پیش از این گفته شده که علم با پیشنهاد کردن نمونه ها و نظریه ها < آزمایش کردن آنها مسیر پیشرفت را هموار میکند . دیدگاهی وجود دارد که نشان دهد بنابرآن نظریه ها نادرست است . هر چند ممکن است آزمایشهای متعددی درستی نظریه ای را تایید کنند ولی نمی توان گفت آن نظریه درست است . کافی است تنها یک آزمایش آن را نقض کند تا نظریه مردود شود . خود این مطلب نیز نظریه ای درباره دانسته های بشر است که نادرست است . چون در علم نظریه هایی است که تجربه به خوبی صحت آنها را تأیید کرده است و آنها از نظریه به اصل تبدیل شدند . مانند نظریه نسبیت ، که در دنیای واقعی یک اصل ساده در مهندسی است . از این اصل د ر ماشین های بزرگ نظیر شتاب دهنده های هسته ای استفاده میکنیم . هر چند این نمونه ها فقط نظریه را یدک میکشند ولی در دنیای واقعی اینها اصل های استواری در دانش بشری است . امروز به صحبتها درباره این نظریه ها اصول و الگو ها می پردازیم که به درک ما از ذرات بنیادین ماده کمک میکند . راه طولانی رسیدن به اتمها و از اتمها به هسته و از هسته به کوچکترین ذرات بنیادین با نظریه ها و الگوی مختلفی طی شده است . یک نمونه نشان می دهد که اتمها با حرکت در فضا و برخورد با دیواره های ظرف فشار تولید می کنند . نمونه دیگر نیز نشان می دهد که چگونه اتمهای یک گاز بر یکدیگر تأثیر می گذارند و چگونه جامد و مایع را تشکیل می دهند . نمونه دیگر نیز نشان می دهد که چگونه اتمها با یکدیگر ترکیب می شوند تا مولکولها را به وجود بیاورند . اتمی را مشاهده می کنید که الکترونها آزادانه در اطراف آن حرکت می کنند . چرا این همه الگوهای متعدد وجود دارد ؟ به عبارت دیگر چرا کسی از نزدیک نگاهی نمی اندازد تا شکل دقیق آنها را تعیین کند . هر جسم برای دیده شدن باید بتواند نور را بازتاباند . بزرگترین اتم هزار بار کوچکتر از طول موج نور است . به زبان ساده تر اتمها را هیچگاه نمی توان دید . بدین ترتیب دیدن هسته اتم نیز امکانپذیر نیست . وظیفه دستگاه غول پیکر تحقیق درباره اتم و هسته آن نیست . به کمک دستگاه موجود می توان درباره اجزاء سازنده یعنی نوترونها و پروتنها تحقیق کرد . چنین تحقیقاتی به دستگاههای خاصی نیاز دارد . برای چنین تحقیقاتی به ابزار جدید و نمونه های گوناگونی نیاز است تا در نهایت این ابزار ذهنی بتواند چیزهائی را که بشر نمی بیند را مشاهده کند . این ابزار ذهنی ، مکانیک کوآنتوم نام دارد . مبحث مکانیک کوآنتوم با الگوی اتم هیدروژن آغاز شد که نیلز بور عرضه کرد . در الگوی اتم هیدروژن الکترونها فقط می توانند در مدارهای مشخصی وجود داشته باشند . در این مدارها الکترونها که همانند سیاره ای به دور خورشید می گردد در مسیر دایره ای به دور هسته حرکت می کنند . لویی دوگل درباره دلیل این حرکت دایره ای توضیح داد . الکترونها موجهائی هستند که تنها می توانند در مدارهائی که تداخلشان یکدیگر را از بین نمی برند ، وجود داشته باشند . این امر هنگامی اتفاق می افتد که محیط دایره برابر طول موج ، دوبرابر طول موج ، سه برابر طول موج و یا هر مضرب صحیحی از طول موج باشد . هر چند این نظریه تحسین برانگیز بود ولی کامل نبود . هروین شرود ینگر که یک فیزیکدان اطریشی بود دریافت که الکترونها مربوط به مدارها نیستند و در هر جائی از فضای سه بعدی می توانند حضور داشته باشند . او برای توصیف این رفتار الکترونها و قوانین حاکم بر آنها را فرمول بندی کرد . قوانین وی بسیار بدیهی و غافلگیر کننده بود . نمونه وی از بوته آزمایش نیز سربلند بیرون آمد . نمونه عرضه شده علاوه بر توصیف اتم هیدروژن اتمها تمام عناصر را توصیف میکرد . به عبارت دیگر مکانیک کوانتوم شرودینگر به طور کامل جدول تناوبی عناصر را توصیف می کرد . بدون وارد شدن به جزئیات و تنها با اصل عدم قطعیت مطالب زیادی را می توان از مکانیک کوآنتوم برگرفت . همانند الکترون که به دلیل داشتن جرم کم می باید حجم وسیعی از فضا را اشغال کند . در مقابل پروتون به دلیل داشتن جرم زیاد تقریبأ هیچ فضائی را اشغال نمی کند . نتیجه این مطلب الگوی کوانتومی اتم هیدروژن است . در این الگو هسته کوچک با ابر بزرگی که نشان دهنده الکترونها است پوشیده شده است . اگر بخواهیم دقیق تر بگوئیم این ابر نشان دهنده موقعیت دقیق الکترونهاست . احتمال وجود این ابر در اطراف هسته بیشتر است ، و با دور شده از آن این احتمال کاهش می یابد . با این حال احتمال یافتن الکترون در فاصله معینی از هسته در ابتدا افزایش می یابد . زیرا اگر پوسته اطراف هسته در آن فاصله افزایش یابد ، با ادامه انبساط پوسته این احتمال به بیشترین مقدار خود می رسد و با طی کردن فاصله پوسته به مقادیر بزرگتر احتمال حضور الکترون نیز کاهش می یابد . نکته جالب این جاست که حداکثر شعاعی که در الکترون در آن بیشترین حضور را دارد برابر با شعاع الگوی مدار بور برای اتم هیدروژن است و همچنین انرژی آن نیز دقیقأ برابر پائین ترین سطح انرژی در الگوی اتمی بوده است . فیزیکدانان امروزی این مطلب را اینگونه بیان می کنند . در پائین ترین سطح انرژی ساده ترین اتم الکترونها به جای حضور در مدار در یک ابر الکترونی حضور پیدا می کنند . سطح انرژی و شعاع این ابر الکترونی دقیقأ برابر مقادیری است که پیش از این الگوی اتمی بور عرضه کرده است . با این حال اتم هیدروژن همیشه در پایین ترین سطح خود حضور ندارد . الگوی اتمی کوانتومی برای مضارب صحیح کمیت N سطوح انرژی متفاوتی دارد . این انرژی ناشی از ابر الکترونی است . هنگامیکه 1 = N ابر در وضعیت نخستین خود قرار دارد . در این حالت ابر الکترونی شکل متقارن دارد که در تمام جهات یکسان است . هنگامیکه 2 = N دو ابر کروی شکل بوجود می آید که یکی درون دیگری قرار دارد . برای همان مقدار N و یا همام مقدار انرژی حالتی بوجود می آید که در آن ابر الکترونی به صورت دو کره مجزا در می آید که آنها نیز مداری را به خود اختصاص می دهند . در این حالت کمیت دیگری وجود خواهد داشت که مقدار آن برابر یک و همراه کمیت N است . N و L اعداد کوانتومی نامیده می شود . مثلأ اوربیتال دیگری با اعداد کوانتومی مشابه وجود خواهد داشت که برای آن نیز 2 = N و 1 = L است . برابر بودن مقدار N به معنای سطح انرژی یکسان و برابر بودن مقدار L به معنای مومتوم زادیه برابر است . د رمکانیک کلاسیک هر مدار دارای مومتوم زاویه ای معینی است . ولی در مکانیک کوانتوم اوربیتالهای خاصی مومتوم های زاویه ای مثبتی با مقادیر معین دارد . نخستین اوربیتال مومتومی اندکی بیشتر از H بار دارد . که مؤلفه عمودی آن دقیقأ برابر H بار می باشد . برای چنین اوربیتالی 1 = L است . با این حال هر چند مؤلفه عمودی مومتوم را میتوان دقیقأ مشخص کرد . ولی جهت دقیق این مومتوم زاویه ای را نمی توان با قطعیت تعیین نمود . جهت این مومتوم می تواند به سوئی در سطح این مخروط باشد . الکترون نیز به جای حضور در یک مدار در اوربیتال مخروطی شکل حضور خواهد داشت . بدین ترتیب هنگامیکه 2 = N و 1 = L باشد . اوربیتال الکترون نیز بصورت مخروطی حول محور عمودی وجود خواهد داشت . در چنین شرایطی مومتوم زاویه ای میتواند هر جایی در مخروطی که حول محور عمودی شکل گرفته وجود داشته باشد و مؤلفه آن در امتداد محور عمودی دقیقا مساوی با H بار است . ولی این تنها احتمال موجود نیست . با همان اعداد کوانتومی قبل موتوم زاویه ای میتواند بصورت افقی نیز وجود داشته باشد . در واقع جهت مومتوم میتواند به هر سویی در صفحه افقی قرار گیرد . در این حالت مؤلفه عمودی مومتوم برابر صفر است و اوربیتالهای آن بصورت دو ابری که در بالا و پایین صفحه و در امتداد محور قرار گرفته اند تشکیل میشود در نهایت اگر مومتوم زاویه ای به سمت پایین متمایل شود در واقع تصویری از اوربیتال را که مومتوم زاویه ای آن رو به بالا بود بوجود می آورد . برای این انرژی و مومتوم زاویه ای مشابه که در آنها اعداد کوانتومی N و Lبه ترتیب برابر 1 و 2 است .سه وضعیت کوانتومی مجزا وجود خواهد داشت که میتوان آنها را وضعیت های بالایی ، میانی و پایینی نامید . ولی به جای این نام گذاری عدد کوانتومی دیگری به نام N مقادیر مثبت 1 ، صفر و منهای یک را اختیار میکند . البته این تمام ماجرا نیست . هنگامیکه 3 = N اوربیتالهای جدیدی شکل میگیرد . برای 0 = L این اوربیتالها بصورت کره هایی خارج از مرکز تشکیل میشود . 1 = N اوربیتالها بصورت حلقه های خارج از مرکز و ابرهای دوگانه در بالا و پایین در می آید . این کمیتها مجددأ برای هنگامیکه N مقادیر 1- ، 0 و 1 را اختیار می کند اوربیتالهای متفاوتی را بدست می دهد . هنگامیکه کمیت L مساوی با 2 شود اوربیتالهای به شکل حلقه یگانه ، حلقه ای در بالا و حلقه ای در پایین د رترکیبی از حلقه در ابرهای دوگانه در می آید . این کمیتها در این حالت نیز هنگامیکه N مقادیر 2 ، 1 ، 0 ، 1- و 2 - را اختیار میکند ، اوربیتالهای متفاوتی را بوجود می آورد . در این ساختار کلی تمام حالتهای کوانتمی تمام اتم هیدروژن ؛ نشان داده شده است . N میتواند مضرب هر عدد صحیح مثبتی باشد . برای هر مقداری که کمیت N اختیار کند کمیتL میتواند مقداری از 0 تا 1 – N را داشته باشد . در نهایت برای هر مقداری که کمیت L اختیار کند ، نیز کمیت N میتواند ازL – تا L تغییر کند . چنین ساختاری تمام وضعیتهای اتم هیدروژن را بخوبی توضیح میدهد . و جدول تناوبی تمام عناصر شیمیایی را نیز توصیف می کند . یونانی ها اعتقاد داشتند که دنیا از 4 عنصر اصلی : آب ، هوا ، آتش و خاک ساخته شده است . با گذشت زمان عناصر دیگری کشف شدند و تا قرن بیستم تعداد آنها به 100 رسید . به رغم گوناگونی و تنوع عناصر تمام آنها از 3 ذره کوچک که سازنده تمام اتمها هستند یعنی الکترون ، نوترون و پروتون ساخته شده اند . همانند اتم هیدروژن هر عنصر نیز سطوح انرژی متفاوتی دارد . ولی برای خواص شیمیائی هر عنصر پایین ترین سطح انرژی از اهمیت ویژه ای برخوردار است . این سطح انرژی وضعیت نخستین نامیده میشود . وضعیت نخستین تمام عناصر از الگوی اتم برانگیخته شده هیدروژن پیروی میکند . دلیل وجود چنین وضعیتی وجود 2 ویژگی خاص کوانتوم مکانیکی است . ویژگی اول گردش الکترونها است . گردش آنها همانند گردش یک کره کوچک نیوتنی نیست . بلکه گرش آنها یک مومتوم زاویه ای ذاتی است که همواره همراه الکترون است . بزرگی این مومتوم زاویه ای اندکی کمتر ازاچ بار بوده است و مؤلفه عمودی آن نصف اچ بار است . مومتوم زاویه ای گردش الکترون همانند مومتوم زاویه اوربیتالها می تواند در هر جهتی برای یک مخروط با احتمالات برابر وجود داشته باشد. این مخروط و تصویر عمودی آن می تواند رو به بالا ویا رو به پایین باشد. این دو حالت تنها حالتهای محتمال مجاز هستند و حالت بینابین وجود ندارد . ویژگی دوم مربوط به ماهیت کوآنتوم مکانیکی الکترونهاست . هیچ دو اکترون مجاز نمی توانند وضعیت کوآنتومی یکسانی داشته باشند . به عبارت دیگر احتمال اینکه دو الکترون دقیقا" یک وضعیت را اشغال کنند مساوی با صفر است هیچ دو الکترونی نمی توانند اعداد کوآنتومی یکسانی در یک اتم داشته باشند. کد گردش الکترونها نیز یک کمیت کوآنتومی است و فقط در حالتی که گردش یکی از الکترونها رو به پایین و گردش دیگری رو به بالا باشد آن دو می توانند یک اوربیتال در اتم را اشغال کنند. اینها اصول بنیادی حاکم بر عناصر شیمیایی است که در زمین ، دریا و آسمانها جاری است . هر اتم می تواند یک یون را تشکیل دهد. یون در واقع متشکل از هسته و تعدادی الکترون در اطراف آن است که تنها به یک الکترون برای کامل شدن احتیاج دارد. این الکترون می تواند به اوربیتالهایی وارد شود که پایین ترین سطح انرژی را دارد و در وضعیت گردشی قرار گیرد. مثلا" در اوربیتالی که برای آن N=1 و0 L= می باشد دو الکترون مجاز به وجود داشتن هستند .الکترون اول اتم هیدروژن را می سازد و الکترون دوم که گردشی در جهت خلاف الکترون اول را دارد اتم هلیم را کامل می کند. الکترون دوم با کامل کردن سطح انرژی باعث می شود که گاز هلیم یک گاز خنثی باشد . اوربیتالی که در آن N=2 فضای کافی برای جای دادن هشت الکترون را در اختیار دارد . اولین الکترون که برای آن 0= L است اتم لیتیوم را به وجود می آورد. الکترون دوم که گردش آن در جهت مخالف است اتم برلیوم را می سازد . اکنون در جدول تناوبی عناصر نوبت اتمهایی است که کمیت کوآنتومی L برای مومتوم زاویه ای آنها برابر یک است . اولین اتم بور است که بدنبال آن اتم کربن تشکیل می شود . این وضعیتها سطح انرژی پایین تری برای N های مشابه دارد و هر عنصر برای شکل گیری پایین ترین سطح انرژی ممکن را انتخاب می کند . با پیروی از این قانون و به وجود آمدن نیتروژن ، اکسیژن ، فلور و گاز خنثی نئون تکمیل می شود . طبق قوانین حاکم بر ساختار اتمها پوسته ای که در آن کمیت 3=N فضای کافی برای جای دادن 18 الکترون را دراختیار دارد اولین الکترون این اربیتال سدیم را به وجود می آورد وبه ترتیب منیزیوم ، آلومینیوم ، سیلیکون ، فسفر ، گوگرد ، کلر و گاز خنثی آرگون شکل می گیرد . به دلیل وجود نیروهایی که بین الکترونها بوجود می آید اربیتالهایی که برای آنها L=2 از اوربیتالهایی که برای آنها 4 L= است سطح انرژی بالاتری دارند . از این رو ابتدا این اوربیتالها پر میشوند و به ترتیب : پتاسیم ، کلسیم و عناصر بعدی شکل می گیرد . هر عنصر جدول تناوبی خواص مشابه شیمیایی با عناصری دارد که در بالا و پایین آن قراردارد . نکته مهم در اینجا این است که تمام پیچیدگی های علم شیمی در سه ذره بنیادین خلاصه شده است که عبارتند از نوترون و پروتون که در هسته اتم قراردارد و الکترونهایی که بوسیله نیروی الکتریکی در اطراف هسته حرکت می کند این سه ذره تحت حاکمیت قوانین مکانیک کوآنتومی هستند. اکنون می دانیم که عالم از سه ذره پروتون ، نوترون والکترون ساخته شده است . این سه کلمه کوچک می توانند ماهیت جهان را توصیف کنند . با این حال این سه ذره باز هم کافی نیستند . نسل جدیدی از فیزیکدانان با پدیده هایی مواجه شدند این سه ذره نمی توانستند درباره آنها توضیح دهند . دیگر تعداد اجزای اولیه ماده عدد سه نبود تعداد آنها بیشتر از عدد سه بنظر میرسید این اجزا را می توان درون شکاف دهنده های بزرگی نظیر اینکه اکنون تبدیل به ابزار فیزیک جدید شدند تولید و بررسی کرد . با افزایش تعداد اجزای اولیه سازنده ، مانده نیاز به سازمان دهی دانسته ها و اطلاعاتی که در مورد آنها وجود داشت احساس می شد، تا بتوان از خواص آنها الگوهایی تهیه کرد. به عبارت دیگر به جدول تناویب دیگری نیاز بود. ولی این جدول دیگر جدول تناوبی اتمها نبود ، بلکه جدول تناوبی اجزاء سازنده اتمها بود. پروتون ها و نوترون ها ، خویشاوندان نزدیک یکدیگر هستند و به نوبه خود به خانواده بزرگتری متشکل از هشت ذره متعلق هستند که خواص همانندی دارند. هر یک از این ذرات نیز یک ذره دارد که جرمی برابر و بار الکتریکی مخالف دارد. برای هر ذره و ضد ذره ذراتی با جرم بیشتر و خواص مشابه وجود خواهد داشت و برای هر یک آنها با ذرات دیگر با جرم بزرگتر والی آخر. بدین ترتیب در حالیکه دانشمندان تجربی در شکاف دهنده ها مشغول کار هستند تا ذرات جدیدی را از برخورد ذرات شناخته شده شناسایی کنند ، دانشمندان گروه دیگر سخت مشغول کار هستند تا پیچیدگی های فزاینده ذرات تشکیل دهنده ماده را منظم و مرتب کنند . با تکرار شدن مجدد تاریخ ، دانشمندان دریافتند که الگوی ذرات سازنده ماده را می توان همانند جدول تناوبی عناصر توصیف کرد کافی است این که این ذرات همانند اتمها از ذرات داخلی کوچکتری ساخته شده باشند . تعداد ذرات داخلی آنها همانند ذرات داخلی اتمها سه عدد است و کوارک نامیده می شود . مثلا" هر یک از اعضای خانواده نوترون ها و پروتون ها از سه کوآرک تشکیل شده است .کوآرک های بالایی که با اشکال قرمز رنگ نشان داده شده اند بار الکتریکی مثبت دوسوم ( 3/2 ) دارند . کوآرکهای کوچکتر که با رنگ آبی نشان داده شده اند کوآرکهای پایینی و ناشناخته نامیده می شوند وبار الکتریکی آنها یک سوم ( 3/1) بار الکتریکی است . این کوآرکها به نحوی با یکدیگر ترکیب می شوند که بار هریک از ذرات کامل یکی از مقادیر منهای یک ، صفر و یا یک ضربدر باریک الکترون را اختیار کند. هر یک از کوآرکها به نحوی با یکدیگر ترکیب می شوند که هر یک از این ذرات حداکثر گردش کوآنتومی ممکن را همانند یک الکترون داشته باشد . در فیزیک نو جرم بیشتر به معنی انرژی بیشتر است . با این حال تمام ذرات از تعداد معینی کوآرک تشکیل شده است و مابه التفاوت انرژی آنها از طریق قرار گیری در سطوح مختلف انرژی تأمین می شود . بدین ترتیب در این خانواده هر ذره بنیادین دیگر تشکیل می شود که در ترکیبی از حالتهای کوآنتومی مختلف قرار می گیرد .همانند الکترون ، نوترون و پروتون سه نوع کوآرک نیز با نامهای بالا ، پایین وناشناخته شناسایی شدند. در داستان طولانی ساختارهای اتمی سه عضو دیگر نیز به تازگی وارد شدند. هر یک از این کوآرکها خود یک ضد کوآرک دارند. ولی آیا کوآرکها واقعاً وجود دارند . با داشتن یک الگوی مناسب، کمی شانس و یک ماشین بزرگ ، شاید بتوان آنها را در همین نزدیکی ها پیدا کرد . در قرن شانزدهم که هیچکس نام کوپرنیک را نشنیده بود و عده کمی به حرفهای او اعتقاد پیدا کرده بودند ، شخصی ایتالیایی بنام جردانو برونو به ارزش کفته های او پی برد. برونو نه تنها حرفهای کوپرنیک را باور کرد بلکه او را گامی فراتر برد و ادعا کرد می توان حیات را در سیارات دیگر نیز یافت . دانسته های جدید به عقیده بعضی ها تهدید بزرگی است و گاهی عکس العملهای وحشیانه ای را در مقابل آن نشان می دهند . در قرن حاضر در آستانه یک انقلابی به گستردگی عصر کوپرنیک قرار داریم و اعتقاد نداریم که جهان هستی تحت قوانین دقیق و تعیین شده مکانیکی پیش می رود . این نظریه ای بود که اسحاق نیوتن آن را بنیان نهاد ولی مکانیک کوآنتوم ثابت کرد چنین چیزی صحت ندارد . بین عصر کوپرنیک و برونو ، شصت سال فاصله وجود دارد .مکانیک کوآنتوم در سالهای 1920 به وجود آمد