در بهار 1913 سؤال قدیمی ماده از چه چیزی ساخته شده است، ذهن نیلس هنریک دیوید را به خود مشغول کرده بود. پاسخ وی به این سؤال که انقلابی را برپا میکرد در الگوی اتم نیتروژن نهفته بود. کار او اهمیت زیادی داشت و نقطه عطفی در فیزیک نظری به حساب میآمد. ولی طبق نظریه مکانیک نیوتن و الکترومغناطیس مکث وین که در آن دوره اعتبار و اهمیت ویژهای داشت، نظریه وی نمیتوانست درست باشد، اما به سادگی درک میشد. بُور برای اتم الگوی ذرهای همانند مجموعه منظومه شمسی را پیشنهاد کرد. در این الگو یک هسته سنگین با بار مثبت جانشین خورشید میشود و الکترون نیز همانند یک سیاره به دور آن میگردید. همانند سیارهای که با نیروی جاذبه در مدار به دور خورشید باقی میماند، الکترون نیز با نیروی الکتریسیته به طرف هسته جذب میشود. به رغم تفاوت ظاهری این دو با نیرویی که به صورت عکس مجذور شعاع ظاهر میشوند، جذب میشوند و هر دو مدار همسانی را طی میکنند. مدار سیارات همانطور که نیوتن توضیح داده بود بیضوی است. البته بسته به میزان خروج از مرکز این مدار میتواند شکل دایره را به خود بگیرد. برای سادگی بیشتر نیزبور مدار اتمها را به صورت دایره در نظر گرفت در یک مدار دایرهای شکل انرژی پتانسیل برابر D منهای R و انرژی جنبشی برابر نصف این مقدار ولی با علامت مثبت است. از اینرو انرژی کل برابر است با منهای یک دو دی (D) بر روی R این فرمول برای سیارات و اتم صادق است. به نظر میرسید که این الگو با مکانیک نیوتنی سازگار است. مشکل آن کجا بود؟ به عبارت دیگر این فرضیه چگونه قوانین فیزیک آن روزگار را نقض میکرد و اگر او واقعاً قوانین فیزیک را نقض کرده بود چرا همه دانشمندان از همان ابتدا با او به مخالفت برنخاستند؟ نخست به این دلیل که این مرد جوان هنوز در ابتدای راه بود و کار وی به بازنگری بیشتری نیاز داشت. با این حال بور جوان که به راهی جداگانه میرفت گام را فراتر نهاد و معتقد بود که الکترونها تنها میتوانند در مدارهای مشخصی وجود داشته باشند. این امر با قوانین نیوتن تناقض داشت. او همچنین برخلاف نظر مکث وین اظهار داشت که: الکترونها هنگامی که از مداری به مدار دیگر میروند میتوانند انرژی جذب کنند و آن را از دست بدهند. این اظهارات چیزی بیشتر از یک تناقض بودند و در دنیای فیزیک آن روز این گفتار مخالف با قوانین فیزیک بود. ولی چیزی که باعث رسیدن وی به چنین دیدگاهی شده بود، یک نسل قبل از او، پروفسور جیمز مکث ون درباره اتمی کتابی نوشته است. او که وظیفه ویراستاری دایرة المعارف بریتانیکا را نیز عهدهدار بود، با ورود به دنیای اتمها یکی از پیشرفتهترین موضوعهای علمی روز را مطرح و همچنین آنچه را که از گذشته در این زمینه وجود داشت، جمعبندی کرد. قرنها پیش از میلاد مسیح فیلسوفی یونانی به نام دموکراتوس اتم را به صورت ذرات متحرکی که درون فضای تهی حرکت میکنند، در نظر گرفت. ولی ارسطو با این دیدگاه درباره اتم مخالف بود. موضوع آن روزها در همینجا خاتمه یافت. بعدها در عصر رنسانس گالیله فرضیه اتم را دوباره مطرح کرد. کار او را دِکارت، نیوتن، مکث ون و بسیاری از دانشمندان دنبال کردند. مکث ون در کتاب خود مینوسید، اکنون وجود اتم یکبار دیگر در مباحث علمی مطرح شده است. جان دالتون یکی از کسانی بود که در این زمینه نظریههایی را مطرح کرده است. در سال 1807 این شیمیدان انگلیسی مشغول بررسی درباره ترکیبات شیمیایی عناصر شناخته شده در آن دوران بود. کارهای او به کشف قوانین نسبتهای ساده و چندگانه منجر شد. هنگامی که دو عنصر در یک واکنش شیمیایی با یکدیگر ترکیب میشوند، جرم آنها نیز به نسبت معینی با هم ترکیب میشود. نتیجه این قانون نیز کاملاً مشخص است. برای ترکیب شدن با نسبت معین عناصر میباید از ذرات نهایی کوچکی که همان اتم است، تشکیل شده باشد.
البته نظریههای دالتون خالی از اشکال نبود. یکی از مهمترین اشکالات نظریه وی را بعدها دانشمندی ایتالیایی بنام آبادائوس آبائاگادرو برطرف کرد. در ابتدا آبائاگادرو متوجه شد که حتی سادهترین گازها نظیر اکسیژن و نیتروژن از ترکیبی از اتمها تشکیل شده است، که مولکول نامیده میشود. آبائاگادرو اینگونه اظهار کرد که حتی در کوچکترین واحد گازها نیز حجم مشخصی از گازها تعداد معینی از مولکولها و یا اتمها را در خود خواهد داشت. این کمیت به عدد آبائاگادرو معروف شد. کشف این عدد پیشرفت بزرگی در نظریه اتمی محسوب میشود. طبق نظریه مکث ون قطر و جرم مولکولها بسیار کوچک است ولی نمیتوان آنها را بینهایت کوچک در نظر گرفت. تقریباً 2 میلیون مولکول هیدروژن را میتوان در فضایی به طول 1 میلیمتر در امتداد یکدیگر قرار داد. مکث ون اطلاعات خود را در این زمینه بیشتر از نظریه گازها و آنالیز آنها بدست آورده بود. این خواص بیشتر شامل ویسکوزیتن، توانایی هدایت گرمایی و یا مدتی که اتم احتیاج دارد تا مسافت مشخصی را در اتمهای گازهای دیگر طی کند و مواردی از این قبیل میشد. زمانیکه اتمها برای پیمودن چنین مسافتی احتیاج دارند به سرعت و فاصله آنها از یکدیگر و همچنین ابعاد هر مولکول یا اتم بستگی دارد. با استفاده از این دانستهها و ابزار جدیدی که اسپکتروسکُپ نام داشت مکث وین توانست یک راه جدیدی درباره اتم ارائه کند. اِسپِکتُروسکُپ با تجزیه نور به رنگها و بسامدهای تشکیلدهنده، امکان تحلیل و بررسی نور را فراهم میکند. هنگامی که یک اُن از گاز تک عنصری به کمک اسپکتروسکوپ آنالیز شود طیف نوری معینی پدید میآید، که متشیع از بسامدهای خاصی است و هر عنصر طیف نوری متفاوتی خواهد داشت. این ویژگی راههای جدیدی را برای ورود به دنیای اتم به وجود آورد. مکث ون مشاهدات خود را اینگونه بیان کرد: هنگامی که یک طیف نوری از تعداد معینی خطوط روشن تشکیل شده باشد، حرکات مجموعه مورد نظر میباید از چند ارتعاش هماهنگ موجود در مجموعه ساخته شده باشد. به عبارت دیگر اتمها ارتعاش میکنند و هر اتم بسامد جداگانه خود را خواهد داشت. اگر مولکولها مجموعههایی ساده با ارتعاشات مکانیکی بودند، آنگاه میتوان که بسامد خطوط روشن طیف را به نوعی با یکدیگر مرتبط کرد. وی نظریهای ارائه داد که طبق آن هر ماده مقدار معینی انرژی از خود ساتع میکند و مقدار انرژی ساتع شده، با فرکانس نور بدست آمده در طیف متناسب است. یکی از نکات مهم در نظریه دکتر پلانک کمیت H بود که یکی از ثابتهای بنیادین در طبیعت به نام پلانک شد. نکته جالب این بود که در نظریه مکث ون انرژی نور بسته به شدت آن داشت و همانند فرضیه پلانک به بسامد ارتباطی نداشت. با این حال مهمترین کار را در این زمینه نیلز بور جوان انجام داد. وی با استفاده از فرمول پلانک برای اتم هیدروژن الگویی پیشنهاد کرد. بور فرض کرد که الکترون موجود در الگوی اتم رادرفور بدون ساتع کردن در مدارهای خاصی قرار میگیرد و هنگامی که هر الکترون از مداری به مدار دیگر میرود مقداری انرژی جذب یا ساتع میشود، که با فرمول پلانک بدست میآید. البته بور نتوانست توضیح دهد که چرا چنین مدارهایی باید وجود داشته باشد، ولی میدانست که بدون وجود آنها نمیتوان درباره طیف نوری توضیح داد. او همچنین دریافته بود که با در نظر گرفتن این مدارهای خاص به ماورای فیزیکی نیوتنی و مکث ونی قدم گذاشته و وارد دنیای ناشناخته شده است. ولی هنوز هم یک مسئله باقی مانده! چگونه میباید اندازه مدارها را تعیین کرد. او روشهای مختلفی را آزمایش کرد و سرانجام پاسخ این مسئله را پیدا کرد. هر مدار مومتوم زاویه معینی دارد و ثابت پلانک نیز دارای واحد مشابه با مومتوم زاویه میباشد. آیا امکان این وجود داشت که مدارهای مجاز دارای مومتوم زاویهای باشند که مقدار آن به کمک ثابت پلانک تعیین میشد. در واقع مومتوم زاویهای باشند که مقدار آن به کمک ثابت پلانک تعیین میشد. در واقع مومتوم زاویهای دلیلی از کمیت H بر روی (PP) دوپی است. که به صورت (اِچبار) (HR) نشان داده میشود. بدین ترتیب نظریه پیشنهادی بور برای مدار دارای مومتوم زاویهای مساوی با اچ بار است. مدار بعدی نیز مومتوم زاویهای مساوی با (دو اچ بار دو) است و مدار بعدی نیز مومتومی برابر (سه اچ بار) است. در واقع برای مضرب صحیح از کمیت اچ بار میتوان یک کمیت مجاز در نظر گرفت. با جمعآوری این اطلاعات به آسانی میتوان اندازه مدار اتمها را تعیین کرد. شعاع هر مدار متناسب با کمیت صحیح N است. شعاع پایینتر این مدار که برای آن N=1 شعاع اتم هیدروژن را برحسب ثابتهای بنیادین فیزیکی بدست میدهد. مقدار این شعاع تقریباً نصف واحد انگستروم است. این عدد گرچه عدد کوچکی بود، ولی ارزش آن در علم فیزیک تصورناپذیر بود. تا قبل از کشف این عدد اندازه اتمها را هر مقدار میشد در نظر گرفت، ولی اگر فرضیه بور درست بود ابعاد اتمها را برحسب ثابتهای بنیادین طبیعت میتوان ارائه کرد. ولی برای نیلزبور این کشف تنها آغاز راه بود. او اکنون آماده میشد که بسامد خطوط بدست در طیف هیدروژن را محاسبه کند. در این محاسبه هر بسامد نتیجه یک پرسش کوآنتومی محسوب میشد. به عبارت دیگر هنگامی که هر اتم یک الکترون از مدار مجازی به مدار مجاز دیگر برود، انرژی جذب یا ساتع میکند. او تمام اجزاء مورد نیاز بر محاسبه را در اختیار داشت، کافی بود آنها را با هم ترکیب کند. این اجسام عبارت بودند از: اندازه مدارهای مجاز، انرژی مدارهای مجاز و بالاخره انرژی حاصل از پرش الکترون بین مدارهای مجاز. با قرار دادن این کمیتها در معادله ریدبرگ فرمولی برای ثابت ریدبرگ نیز بدست میآمد. اجزاء تشکیلدهنده این فرمول این بار نیز ثابتهای بنیادین فیزیکی بودند. با ترکیب این اجزاء نتایجی بدست میآمد که با نتایج بدست آمده از آزمایش نیز مطابقت داشت. نتیجه بدست آمده از الگوی اتمی نیلزبور و آزمایشهای تجربی به نحو حیرتآوری با هم مطابقت داشتند. همانند فرضیه نیوتن درباره عمل و عکسالعمل الگوی اتمی بور برای اتم هیدروژن نیز به دلیل توصیف مناسبی که از ماهیت اتم میکرد، اقبال فراوانی یافت. بور نیز همانند نیوتن نظریهای ارائه داده بود که با مشاهده و آزمایش مطابقت داشت و نمیتوان آن را انکار کرد. هیچکس نمیدانست که چرا الگوی پیشنهادی بور باید درست باشد. ولی همه میدانستند که او توصیف مناسبی کرده است. ولی چرا اینگونه بود؟ دلیل آن این است که در نظر بور تفاوت کاملی میان نظریه و آزمایش وجود دارد که به آسانی نمیتوان از کنار آن گذشت. نیلزبور با ادامه دادن راه گذشتگان به دیدگاه عمیقی درباره اتمها دست یافت و راه را برای آینده هموارتر کرد. مبارزه برای کشف ماهیت اتمها کار دشواری بود، چون دانشمندان در توصیف چیزی میکوشیدند که دیده نمیشد و از قوانینی پیروی میکردند که تا آن هنگام هنوز فرمولبندی نشده بود. اکنون سؤال اصلی این است که چگونه میتوان چنین کاری کرد. هنگامی که ما با اطلاعات پیچیده و گمراهکنندهای مواجه میشویم، به تصورهایی نیاز داریم که بعضی از ویژگیهای این اطلاعات را برای ما توصیف کند. البته شاید این تصورها نتوانند تمام این اطلاعات را توضیح بدهند، ولی باید توانند درباره اجزای اصلی آن توضیح بدهند. در علم به چنین تصوری الگو میگویند. گاهی برای همه ما پیش میآید که تصورهایی به ذهن ما خطور کند. تصوری که شاید بتواند پدیدهای را به خوبی توصیف کند، تصوری که برای ما خیلی ملموس است. در علم به چنین تصورهایی نظریه میگویند. هنگامی که یک الگو یا نظریه را فرمولبندی می کنیم، قدم بعدی همانند تکالیف منزل باید درباره نتایج بدست آمده از الگو یا نظریه پیشنهادی کار کرد، باید به همان جوابی رسید که الگو یا نظریه پیشگویی میکند. یک مشکل به وجود میآید ولی کسی نمیتواند بگوید چگونه آن را حل کنیم. بنابراین مجبور به قضاوت هستیم. چون اغلب نظریه شما با بعضی اطلاعات و دانستههای دیگر تناقض پیدا میکند. اکنون باید پرسید این امر چقدر برای شما اهمیت دارد و دلیل آن چیست؟ آیا این تناقض ناشی از تحمیلهایی بوده که برای پیشرفت کار در نظر گرفته شده؟ یا به دلیل اشتباه در آزمایش بوده؟ گاهی این اتفاقات پیش میآید و شاید تصور اولیه شما غلط بوده است و باید از ابتدا شروع نمود. اگر بخواهم به شما نقاشی کردن را یاد بدهم، میتوانم نحوه مخلوط کردن رنگها و اصول پرسپکتیو و نحوه آمادهسازی بوم را به شما یاد بدهم، ولی هیچوقت نمی توانم به شما یاد بدهم که تابلویی مثل لبخند ژوکوند را در ذهنتان مجسم کنید و نقاشی کنید. در علم نیز همینگونه است. در اصل من میتوانم اصول علمی و قوانین حاکم بر آن را به شما یاد بدهم، ولی نمیتوانم نحوه تصور کردن، خلاقیت قضاوت و از همه مهمتر پشتکاری را که تمام دانشمندان بزرگ داشتند را به شما یاد بدهم. اگر میخواهید دانشمند بزرگی بشوید باید این نکات را در نظر داشته باشید.