یک قرن با کوانتوم؛ مروری بر انقلابی‌ترین ایده‌های دنیای فیزیک
کار بور، پلی میان فیزیک کلاسیک و دنیای نوظهور مکانیک کوانتومی ساخت؛ پلی که نه‌تنها فیزیک اتمی را متحول کرد، بلکه چشم‌انداز دانشمندان را نسبت به ماهیت ماده و نور به کلی تغییر داد.
۱۹۱۹ | پیشنهاد کوانتومی‌بودن پدیده مغناطیس
در سال ۱۹۱۹، هندریکا یوهانا فن‌لیوون، فیزیکدان هلندی، در پایان‌نامه‌ی دکترای خود به نتیجه‌ای شگفت‌انگیز و بنیادین رسید: اگر بخواهیم فقط با قوانین فیزیک کلاسیک رفتار مغناطیسی مواد را توصیف کنیم، به نتیجه‌ای پوچ می‌رسیم؛ هیچ ماده‌ای نباید خاصیت مغناطیسی داشته باشد.
او در این تحقیق نشان داد که مدل‌های کلاسیک قادر نیستند پدیده‌ی مغناطیس را توضیح دهند. به بیان دیگر، حرکت الکترون‌ها در اتم‌ها، آنگونه که فیزیک کلاسیک پیش‌بینی می‌کند، هیچ میدان مغناطیسی‌ای تولید نمی‌کند. این نتیجه که بعدها به «قضیه‌ی فن‌لیوون» مشهور شد، یک پارادوکس بزرگ را آشکار کرد: اگر فیزیک کلاسیک کافی است، پس وجود آهنربا را چگونه باید توضیح داد؟
قضیه فن‌لیوون نخستین هشدار جدی به فیزیک کلاسیک بود: بدون کوانتوم، حتی وجود آهنربا هم بی‌معنا است
اهمیت این نتیجه زمانی آشکار شد که فیزیک کوانتوم وارد میدان شد. با ورود مفاهیمی مانند اسپین الکترون و اصل طرد پائولی، تصویر کاملاً متفاوتی از مغناطیس شکل گرفت. اکنون روشن بود که پدیده‌هایی مانند فرومغناطیس، پارامغناطیس و دیامغناطیس، همگی ریشه در ویژگی‌های کوانتومی ذرات دارند؛ ویژگی‌هایی که هیچ جایی در فیزیک کلاسیک ندارند.
فن‌لیوون با کار دقیق و عمیق خود، بی آنکه در مرکز توجه باشد، یکی از نخستین زنگ‌های بیدارباش را برای جامعه‌ی فیزیک به‌صدا درآورد: برای درک واقعی جهان، باید قوانین کوانتوم را بپذیرید. این پایان‌نامه، بی‌سروصدا اما انقلابی، نقطه‌ی عطفی در مسیر گذار فیزیک، از کلاسیک به کوانتوم بود.
۱۹۲۵ | آغاز ریاضی مکانیک کوانتومی؛ هایزنبرگ و جبر ماتریسی
در تابستان ۱۹۲۵، ورنر هایزنبرگ جوان، برای دور شدن از آلرژی‌های شدیدش و رسیدن به آرامش، به جزیره‌ی بادخیز هلگولند در دریای شمال رفت؛ اما آنچه در آن جزیره اتفاق افتاد، نه فقط برای او بلکه برای کل فیزیک، سرنوشت‌ساز بود.
هایزنبرگ، که از سردرگمی نظریه‌های کلاسیک درباره‌ی حرکت الکترون‌ها خسته شده بود، تصمیم گرفت همه‌چیز را از نو بنویسد. او ویژگی‌های ذرات ریزاتمی، مثل مکان و سرعت، را نه به‌عنوان مقادیر دقیق، بلکه به‌صورت جدول‌هایی از مقادیر (که امروز آن‌ها را ماتریس می‌نامیم) در نظر گرفت.
وقتی این محاسبات را به استادش، ماکس بورن، نشان داد، بورن با نگاهی تیزبین متوجه شد که این جدول‌ها، درواقع همان جبر ماتریسی هستند. او گفت: «اگر این محاسبات درست باشند، ما با زبان جدیدی برای فیزیک روبه‌رو هستیم.»
۱۹۲۶ | شرودینگر و معادله موجی
در سال ۱۹۲۶، اروین شرودینگر با ارائه‌ی رویکردی متفاوت، افق‌های تازه‌ای در نظریه‌ی کوانتوم گشود. برخلاف مدل ماتریسی هایزنبرگ که به زبان جبری و نسبتاً انتزاعی بیان شده بود، شرودینگر تلاش کرد تصویری پیوسته و شهودی از رفتار ذرات زیراتمی ارائه دهد. او الکترون را نه به‌عنوان یک ذره‌ی نقطه‌ای، بلکه به‌صورت موجی گسترده در فضا توصیف کرد.
شرودینگر برای این کار، معادله‌ی دیفرانسیلی معرفی کرد که به «معادله‌ی شرودینگر» مشهور شد. این معادله توصیف می‌کند که چگونه «تابع موج» یک ذره در فضا و زمان تغییر می‌کند. تابع موج، کمیتی ریاضی است که اطلاعات کاملی از سیستم کوانتومی می‌دهد و مربع قدر مطلق آن، احتمال یافتن ذره در مکان‌های مختلف را مشخص می‌کند.
مدل موجی شرودینگر توانست با دقت بالایی رفتار الکترون‌ها را در اتم هیدروژن توصیف کند و توضیح دقیقی برای خطوط طیفی آن ارائه دهد؛ دستاوردی که در آن زمان موفقیتی چشمگیر به‌شمار می‌رفت. مهم‌تر از آن، این رویکرد بستری برای توسعه‌ی نظریه‌ی کوانتوم در حوزه‌های مختلف، مانند شیمی کوانتوم و فیزیک ماده چگال، فراهم کرد.
اگرچه در ظاهر، معادله‌ی شرودینگر با نظریه‌ی ماتریسی هایزنبرگ تفاوت داشت، بعدها نشان داده شد که این دو چارچوب، از نظر فیزیکی معادل یکدیگر هستند. بااین‌حال، رویکرد شرودینگر به‌دلیل شهود قوی‌تر، برای بسیاری از فیزیک‌دانان پذیرفتنی‌تر بود. معادله‌ی موجی شرودینگر به‌سرعت به یکی از پایه‌های اصلی مکانیک کوانتوم تبدیل شد و هنوز هم در قلب آموزش و پژوهش‌های کوانتومی جا دارد.
۱۹۳۵ | گربه زنده-مرده و کنش شبح‌وار
در سال ۱۹۳۵، فیزیک کوانتوم وارد یکی از رمزآلودترین و فلسفی‌ترین مراحل تاریخی خود شد. اروین شرودینگر، برای نشان‌دادن عجایب نظریه‌ی کوانتوم، آزمایشی ذهنی به‌نام گربه‌ی شرودینگر طراحی کرد.
در این آزمایش فرضی، گربه‌ای درون جعبه‌ای بسته قرار دارد. در کنار او، یک ماده‌ی رادیواکتیو، شمارنده و ظرفی حاوی سم قرار گرفته‌اند. اگر ماده‌ی رادیواکتیو واپاشی کند، شمارنده آن را ثبت می‌کند، چکش فعال و درنهایت، سم آزاد می‌شود. اما طبق اصول کوانتومی، تا زمانی که به داخل جعبه نگاه نکرده‌ایم، ماده همزمان در دو حالت واپاشی‌شده و واپاشی‌نشده قرار دارد. در نتیجه، گربه نیز همزمان هم زنده است و هم مرده. تنها با مشاهده، یکی از این دو وضعیت انتخاب می‌شود.
