نیلس بور: فیزیک اتمی و شناخت بشری II: درس یادبود رادرفورد ۱۹۵۸

Niels Bohr: Atomphysik und Menschliche Erkenntnis: Band II

Rutherford-Gedenkvorlesung 1958

mit einem Vorwort von: Aage Bohr

Aufsätze und Vorträge aus den Jahren 1958-1962/Friedrich Vieweg und Sohn/Wiesbaden/Braunschweig, 1966

نوشته‌ها و گفتارها از سال‌های ۱۹۵۸ تا ۱۹۶۲، فریدریش فی‌وگ و پسر/ براونشوایگ/۱۹۶۶

پیشگفتار از: ائه بور

Atomphysik und menschliche Erkenntnis II: Aufsätze und Vorträge aus den Jahren 1958-1962

نسخۀ PDF (eBook)

https://drive.google.com/file/d/0B82CvAj9ELwUb29DNnhhaHBqQUk/view?usp=sharing

Niels Bohr Collected Works – ScienceDirect.com

درس یادبود رادرفورد (۱۹۵۸)*

خاطراتی از بنیان‌گذار فیزیک هسته­ای و از سیر کارهایش

بسیار شادمانم که توانستم دعوت انجمن فیزیک را بپذیرم و به‌نوبۀ خود در آن سلسله درس‌های یادبود رادرفورد سهیم باشم که طیّ سالها نزدیک‌ترین همکاران رادرفورد از آثار بنیادین علمی او و از خاطرات شخصی خود از آن شخصیّت بزرگ،  ما را آگاه کردند. من هم چون یکی از کسانی که در نوجوانی این خوش‌‌اقبالی بزرگ را داشتند تا یکی از آن گروه فیزیک‌دانانی باشم که زیر نظر او، و با بهره‌بردن از الهامات او، کار می­کردند و سال­ها وامدار دوستی صمیمانۀ او بودند، از این فرصت استفاده ‌می‌کنم تا برخی از بهترین خاطراتم را دوباره یادآوری کنم. امّا چون ممکن نیست تا بتوانم تنها در یک جلسه، نگاهی به دستاوردهای چندگانۀ بزرگ و بی‌مانند زندگی او، و نتایج پراهمیّت کارهای او بیفکنم، خود را به آن بازۀ زمانی­ای محدود می‌کنم که خود شخصاً آن را به‌یاد دارم و از آن مراحلی از سیر کارهایش می‌گویم که خود توانستم از نزدیک آن‌ها را دنبال کنم.  

I

نخستین خاطرۀ بزرگ من به ماه اوت ۱۹۱۱ باز می‌گردد که هم توانستم او را ببینم و هم پای سخنان او بنشینم. پس از پایان تحصیلات دانشگاهی­ام در کپنهاگ، به کمبریج رفتم تا با جی.جی تامسون کار کنم. رادرفورد از منچستر نزد ما آمد تا در مراسم شام سالیانۀ کاوندیش سخنرانی کند. هرچند در این فرصت نتوانستم با او از نزدیک دیدار کنم، گیرایی و نیروی شخصیّت او، که هرکجا کار می‌کرد، برایش هر غیزممکنی را تقریباً ممکن می‌کرد، بر من اثری عمیق گذاشت. بر سر میز شام، شوخ‌طبعی بیش از هرچیز حاکم بود، به‌طوری‌که بسیاری از همـکاران او از فرصت استفاده کردند تا بسیاری از آن خاطراتی را بازگو کنند، که پیشتر با نام او مرتبط بود. برای مثال، چون او خیلی در کار غرق می‌شد، در این میان هم کسی که در آزمایشگاه کاوندیش کار می‌کرد، متوجّه شده بود که درمیان فیزیک‌دانان جوانی که در آن آزمایشگاه صاحب‌نام کار می‌کردند، رادرفورد بیش از همه به دستگاه‌ها لعن‌ونفرین می‌کند.

از سخنرانی رادرفورد آنچه به‌خصوص به‌یادم مانده است این است که چگونه او با حرارت تازه‌ترین کامیابی‌های دوست دیرینه­اش سی. تی. آر. ویلسون را تبریک می‌گفت. ویلسون به‌کمک روش داهیانۀ اتـاقک ابر، در آن زمان، نخستـین عکس­های ردّ ذرّات-α را به‌دست آورده بود که به‌طور واضح خمیدگی‌های روشنی را در مسیرهایی که درغیرآن کاملاً مستقیم بود، از خود نشان می‌داد. رادرفورد مسلّماً با این پدیده آشنا بود، زیراکه این پدیده چند ماه پیش‌تر او را به کشف به‌یادماندنی هستۀ اتم رسانده بود. امّا درعین‌حال هم اعتراف کرد که این واقعیّت که اکنون می‌تواند جزئیّات تاریخچۀ زندگی ذرّات-α را با چشمان خود ببیند، برایش شگفتی‌ای بود که او را بسیار خوشحال کرده بود. و در همین مورد هم با تحسین از آن پشتکاری حرف زد که ویلـسون مدّت­ها صرف کرد تا به هنگام همکاری­اش با او در آزمایشگاه کاوندیش، آزمایش­های خود در تشکیل ابر را، با دستگاه­هایی که هر روز باید کامل‌تر می‌شد، اجرا کند. ویلسون بعدها برایم تعریف کرد، که دلبستگی او به این پدیده­های زیبا وقتی برانگیخته شده بود که در جوانی تشکیل و انحلال ابرها را دیده بود، که جریان­های هوا در رشته کوه‌های اسکاتلند با بالارفتن و دوباره فرود‌آمدن در درّه درست می‌کرد.

 چند هفته‌ای پس از مهمانی شام کاوندیش به منچستر رفتم تا به دیدار یکی از همکارانم بروم که پدرش به‌تازگی درگذشته بود، که ازقضا او هم از دوستان خوب رادرفورد بود. در اینجا هم دوباره فرصتی برای من پیش آمد تا رادرفورد را ببینم، که در این زمان در نشست تأسیس شورای سولوی در بروکسل شرکت کرده بود، و برای نخستین‌بار هم با پلانک و اینشتین دیدار کرده بود. درحین حرف‌هایمان با یکدیگر، که در آن‌ها رادرفورد با خوشحالی مخصوص به‌خود از بسیاری از چشم‌اندازهایش از فیزیک حرف می‌زد، با تمایل من مبنی بر پیوستن به گروه آزمایشگاهی­اش هم ازسر دوستی موافقت کرد، آن هم مشروط به اینکه تا آغاز بهار ۱۹۱۲، درسم در کمبریج را تمام کرده باشم. من در این زمان با علاقۀ زیادی فکر خلّاق جی.جی تامسون دربارۀ ساختار الکترونی ­اتم­ را دنبال می‌کردم.

بسیاری از فیزیک‌دانان جوان، که در آن روزها از کشورهای مختلف دور رادرفورد جمع شده بودند، مجذوب نبوغ او چون فیزیک‌دان و لیاقت منحصربه‌فرد او در سرپرستی همکاری­های علمی بودند. و هرچند رادرفورد همیشه به پیشبرد کارهای خود سخت مشغول بود، همیشه ازسر صبر هم به حرف‌های هر مرد جوانی گوش می­کرد، حتّی وقتی هم که چنین گمان می‌کرد که شاید در حرف‌هایش اندک فکری باشد. او درعین‌حال هم در دیدگاهش، که فارغ از هر پیش‌داوری­ای بود، چندان هم احترامی برای مرجعیّت علمی قائل نبود، و همۀ چیزهایی را که خود “حرف‌های پرآب‌وتاب” می‌نامید، برایش ملا‌ل‌آور بود. به این سبب هم­، گاه در چنین مناسبت‌هایی حتّی ازسر جوانی دربارۀ همکار­ان محترمش حرف می‌زد، امّا هیچوقت هم به جدل­های شخصی ورود پیدا نمی‌کرد. او همیشه می‌کوشید تا بگوید: “فقط یک نفر وجود دارد که می‌تواند نام نیک دیگری را ضایع کند، آن کس هم خود اوست.”

 هدف اصلی گروه منچستر البتّه این بود که نتایج گوناگون کشف هستۀ اتم­ را از همه جهت پی بگیرد. در هفتۀ اول ورودم به آزمایشگاه، به توصیۀ رادرفورد، در دوره‌ای مقدّماتی دربارۀ روش­های تجربی پرتوزایی شرکت کردم که زیرنظر اشخاص مجرّبی مانند گایگر، ماکاور و مارس‌دن برای دانشجویان و مهمانان تازه‌وارد، برگزار می­شد. امّا خیلی زود، گرفتار علاقه‌ام به نتایج نظری کلّی‌ای شدم که از مدل اتمی تازه برآمده بود، که به‌خصوص وابسته به امکاناتی بود که این مدل تازه به‌وجود آورده­ بود تا میان ویژگی­های شیمیایی و فیزیکی مادّه به‌روشنی فرق بگذاریم، یعنی میان آنهایی که به‌طور مستقیم در هستۀ اتم ریشه دارد، و آنهایی که در درجۀ اوّل تابع توزیع الکترون­ها می­باشد. اینها هم  به‌نوبۀ خود به هسته با فاصله وابسته است، که این فاصله در مقایسه با ابعاد هستۀ اتم بسیار بزرگ است.

هنگامی که در پی توضیح واپاشی موادّ پرتوزا در ساختار درونی هستۀ اتم بودیم، این نکته روشن شد که مشخّصات فیزیکی و شیمیایی معمول عناصر، ویژگی‌های خاص نظام الکترونی اطراف آن را آشکار می‌کند. و حتّی این هم روشن شد که به‌سبب جرم زیاد هستۀ اتم و کشیدگی کم­ آن درمقایسه با تمام اتم، ساختار نظام الکترون­ها به‌تقریبی منحصراً به بار الکتریکی هستۀ اتم وابسته است. چنین مشاهداتی درعین‌حال این امکان را در دسترس ما می‌گذاشت تا تشریح خصوصیّات فیزیکی و شیمیایی هر عنصری را تنها بر یک عدد درست بنا کنیم، که امروزه آن را به‌طور کلّی عدد اتمی می‌دانیم و بار هسته را با مضربی از واحد بار الکتریکی اوِلّیه بیان می‌کند.

در پیشبرد چنین دیدگاهی، تنها بحث­هایم با گئورگ هِوِشی، که در گروه منچستر به‌خاطر دانش وسیع غیرمعمولش در شیمی فردی ممتاز شمرده می‌شد، مشوّقی برایم در این راه نبود. خود او در سال ۱۹۱۱ روش هوشمندانۀ  ردیابی‌ای را یافته بود که از آن زمان تاکنون وسیلۀ کمکی مهمّی در پژوهش‌های شیمیایی و زیست‌شناختی به‌حساب می‌آید. همان‌طورکه هِوِشی خود با شوخ‌طبعی از آن خبر می‌داد، او به این روش به‌دلیل نتایج منفی کاری پرزحمت رسیده بود که به‌سبب کشمکشی با رادرفورد آن را پذیرفته بود. رادرفورد مقدار زیادی اورانیت به‌عنوان هدیه از دولت اتریش دریافت کرده بود و حالا  هم به هِوِشی جوان می­گفت که “ای‌کاش او اصلاٌ به‌درد  کاری بخورد”، انشاءاللّه که او بتواند در جداکردن رادیوم ارزشمند D از کلورید سرب که از این مقدار زیاد اورانیت به‌دست می‌آید، کمک‌حال باشد.

افکار من طی گفتگو با هِوِشی دربارۀ سال­های پرماجرایش در مونترال و منچستر، شکل استوارتری به خود گرفت. در آنجا رادرفورد و همکارانش پس از کشفیّات بکرل و خانم کوری علم  پرتوزایی  را پایه­گذاری کرده بودند، یعنی اندک‌اندک ترتیب و روابط فروپاشی پرتوزا را روشن کرده بودند. امّا همین‌که فهمیدم که تعداد عناصر تاکنون شناخته‌شدۀ پایدار و فروپاشنده بیش از خانه­هایی است که جدول تناوبی مشهور مندلیف دراختیار ما می‌گذارد، این فکر ناگهان به ذهنم رسید کرد که این مواد شیمیایی که آن‌ها را هم نمی‌توان از یکدیگر جدا کرد، که سودی هم پیشتر به وجود آن‌ها پی برده بود، و بعدها هم آن‌ها را «ایزوتوپ» نامیده بود، همان بار هسته را داراست و تنها از نظر جرم و ساختار داخلی هسته بایکدیگر فرق دارد. نتیجۀ مستقیم آن این بود که یک عنصر- صرف نظز از هر تغییری در وزن اتمی‌اش  – به‌دلیل فروپاشی پرتوزا، جایش در جدول تناوبی عناصر، دو خانه به‌طرف پایین می­رفت یا یک خانه به‌طرف بالا؛ و این هم بستگی به این داشت که کاهش یا افزایش بار هسته با انتشار پرتو­های α یا β همراه باشد.

همین‌که پیش رادرفورد رفتم تا نظرش دربارۀ چنین افکاری را بشنوم، مثل همیشه دلبستگی زیادش به هر شکلی از ساده‌سازی را به‌زبان آورد، امّا با احتیاط معمولش هم به من هشدار داد تا تاب تحملّ مدل اتمی را بیش‌از‌اندازه دست‌بالا نگیرم، و از مصالح تجربی نسبتاً اندک نتیجه‌گیری نکنم. در این میان هم بحث دربارۀ این نظرها که از هر سو به‌آن‌ها نزدیک شده بودیم، در گروه منچستر غوغا می‌کرد؛ و دلیلی هم که این فکر را تأیید می‌کرد همان بود که به‌خصوص هوشی و راسل خیلی زود با آزمایش‌های شیمیایی خود ارائه کردند.

این فکر که عدد اتمی خصوصیّات کلّی فیزیکی عناصر را تعیین می­کند، با بررسی‌های طیف‌نمایی راسل و روسی از مخلوطی از یونیوم و توریوم تأیید شد، که طیف­های نوری آنها یکسان بود، هرچندکه هردوی این مواد، خصوصیّات پرتوزا و وزن اتمی متفاوتی داشت. راسل در اواخر پاییز ۱۹۱۲، براساس تحلیلی از همۀ مصالحی که در آن زمان در اختیار ما بود، رابطۀ کلّی میان تک‌تک فرایندهای پرتوزا و تغییراتی که در پی عدد اتمی عنصری می‌آمد، در سخنرانی‌ای در انجمن شیمی به این مسئله پرداخت.

آنچه اینجا اهمیّت دارد ذکر این نکته است که پس از بررسی‌های گسترده‌تر که به‌خصوص فِلِک انجام داد، قانون جابه‌جایی پرتوزا را چند ماهی بعد سودی، در همۀ جوانبش، در گلاسکو، و فایانز در کارلس‌روهه منتشر کردند، امّا همین مؤلّفین از رابطۀ تنگاتنگ میان ویژگی‌های بنیادین مدل اتمی رادرفورد بی‌خبر بودند. فایانز تغییر خصوصیّات شیمیایی را، که آشکارا با ساختار الکترونی اتم در ارتباط است، دلیلی استوار برضدّ مدلی دانست که بنابرآن هم پرتو α و هم β از هسته سرچشمه می­گیرد. و به‌تقریبی در همان زمان، مفهوم عدد اتمی، مستقلّ از فان­‌دِن‌بروک در آمستردام، ارائه شد، امّا در طبقه‌بندی عناصر بازهم به هر مادّۀ پایدار یا پرتوزایی بار هسته‌ای متفاوتی نسبت داده می‌شد.

تا آن زمان، بحث­های گروه منچستر اصولاً دربارۀ نتایج مستقیم کشف هستۀ اتم بود. امّا آن برنامۀ کلّی دربارۀ تفسیر مصالح انباشته‌شده درمورد خواصّ شیمیایی و فیزیکی عامّ ماده براساس مدل اتمی رادرفورد بازهم مسائل دشواری‌ را پدید آورد که تازه طی سال­های بعد اندک‌اندک می­بایست حلّ شود، به‌‌طوری‌که در سال ۱۹۱۲ تنها حرف از چشم­اندازی موقّت دربارۀ این وضعیّت به‌طورکلّی بود.

از همان ابتدا روشن بود که براساس مـدل اتمی رادرفورد، پایداری خاصّ نظام‌های اتمی را به‌هیچ‌وجه نمی‌توان با اصول مکانیک کلاسیک و الکترودینامیک سازگار کرد. براساس مکانیک نیوتونی، هیچ نظامی از بارهای نقطه­ای ترازمندی ایستای پایدار ندارد؛ هر حرکت الکترون­ به‌دور هستۀ اتم باید طبق نظریّه الکترودینامیک ماکسول، سبب اتلاف انرژیی از راه تابش شود که همواره با انقباض نظام همراه است، و نتیجۀ آن هم، اتّحاد هستۀ اتم با الکترون­ها در داخل حوزه­ای است که بسیار کوچک‌تر از انبساط واقعی اتم­هاست.

امِّا این وضع چندان هم عجیب نبود، زیراکه کشف پلانک از کوانتوم عامّ کنش، در سال ۱۹۰۰ مرز قطعی دربارۀ نظریّه­های فیزیکی کلاسیک را نشان داده بود، به‌طوری‌که همین کوانتوم کنش به‌خصوص در دست اینشتین کاربرد مهمّی در تشریح گرمای ویژه و واکنش­های فوتوشیمیایی پیدا کرده بود. کاملاً مستقلّ از داده­های جدید تجربی دربارۀ ساختار اتم­، این گمان هم به‌این دلیل بسیار برسر زبان‌ها افتاده بود که مفهوم کوانتوم می­تواند در کلّ مسئلۀ ساختار اتمی مادّه  اهمیّتی بسیاز زیاد داشته باشد.

آن­طورکه بعداً اطلاع پیدا کردم، ای.هاس در سال ۱۹۱۰ کوشیده بود تا براساس مدل اتمی تامسون، ابعاد و تناوب حرکات الکترون­ را به‌کمک رابطۀ پلانک میان انرژی و بسامد اسیلاتوری هماهنگ تعیین کند. و پس از آن، جی.نیکولسون در سال ۱۹۱۲، هنگامی که در جستجوی منشاء برخی از خطوط در طیف­  سحابی‌های ستاره‌ای و هالۀ خورشیدی بوده است از تکانه‌ها‌ی چرخشی کوانتیده‌شده استفاده کرده است. باوجوداین باید به‌خصوص ذکر کرد که نیلس بی‌آوو به‌سراغ برخی از تصوّرات پیشین نرنست دربارۀ انرژی مولکول درحال‌چرخش رفته بود به‌طوری‌که در سال ۱۹۱۲ ساختار نواری خطوط جذب فراقرمز در گازهای دو اتمی را پیش­بینی کرده بود و با این کار اوّلین گام در راه تحلیل مشروح طیف­های مولکولی را برداشته بود،تا اینکه سرانجام با توضیح بعدی مبتنی بر نظریّۀ کوانتومی از اصل ترکیب عمومی طیف­ها به آن دست یافتیم.

درآغاز اقامتم در منچستر در اوایل سال ۱۹۱۲ به این یقین رسیدم که ساختار الکترونی اتم رادرفورد کاملاً در سلطۀ کنش کوانتومی است. این دیدگاه تنها بر این واقعیّت استوار نبود که به‌نظر می‌رسید که رابطۀ پلانک به‌تقریبی بر الکترون­های سست متصل به‌هم کاربرد دارد، که دست‌اندرکار خصوصیّات شیمیایی و نوری عناصر دارد، بلکه به‌خصوص بر کشف روابط مشابهی استوار بود که در الکترون‌های اتمی دیده می‌شد که با قدرت هرچه‌تمام‌تر به‌هم متّصل بود که کشف بارکلا از تابش‌ ویژۀ آن‌‌ها، آن را بر ما آشکار کرده بود. به‌این‌ترتیب به‌ هنـگام اقامتم در کمبریج، آن اندازه‌گیزی‌های ویدینگ‌تون که بر تولید تابش بارکلا از راه پرتاب الکترون­های عناصر مختلف لازم بود، به قانونمندی‌های ساده‌ای رسید که همان‌طورکه انتظارش را داشتیم براساس برآوردی از بستگی محکم یک الکترون بود، که در مسیری پلانکی به دور هسته با بار معلومی، که عدد اتمی آن را مشخّص می‌کرد، می­چرخید. آنچه بیشتر علاقۀ من را برانگیخت این بود که در درس- رادرفورد، که به‌تازگی لاورنس براگ منتشر کرده است، دریافتم که ویلیام براگ که در آن زمان در لیدز بود، در نخستین مطالعۀ خود از طیف‌های رونتگن، که مبتنی بر کشف لاوئه در سال ۱۹۱۲ بود، به اهمیّت نتایج ویدینگ‌تون دربارۀ رابطۀ میان تابش بارکلا و ترتیب عناصر در نظام تناوبی مندلیف پی برده بود؛ و این مسئله­ای بود که موزلی با کارش در منچستر خیلی زود باید آن را کاملاً روشن می‌کرد.

در ماه آخر اقامتم در منچستر بیشتر به بررسی نظری قدرت بازدارندگی ماده دربرابر پرتوهای α و β می‌پرداختم. این مسئله، که ابتدا جی. جی.تامسون آن را از نظر مدل اتمی­ خودش بررسی کرده بود، از طرف داروین هم براساس مدل اتمی رادرفورد دوباره دربارۀ آن پژوهش می‌شد. باتوجّه به آنچه در بالا دربارۀ بسامدهایی گفتیم که از بستگی الکترون­ها در اتم به وجود می‌آید، این فکر به ذهنم رسید که به انـتقال انرژی ذرّات به الکتـرون­ها می‌توان به‌طور ساده از راهی مشابه با پراکندگی و جذب تابش نگریست. به‌این‌ترتیب این امکان به‌وجود آمد تا نتایج اندازه‌گیری­های  بازدارندگی را دلیلی افزون بر این تفسیر بدانیم که که به هیدروژن و هلیوم اعداد اتمی ۱ و ۲ داده می‌شود، به‌طوری‌که این امر با تجربیّات کلّی در شیمی و به‌خصوص با دلایل رادرفورد و رویدز دربارۀ تشکیل گاز هلیوم از راه گرفتن ذرّات آلفایی که در حال فرار از لوله‌هایی با دیوارۀ نازک است، موافقت دارد. حتّی درمورد دشوار مواد سنگین، مطابقتی تقریبی میان اعداد اتمی‌ای که انتظارش را داشتیم و مقادیر برآوردشده برای انرژی بستگی الکترون­ها احراز شد، هرچند که روش­های نظری بسیار ابتدایی‌تر از آن بود که بتواند به نتایج درست‌تری بینجامد. به حلّ مناسب این مسئله به‌کمک روش­های نوین مکانیک کوانتومی، اچ. بِته برای اوِلین بار درسال ۱۹۳۰ دست یافت.

 بااینکه رادرفورد در آن زمان باپشتکار سرگرم آماده کردن کتاب بزرگ خود، “مواد پرتوزا و تابش آن‌ها” بود، کار من را با علاقه‌ای که دست‌خوش تغییر هم نبود، دنبال می‌کرد، به‌طوری‌که من فهمیدم که او با چه دقتّی همیشه به رساله­های شاگردانش می­پردازد. پس از بازگشت به دانمارک در گرماگرم تابستان ۱۹۱۲ ازدواج کردم و به‌همراه همسرم برای ماه‌عسل به انگلستان و اسکاتلند، و در ماه اوت همان سال هم به دیدار رادرفورد در منچستر رفتیم تا دست‌نویس آمادۀ مقاله­ام دربارۀ مسائل  بازدارندگی را به او بسپارم. رادرفورد و همسرش از ما به‌گرمی پذیرایی کردند، به‌طوری‌که این پذیرایی، آغاز دوستی نزدیکی میان ما شد، که سال­های زیادی ما را به‌یکدیگر پیوند داد.

Ⅱ

پس از آنکه ساکن کپنهاگ شدم، بازهم رابطۀ نزدیکی با رادرفورد داشتم و به‌طور منظّم هم دربارۀ پیشرفت کارم در مسائل کلّی اتمی‌ای که در منچستر آغاز کرده بودم، به او گزارش می­دادم. جواب­های رادرفورد، که همیشه برایم دلگرم‌گننده بود، همگی سرشار از خوشحالی و صراحتی بود که او از کارش در آزمایشگاه خود برایم تعریف می‌کرد. به‌این‌ترتیب نامه‌نگاری‌ای طولانی میان ما شروع شد که بیست‌و‌پنج سال تمام ادامه پیدا کرد و هر وقت به آن نامه­ها دوباره نگاه می‌کنم، خاطراتی از او بازهم در من، هم از شوروشوق او در پیشرفت در حوزۀ کاریش، بیدار می‌شود، و هم از مشارکت صمیمانه‌اش در کاری که هر کس دیگری انجام می‌داد تا کار او را به‌پیش برد.

 نامه­های من به رادرفورد در پاییز ۱۹۱۲ از پیشرفت­ها و کوشش­های من حرف می‌زد تا اهمیّت کوانتوم کنش در ساختار الکترونی مدل اتمی رادرفورد رابا درنظرگرفتن مسائل بستگی مولکولی و همچنین اثرات تابش مغناطیسی روشن کنم. مسئلۀ پایداری در همۀ چنین ملاحظاتی، مشکلات بزرگی را به وجود می‌آورد و من را به یافتن تکیه­گاه استوارتری بیشتر ترغیب می‌کرد. پس از آنکه به آزمایش­های مختلفی دست زدم تا تصوّرات کوانتومی خود را به‌طور منطقی به‌کار گیرم، ناگهان در اوایل سال ۱۹۱۳ این فکر به ذهنم رسید که کلیدی بر حلّ مسئلۀ پایداری اتمی، که به‌طور مستقیم در مدل اتمی رادرفورد کاربرد داشته باشد، با قوانین بسیار ساده‌ای، که دربارۀ طیف‌های نوری عناصر درست باشد، در دستان ماست.

براساس اندازه­گیری­های بسیار دقیق رولند و دیگران از طول موج خطوط طیفی و نوشته‌های بالمر و شوستر، که پیشتر کرسی علمی رادرفورد را در منچستر دراختیار داشتند، ریدبرگ قانونمندی­های کلّی طیف­ را به‌طرز هوشمندانه­ای روشن کرد. نتیجۀ اصلی این تحلیل بنیادی از سری­های خاصّ در طیف­های خطی و رابطۀ آنها بایکدیگر، این شناخت بود که بسامد γ-ی هر کدام از خطوط در طیف عنصری داده‌شده را می‌توان با دقّت بی­مانندی با فرمول ″γ = T′ – T نشان داد، به‌طوری‌که  ′Tو ″ T دو جمله از رشته‌ای از جمله‌های طیفی T است، که مشخّصۀ آن عنصر است.

این اصل ترکیب بنیادین، آشکارا  تن به هیچ توضیح معمول مکانیکی‌ نمی‌داد؛ و این مسئله آموزنده است تا به یاد بیاوریم که چگونه لرد ری‌لای در این باره به‌درستی تأکید کرده است که هر رابطۀ کلّی میان بسامد­های ارتعاشات خاصّ هر نمونۀ مکانیکی در این بسامدها از مرتبۀ دوم است و نه خطّی. در مورد مدل اتمی رادرفورد، نباید اصلاً منتظر طیف خطّی باشیم، زیرا براساس قوانین الکترودینامیک عمومی، بسامد تابش که همواره درپی حرکت الکترون می‌آید، به‌طور پیوسته با انرژی تابیده‌شده تغییر می­کند. به‌این سبب هم نزدیک بود تا توضیح طیف­ها را به‌طور مستقیم براساس اصل ترکیب بنا نهیم.

درعمل همین‌که تصوّر اینشتین از کوانتوم­های نور یا فوتون­ها را با انرژی hγ پذیرفتیم، که در آن  h تابث پلانک است، به این فرض رسیدیم که هر انتشار یا جذب تابش اتم، پدیده­ای فردی است که با انتقال انرژی  (“h (‌T′- Tهمراه است و hT را هم باید به‌عنوان انرژی بستگی الکترون در حالت مانا یا پایدار اتم دانست. این فرض به‌خصوص به‌طور مستقیم به روشن‌شدن پیـدایی خطوط انتشار و جذب در طیـف‌های پی‌درپی می‌انجامد، که به‌ظاهر نمی‌توانستیم پیش‌بینی کنیم. به‌این‌ترتیب در پدیده­های تابش اتم، انتقال­هایی از اتم از سطح بالای انرژی به سطح پایین‌تر انرژی را می­بینیم، در‌حالی‌که در پدیده­های جذب به‌طور عموم با انتقال اتم از حالت اصلی با بیش‌ترین انرژی به یکی از حالت­های دیگر برانگیخته سر و کار داریم.

در ساده‌‌ترین مورد، یعنی درمورد طیف هیدروژن، این جملات با دقّت زیاد با فرمول Tn= R/n²بیان می­شود، که در آن n یک عدد صحیح و R  ثابت ریدبرگ است. به‌این‌ترتیب نتیجۀ آنچه ذکر کردیم این است که رشته‌ای از مقادیر کاهش‌یابنده برای انرژی بستگی الکترون­ در اتم هیدروژن وجود دارد که به پدیده‌ای پلّکانی اشاره دارد، که در آن، الکترونی که درابتدا دور از هستۀ اتم قرار داشت، با گسیل تابشی از حالات مانا همواره به مقادیر کم‌تر n گذر می‌کند؛ در این هنگام، بستگی محکم‌ و محکم‌تر می­شود تا به حالت اصلی با مشخّصۀ n=1 برسد. برابر دانستن انرژی بستگی در این حالت، با انرژی بستگی یک الکترون، که در مسیری کپلری به دور هسته می­چرخد، به ابعادی از مسیر  با همان مرتبۀ بزرگی می‌انجامد که بزرگی خود اتم، که آن را از راه خواص گازها می‌توان محاسبه کرد.

این دیدگاه به‌همراه مدل اتمی رادرفورد، توضیحی هم بر پیدایی ثابت­ ریدبرگ در طیف‌های پیچیدۀ دیگر عناصر ارائه می­دهد. از اینجا می­توان چنین نتیجه گرفت که ما با فرایندهای گذار میان حالات برانگیخته‌شدۀ اتم سروکار داریم که در آن‌ها یکی از الکترون­هایی که از دیگری که به‌هسته متّصل است و آن حوزه را اشغال کرده است، دور می‌شود، و به‌همین سبب هم در معرض آن نیروی میدانی قرار می‌گیرد که شبیه آن است که بار واحدی احاطه می‌کند.

پیگیری رابطۀ نزدیک میان مدل اتمی رادرفورد و مصالح تجربی به‌دست‌آمده از طیف­،به‌طور آشکار سبب بروز مسائل دشواری شد. از سویی تعریف بار و جرم الکترون­ و هستۀ اتم منحصراً بر تحلیل پدیده‌های فیزیکی بر اساس اصول مکانیک کلاسیک و الکترودینامیک استوار بود؛ امّا از سوی دیگر اصل موضوعۀ کوانتوم، که بر اساس آن هر تغییری در انرژی درونی اتم گذاری کامل میان دو حالت مانای اتم است، این امکان را منتفی می‌دانست تا بتوانیم به‌کمک اصول فیزیک کلاسیک به حساب دربارۀ فرایندهای تابش، با هر واکنش دیگری که به پایداری اتم مربوط می‌شود، رسیدگی کنیم.

آن‌چنان‌که امروز می­دانیم، حلّ چنین مسائلی پیشرفت فرمالیسمی ریاضی‌ را طلب می‌کند که تفسیر درست آن، بازبینی‌ای بنیادین در اصول استفادۀ روشن از مفاهیم اوِلیّۀ فیزیکی و شناخت روابط مکملّی میان شرایط تجربی‌ گوناگون را، که پدیده‌ها ذیل آن‌ها مشاهده می‌شود، باخود به‌همراه داشت. هرچند در آن زمان چند گامی پیش آمدیم، بااین کار که – با آغازکردن از فرض‌های اوّلیّۀ پلانک دربارۀ حالات انرژی یک اسیلاتور هماهنگ- برای طبقه‌بندی حالات مانا، تصورّات کاسیک در فیزیک را مطرح کردیم. نقطۀ آغازین چنین کاری به‌خصوص مقایسۀ دقیق میان اسیلاتوری با بسامد معیّن،با حرکت کپلری الکترون به دور هستۀ اتم با بسامد چرخشی بود که تابعی از انرژی بستگی بود.

محاسبه‌ای ساده، درست مانند مورد اسیلاتوری هماهنگ، نشان داد که کنش را، که در یک دورۀ زمانی حرکت الکترون در درون آن است، می‌توان برای هریک از حالات مانای اتم هیدروژن برابر با nh قرار داد، شرطی که در مورد مسیرهای دایروی به‌معنای کوانتش تکانۀ چرخشی در واحدهایی به اندازۀ h/2‌π است. چنین اتّحادی به معنی­ تعیین ثابت ریدبرگ است، که با بار e و جرم m الکترون و همچنین با ثابت پلانک طبق فرمول  R= 2π²me⁴/h³بیان می‌شود که با مقدار تجربی در درون دقّت اندازه­گیری کمیّت e، m  و   hمطابقت می­کند.

اگرچه این مطابقت، به حوزۀ استفادۀ مدل­های مکانیکی بر تشریح حالات مانا اشاره می‌کند، امّا مسلّماً این دشورای‌ها، در هر رابطه‌ای که میان مفاهیم کوانتـومی با اصول مکانیک عمومی باشد، بازهم پابرجاست. به‌این دلیل هم این نکته خیال ما را آسوده کرد که راه تازه به مسائل طیفی، آن خواستۀ مسلّمی را برآورده می‌کند تا تشریح فیزیکی کلاسیک را در حدود مرزی دربر بگیرد، یعنی آنکه کنش آنقدر بزرگ باشد، که بتوان از یک کوانتوم منفرد صرف‌نظر کرد. چنین تأمّلاتی نخستین نشانه‌های اصل تناظر بود که هدفش این است تا تشریح آماری بنیادین مکانیک کوانتومی را تعمیمی منطقی از تشریح فیزیکی کلاسیک بداند.

 به‌این ترتیب براساس الکترودینامیک متعارف، ترکیب طیفی تابشی که از نظامی الکترونی انتشار پیدا کرده است، از راه بسامد و دامنۀ ارتعاشات هماهنگ معیّن می‌شود، به‌طوری‌که در این وضع حرکت نظام را می‌توان حلّ کرد . مسلّم است که هیچ رابطۀ ساده­ای میان حرکت کپلری الکترونی به دور هسته­‌ای سنگین، و تابش منتشر‌شده به‌دلیل گذار میان حالات مانای نظام وجود ندارد. در حدّ مرزی گذار میان حالات، که مقادیر عدد کوانتومی آن‌ها n در مقایسه با اختلافش بزرگ است، می‌توان نشان داد که بسامد­های مؤلّفه‌های­ تابش، که به‌عنوان نتیجۀ فرایندهای گذار تصادفی فردی پدیدار می‌شود، به‌تقریبی با بسامد­های مؤلّفه­های هماهنگ حرکت الکترونی یکی است. این واقعیّت که در مسیری کپلری، به‌عکس ارتعاش هماهنگ ساده‌ای، نه تنها بسامدهای چرخشی، بلکه بسامد­های سطحی هم پدیدار می­شود، این امکان را به وجود آورد تا مشابهی کلاسیک با ترکیب نامحدود جمله‌ها در طیف هیدروژن را بیابیم.

این دلیل روشن بر رابطۀ نزدیک میان مدل اتمی رادرفورد و مصالح تجربی موجود در مورد طیف­، تا مدّت‌ها به‌سبب بروز وضعی عجیب معطّل ماند. حتّی بیست‌سال پیش‌تر، پیکرینگدر طیف­ ستاره­های دوردست سری خطوطی را مشاهده کرده بود که طول موج آن‌ها از نظر عددی با طیف معمولی هیدروژن خویشاوندی زیادی نشان می­داد. به‌این سبب این خطوط را عموماً به هیدروژن نسبت می‌دهند، به‌طوری‌که حتّی ریدبرگ گمان کرده بود که این خطوط ممکن است تناقض آشکار میان سادگی طیف هیدروژن و پیچیدگی طیف­ عناصر دیگر را، از آن جمله فلزّات قلیایی را، بپوشاند، که ساختار آن‌ها پس از طیف هیدروژن قرار دارد. این نظر، حتّی نظر ای. فاولر، طیف­شناس مشهور بود، که درست در آن زمان در پژوهش‌های آزمایشگاهی­ خود با تخلیۀ مخلوطی از هیدروژن و هلیوم، خطوط پیکرینگ و سری­های طیفی خویشاوند تازه‌ای را مشاهده کرده بود.

امّا خطوط پیکرینگ و فاولر هم نتوانست با فرمول ریدبرگ دربارۀ طیف هیدروژن سازگاری داشته باشد، زیراکه عدد nدر مورد جمله‌های طیفی نمی‌تواند هم شمار درست مقداری عددی داشته باشد و هم نیمی از آن شمار را. امّا این چنین فرضی شاید آشکارا تقریب مجانبی به رابطۀ کلاسیک میان انرژی و بسامد طیفی را تخریب کند. از طرف دیگر این چنین تناظری در مورد طیف نظامی، که از الکترونی تشکیل شده است که با بار Ze به هسته بستگی دارد، درست است که حالات مانایش از راه همان مقدار  nh انتگرال کنش معیّن می‌شود.جمله‌های طیفی­ برای چنین نظامی درعمل از راه Z²R/i²   به‌دست می‌آید، که برای Z=2 همان نتیجه به‌دست می‌آید که با واردکردن نیمۀ همان مقدار n در فرمول ریدبرگ. از اینجا به‌آسانی این نتیجه به‌دست آمد که به خطوط پیکرینگ و فاولر همان چیزی را باید نسبت داد ­که به حرکت گرمایی بالا در ستارگان، و همچنین آن چیزی را که فاولر با تخلیه­های قوی هلیوم یونیزه‌شده به‌دست آورد. اگر این نتیجه درعمل تأیید شود، این نخستین گام در راه پایه­گذاری روابط کیفی میان خصوصیّات عناصر مختلف بر اساس مدل اتمی رادرفورد خواهد بود.

III

هنگامی که در ماه مارس ۱۹۱۳ نامه­ای به رادرفورد نوشتم و طرح نخستین رساله­ام دربارۀ نظریّۀ کوانتومی ساختار اتم را پیوست آن کردم، تأکید کردم که چقدر این نکته مهم است تا مسئلۀ پیدایی خطوط پیکرینگ روشن شود؛ درعین‌حال هم از او سؤال کردم که آیا می‌توان به این منظور آزمایش‌هایی در آزمایشگاه او انجام داد، زیراکه دستگاه طیف‌نگار مناسبی از زمان شوستر در اختیارش بود. بی‌معطّلی هم جوابی دریافت کردم که کاملاً نشان از نظر او در کمک به‌دیگران داشت، و در اینجا هم مایلم متن کامل آن نامه­ را نقل کنم:

بیستم مارس ۱۹۱۳

دکتر بور عزیز،

 نامۀ شما درست به دستم رسید و با علاقۀ زیاد هم خواندم، امّا دلم می‌خواهد اگر فرصت پیدا کنم، دوباره هم آن را بادقّت بخوانم. فکر شما دربارۀ چگونگی پیدایی طیف هیدروژن از روی تیزبینی بسیار است و به‌نظر می­رسد که استحکام درستی هم دارد؛ امّا پیوند مکانیک پیشین با افکار پلانک این کار را دشوار می‌کند تا بتوان تصوّر فیزیکی‌ای از آن به‌دست آورد که در اساس آن باشد. به‌نظر من در فرضیّۀ شما دشواری جدّی همان است که شما به‌یقین به آن آگاهی دارید، یعنی: الکترون چگونه تصمیم می‌گیرد، وقتی از حالت مانایی به حالت دیگر می­رود، با چه بسامدی شروع به ارتعاش کند؟ به‌نظر من، فرض شما باید این باشد که الکترون ازپیش می­داند که کجا می‌خواهد بماند.

می‌خواهم نقدی کم‌اهمیّت‌تر هم بر ترتیب مقالۀ شما وارد بکنم. گمان می­کنم که شما در تلاش خود تا افکارتان را روشن بیان کنید، نوشتۀ خود را طولانی می‌کنید و تمایل دارید ادّعاهای خود را در قسمت­های گوناگون کار خود تکرار کنید. به‌نظر من مقاله باید کوتاه شود و عقیده‌ام هم این است که این مسئله عملی است بی‌آنکه وضوح خود را از دست بدهد. من نمی­دانم که آیا شما به این واقعیّت آگاه‌اید که مقاله‌های طولانی برای این کار است تا خواننده را ­بترساند، تا خواننده احساس کند که اصلاً وقت ندارد تا آن‌ها را عمیق بخواند.

 مقالۀ شما را خیلی دقیق می‌خوانم و به‌شما خبر می‌دهم که نظرم دربارۀ جزئیّات آن چیست. خیلی دلم می‌خواهد آن را برای مجلّۀ فلسفه بفرستم، ولی بهتر می‌دانم که دامنۀ مقاله بسیار کوتاه‌تر شود. به‌هرحال من همۀ اصلاحاتی را که در زبان انگلیسی لازم است، انجام خواهم داد.

بسیار خوشحال خواهم شد که مقاله‌های بعدی شما را ببینم، امّا خواهش می­کنم، راهنمایی من را از صمیم قلب بپذیرید و کوشش کنید، تا آن‌ها را تا آنجایی کوتاه کنید که خللی بر فهم آن‌ها وارد نشود. خوشحال می‌شوم که از زبان شما بشنوم که چه وقت به انگلستان خواهید آمد. بسیار خوشحال خواهیم شد که شما را در منچستر ببینیم.

به‌علاوه، به ملاحظات شما دربارۀ طیف فاولر بسیار علاقه‌مند شدم. من از آن به اِوان گفتم و او هم به من گفت که به این مسئله بسیار علاقه دارد؛ وقتی که نیمسال تحصیلی بعدی به اینجا برمی­گردد، کاملاً امکان دارد تا بتواند آزمایش­هایی در این مورد انجام بدهد. کارهای کلّی خیلی خوب است، اما فعلاً با کارهایم فهمیدم که جرم ذرّۀ α بسیار بزرگ‌تر از آن است که می­بایست باشد. اگر این مسئله درست باشد، این نتیجۀ مهمی خواهد بود که فعلاً نمی­توانم آن را منتشر کنم، پیش از آنکه به دقّت اندازه­گیری‌هایم از هر حیث مطمئن شوم. این آزمایش‌ها، بسیار وقت­گیر است و باید هم با دقّت تمام انجام شود.

ارادتمند شما، ای. رادرفورد

پی‌نوشت: گمان نمی‌کنم با این کار مخالف باشید که  همۀ آن چیزهایی را که به نظرم لازم نیست، حذف کنم؟ لطفاً به من جواب بدهید.

نخستین تذکّر رادرفورد درواقع کاملاً بجا بود، و این سؤال را مطرح می­کرد که نکتۀ اصلی بحث­هایی بود که پس از این می‌آید. عقیدۀ من در آن زمانی که آن را در سخنرانی­ام در نشست انجمن فیزیک دانمارک در اکتبر (دسامبر) سال ۱۹۱۳ بیان کردم، این بود که این انحراف تمام‌عیار از خواسته‌های معمول از توضیـحی فیزیکی، که اصل موضوع کوانتومی آن را درخود دارد، به‌خودی‌خود آنقدر فضا بر این امکان به‌وجود می­آورد تا طی زمان بر فرض­های تازه در گرته‌ای منطقی کار انجام شود. در پایان این تذکار رادرفورد، این هم اهمیّت دارد تا به یاد آوریم که اینشتین در رسالۀ مشهورش از سال ۱۹۱۷ دربارۀ اشتقاق از فرمول پلانک دربارۀ تابش گرمایی همین نظر را دربارۀ پیدایی طیف­ برمی‌گزیند و بر مشابهت میان قوانینی که بر پدیده‌های تابشی خودبه‌خودی قوانین آماری حاکم است و قانون بنیادین واپاشی پرتوزا اشاره می­کند که پیشتر در سال ۱۹۰۳ رادرفورد و سودی آن را صورتبندی کرده بودند. این قانون که به هردو پژوهشگر به‌یک‌باره این امکان را داد تا تا شمار زیادی از پدیده­های شناخته‌شدۀ‌ آن زمان در حوزۀ پرتوزایی طبیعی را روشن کنند،چون راهنمایی هم، بر فهم انشعابات غریبی که در فرایندهای واپاشی به‌خودی‌خود بعدها مشاهده شده بود، استوار برجای ماند.

نکتۀ دومی که رادرفورد در نامه­اش باتأکید مطرح کرده بود، مرا در وضعی بسیار  خجل‌کننده می‌گذاشت. چند روزی پیش از آنکه جواب رادرفورد را دریافت کنم، نسخه‌ای با شرح‌وبسط خیلی بیشتر از دست‌نوشت اولّیه برای او فرستاده بودم. این اضافات به‌خصوص بیشتر دربارۀ رابطه میان طیف­های جذب و انتشار بود، و همچنین دربارۀ مسئلۀ مطابقت مجانبی با نظریّه­های فیزیک کلاسیک بود. به‌همین سبب احساس می‌کردم که تنها راه بر اینکه به این مسائل سروسامان دهم این است که بی‌درنگ به منچستر بروم و همه چیز را با خود او در میان بگذارم. با اینکه رادرفورد بسیار بیش از هرکس دیگری کار داشت، ازسر صبر چندین شب تمام با من گفتگو کرد، و در خلال آن گفتگوها هم برایم روشن کرد که هیچگاه گمان نمی‌کرد که من تا این اندازه خودسر باشم، و دراینجا هم موافقت کرد که همۀ نکات تازه و کهنه در نوشتۀ نهایی باقی بماند. سبک و زبان نوشته­ هم طبعاً با کمک و راهنمایی او خیلی بهتر شد و من هم ناگزیر گاه به این فکر می‌افتادم که چقدر اعتراضات او برضدّ آن توضیحات نابجا و به‌خصوص آن تکرارهای مکرّر منابع موجود پیشین درست بود. به‌این سبب این درس رادرفورد برایم فرصتی مغتنم بود تا نگاهی اجمالی به سیر واقعی آن دلایل در آن سال‌ها بیفکنم.

 در ماه­های بعد، در بحث دربارۀ پیدایی خطوط طیفی یون هلیوم چرخشی غریب پدید آمد. پیش از هر چیز، اِوان توانست خطوط فاولر را از راه تخلیه هلیوم کاملاً خالص نشان دهد، به‌طوری‌که در اینجا هیچ ردّی از خطوط هیدروژن معمولی دیده نمی‌شد. امّا فاولر هنـوز هم به کارش یقین نداشت و تأکید می‌کرد که برخی طیف­ها در این مخلوط گاز ممکن است به‌اشتباه پدیدار شود. پیش از هر چیز او متوجّه شده بود که اندازه‌گیری‌های دقیقش از طول موج­های خطوط پیکرینگ، با خطوطی که براساس فرمول من با z=2 به‌دست می‌آید، به‌طور دقیق مطابقت نداشت. یافتن جواب به این اعتراض، ساده بود، زیرا آشکارا برای جرم m در عبارت ثابت ریدبرگ، نباید جرم یک الکترون آزاد قرار بگیرد،بلکه جرم به‌اصطلاح کاهش‌یافتۀ آن  mM (m+M)^-1که در آن، M جرم هسته است. با درنظر‌گرفتن این تصحیح، رابطۀ پیش­بینی‌شده میان طیف هیدروژن و طیف یونیزه‌شدۀ هلیوم در مطابقت کامل با همۀ اندازه­گیری­ها بود. فاولر هم از بابت این نتیجه خوشحال شد و در همین فرصت هم به‌این مسئله اشاره کرد که در طیف­های دیگر عناصر هم سری­هایی مشاهده کرده است که در آنها ثابت معمول ریدبرگ را در عددی که تقریباً چهار است باید ضرب کرد.چنین طیف­های سری، که آن‌ها را به‌طور عموم طیف‌های رادیویی می‌نامند، از یون­های برانگیخته‌شده‌ سرچشمه می‌گیرد که به‌عکس طیف­های قوسی است که به اتم­های خنثای برانگیخته‌شده نسبت داده می­شود.

 ادامۀ پژوهش‌های طیف­نگاری سبب کشف بسیاری از طیف­های اتم در سال­های پیش‌رو شد که از آن اتم‌ها نه تنها یک الکترون، بلکه چندین الکترون­ جدا می‌شد. به‌خصوص مطالعات مشهور باوِئن به این شناخت انجامید که در بحث نیکولسون از پیدایی طیف­ از ابرهای ستاره‌ای نباید درپی عناصر جدید فرضی بود، بلکه سرچشمۀ آن اتم­های اکسیژن و ازت در حالات بالای یونیده است. سرانجام به این دیدگاه رسیدیم که با تحلیلی از فرایندهایی که در آن‌ها، الکترون­ها یکی پس از دیگری به هسته وصل می­شود، چشم‌اندازی دربارۀ بستگی بسیاری از الکترون­ها در حالت اصلی اتم رادرفورد به‌دست می‌آید. امّا مصالح تحربی در سال ۱۹۱۳ طبیعتاً بسیار کم بود و روش­های نظری بر دسته‌بندی حالات مانا هنوز پیشرفت چندانی نکرده بود تا بتوانیم از عهدۀ وظیفه‌ای این چنین مهم براییم.

Ⅳ

در این میان، کار برسر ساختار الکترونی اتم­، گام به گام به پیش می‌رفت و من هم دوباره به‌خود اجازه دادم تا از رادرفورد درخواست کمک و راهنمایی کنم. در ژوئن ۱۹۱۳ با نوشتۀ دومم به منچستر سفر کردم. این نوشته، به‌جز ادامۀ بحث دربارۀ قانون جابهجایی پرتوزا و پیدایی تابش بارکلا، به حالت بنیادین اتم‌هایی می‌پرداخت که چندین الکترون­ داشت. برای حلّ این مسئله درآغاز یک‌بار کوشیدم تا مدار الکترون­‌ها را براساس حلقه‌های بسته منظّم کنم، که ما را به یاد ساختار پوسته­ای اتم جی. جی. تامسون می‌انداخت. تامسون در آزمایش اوِّلیّۀ خود کوشیده بود تا به کمک مدل اتمی­اش تناوب در جدول عناصر مندلیف را توضیح دهد.

 در این زمان در آزمایشگاه رادرفورد به هِوِشی و پانِت برخوردم که من را از موّفقیّـت خود از مطالعات نظام‌مند اوّلیّه‌شان باخبر کردند. آن دو در اوایل سال، در وین باهمدیگر روش نشنانگر را بر محلول سولفات سرب و کرومات سرب به‌کار گرفته بودند. این دیدارهای مکرّر در منچستر ما را ازهرحیث بسیار سر شوق می‌آورد و به­من فرصت خوبی می‌داد تا بتوانم در جریان کار آزمایشگاه باقی بمانم. در این زمان، رادرفورد، که رابینسون دستیارش بود، با جدّیّت به کار تحلیل انتشار-β سرگرم بود و به‌همراه آندراجه طیف­های –γ را مطالعه می‌کرد. افزون بر آن هم، داروین و موزلی با تلاش بسیار به کار تحقیق تجربی و نظری دقیق خود دربارۀ خمیدگی پرتوهای رونتگن در بلورها مشغول بودند.

فرصت خوب دیگری برای دیدار رادرفورد به‌مناسبت نشست “انجمن بریتانیایی برای پیشرفت علم» در بیرمنگام در ماه سپتامبر ۱۹۱۳ پیش آمد. در این نشست، که خانم کوری هم در آن شرکت داشت، به‌خصوص به بحث کلّی دربارۀ مسئلۀ تابش پرداخته شد، که در آن اشخاص صاحب‌نامی مانند ری‌لای، لارمور و لورنتس شرکت داشتند؛ و به‌خصوص هم جینس، که نگاهی مقدّماتی به کاربرد نظریّۀ کوانتومی در مسئلۀ ساختار اتم افکند. حرف‌های روشن او درعمل نخستین اظهار عمومی به علاقۀ جدّی به نظرهایی بود که عموماً در بیرون از گروه -منچستر با شک زیاد به آن‌ها نگریسته می‌شد.

آنچه در این میان پیش آمد که رادرفورد و همۀ ما را خوشحال کرد، تذکار لرد ری‌لای به عنوان پاسخ به تقاضای رسمی سر جوزف لامور بود تا نظرش دربارۀ تازه‌ترین پیشرفت‌ها را بیان کند. بی‌درنگ جواب آن پیش‌کسوت بزرگ دیرین برآمد که خود در سال‌های پیش، سهم مهمّی در توضیح مسائل تابش ایفا کرده بود: ” در دوران جوانی بر ابراز عقاید خود بسیار مصرّ بودم و هم اینکه آن که بیش از شصت سال دارد نباید دربارۀ نظرهای تازه حرفی بزند. و اگرچه باید اذعان کنم که امروزه دیگر بر چنین فکری پافشاری نمی‌کنم، امّا دراین باره آنقدر راسخم تا در این بحث شرکت نکنم!”

 در دیدارم با داروین و موزلی در ماه ژوئن دربارۀ توالی درست در ترتیب عناصر از روی عدد اتمی آن‌ها صحبت کرده بودم. برای نخستین بار از زبان موزلی از طرح‌هایش شنیدم تا این مسئله را از راه اندازه­گیری‌های نظام‌مند طیف­های عناصر با بسامد بالا به کمک روش لاوئه-براگ حلّ کند. موزلی با انرژی منحصر‌به‌فرد و توانایی خود، کاملاً هدفمند به آزمایش می‌پرداخت، به‌طوری‌که کارش به‌سرعت پیش می‌رفت، و به‌همین سبب هم درست در ماه نوامبر ۱۹۱۳ نامۀ بسیار دلگرم‌کننده‌ای از او به‌همراه گزارشی دربارۀ نتایج مهم آن از او دریافت کردم، و به‌همراه آن پرسش‌هایی دربارۀ توضیح آن‌ها براساس قواعدی که در طیف­های نوری کاربرد خود را احراز کرده بود.

در تاریخ جدید فیزیک و شیمی، رویدادهای اندکی از همان آغاز، مانند کشف موزلی، این چنین علاقۀ عمومی‌ را برانگیخته است؛ این کشف براساس قوانین کاملاً ساده‌ای امکان می‌دهد تا عدد اتمی هر عنصری را، براسـاس طیف با بسامد بالا، تعیین کنیم. از یک سو، پشتیبانی آن از مدل اتمی رادرفورد بی‌درنگ شناخته شد، و از سوی دیگر، این گمان که مندلیف در جاهای گوناگون نظامش از توالی عناصر براساس افزایش وزن اتمی منحرف شده بود، کاملاً آشکار شد. به‌خصوص این نکته روشن شد که قوانین موزلی راهنمایی بی‌خطا در راه جستجوی آن عناصری بود که هنوز کشـف نشده است، که در جاهای خالی در ردیف‌های اعداد اتمی می­گنجد.

دربارۀ مسئلۀ پیکربندی الکترون­ در اتم هم، کار موزلی آغاز خوبی بر پیشرفتی مهم بود. این واقعیّت که جاذبه‌ای که هسته بر الکترون‌های منفرد در درونی­ترین جزء اتم اعمال می‌کند بسیار بزرگ‌تر از نیروی دافعۀ الکترون­ها بریکدیگر است، بنیانی بر فهم آن مشابهت چشم‌گیری فراهم آورد که میان طیف‌های موزلی و آن‌هایی وجود داشت که از نظامی با یک الکترون انتظارش می‌رفت که به هسته‌ای تنها بستگی داشت. امّا مقایسه‌ای مفصّل‌تر، نتایج تازه‌ای دربارۀ ساختار پوسته‌ای بنای الکترون‌های اتم ارائه داد.

اندکی بعد، کوسل مقالۀ مهمّی دربارۀ این مسئله ارائه کرد که مبدأ تابش بارکلا از سنخK, -L-, و M- را به فاصلۀ الکترون از یکی از آن دسته از حلقه‌هایی یا پوسته­هایی که به دور هسته قرار دارد مربوط می‌دانست. او به‌خصوص به مؤلّفه‌های kα و kβ در طیف‌های موزلی، فرایندهای گذار فردی‌ای را نسبت می­داد که در آنها یکی از الکترون‌هایی که در پوستۀ K- کم باشد با الکترونی دیگر در L- یا M- جایگزین می‌شود. کوسل با ایـن روش توانست دیگر روابط میان انـدازه­گیری­های موزلی از بسامد­های طیفی را نشان دهد که به او این امکان را داد تا همۀ طیف با فرکانس بالای یک عنصر را به عنوان گرته‌ای ترکیبی نشان دهد که در آن حاصلضرب با یکی از جمله‌ها­ و ثابت پلانک آن انرژی‌ای مساوی است که لازم است تا الکترونی را از اتم آن­قدر دور نگاه دارد که آن الکترون در بیرون از همۀ پوسته‌ها قرار گیرد.

از آن گذشته، نظر کوسل خود توضیحی بر این واقعیّت ارائه می‌داد که جذب تابش ورودی با افزایش طول موج عملاً با لبه‌ای از جذب آغاز می­شود که آن دور کردن کامل الکترونی از پوستۀ مربوطه را در یک گام نشان می­دهد. همچنین فرض کردیم که نبود حالات میانی تحریک شده به این سبب به‌وجود می­آید که همۀ پوسته­ها در حالت بنیادین اتم به‌طور کامل پر شده­ است. و تا آنجایی که می‌دانیم این نظر بیان خود را سرانجام در اصل کلّی طرد پاؤلی می‌یابد که او در سال ۱۹۲۴ در مورد حالات بستگی الکترون­هایی صورتبندی کرده است که از راه اشتقاق استونر از جزئیّـات ظریف‌تر ساختار پوستۀ اتـم رادرفورد از تحلیلی از قانونمندی‌های طیف­های نوری برخاسته است.

Ⅴ

کشف اشتارک در پاییز سال ۱۹۱۳ دربارۀ اثر بسیار زیاد میدان­های الکتریکی بر ساختار خطوط طیف هیدروژن، فیزیک‌دانان را ازنو سراسیمه کرد. با آن توجّهی که او از سرهشیاری به هر پیشرفت فیزیکی‌ای می­کرد، رادرفورد، پس از آنکه مقالۀ اشتارک را از فرهنگستان پروس دریافت کرده بود به من در نامه‌ای نوشت: “گمان می­کنم که حالا کار شماست تا دربارۀ اثر زیمن و اثرهای الکتریکی چیزی بنویسید که بتواند تاحدّممکن این مسئله را با نظریّۀ شما هماهنگ کند.” به تشویق رادرفورد من هم کوشیدم تا به این امرواقع وارد شوم. امّا خیلی زود هم بر من روشن شد که ما در مورد کنش‌ میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی با دو مسئلۀ کاملاً متفاوت رودررو هستیم.

آنچه در توضیح لارمور و لورنتس دربارۀ کشف مشهور زیمن در سال ۱۸۹۶ مهم بود این بود که این توضیح­ها مستقیم بر حرکت الکترون­ به‌عنوان علّت طیف­های خطی استوار بود، و آنهم به‌این‌صورت که دراساس از فرض­‌های خاص سازوکار بستگی الکترون‌های اتم مستقلّ بود. اگر حتّی پیدایی طیف­ را به گذار­های فردی میان حالات مانا نسبت دهیم، از راه اصل تناظر – به سبب قضایای کلّی لارمور– کارمان به اینجا می‌انجامد تا اثر متعارف زیمن را درمورد همۀ آن خطوط طیفی‌ای پیش­بینی کنیم که از الکترون‌هایی­ منتشر می‌شود که در میدان متقارن مرکزی‌ای مانند اتم رادرفورد با هم پیوند دارد. بروز آثار به‌اصطلاح نامتعارف زیمن شگفتی‌های تازه‌ای را مطرح کرد که تازه ده سال بعد حل شد، یعنی پس از آنکه ساختار پیچیدۀ خطوط در طیف­های سری­ را به اسپین درونی یک الکترون برگرداندیم. یکی از گیراترین وصف­های این پیشرفت را، که از همه سو هم نوشته‌های مهمّی به آن افزوده شده است، در یادنامۀ مشهور پاؤلی، که به‌تازگی منتشر شده است، می‌توان دید.

امّا در مورد یک میدان الکتریکی نتوانستیم برای تابشی که از اسیلاتوری هماهنگ منتشر می‌شود، انتظار اثری را داشته باشیم که متناسب با شدّت آن باشد، و کشف اشتارک به‌این دلیل تصوّر متعارف از ارتعاشات کشسانی الکترون­ را، به‌عنوان علّت ایجاد طیف‌های خطّی، به‌طور قطعی منتفی می‌کند. حرکت کپلری الکترون­ به دور هسته با این حال حتّی بر میدان الکتریکی نسبتاً ضعیـف، از راه اختلالات معمول، تغییرات زیادی در شکل و موقعیّت مسیر به‌وجود می‌آورد. مطالعۀ موارد خاصی که در آنها مسیر در میدان خارجی کاملاً متناوب می­ماند، این امکان را به‌وجود آورد تا با استدلال­هایی از همان نوع، مانند آن‌هایی که درمورد حالات مانای اتم هیدروژن غیرمختل به کار بردیم، تا بزرگی اثر اشتارک را به‌دست آوریم، و به‌خصوص رشد سریع از خطیّ به خط دیگر در سری­های طیف­ هیدروژن را توضیح دهیم. این ملاحظات دراین میان به‌طور روشن نشان داد که روش­های تقسیم­بندی حالات مانای نظام‌های اتمی آنقدر تکامل پیدا نکرده بود تا بتواند جزئیّات ظریف­تر این پدیده را توضیح دهد.

درست به این دلیل، در سال­های بعد با واردکردن اعداد کوانتومی که مؤلِّفه‌های تکان چرخشی و همچنین دیگر انتگرال­‌های کنش را معیّن می­کند، گام بزرگی به پیش آمدیم. این روش­ها را و. ویلسون برای نخستین بار در سال ۱۹۱۵ پیشنهاد کرده بود که خود آن‌ها را درمورد مسیر الکترونی در اتم هیدروژن به‌کار گرفته بود. امّا در پی این وضع، که بر اساس مکانیک نیوتونی، در این مورد هر مسیری کاملاً با بسامد دورانی­ای تناوب دارد که تابعی از انرژی کل نظام است، درآغاز هیچ اثر فیزیکی‌ تازه‌ای پیدا نشد. وابستگی جرم الکترونی به سرعت، که در مکانیک تازۀ اینشتین پیش­بینی شده است، این ناجوری حرکتی را می‌زداید و از راه چرخش آرام مداوم با کمترین فاصله در مسیر کپلر به تناوب ثانوی‌ای در مؤلّفه‌های هماهنگش می­رسد. همان­طورکه زومرفلد در نوشتۀ مشهورش در سال ۱۹۱۶ نشان داد، تقسیم مجزّای کوانتومی­ تکانه‌های چرخشی و کنش حرکت دورانی، توضیح مشروح ساختار ظریف مشاهده‌شدۀ خطوط در طیف­های اتم هیدروژن و یون هلیوم را ممکن می‌کند.

 زومرفلد و اپشتاین مطالعۀ خود از تأثیر میدان­های مغناطیسی و الکتریکی بر طیف هیدروژن را دنبال کردند. با به‌کارگیری استادانه از روش­های تقسیم کوانتومی چندتایی نظام‌های متناوب، آن‌ها در موقعیّتی قرار گرفتند تا با مطابقت کامل با مشاهده، آن جمله‌های طیفی‌ای را به‌دست آورند که ترکیب آن‌ها محوشدن خطوط هیدروژن را درپی خواهد داشت. سازگاری چنین روش­هایی با اصل ناوردایی بی‌درروی حالات مانا، که ارنست در سال ۱۹۱۴ صورتبندی کرده بود تا ضروریات ترمودینامیکی را سروسامان دهد، از این راه ممکن شد که انتگرال­های کنش، که اعداد کوانتومی به آن‌ها مرتبط می‌شود، با تغییر میدان خارجی، که در مقایسه با تناوب­های خاص نظام کند است، براساس مکانیک کلاسیک تغییر نکند.

دلایل دیگر بر ثمربخشی این روش‌ از راه کاربرد اصل تناظر به‌دست آمد که آن را بر آن تابشی به‌کار گرفتیم که از نظام‌های تناوبی چندتایی منتشر می‌شود، به‌طوری‌که توانستیم از آن‌ها به نتایج کیفی برای احتمالات نسبی درمورد فرایندهای مختلف گذار برسیم. این دیدگاه‌ها در همان آغاز با توضیح کرامر دربارۀ تغییرات به‌ظاهر دلخواه شدّت مؤلّفه‌های اثر اشتارک در خطوط هیدروژن تأیید نشد. به کمک افکاری مبتنی بر تناظر، حتّی این کار ممکن شد تا نبود برخی از انواع گذار در اتم­ به دیگر اتم‌ها را و حتّی فراتر از آن را توضیح دهیم، که آن‌چنان‌که روبی‌نویچ نشان داد، می‌توانست از راه کاربرد اصول پایستگی دربارۀ انرژی و تکان بر واکنش میان اتم و تابش مستثنی شود.

 درپی انباشت روزافزون مصالح تجربی درمورد ساختار طیف­های نوری پیچیده، و همچنین جستجوی روشمند قانونمندی ظریف در طیف­های با بسامد بالا به‌دست زیگ‌بان و همـکارانش، تقسیم­بنـدی حالات بستگی در اتم­ با چند الکترون­، پیوسته پیشرفت­های تازه‌ای می‌کرد. به‌خصوص مطالعۀ نوع و روشی که در آن حالات بنیادین اتم­ از راه بستگی پی‌درپی الکترون به هسته درست می‌شود، به توضیح تدریجی ساختار پوسته­ در پیکربندی اتم انجامید. با اینکه در زمان این توضیح، عناصر اساسی‌ای مانند اسپین الکترون هنوز ناشناخته بود، امّا ده سال پس از کشف رادرفورد از هستۀ اتم این امکان به‌وجود آمد تا به توضیحی موجز از بسیاری از شاخصه‌های چشم‌گیر تناوبی نظام مندلیف دست یابیم.

این پرداختن به مسئله هنوز از ریشه‌وبن نیمه‌تجربی بود، و این هم لازم بود روشن شود که بر توانایی بر تشریح جامع خواصّ شیمیایی و فیزیکی عناصر، به کژ‌رویی‌ای تمام‌عیار از مکانیک کلاسیک نیاز بود، تا اصل موضوعۀ کوانتومی بتواند در گرتۀ منطقی بی‌ابهامی مطالعه شود. ما به این پیشرفت کاملاً شناخته‌شده در وقت خود باز می‌گردیم، امّا حالا کار گزارش از خاطرات با رادرفورد را پی می‌گیریم.

VI

 آغاز جنگ جهانی اوّل گروه منچستر را تقریباً به تعطیل کشاند، امّا من خوش اقبال بودم و توانستم رابطۀ نزدیکم با رادرفورد را حفظ کنم که از من در اوایل سال ۱۹۱۴ دعوت کرده بود تا جانشین داروین و شوستر در کرسی درس فیزیک ریاضی شوم. همینکه اوایل پاییز به منچستر رسیدم، آنهم پس از سفری پرشور به دور اسکاتلند، چند دوست قدیمی­، که هنوز در آزمایشگاهشان مشغول به کار بودند، به من و همسرم به‌گرمی خوش‌آمد گفتند، زیراکه همکاران خارجی­شان آنجا را ترک کرده بودند و بسیاری از انگلیسی­ها هم خود را برای انجام خدمت سربازی معرّفی کرده بودند. رادرفورد و همسرش در آن زمان هنوز در آمریکا بودند، که پس از دیدار بستگانشان در نیوزیلند به آنجا رفته بودند، و به‌همین دلیل هم آنها چند هفته‌ای بعد به منچستر برگشتند، و ما هم همگی با آسودگی خیال و خوشحالی به آن‌ها خوش‌آمد گفتیم.

چندی نپایید که خود رادرفورد را برای انجام طرح‌های نظامی، به‌خصوص برای پیدا کردن روش­هایی برای ردّیابی صوتی قایق­های زیردریایی فراخواندند، به‌طوری‌که کار تدریس تقریباً با اوانس، مک‌آور و من بود. امّا رادرفورد بازهم فرصت پیدا می‌کرد تا کار ابتکاری خاصّ خود را، که پیش از پایان جنگ هم در آن موفقیّت‌های زیادی داشت، پی بگیرد، و مثل همیشه هم به کارهای همکارانش همان علاقۀ زیاد را نشان می‌داد. انتشار نوشته‌های مشهور فرانک و هرتس از آزمایش‌های خود دربارۀ تحریک اتم­ با ضربۀ الکترون در سال۱۹۱۴، برای مسئلۀ ساختمان اتم، محرّکی تازه به حساب می‌آمد.

 از یک سو، این آزمایش­ها بر روی بخار جیوه دلیلی بر انتقال پلّکانی انرژی در فرایندهای اتمی بود؛ و از سوی دیگر، مقدار انرژی یونیزه‌کننده برای اتم­های جیوه، که آزمایش­ها آن را به‌روشنی نشان می‌داد، کمتر از آن نصفی بود که ما براساس تفسیر طیف جیوه انتظار داشتیم. به‌همین دلیل بی‌رغبت هم نبودیم تا گمان کنیم که یونیزه‌شدنی که مشاهده شده است با ضربه‌های الکترون­ مستقیماً مرتبط نیست، بلکه درعین‌حال از اثر نوری‌ای که در الکترود به وجود می‌آید، بروز می‌کند که از راه تابش منتشر‌شده از اتم‌های جیوه در برگشت از حالت آغازین تحریک‌شده به حالت بنیادین پدیدار شده به‌وجود آمده است. با تشویق رادرفورد، من و ماکاور تصمیم گرفتیم این مسئله را روشن کنیم. برای این کار دستگاه کوارتز پیچیده‌ای با شبکه و الکترودهای مختلف را شیشه‌گر آلمانی‌ ماهری ساخت که پیشتر لوله­های چشم‌نواز پرتوهای آلفا-α را برای بررسی‌های رادرفورد از تشکیل هلیوم ساخته بود.

رادرفورد از سر بلندنظری کوشید تا اجازه‌نامه‌ای فراهم کند تا آن شیشه‌گر بتواند در زمان جنگ در انگلستان به کارش ادامه دهد، امّا طبع آن مرد، که چندان هم برای صنعت‌گرانی در حرفۀ او غیرمعمول نبود، و با حرف‌های فوق‌میهن‌پرستانه‌اش هم گاه غوغا می‌کرد، به اینجا انجامید که از طرف مأموران انگلیسی توقیف شود. همینکه دستگاه زیبای ما در حادثه‌ای که سرپیچش آتش گرفت، خراب شد، ما هم دیگر کمکی سراغ نداشتیم تا بتواند آن را بازسازی کند، و چون ماکاور هم کمی بعد خود را داوطلبانه به خدمت نظام معرفّی کرد، آن آزمایش­ها هم معطّل بر زمین ماند. نیازی هم نیست تا بگویم که این مسئله را با نتیجه­ای که از آن انتظار می‌رفت، دیویس و گاوچر کاملاً مستقلّ از ما در سال ۱۹۱۸ در نیویورک با آزمایش­های درخشان خود حلّ کردند. من کوشش­های بی­ثمرمان را تنها از این جهت یادآوری کردم تا به دشواری‌هایی اشاره کنم که آزمایشگاه منچستر در آن زمان با آن‌ها دست‌و‌پنجه نرم می‌کرد؛ این مشکلات شبیه به آن‌هایی است که خانم­ها باید در خانه­داری به آن‌ها بپردازند.

آن خوش­بینی رادرفورد، که هرگز تمامی نداشت، بر اطرافیانش تأثیری بسیار شوق‌برانگیز داشت. به یاد می­آورم که چگونه او به سبب شکستی جدّی در جنگ،  آن گفتۀ قدیمی منسوب به ناپلئون را، نقل می­کرد که با انگیسی‌ها نمی‌توان جنگید، چون اگر جنگ را ببازند، آنقدر کودن‌اند  که نمی­فهمند. خاطره‌ای زیبا و پرنتیجۀ دیگری هم برای من این بود که اجازه یافتم تا در بحث­های ماهیانۀ یکی از گروه­هایی که از دوستان شخصی رادرفورد بودند، شرکت کنم. اعضاء این گروه، الکساندر فیلسوف، تاوت مورّخ، الیوت انسان‌شناس، اسمیت و خایم وایزمن شیمی‌دان بودند که هم او سی سال بعد نخستین رئیس جمهور اسرائیل شد، و رادرفورد هم برای شخصیّت ممتازش احترام زیادی قائل بود.

خبر اندوه‌باری که برای همۀ ما در سال ۱۹۱۵ضربه‌ای سنگین بود، مرگ زودهنگام موزلی در میدان جنگ در گالیپولی بود. این رویداد جامعۀ فیزیک‌دانان را در همۀ دنیا عزادار کرد، و از همه بیشتر رادرفورد ناراحت بود که کوشیده بود تا او را به جایی در حبهه منتقل کند که در آنجا با خطر کمتری مواحه باشد.

من و همسرم در تابستان ۱۹۱۶ منچستر را ترک کردیم و به دانمارک برگشتیم، تا من در آنجا کرسی درس فیزیک نظری در دانشگاه دانمارک را برعهده بگیرم که به‌تازگی تأسیس شده بود. با وجود دشواری‌های فزاینده‌ای که در ارتباط پُستی وجود داشت، نامه­نگاری خود را با رادرفورد همچنان حفظ کردم. گزارش‌های من دربارۀ ادامۀ کارهایم در نمایاندن کلّی نظریّۀ کوانتومی ساختار اتم بود که پیشرفت در طبقه‌بندی حالات مانا، که پیشتر آن را ذکر کردم، انگیزه‌ای برایم بود. رادرفورد می­خواست بداند که چه خبرهای تازه‌ای از اروپا برای گفتن دارم، و علاقۀ خاصی هم به نخستین دیدار شخصی من با زومرفلد و ارنفست از خود نشان می‌داد. در نامه­هایش می‌نوشت که چگونه با وجود مشکلات زیاد و بار تعهدّاتش بازهم می‌کوشد تا مطالعاتش را در جهات گوناگون ادامه دهد. در پاییز سال ۱۹۱۶ از علاقه‌اش به برخی از نتایج شگفت‌انگیز دربارۀ جذب پرتوهای سخت γ نوشت که در لوله­های تحت ولتاژ بالا به‌وجود آمده بود، که در آن زمان تازه تولید شده بود.

در سال‌های بعد رادرفورد بیش از هر وقت دیگر به امکان رسیدن به تبدیلات هسته‌ای به‌کمک پرتوهای سریع α می‌پرداخت، و در نامه­ای هم به من در روز نهم دسامبر ۱۹۱۷ چنین نوشت:

گاهی این‌ور و آن‌ور نصف روز وقت پیدا می‌کنم تا بعضی از آزمایش­هایم را امتحان کنم و فکر می­کنم به نتایجی رسیده باشم که درنهایت بسیار اهمیّت دارد. ای‌کاش شما شما اینجا بودید تا می‌توانستیم باهم گفتگو کنیم. من در این آزمایش­ها کارم این است تا اتم‌های سبک‌تر را، که با ذرّات α به حرکت در می‌آورم، اثبات و شمارش کنم. گمان می­کنم این نتایج دربارۀ نوع و توزیع نیروها در نزدیکی هسته اطّلاعات تازه‌ای به‌دست دهد. سعی می­کنم با همین روش هم اتم را بشکافم. در یک مورد نتایج بسیار امیدوارکننده است؛ امّا بازهم باید بیشتر کار کنم تا به یقین برسم. کای هم به من کمک می­کند و همین حالا هم کارشناس شمارش است.

یک سال بعد، در روز ۱۷ نوامبر ۱۹۱۸، رادرفورد به‌شیوه‌ای که خاص خودش بود، از پیشرفت‌های دیگرش خبر داد:

ای‌کاش شما اینجا بودید تا می‌توانستیم دربارۀ اهمیّت برخی از نتایج از برخوردهای هسته‌ای باهم حرف بزنیم . من تاهمین حالا هم گمان می‌کنم به نتایج شگفتی رسیده­ام، امّا این کار هم مشکل است و هم وقت‌گیر تا بتوانم به دلایل مطمئنی برای نتیجه‌گیری برسم.  شمارش سوسوزنی‌های ضعیف برای چشم آدم‌های پیر سخت است، امّا در چهار سال گذشته به کمک­ کای توانستم در اوقات غیرمعمول قسمت بزرگی از کار را انجام دهم.

رادرفورد در نوشته‌های مشهورش در مجلّۀ فلسفه در سال ۱۹۱۹، که در آن‌ها  گزارشی از کشف بنیادینش از تبدیلات مهارشدۀ هسته اتم وجود دارد، به دیدارش از دوست دیرینه‌اش ارنست مارس‌دن در منچستر در نوامبر ۱۹۱۸ اشاره می­کند. مارس‌دن پس از آتش‌بس در فرانسه از خدمت سربازی مرخّصی می‌گیرد و به‌دلیل تجربۀ زیادش با آزمایش­ با سوسوزن‌ها، که در واپسین روزهای منچستر با همکاری گایگر انجام داده بود، و رادرفورد را به راه کشف هستۀ اتم برده بود، حالا به رادرفورد کمک می‌کرد تا بتواند برخی از ناهنحاری‌های ظاهری را در توزیع آماری پروتون­های سریع توضیح دهد که با بمباران با ازت با پرتوهای α آزاد می‌شد. هرچند مارس‌دن از منچستر به نیوزلند برگشت تا دوباره به کارهای دانشگاهی­اش بپردازد، امّا در همۀ سال‌های پیش‌رو با رادرفورد ارتباط بسیار نزدیک داشت.

وقتی در ژوئیّۀ ۱۹۱۹ پس از آتش‌بس دوباره اجازه سفر پیدا کردیم، به منچستر رفتم تا رادرفورد را ببینم. در همین هنگام بود که از دیگر جزئیّات کشف تازۀ بزرگ او در تبدیلات هسته­ای مهارشده یا به‌اصطلاح مصنوعی باخبر شدم، که او با انجام آن به آن چیزی زندگی داده بود که خود ازسر دلبستگی “کیمیاگری جدید” می‌نامید، کشفی که با گذر زمان اهمیّت بسیار بر چیرگی انسان بر نیروهای طبیعت می‌یافت. رادرفورد در آن زمان تقریباً در آزمایشگاهش تنها بود، و آن­طوری که از نامه­هایش پیداست، تنها کسی که کمکی در کارهای پژوهشی‌ بنیادینش بود، جز مارسدن که برای دیداری کوتاه نزد او آمده بود، دستیار وفادارش ویلیام کای بود که با مهربانی‌ و کمک‌حال‌بودنش طیّ سال­ها در آن آزمایشگاه محبّت همه را به‌دست آورده بود.در دیدارش با من، رادرفورد از تصمیم دشواری حرف زد که با آن روبرو بود تا به این پیشنهاد پاسخ دهد که کرسی استادی کاوندیش در کمبریج را بپذیرد که در آن زمان خالی بود، زیراکه جی. جی. تامسون بازنشسته شده بود. مسلّماً این تصمیم تا منچستر را پس از گذران سال‌های زیاد پرفایده ترک کند، چندان برایش کار آسانی نبود، امّا طبیعتاً هم ناگزیر بود تا به آن درخواست جواب بدهد و آن سلسلۀ بی‌مانند از کرسی‌های استادی کاوندیش را ادامه دهد.

Ⅶ

از همان آغاز کار در آزمایشگاه کاوندیش، رادرفورد شمار زیادی از پژوهشگران را به دور خود جمع کرد. یکی از این شخصیّت‌های بسیار بزرگ استون بود که سال­ها با جی‌. جی. تامسون کار کرده بود و در زمان جنگ کارش را با استفاده از روش طیف‌نگاری جرمی آغاز کرده بود که به اثبات وجود تقریباً همۀ ایزوتوپ­های عناصر می‌انجامید. این کشف که مدل اتمی رادرفورد را به‌درستی تأیید می­کرد، کاملاً هم دورازانتظار نبود. در همان آغاز کار در منچستر این نکته را فهمیده بودیم که بی‌نظمی‌های ظاهری در ترتیب وزن‌های اتمی عناصر، اگر این‌ عناصر را براساس خواصّ شیمیایی منظّم کنیم، نشانی به دست می‌دهد که نزد عناصر پایدار نمی‌توان از آن انتظار رابطه‌ای روشن میان بار و جرم هستۀ اتمی را داشته باشیم. رادرفورد در نامه­های ماه­ ژانویه و فوریۀ سال ۱۹۲۰ خوشحالی­اش از کارهای استون را ابراز می‌کند، و به‌خصوص دربارۀ ایزوتوپ­های کلر که به‌روشنی خصلت آماری انحراف اوزان اتمی از مقادیر درست را نشان می­داد. او حتّی ازسر شوخ‌طبعی به آن بحث‌های داغ اشاره می‌کند که در آزمایشگاه کاوندیش بر سر مزیّت‌های نسبی مدل­های اتمی گوناگون در گرفته بود که در پی کشف استون برانگیخته شده بود.

برای ادامۀ کار پیشرو شخصی رادرفورد دربارۀ ساختار و تبدیل هسته­های اتمی، و هم برای مدیریّت اداری آن آزمایشگاه بزرگ، حضور جیمز چادویک، که از گروه قدیمی منچستربود، و از همان ابتدا نزد او بود، کمک بزرگی به‌حساب می‌آمد؛ چادویک پس از حبسی طولانی در آلمان، جایی که به هنگام شروع جنگ جهانی با گایگر همکاری می‌کرد، دوباره نزد رادرفورد برگشته بود. در میان همکاران رادرفورد در اوّلین سال‌های کار کمبریج، بلاکت و الیس هم بودند که هر دو از خدمت سربازی برگشته بودند. الیس که در دوران حبس در آلمان هم‌رزم چادویک بود، در همانجا هم با راهنمایی او به‌ درس فیزیک وارد شده بود. جنب‌وجوش تازه در گروه کاوندیش زمانی پدیدار شد که چند سالی بعد کاپیتنرا به آنجا آمد، که طرح‌هایی ازسر تیزهوشی به‌خصوص دربارۀ ایجاد میدان­های مغناطیسی، با شدّت‌هایی که گمانش هم نمی‌رفت، با خود به همراه آورده بود. در این کار جان کوک‌کرافت هم به او کمک می‌کرد. او به‌خاطر آنکه ترکیبی یکتا از علم و دانش فنّی بود، همکار برجستۀ رادرفورد شد.

چارلز داروین که استعداد خود در ریاضیّات را طیّ سال‌ها کار در منچستر نشان داده بود، از همان آغاز به همراه رالف فاولر مسئولیّت کارهای نظری در آزمایشگاه کاوندیش را به‌عهده گرفت. این همکاری باعث پیشرفت­های خوبی در ترمودینامیک آماری و کاربرد آن در مسائل اخترفیزیک شد. همینکه داروین به ادین‌بورو رفت، فاولر که در این میان هم داماد رادرفورد شده بود، در آنجا ماند و تا جنگ جهانی دوم هم مشاور ارشد در کارهای نظری و استاد کمبریج باقی ماند. فاولر نه تنها با خوشحالی زیاد با آزمایشگاه کاوندیش همکاری داشت، بلکه خیلی زود هم بسیاری از شاگردان بااستعداد را پیدا کرد که تشویق‌های او برای آن‌ها راهگشا بود. در میان آن‌ها باید در درجۀ اوّل از لنارد جونز و هارتری نام برد که هردو به روش خود به پیشرفت فیزیک اتمی و فیزیک مولکولی کمک کردند، و به‌خصوص دیراک که از همان آغاز جوانی­، استعداد منطقی ممتاز خود را نشان داده بود.

 پس از آنکه در ۱۹۱۶ منچستر را ترک کردم، بی‌وقفه کوشیدم تا تجاربی را که در آزمایشگاه رادرفورد به‌دست آورده بودم به‌کار بندم، و با امتنان قلبی، پشتیبانی رادرفورد از سر مهربانی و از روی پشتکار را در خاطر داشتم که از همان آغاز نصیب کوشش‌های من می‌شد تا در کپنهاگ مؤسّسه‌ای برای پیشبرد همکاری‌های نزدیک میان فیزیک‌دانان تجربی و نظری بنیان نهم. برای من بسیار خوشحال کننده بود که رادرفورد در پاییز ۱۹۲۰، درست وقتی که ساختمان مؤسّسه نزدیک به آماده‌شدن بود، فرصتی برای دیدار در کپنهاگ پیدا کرد. دانشگاه کپنهاگ هم به پاس احترام، درجۀ دکتری افتخاری به او اعطاء کرد؛ به‌همین مناسبت هم رادرفورد نطقی بسیار پرشور و آکنده از شوخ‌طبعی ایراد کرد که همۀ حضّار تا مدّت­ها آن را در خاطر داشتند.

برای پیشبرد کار در مؤسّسه این نکته هم بسیار اهمیّت داشت که دوست دیرین من از روزگار منچستر، یعنی گئورگ هوشی، کمی پس از پایانجنگ به جمع ما پیوسته بود.در آن بیش از بیست سالی که در کپنهاگ بود، کارهای مشهور فیزیکی شیمیایی و زیست‌شناختی بسیاری انجام داد که به کمک روش نشانه‌گر با ایزوتوپ‌ها صورت گرفته بود. رویدادی خاص، که رادرفورد هم با علاقۀ زیاد در آن شرکت داشت، همان به‌کارگیری کوستر و هوشی از روش موزلی در ۱۹۲۲ بود که با کامیابی درپی آن عنصر ناشناخته‌ای برآمده بودند که امروز “هاف‌نیوم” نامیده می‌شود و خوّاصش از تفسیر نظام تناوبی عناصر بازهم پشتیبانی بیشتری می‌کرد. دیدار جیمسفرانک، که به مناسبت گشایش آزمایشگاه به اینجا آمده بود،آغازی نوید‌بخش بر کار تجربی عمومی بود که در ماه‌های پس از ورودش به همکاران دانمارکی‌اش به روشی خوب، فنّ ظریف تحریک طیف­های اتمی از راه ضربۀ الکترون را درس می‌داد که با همکاری گوستاو هرتس هوشمندانه آن را پیش برده بود.

نخستین فیزیک‌دان نظری، از میان فیزیک‌دانان برجسته که مدّت زیادی نزد ما ماندند، هانس کرامرز بود که چون مردی بسیار جوان در زمان جنگ از هلند به کپنهاک آمده بود. او در ده سالی که با ما کار می­کرد، فردی بسیار ارزشمند برای گروه ما به‌حساب می‌آمد، تا آنکه در سال ۱۹۲۶ از شغلش به‌عنوان استادیار در مؤسّسه کناره‌گیری کرد تا بتواند کرسی استادی در اوترشت را بر عهده بگیرد. اندکی پس از ورود کرامرز به کپنهاگ دو مرد جوان که نوید آینده‌ای بسیار روشن را می‌دادند، اسکار کلاین از سوئد و اسوِن روزلند از نروژ، نزد ما آمدند. این دو با اشاره به پیدایی ضربه‌هایی از نوع دوم، که با آن‌ها اتم­ را از راه بمباران با الکترون از حالت مانای بالا به حالت مانای پایین می­برد، در‌حالی‌که بر سرعت الکترون افزوده می‌شد، در همان سال ۱۹۲۰ مردانی صاحب‌نام بودند. پیدایی چنین فرایندهایی درواقع برای تضمین تعادل گرمایی بسیار مهم است، که مشابه با گذارهای تابش القایی است که در نتیجه‌گیری اینشتین از فرمول پلانک درمورد تابش حرارتی اهمیّت زیادی داشت. توجّه به ضربه‌های نوع دوم به‌خصوص بر توضیح خوّاص تابش از هواکرۀ ستارگان مهمّ بود؛ و این مسئله­ای بود که پیشتر ساها، که در کمبریج با فاولر کار کرده بود، دربارۀ آن پژوهش‌های مهمّی کرده بود.

به گروه ما در مؤسّسۀ کپنهاگ، در ۱۹۲۲ پاؤلی و دو سال پس از آن هایزنبرگ پیوستند، که هردو شاگرد زومرفلد بودند، و هرچند هنوز خیلی جوان بودند، کارهای بسیار عالی‌ای منتشر کرده بودند. وقتی در تابستان ۱۹۲۲ به گوتینگن رفته بودم تا در آنجا سخنرانی کنم، با آن‌ها آشنا شدم، به‌طوری‌که استعداد غیرمعمول آن‌ها بر من تأثیری عمیق گذاشت. ماندن من در گوتینگن سرآغاز همکاری‌ طولانی و ثمربخش گروه کپنهاگ با آن گروهی بود که دراینجا زیر نظر بورن و فرانک کار می‌کردند. روابط نزدیک ما با مرکز بزرگ کمبریج هم از همان آغاز رو به بهبود می‌رفت، به‌طوری‌که کسانی چون داروین،دیراک، فاولر، هارتری، موت و دیگران هم گاه اقامتی طولانی نزد ما داشتند.

Ⅷ

آن سال­هایی که طیّ آن‌ها همکاری بی‌مانند نسلی از همۀ فیزیک‌دانان نظری از بسیاری از کشورها، گام‌به‌گام، ‌کلیّت منطقی بی‌ابهام مکانیک کلاسیک و الکترودینامیک کلاسیک را آفریدند، آن سال‌ها را گاه دوران “حماسی” فیزیک کوانتومی می‌نامند. برای آن که این سیر را پی می‌گیرد، خاطره‌ای فراموش‌ناشدنی است تا شاهد این باشد که چگونه از راه آمیختگی جهات گوناگون حمله بایکدیگر با مدخلیّت روش‌های ریاضی مناسب، نمایی تازه از جمع تجربه‌های فیزیکی پدیدار شد. بسیاری از موانع می­بایست از میان برداشته می­شد، پیش از آنکه به مقصود برسیم و همیشه هم این طور بود که آن‌ها که میان ما از همه جوان‌تر بودند، به پیشرفت‌های مهمّی می‌رسیدند.

نقطۀ آغازین مشترک بر این کار این شناخت بود که با وجود کمک بزرگی که کاربرد تصاویر مکانیکی در تقسیم­بندی حالات مانای اتم‌هایی ارائه کرد، که در معرض نیروهای منفرد یا ثابت خارجی بود، آن‌طور‌که پیشتر گفتیم، اساساً بایستی در پی راه‌های تازه‌ای بر می‌آمدیم. بر این دشواری‌ها تنها به این دلیل افزوده نمی‌شد تا از ساختار الکترونی پیوندهای شیمیایی بر اساس مدل اتمی رادرفورد تصوّری نزد خود داشته باشیم، بلکه دشواری‌های بزرگی هم در هر تجربه‌ای پدیدار می‌شد که می‌کوشید پیچیدگی طیف‌های اتمی‌ای را هم در جزئیّاتش تشریح کند، که در دوگانگی خاصّ طیف قوس هلیوم به‌طور آشکار پدیدار می‌شد.

در نخستین گام در راه صورتبندی کلّی اصل تناظر به مسئلۀ پاشیدگی نور پرداخته شد. رابطه تنگاتنگ میان پاشیدگی اتمی و جذب گزینشی خطوط طیف، که با آزمایش­های ابتکاری آر. دبلیو. وود و پ. وی. بوان دربارۀ جذب و پاشیدگی بخارهای قلیایی به‌زیبایی نشان‌داده شد، از همان آغاز مطالعه‌ای براساس اصل تناظر را می‌طلبید. کرامرز در سال ۱۹۲۴با قبول صورتبندی اینشتین از قوانین آماری دربارۀ پیدایی گذارهای تابشی القاشده میان حالات مانای نظامی اتمی توانست فرمول پاشیدگی کلّی را مطرح کند که تنها انرژی این حالات و احتمال گذارهای به‌خودی‌خود میان آن‌ها را دربر داشت. این نظریّه، که کرامرز و هایزنبرگ به گسترش آن پرداختند،  حتی اثر پاشیدگی‌های تازه را به‌حساب می‌آورد. این اثرات به این نکته مرتبط بود که درپی تأثیر تابش، گذارهایی اضافی از تابش ممکن می‌شد که در اتم آسوده نمی­توانست پدیدار شود، و این آن چیزی است که مشابه آن در اثر رامان در طیف مولکولی وجود دارد.

اندکی بعد هایزنبرگ به پیشرفتی دست یافت که اهمیّتی اساسی داشت. او در سال ۱۹۲۵ فرمالیسم هوشمندانه‌ای را وارد کرد که در آن از هر استفاده‌ای از تصوّر از مدار که از تناظر مجانبی کلّی فراتر می‌رفت، پرهیز شده بود. این فکر جسور هرچند معادلات بندادی مکانیک در شکل ­هامیلتونی خود را حفظ می‌کند، امّا متغیّر مزدوج را با عملگرهایی جای‌گزین می‌کند که از الگوریتمی غیرجابه‌جایی اطاعت می‌کند، که در آن هم ثابت پلانک وجود دارد و هم نماد جذر ۱-. با نمایش کمیّت‌های مکانیکی با ماتریس­های هرمیتی، که عناصری دارد که به همۀ فرایندهای گذار ممکن میان حالات مانا مرتبط است، این امکان به وجود آمد تا بدون کمترین ‌دشواری‌ای انرژی این حالات و احتمال فرایندهای گذار مرتبط با آن‌ها را استخراج کنیم. این چنین مکانیک کوانتومی‌ای که از همان آغاز کسانی چون بورن و یوردان و همچنین دیراک بر آن کارهای مهمّی کردند، راه را بر مطالعۀ آماری بی‌ابهام بر بسیاری از مسائل اتمی گشود، که تا آن زمان تنها بر مطالعۀ نیمه‌تجربی گشوده بود.

در تکمیل این کار مهمّ، مشابهت صوری میان مکانیک و نور‌شناسی، که هامیلتون دراصل بر آن تأکید داشت، بسیار مفید و آموزنده بود. این مسئله سبب شد که لویی دو بروی در سال ۱۹۲۴ به مقایسۀ میان رفتار ذرّات آزاد و خصوصیّات فوتون­ها راه پیدا کند، به‌طوری‌که خود نشان داد که اعداد کوانتومی­ در دسته­بندی حالات مانا به کمک تصویرهای مکانیکی و تعداد گره­ها در مشخّص‌کردن امواج موجود در واسطه­های کشسانی کاری مشابه انجام می‌دهد. به‌خصوص اشارۀ او به این نکته روشن بود که سرعت ذرّات یک دسته موج از مؤلّفه‌هایی درست شده است که طول موج­های آن‌ها به یک فاصلۀ کوچک محدود می‌شود، به‌طوری‌که به هر یک از مؤلّفه‌ها برطبق رابطۀ اینشتین میان تکان فوتون و طول موج تابش متناظر با آن مقدار تکان معیّنی را می‌توان نسبت داد. و چنانچه می‌دانیم درستی این مقایسه خیلی زود با کشف دی‌ویسون و گرمر، و همچنین جورج تامسون، از پراکندگی گزینشی الکترون­ در بلور به‌طور قطعی تأیید شد.

نقطۀ اوج این دوره سال ۱۹۲۶ بود که در آن شرودینگر  مکانیک موجی مفصّل خود را ارائه کرد. در این مکانیک، حالات مانا به‌عنوان ویژه‌جواب‌های معادلۀ موجی بنیادینی درنظر گرفته می‌شود، که زمانی به آن‌ها می‌رسیم که به تابع هامیلتون یک نظام از ذرّات الکتریکی به‌عنوان یک عملگر دیفرانسیل بنگریم، که بر تابعی از مختصّه‌ها عمل می‌کند که پیکربندی نظام را تشریح می‌کند. این روش در اتم هیدروژن نه‌فقط به تعیین بسیار سادۀ انرژی­های حالات مانا ‌انجامید، بلکه شرودینگر این را هم نشان داد که برهم‌نهی دو ویژه‌جواب دلخواه با توزیع بار الکتریکی و جریان در اتم مطابقه دارد، که براساس الکترودینامیک کلاسیک سبب انتشار و جذب تشدیدی تابشی تک‌فام با بسامدی می‌شود که با یک خط در طیف هیدروژن منطبق است.                  

به‌همین روش، شرودینگر توانست برخی خصوصیّات مهمّ در پراکندگی تابش از راه اتم­ را توضیح دهد، یعنی به‌این‌ترتیب که او توزیع بار و جریان در اتمی را که با تابش ورودی مختل شده است چون نتیجۀ برهم‌نهی‌ای از ویژه‌تابع‌هایی می‌دانست که مقدار همۀ حالات مانای ممکن اتم مختل‌نشده را  تعریف می­کند. به‌خصوص استنتاج قوانین درمورد اثر کمپتون از این راه یقین زیاد بر‌انگیخت، به‌طوری‌که این اثر هرچند برای اینشتین کمکی بود تا به مفهوم فوتون در اصل برسد، در آغاز بر حلّ خود بر اساس تناظر دشواری‌هایی پدید آورد، یعنی آنگاه که می‌کوشیدیم تا پایستگی تکان و انرژی را از راه تقسیم به‌جزء آن فرایند به دو فرایند جدا ازهم مرتبط بدانیم، که یکی از راه جذب تابش و یکی از راه انتشار باشد، چیزی نظیر همان گذارهای تابش میان حالات مانای یک اتم در یک نظام.

شناخت از گسترۀ عظیم دلایلی که کاربرد از اصل برهم‌نهش را در خود دارد، به‌مانند هم آنچه در نظریّۀ میدان الکترومغناطیس کلاسیک وجود دارد، که تنها به‌طور ضمنی در صورتبندی ماتریسی مکانیک کوانتومی وجود دارد، گام مهمی در راه مطالعۀ مسائل اتمی بود. و البتّه از همان آغاز روشن بود که مکانیک موجی به تغییری در فهم فیزیکی کلاسیک نظر ندارد که کمتر از آن تغییری قاطع باشد که استنتاج شیوۀ تشریح آماری از اصل تناظر. خوب به یاد می­آورم که چگونه می‌کوشیدیم شرودینگر را، وقتی در سال ۱۹۲۶ در کپنهاگ به دیدار ما آمده بود، و با شوق دربارۀ کار زیبایش حرف می‌زد، قانع کنیم که هر راه‌حلّی که بخواهد خصلت فردی فرایندهای کوانتومی را نادیده بگیرد، نمی‌تواند معادلۀ بنیادین پلانک در تابش گرمایی را توضیح دهد.

بدون درنظرگرفتن مشابهت چشم‌گیر میان خصیصه‌های اساسی فرایندهای اتمی از یک سو، و مسائل کلاسیک تشدید از سوی دیگر، باید در نظر داشته باشتیم که در مکانیک موجی با توابعی سروکار داریم که به‌طورکلّی مقادیر واقعی را نمی­پذیرد، بلکه علی‌الاصول استفاده از نماد (جذر  ۱-)  را طلب می­کند، درست مانند ماتریس­های مکانیک کوانتومی. اگر به ساختار اتم­های با بیش از یک الکترون بنگریم، یا برخورد میان اتم­ و ذرّات باردار آزاد را در نظر بگیریم، توابع حالت را دیگر نمی‌توان در فضای معمول نشان داد، بلکه آن‌ها را فقط در فضای پیکربندی با ابعاد زیاد می‌توان نشان داد، مانند درجات آزادی که در کل نظام وجود دارد. شیوۀ آماری بنیادین پیش‌بینی‌های فیزیکی در مکانیک موجی سرانجام با پژوهش‌های هوشمندانۀ بورن دربارۀ مسئلۀ کلّی ضربه روشن شد.

هم‌ارزی محتوای فیزیکی هر دو صورت­گرایی ریاضی متفاوت بایکدیگر را نظریّۀ تبدیل، که دیراک آن را در کپنهاگ، و یوردان در گوتینگن، مستقّل ازیکدیگر، صورتبندی کرده بودند، کاملاً روشن می‌کرد. با این نظریّه امکان تبدیل متغیّرها در فیزیک کوانتومی به وجود آمد، چیزی شبیه به تبدیل‌هایی که از راه صورت متقارن معادلات حرکت در دینامیک کلاسیک، با صورتبندی بندادی هامیلتون پیشنهاد شده است. در صورتبندی الکترودینامیک کوانتومی هم با وضعی مشابه روبرو می‌شویم که شامل مفهوم فوتون است. دیراک هم به همین هدف با نظریّۀ کوانتومی تابش خود رسید که در آن با فازها و دامنه­های مؤلّفه‌های هماهنگ میدان مانند متغیّرهای غیرجابه‌جایی رفتار می‌شود. با کارهای عالی‌ای که پس از این یوردان، کلاین و ویگنر، ارائه دادند، این فرمالیسم، چنانچه می‌دانیم، با کار هایزنبرگ و پاؤلی به تمامیّت اساسی خود رسید.

نمونه‌ای عالی از توانایی و گسترۀ روش­­های ریاضی فیزیک کوانتومی را آن آمار کوانتومی شگفت دربارۀ نظام‌های با ذرّات همانند ارائه می‌دهد، یعنی آن جایی که با خصیصه‌هایی سروکار داریم که همانقدر در فیزیک کلاسیک غریب است که کوانتوم کنش. هر مسئله‌ای که به‌ضرورت کاربرد آمار اینشتین – بوزه یا دیراک– فرمی را طلب کند، اصولاً تشریحی روشن را غیرممکن می‌داند. و به‌خصوص این وضع راه را بر صورتبندی درست از اصل طرد پاؤلی هموار کرد که نه تنها آن توضیح نهایی بر  تناوبی‌بودن در جدول مندلیف را ارائه داد، بلکه افزون بر آن طی سال­ها تمربخش‌بودن خود را بر فهم از اکثر وجوه پرشمار ساختار اتمی ماده نشان داد.

کار اساسی در روشن‌کردن اصول آمار کوانتومی را هایزنبرگ در سال ۱۹۲۶ با توضیح هوشمندانه خود از دوگانه‌بودن طیف هلیوم ارایه داد. او نشان داد که سری حالات مانای اتم­های با دو الکترون از دو دسته درست شده است که آن‌ها را نمی‌توان با یکدیگر ترکیب کرد، و با توابع موجی فضایی متقارن و پادمتقارن مطابقت دارد، که با تنظیمات موازی ویا متقابل اسپین الکترون­ مرتبط است. اندکی پس از آن هایتلر و لاندن با همان روش سازوکار پیوند در مولکول هیدروژن را توضیح دادند، که با آن راه بر فهم پیوندهای شیمیایی هم‌قطب گشوده شد. و همان‌طور که موت نشان داد، حتّی فرمول مشهور رادرفورد دربارۀ پراکندگی ذرّات باردار از راه هسته‌های اتم، به‌ناچار تغییرات اساسی باید پیدا می‌کرد، درصورتی‌که می‌خواستیم آن فرمول را دربارۀ برخورد ذرّات همانی مانند پروتون و هسته­های هیدروژن یا ذرّات آلفا-α و هسته­های هلیوم بکار بریم. در آزمایش‌های واقعی بر پراکندگی ذرّات آلفای سریع در هسته­های سنگین، که رادرفورد از آن‌ها نتایج اصلی­اش را استنتاج کرد، بازهم در حوزۀ درستی مکانیک کلاسیک می‌مانیم.

 استفادۀ فزاینده از انتزاعات ریاضی – که هرچه بیشتروبیشتر پالایش شده بود – به‌منظور اطمینان‌یافتن از بی‌ابهام‌بودن تشریح پدیده‌های اتمی با نظریّۀ کوانتومی نسبیّتی دیراک درمورد الکترون موقّتاً به نقطۀ اوج خود در سال ۱۹۲۸ رسید. به‌این طریق مفهوم اسپین الکترون، که در مطالعۀ آن داروین و پاؤلی سهم بسیار زیادی داشتتند، به‌صورتی هماهنگ به تحلیل اسپینور دیراک افزوده شد. امّا نظریّۀ دیراک در درجۀ اوّل همراه با کشف اندرسون و بلاکت از پوزیترون، زمینۀ شناخت وجود پادذرّات با جرم مساوی و بار الکتریکی مخالف و جهت متقابل گشتاور مغناطیسی نسبت به محور اسپین را آماده کرد. ما در اینجا از قرارمعلوم با پیشرفتی سروکار داریم که به شیوه‌ای نو آن ایزوتروپی‌ای را در فضا و آن برگشت‌ناپذیری‌ای را در زمان دوباره برقرار کرده و گسترش داده است که از آنِ ستون‌های اصلی فیزیک کلاسیک است.

پیشرفت­های شگفت در شناخت ما از ساختار اتمی ماده و روش­هایی که با آن‌ها تجربیّات خود را می‌توانیم به‌دست ‌آوریم، و آن‌ها را جمع‌بندی کنیم ما را بسیار دورتر از حوزۀ جبرگرایی برد که نیوتون و ماکسول  آن را با شیوۀ تشریح خود به کمال  رسانده بودند. هنگامی که که این سیر کار را از نزدیک دنبال می­کردم، گاه این انگیزه را داشتم تا به تأثیر مسّلم کشف اولیّۀ هستۀ اتم رادرفورد بیندیشم که ما را در هر مرحلۀ پیشرفت در برابر چالشی صریح قرار می­داد.

IX

در آن سال­های بسیار پرثمری که رادرفورد بی‌خستگی­ در آزمایشگاه کاوندیش کار می‌کرد، من هم غالباً به کمبریج می­آمدم و به دعوت او سلسله درس‌هایی دربارۀ مسائل نظری پیشرفت نظریّۀ کوانتومی باتوجّه به نتایج شناخت‌شناسی نظری آن‌ها برگزار می‌کردم. و این هم برای ما دلگرمی‌ بزرگی بود تا دلبستگی پرشور و ذهن گشودۀ او را به چشم ببینیم که چگونه خود در آن پیشرفت‌هایی شریک بود که از حوزۀ پژوهشی‌ای که خود یافته بود بسیار فراتر می‌رفت، آنگونه که آن رشد باید ما را به آن سوی آن چشم‌اندازی راهبری می‌کرد که خود افق دید ما را در مراحل اوّلیّۀ پیشرفت محدود کرده بود.

درپی استفادۀ گسترده از روش­های ریاضی انتزاعی در کار بر روی مصالح تجربی دربارۀ پدیده‌های اتمی، که پیوسته رو به رشد داشت، تمامی مسئلۀ مشاهده درعمل هرچه بیشتر در صدر می‌آمد. این مسئله اساساً به همان اندازۀ خود علم فیزیک قدیم است. به‌همین سبب فیلسوفان یونان باستان که برای توضیح خصوصیّات ویژۀ مواد، قائل به تقسیم‌پذیری محدود هر ماده‌ای بودند، این امر را مسلّم می‌دانستند که زمختی حواس ما برای همیشه مانع آن شود تا بتوانیم تک‌تک اتم­ها را بی‌واسطه مشاهده کنیم. امّا این وضع امروز اساساً با ساخت دستگاه‌های تقویت‌کننده­ مانند اتاقک‌های ابر و شمارشگرها، که دراصل رادرفورد و گایگر خود برای انداه‌گیری شمار ذرّات آلفا-α و بار آن‌ها ساخته بودند، تغییر کرده است. پژوهش در دنیای اتم،­ چنان‌که دیدیم، خود محدودیّتی از شیوۀ تشریح را بر ما آشکار کرد، که خود ذاتی  کاربرد متعارف از زبان است که به ما در کار اطّلاع از محیط خود و تشریح رویدادهای زندگی روزانه کمک می­کند.

می­توان گفت که هدف آزمایش فیزیکی این است تا از طبیعت سؤال کنیم؛ و این همان پرسشی است که با نظر رادرفورد کاملاً هماهنگ است. امّا رادرفورد کامیابی خود در راه حلّ این مسئله را در گرو شهود خود می‌دانست، به‌گونه‌ای که او پرسش‌های خود را آن‌طور مطرح می‌کرد که سودمندترین پاسخ‌ها را به‌دست می‌داد. اگر قرار باشد طرح سؤال، دانش کلّی ما را وسعت بخشد، پس باید طبیعتاً هم خواستار آن باشیم که هم ثبت مشاهدات و  ساختار دستگاه‌ها و هم استفاده از  آن‌ها، که در تعیین شرایط آزمایش به کار می‌رود، به زبان متعارف تشریح شود. در آزمایش­های عملی فیزیکی این خواسته کاملاً محقّق است، زیراکه آرایش تجربی را از راه استفاده از اشیایی مانند حائل‌ها، و صفحه‌های عکّاسی معیّن می‌کنیم که آن­قدر بزرگ و سنگین است که کار با آن‌ها را می‌توان با مفاهیم فیزیک کلاسیک تشریح کرد، هرچندکه مسلّماً خصوصیّات آن مصالح، که ابزارهای ما، مانند بدن ما، از آن‌ها ساخته شده­است، اساساً وابسته به خصوصیّات و پایداری نظام‌های اتمی است که آن‌ها از آن درست شده است و تن به چنین تشریحی نمی‌دهد.

تشریح تجربه‌های کلّی تنها تقسیم­پذیری نامحدود سیر فضازمانی پدیده­ها را پیش‌شرط قرار نمی‌دهد، بلکه به رابطۀ همۀ مراحل آن‌ها هم در توالی بی‌وقفۀ علّت و معلولی نظر دارد. این دیدگاه دست‌آخر بر ظرافت اعضاء حسّی ما استوار است که برای درک تنها به برهم‌کنشی با اشیاء مورد آزمایش نیاز دارد که آن به‌قدری کوچک است که در شرایط معمول بدون تأثیر زیاد بر سیر اشیاء است. در بنای مفاهیم فیزیک کلاسیک این امرواقع بیان آرمانی خود را در این فرض می­یابد که می‌توان از برهم‌کنش میان شیء و دستگاه‌های مشاهده چشم‌پوشی یا آن را جیران کرد.

خصلت کلیّت که با اثر کوانتومی به‌صورت نمادین نشان داده می‌شود و با اصول فیزیک کلاسیک به‌کلّی بیگانه است، امّا این نتیجه را هم به‌بار می‌آورد که در مطالعۀ فرایندهای کوانتومی هر بررسی تجربی‌ای برهم‌کنشی میان شیء اتمی و دستگاه­های اندازه‌گیری را درخود نهان دارد – هرچند پراهمیّت در کار مشخّص‌کردن پدیده‌ها -، که تن به محاسبۀ خاصّی نمی‌دهد – اگر آزمایش بخواهد  هدف خود را محقّق کند، یعنی پاسخ‌های روشنی به پرسش‌های ما بدهد. در حقیقت شناخت این وضعیّت ما را ملزم می‌کند تا به شیوۀ تشریح آماری، باتوجّه به انتظار ما از پیدایی اثرات کوانتومی فردی در یک و در همان آرایش تجربی، پناه ببریم، و آن تناقض ظاهری‌ای را حلّ می‌کند که میان پدیده­هایی مشاهده می‌شود که ذیل شرایط آزمایشی‌ای اجرا می‌شود که یکدیگر را نفی می‌کند. هرقدر که این پدیده­ها در بدوامر متناقض بایکدیگر به‌نظر رسد، باید بر ما روشن باشد که آنها مکمّل یکدیگر است، به این معنی که همگی آن نتایجی را دربارۀ اشیاء اتمی استخراج می­کند که با زبان معمول می‌تواند بیان ­شود.

مفهوم مکملیّت الزام به صرف‌نظرکردن از تحلیلی جامع را در خود ندارد که گسترۀ پرسش‌های ما را محدود کند، بلکه فقط بر خصلت تشریحی عینی، مستقلّ از داوری ذهنی در همۀ آن حوزه­های تجربی تأکید دارد که در آنجا هر اطّلاع روشنی علی‌الاصول درنظرگرفتن آن شرایطی را ضروری می‌کند که ذیل آن‌ها آن نتایج به‌دست آمده است. از نظر منطقی، چنین وضعی، چنانچه مشهور است، از بحث­‌ در مسائل روان‌شناسی و جامعه­شناسی برمی‌خیزد که از سپیده‌دم پیدایی زبان، بسیاری از حرف‌ها در آن به معنای مکمّلی به‌کار رفته است. مسلّم است که در اینجا گاه با خصوصیّاتی سروکار داریم که تن به تحلیل کمّی نمی‌دهد، در حالی‌که آنچه خاصّ علوم دقیقه است کارش این است تا طبق برنامۀ گالیله هر تشریحی را بر اندازه­گیری‌های معیّن استوار کند.

با اینکه ریاضیات همیشه وسیله کمکی خوبی  بر انجام چنین کاری بوده است، باید بر ما این نکته روشن باشد که تعریف نمادهای ریاضی و عملیّات با آن‌ها بر استفادۀ ساده منطقی از زبان محاوره استوار است. ریاضیات را نباید یکی از شاخه­های علم دانست که بر مجموعه­ای از معلومات استوار است که از تجربه آغاز می‌کند، بلکه باید آن را چون پالایشی از زبان روزمرّه­ دانست که این آن معلومات را با وسایل مناسب برای نمایاندن مهیّا می‌کند، به‌طوری‌که شیوۀ بیان معمول با استفاده از کلمات هم بسیار نادرست از کار در می‌آید و هم بسیار دشوار. درست‌تر بگوییم که فرمالیسم ریاضی در مکانیک کوانتومی یا الکترودینامیک فقط قواعد محاسبه را در اختیار ما می­گذارد که در استنتاج انتظاراتی از مشاهداتی استفاده می‌شود که ذیل شرایط تجربی کاملاً مشخّص به دست آمده است و با مفاهیم فیزیک کلاسیک به‌درستی می‌تواند تشریح شود. خصلت جامع این تشریح فقط به این آزادی‌ که فرمالیسم ارائه می‌دهد بستگی ندارد تا این شرایط را به هر شیوۀ ممکن برگزینیم، بلکه به‌همان اندازه وابسته به این واقعیّت است که حتّی تعریف پدیده­‌های موضوع مشاهده برای تکمیل خود عنصری از بازگشت‌ناپذیری در سیر مشاهده را در خود نهان دارد که خود دراساس بر خصلت برگشت‌ناپذیزی مفهوم مشاهده تأکید دارد.

همۀ تناقضات تشریحی مکمّلی در مکانیک کوانتومی را طبیعتاً از همان آغاز بی‌ابهام‌بودن منطقی گرتۀ ریاضی منتفی می‌کرد، که باید هر خواستۀ مکملیّت را برآورده می‌کرد. این شناخت از آزادی متقابل در تعیین دو متغیّر بندادی مضاعف دلخواه، آن‌چنان‌که در صورتبندی هایزنبرگ از اصل عدم قطعیّت در سال ۱۹۲۷ بیان می‌شود، گامی نبود که اهمیّتی کمتر در روشن‌کردن مسئلۀ انداه‌گیری در مکانیک کوانتومی داشته باشد. در اینجا درواقع این نکته روشن شد که نمابش صوری مقادیر فیزیکی با عملگرهایی که تعویض‌پذیر نیست یکسره روابط طرد متقابل در عملیّاتی را بازتاب می‌دهد که به کمک آن‌ها مقادیر فیزیکی مربوطه را می‌توان تشریح و اندازه­گیری کرد.

 برای آنکه با این وضع‌واقع بیشتر آشنا شویم ناگزیر شدیم شمار زیادی نمونه­ بر چنین استدلالی ارائه دهیم. بدون توجّه به اهمیّت کلّی اصل برهم‌نهش در فیزیک کوانتومی، راهنمای مهمّ ما همواره در مطالعۀ دقیق‌تر مسئلۀ مشاهده  تحلیل کلاسیک ری‌لای از رابطۀ متقابل میان دقّت تصویر به‌دست آمده در میکروسکوپ و قدرت تفکیک ابزارهای طیف‌نگاری بود. در این مورد، تسلّط استادانۀ داروین بر روش­های فیزیکی -ریاضی گاه چندان کمتر هم پرفایده نبود.

با همۀ احترامی که برای پلانک از گزینش او در کلمات در ورود به مفهوم “کوانتوم عام کنش” یا برای ارزشی که پیشنهاد او در طرح فکر  «اسپین داخلی» دارد، قائلیم، نباید از نظر دور بداریم که چنین مفاهیمی تنها به روابط میان نتایج معیّن آزمایش باز می‌گردد، که آن‌ها را نمی‌توان در چارچوب شیوۀ تشریح کلاسیک جمع‌بندی کرد. اعدادی که مقادیر کوانتوم یا اسپین را با واحدهای متعارف فیزیکی بیان می‌کند، به اندازه­گیری­های مستقیم کنش‌های مشخّص کلاسیک یا تکان‌های چرخشی باز نمی‌گردد، بلکه آن‌ها را تنها از نظر منطقی با استفادۀ بی‌ابهام از فرمالیسم ریاضی مکانیک کوانتومی می‌توان توضیح داد. به‌ویژه ممکن‌نبودن اندازه‌گیری گشتاور مغناطیسی الکترونی آزاد، که بسیار دربارۀ آن بحث شده است، به‌کمک مغناطیس‌سنج معمول، به‌طور غیرمستقیم نشانی روشن مبتنی بر این واقعیّت است که در نظریّۀ دیراک اسپین و گشتاور مغناطیسی تنها بر تغییری در معادلۀ بنیادی حرکت هامیلتون استوار نیست، بلکه نتیجه‌ای از خصیصۀ شگفت تعویض‌ناپذیری در حساب عملگرهاست.

پرسش دربارۀ تفسیر درست مفاهیم مکملیّت و عدم قطعیّت، بدون بحث­های پرشور، به‌ویژه در اجلاس سولوی در سال­های ۱۹۲۷ و ۱۹۳۰،  ممکن نشد. در این نشست­ها، اینشتین با نفد خود از سر تیزبینی با ما به مبارزه برخاست، به‌طوری‌که این نقد در درجۀ اوّل انگیزه‌ای بر این کار شد تا تحلیل درست‌تری از کار ابزارها در جریان اندازه­گیری به‌دست دهیم. نکته‌ای مهمّ که امکان برگشت به تشریح روشن علّی را به‌قطع رد کرد، این شناخت بود که گسترۀ کاربردی بی‌ابهام از قوانین کلّی پایستگی ضربه و انرژی را به‌طور طبیعی آن وضعی محدود می‌کند که هر آرایش تجربی که تعیین مکان اشیاء اتمی در فضا و زمان را مجاز بداند، به‌طور اصولی انتقال مهارنشدنی تکان و انرژی را با مقیاس‌های ثابت بر روی دستگاه و ساعت­های تنظیم‌شده با آن در خود نهان دارد که آن‌ها بر تعریف نظام ارجاع به‌ناچار ضروری است. تفسیر فیزیکی صورتبندی نسبیّتی نظریّۀ کوانتومی سرانجام بر این امکان استوار است تا همۀ خواسته­های نظریّۀ نسبیّت در تشریح از استفادۀ دستگاه­های اندازه­گیری ماکروسکوپیکی را برآورده کند.

این وضع به‌خصوص در بحث دربارۀ اندازه­‌پذیری مقادیر میدان الکترومغناطیسی پدیدار شد، که لانداو و پایرلس آن را دلیلی جدّی برضدّ بی‌تناقض‌بودن نظریّۀ مکانیک کوانتومی مطرح کردند. بررسی‌های مفصّل در کاری مشترک با روزنفلد درعمل نشان داد که همۀ پیش‌بینی‌های مرتبط با این نظریّه می‌تواند برآورده شود، مشروط برآنکه طرد متقابل تعیین اندازۀ مقادیر الکتریکی و مغناطیسی میدان را و مشخّص‌کردن ترکیب فوتون‌های میدان را بجا مدّ نظر قرار دهیم. به وضعی مشابه در نظریّۀ پوزیترون بر می‌خوریم که در آن، هر آرایش تجربی مناسب در اندازه­گیری توزیع بار در فضا ضرورتاً سبب پیدایی مهارنشدنی زوج‌های الکترون­ می­شود.

خصیصه‌های نوعی میدان­های الکترومغناطیسی بستگی به خط‌کش‌های معیار ندارد، زیرا هردو ثابت­اصلی – سرعت نور c و اثر کوانتوم h– تعیین کمیّت‌هایی با بعد «طول» یا «زمان» را مجاز نمی‌دارد. نظریّۀ الکترونی نسبیّتی امّا بار e  و جرم m  الکترون را دربر دارد و خصیصه‌های مهمّ پدیده‌ها به امتداد فضایی‌ای از مرتبۀ  h/mc محدود می­شود. این واقعیّت که این طول هنوز در مقایسه با آنچه «شعاع الکترون»e²/mc²  می ‌نامیم بزرگ‌تر است، که خود کاربرد روشن از مفاهیم در نظریّۀ الکترومغناطیس کلاسیک را محدود می‌کند، این فرض را پیش می‌کشد که هنوز هم بر درستی  الکترودینامیک کوانتومی جایی باقی می‌ماند، هرجندکه بسیاری از نتایج آن در آزمایش­های عملی با دستگاه­های اندازه‌گیری­ای که آنقدر بزرگ است که می‌تواند اجازۀ صرف‌نظر کردن عنصر آماری در ساختمان آن و استفادۀ آن را بدهد، بررسی نشده­است. مسلّم است که چنین دشواری‌هایی مانعی است تا برهم‌کنش‌های تنگاتنگ میان ذرّات اصلی ماده را بررسی کنیم که شمار آن‌ها با کشفیّات نو به‌طور اساسی افزایش یافته­است. در پژوهش دربارۀ برهم‌کنش‌های آن‌ها به‌همین سبب باید بر شیوۀ تشریحی تازه‌ای تمرکز کنیم که از چارچوب مکانیک کوانتومی امروزی بازهم فراتر می‌رود.

لازم به یادآوری نیست که چنین مسائلی در تشریح خصوصیّات شیمیایی و فیزیکی معمول مواد براساس مدل اتمی رادرفورد پدیدار نمی­شود، که در تحلیل آن‌ها تنها از خصوصیّات مشخّص کاملاً معیّن ذرّات، که اتم از آن‌ها درست شده است، استفاده می‌شود. در اینجا تشریح مکمّلی عملاً مطالعۀ مناسب از مسئلۀ پایداری اتم را ممکن می­کند که از همان آغاز با آن رودررو بودیم. به‌همین دلیل توضیح قوانین طیفی و پیوندهای شیمیایی به شرایط آزمایشی‌ای اشاره دارد که در رابطه‌ای بر اساس طرد متقابل بایکدیگر قرار دارد، به‌طوری‌که بازبینی دقیق از مکان و جابه‌جایی الکترون­های منفرد در نظام اتمی را مجاز می‌دارد.

در اینجا برای ما بسیار مهمّ است که بدانیم، کاربرد سودمند فرمول­های ساختاری در شیمی منحصراً و تنها براین واقعیّت استوار است که هسته­های اتم بسیار سنگین­تر از الکترون‌هایی است تا از راه آن‌ها از عدم‌قطعیّت در مکان هسته درمقایسه با ابعاد مولکولی بتوان صرف‌نظر کرد. با نگاهی به سیر پیشرفت­های گذشته درمی‌یابیم که این کشف که جرم اتم در حوزه­ای متمرکز است که در مقایسه با گسترۀ آن بسیار کوچک است، در حقیقت کلیدی بر فهم حوزۀ تجربی بسیار گسترده‌ای بوده است که هم ساختار بلوری اجسام صلب و هم نظام‌های مولکولی پیچیده را دربرمی­گیرد که حامل خصوصیّات ارثی ارگانیسم‌های زنده است.

روش­های نظریّۀ کوانتومی چنانچه می‌دانیم در توضیح بسیاری از مسائل مربوط به ساختار و پایداری هستۀ اتم سهم بسیار زیادی داشته است. به برخی از وجوه چنین مسائلی که زودهنگام کشف شده بود، در فرصتی که می­خواهم نقل از خاطراتم از رادرفورد را پی بگیرم اشاره خواهم کرد. امّا این کار هم شاید از چارچوب این درس یادبود فراتر رود، اگر بکوشم تشریحی مفصّل از دیدگاهی که باشتاب روبه‌رشد دارد از ساختار درونی هستۀ اتم به‌دست دهم، که با کار نسل امروزی فیزیک‌دانان تجربی و نظری به‌وجود آمده است. این پیشرفت کهن‌سالانی را که در میان ما هستند به یاد توضیح تدریجی ساختار الکترونی اتم در نخستین دهه‌های پس از کشف بنیادین رادرفورد می­اندازد.

X

هر فیزیک‌دانی مسلّماً آن سلسله از پژوهش‌های عالی چشم‌گیری را می­شناسند که رادرفورد با آن‌ها، تا واپسین لحظۀ عمر خود، دانش ما از خصوصیّات و ساختار هستۀ اتم را بارورتر کرد. به‌این دلیل می­خواهم در اینجا تنها برخی از خاطرات خود از آن دهه‌هایی را ذکر کنم که طیّ آن‌ها بیشتر فرصت داشتم تا کارم در آزمایشگاه کاوندیش را دنبال کنم و در گفتگوهای خود با او، با افکارش، و با مسائلی که او و همکارانش را به خود مشغول کرده بود، آشنا شدم.

رادرفورد با شهود ژرفی که داشت پیش‌هنگام مسائل تازه و شگفتی را درک می­کرد که وجود و پایداری هسته­های مرکّب مطرح می­کرد. از همان زمانی که در منچستر بود، به این موضوع اشاره می­کرد که هر راه‌حلّی بر این مسائل فرض نیروهای با بُرد کوتاه میان اجزاء ساختاری هسته را پیش می‌کشد که اساساً از نوع دیگری است که با نیروهای الکتریکی که میان ذرّات باردار دست اندر کار دارد فرق می‌کند. او با این قصد تا نیروهای خاصّ درون هسته را بکاود، در اوّلین سال‌های ورود به کمبریج به همراه چادویک به پژوهش‌های بنیادی دربارۀ پراکندگی بی‌هنجار پرتوهای آلفا-α به هنگام برخورد با هسته­ ‌پرداخت.

هرچند این پژوهش‌ها مصالح تازۀ بسیار مهمّی ارائه داد، امّا این عقیده بیش‌ازپیش قوّت می‌گرفت که برای مطالعۀ جامع‌تر مسائل هسته­ای چشمه‌های طبیعی پرتوهای آلفا-α کافی نیست و شاید مطلوب این باشد تا ذرّاتی با انرژی زیاد را که از یون‌هایی از راه شتاب مصنوعی به‌دست آمده باشد، دراختیار بگیریم. اگرچه چادویک پافشاری می‌کرد تا به فکر ساخت شتاب‌دهندۀ مناسب باشیم، رادرفورد چندین سال درنگ کرد، زیرا نمی­خواست آزمایشگاهش به چنین کار پرخرج و بزرگی بپردازد. این نظر رادرفورد کاملاً درست بود، اگر آن نتایج عظیمی را درنظر بیاوریم که او تا آن زمان با وسایل کمکی تجربی بسیار کم‌خرج خود به‌دست آورده بود. این کار که بخواهیم با چشمۀ تابش‌های پرتوزای طبیعی رقابت کنیم، در آن زمان به‌یقین بسیار باورنکردنی می‌آمد. امّا درپی پیشرفت‌های نظریّۀ کوانتومی و نخستین کاربرد آن در مسائل هسته‌ای، این دیدگاه­ها هم تغییر کرد.

رادرفورد خود در سال ۱۹۲۰ در دومین درس بیکر به مشکلاتی اشاره کرده بود که تفسیر گسیل پرتوهای آلفا –α از هسته­ بر پایۀ تصوّر مکانیکی ساده‌ای با خود همراه داشت. این تصوّر در توضیح پراکندگی ذرّات آلفا-α در هسته­ بسیار سودمند می‌نمود، زیرا سرعت ذرّات  گریخته‌ازمرکز  آنقدر بزرگ نبود تا بتواند با غلبه بر دافعۀ الکتریکی ازنو در هسته­ وارد شود. این امکان که ذرات می‌تواند از مانع پتانسیلی رد شود، خیلی زود نتیجه­ای از مکانیک موجی به‌حساب آمد؛ در سال ۱۹۲۸، گاموف در گوتینگن و کوندون و گرنی در پرینستون بر همین اساس توضیحی کلّی بر واپاشی آلفا-α پیدا کردند. آن‌ها حتّی توانستند رابطۀ میان طول عمر هسته و انرژی جنبشی ذرات آلفا-α منتشرشده را با همۀ جزئیّات آن به‌دست آورند که گایگر و ناتول در همان زمان­های آغازین کار در منچستر به‌طور تجربی پیدا کرده بودند.

هنگامی که گاموف در تابستان ۱۹۲۸ نزد ما به کپنهاک آمد، به کار پژوهش دربارۀ واردشدن ذرّات باردار به داخل هسته­ از راه اثر تونل برعکس می‌پرداخت. او این کار را در گوینتگن آغاز کرده بود و با هوترمانس و ات‌کینسون هم در این باره بحث کرده بود، به‌طوری‌که این دو به این نتیجه رسیده بودند که شاید چشمۀ انرژی خورشید را بتوان به تبدیلات هسته­ای مربوط دانست که از برخورد فوتون­ها در سرعت­های حرارتی زیاد به وجود می­آید که بنا بر نظر ادینگتون این چشمه در درون خورشید است.

گاموف در دیدار کوتاهش در ماه اکتبر سال ۱۹۲۸ از کمبریج، از انتظارات تجربی‌اش،که برآمده از تفکّرات نظری­اش بود، با کوک‌کرافت حرف زده بود که خود با برآوردهای مفصّلش به این امکان یقین پیدا کرده بود که اگر پروتو­هایی به هسته­های سبک شلیک کنیم که انرژی‌ای بسیار کمتر از انرژی ذرّات آلفا-α از مواد پرتوزای طبیعی داشته باشد، می­توان اثرهای مشاهده­‌پذیری به‌دست آورد. امّا از آنجایی که نتیجۀ این کار بسیار نویدبخش می‌نمود، رادرفورد با این پیشنهاد کوک‌کرافت موافقت کرد تا شتاب‌دهنده‌ای با ولتاژ بالا برای چنین آزمایش­هایی بسازند. کوک‌کرافت در اواخر سال ۱۹۲۸ شروع به ساخت دستگاه کرد و کارش را با والتون تا سال بعد ادامه داد. نخستین آزمایش‌های آن‌ها که در ماه مارس ۱۹۳۰ با پروتون‌های شتاب‌دار آغاز شد، ‌نتیجه­ای نداد، درحالی‌که در پی پرتوهای گاما-γ بودند، که باید به‌عنوان نتیجه برهم‌کنش پروتون­ها با هسته­هایی که پروتون به آن‌ها شلیک شده است، به‌دست می‌آمد. امّا دستگاه را می­بایستی از هم باز می‌کردند، چون محّل آزمایشگاه عوض می­شد؛ و چنانچه می‌دانیم در ماه مارس ۱۹۳۲ تولید ذرّات آلفای-α سریع با شلیک پروتون به هستۀ لیتیوم میسّر شد.

این آزمایش­ها مرحلۀ تازه‌ای با نتایج بسیار مهمّی را گشود، زیرا طیّ آن هم شناخت ما از واکنش­های هسته­ای و هم تسلّط ما به فنّاوری شتاب‌دهنده‌ها سال‌به‌سال به سرعت افزایش می­یافت. نخستین آزمایش­های کوک‌کرافت و والتون به نتایجی رسید که ازهرنظر بسیار مهمّ بود. این نتایج نه تنها پیش­بینی‌های نظریّۀ کوانتومی دربارۀ وابستگی مقطع واکنش‌ها از انرژی پروتون‌ها را جزء‌به‌جزء تأیید می‌کرد، بلکه رابطۀ میان انرژی جنبشی پرتوهای آلفا -α گسیل‌شده و جرم­ ذرّات فعّال را نشان می‌داد که در آن زمان به‌سب کار هوشمندانۀ آستون در ساخت طیف‌نگار جرمی، که دقّت کافی هم داشت، ممکن شد. این دلیل درواقع نخستین بررسی تجربی رابطۀ مشهور اینشتین میان انرژی و جرم بود که او خود سال­ها پیش براساس دلایل مبتنی بر نسبیّت به آن‌ها رسیده بود. در اینجا لازم نیست تا اهمیّت این رابطه در پیشرفت­های بعدی تحقیقات هسته­ای را یادآوری کنیم.

داستان کشف چادویک از نوترون هم همین ویژگی‌های هیجان‌برانگیز را داشت. این نکته هم مشخّصۀ اشراف گستردۀ رادرفورد است که پیش‌هنگام به وجود جزء سنگین ساختاری خنثایی در هسته پی برده بود که جرمش نزدیک جرم پروتون بود. اندک‌اندک هم روشن شد که این فکر درواقع کشف آستون از ایزوتوپ­های همۀ عناصر با جرم اتمی‌ای را، که به‌تقریبی مضربی از جرم اتمی هیدروژن است، می‌تواند توضیح دهد. رادرفورد و چادویک با مطالعات گوناگون خود از تبدیلات هسته­ای که  پرتو-α سبب شده بود، به جستجوی گستردۀ دربارۀ دلایلی بر وجود چنین ذرّه­ای برآمدند. این مسئله امّا با مشاهدات بوته و ژولیو- کوری از  پرتوی نافذ به‌عنوان نتیجه‌ای از بمباران بریلیوم با ذرّات آلفا-α به اوج خود رسید. درآغاز چنین فرض ‌می‌شد که این پرتو از جنس پرتو گاماست، امّا چادویک به سبب آشنایی زیادش با وجوه گوناگون پدیده­های تابش به‌روشنی دریافت که این نتایج تجربی با این فرض سازگار نیست.

 برپایۀ تحقیقی استادانه­، که شماری از خصیصه‌های تازۀ پدیده­ها را آشکار می‌کرد، چادویک درواقع نشان داد که در اینجا با تبادل انرژی و ضربه از راه ذرّۀ خنثایی سروکار داریم که جرم آن طبق اندازه­گیری­های خودش کمتر از  ۱/۱۰۰۰ با جرم پروتون تفاوت داشت. سادگی‌ای که نوترون­- در مقایسه با ذرّات باردار- داشت تا از مادّه عبور کند، و بی‌آنکه انرژی‌ای به الکترون‌ها منتقل شود، در هستۀ اتم نفوذ کند، بر کشف چادویک این امکانات زیاد را گشود تا انواع تازه‌ای از تبدیلات هسته­ای را به وجود آورد. برخی از موارد بسیار چشم‌گیر چنین اثرات تازه‌ای را فدر خیلی زود در آزمایشگاه کاوندیش نشان داد، به‌طوری‌که از عکس­های خود در اتاقک ویلسون هسته‌هایی از ازت را یافت، که پس از بمباران با نوترون با گسیل ذرّات آلفا-α دچار واپاشی شده بود. و چنانچه می‌دانیم، مطالعات بیشتری که در بسیاری از دیگر آزمایشگاه­ها با همین روش‌ها انجام شد به‌سرعت بر شناخت ما از ساختار هسته و فرایند تبدیلات هسته‌ای افزود.

 در اوایل سال ۱۹۳۲، به‌رسم معمول هر ساله، اجلاسی در مؤسّسۀ کپنهاگ برگزار کردیم که سبب خوشحالی ما شد، چون بسیاری از همکاران پیشین خود را دور هم جمع کرده بودیم. بحث­ها هم طبیعتاً همگی دربارۀ کشف نوترون بود و یکی از نکات اصلی بحث هم این وضع به‌ظاهر شگفت بود که در عکس­های زیبای اتاقک ویلسون که دی فراهم آورده بود، به‌هیچ‌وجه نشانی از برهم‌کنش میان نوترون­ و الکترون‌هایی که با اتم پیوند داشت، دیده نمی­شد. دراین‌باره این‌طور گفتیم، که به‌دلیل وابستگی مقطع واکنش از جرم کاهش‌یافتۀ ذرّاتی که به‌هم برخورد می‌کند، آن­طور که خواستۀ نظریّۀ کوانتومی است، این امرواقع با فرض برهم‌کنشی با گسترۀ کم میان نوترون و الکترون با شدّتی مانند شدت میان نوترون و پروتون تناقض ندارد. چند روز بعد، نامه­ای از رادرفورد به دستم رسید که در آن او درحاشیه به این نکته اشاره کرده بود، و من هم نمی‌توانم جلوی خود را بگیرم تا متن کامل آن را در اینجا نیاورم:

بیست‌و‌یکم آوریل ۱۹۳۲،

بور عزیزم،

خوشحالم که با بازگشت فاولر به کمبریج از همۀ شما خبر دار شدم و شنیدم که شما دوستان قدیمی دور هم حسابی جمع شده بودید. من هم علاقه‌مند شدم تا از نظریّۀ تو از نوترون بشنوم. دیدم که گاردین منچستر آن را خیلی خوب شرح داده بود؛ خبرنگار علمی آن، کراودر در این مسائل خیلی وارد است. بسیار خوشحالم که تو به نوترون با حسن‌نیّت نگاه می‌کنی. گمان می­کنم که دلایلی که چادویک و دیگران به‌سود وجود آن پیدا کرده­اند، تا آنجایی‌که به نکات اصلی مربوط است،کامل است. امّا آنچه هنوز محلّ مناقشه است این است که چقدر یونش تولید می‌شود یا باید تولید شود تا بتوان مسئلۀ جذب را توضیح داد، درصورتی‌که از برخورد با هسته صرف‌نظر کنیم.

 باران هم که نمی­بارد، بلکه شُرشُر می­آید؛ و برایت باید از پیشرفت دل‌انگیزی هم بگویم که هفتۀ آینده در مجّلۀ نیچر خبر کوتاهی از آن چاپ خواهد شد. می­دانی که ما آزمایشگاهی با ولتاژ بالا داریم که در آن می‌توانیم به‌سادگی جریان مستقیمی تا ۶۰۰۰۰۰ ولت تولید کنیم. همین اواخر هم در اینجا کنش بمباران عناصر سبک با پروتون­ را بررسی کردیم. پروتون به سطحی از مادّه می­خورد که زاویۀ ۴۵ درجه با محور لوله داشت و اثرهای تولیدشده را هم از پهلو به روش سوسوزنی مشاهده می­کردیم، درحالی‌که پردۀ سولفید روی را با میکا به‌خوبی پوشانده بودیم تا جلوی پروتون­ را بگیرد. با لیتیوم هم به سوسوزنی‌های برِّاقی رسیدیم که در نزدیکی ۱۲۵۰۰۰ ولت شروع می­شد و به‌سرعت هم با افزایش اختلاف پتانسیل بالا می‌رفت تااینکه توانستیم به چندصدتا در دقیقه با جریانی از پروتون با چند میلی‌آمپر برسیم. ذرات آلفا-α درعمل به‌طور آشکار مستقلّ از جریان بود، و بردی ثابت برابر با ۸ سانتی‌متر در هوا داشت. ساده­ترین فرض این است که لیتیوم- ۷ یک پروتون می­گیرد و با گسیل دو ذرّۀ آلفای- α معمولی دچار واپاشی می‌شود. با این فرض همۀ انرژی‌ای که آزاد شده است چیزی درحدود ۱۶ میلیون ولت است و این مرتبۀ بزرگی درستی به نسبت تغییرات جرم است، مشروط برآنکه پایستگی انرژی پیش‌فرض باشد.

بعد هم ناگزیر به انجام آزمایش­های به‌خصوصی شدیم تا نوع ذرّه را بررسی کنیم، امّا به‌دلیل روشنایی سوسوزن و ردّ اتاقک ویلسون باید بگوییم که شاید ذرّۀ آلفا-α داشتیم. در روزهای اخیر هم با آزمایش­های مشابهی با بور و فلور به نتایج مشابهی رسیدیم، امّا بُرد ذرّات کوچک­تر بود، هرچندکه مانند ذرّات آلفا-α به‌نظر می­رسید. شاید امکان داشته باشد که بور- ۱۱ یک پروتون بگیرد و در سه ذرّۀ آلفا وابپاشد، در حالی‌که فلور به اکسیژن و یک آلفا واپاشیده می‌شود. تغییرات انرژی با این نتایج تطابق دارد. یقین دارم که تو هم به این نتایج تازه علاقه‌مندی، و امیدمان هم این است تا این مسئله را در آیندۀ نزدیک دنبال کنیم.

روشن است که ذرّات آلفا-α، نوترون­ها و پروتون­ها به‌احتمالی انواع گوناگون واپاشی را سبب می‌شود و این هم اهمیّت دارد که این نتایج تاکنون تنها در  (4n +3)عنصر مشاهده شده است. این‌طور به‌نظر می­رسد گویاکه افزودن چهار پروتون بی‌درنگ یه تشکیل یک ذرّه آلفا-α و واپاشی آن می‌انجامد. باوجوداین گمان می­کنم که به همۀ مسئله باید بیشتر ‌به‌عنوان نتیجه‌ای از رویدادی منفرد، و نه از مراحل آن، نگاه کرد.

بسیار خوشحالم که آن تلاش‌ها­ و زحمات در راه تولید اختلاف پتانسیل­های بالا، با آن نتایج مهم و پراهمیّت تلافی شد. درواقع آن‌ها می­بایستی آن اثر را حدود یک سال پیش دیده باشند، اما در آن زمان نتوانستند آن را جمع‌وجور کنند. تو هم می­توانی به‌یقین پیش خودت به‌سادگی مجسّم کنی که این نتایج می­تواند تحقیق جامع تبدیلات را به‌طور کلّی دربر بگیرد.

حال همۀ ما هم در منزل خوب است، و فردا هم تدریسم شروع می­شود. با بهترین آرزوهایم برای تو و خانم بور.

ارادتمند تو، رادرفورد

بریلیوم چند اثر عجیب از خود نشان می­دهد که اوّل باید از آن‌ها اطمینان پیدا کنم. امکان دارد که بعداً در بحث‌هایم به این آزمایش­ها دربارۀ هسته در “انجمن سلطنتی” در روز پنجشنبه، بیست‌و‌پنجم آوریل اشاره کنم.

هنگام خواندن این نامه باید مسلّماً بدانیم که من به‌سبب ملاقات­های قدیمم در کمبریج با کارهایی که در آزمایشگاه کاوندیش انجام می‌شد، آشنا بودم، به‌طوری‌که رادرفورد دیگر لازم نمی‌بیند تا از سهم فردی هر یک از همکارانش نامی ببرد. این نامه درحقیقت بیان صریح سرشار از شادمانی‌ از دستاوردهای آن سال‌ها و غیرتی است که او با آن نتایج آن کارها را پی می‌گیرد.

XI

رادرفورد، که به‌راستی پیشتاز بود، هیچگاه تنها به شهود خود اعتماد نمی‌کرد، هرچندکه می‌توانست او را به آن دوردست‌ها بکشاند؛ او همیشه چشم به سرچشمه‌های علوم جدید دوخته بود، که شاید می­توانست پیشرفت­هایی را با خود به‌همراه بیاورد که انتظارش را هم نداشتیم. به‌این دلیل رادرفورد و همکارانش در کمبریج هم همیشه با اشتیاق فراوان و با دستگاه­های ظریف‌تر بررسی‌های خود از فرایندهای پرتوزای واپاشی آلفا-α و بتا-β را پی می‌گرفتند. کار مهمّ رادرفورد و الیس دربارۀ طیف­های بتا-β امکان فرق‌نهادن میان فرایندها در درون هسته و برهم‌کنش ذرّۀ بتا-β با نظام الکترونی بیرونی را به‌روشنی نشان داد، و به روشن‌شدن سازوکار تبدیلات داخلی هسته­ای انجامید.

دلایل الیس بر توزیع طیفی پیوسته از الکترون­هایی که مستقیماً از هسته گسیل شده است، مسئلۀ پیچیدۀ پایستگی انرژی را از همان آغاز مطرح کرد؛ این مسئله را سرانجام فرضیّۀ جسورانه پاؤلی از گسیل همزمان یک نوترینو حلّ کرد که راه را برای نظریّۀ هوشمندانۀ فرمی از واپاشی بتا-β هموار کرد.

 دقّت بیشتر در اندازه­گیری­ طیف آلفا-α که رادرفورد، واین-ویلیامز و دیگران به آن رسیدند، ساختار ریز این طیف­ها، و رابطۀ آن‌ها با سطح انرژی هسته پس از واپاشی آلفا-α را، روشن کرد. رویدادی به‌خصوص در یکی از مراحل اوّلیّه،کشف الکترون‌گرفتن ذرّات آلفا-α بود؛ پس از آنکه هندرسون در سال 1922 این پدیده را برای نخستین بار مشاهده کرد، رادرفورد در یکی از پژوهش‌های استادانۀ خود به کار دربارۀ آن پرداخت. این کار که اطّلاعات زیادی دربارۀ فرایند گرفتن الکترون ارائه می‌داد، چنانچه می‌دانیم چند سالی پس از درگذشت رادرفورد، دوباره به آن توجّه شد؛ آنهم وقتی‌که کشف شکافت هسته­های سنگین با ضربۀ نوترون، مطالعۀ نفوذ ترکش‌های هسته با بار زیاد در مادّه را، که در آن گرفتن الکترون شاخصۀ اصلی است، در صدر قرار داد.

در سال 1933 از نظر درک کلّی و هم فنّ آزمایش، با کشف فردریک ژولیو و ایرن کوری از آنچه پرتوزایی مصنوعی بتا-β نامیده می‌شود، که از راه تبدیلات هسته‌ای با تابش با ذرّات آلفا پدیدار می‌شود، به پیشرفت‌های بزرگی رسیدیم. در اینجا چندان ضرورت ندارد تا یادآوری کنم که چگونه به دنبال تحقیقات عالی نظام‌مند انریکو فرمی دربارۀ تبدیلات هسته­ای از راه نوترون القاء شده، ایزوتوپ­های پرتوزای بسیاری از عناصر کشف شد و به روشن‌بینی‌هایی هم در مورد فرایندهای هسته­ای، که با گرفتن نوترون­ به آهستگی به وجود می‌آید، رسیدیم. مطالعات بیشتر دربارۀ این نوع فرایندها اثرهای تشدیدی‌ بسیار شگفتی با دقّت بسیار بیشتر را آشکار کرد، زیراکه حدّاکثر مقطع کنش از واکنش‌های القا‌شده با پرتوهای آلفا را نشان می‌داد که پوز برای نخستین بار آن‌ها را مشاهده کرده بود. گاموف درحال رادرفورد را متوجّه توضیح گورنی کرد که بر پایه مدل کوزۀ پتانسیل بود.

مشاهدات بلاکت با فنّ اتاقک ابر خودکار ابداعی‌ هوشمندانۀ خود نشان داده بود که در فرایندی که در آزمایش­های اوّلیّه رادرفورد در واپاشی هسته­ای مصنوعی مطالعه شده بود، ذرّۀ آلفای -α واردشده در هستۀ برجای‌مانده پس از فرار پروتون گرفتار می‌شود. امّا اکنون روشن شده بود که همۀ انواع تبدلات هسته­ای در درون حوزۀ گستردۀ انرژی در دو مرحلۀ به‌کلّی جداازهم جریان پیدا می‌کند. اوّلین مرحله از این دو، مرحلۀ تشکیل “هستۀ مرّکب” است با طول‌عمری نسبتاَ زیاد، درحالی‌که دومین مرحله آزاد شدن انرژی تحریک آن است که به‌‌عنوان نتیجۀ رقابتی میان انواع گوناگون ممکن فرایندهای واپاشی و گسیل است. چنین مشاهداتی، که رادرفورد به آن‌ها علاقۀ زیادی نشان می‌داد، موضوع آخرین سلسله درس­هایی بود که من به دعوت رادرفورد در سال 1936 در آزمایشگاه کاوندیش ارائه دادم.

نزدیک به دو سال پس از مرگ رادرفورد با کشف فرایند شکافت در سنگین‌ترین عناصر ، پیشرفتی بزرگ و تازه به‌وجود آمد که دوست قدیمی و همکار رادرفورد در مونترال یعنی اتو هان سبب آن شده بود، که در برلین با فریتس اشتراسمن کار می­کرد. کمی پس از این کشف، لیزه مایتنر و  اتو فریش که در آن زمان در استکهلم و کپنهاگ کار می­کردند و اکنون در کمبریج‌‌‌اند، کار مهمی بر فهم این پدیده ارائه دادند، به‌طوری‌که به این نکته اشاره کردند که کاهش بحرانی پایداری هسته­های با بار زیاد نتیجه‌ای ساده از تعادل نیروهای جذب‌کننده میان اجزاء هسته با دفع الکترواستاتیکی است. پژوهش‌های گسترده‌تر من از فرایند شکافت، با همکاری ویلر نشان داد که بسیاری از این خصیصه‌های شاخص را می‌توان به کمک سازوکار واکنش­های هسته­ای توضیح داد، که اوّلین گام در تشکیل هستۀ مرکّب بود.

 رادرفورد در سال‌های آخر عمر به دوستی و همکاری با مارکوس   روی آورد که طرز فکر و توان کاری‌اش ما را همیشه به یاد خود می­اندازد. در آن زمان امکان پژوهش‌های تازه با کشف اوری از هیدروژن سنگین (دتریوم) ²H و با ساخت سیکلوترون به‌دست لورنس فراهم آمده بود، به‌طوری‌که او در نخستین پژوهش‌هایش دربارۀ واپاشی هسته پس از تابش با دوتریوم به زنجیره‌ای از اثرات چشم‌گیر رسیده بود. در آزمایش­های کلاسیک رادرفورد و الی‌فانت، که در آن‌ها بمباران با پروتون و دوتریوم ایزوتوپ­های جداشدۀ لیتیوم آن‌ها را به کشف ³H یا تریتیوم و ³He رساند، درعمل بنیانی بر کوشش­های بسیار امروزی فراهم آمد تا واکنش‌های گرماهسته‌ای را در راه تحقّق وعده‌های بزرگ استفاده از انرژی اتمی بکشاند.

رادرفورد از همان آغاز به دورنمای گسترده‌ای آگاهی داشت که مطالعاتش دربارۀ پرتوزایی را در بسیاری از جهات دربر می‌گرفت. از همان آغاز به این امکان دل بسته بود تا از همین راه عمر زمین را تعیین کند و تعادل گرمایی در پوستۀ سیّارۀ ما را بفهمد. هرچندکه تا آزاد شدن نیروهای اتم برای مقاصد فنّی هنوز راه درازی درپیش بود، این مسئله برای رادرفورد دل‌خوشی بزرگی بوده تا انرژی خورشید را، آن چشمۀ کاملاً ناشناختۀ انرژی را، به عنوان نتیجه‌ای از سیر تحقیقاتی بداند که خود آغازگر آن بود که در زمان حیاتش در افق سر می‌زد.

Ⅻ

وقتی به زندگی رادرفورد نگاه می‌کنیم، مسلّم است که آن را در پرتو خاصّ موفقیّت‌های علمی دوران‌سازش می‌بینیم؛ امّا خاطرات ما از او همواره مسحور از شخصیّت او باقی خواهد ماند. در درس­های یادبود رادرفورد،که پیشتر بسیاری از نزدیک‌ترین همکارانش برگزار کردند، آن الهامی را یاد‌آوری آوردند که از نیروی خلّاق او و از شوق او و همچنین از جذبۀ طبیعت خودانگیز او برآمده بود. با وجود دامنۀ وسیع کارهای علمی و اداری‌اش، که به‌سرعت رو به رشد دارد، هنوز هم در آزمایشگاه کاوندیش همان روحیّه‌ای حکم‌فرماست که همۀ ما در روزگار-منچستر بسیار تحسین می‌کردیم.

گزارش مطمئنّی از زندگی پرماجرای رادرفورد از کودکی تا روزهای آخر عمرش را دوست دیرین او از زمان مونترال، ای.اس اِیو نوشته است. بسیاری از نقل‌قول­هایی که برگرفته از نامه‌نگاری‌های بسیار گستردۀ رادرفورد است که در کتاب اِیو آمده است، تصویری زنده از رابطۀ او با همکاران و شاگردانش را در سراسر دنیا نشان می­دهد. ایو حتّی کوتاهی نمی‌کند تا بعضی از آن داستان­های خنده­داری را تعریف کند که یک‌سره دربارۀ  رادرفورد است. و در این مورد هم سخنرانی‌ای را چاپ کرده است که من به‌مناسبت دومین و آخرین دیدارم با او در سال 1932 در کپنهاگ ایراد کرده بودم، و ازقضا من هم به وقایعی مشابه اشاره کرده بودم.

ویژگی خاصّ طبیعت رادرفورد، علاقۀ گرم او به تک‌تک فیزیک‌دانان جوان پرشماری بود که با آن‌ها برای مدّتی کوتاه و یا طولانی در ارتباط بود. من خیلی خوب به یاد دارم که چگونه برای اوّلین بار در اتاق کارش در کمبریج روبرت اپنهایمر را دیدم که بعدها با او دوستی نزدیکی پیدا کردم. پیش از آنکه اپنهایمر وارد اتاق شود، رادرفورد با امتنان آمیخته با شادمانی از صاحبان استعداد، از هوش درخشان آن مرد جوانی حرف می‌زد که توانسته بود با گذشت زمان این چنین جایگاه عالی­ای در زندگی علمی آمریکا برای خود فراهم آورد.

ازقرار معلوم، اپنهایمر کمی بعد از دیدارش از کمبریج، به هنگامی که در دانشگاه گوتینگن درس می‌خواند، یکی از اوّلین کسانی بوده است که فیزیک‌دانان را متوجّه پدیدۀ نفوذ ذرّات با آستانۀ پتانسلی کرده بود که برای توضیح تیزبینانۀ گاموف و دیگران از واپاشی آلفا-α اهمیّتی اساسی داشت. گاموف بعد از توقّفی کوتاه در کپنهاگ، در سال 1929 به کمبریج آمد که در آنجا رادرفورد مقالات منظّم او دربارۀ توضیح فرایندهای هسته­ای را بسیار می‌پسندید و از آن شوخ‌طبعی غریب و ظریفی لذّت می‌برد که گاموف آن را در زندگی روزمرّۀ خود بروز می‌داد، و سپس آن را در کتاب‌هایی که برای همگان به زبانی فهم‌پذیر می‌نوشت بیان می‌کرد.

میان فیزیک‌دانان جوان خارجی که در زمان او در آزمایشگاه کاوندیش کار می­کردند، کاپیتسا یکی از بارزترین شخصیّت­ها بود. رادرفورد خیال­پردازی‌ها و توانایی­های او به عنوان مهندس فیزیک را می‌ستود. رابطۀ رادرفورد با کاپیتسا هم برای هردو  بسیار مهمّ بود؛ و این رابطه از اوّل تا آخر متأثّر از تمایل زیاد دو طرف به یکدیگر بود، هرچند که برخوردهای احساسی هم ناگزیر پیش می‌آمد. این احساسات سبب می‌شد که رادرفورد، پس از آنکه کاپیتسا در سال 1934 به روسیه برگشت، در پشتیبانی از کارهای او بکوشد؛ چرخشی هم در این رابطه پدیدار شد که در نامه­ای که من پس از فوت رادرفورد از کاپیتسا دریافت کردم، بیان شده است.

همین‌که که در آغاز سال‌های 1930 با گسترش آزمایشگاه کاوندیش، آزمایشگاه موند برای پیشبرد طرح‌های بسیار نویدبخش کاپیتسا، به کوشش رادرفورد، احداث شد، کاپیتسا هم خواست تا برای ابراز شادمانی خود در دوستی با رادرفورد، با تزئین نمای بیرونی ساختمان آزمایشگاه به آن جلوۀ بهتری بدهد. امّا نقش برجستۀ تمساحی بر روی نما سبب شد تا تذکّراتی بیان شود، زیراکه تنها با اشاره به روایاتی از دنیای حیوانات در هنر مردمی روسیّه می‌توانستیم آن را درک کنیم. امّا مجسّمه‌ای هم از رادرفورد در تالار ورودی بود که ساخته‌ای هنری از اریک ژیلز بود، که دل‌خوری بسیاری از دوستان را برانگیخت. من هم در دیداری از کمبریج اعتراف کردم که نمی­توانم در آن برآشفتگی‌ با آن‌ها یار باشم، و این حرف آن‌چنان به مذاق همه خوش آمد که کاپیتسا و دیراک بدلی از آن مجسّمه را به من هدیه دادند. این مجسّمه که بالای سربخاری اتاق کار من در موسّسۀ کپنهاگ کار گذاشته شده است، از آن روز تاکنون هم مرا خوشحال می­کند.

پس از آنکه به رادرفورد به‌پاس جایگاهش در علم لقب اشرافیّت اهدا شد، او هم به وظایف تازه‌اش به‌عنوان عضو مجلس اشراف با علاقه‌مندی زیاد می‌پرداخت، امّا درست‌کاری و ساده‌زیستی‌اش در میان مردم هیچ تغییری نکرد: و درست هیچ تذکار غلیظی هم از او به خود به یاد نمی‌آورم مگر اینکه: در مراسم ناهاری در باشگاه جامعۀ سلطنتی با برخی از دوستان گرم گفتگو بودم و از او به سوم شخص مفرد به‌عنوان “لرد رادرفورد” حرف زدم، که ناگهان با عصبانیّت رو به من کرد و گفت:« تو به من لرد گفتی؟»

در این نزدیک به بیست سال، که رادرفورد تا آخر عمرش با جدیّتی که هیچگاه از آن کاسته نمی‌شد در کمبریج کار می­کرد، من و همسرم با او و خانواده‌اش رابطۀ نزدیکی داشتیم. او تقریباً هر سال از ما در منزل زیبایش در نیون‌هام کوتیج با مهمان‌نوازی پذیرایی می­کرد؛ خانه‌ای با چشم‌اندای به پشت کالج قدیمی و باغ چشم‌نوازی که رادرفورد در آن در پی آرامش بود و مراقبت از او ماری رادرفورد را بسیار خوشحال می‌کرد. من شب‌های بسیار خوشی را به یاد دارم که در اتاق مطالعۀ رادرفورد باهم گذرانده‌ایم که نه تنها از آیندۀ فیزیک حرف می­زدیم، بلکه دربارۀ بسیاری دیگر از سؤال­های که به علائق بشر مربوط می‌شد. در چنین گفتگوهایی هرگز کسی به این فکر نمی­افتاد تا به کار خود اهمیّتی بیش‌از‌اندازه بدهد، و همینکه گفتگوهایمان کسل‌کننده می‌شد، رادرفورد پس از روزی پرکار بیشتر دلش می‌خواست بخوابد. امّا بعد هم دوباره باید صبر می‌کردیم تا بیدار شود، و ازنو رشتۀ کلام را از همان جا با شوق معمولش ازسر بگیرد؛ گویی که اصلاً هیچ اتّفاقی نیفتاده است.

 صبح‌های یکشنبه هم منظّماً با بعضی از دوستان شفیقش گلف بازی می‌کرد. و شب‌ها هم شام را در کالج ترینیتی صرف می­ کرد، جایی‌که بسیاری از اهل‌فضل عالی‌مقام را می­دید و بیشتر هم خوش داشت تا دربارۀ موضوع‌های کاملاً مختلف حرف بزند. و او که برای همۀ وجوه زندگی عطشی سیراب‌نشدنی داشت، برای همکاران دانشمندش احترام زیادی قائل می­شد. و درست به یاد دارم که روزی در راه برگشت از ترینیتی به خانه به این نکته اشاره کرد که به نظرش آن به‌اصطلاح انسان‌گرایان اندکی در تفاخر به بی‌خبری کامل خود، دراین‌باره که چه چیزی در این میان اتّفاق می­افتد، از وقتی که دکمه‌ای را جلوی در ورودی فشار می‌دهند تا زمانی که در آشپزخانه زنگی به صدا در می­آید، زیاده‌روی  می‌کنند.

برخی از تذّکرات رادرفورد این سوءفهم را برانگیخته است که او به فرمالیسم ریاضی در پیشرفت فیزیک اهمیّت چندانی نمی‌داده است. درست به‌عکس، او گاه شگفتی خود را از روش­های نظری تازه‌ای به زبان می‌آورد که در سیر پیشرفت شتابان خود، در همۀ رشتۀ فیزیک، که بخشی از آن را خود آفریده بود، به وجود آمده بود، به‌طوری‌که حتّی به پرسش از تبعات فلسفی نظریّۀ کوانتومی دلبستگی نشان می‌داد. به ویژه به‌یاد دارم که چگونه در آخرین دیدارش با من در کمبریج چند هفته‌ای پیش از مرگش درگیر دیدگاه­ مکملیّ و استفاده از آن در مسائل زیست‌شناختی و جامعه‌شناختی شده بود، و چگونه با حرارت از این امکان حرف می‌زد تا پیدایی سنت‌های ملّی و پیش‌داوری­ها را با روش­های غیرمعمول، مانند جابه‌جایی نوزادان میان ملّت­های گوناگون، به‌طور تجربی بیازماید.

چند هفته بعد، در جشن‌های سده به‌افتخار گالوانی در بولونی از خبر درگذشت رادرفورد با اندوه و تألّم باخبر شدم، و مستقیماً هم به انگلستان رفتم تا در خاک‌سپاری او حاضر باشم. من که کمی پیشتر با هر دوی آن‌ها بودم و رادرفورد را در کمال سلامت و حال خوش معمول دیده بودم، حالا دوباره ماری رادرفورد را در این شرایط ناراحت‌کننده می‌دیدم. ما دربارۀ زندگی پربار ارنست حرف زدیم که او از آغاز جوانی او را چون یاری وفادار همراهی کرده بود، و اینکه او برای من چون پدری ثانوی بود. روزی بعد، رادرفورد را در کلیسای وست‌مینستر در نزدیکی مقبرۀ نیوتون به خاک سپردند.

رادرفورد آن انقلاب بزرگ در فنّاوری را که از کشف او از هستۀ اتم و از پژوهش‌های بنیادین بعدیاش تراویده بود، دیگر به چشم خود ندید. او همواره به آن مسئولیّتی آگاهی داشت که با فزونی دانش ما و توانایی‌های ما مرتبط است. ما اکنون در برابر چالش بسیار جدّی همۀ تمدّن­ خود ایساده‌ایم و باید در این فکر باشیم تا از هر استفادۀ نادرستی از آن نیروهای مهیب پرهیز کنیم که در دست بشر است و به‌جای آن این دستاوردهای بزرگ را برای آسایش همۀ بشر به‌کار گیریم. برخی از میان ما که مأموریّت داشتیم تا در طرح‌های زمان جنگ مشغول به‌کار باشیم، گاه به یاد رادرفورد می­افتیم و با فروتنی می‌کوشیم تا به گمان خود آنگونه رفتار کنیم، که او خود ممکن بود رفتار کرده باشد. 

خاطراتی که از رادرفورد برای ما بجا مانده است، برای هر که از میان ما که آن خوش‌اقبالی بزرگ را داشت تا او را بشناسد و به او نزدیک شود، چشمۀ پرآب شوق و توان فکری است. نسل­هایی که در سال­های آینده به پژوهش‌ در دنیای اتم می‌پردازند، همواره در زندگی و کار این پیشتاز بزرگ، الهاماتی تازه خواهند یافت. پایان

* متن حاضر ویرایش کامل آن درسی است که در یکی از نشست­های انجمن فیزیک لندن در کالج سلطنتی علم و فنّاوری در بیست‌و‌هشتم نوامبر ۱۹۵۸ بدون نوشته ارائه شده است.

——————————————————————————

 فهرست مطالب:نیلس بور: فیزیک اتمی و شناخت بشری (جلد دوم):

•  فیزیک اتمی و فلسفه: علیّت و مکملیّت: نوشته‌ای برای “فلسفه در میانۀ سده”، فلورانس، ۱۹۵۸؛ بنگرید به: نیلس بور: فیزیک اتمی و فلسفه
•  یکپارچگی شناخت بشری: سخنرانی در همایش “بنیاد اروپایی فرهنگ”، در کپنهاگ، اکتبر ۱۹۶۰، اروپا، ماهنامه سیاسی، علمی، فرهنگی، اوت ۱۹۶۱؛ بنگرید به: نیلس بور: یکپارچگی شناخت بشری
•  وابستگی علوم به یکدیگر: سخنرانی در همایش بین‌المللی علوم داروسازی در کپنهاگ، اوت ۱۹۶۰؛ نیلس بور: وابستگی علوم به یکدیگر
•  نور و حیات – یک‌بار دیگر: سخنرانی نیلس بور در آیین گشایش مؤسّسۀ ژنتیک دانشگاه کلن، ژوئن ۱۹۶۲؛ نیلس بور: نور و حیات – یک‌بار دیگر
•  درس یادبود رادرفورد، ۱۹۵۸: یادبود بنیان‌گذار فیزیک هسته‌ای، ۱۹۶۱

•  پیدایش مکانیک کوانتومی: نوشتۀ نیلس بور، در: ورنر هایزنبرگ و فیزیک زمان ما، فی‌وگ؛ نیلس بور: پیدایش مکانیک کوانتومی
•  اجلاس سولوی و پبشرفت فیزیک اتمی: سخنرانی در دوازدهمین گردهمایی سولوی در بروکسل، اکتبر ۱۹۶۱؛ بنگرید به: نیلس بور: فیزیک اتمی و شناخت بشری Iا: اجلاس سولوی و پیشرفت فیزیک اتمی

فهرست مطالب جلد دوم به زبان آلمانی:

Niels Bohr: Atomphysik und Menschliche Erkenntnis: Inhaltsverzeichnis (Band II)

 Atomphysik und Philosophie — Kausalität und Komplementarität 1

Beitrag zu „Philosophy in the Mid-Century”, herausgegeben von R. Klibansky. La Nuova Italia Editrice, Florenz 1958. Max Planck Festschrift, VEB Verlag der Wissenschaften, Berlin 1958.

Die Einheit menschlicher Erkenntnis 8

Vortrag auf dem Kongress der „Fondation Européenne de la Culture” in Kopenhagen, Oktober 1960. Europa, Monatszeitschrift für Politik, Wirtschaft, Kultur, August 1961.

Die Verbindung zwischen den Wissenschaften 17

Vortrag auf dem Internationalen Kongress der Pharmazeutischen Wissenschaften in Kopenhagen, August 1960.

Licht und Leben — noch einmal 23

Vortrag anlässlich der Einweihung des Instituts für Genetik der Universität Köln, Juni 1962. Unvollendetes Manuskript. Die Naturwissenschaften 50, 725, 1963.

Rutherford-Gedenkvorlesung 1958: Erinnerungen an den Begründer der Kernphysik und an die von seinem Werk ausgehende Entwicklung 30

Y 1961 vollendete Ausarbeitung einer auf der Sitzung der „Physical Society” in London im Imperial College of Science and Technology am 28. November 1958 ohne Manuskript gehaltenen Vorlesung.. Proceedings of the Physical Society, London, 78, 1083, 1961.

Die Entstehung der Quantenmechanik 75

Beitrag zu „Werner Heisenberg und die Physik unserer Zeit”. Verlag Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig 1961.

Die Solvay-Konferenzen und die Entwicklung der Atomphysik 80

Vortrag auf der 12. Solvay-Konferenz in Brüssel, Oktober 1961. In „La Théorie Quantique des Champs”, Interscience Publishers, New York 1962.

فهرست مطالب: نیلس بور: فیزیک اتمی و شناخت بشری (جلد اوّل):

Atomphysik und menschliche ErkenntnisALEPH/NBAlibrary

https://doi.org/10.5281/zenodo.3370481

مقدّمۀ مترجم: ص ۹؛ دربارۀ مؤلّف: ص ۱۱؛ پیشگفتار: ص ۱۳؛ درآمد: ص ۱۵؛ نور و حیات (اوت ۱۹۳۲): ص ۱۹؛ زیست‌شناسی و فیزیک اتمی (اکتبر ۱۹۳۷): ص ۳۳؛ فلسفۀ طبیعی و فرهنک‌های بشری (اوت ۱۹۳۸) ص ۴۹؛ بحث با اینشتین در بارۀ مسائل معرفت‌شناختی فیزیک اتمی (۱۹۴۹) ص ۶۱؛ وحدت معرفت (اکتبر ۱۹۵۴) ص ۱۰۵؛ اتم و شناخت بشری (اکتبر ۱۹۵۵) ص ۱۲۵؛ فیزیک و مسئلۀ حیات (فوریۀ ۱۹۴۹) ص ۱۳۹؛ واژه‌نامۀ آلمانی-فارسی: ص ۱۴۹؛ فهرست راهنما: ص ۱۵۹

فهرست مطالب فیزیک اتمی و شناخت بشری (۱) به زبان آلمانی:

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Licht und Leben ………………. 3

Vortrag bei der Eröffnungssitzung des II. Internationalen Kongresses für Lichttherapie, Kopenhagen, August 1932. Nature 131, 421 und 457, 1933. Die Naturwiss. 21, 245, 1933.

Biologie und Atomphysik……….…. 13

Vortrag auf dem Internationalen Kongress für Physik und Biologie um Gedächtnis von Luigi Galvani, Bologna, Oktober 1937 Kongress Berichte, Bologna 1938.

Erkenntnistheoretische Fragen in der Physik und die menschlichen Kulturen..……………….. 23

Ansprache beim Internationalen Kongress für Anthropologie und Ethnologie, Kopenhagen 1938, gehalten anlässlich eines Kongressausfluges nach Schloss Kronborg, Helsingor. Nature 143, 268, 19.39.

Diskussion mit Einstein über erkenntnistheoretische Probleme in der Atomphysik………………………. 32

Beitrag zu “Albert Einstein als Philosoph und Naturforscher”. ۷. Band der “library of Living Philosophers”, herausg. von P. A., Schlipp, Evanston 1949. Deutsche Ausgabe im Verlag W. Kohlhammer, Stuttgart 1955

Einheit des Wissens………………………. 68

Beitrag zum Symposium über „The Unity of Knowledge” in Verbindung mit dem 200 jährigen Jubiläum der Columbia Universität, York, Oktober 1954. In „The Unity of Knowledge”, herausg. von Lewis Leary. Doubleday and Co., New York 1955.

Die Atome und die menschliche Erkenntnis 84

Vortrag auf einer Sitzung Dänischen Akademie der Wissenschaften, Kopenhagen, Oktober 1955. Akademie-Übersicht für 1955/56, S. 112

Die Physik und das Problem des Lebens

Y 1957 vorgenommene Ausarbeitung einer Vorlesung in der Dänischen Medizinischen Gesellschaft, Kopenhagen, Februar 1949

Related links:

ورنر هایزنبرگ: حقیقت علمی و حقیقت دینی؛ نیلس بور: نور و حیات یک‌بار دیگر؛ نیلس بور: وابستگی علوم به یکدیگر؛ نیلس بور: فیزیک اتمی و فلسفه؛ ورنر هایزنبرگ: فیزیک و فلسفه؛ فون وایتسکر: جهان از نگاه فیزیک؛ نیلس بور: مجموعۀ آثار (۲)؛ ورنر هایزنبرگ: آن سوی مرزها؛ ورنر هایزنبرگ: جزء و کلّ؛ژاک مونو: تصادف و ضرورت (فهرست مطالب)؛ژاک مونو: تصادف و ضرورت

Kurztitelaufnahme:

Niels Bohr: Atomphysik und Menschliche Erkenntnis II, Friedrich Vieweg und Sohn, Braunschweig 1966: Rutherford-Gedenkvorlesung 1958

 نیلس بور: فیزیک اتمی و شناخت بشری (۲)، فریدریش فی‌وگ و پسر، براونشوایگ، ۱۹۶۶، درس یادبود رادرفورد ۱۹۵۸