نیلز بور (۱۹۶۲-۱۸۸۵)، از بنیانگذاران فیزیک کوانتوم، در مورد چیزی که بنیان گذارده است، جمله ای دارد به این مضمون که: "اگر کسی بگوید فیزیک کوانتوم را فهمیده، پس چیزی نفهمیده است." ما هم در اینجا می خواهیم چیزی را برایتان توضیح دهیم که قرار است نفهمید! تقسیم ماده: بیاییداز یک رشته‌ی دراز ماکارونی پخته شروع کنیم. اگر این رشته‌ی ماکارونی رانصف کنیم، بعد نصف آن را هم نصف کنیم، بعد نصفِ نصف آن را هم نصف کنیمو... شاید آخر سر به چیزی برسیم ــ البته اگر چیزی بماند! ــ که به آنمولکولِ ماکارونی میتوان گفت؛ یعنی کوچکترین جزئی که هنوز ماکارونی است. حال اگر تقسیم کردن را باز هم ادامه بدهیم، حاصل کار خواص ماکارونی رانخواهد داشت، بلکه ممکن است در اثر ادامه‌ی تقسیم، به مولکول‌های کربن یاهیدروژن یا... بربخوریم. این وسط، چیزی که به درد ما می خورد ــ یعنی بهدردِ نفهمیدن کوانتوم! ــ این است که دست آخر، به اجزای گسسته ای به ناممولکول یا اتم می رسیم. این پرسش از ساختار ماده که «آجرک ساختمانیماده چیست؟»، پرسشی قدیمی و البته بنیادی است. ما به آن، به کمک فیزیککلاسیک، چنین پاسخ گفته ایم: "ساختار ماده، ذره ای و گسسته است"؛ این یعنینظریه‌ی مولکولی. تقسیم انرژی: بیایید ایده‌یتقیسم کردن را در مورد چیزهای عجیب تری به کار ببریم، یا فکر کنیم که میتوان به کار برد یا نه. مثلاً در مورد صدا. البته منظورم این نیست که داخلیک قوطی جیغ بکشیم و در آن را ببندیم و سعی کنیم جیغ خود را نصف ـ نصفبیرون بدهیم. صوت یک موج مکانیکی است که می تواند در جامدات، مایعات وگازها منتشر شود. چشمه های صوت معمولاً سیستم های مرتعش هستند. ساده تریناین سیستم ها، تار مرتعش است، که در حنجره ی انسان هم از آن استفاده شدهاست. به‌راحتی(!) و بر اساس مکانیک کلاسیک می توان نشان داد که بسیاری ازکمیت های مربوط به یک تار کشیده مرتعش، از جمله فرکانس، انرژی، توان و... گسسته (کوانتیده) هستند. گسسته بودن در مکانیک موجی، پدیده ای آشنا وطبیعی است (برای مطالعه‌ی بیشتر می توانید به فصل‌های ۱۹ و ۲۰ «فیزیکهالیدی» مراجعه کنید). امواج صوتی هم مثال دیگری از کمیت های گسسته(کوانتیده) در فیزیک کلاسیک هستند. مفهوم موج در مکانیک کوانتومی و فیزیکمدرن جایگاه بسیار ویژه و مهمی دارد که جلوتر به آن می رسیم و یکی ازمفاهیم کلیدی در مکانیک کوانتوم است. پس گسسته بودن یک مفهوم کوانتومینیست. این تصور که فیزیک کوانتومی مساوی است با گسسته شدن کمیت هایفیزیکی، همه‌ی مفهوم کوانتوم را در بر ندارد؛ کمیت های گسسته در فیزیککلاسیک هم وجود دارند. بنابراین، هنوز با ایده‌ی تقسیم کردن و سعی برایتقسیم کردن چیزها می‌توانیم لذت ببریم! مولکول نور: خوب! تا اینجا داشتیم سعی می کردیم توضیح دهیم که مکانیک کوانتومی چه چیزی نیست. حالا می رسیم به شروع ماجرا: فرضکنید به جای رشته‌ی ماکارونی، بخواهیم یک باریکه‌ی نور را به طور مداومتقسیم کنیم. آیا فکر می کنید که دست آخر به چیزی مثل «مولکول نور» (یاآنچه امروز فوتون می‌نامیم) برسیم؟ چشمه های نور معمولاً از جنس مادههستند. یعنی تقریباً همه‌ی نورهایی که دور و بر ما هستند از ماده تابشمی‌کنند. ماده هم که ساختار ذره ای ـ اتمی دارد. بنابراین، باید ببینیماتم ها چگونه تابش می کنند یا می توانند تابش کنند؟ تابش الکترون: درسال ۱۹۱۱، رادرفورد (۹۴۷-۱۸۷۱) نشان داد که اتم ها، مثل میوه‌ها، دارایهسته‌ی مرکزی هستند. هسته بار مثبت دارد و الکترونها به دور هسته میچرخند. اما الکترون های در حال چرخش، شتاب دارند و بر مبنای اصولالکترومغناطیس، «ذره‌ی بادارِ شتابدار باید تابش کند» و در نتیجه انرژی ازدست بدهد و در یک مدار مارپیچی به سمت هسته سقوط کند. این سرنوشتی بود کهمکانیک کلاسیک برای تمام الکترونها پیش بینی می‌کند. طیف تابشی اتمها، برخلاف فرضیات فیزیک کلاسیک گسسته است. به عبارت دیگر ، نوارهایی روشن وتاریک در طیف تابشی دیده می‌شوند. اگر الکترونها به این توصیه عملمی‌کردند، همه مواد (از جمله ما انسانها) باید از خود اشعه تابشمی‌کردند (و همانطور که می‌دانید اشعه برای سلامتی بسیار خطرناک است)، ولیمی‌بینیم از تابشی که باید با حرکت مارپیچی الکترون به دور هسته حاصل شوداثری نیست و طیف نوری تابش‌شده از اتمها بجای اینکه در اثر حرکت مارپیچی و سقوط الکترون پیوستهباشد، یک طیف خطی گسسته است؛ مثل برچسبهای رمزینه‌ای (barcode) که رویاجناس فروشگاهها می‌زنند. یعنی یک اتم خاص ، نه تنها در اثر تابش فرونمی‌ریزد، بلکه نوری هم که از خود تابش می‌کند، رنگهای یا فرکانسهای گسستهو معینی دارد. گسسته بودن طیف تابشی اتمها از جمله علامت سؤالهای ناجور درمقابل فیزیک کلاسیک و فیزیکدانان دهه‌‌ی 1890 بود فاجعه‌ی فرابنفش: برگردیم سر تقسیم کردن نور. ماکسول (۱۸۷۹-۱۸۳۱) نور را به صورت یک موج الکترومغناطیس در نظر گرفته بود. ازاین رو، همه فکر می کردند نور یک پدیده‌ی موجی است و ایده‌ی «مولکولِنور»، در اواخر قرن نوزدهم، یک لطیفه‌ی اینترنتی یا SMS کاملاً بامزه وخلاقانه محسوب می شد. به هر حال، دست سرنوشت یک علامت سؤال ناجور هم برایماهیت موجی نور در آستین داشت که به «فاجعه‌ی فرابنفش» مشهور شد: یکمحفظه‌ی بسته و تخلیه‌شده را که روزنه‌ی کوچکی در دیواره‌ی آن وجود دارد،در کوره ای با دمای یکنواخت قرار دهید و آن‌قدر صبر کنید تا آنکه تماماجزا به دمای یکسان (تعادل گرمایی) برسند. در دمای به اندازه‌ی کافی بالا، نور مرئی از روزنه‌ی محفظه خارج می‌شود، مثل سرخ و سفید شدن آهن گداخته در آتش آهنگری. درتعادل گرمایی، این محفظه دارای انرژی تابشی‌ای است که آن را در تعادلتابشی - گرمایی با دیواره ها نگه می‌دارد. به چنین محفظه‌ای «جسم سیاه» می‌گوییم. یعنی اگر روزنه به اندازه‌ی کافی کوچک باشد و پرتو نوری واردمحفظه شود، گیر می‌افتد و نمی‌تواند بیرون بیاید. نمودار انرژی تابشی در واحد حجم محفظه، برحسب رابطه رایلی- جینز در فیزیک کلاسیک و رابطه پیشنهادی پلانک فرض کنید میزان انرژی تابشی در واحد حجمِ محفظه (یا چگالی انرژی تابشی) در هر لحظه U باشد. سؤال: چه کسری از این انرژی تابشی که به شکل امواج نوری است، طول موجی بین ۵۴۶ (طول موج نور زرد) تا ۵۷۸ نانومتر (طول موج نور سبز) دارند؟ جوابِفیزیک کلاسیک به این سؤال برای بعضی از طول موج‌ها بسیار بزرگ است! یعنیدر یک محفظه‌ی روزنه دار که حتماً انرژی محدودی وجود دارد، مقدار انرژی دربرخی طول موج‌ها به سمت بی نهایت می‌رود. این حالت برای طول موج‌هایفرابنفش شدیدتر هم می‌شود. رفتار موجی ـ ذره‌ای: درسال ۱۹۰۱ ماکس پلانک (Max Planck: ۱۹۴۷-۱۸۵۸) اولین گام را به سوی مولکولنور برداشت و با استفاده از ایده‌ی تقسیم نور، جواب جانانه ای به این سؤالداد. او فرض کرد که انرژی تابشی در هر بسامد v ــ بخوانید نُو ــ به صورتمضرب صحیحی از hاست که در آن h یک ثابت طبیعی ــ معروف به «ثابت پلانک» ــ است. یعنی فرض کرد که انرژی تابشی در بسامد از «بسته های کوچکی باانرژی h» تشکیل شده است. یعنی اینکه انرژی نورانی، «گسسته» و «بسته ـبسته» است. البته گسسته بودن انرژی به تنهایی در فیزیک کلاسیک حرف ناجورینبود (همانطور که قبل‌تر در مورد امواج صوتی دیدیم)، بلکه آنچهگیج‌کننده بود و آشفتگی را بیشتر می‌کرد، ماهیت «موجی ـ ذره‌ای» نور بود. این تصور که چیزی ــ مثلاً همین نور ــ هم بتواند رفتاری مثل رفتار «موج» داشته باشد و هم رفتاری مثل «ذره»، به طرز تفکر جدیدی در علم محتاج بود. ذره چیست؟ ذره عبارت است از جرم (یا انرژیِ) متمرکز با مکان و سرعت معلوم. موجچیست؟ موج یعنی انرژی گسترده شده با بسامد و طول موج. ذرات مختلفمی‌توانند با هم برخورد کنند، اما امواج با هم برخورد نمی‌کنند، بلکهتداخل می‌کنند . نور قرار است هم موج باشد هم ذره! یعنی دو چیز کاملاًمتفاوت.
