عندما يتلامس الضوء مع المادة فإنه يكون ذو طبيعة جسيمية وليست موجية، كما أظهر أينشتاين في أول مقال له في "عام العجائب" والذي نال منه جائزة نوبل.
أميت هاجر
تجربة توماس يونغ ذات الشقين، من أهم التجارب التي أشارت إلى الطبيعة الموجية للضوء، والتي كانت تعتبر أمراً واقعاً حتى أينشتاين. يؤدي سقوط الضوء على لوحة فوتوغرافية (يسار) من خلال شقين إلى تكوين صورة تكون فيها المناطق مظلمة والمناطق فاتحة
تعتبر ميكانيكا الكم واحدة من أنجح نظريات الفيزياء الحديثة، وعلى الرغم من غرابتها ومفارقاتها التي تطرحها على المنطق السليم، فإنه من الصعب وصف النصف الثاني من القرن العشرين وبداية القرن الحادي والعشرين، مع وفرة من الابتكارات التكنولوجية، بدونها. لكن ما يبدو واضحًا للعلماء اليوم كان يعتبر بدعة بشكل رئيسي في السنوات الأولى من القرن العشرين. الطبيعة المستمرة للفضاء، كما عبرت عنها نظرية نيوتن للجاذبية أو نظريات المجال الكهربائي والمغناطيسي لجيمس كليرك ماكسويل، وخاصة الطبيعة المستمرة للضوء، والتي تم الكشف عنها للعلماء في عشرات التجارب على حيود وانكسار وانكسار الضوء. وكانت الأشعة الضوئية، وأشهرها "تجربة الشقين" لتوماس يونغ، تعتبر في ذلك الوقت أمرا واقعا. عرف كل فيزيائي حينها ما هو الضوء: إشعاع كهرومغناطيسي مستمر، أو بكلمات بسيطة، موجة.
ثم جاء أينشتاين، وفي مقال قصير أرسله إلى المجلة العلمية الشهرية "Annalen der physik" في مارس 1905، قلب الوعاء رأسًا على عقب. بدا عنوان المقال بريئًا تمامًا: "من وجهة نظر إرشادية في خلق النور وتحويله". لكنها أخفت واحدة من أعظم الثورات في الفيزياء الحديثة، إن لم تكن أعظمها. "بحسب الفرضية التي نوقشت هنا،" كتب أينشتاين في المقال، "عندما ينتشر شعاع الضوء في الفضاء ويخرج من نقطة ما فيه، فإن طاقته لا تتوزع بشكل مستمر... ولكنها تتكون من عدد محدود" من حزم الطاقة (الكمات)... والتي يتم امتصاصها وتشكيلها كوحدات كاملة فقط."
كان أينشتاين بالطبع على دراية بتجارب التداخل والانكسار والحيود التي تم من خلالها اكتشاف الطبيعة الموجية للضوء، لكن تلك الظواهر البصرية "الموجية" لم تمثل الحالات التي ينبعث فيها الضوء ("يخلق") من مصدر ما أو يمتصه ( "محول") بواسطة مصدر ما، أي الحالات التي يتلامس فيها الضوء مع عالم المادة الذرية. في الواقع، قبل خمس سنوات، حاول الفيزيائي الألماني ماكس بلانك تحليل سلوك الضوء عندما يتلامس مع الذرات، وفي هذه العملية اكتشف ثابت بلانك - الكمية المنفصلة والدنيا من الطاقة، بقياس 6.626X10-27 أرج. والثاني، والذي يفترض أنه يحل مشكلة تعرف باسم إشعاع الجسم الأسود.
الجسم الأسود هو الجسم الذي يمتص كل الإشعاعات التي تصل إليه. وبما أن مثل هذا الجسم يسخن نتيجة لهذا الإشعاع، فإنه يبدأ في إصدار إشعاع كهرومغناطيسي. وما لم يتمكن العلماء من تفسيره هو أن شدة هذا الإشعاع تعتمد فقط على درجة حرارة الجسم الأسود، وليس على أي معامل آخر. قدم بلانك نموذجًا فيزيائيًا لهذه الظاهرة، حيث أتاحت فرضيته القائلة بأن الطاقة تنبعث من المادة فقط في أجزاء منفصلة تفسير توزيع الإشعاع واعتماده على درجة الحرارة.
إذن، لم يكن أينشتاين أول من تحدث عن حزم الطاقة المنفصلة. لكن بلانك، في حله لمشكلة إشعاع الجسم الأسود، اعتبر حزم الطاقة المعزولة التي كان عليه أن يفترضها "نتاجًا لليأس"، وكان النموذج الفيزيائي الذي بناه قسريًا إلى حد ما. وعلى النقيض منه، أظهر أينشتاين في مقالته الرائدة مدى فائدة فرضية الكم، التي بموجبها "تخلق" أو "تتحول" الطاقة في وحدات منفصلة وليس كموجة مستمرة، خاصة عندما يتم تطبيقها على الإشعاع الكهرومغناطيسي.
تعتبر ورقة أينشتاين حول الفرضية الكمومية للضوء من أجمل الأوراق النظرية المكتوبة في تاريخ الفيزياء الحديثة، وفي عام 1921 حصل أينشتاين على جائزة نوبل في الفيزياء. يصف أينشتاين في المقال كيف، من خلال الاعتبارات الديناميكية الحرارية والاحتمالية، التي طرحها لأول مرة الفيزيائي النمساوي لودفيج بولتزمان، توصلوا إلى فرضية مفادها أن الضوء ذو طبيعة جسيمية وليس موجة. استخدم أينشتاين في مقالته نموذجًا مألوفًا لكل فيزيائي، حيث "يختلط" الإشعاع (الضوء) والمادة (جزيئات الغاز والإلكترونات داخل وعاء مغلق) مع بعضهما البعض، وذلك عندما تصطدم جزيئات الغاز بجدران الكون. الحاوية ومع وجود الإلكترونات بداخلها، ينبعث الضوء وتمتصه الإلكترونات. لكن هذا الوصف البريء، كما أظهر أينشتاين، يحتوي على كارثة، لأنه بدون افتراض أن الإشعاع الضوئي المنبعث من الإلكترونات أو الممتصة بها منفصل ومتقطع، يتنبأ النموذج بأن طاقة الإشعاع الضوئي داخل الحاوية ستصبح لا نهائية. توقع سخيف بشكل واضح.
وقد أظهر أينشتاين جدوى فرضية الكم لاحقًا في المقال، عندما أظهر كيف تؤدي وجهة نظر "الجسيم" للضوء إلى حل مشاكل فيزيائية إضافية، والتي كانت حتى ذلك الوقت لغزًا. وأشهرها مشكلة التأثير الكهروضوئي. تم اكتشاف هذا التأثير لأول مرة في عام 1887 من قبل الفيزيائي الألماني هاينريش هيرتز، ويعتمد على ظاهرة مفادها أن الضوء الذي يسقط على جسم معدني يسبب انبعاث الإلكترونات. وكانت هذه الظاهرة حجر عثرة كبير أمام النظرية الموجية للضوء، حيث كان من المستحيل التوفيق بين التفاعل الذي أدى إلى انبعاث الإلكترونات الفردية مع الطبيعة المستمرة للضوء. إن الافتراض بأن الضوء ليس مستمرًا ولكنه "مكون" من حزم منفصلة، والتي ستُسمى لاحقًا بالفوتونات، قد حل المشكلة.
تجدر الإشارة إلى أن أينشتاين لم يثبت وجود الفوتونات، بل أظهر فقط مدى خصوبة فرضية وجودها، بل وقدم تنبؤات دقيقة للتأكيد في سياق التأثير الكهروضوئي. ولكن على الرغم من أن هذه التنبؤات تم التحقق منها بدقة مذهلة في عام 1916 في سلسلة من التجارب التي أجراها الفيزيائي الأمريكي روبرت ميليكين، حتى عام 1923، وهو العام الذي أظهر فيه الفيزيائي الأمريكي آرثر كومبتون أن الضوء يتصرف تمامًا كما تنبأ أينشتاين - كما لو كان كانت مكونة من كرات بلياردو صغيرة تصطدم ببعضها البعض - ومن بين العلماء يدرك الكثيرون صحة فرضية الكم. ومن المثير للاهتمام أيضًا رد فعل بلانك نفسه، الذي "جند" أينشتاين في الأكاديمية البروسية للعلوم. وفي خطاب ألقاه في حفل قبول أينشتاين في الأكاديمية عام 1913، قال إن "حقيقة أن أينشتاين يبالغ أحيانًا في تكهناته، كما في حالة الفرضية الكمومية للضوء، لا ينبغي اعتبارها نقطة ضده. "
وسرعان ما أصبحت جسيمات الضوء، أي الفوتونات، إحدى خواص الفيزياء الحديثة، ومن المستحيل تصور تطور ميكانيكا الكم بدونها. في الواقع، وفقًا لنظرية المجال الكمي والديناميكا الكهربائية الكمومية، فإن الفوتون هو الجسيم الذي "يتوسط" القوى الكهرومغناطيسية. لكن ميكانيكا الكم، بالإضافة إلى الطبيعة الجسيمية للضوء، تبنت أيضًا الطبيعة الموجية للمادة، وقد أحدثت هذه الازدواجية مفارقات وغرائب لم يحظ بها أينشتاين نفسه، رغم أنه يعتبر أحد آباء النظرية. من القبول. بعد مرور 30 عامًا على مقال فرضية الكم، شن أينشتاين هجومًا غير مسبوق على ميكانيكا الكم. قبل وفاته، كتب عن الفوتونات في رسالة إلى صديق: "بعد خمسين عامًا من الصراع مع السؤال "ما هو كم الضوء"، ما زلت بعيدًا عن الإجابة".
الدكتورة هاجر فيلسوفة في الفيزياء
غداً: الابتكار الكبير والأخطاء الصغيرة في رسالة الدكتوراه لأينشتاين
