شناخت فناوري هايي كه سرنوشت مدنيت را در جهان از نو نوشتند

ماهيت درهم تنيده موج و ذره

میراث مکتوب - سازمان ملل، سال ٢٠١٥ را سال جهاني نور و تکنولوژي هاي نور پايه اعلام کرده است.

مناسبت آن نيز بزرگداشت چندين رخداد مهم در تاريخ دانش و فناوري هاي نوين است، از جمله: هزارمين سال کتاب «المناظر» «ابن هيثم»، اپتيکدان و نورشناس سده چهارم هجري، يکصدوپنجاهمين سال صورت بندي نهايي الکترومغناطيس و اعلام نور به عنوان موج الکترومغناطيسي، يکصدوپانزدهمين سال نظريه فوتوني نور توسط پلانک، يکصدودهمين سال اعلام سرعت نور به عنوان ثابت جهاني و ظهور نسبيت خاص، يکصدودهمين سال توجيه فوتوالکتريسيته توسط «اينشتين» و يک صدمين سال تثبيت نظريه موجي- ذره اي نور و امواج الکترومغناطيسي و ظهور نسبيت عام. در سال جهاني نور قرار است از نقش نور و تکنولوژي هاي مربوط به آن در شکل گيري و توسعه جوامع ياد شود، چراکه انسان از روزي که تصميم به يکجانشيني گرفت، براي روشنايي شب هاي تاريکش، از نوري ياري جست که از سوزاندن پيه حيوانات به دست مي آورد. به همين مناسبت از دانشگاه ها، فرهنگستان ها و پژوهشگاه ها، از انجمن هاي علمي و فرهنگي، از صنايع مرتبط با نور و کاربران آنها و از بخش هاي خصوصي در سراسر دنيا خواسته شده است در شناساندن نقش نور در توسعه جوامع انساني در گذشته و حال شرکت کنند. دبيرخانه سال جهاني نور در «مرکز فيزيک نظري عبدالسلام» در تريست ايتاليا مستقر است و علاقه مندان مي توانند براي اطلاع از اخبار و کم وکيف برنامه ها به سايت (light٢٠١٥.org) مراجعه کنند. در اين نوشته، به تناسب دانش نويسنده از فيزيک، به بعضي از يافته ها و رخدادهاي مهم علمي که در آنها نور نقش محوري داشته، اشاره شده است. هرکدام از اين يافته ها سرآغاز ظهور تکنولوژي هاي مهمي بوده اند و به جرات مي توان گفت سرنوشت مدنيت جهاني را از نو نوشته اند. نويسنده تخصص فناوري ندارد و جاي اين مباحث در اين نوشته خالي است. شايد صاحبان نظر بتوانند در طول يک سالي که در پيش است، اين خلارا پر کنند.

از جمله برنامه هاي سال جهاني نور که براي جوامع مسلمان مي تواند مورد توجه باشد، تجليل از «ابن هيثم» و معرفي يافته ها و نوشته هاي او درباره نور است. «ابوعلي حسن ابن حسن ابن هيثم» متولد بصره در سال ٣٥٤ هجري، ٩٦٥ميلادي است. ٥٥کتاب از بيش از ٢٠٠ نوشته او به ما رسيده است. عناوين بعضي از آنها که به نور مربوط مي شوند، عبارتند از: نور ماه، نور ستارگان، هاله و رنگين کمان، آينه کروي سوزان، آينه سهموي سوزان، گوي سوزان، صورت خسوف و کسوف، تشکيل سايه، گفتار درباره نور و بالاخره شاهکار بزرگ او «کتاب المناظر» در هفت جلد. «ابن هيثم» در کتاب المناظر درباره نظريه هاي رنگ، ديدن، ادراک بصري، قوانين انعکاس نور از سطوح صاف و شکست آن در گذر از يک محيط شفاف به محيط شفاف ديگر صحبت مي کند و روش مشاهداتي خود را شرح مي دهد. اتاق تاريک «ابن هيثم» براي بررسي ويژگي هاي باريکه هاي نور معروف است. کتاب مناظر در سده ١٣ به لاتين ترجمه شد و در تمام دوران قرون وسطي، رنسانس و روشنگري، کتاب مرجع براي افرادي مانند «کپلر»، «گاليله»، «لئوناردو داوينچي» و بسياري ديگر بود. «ابن هيثم بصري» و «ابوريحان بيروني» شايد از معدود دانشمندان دوران طلايي تمدن اسلامي باشند که دست به مشاهده مي زدند. افسوس، روش مشاهده و آزمايش اين دونابغه زمان هاي گذشته ما هيچ وقت در جوامع اسلامي به صورت سنت ساري و جاري درنيامد و تداوم نيافت. صحنه کنجکاوي هاي علمي به تفکر و تعقل محض که به مرور زمان خود را بي نياز از مشاهده نشان مي داد، محدود ماند و ريشه هاي پژوهش علمي در جهان اسلام خشک شد. از «ابن هيثم» که بگذريم، در اروپاي پيشتاز سده هاي ١٦ و ١٧، اپتيک هندسي (به اين معنا که باريکه نور در محيط هاي شفاف به خط مستقيم نشر مي شود)، کندوکاو مي شد و خواص آينه ها، منشورها و عدسي ها بررسي مي شدند. اولين تکنولوژي هاي نورپايه، مانند ساخت ذره بين، عينک، ميکروسکوپ و تلسکوپ نيز در همين سال ها و از قِبل شناخت نور هندسي به وجود آمدند.

در مورد ماهيت نور، «هويگنس» (١٦٧٨) نظريه موجي بودن آن را که پيش از او نيز مطرح بود، بررسي کرد و قوانين بازتاب و شکست را با فرض اينکه نور موج است، درست به دست آورد. ولي رفتار باريکه نور را در برخورد با لبه تيز يک مانع، يا در عبور از يک سوراخ کوچک مغاير با نشر مستقيم الخط نور مي ديد و قادر به توجيه آن نبود. نظريه رقيب، نظريه ذره اي بود که نور را مجموعه اي از ذرات لطيف مي دانست. اين نظريه نيز کمبودهايي داشت. شکست نور را درست به دست نمي داد، ولي اعتبار علمي «نيوتن» را پشتوانه داشت و تا يکصدسال بعد دوام آورد. تشکيل فرانژهاي تداخلي در عبور نور از دوشکاف يانگ (١٨٠١) و تشکيل فريزهاي تفرقي فرنل (١٨١٦) در عبور نور از سوراخ هاي کوچک، کپه ترازوي نظريه موجي را به نفع نظريه ذره اي به صورتي که «نيوتن» پيشنهاد مي کرد، سنگين کرد و رقيب را به صورتي که «نيوتن» تجويز مي کرد، از صحنه بيرون راند. ولي نور چگونه موجي بود؟ در چه محيطي و با چه سرعتي منتشر مي شد؟ سال١٨٦٥ نقطه عطفي در شناخت نور و انقلاب بزرگي در دانش فيزيک است و نور در اين انقلاب نقشي محوري دارد. در اين سال «ماکسول» قانون هاي الکتريسيته و مغناطيس کولن، آمپر، فارادي و اينکه تک قطبي مغناطيسي وجود ندارد را کنار هم گذاشت و با افزودن «جريان الکتريکي جابه جايي» خود مبحث الکترومغناطيس را به وجود آورد. تا پيش از «ماکسول»، الکتريسيته و مغناطيس راه جدا مي رفتند. الکترومغناطيس هردو را به زير يک چتر آورد و نشان داد اينها، دو روي يک سکه اند. وحدت جويي در شناخت عالمِ وجود، هميشه آرزوي انديشمند و فيلسوف بوده است و به نظر مي رسد تا زمين و زمان هست، چنين باشد. به نظر نويسنده، ظهور الکترومغناطيس يکي از اولين و زيباترين نمونه هاي وحدت، وحدت الکتريسيته و مغناطيس، در تاريخ فيزيک و شايد در تمام تاريخ انديشه است. الکترومغناطيس بر چهارمعادله رياضي حاکم بر ميدان هاي الکتريک و مغناطيس و بار و جريان الکتريک بنا شده است. اين چهارمعادله امروزه به نام «ماکسول» شناخته مي شوند. معادله هاي «ماکسول» موج الکترومغناطيسي پيش بيني مي کنند و اولين نمونه آزمايشگاهي آن نيز توسط «هرتز» در سال١٨٨٦ توليد و منتشر شد. سرعت امواج الکترومغناطيسي برحسب ضريب دي الکتريک و قابليت نفوذ مغناطيسي محيط به دست مي آيد. مقدار آن در زمان «هرتز» و «ماکسول» در حول وحوش ٣٠٠هزارکيلومتربرثانيه درمي آمد و بسيار نزديک به سرعت نور بود. شگفت اينکه سرعت امواج الکترومغناطيسي از مشاهدات آزمايشگاهي و سرعت نور، در آن زمان، از مشاهدات نجومي به دست مي آمد و اين دو هيچ ارتباطي با هم نداشتند ولي همين انطباق ميمونِ سرعت نور و سرعت امواج الکترومغناطيسي، «ماکسول» را بر آن داشت که نور را از جنس امواج الکترومغناطيسي بداند. جامعه علمي از اين نظر استقبال کرد و اين دومين نمونه موفق وحدت جويي و وحدت يابي در تاريخ فيزيک است.

 سرعت نور تاريخ پرفرازونشيبي دارد. «ارسطو» سرعت نور را بي نهايت مي دانست و بودند يونانيان و اسکندرانياني که آن را بانهايت مي گفتند. در دوران تمدن اسلامي سده هاي بعد، هر دو نظر در بين انديشمندان اسلامي طرفدار پيدا کرد. «ابن هيثم» و «ابوريحان» (سده ١١) قائل به بانهايت بودن سرعت نور بودند. در سده هاي روشنگري اروپا، «بيکن»، «کپلر»، «دکارت» و... سرعت نور را بي نهايت مي دانستند. اولين شواهد براي بانهايت بودن سرعت نور را منجمان در مشاهدات نجومي يافتند. تا پايان سده١٩ مسلم شده بوده سرعت نور در حد ٣٠٠هزارکيلومتردرثانيه است. پرسيده شد نور که حالابا امواج الکترومغناطيس يک کاسه شده بود، در کدام محيط منتشر مي شود و ويژگي هاي محيط چيست؟ گفته شد در جوهري به نام «اثير» (اتر Aether). پيش تر در توجيه فضاي مطلق و تعريف دستگاه مختصاتِ بي شتابِ مرجع که درستي قانون حرکت «نيوتن» منوط به داشتن آن است، از «اثير» سخن رفته بود. با پيداشدن امواج الکترومغناطيسي نياز به «اثير» بيشتر شد. «اثير» مي بايست همه عالم را پرکرده باشد، چه نور ستارگان از ژرفاهاي کيهان به زمين مي رسيد. «اثير» مي بايست بسيار لطيف باشد و از هر محيط شفاف، مانند هوا و آب و شيشه بگذرد؛ چه نور از اين محيط ها مي گذشت و چنان صلب باشد که سرعت انتشار ارتعاشات آن (يعني همان سرعت نور) ٣٠٠هزارکيلومتردرثانيه باشد؛ ويژگي هايي که هيچ کس در مواد شناخته شده آن زمان سراغ نداشت. گذشته از اين ويژگي هاي نامانوس، پرسيده شد اگر زمين هم در «اثير» غوطه ور است، سرعت آن در «اثير» چقدر است و چگونه مي توان آن را اندازه گرفت. «فيزو» (١٨٥٠)، «مايکلسون» و «مورلي» (١٨٨٨) که آزمايشگر بودند، دست به کار شدند. براي آشکارسازي «اثير»، سرعت نور را به روش هاي مختلف، در محيط هاي مختلف و با اسباب و ابزار مختلف اندازه گرفتند. سرعت نور در همه حال ٣٠٠هزارکيلومتردرثانيه بود و «اثير» خود را پنهان مي کرد. در سال١٩٠٥، نوبت «اينشتين» جوان بود که در مقابل تفکر رايج زمان سخني بگويد که تا آن زمان به ذهن هيچ انديشمندي خطور نکرده بود: اگر قرار است «اثير» هميشه پنهان بماند و قابل دسترسي نباشد، چه نيازي به داشتنش است. اگر سرعت نور در همه حال و براي همه کس ٣٠٠هزارکيلومتردرثانيه است، چرا همين موضوع به عنوان قانون حاکم بر طبيعت پذيرفته نشود. «اثير» مشاهده نشدني کنار گذاشته شد و «نسبيت خاص اينشتين» بر پايه دواصل ريز بنا شد:

     1- سرعت نور، ثابت جهاني است و براي همه ناظران يکسان است؛ چه ناظر به سوي چشمه نور بدود و چه چشمه نور از ناظر بگريزد.

     ٢- در طبيعت برابري تمام و کمال است و ناظر ممتاز وجود ندارد. قانون هاي عالم وجود را (در اينجا، قانون هاي فيزيک را) همه بايد يکسان ببينند.

براي اينکه ببينيم ثابت جهاني بودن سرعت نور و يکسان بودن قانون ها، در آن زمان، تا چه اندازه عجيب و دوراز ذهن مي توانست باشد، فرض کنيم دونفر، يکي در قطاري فرضي که با سرعت يک کيلومتر در ثانيه حرکت مي کند (البته چنين قطاري وجود ندارد) و ديگري در بيرون قطار، ايستاده باشند. در لحظه عبور قطار از مقابل ناظر بيروني، چراغي روشن و بلافاصله خاموش شود. بنا بر دواصل يادشده، هردو ناظر پس از يک ثانيه نور چراغ را بايد در روي کره اي به شعاع ٣٠٠هزارکيلومتر و به مرکزيت خود ببينند، در حالي که آن دونفر يک کيلومتر از هم فاصله گرفته اند. عجيب است و با ذهن انسان هاي پيش از «اينشتين»، اعم از عالم و عامي قابل تجسم نيست. سياهه اين تجسم ناپذيرها طولاني است: به هنگام حرکت، ساعت ها کند کار مي کنند، طول ها کوتاه مي شوند، سرعتي بالاتر از سرعت نور نيست، قانون جمع سرعت هاي «گاليله» معتبر نيست و بالطبع، قانون حرکت «نيوتن» معيوب است و نياز به اصلاح دارد و بسياري چيزهاي ديگر. ولي چه مي شود کرد. انسان هاي سده ١٩ و پيش از آن، تنها با سرعت هاي بسيار کند سروکار داشتند و طبيعي است قدرت استنباط و استنتاج شان هم محدود باشد. انسان سده٢٠، الکترون و پروتون و ذرات بنيادي ديده است که با سرعت هاي نزديک به سرعت نور حرکت مي کنند و مي توانند جور ديگري فکر کنند و به افق هاي ذهني وسيع تر و دورتر دست بيابند.

 اجسام در هر دمايي باشند، کم وبيش موج الکترومغناطيسي تشعشع مي کنند و هر موج الکترومغناطيسي را که به آنها بتابد، کم وبيش جذب مي کنند. در اين ميان، بنا بر تعريف، جسم سياه کامل، همه طول موج ها را نه به يک اندازه، ولي نشر مي کند و هر نور و موجي را که به آن بتابد، جذب مي کند. «پلانک» (١٩٠٠) براي توجيه تشعشع جسم سياه، به يک فرض جسورانه و غيرعادي (براي زمان خود) دست زد که براي فيزيک انقلابي بزرگ و براي خود او جايزه نوبل فيزيک (١٩١٨) را به ارمغان آورد. «پلانک» فرض کرد نور و علي الاصول هر موج الکترومغناطيسي، به صورت بسته هاي گسسته ظاهر مي شوند و انرژي بسته ها، متناسب با فرکانس موج است. «پلانک» گواه تجربي براي بر گسسته بودن نور و متناسب بودن انرژي بسته ها با فرکانس نداشت، جز اينکه با اين فرض، قانون تشعشع جسم سياه را درست به دست مي آورد، ديگران هم فرض «پلانک» را در حد يک تکنيک رياضي، ولي نه جدي تر از آن پذيرفتند. در پايان سده١٩، الکترون شناخته شده بود و ديده بودند که نور فرابنفش به هنگام تابش به سطح فلزات قليايي، الکترون مي پراکند. شرط خروج فتوالکترون از فلز، اين بود که فرکانس نور از آستانه اي که به نوع فلز بستگي داشت، بالاتر باشد و به شدت نور بستگي نداشت. اين پديده که به نام فوتوالکتريک شناخته شد، مادر بسياري از تکنولوژي هاي امروزي است. فوتوالکتريسيته با نظريه موجي نور توجيه نمي شد. باز «اينشتين» بود (١٩٠٥ همان سالي که نظريه نسبيت خاص اش را هم چاپ کرده بود) که راهگشا شد و اعلام کرد نور به صورت بسته هاي انرژي (که بعدها به فوتون معروف شدند) است و انرژي آنها متناسب با فرکانس است. فوتوالکترون وقتي مي تواند از فلز کنده شود که فرکانس و انرژي فوتون جذب شده توسط الکترون از حدي که به فلز بستر بستگي دارد، بيشتر باشد. اين گفته در تقابل با نظريه موجي بود و منتقدان زيادي پيدا کرد. خود «اينشتين» و «پلانک» هم تا سال هاي سال، شک داشتند که هردو يک حرف زده اند و بگومگوهايي از آنها نقل شده است. چندين سال لازم بود تا آزمايشگران زبردستي مانند «ميليکان» (١٩١٤) نشان دهند که «اينشتين» درست گفته است و انرژي فوتوالکترون ها با افزايش فرکانس نور تابيده افزايش مي يابد. بعد از اين بود که «اينشتين» و «پلانک» و فيزيک دانان ديگر حرف هاي خود را تنقيح کرده و پذيرفتند امواج الکترومغناطيسي در عين موج بودن، ذره هم هستند منتها، اگر در مقياس ماکرو و انبوهه هاي بزرگ رصد شوند، خاصيت موجي آنها نمود پيدا مي کند و اگر در مقياس اتمي و مولکولي ميکرو باشند و دانه دانه شمرده شوند (اگر بتوان اين تعبير را به کار برد)، رفتار ذره اي از خود نشان مي دهند. آشکارشدن طبيعت موجي-ذره اي نور، راه را براي تعميم آن به ذرات مادي و مآلابه ظهور مکانيک کوانتومي، مکانيک حاکم بر اتم ها و مولکول ها و بعدها ذرات بنيادي ديگر، هموار کرد که خود داستان دلکشي در تاريخ انديشه و فناوري دارد.

ثابت جهاني بودن سرعت نور يکي از پربرکت ترين يافته هاي نيمه اول سده بيستم است که «نسبيت خاص و عام اينشتين» بر آن بنا شده اند و پايه همه نظريه هاي فيزيک است؛ از کيهان شناسي در بزرگ ترين مقياس زماني و مکاني گرفته تا نظريه ميدان ها و ذرات بنيادي در کوچک ترين مقياس. معادله هاي «ماکسول» يعني تمام قوانين الکترومغناطيس و همچنين الکتروديناميک را مي توان تنها از همين اصل و بي نياز از هر فرض ديگر به دست آورد.

یوسف ثبوتی - استاد دانشگاه تحصيلات تکميلي علوم پايه زنجان، عضو فرهنگستان علوم جمهوري اسلامي ايران

منبع: روزنامه شرق

افزودن دیدگاه جدید

Filtered HTML

  • نشانی صفحه‌ها وب و پست الکترونیک بصورت خودکار به پیوند تبدیل می‌شوند.
  • تگ‌های HTML مجاز: <a> <em> <strong> <cite> <blockquote> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd>
  • خطوط و پاراگراف‌ها بطور خودکار اعمال می‌شوند.

Plain text

  • تگ‌های HTML مجاز نیستند.
  • نشانی صفحه‌ها وب و پست الکترونیک بصورت خودکار به پیوند تبدیل می‌شوند.
  • خطوط و پاراگراف‌ها بطور خودکار اعمال می‌شوند.
جهت اطلاع از آخرین اخبار و مطالب ثبت‌نام نمائید