ماكس بلانك وولادة الفيزياء الكمومية

نحن نعيش الآن في العصر الرقمي. إن مشهد الأعاجيب التكنولوجية الذي يحيط بنا هو شيء ندين به لنحو مائة من علماء الفيزياء الذين كانوا يحاولون، في فجر القرن العشرين، معرفة كيفية عمل الذرات. ولم يعرفوا كيف سيصبح تفكيرهم الشجاع والإبداعي بعد بضعة عقود.

كانت الثورة الكمومية عملية صعبة للغاية للتخلي عن طرق التفكير القديمة، وهي الطرق التي صاغت العلم منذ غاليليو ونيوتن. كانت هذه العادات متجذرة بقوة في فكرة الحتمية – ببساطة، رأى العلماء أن الأسباب الفيزيائية لها تأثيرات يمكن التنبؤ بها، أو أن الطبيعة تتبع نظامًا بسيطًا. كان الهدف المثالي وراء هذه النظرة للعالم هو أن الطبيعة منطقية، وأنها تطيع القواعد العقلانية، كما تفعل الساعات. إن التخلي عن طريقة التفكير هذه يتطلب شجاعة فكرية وخيالًا هائلين. إنها قصة يجب أن تُحكى مرات عديدة.

من هو ماكس بلانك

بدأ تعليمه الابتدائي في كيل ولكن في عام 1867 انتقلت عائلته إلى ميونيخ، حيث تم تعيين والده أستاذًا. وفرت المدينة بيئة محفزة للصبي الصغير الذي استمتع بثقافتها، وخاصة الموسيقى، وأحب المشي وتسلق الجبال عندما قامت العائلة برحلات إلى بافاريا العليا.

لم يكن متميزًا في المدرسة ولكنه كان جيدًا بما يكفي لدخول جامعة ميونيخ في 21 أكتوبر 1874، حيث بدأ في تلقي دروس الرياضيات ثم قرر دراسة الفيزياء.

كان من المعتاد أن يتنقل الطلاب الألمان بين الجامعات في هذا الوقت، ودرس بلانك في جامعة برلين اعتبارًا من أكتوبر 1877، حيث كان من بين أساتذته هيلمهولتز وكيرشوف. عاد إلى ميونيخ وحصل على الدكتوراه في يوليو 1879 عن عمر يناهز 21 عامًا حيث قدم أطروحته حول القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

وفي عام 1885، تم تعيينه “أستاذًا استثنائيًا للفيزياء النظرية” في مدينة كيل. بعد وفاة كيرشوف في أكتوبر 1887، بحثت جامعة برلين عن فيزيائي ليحل محله. تم اقتراح بلانك من قبل كلية الفلسفة في برلين وأوصى به بشدة هيلمهولتز. تمت ترقيته إلى رتبة أستاذ عادي في عام 1892 وشغل الكرسي حتى تقاعده في عام 1927. واستمر في الانغماس في شغفه بالموسيقى، حيث قام ببناء أرغن خاص وأقام الحفلات الموسيقية في منزله.

أثناء وجوده في برلين، أصبح مفتونًا بالطريقة التي تنبعث بها الطاقة من الأجسام الساخنة بكميات متغيرة اعتمادًا على الطول الموجي. وقد حاول عدد من علماء الفيزياء العثور على وصف رياضي، ولكن لم ينجح أحد في ذلك بشكل كامل. من خلال الجمع بين المعادلات التي اشتقها فين ورايلي، أعلن بلانك في أكتوبر 1900 عن نتيجة تُعرف الآن باسم صيغة بلانك للإشعاع.

وفي غضون شهرين، شرح لماذا نجحت صيغته – وكان تفسيرا جريئا. لقد تخلى عن الفيزياء السابقة وقدم مفهوم “كميات” الطاقة. هذه “حزم” صغيرة يمكنها فقط الاحتفاظ بكميات محددة ومحددة من الطاقة.

في ديسمبر 1900، قدم تفسيره النظري المتعلق بالكميات في اجتماع Physikalische Gesellschaft في برلين. وبذلك، كان عليه أن يرفض اعتقاده بأن القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو قانون الطبيعة المطلق.

في البداية واجهت نظريته مقاومة، ولكن بسبب العمل الناجح الذي قام به نيلز بور في عام 1913 في حساب مواقع الخطوط الطيفية باستخدام النظرية، أصبحت مقبولة بشكل عام. ولدت نظرية الكم. قال بلانك نفسه إنه على الرغم من اختراعه لنظرية الكم، إلا أنه لم يفهمها بنفسه في البداية. ومع ذلك، حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1918 لإنجازه.

كان بلانك يبلغ من العمر 42 عامًا عندما أصدر إعلانه الكمي التاريخي، لكنه لم يلعب سوى دورًا بسيطًا في التطوير الإضافي لنظرية الكم. وقد ترك هذا لأينشتاين وبوانكاريه وبور وديراك وآخرين.

وكانت حياته الخاصة مليئة بالمأساة. توفيت زوجته الأولى عام 1909، وقُتل ابنه الأكبر عام 1916 خلال الحرب العالمية الأولى، وتوفيت ابنتاه أثناء الولادة. تم تدمير منزله في برلين بالنيران بعد غارة جوية في فبراير 1944، وكان ابنه الثاني يشتبه في تورطه في مؤامرة لاغتيال هتلر وتم إعدامه في عام 1945.

كان بلانك يبلغ من العمر 87 عامًا بحلول نهاية الحرب العالمية الثانية، ولكن من اللافت للنظر أنه كان قادرًا على بذل الجهد في إعادة بناء العلوم الألمانية كرئيس للقيصر فيلهلم جيزيلشافت. توفي في أكتوبر 1947.

نظرية ماكس بلانك الكمومية

كان العصر الكمي نتيجة لسلسلة من الاكتشافات المعملية خلال النصف الثاني من القرن التاسع عشر والتي رفضت أن يتم تفسيرها من خلال النظرة الكلاسيكية السائدة للعالم، وهي وجهة نظر تعتمد على الميكانيكا النيوتونية والكهرومغناطيسية والديناميكا الحرارية (فيزياء الحرارة). تبدو المشكلة الأولى سهلة بما فيه الكفاية: الأجسام الساخنة تبعث إشعاعات من نوع معين. على سبيل المثال، تبعث إشعاعًا في طيف الأشعة تحت الحمراء، لأن درجة حرارة جسمك تحوم حول 98 درجة فهرنهايت. وتتوهج الشمعة في الطيف المرئي لأنه أكثر سخونة. والسؤال إذن هو معرفة العلاقة بين درجة حرارة الجسم وتوهجه. وللقيام بذلك بطريقة مبسطة، لم يدرس الفيزيائيون الأجسام الساخنة بشكل عام، ولكن درسوا ما يحدث للتجويف عندما يتم تسخينه. وذلك عندما أصبحت الأمور غريبة.

أصبحت المشكلة التي وصفوها تُعرف باسم إشعاع الجسم الأسود، وهو الإشعاع الكهرومغناطيسي المحصور داخل تجويف مغلق. الجسم الأسود هنا يعني ببساطة الجسم الذي يصدر إشعاعاً من تلقاء نفسه، دون أن يدخل إليه أي شيء. وبدراسة خصائص هذا الإشعاع عن طريق إحداث ثقب في التجويف ودراسة الإشعاع المتسرب، تبين أن شكل ومادّة الجسم الأسود هي: التجويف لا يهم. كل ما يهم هو درجة الحرارة داخل التجويف. وبما أن التجويف ساخن، فإن الذرات من جدرانه ستنتج إشعاعات تملأ الفراغ.

تنبأت الفيزياء في ذلك الوقت بأن التجويف سوف يمتلئ في الغالب بإشعاع عالي الطاقة أو عالي التردد. لكن هذا لم يكن ما كشفته التجارب. وبدلا من ذلك، أظهروا أن هناك توزيعا للموجات الكهرومغناطيسية داخل التجويف بترددات مختلفة. تهيمن بعض الموجات على الطيف، ولكن ليس تلك ذات الترددات الأعلى أو الأدنى.

كافح بلانك. وفي 19 أكتوبر 1900، أعلن للجمعية الفيزيائية في برلين أنه حصل على صيغة تناسب نتائج التجارب بشكل جيد. لكن العثور على الملاءمة لم يكن كافيا. وكما كتب لاحقاً: “في نفس اليوم الذي قمت فيه بصياغة هذا القانون، بدأت أكرس نفسي لمهمة استثماره بمعنى مادي حقيقي”. لماذا هذا مناسب وليس واحد آخر؟

وفي عمله على شرح الفيزياء وراء صيغته، قاد بلانك إلى الافتراض الجذري بأن الذرات لا تطلق الإشعاع بشكل مستمر، ولكن بمضاعفات منفصلة لكمية أساسية. تتعامل الذرات مع الطاقة كما نتعامل مع المال، دائمًا بمضاعفات الكمية الأصغر. الدولار الواحد يساوي 100 سنت، وعشرة دولارات تساوي 1000 سنت. جميع المعاملات المالية في الولايات المتحدة تتم بمضاعفات السنت. بالنسبة لإشعاع الجسم الأسود بموجاته العديدة ذات الترددات المختلفة، يرتبط كل تردد يتم إطلاقه بحد أدنى متناسب من الطاقة. كلما زاد تردد الإشعاع، زادت “سنته”. الصيغة الرياضية لهذا “الحد الأدنى” من الطاقة هي E = hf، حيث E هي الطاقة، وf هو تردد الإشعاع، وh هو ثابت بلانك.

وقد وجد بلانك قيمته من خلال ملاءمة صيغته لمنحنى الجسم الأسود التجريبي. لا يمكن للإشعاع ذي تردد معين أن يظهر إلا كمضاعفات لـ “سنته” الأساسية، والتي أطلق عليها لاحقًا اسم “الكم”، وهي كلمة كانت تعني في اللاتينية المتأخرة جزءًا من شيء ما. وكما لاحظ الفيزيائي الروسي الأمريكي العظيم جورج جاموف ذات مرة، فإن فرضية بلانك عن الكم خلقت عالما حيث يمكنك إما أن تشرب نصف لتر من البيرة أو لا تشربها على الإطلاق، ولكن لا شيء بينهما.