استطاع بور أن يفسر ثبات الذرة عبر تطبيق نظرية الكم على النموذج الذري، ليس هذا فحسب، بل قدم تفسيرا نظريا للطيف الخطي Line Speera المنبعث من الذرة بعد تنشيطها بالتفريغ الكهربائي أو الحرارة. تقوم نظريته على مزيج من الميكانيكا الكلاسيكية لحركة الإلكترونات تحت شروط الكم، حيـث تـم فرضها على الحركات الكلاسيكية لتحديد حالات الثبات المنفصلة للنظام الذري. أما الصياغة الرياضيائية المنسقة لهذه الشروط فقد قدمت في وقت لاحق عبر سومرفيلد كان بور مدرك تماما لحقيقة أن شروط الكم تفسد أحيانا اتساق وتماسك الميكانيكا النيوتونية. فوفقا لنظرية بور يمكن للمرء أن يحسب ترددات الضوء المنبعث من حالة بسيطة لذرة هيدروجين، فضلا عن أن التوافق مع الملاحظات قد بلغ حد الكمال. بيد أن هذه الترددات كانت مختلفة عن الترددات المدارية وتوافقها مع الإلكترونات الدائرة حول النواة تجلت الحقيقة لأول وهلة بأن النظرية كانت وما زالت مفعمة بالمتناقضات بيد أنها تتضمن جزءا جوهريا من الحقيقة، فهـي تفسر بشكل كمي المسلك الكيميائي للذرات وأطيافها الخطية، ولقد تم التحقق من وجود حالات ثبات منفصلة عن طريق تجارب فرانك Franck وهيرتز Hertz وشتيرن Stern وجير لاخ Gerlach .

فتحت نظرية بور اتجاها جديدا في البحث، فقد أتاح هذا الكم الهائل من المواد التجريبية التي تم جمعها عبر التحليل الطيفي لعدة عقود، الحصول على معلومات تتعلق بقوانين الكم غير المألوفة التي تحكم حركات الإلكترونات في الذرة. وقد أجريت العديد من تجارب الكيمياء لهذا الغرض، وتعلم الفيزيائيون منذ ذلك الحين أن يطرحوا التساؤلات الوجيهة، حيث إن طرح السؤال الوجيه يمثل أكثر من نصف الطريق نحو حل المشكلة.

فما هذه التساؤلات؟ كان معظمها تقريبا يدور حول المتناقضات الغريبة الظاهرة للعيان بين نتائج التجارب المختلفة. كيف يمكن لنفس الإشعاع الذي يقدم أنماطا من التداخل، ومع ذلك يتألف بالضرورة من موجات، ينتج عنه أيضا تأثير كهروضوئي، ومع ذلك يتألف من جسيمات متحركة؟ كيف لا تتبدى الحركة المدارية للإلكترون في الذرة في تردد الإشعاع المنبعث ؟ هل هذا يعني أنه لا يوجد ثمة حركة مدارية؟ ولكن إذا كانت فكرة الحركة المدارية خاطئة، فما الذي يحدث للإلكترون داخل الذرة؟ قد يتمكن المرء من رؤية حركة الإلكترونات عبر غرفة سحابية (1) Cloud Chamber، وأحيانا يتم تفريغها من الذرة، فلماذا لا ينبغي أيضا أن تتحرك داخل الذرة؟ صحيح أن الإلكترونات ربما تبقى على حالتها من الثبات في الحالة الطبيعية للذرة، حالة أدني طاقة. بيد أن هناك العديد من حالات الطاقة الأعلى، حيث يكون للقشرة الإلكترونية تحرك زاوي. لا يمكن أن تكون الإلكترونات في حالة ثبات، قد يضيف المرء عددا من الأمثلة المشابهة. بحيث يجد المرء، مرارا وتكرارا، أن محاولة وصف الأحداث الذرية بمصطلحات الفيزياء التقليدية قد أدى إلى تناقضات.

اعتاد الفيزيائيون تدريجيا خلال أوائل العشرينيات من القرن العشرين على مثل هذه الصعوبات واكتسبوا معرفة إلى حد ما غامضة عن مكمن المشكلة، وتعلموا كيف يتفادوا تلك المتناقضات. لقد تعرفوا على أن أي وصف للواقعة الذرية يمكن أن يكون صحيحا بالنسبة لتجربة خاصة قيد المناقشة. هذا لم يكن كافيا لتشكيل صورة متسقة عامة تفسر ما الذي يحدث في عملية الكم. بل غيرت آراء الفيزيائيين بطريقة ما وأوصلتهم إلى روح نظرية الكم. لذلك عرفنا على أيه حال، قليلا أو كثيرا عن ما ستؤول إليه نتيجة تجربة ما قبل وجود صياغة متسقة لنظرية الكم.

إحدى المناقشات المثارة بشكل متكرر تلك التي تسمى بالتجارب المثالية، حيث أسست هذه التجارب للإجابة عن التساؤلات الحاسمة بغض النظر عن إمكانية تنفيذها، من المهم بطبيعة الحال من حيث المبدأ، أن نجري التجربة، إلا إن التقنية ربما تكون معقدة للغاية. قد تكون التجارب المثالية مفيدة للغاية في توضيح مشكلات بعينها، ولكن إذا لم يكن هناك اتفاق بين الفيزيائيين حول نتيجة تجربة مثالية ما، ففي كثير من الأحيان نتمكن من العثور على تجربة بسيطة شبيهة يمكن إجراؤها، ومن ثم فإن الإجابة التجريبية ساهمت بشكل جوهري في توضيح نظرية الكم.

كانت الخبرة الأغرب في تلك السنيين هي عدم تلاشي مفارقات نظرية الكم خلال عملية التوضيح تلك، بل على العكس، غدت أكثر بروزا وأكثر إثارة. كانت هناك على سبيل المثال تجربة كومبيتون Compton المتعلقة باستطارة أشعة إكس. تقول التجارب المبكرة عن تداخل الضوء المستطار أنه ليس ثمة شك أن الاستطارة تحدث بشكل جوهري على هذا النحو: تتسبب موجة الضوء الساقط على اهتزاز شعاع إلكترون بتردد الموجة نفسه؛ ثم يبعث الإلكترون موجة كروية بالتردد نفسه، وبالتالى ينتج الضوء المستطار. ومع ذلك وجد كومبيتون في عام 1923 أن تردد أشعة إكس المستطارة مختلفة عن تردد أشعة إكس الساقطة، يمكن أن يفهم هذا الاختلاف في التردد شكليا بافتراض أن الاستطارة تنتج عن اصطدام كم ضوء بالإلكترون، فطاقة كم الضوء تتغير في أثناء عملية التصادم، ولما كان حاصل ضرب التردد × ثابت بلانك ينتج عنه طاقة كم الضوء، فمن الضروري أن يتغير التردد. ولكن ما الذي حدث في هذا التفسير لموجة الضوء؟ بدت التجربتان الأولى المتعلقة بتداخل الضوء المستطار والأخرى عن تغير تردد الضوء المستطار - متناقضتان مع بعضهما بعضاً دون إمكانية إيجاد حل وسط.

كان العديد من الفيزيائيين فى ذلك الوقت، على قناعة بأن مثل هذه التناقضات الظاهرة للعيان ترجع للبنية الجوهرية للفيزياء الذرية، لذا حاول بدوى De Broglie عام 1924 في فرنسا أن يمتد بهذه الثنائية بين وصف الموجة ووصف الجسيم إلى الجسيمات الأولية أو بالأحرى الإلكترونات. فقد أثبت أن موجة مادة ما قد تتطابق مع إلكترون متحرك، تماما كما تتطابق موجة ضوء مع كم ضوء متحرك. لم يكن واضحا وقتئذ ما الذى تعنيه كلمة "تطابق"، في هذا الصدد. بيد آن دی بروی اقترح ضرورة تفسير شرط الكم في نظرية بور على أنه تعبير عن موجات المادة. يمكن أن تكون الموجة التي تدور حول النواة ثابتة فقط في وجود أسباب هندسية، ومن الضروري أن يكون محيط المدار عددا صحيحا مضاعف لطول الموجة ارتبطت فكرة دى بدوى بهذه الطريقة، بشرط الكم، تلك الفكرة التي كانت دائما عنصرا غريبًا فى ميكانيكا الإلكترونات، أعنى: ثنائية الموجة - الجسيمات.

أما التناقض بين حساب التردد المداري للإلكترونات، وتردد الإشعاع المنبعث في نظرية بور، إنما يرجع كونه قصورا في مفهوم مدار الإلكترون هذا المفهوم الذي كان موضع شك منذ البداية، تتحرك الإلكترونات في المدارات العليا على مسافات بعيدة من النواة وهي تفعل بالمثل تماما عندما يراها المرء تتحرك خلال الغرفة السحابية. يمكننا أن نتحدث هنا عن المدارات الإلكترونية لذا كان من الملائم تماما لهذه المدارات العليا لترددات الإشعاع المنبعث، أن تقترب من التردد المدارى وتوافقاتها العليا. كما اقترح بور في أبحاثه المبكرة بأن شدة خطوط الطيف المنبعثة تقترب من شدة التوافقات المتطابقة، وقد تم البرهنة على مبدأ التطابق Principle of correspondence على أكمل وجه في الحساب التقريبي الشدة الخطوط الطيفية. يمكن للمرء بهذة الطريقة أن يصل إلى انطباع مؤاده إن نظرية بور تمدنا بوصف نوعى لا كمى لما يحدث داخل الذرة، وهذا أفضى إلى سمة جديدة لسلوك المادة تم التعبير عنها بشكل كمي عن طريق شروط الكم، والتي ارتبطت بدورها بثنائية الموجات والجسيمات.

مواضيع ذات صلة

الفيزياء في مواجهة التناقض: الضوء، الجاذبية، والكم

تقليد قديم وآخر جديد: نظرية الكم بين الفلسفة والفيزياء

ولادة ميكانيكا الكم: من مفكوك فورريه إلى تفسير كوبنهاجن

النقد والنقد المضاد لتفسير كوبنهاجن لنظرية الكم

نظرية الكم وبنية المادة

علاقة نظرية الكم بفروع العلوم الطبيعية الأخرى

نظرية الكم وجذور العلوم الذرية

الفزياء والكون .. ميكانيكا الكم

ميكانيكا الكم الخاصة بالروابط

ما الفائدة؟

إعادة النظر في اللامحلية

عوالم متعدّدة