یک قرن با کوانتوم؛ مروری بر انقلابی‌ترین ایده‌های دنیای فیزیک

در آغاز قرن بیستم، فیزیک بر دوش نظریه‌هایی قرار داشت که قرن‌ها ستون علم بودند: مکانیک نیوتنی، ترمودینامیک و الکترومغناطیس ماکسول. اما در گوشه‌وکنار این ساختمان منظم، کم‌کم ترک‌هایی ظاهر شدند: تابش جسم سیاه، اثر فوتوالکتریک و خطوط طیفی، ازجمله پدیده‌هایی بودند که فیزیک کلاسیک از توضیح دقیق آن‌ها عاجز بود. تلاش برای فهم این مسائل، راه را برای انقلابی در علم گشود که نخستین جرقه‌هایش با کارهای ماکس پلانک و آلبرت اینشتین روشن شد.

در سال ۱۹۰۰، پلانک برای حل معمای تابش جسم سیاه، به‌ناچار فرض کرد که انرژی نه به‌صورت پیوسته، بلکه در بسته‌هایی گسسته به‌نام کوانتا منتشر می‌شود. پنج سال بعد، اینشتین همین ایده را در مورد نور به‌کار گرفت و اثر فوتوالکتریک را توضیح داد؛ اما این ایده‌ها در آن زمان بیشتر شبیه ترفندهای ریاضی بودند تا اصول بنیادین طبیعت.

نقطه‌ی عطف، سال ۱۹۲۵ بود. در این سال، ورنر هایزنبرگ و ماکس بورن با همکاری پاسکال جردن، فرمی تازه از فیزیک کوانتوم را ارائه دادند که به‌طور کامل از ریاضیات ماتریسی استفاده می‌کرد. کمی بعد، اروین شرودینگر معادله‌ی موجی معروف خود را نوشت و نشان داد که هر دو رویکرد، توصیف‌های متفاوت اما هم‌ارز از پدیده‌های کوانتومی هستند. با این دو دستاورد، نظریه‌ی کوانتوم سرانجام به‌عنوان چارچوبی مستقل و منسجم شکل گرفت و دنیای علم را برای همیشه تغییر داد.

در ادامه، با هم مهم‌ترین لحظات در تاریخ صد ساله‌ی نظریه کوانتوم را مرور می‌کنیم؛ از ایده‌های آغازین آلبرت اینشتین و ورنر هایزنبرگ تا کشف پدیده‌هایی چون برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی و صدالبته، کامپیوترهای کوانتومی امروزی.

در سال ۱۹۰۵، آلبرت اینشتین، درحالی‌که به نتایج پیشگامانه‌ی ماکس پلانک درباره‌ی تابش جسم سیاه نگاه می‌کرد، ایده‌‌ی جسورانه‌ای را مطرح کرد: نور، برخلاف آنچه فیزیک کلاسیک می‌گفت، تنها موج نیست، بلکه از ذراتی به‌نام کوانتا یا فوتون ساخته شده است؛ ذراتی با انرژی مشخص که به فرکانس نور بستگی دارد.

او از این فرض برای توضیح پدیده‌ای استفاده کرد که سال‌ها دانشمندان را سردرگم کرده بود: اثر فوتوالکتریک. چرا نور با فرکانس بالا می‌تواند از سطح فلز، الکترون بیرون بکشد، ولی نور با فرکانس پایین، حتی با شدت بیشتر، چنین کاری نمی‌کند؟