«نیلز بور» ؛ از دروازه بانی فوتبال تا مکانیک کوانتومی و سرانجام بمب اتم !

عصر ایران - نیلز بور، فیزیکدان برجستۀ دانمارکی، در 7 اکتبر 1885 در کپنهاگ دانمارک به دنیا آمد و 18 نوامبر 1962 از دنیا رفت. او در 1922، یک سال پس از آلبرت اینشتین، جایزۀ نوبل فیزیک را دریافت کرد و نقش چشمگیری در پیشرفت مکانیک کوانتومی داشت. مکانیک کوانتومی در کنار نظریۀ نسبیت اینشتین، دو ستون فیزیک مدرن به شمار می‌روند.  

نیلز بور در خانواده ای سرشناس و مرفه به دنیا آمد. پدرش، کریستین بور، فیزیولوژیستی بود که بابت کار علمی‌اش دربارۀ دستگاه تنفسی، تا آستانۀ کسب جایزۀ نوبل پیش رفت. آگه بور، یکی از شش فرزند نیلز بور نیز در 1975 برندۀ جایزۀ نوبل فیزیک شد. پدر نیلز بور شیفتۀ انگلستان بود و وقتی که انگلیسی‌ها بازی فوتبال را ابداع کردند، نقش زیادی در پایه‌ریزی و راه‌اندازی فوتبال در دانمارک ایفا کرد.

نیلز بور در دوران نوجوانی شبیه نابغه‌ها نبود. به تبع پدرش به فوتبال علاقه پیدا کرد و به همراه برادر کوچکترش، هارالد، که بعدها ریاضیدان برجسته‌ای شد، در تیم فوتبال دانشگاه‌شان بازی می‌کرد. او به دلیل جثۀ بزرگش دروازه‌بان بود و برادرش در خط میانی توپ می‌زد.

هارالد حتی در بازی های المپیک 1904 هم در تیم ملی دانمارک بازی کرد. اما نیلز بور عشق دیگری هم داشت: آزمایشگاه. او کارهای تجربی در آزمایشگاه را دوست داشت و کم کم از دروازۀ فوتبال بیرون آمد و معنا و لذت زندگی را در فعالیت علمی در آزمایشگاه پیدا کرد.

نظریۀ کوانتومی دربارۀ سازگاری دو پدیدۀ متضاد به ظاهر ناسازگار است. برخی از مورخان علم احتمال می‌دهند که نطفۀ این نظریه، در جریان مهمانی‌های شبانۀ پدر نیلز بور با دوستان دانشمندش، در ذهن نیلز جوان شکل گرفته باشد.

وقتی که دانشمندان و متفکران به خانۀ کریستین بور می‌آمدند، پس از صرف شام بحث‌های گوناگونی بین آنان درمی گرفت و نیلز و هارالد فقط مجاز بودند که در مقام «شنوندۀ خاموش» در آن مباحث حضور داشته باشند. از آنجایی که خاموشی مقدمۀ تفکر است، نیلز جوان با غرق‌شدن در مباحث آن مهمانی‌های شبانه، ذهنش درگیر این موضوع شد که چطور یک واژه همزمان می‌تواند معانی ناسازگاری داشته باشد و اساسا آغشته باشد به ابهام.

نیلز بور

او کوشید با استفاده از ریاضیات، ابهام واژه‌ها را از بین ببرد ولی عاقبت ناچار شد بپذیرد چنین ابهام‌هایی، ذاتی زبان هستند. یعنی به تدریج درک کرد که تفسیرهای ناسازگار می‌توانند همزمان وجود داشته باشند.

درپیچیدن بور با معضل «ابهام» و تسلیم‌شدنش در برابر «امکان تفسیرهای ناسازگار اما مقبول در زمان واحد»، شالودۀ نظریه کوانتومی را در ناخودآگاه ذهن نیلز بور پی ریزی کرد.

بازگشت تفکر به علم

برخی از مورخان علم معتقدند تولد دانشمندانی مثل نیلز بور محصول کاهش اهمیت «تجربه» در دنیای علم بود. مطابق این تحلیل، از زمان گالیله، علم به این رای مایل شده بود که حقیقت را با آزمایش می توان کشف کرد نه صرفا با تفکر. اما پس از 200 سال تاخت‌وتاز «آزمایش» در دنیای علم، دانشمندان به تدریج نقش بیشتری برای «تفکر» قائل شدند.

در 1905، اینشتین نظریۀ نسبیت خاص را ارایه کرد که فقط محصول تفکر بود نه آزمایش. یعنی اینشتین برای رسیدن به این نظریه، از ریاضیات استفاده کرد نه از آزمایش.

ظاهراً رای هیوم در زیر سوال بردن رابطۀ علت و معلول و نیز فلسفۀ کانت، عواملی موثر در افزایش اهمیت «تفکر» در کار و بار دانشمندان بودند. یعنی از اواخر قرن نوزدهم، علم با فلسفه محک زده می شد. در همین راستا، وقتی که بور در 1909 کار روی رساله دکترای خودش را آغاز کرد، درگیر پروژه‌ای کاملا تئوریک و به کلی غیر تجربی شد.

عنوان پایان‌نامۀ بور «تحقیقی پیرامون نظریۀ فلزات» بود. سه سال قبل از پایان قرن نوزدهم، جی. جی تامسون نخستین ذرۀ زیراتمی را کشف کرده بود: الکترون. جان کلام بور در رسالۀ دکتری اش این بود که در سطح زیراتمی، فرضیات فیزیک کلاسیک معتبر نیستند و برای توضیح آنچه درون اتم روی می دهد، ظاهراً نوع به کلی متفاوتی از فیزیک لازم است. اما این حرف او در آن زمان دقیقا مثل این بود که کسی بگوید 2+2 مساوی با 4 نیست.

ارنست رادرفورد

در 1911 بور با رادرفورد آشنا شد و همکاری با این دانشمند برجسته و خوش‌مشرب را آغاز کرد. رادرفورد در تحقیقاتش متوجه شده بود تنها راه بررسی چیزی به کوچکی اتم، بمباران آن با چیزی باز هم کوچک‌تر یعنی یک ذرۀ زیراتمی است. او پس از آزمایش‌های متعدد، نهایتا به این نتیجه رسیده بود که در مرکز اتم یک هستۀ ریز و به غایت چگال وجود دارد و این هستۀ مثبت را تعدادی الکترون منفی احاطه کرده‌اند و تحت تاثیر جاذبۀ هسته در مدارهای مشخص به دورش می چرخند.
با اینکه بسیاری از فیزیکدانان مخالف تبیین رادرفورد از ساختار اتم بودند (زیرا هسته‌ای که صرفا از ذرات مثبت تشکیل شده، قاعدتا باید در اثر دافعۀ این ذرات متلاشی می‌شد) ولی بور آن را پذیرفت و تحقیقاتش را بر همان اساس ادامه داد.

کوانتوم چیست؟

در یکی از صبح‌های سرد دسامبر 1900 ماکس پلانک، استاد فیزیک دانشگاه برلین، هنگامی که مشغول پیاده‌روی در جنگل‌های برلین بود به پسرش گفت: «امروز موفق به کشفی شدم که به اهمیت کشف نیوتون است. من نخستین گام را فراتر از فیزیک کلاسیک برداشته‌ام.» پلانک کشف کرده بود که نور به هر دو صورت امواج و ذرات رفتار می‌کند و این موج-ذرات را «کوانتوم‌ها» نامید.

ماکس پلانک

ایدۀ پلانک به قدری انقلابی بود که هیچ کس آن را باور نمی کرد. اما آلبرت اینشتین در سال 1905 نظریۀ کوانتومی پلانک را تایید کرد. در 1905 معلوم شد که برخورد نور فرابنفش با فلزات خاصی منجر به گسیل الکترون‌ها می شود و این الکترون‌ها مطابق قوانین فیزیک کلاسیک رفتار نمی‌کنند. یعنی میزان گسیل آن‌ها بستگی به بسامد نور بمباران‌کننده داشت نه شدت آن. هر چه بسامد بالاتر بود، الکترون‌های بیشتری از جا کنده می‌شدند.

اگر نور به عنوان چیزی متشکل از کوانتوم‌ها در نظر گرفته می‌شد، این فرایند قابل توجیه بود. چنانکه پیداست، این ایده که دو تفسیر یا تلقی متضاد همزمان می‌توانند درست باشند، در نظریۀ موجی-ذره ای‌بودن نور هم وجود داشت. و این پلورالیسم ذاتی نظریۀ کوانتوم شده بود.

توضیح اینشتین دربارۀ برخورد نور فرابنفش با فلزات خاص تقریبا در همان حوزه ای بود که بور در پایان نامه‌اش دربارۀ نظریۀ الکترونی فلزات به آن پرداخته بود. بور نیز به این نتیجه رسیده بود که ذرات زیراتمی از قوانین فیزیک کلاسیک پیروی نمی‌کنند اما نه او و نه دیگران نتوانسته بودند بفهمند که چگونه همۀ این موارد به مسئلۀ ساختار اتمی مربوط می‌شوند.

رادرفورد ساختار اتم را مثل ساختار منظومه شمسی می‌دانست و بور در پی اثبات همین فرضیه بود. خود رادرفورد این تز را موقت و بیش از حد تئوریک می‌دانست ولی بور ول‌کن قضیه نبود!

تولد مکانیک کوانتومی

در 1912، بور مقالۀ نهایی اش را دربارۀ ساختار اتم آماده کرد. درک مقالۀ بور برای دانشمندان هم بسیار دشوار بود چراکه او همچنان گرفتار زبان بود. یعنی موقع نوشتن فراموش می کرد زبان ابزاری است برای توصیف کار علمی‌اش؛ و چنان غرق خلاقیت زبانی در مقام نوشتن می‌شد که زبانش از زبان علمی فاصله می‌گرفت و خصلت ادبی و فلسفی پیدا می‌کرد. بنابراین فقط آن دانشمندانی که برخوردار از تمرکز طولانی‌مدت و درک سریع مطلب بودند توانستند سخنرانی بور را درک کنند.

بور نظریۀ کوانتومی را بیانگر نحوۀ کارکردن اتم‌ها دانست. اما حرف او مصداق «مهملات» قلمداد شد. چگونه ممکن بود ماده بر چیزی به کلی ناپایدار استوار باشد؟ فون لاوئه، فیزیکدان آلمانی، پس از سخنرانی بور گفت: «اگر این نظریه صحیح باشد، من از فیزیک دست می کشم.»

از نظر منتقدان، نظریه بور نه علمی بود نه منطقی؛ چراکه توصیف ساختار اتم با تلفیق فیزیک کلاسیک و نظریۀ کوانتومی (که برآمده از مطالعات ماکس پلانک و رادرفورد و خود بور و دیگران بود)، کاری عبث بود؛ زیرا اصول فیزیک کلاسیک و اصول نظریۀ کوانتومی متناقض بودند.

مثلا مطابق تصویر کوانتومی، خط‌های گسیل‌شده در یک طیف اتم هنگامی ایجاد می‌شوند که الکترون از یک مدار به مدار دیگر جهش کند (مدارهایی که دور هستۀ مثبت اتم وجود دارند) و اگر الکترون در حالت مانای خود به دور هسته بچرخد هیچ پرتوی گسیل نمی‌شود. اما مکانیک کلاسیک حکمش برعکس است. یعنی می‌گوید پرتو هنگامی ایجاد می‌شود که الکترون به دور هسته بچرخد. قاعدتا این دو تصویر همزمان نمی‌توانند درست و واقعی باشند.

بور دریافت که هر جهش کوانتومی را می‌توان با یک مدار متناظر در مکانیک کلاسیک متناسب ساخت. بنابراین اتم می‌توانست همزمان کلاسیک و کوانتومی باشد. با این دریافت، بور «اصل تطابق» را ارائه کرد که بر اساس آن، در بسامدهای پایین، قوانین نظریۀ کوانتومی و قوانین مکانیک کلاسیک یکسان می‌شوند.

شگفت‌انگیز بودن فیزیک کوانتومی، که بور در حال بالا بردن بنای آن بود، بنایی که ماکس پلانک پی ریزی اش کرده بود، نه فقط موجب تهدید فون لاوئه به رها کردن فیزیک شد، بلکه اینشتین را هم در برابر بور قرار داد. در این جهان زیراتمی، نه "منطق" نفوذی داشت نه "علیت" جاری بود.

آلبرت اینشتین

همین باعث شد که اینشتین در واکنش به علم غریب و نوپدید «مکانیک کوانتومی»، بگوید: «خداوند برای ادارۀ جهان تاس نمی ریزد.» اما طرفداران فیزیک کوانتوم، اینشتین را به دلیل مخالفتش با فیزیک کوانتوم، "فردی متعلق به قبل از طوفان نوح" توصیف کردند! در واقع آن‌ها بزرگترین دانشمند تاریخ را مردی عقب‌مانده قلمداد کردند!

اما چرا نظریۀ کوانتومی در علم فیزیک مشکل آفرین شد؟ چون این نظریه باورکردنی نیست و می‌گوید ذرات در سطح زیراتمی از قوانین فیزیک کلاسیک پیروی نمی‌کنند. یعنی چیزهایی مانند الکترون‌ها می‌توانند همزمان به دو صورت متفاوت وجود داشته باشند: به صورت ماده یا به صورت انرژی؛ بسته به اینکه چگونه اندازه گیری شوند. اینکه یک پدیده یا یک شیء همزمان به دو صورت وجود داشته باشد، ناقض «معرفت عمومی» است. اما نیلز بور و شاگردانش باکی از نقض احکام معرفت عمومی نداشتند: چراکه اینشتین گفته بود «معرفت عمومی انباشت پیش‌داوری‌هایی است که ما تا 18 سالگی کسب کرده‌ایم.»

 به پیش ای سربازان مسیحی!

نیلز بور در 1922 برندۀ جایزۀ نوبل شد و بهترین فیزیکدانان جوان جهان را جذب خود کرد. اکثر این جوانان در زمان مطرح‌شدن نظریۀ کوانتومی اولیۀ ماکس پلانک، هنوز به دنیا نیامده بودند. آن‌ها به بور اقتدا کردند و در انستیتوی بور در کپنهاگ، به تدریج از نردبان دانش بالا رفتند و به بزرگ‌ترین فیزیکدانان قرن بیستم بدل شدند. هایزنبرگ یکی از این غول‌های علمی بیرون آمده از زیر شنل بور بود.

ورنر کارل هایزنبرگ

به بور ایراد می‌گرفتند که «اصل تطابق»اش فقط موارد کم‌اهمیت را توضیح می دهد؛ اما او و شاگردانش به کارشان ادامه دادند و مکانیک کوانتوم را روز به روز فربه‌تر کردند.

هایزنبرگ اصل عدم قطعیت را ارایه کرد و آخرین میخ را به تابوت فیزیک کلاسیک کوبید. او ابتدا معتقد بود فقط اندازه‌گیری می‌تواند موجب قطعیت شود ولی دیری نپایید که فهمید در مکانیک کوانتوم حتی اندازه‌گیری نمی‌تواند موجب قطعیت همه‌جانبه شود. یعنی الکترون‌‌ها به قدری ریز هستند که هر نوع شیوۀ اندازه‌گیری بر رفتار آن‌ها اثر خواهد گذاشت. اگر به روی الکترون نور بتابانیم، می‌توانیم آن را ببینیم ولی همان نور موجب انحراف الکترون از مسیرش می‌شود و بر سرعت و مکان آن اثر می‌گذارد.

بور توضیح داد که «هر مشاهده‌ای دربارۀ رفتار الکترون در اتم با تغییری در حالت اتم همراه خواهد بود.» اما اگر هیچ اقدامی برای اندازه‌گیری الکترون نکنیم، به هیچ وجه نمی‌توانیم آن را ببینیم و هیچ چیز دربارۀ آن درنمی‌یابیم!

بور زمانی که شاگرد رادرفورد بود، هر روز صبح در آزمایشگاه، او را می دید که قدم‌رو می رود و سرود «به پیش ای سربازان مسیحی» را برای شاگردانش می‌خواند. خود بور نیز در پایان دهۀ 1920 به شاگردان کوشا و نابغۀ خودش مفتخر بود و با مکاتبات علمی فراوانی که با آن‌ها داشت، به رشد افکارشان و رفیع‌تر شدن بنای مکانیک کوانتومی کمک می‌کرد.

شکافت هسته ای چیست؟

بور هستۀ اتم را متشکل از گروهی از ذرات می‌دید که در اثر نیروهای کوتاه‌برد یکپارچه شده‌اند: بسیار شبیه به مولکول‌ها در ریزقطرۀ یک مایع. هنگامی که یک ذره به این هستۀ ریزقطره برخورد کند انرژی آن می‌تواند به سرعت توسط ذراتی که به هم برخورد می کنند جذب شود و خود بخشی از ریزقطره می‌شود. متناسب با آن، ریزقطره گرم می‌شود و این حالت برای مدتی طولانی ادامه خواهد یافت. هسته زمانی فرومی‌پاشد که انرژی افزایش‌یافتۀ در حال افت‌وخیز سبب تراکم انرژی روی یک ذره شود و به آن امکان فرار دهد. شبیه تبخیر در یک ریزقطرۀ حرارت‌دیده.

بور در اواخر عمر

بنابراین هنگامی که هسته سنگین و بزرگ باشد (مثل هستۀ اورانیوم)، فرار ذره سبب خواهد شد که ریزقطره به دو ریزقطرۀ هم‌اندازه تقسیم شود. این فرآیند را شکافت هسته‌ای می‌نامند.

بور نخستین کسی بود که شرح داد در شکافت هسته‌ای چه اتفاقی می‌افتد. او در 1939 شکافت هسته ای را تشریح کرد و کمی بعد دریافت که دو فیزیکدان آلمانی، اتو هان و اولیز ماینتز، چنین کاری را در یکی از آزمایشگاه‌های آلمان انجام داده‌اند.

بور وقتی که از این خبر مطلع شد، بی درنگ معنای ترسناک شکستن اتم و انرژی عظیمی که آزاد می‌کند را درک کرد. او در همان سال به آمریکا رفت و به اینشتین هشدار داد که آلمان نازی از دانش تئوریک برای آغاز پژوهش در جهت ساخت بمب اتمی برخوردار است.

اینشتین موضوع را به روزولت، رییس جمهور امریکا، اطلاع داد و او نیز دستور داد پروژه منهتن آغاز شود تا آمریکا اولین کشور صاحب بمب اتمی شود.

در 1941 هایزنبرگ به دیدن بور آمد. او که مجبور شده بود با نازی‌ها برای ساختن بمب اتمی همکاری کند، نموداری رمزی به بور داد که فاش می ساخت برنامۀ اتمی نازی‌ها تا کجا پیش رفته است.

در 1943، بور به دلیل بی اعتنایی علنی به رژیم هیتلر، مجبور به فرار از دانمارک شد. او با هزار مکافات خودش را به انگلستان رساند و از آن‌جا به آمریکا رفت و نمودار هایزنبرگ را به اوپنهایمر، فیزیکدان امریکایی و مدیر پروژۀ منهتن، نشان داد.

نهایتا آمریکایی‌ها پیش از هیتلر به بمب اتمی رسیدند. شاید چون رژیم هیتلر فیزیک نظری را مصداق «علوم یهودی» می دانست و اکثر فیزیکدانان بزرگ آلمان و اروپا را به آمریکا فراری داده بود.

بور در آمریکا سهم خود را در ساخت بمب اتمی ادا کرد ولی پس از نابودی هیروشیما و ناکازاکی، از مشاهدۀ پیامدهای عمیق فاجعه وحشت‌زده شد و به یکی از پرچمداران مبارزه با تحقیقات هسته‌ای بدل شد.

پس از مرگ اینشتین در 1955، مقام «بزرگ‌ترین دانشمند زنده» به نیلز بور اعطا شد. او پس از بمباران اتمی هیروشیما و ناکازاکی تا پایان عمر، یعنی در هفده سال آخر عمرش، نهضت به اشتراک گذاردن جهانی همۀ معلومات دربارۀ شکافت هسته‌ای را راه‌اندازی و رهبری کرد. بور معتقد بود این کار می تواند از تولید بمب‌های هسته ای مخرب‌تر جلوگیری کند: رویایی که تعبیر نشد و تاریخ گویای این حقیقت است.

بیشتر بخوانید:

داستان خواندنی زندگی "ناپلئون بناپارت": از نبوغ نظامی تا معشوقه ای که پاریس را نجات داد

جیانگ زمین؛ دیکتاتور کارآمد

"اراسموس" منادی اومانیسم: "انسان" را مراعات کنید

دنگ شیائوپینگ ؛ از توسعه اقتصادی چین تا بدبینی به دانشجویان و کشتار میدان "تیان آن من"

ژان پل سارتر؛ از بی بند و باری جنسی تا نظریه پردازی فلسفی!

جان لاک ؛ پدرِ خداباورِ لیبرالیسم

وینستون چرچیل؛ برترین بریتانیایی تاریخ

استاد فلسفه کوانتوم: علم هرگز نمی‌تواند حرف آخر را در جهان بزند/ انسان بدون فلسفه در جهان گم می‌شود

یکی از قوانین فیزیک کوانتوم به طور عملی اثبات شد

گالیله ؛ از اندازه گیری قد ابلیس و تعیین مساحت جهنم تا در افتادن‌ با کلیسا

لنین؛ آن که گفت "هدف وسیله را توجیه می کند" و میلیون ها انسان را کشت!

«سیاه چاله» به زبان بسیار ساده و علمی: داستان این کشف حیرت انگیز چیست؟!

کارل مارکس؛ انقلابی‌ِ ناکام یا عدالت‌جوی کامیاب؟

نظریه شگفت انگیز اینشتین در فضا هم شکست‌ناپذیر باقی ماند!

تماشاخانه

تراژدی در یک دریاچه، از فریاد کمک تا حبس ابد / مادری که دو بچه‌اش را کشت حالا چه می‌خواهد؟ (فیلم)

کشف اتاق مخفی میکل آنژ در کلیسای مدیچی / پیدا شدن طراحی‌های شگفت‌انگیز در زیر کلیسا (فیلم)

فیلم های دیگر