابجا شده و می‌چرخیدند، لذا تقارن شش ضلعی هر لایه اتمی از بین می‌رفت. این امر هر جهت برتری را از بین می‌برد و نقش پراش حاصل ، لاجرم به شکل دایره‌ای تشکیل می‌شد. فیزیک مکتب کپنهاگ یکی از مباحث آزمایشگاه علوم برای هر دو قشر یعنی دانشجویان و مردم عادی شده است.

کلمات کلیدی: فیزیک نوین