ماکزیمم پلانک; پدر فیزیک کوانتومی

ماکس پلانک در سال 1858 در آلمان به دنیا آمد. او یکی او یکی از مهمترین فیزیکدانان نظری در تاریخ فیزیک است که نظریه کوانتومی را پایه گذاری کرد. نظریه ای که بری پلانک را در سال 1918 برنده جایزه نوبل کرد.

به گزارش عصر ایران، پلانک خدمات زیادی به فیزیک نظری کرد، اما شهرت او بیشتر ناشی از نقش او به عنوان خالق نظریه کوانتومی است. این نظریه اساساً درک جدید از فرآیندهای اتمی و زیراتمی را تغییر داد. همانطور که نظریه نسبیت انیشتین تغییری اساسی در درک مکان و زمان ایجاد کرد.

پلانک کاشف انیشتین در دنیای فیزیک بود. این دو نفر در واقع نظریه های بنیادی فیزیک قرن بیستم را با نظریه های کوانتومی و نسبیت پایه گذاری کردند. این دو نظریه باعث شده بسیاری از فیلسوفان در برخی از اساسی ترین باورهای فلسفی خود تجدید نظر کنند. علاوه بر این، این دو نظریه کاربردهای نظامی و صنعتی داشته اند که بر هر جنبه ای از زندگی انسان مدرن تأثیر گذاشته است.

در نتیجه تحقیقات مستقل او، توانایی های فکری پلانک باعث شد تا به نوشته های ترمودینامیکی رودولف کلازیوس علاقه مند شود. توضیح پلانک به شرح زیر است:

“اولین تصمیم من در زندگی ام برای دنبال کردن علم نتیجه مستقیم کشف این بود که قوانین استدلال انسان با قوانینی که بر زنجیره تأثیراتی که از دنیای اطراف خود دریافت می کنیم، هماهنگ و هماهنگ است. در نتیجه، استدلال دقیق می تواند مکانی را برای مردم فراهم کند تا در مورد مکانیسم جهان بینش پیدا کنند.”

در واقع پلانک در زمانی تصمیم گرفت که فیزیکدان نظری شود که هنوز فیزیک نظری به عنوان یک رشته علمی شکل نگرفته بود. اما او از این فراتر رفت و به این نتیجه رسید که وجود قوانین فیزیکی نشان می دهد که چیزی در دنیای بیرون وجود دارد که مستقل از تفکر انسان است.

چنین دیدگاهی نفی دیدگاه معروف فلسفی بود که فلسفه نمی تواند «جهان خارج» را اثبات کند. دیدگاهی که فیلسوفانی مانند برکلی و کانت از آن دفاع یا تایید کردند. برکلی یک ایده آلیست بود، و ایده آلیست ها در دنیای فلسفه، به ویژه ایده آلیست های رادیکال، به شدت معتقد بودند که چیزی به نام “جهان بیرونی” وجود ندارد، و آن چیزی که وجود دارد، ذهن انسان و جهان بیرونی است. چیزی جز رویاهای ذهنی نیست.

وقتی پلانک می گوید که وجود قوانین فیزیکی نشان می دهد که چیزی در دنیای بیرونی مستقل از اندیشه انسان وجود دارد، در واقع دیدگاه فلسفی ایده آلیست معروف را انکار می کند; البته رأیی است که شبیه سفسطه است، اما نمی توان به راحتی سفسطه را از میدان بحث حذف کرد. به همین دلیل، بسیاری از مردم هنوز معتقدند که کل دنیای بیرون ممکن است فقط یک توهم باشد.

اولین نظم مطلق در طبیعت که به شدت پلانک را تحت تأثیر قرار داد، باری، قانون بقای انرژی (استراحت) بود. یعنی قانون اول ترمودینامیک. بعدها، در طول سال های دانشگاه، پلانک متقاعد شد که قانون دوم ترمودینامیک، قانون آنتروپی (بی نظمی)، یک قانون مطلق طبیعت است.

یکی یکی از اولین مشکلاتی که پلانک برای حل آن تلاش کرد، مسئله تابش جسم سیاه بود. در دهه 1890، آزمایش‌ها و تلاش‌های نظری زیادی برای تعیین توزیع انرژی طیفی انجام شد (منحنی که نشان می‌دهد چقدر انرژی در فرکانس‌های مختلف برای دمای جسم سیاه معین ساطع می‌شود).

پلانک از فرمولی که همکارش ویلهلم وین در سال 1896 کشف کرد شگفت زده شد. او سپس یک سری کارهای تحقیقاتی را برای استخراج «قانون وین» و نتیجه گیری از آن بر اساس قانون دوم ترمودینامیک آغاز کرد.

اما در اکتبر 1900، دیگران به نشانه‌های واضحی دست یافتند که اگرچه قانون وین در فرکانس‌های بالا معتبر است، اما در فرکانس‌های پایین کاملاً شکست خورد.

پلانک درست قبل از نشست انجمن فیزیک آلمان در اکتبر 1900 از این نتایج آگاه شد. او متوجه شد که چگونه آنتروپی تشعشع در ناحیه فرکانس بالا باید از نظر ریاضی به انرژی بستگی داشته باشد اگر قانون وین در آن وجود داشته باشد. او همچنین دریافت که چه مقدار از این وابستگی باید در ناحیه فرکانس پایین باشد تا نتایج تجربی را بازتولید کند.

بنابراین او حدس زد که باید سعی کند این دو تفسیر را به ساده ترین شکل ممکن ترکیب کند و نتیجه را به فرمولی در مورد انرژی تابش بسته به فرکانس آن تبدیل کند. این نتیجه که قانون تابش پلانک نامیده می شود، به عنوان «کاملاً صحیح» مورد استقبال قرار گرفت. اما به گفته پلانک، این فقط یک حدس بود. این یک “حدس صحیح” بود که اگر قرار بود جدی گرفته شود باید به نحوی از اصل اول استخراج می شد.

این وظیفه ای بود که پلانک فوراً تصمیم به انجام آن گرفت و تا 14 دسامبر 1900 در این زمینه به موفقیت هایی دست یافت، اما با هزینه های سنگین. او متوجه شد که برای رسیدن به این هدف چه کاری باید انجام دهد. یکی عزیزترین باورهای خود را که قانون دوم ترمودینامیک قانون مطلق طبیعت است، کنار بگذارید.

در واقع باید گفت که فیزیک در اواخر دهه 1800 با بحران مواجه بود. فیزیکدانان سعی داشتند ارتعاشات اتمی را مدل کنند، اما نتایج آنها با واقعیت مطابقت نداشت. تنها چیزی که آنها در آن زمان می دانستند این بود که ارتعاشات اتمی باید به روش خاصی مدل شوند.

این مشکلی بود که ماکس پلانک آن را حل کرد. فیزیکدانان قبل از او فکر می کردند که ارتعاشات اتمی پیوسته هستند. بنابراین این ارتعاشات می توانند در هر فرکانسی رخ دهند. با این حال، پلانک فرض کرد که اتم‌ها فقط در فرکانس‌های خاصی که مضرب فرکانس‌های بنیادی هستند، ارتعاش می‌کنند، و او این فرکانس‌ها را فرکانس‌های بنیادی h نامید. به عبارت دیگر، اتم ها می توانند در فرکانس های h، 2h یا 3h ارتعاش کنند، اما نه در فرکانس 2.5h.

به عبارت دیگر، در مکانیک کلاسیک، زمانی که کودک سوار تاب می شود، می تواند هر دامنه (ارتفاعی) در مسیر تاب وجود داشته باشد و انرژی موجود در سیستم با مربع دامنه متناسب است. بنابراین کودک می تواند در هر محدوده انرژی پیوسته از صفر تا یک نقطه خاص نوسان کند.

با این حال، وقتی از منظر کوانتومی به مسئله نگاه می کنید، رفتار سیستم متفاوت می شود. در این حالت، مقدار انرژی که یک اسیلاتور می تواند داشته باشد مانند پله های یک نردبان جداگانه است. سطوح انرژی با یکدیگر به ترتیب hf متفاوت است. که در آن f فرکانس فوتون است. یک الکترون می تواند با آزاد کردن یا جذب انرژی از یک سطح انرژی به سطح دیگر حرکت کند.

حدس پلانک واقعاً عجیب بود، اما در مورد او کارساز بود. بر اساس این مدل، اتم ها (و بسیاری چیزهای دیگر) فقط می توانند مقادیر مشخصی داشته باشند. در فیزیک کوانتیزاسیون به این خاصیت کمیت می گوییم.

کشف پلانک منجر به تحقیق در زمینه جدیدی از فیزیک به نام مکانیک کوانتومی شد. این ثابت بعدها به نام او نامگذاری شد و به معنای واقعی کلمه کلمه کوانتوم را در مکانیک کوانتومی نشان می دهد.

سوال بسیاری از مردم این است: کوانتوم چیست؟ پلانک این ایده را مطرح کرد که انرژی نیز مانند ماده از واحدها یا بسته های کوچکی تشکیل شده است. او هر یک از این بسته ها را کوانتومی نامید. بنابراین، کوانتوم واحد کوچکی است که با واحدهایی مانند خودش انرژی تولید می کند، درست مانند یک سلول در یک موجود زنده یا یک مولکول در ماده.

پلانک علاوه بر اهمیت استقرار نظریه کوانتومی و معرفی «ثابت پلانک» به دنیای علم و البته سایر تحقیقات علمی، از نظر دیدگاه خود نسبت به «خدا» نیز در میان دانشمندان قرن بیستم حائز اهمیت است. .

پلانک یک دیست بود. یعنی به «الله خالق» معتقد بود. دئیسم خدا را خالق این جهان می داند و دخالت مستقیم خدا در کار جهان را انکار می کند. دئیسم در واقع یک خداباوری الحادی است. امروزه که دانشمندانی مانند ریچارد داوکینز حتی خدای خالق و همچنین خدای ادیان ابراهیمی را رد می کنند، این حقیقت که دانشمند برجسته ای مانند ماکس پلانک خداپرست است، مایه دلگرمی خداباورانی است که نمی خواهند بپذیرند. این ادیان خداباوری و همچنین افسانه ها و خرافات متعدد.

شایعاتی وجود داشت مبنی بر اینکه پلانک در اواخر عمر خود به مسیحیت کاتولیک گرویده بود، اما پلانک گفت که او به خدای شخصی اعتقاد ندارد، اگرچه در طول زندگی خود همیشه عمیقاً مذهبی بود.

وی در مورد علم و دین چنین گفت: علم و دین هر دو مستلزم ایمان به خدا هستند، از نظر مومنان خدا آغاز همه چیز است و از نظر فیزیکدانان خدا پایان هر نظریه پردازی است… او آغاز او همچنان ملکه عمارت هر جهان بینی است.”

پلانک در سال 1880 به عنوان دانشیار در دانشگاه مونیخ شروع به تدریس کرد. وقتی 22 ساله بودم. در سال 1918 استاد دانشگاه برلین شد. او در 60 سالگی به تازگی برنده جایزه نوبل شده بود.

پلانک سه سال قبل از مرگش این کلمات باشکوه را برای بشریت به جا گذاشت:

«من به عنوان فردی که تمام عمر خود را صرف تحقیق در مورد درخشان ترین علوم و تحقیق در ماهیت ماده کرده است، نتایج تحقیقات خود را چنین خلاصه می کنم: به معنای واقعی کلمه هیچ ماده ای وجود ندارد، منشأ و حیات جهان مادی به برکت آن است. وجود نیرویی که ذرات زیر اتمی را به هم متصل می کند، این خورشید کوچک ذاتی در ساختار اتم.» در کنار هم و در حال ارتعاش است که حفاظت از سیستم را تضمین می کند، و ما نباید فراموش کنیم که پشت این نیرو وجود دارد. وجود و روح هوشمندانه و آگاهانه، روح و اساس همه هستی است.

ماکس پلانک در 4 اکتبر 1947 در سن 89 سالگی بر اثر حمله قلبی درگذشت. او کاشف کوانتوم و کاشف آلبرت اینشتین بود. انیشتین عمیقاً طرفدار پلانک بود و در سال 1918، زمانی که او، نیلز بور و ارنست رادرفورد نیز شایسته دریافت جایزه نوبل بودند، پیشنهاد داد که جایزه نوبل فیزیک به پلانک اعطا شود.