Atom

"!وقتي به اتم ها مي رسيم، زبان تنها به دردِ شعر گفتن مي خورد" نيلز بور

سال 1912، در بالني که سه مايل از زمين ارتفاع داشت

دانشمندي اتريشي به نام ويکتور هس، به يکي از متحير کننده ترين اکتشافات تاريخ علم دست يافت

در اين بالا هس دريافت که پرتوهاي بسيار مرموزِ انرژي، از فضا ساطع شده

و وارد زمين مي شوند

آنها بسيار قدرتمندتر بودند از هرآنچه که تا آن زمان ديده شده بود آنها را "پرتوهاي کيهاني" ناميدند

در همين هنگام در آزمايشگاه هاي روي زمين

دانشمندان پرتوهاي به همان اندازه مرموز و قوي اي را مطالعه مي کردند

که از اعماق اتم ها ساطع مي شدند و با نام "راديواکتيويته" مي شناسيم

پرتوهاي مرموز از ژرفاي فضا و تشعشعات اسرارآميز از اعماق اتم

کوچک ترين بلوک سازنده ي ماده

کسي به درستي نمي دانست چيستند و يا ممکن است به هم مربوط باشند

سپس داستان عجيبي فاش شد

پرتوهاي کيهاني و راديواکتيويته، چنان به هم مرتبط بودند که اعتقادات مان را به لرزه در آوردند

کشف اين ارتباط، ما را مجبور مي کند که در مورد طبيعتِ خودِ واقعيت، تجديد نظر کنيم

جهاني که تصور مي کنيم مي شناسيم همان جهانِ آشناي جامدي که احساسش مي کنيم

تنها سرابي از جهاني بي نهايت عجيب تر از هر آنچه است که مي توانيم تصور کنيم

واقعيتِ ما توهمي بيش نيست

اتم

توهمي از واقعيت

تا اواسط دهه ي 1920، اتم اسرار عجيبش را به ما نشان داد

با سرعتي خارق العاده، منجر به وقوع انقلاب هاي علمي، يکي پس از ديگري شد

در سال 1897، ماري کوري مشغولِ مطالعه ي پرتوهاي مرموزي بود که از برخي فلزات کمياب ساطع مي شود

او آنها را "راديواکتيويته" ناميد

سپس در سال 1905، آلبرت اينشتين به طور قطعي وجود و اندازه ي اتم را ثابت کرد

با مطالعه ي رفتارِ گرده در آب

چند سال بعد، يک نيوزيلندي به نام ارنست رادرفورد، آزمايشي در منچستر انجام داد

که شکل درونيِ اتم را به او نشان داد

دانشمندان با کشفِ اينکه تقريباً تمام اتم فضاي خالي ست، شوکه شدند

سؤال بعدي اين بود چطور ممکن است اين اتمِ خالي، جهان جامدِ اطراف ما را شکل داده باشد؟

پاسخ اين سؤال را گروهي از فيزيکدانان انقلابي در دانمارک ارائه کردند

آنها دريافتند که دنياي اتم، بر اساس اصولي استوار است

که با هرآنچه بشر قبلاً ديده بود، کاملاً تفاوت دارد

بدين معني که اتم، بلوک سازنده ي همه چيز در کائنات، بي همتاست

و شايد خارج از درک انسان

سپس دانشمندي به کاوش هسته، يعني قلب ريز اتم پرداخت

آنها دريافتند که هسته با انرژيِ سرسام آوري شکافته مي شود

اين کشف به آنها، قدرت منهدم کردنِ زمين را داد

اما با ديدگاهي کاملاً برعکس، اين کشف درکي اساسي

از چگونگيِ آفرينش کائنات را به آنها اعطا کرد

و البته با وجود همه ي اينها، داستانِ درک اتمِ عجيب و دمدمي مزاج

تازه دارد شروع مي شود

در سال 1927، مردي جوان در دپارتمان رياضيات دانشگاه کمبريج، مشغول تحصيل بود

خجالتي، بي لطافت، بد ترکيب اما نابغه اي وحشتناک

نامش پل آدرين موريس ديراک بود

شايد درست باشد که بگوييم، پل ديراک نام مشهوري در بريتانيا نيست

اما بايد مي بود اخيراً توسط فيزيکدان هاي ديگر

به عنوان بزرگ ترين فيزيکدانِ انگليسي تاريخ، بعد از آيزاک نيوتن انتخاب شده است

و واقعاً شايسته ي اين عنوان هست تمام نوابغ پيشگام در فيزيک اتمي

دنباله روِ ديراک بوده اند مبهوت از نبوغ محض و تفکر خلاقانه ي او در کارش

:وقتي اينشتين مقاله اي از ديراکِ 24 ساله خواند، گفت

من با ديراک مشکل دارم"

"اين توازنِ گيج کننده بر دوراهي نبوغ و جنون، ترسناک است

در سال 1927، به دلايلي که هرگز براي کسي آشکار نشد

پل ديراک کاري براي خود دست و پا مي کند که هدفِ آن تاريخي ست

متحد کردنِ علم

جمع کردنِ بخش هاي پراکنده ي آن در يک موجوديتِ زيبا

و آنچه الآن گفته شد به معناي متحد کردنِ سخت ترين

و غير قابل درک ترين ايده هاي تاريخ بشر است

آنچه را که ديراک مي خواست تطبيق بدهد اين بود

نخست مکانيک کوانتومي مجموعه اي از معادلات رياضي که اتم و اجزاي سازنده ي آن را تشريح مي کند

سپس تئوري نسبيت خاص اينشتين که در نگاه اول، کاملاً نامربوط به اتم به نظر مي رسد

نسبيت با چيزهاي بزرگ تر مثل طبيعتِ فضا و زمان سروکار دارد

يکي از نتايج آن اين است که اجسام بسيار متفاوت رفتار مي کنند

هنگامي که به سرعت نور نزديک مي شوند

اولين سؤالي که ممکن است به ذهن تان برسد، اين است که اصلاً چرا کسي بايد بخواهد اين دو تئوريِ متفاوت را با هم تطبيق دهد؟

در اواخر دهه ي 1920، معادلات مکانيک کوانتومي

به هنگام تشريح الکترون ها، يکي از اجزاي اتم به طور مداوم به جواب هاي غلط مي انجاميدند

وقتي که در سرعت هاي بالا حرکت مي کردند

اما ديراک انگيزه اي ژرف تر از اينها داشت

:او مي گفت "يک تئوريِ فيزيکي، بايد زيباييِ رياضي داشته باشد"

پس از نظر او، اين حقيقت که مکانيک کوانتومي و نسبيت با هم تطبيق نداشتند تنها ناراحت کننده نبود

بلکه صرفاً زشت بود

بنابراين در سال 1925 در کمبريج

ديراک مغز خارق العاده اش را به کار گرفت مغزي که حتي اينشتين در مواجهه با آن به مشکل برخورده بود

است، پس از بازسازي A4 اينجا اتاق اينجا محل اصليِ مطالعه ي ديراک بود

شومينه ي قديمي تخته شده است

همين جا بود که ديراک سعي کرد دو ايده ي جديد فيزيک را درک کرده و با هم تطبيق دهد

آنطور که مي گويند ديراک اينجا جلوي شومينه ي مشتعل مي نشست

و سعي مي کرد اين دو تئوري متفاوت را درک کرده و به صورت تصويري واحد ارائه کند

يک معادله

سه سال آزگار، او روي مشکل فکر کرد

سرانجام بعد از ظهر يکي از اولين روزهاي سال 1928 فکر بکري به ذهنش خطور کرد

تنها راهي که مي توانم توضيح دهم چه اتفاقي افتاد اين است که معادلات مکانيک کوانتومي

و نسبيت خاص درون ذهن ديراک به هم آميختند

معادلات موجود براي اتم، همان توصيف فضا و زمانِ اينشتين است که به نحوي کش و قوس داده شده است

آنها معادلات اينشتين را به صورت اشکال عجيب و غريبي پيچ و تاب داده اند

سپس به تبعيت از اعتقاد راسخش نسبت به اينکه قوانين طبيعت بايد زيبا باشند

ديراک به معادله اي دست يافت توضيحي کاملاً جديد از آنچه درون اتم مي گذرد

ديراک مي دانست معادله درست است زيرا زيباييِ رياضي داشت

اينجاست، معادله ي ديراک

سعي نکنيد آن را بفهميد فقط نگاهش کنيد و حيران بمانيد

بشر هر چقدر هم که پيشرفت کند، اين معادله همراه با لير شاهِ شکسپير سمفونيِ پنجم بتهوون و منشاء انواع داروين، مايه ي افتخار انسان خواهد بود

زيرا آنچه در پشت اين نمادها پنهان است، توصيفِ دقيق اين است که واقعيت در سطح بنيادي چگونه کار مي کند

اين معادله کليد گشودنِ راز مخفيِ طبيعت است

با زيباييِ رياضي بي نظير

معادله ي ديراک يک ذره ي اتمي را با هر سرعتي که حرکت کند، توصيف مي کند

حتي نزديک به سرعت نور

ديراک انتظار داشت تا همين جا برسد اما وقتي دقيق تر به معادله ي خودش نگاه کرد

متوجهِ چيزي بسيار جنجالي در مورد آن شد

:بعدها گفت "!معادله ام بيش تر از من مي دانست"

معادله ي ديراک به او مي گفت ضرورتاً جهاني ديگر وجود دارد که ما قبلاً هرگز متوجه آن نشده ايم

زيرا معادله ي او به جاي يک جواب

دو تا دارد

اولين جواب، جهاني را توضيح مي دهد که ما آن را مي شناسيم و از همان اتم هايي که با آنها آشنا هستيم، ساخته شده است

جواب دوم، تصوير قرينه ي جهان ما را شرح مي دهد

که از اتم هايي ساخته شده که ويژگي هايشان به نحوي معکوس شده اند

طرفداران داستان هاي علمي تخيلي مي دانند قضيه چيست درست مانند ماده

معادله ي ديراک وجود "پاد ماده" را نيز پيش بيني مي کند

تئوري ديراک آمده است تا بگويد براي هر چيزي در جهان آشناي ما

براي هر قسمتي از اتم، براي هر ذره، يک ضدّ ذره ي متناظر وجود دارد

با همان جرم، ولي با خصوصيات کاملاً برعکس

و جهاني که از اتم هاي پاد ماده ساخته شده درست مثل جهان ما در آينه به نظر مي رسد و کار مي کند

بدون ترديد ممکن است من کاملاً از پاد ماده ساخته شوم

پادِ من درست مثل خودِ من به نظر مي رسد و رفتار مي کند

و ممکن است در آن دوردست ها، در ژرفاي گسترده ي کيهان

ستارگان و سيارات و حتي موجودات زنده اي وجود داشته باشند که از پاد ماده ساخته شده اند

و آخرين پيش گوييِ معادله ي ديراک

تأکيد مي کند که ماده و پاد ماده هرگز نبايد با هم برخورد کنند زيرا اگر چنين شود

آنها همديگر را با فوراني از انرژيِ خالص نابود مي کنند

ترکيب ماده و پاد ماده کاملاً به انرژي تبديل مي شود

بر اساس معادله ي مشهور اينشتين E=MC^2

بنابراين اگر من با پادِ خودم برخورد کنم

با انرژي اي معادل يک ميليون بمب اتمي هيروشيما منفجر مي شويم

تمام اينها بيشتر به داستان هاي علمي تخيلي شباهت دارد و ايده ي پاد ماده منجر به ترديدهاي بزرگي شده است

اما حقيقت اين است که پاد ماده، به ويژه پاد الکترون که "پوزيترون" ناميده مي شود

اکنون به طور مداوم در آزمايشگاه ها ساخته مي شود

پوزيترون ها در دستگاه هاي پيچيده ي عکس برداريِ پزشکي که ناميده مي شوند، مورد استفاده قرار مي گيرند PET اسکنرهاي

که مي توانند درون جمجمه را ببينند و نقشه ي مغز را با عکس هاي دقيقي به تصوير بکشند

اما در دهه ي 1920، اولين واکنش فيزيکدان ها به معادله ي ديراک کاملاً منتقد گرايانه بود

حتي ديراک نمي توانست نتايج خودش را باور کند

پاد ماده مفهومي کاملاً نامعقول به نظر مي رسيد

سپس پژواک تصديق گرِ معادله ي ديراک با تمام مفاهيم متناقض اش از راه رسيد

و از جايي آمد که بسيار دور از انتظار بود فضا

در سال 1932 فيزيکداني به نام کارل اندرسون در لس آنجلس کار مي کرد Caltech که اينجا در

به کشف شگفت انگيزي نايل شد

وي مشغول مطالعه ي پرتوهاي کيهاني بود

اينها ذرات زيراتميِ پر انرژي هستند که به صورت مداوم، زمين را از فضاي خارجي بمباران مي کنند

براي اين کار، او از دستگاهي به نام "اتاقک ابر" استفاده کرد

در واقع اين دستگاه مجرايي ست که با مه غليظي از بخار آب پر شده است

دستگاه رد پاي ذرات را به هنگام نفوذ در بخار نشان مي دهد

و چون در يک ميدان مغناطيسي قرار دارد اين رد پاها به اين سو و آن سو منحرف مي شوند

بسته به بار الکتريکي ذره رد پاي ذرات مثبت به يک سو و ذرات منفي به سوي ديگر منحرف مي شود

اندرسون ذراتي را يافت که دقيقاً مانند الکترون ها به نظر مي رسيدند

اما به سمت مقابل منحرف شده بودند

وي پاد الکترون هاي ديراک را کشف کرده بود ذرات پاد ماده

معادله ي ديراک، دستآورد بزرگي ست

پيش بينيِ وجود پاد ماده، تنها با استفاده از رياضيات محض، کافي ست

تا آن را به يکي از مهم ترين موفقيت هاي تاريخ انديشه هاي بشر تبديل کند

اما چند سال پس از منتشر کردن آن، نخست ديراک و سپس ديگران دريافتند

که معادله ي جديد او، چيزي عميق تر به آنان مي گويد

چيزي کاملاً جديد درباره ي طبيعت و حق با آنها بود

اما کشف راز پنهان در معادله ي ديراک با وجود کوششِ تمام عيارِ بزرگ ترين نابغه ها

30سال به طول مي انجامد

مشکلِ معادله ي ديراک اين بود

اگرچه اين معادله به طرز باورنکردني قدرتمند بود و منجر به کشف پاد ماده شده بود

بدبختانه تنها مي توانست يک الکترون را شرح دهد

در توضيح اينکه در حضور بيش از يک الکترون چه اتفاقي مي افتد کاملاً شکست مي خورد. تئوريِ جديدي لازم بود که اين را توضيح دهد

تئوري اي که توضيح دهد الکترون ها چگونه بر همديگر اثر مي گذارند

و اين يکي، سخت ترين سؤالِ اواسط قرن بيستم از آب درآمد

اما وقتي جواب بدست آمد، راز غير منتظره اي را آشکار ساخت

خارج از لس آنجلس Caltech اين دفتر در متعلق به ريچارد فاينمن کبير بود

در داستانِ ما که پر از نابغه هاي علم بود

به نظر من، در فهرست بزرگ ترين فيزيکدان هاي قرن بيستم فاينمن پس از اينشتين، در مکان دوم قرار دارد

فاينمن يک نابغه ي معمولي نبود

بسياري او را به عنوان يک جادوگر مي شناختند آنقدر نابغه و متفکر قهاري بود که

مانند اينشتين، به چهره اي اسطوره اي مبدل شد نامي جاودان

فاينمن انساني فراتر از زندگي بود وي شخصيتي بسيار گسترده داشت

او عاشق کشاورزي و تعريف کردن خاطراتش بود

خيلي وقت ها به کلوب هاي زنان لخت مي رفت با برخي از دانشجويانش روابط جنسي داشت و شايعه شده بود به مجالس عيش و نوش مي رود

اما بزرگ ترين هديه ي او به فيزيک، نقشي بود که در

توسعه ي مرحله ي بعديِ مکانيک کوانتومي ايفا کرد

فاينمن و معاصرانش مي خواستند مشعل فيزيک اتمي را از دست پل ديراک بگيرند

و تئوري اي خلق کنند که در واقع درک ما از اتم را با يک پرش کوانتومي به جلو براند

همانند معادله ي پاد ماده ي ديراک که قبلاً ذکر شد مقصود از تئوريِ جديد، يگانه سازي بود

آنها مي خواستند بدانند که الکترون ها چگونه بر هم اثر مي گذارند

به عبارت ديگر، هدف توضيحِ اين مسئله بود که چگونه همه چيز با هم در ميدان الکترومغناطيس کار مي کند

ناميدند QED آنها پروژه ي يگانه سازي شان را الکتروديناميک کوانتومي يا

اين پروژه چالش ترسناکي بود اما نتيجه ي نهايي با شکوه از آب درآمد

گسترده ترين و دقيق ترين تئوريِ علمي که بشر بدان دست يافته است

براي مثال، اين تئوري پارامتر خاصي را براي الکترون پيش بيني مي کند که "گشتاور مغناطيسي" نام دارد

مقدار آن برابر است با

آزمايشات دقيقاً همين عدد را بدست مي آورند اين توافقي ست بين تئوري و آزمايش

با دقت يک در ده ميليارد اين يک ميزان بي نظير از توافق است

مثل اين است که فاصله ي ميان لندن و نيويورک را با ضخامت يک تار مو اندازه بگيريد

دقت شگفت انگيز الکتروديناميک کوانتومي

تقريباً تمام چيزهايي را که در دنياي فيزيکي تجربه مي کنيم، در بر مي گيرد

اين نزديک ترين نظريه به "تئوريِ همه چيز" است که بدان دست يافته ايم

اين تئوري، قوانين طبيعت را در مقياس اتمي به چالش مي کشد

شکل، رنگ، ساختار و شيوه ي برهم کنش و پيوند همه چيز را توضيح مي دهد

همه چيز را از بيوشيميِ حيات گرفته تا اينکه چرا ما روي زمين فرو نمي ريزيم، پايه ريزي کرده و دربرمي گيرد

در واقع چه مي گويد؟ QED اما

اينجاست که به بن بست مي رسيم

ممکن است اين تئوري توصيف علمي فوق العاده اي از طبيعت باشد

اما درکِ اينکه ريچارد فاينمن با تئوري اش چه مي کرده، تقريباً محال است

:اين عين جملات اوست، هنگامي که تئوري اش را به حضار معرفي مي کرد

وظيفه ي من اينه که شما رو متقاعد کنم، نه اينکه فراري بدم" چون شما اونو درک نمي کنيد

آخه دانشجوهاي فيزيک خودمم اونو درک نمي کنند چون خودمم اونو درک نمي کنم "هيچ کس درک نمي کنه

اگر مخترع تئوري، آن را درک نکند چه اميدي براي بقيه ي ما باقي مي ماند؟

با وجود اين من سعي مي کنم هر طور که شده توضيح بدهم