طريقة اكتشاف أينشتاين لميكانيك الكم وطاقة الفوتون

تجربة أينشتاين دحضت النظرية الكلاسيكية للموجة الكهرومغناطيسية

قام أينشتاين في تجربته البسيطة، بأخذ قطعة من المعدن، ومن ثم سلط الضوء عليها، وانتظر حتى تحصل الإلكترونات الموجودة في المعدن على ما يكفي من الطاقة الموجودة في الضوء، لتخرج من السطح وتطير للخارج، ثم وجه كاشف الإلكترونات نحو المعدن لقياس عدد الإلكترونات وطاقتها.

الشيء الغريب في هذه التجربة، والتي تقيس ما يعرف بالتأثير الكهروضوئي، هو أن الإلكترونات لم تتصرف كما كان ينبغي، فإذا كان الضوء يتكون من موجات من الكهرباء والحقول المغناطيسية، كما علَّمنا جيمس كلارك ماكسويل، فيجب أن تكون الإلكترونات قادرة على تجميع الطاقة ببطء حتى تصبح ساخنة بدرجة كافية لتخرج من المعدن، وذلك بغض النظر عن تردد الضوء.

ومن المفترض أن يؤدي الضوء الأكثر سطوعاً والأكثر كثافة إلى إلكترونات أكثر نشاطاً نظراً لوجود المزيد من الطاقة المتاحة، لكن لم يحدث أي من هذه النتائج المتوقعة، وبدلًا من ذلك، تمكن الضوء الذي يتمتع بتردد معين من دفع الإلكترونات للخارج، وهذه الإلكترونات تترك المعدن دائماً بنفس الكمية من الطاقة، بغض النظر عن مدى شدة الضوء.

اكتشاف أينشتاين للجسيمات الضوئية الأولية والكم للضوء

لقد فكر أينشتاين في هذه المشكلة لفترة قصيرة بشكل صادم، قبل أن يتوصل إلى حل أنيق أعاد تشكيل فهمنا للكون المادي مرة أخرى، لقد افترض أن الضوء نفسه كان كمومي.

بعبارة أخرى، فإن ما نعتبره ( موجات متموجة من الكهرباء والحقول المغناطيسية)هو في الواقع، على مستوى أعمق وأكثر جوهرية، طوفان من حزم صغيرة منفصلة ومتميزة وغير قابلة للتجزئة من المواد الضوئية.

وتمثل كل واحدة من هذه الحزم أصغر كمية من الأشياء الخفيفة التي يمكنك الحصول عليها، ولأن هذه الحزم غير قابلة للتفكيك، لا يمكنك الحصول على نسب كسرية من هذه الأشياء الخفيفة، حيث يمكنك الحصول على وحدة واحدة من الأشياء الخفيفة، ووحدتين من الأشياء الخفيفة، وما إلى ذلك.

ولكن ليس أعداداً تحتوي على فواصل عشرية، وبطريقة ما، عندما تتجمع هذه الحزم بما يكفي مع بعضها، تتآمر لتتصرف كما لو كانت موجات من الكهرباء والحقول المغناطيسية، ولكن بمجرد فصل تلك الموجات عن بعضها البعض، ستكشف عن طبيعتها الشبيهة بالجسيمات.

لقد أدى هذا بدقة إلى حل مشكلة التأثير الكهروضوئي، حيث تحتاج الإلكترونات إلى قدر معين من الطاقة للابتعاد عن المعدن، وهذه الطاقة لا يتم تحديدها من خلال سطوع الضوء أو شدته، ولكن من خلال تردده.

وتتوافق الترددات الأعلى مع فوتونات أكثر نشاطاً، أما إذا كانت الطاقة بطيئة، فلن تتمكن الإلكترونات من الخروج من المعدن أبداً، وعندما يضرب الفوتون الإلكترونات، فإنه يعطيها كمية محددة وثابتة من الطاقة، لا أكثر ولا أقل، مما يفسر سبب خروج الإلكترونات دائماً بنفس الطريقة تماماً.

إن اكتشاف أينشتاين للفوتونات سيكون مجرد نتيجة واحدة في الوعي المتزايد بالعالم الكمي المجهري، لكنه سيكون دائماً أمراً مهماً، وهذا الاكتشاف هو ما جعله يحصل في النهاية على جائزة نوبل، لأنه كان أول من ادعى أن هناك شيئاً في الطبيعة، وفي هذه الحالة، إشعاع ماكسويل الذي نعرفه، كان في الحقيقة مصنوعاً من جسيمات كمومية.