بیوگرافی ماکس بورن، فیزیک‌دان پیش‌گام مکانیک کوانتوم

ماکس بورن (Max Born)، فیزیک‌دان و ریاضی‌دان آلمانی بود که از تأثیرگذاران مهم در علم مکانیک کوانتوم محسوب می‌شود. او در علوم فیزیک حالت جامد و اپتیک نیز مطالعات و دستاوردهای بی‌شماری به دنیای علم عرضه کرد. دانشجویان و همکاران او در دهه‌‌های ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ به نیروهایی تأثیرگذار در تاریخ فیزیک تبدیل شدند. بورن در سال ۱۹۵۴ جایزه نوبل فیزیک را به‌خاطر «تحقیقات بنیادی در مکانیک کوانتوم، خصوصا تفسیر استاتیکی «تابع موج» دریافت کرد. 

با به‌قدرت‌رسیدن حزب نازی، زندگی برای بورن مانند بسیاری از یهودیان دیگر ساکن آلمان دشوار شد. او به انگلستان مهاجرت کرد و ادامه‌ی زندگی علمی و تحقیقاتی خود را در آنجا گذراند. دانشگاه کمبریج و کالج سینت جورج محل تدریس و مطالعه‌ی بورن در انگلستان بودند. ماکس بورن درنهایت پس از جنگ جهانی دوم به آلمان غربی نقل مکان کرد و در همان‌جا از دنیا رفت.

ماکس بورن در ۱۱ دسامبر سال ۱۸۸۲ در ورتسواف به‌ دنیا آمد که در آن زمان به‌نوعی تحت حکومت پادشاهی پروس امپراطوری آلمان بود. خانواده‌ی بورن یهودی بودند و همین پیش‌زمینه بعدها در زندگی او در آلمان نازی تأثیر داشت. پدرش، گوستاو بورن، در علوم کالبدشناسی و رویان‌شناسی تخصص داشت و در دانشگاه ورتسواف تدریس می‌کرد. مادر بورن، مارگارت، از خانواده‌ای صنعتی بود و در چهار سالگی او از دنیا رفت. ماکس یک خواهر به‌نام کتی داشت و برادری ناتنی (حاصل ازدواج مجدد پدر) به‌نام ولفگانگ داشت. ولفگانگ درنهایت استاد تاریخ هنر سیتی کالج در نیویورک شد.

امضای ماکس بورن

بورن تحصیلات ابتدایی را در مدرسه‌ی کونیگ-ویلهلم ورتسواف گذراند. او در سال ۱۹۰۱ تحصیلات دانشگاهی را در دانشگاه همان شهر شروع کرد. دانشگاه‌های آلمان در آن زمان امکان جابه‌جایی را به دانشجویان می‌دادند و بورن ترم‌های تابستانی را در دانشگاه هایدلبرگ و زوریخ می‌گذراند. از هم‌کلاسی‌های مشهور بورن در آن سال‌ها می‌توان به اوتو توپلیتز و ارنست هلینگر اشاره کرد که او را با دانشگاه گوتینگن آشنا کردند. بورن در سال ۱۹۰۴ به گوتینگن رفت.

دانشگاه گوتینگن محل آشنایی بورن با ریاضی‌دانان مشهور آن زمان بود. او افرادی همچون فلیکس کلاین، دیوید هیلبرت و هرمان مینکوفسکی را در آنجا ملاقات کرد. بورن، ارتباطی نزدیک با هیلبرت و مینکوفسکی داشت. وی به‌محض رسیدن به گوتینگن، استعدادهای برتر خود را به اساتید ثابت کرد و توسط هیلبرت به‌عنوان دستیار کلاس‌های دانشگاه انتخاب شد. بورن در آن زمان یادداشت‌برداری نکات کلاس را برای تدوین جزوه‌ی مطالعاتی بر عهده می‌گرفت.

ارتباط بورن با کلاین مانند دو دانشمند دیگر بدون چالش و آسان نبود. دانشجوی آلمانی در سمیناری با موضوع الاستیسیته شرکت کرد که کلاین به‌همراه اساتید ریاضی کاربردی،‌ کارل رونگه و لودویگ پرانتل در آن حضور داشتند. بورن علاقه‌ای به موضوع مذکور نداشت، اما ملزم به ارائه‌ی مقاله بود. به‌هرحال او مقاله‌ای را به‌کمک مطالعات استادش، هیلبرت ارائه کرد که تحسین و توجه کلاین را به‌همراه داشت. کلاین از بورن دعوت کرد تا در موضوعی مشابه در ریاضیات کاربردی مقاله ارائه کرده و در مسابقه‌ی جایزه‌ی هیئت‌علمی فلسفه‌ی دانشگاه شرکت کند. دانشجوی جوان به‌خاطر عدم علاقه به ریاضیات کاربردی، پیشنهاد را رد کرد که ناراحتی کلاین را به‌همراه داشت.

در کنار جیمز فرانک

کلاین توانایی تأثیرگذاری روی روند تحصیلی دانشجویان در گوتینگن را داشت. به‌همین دلیل بورن به‌نوعی مجبور شد تا در جایزه‌ی دانشگاه شرکت کند که درنهایت به‌کمک گوتینگن توانست پیروز رقابت علمی هم بشود. به‌هرحال همین الزام، او را تاحدودی به ریاضیات کاربردی علاقه‌مند کرد و موضوع پایان‌نامه‌ی دکترا را نیز شکل داد. بورن در سال ۱۹۰۶ علاوه بر دریافت جایزه‌ی هیئت علمی، مدرگ دکترای خود را از دانشگاه گوتینگن دریافت کرد.

بورن پس از فارغ‌التحصیلی از دانشگاه به خدمت نظامی فراخوانده شد. او به ارتش آلمان رفت و در پایگاهی در برلین خدمت کرد. بیماری آسم باعث شد تا ماکس کمی پس از شروع خدمت، معافیت سلامتی دریافت کرده و به انگلستان سفر کند. او در آنجا به کالج کایوس رفت و ۶ ماه در آزمایشگاه کوندیش به مطالعه و تحقیق پرداخت. جی‌جی تامسون و جرج شارل و جوزف لارمر، اساتید آزمایشگاهی بورن بودند. او پس از بازگشت به آلمان مجددا به خدمت نظامی فراخوانده شد که باز هم بیماری موجب معافیتش شد.

بورن پس از دوره‌های پراکنده‌ی خدمت نظامی به ورتسواف بازگشت و تحت نظر اوتو لامر و ارنست پرینگشایم به مطالعات دریافت درجه علمی مشغول شد. آزمایش‌های تجربی بورن در ورتسواف در تلاش برای کشف ماده سیاه، حوادث آزمایشگاهی متعدد را به‌همراه داشت. لومر باتوجه به همان حوادث به بورن گفت که احتمالا هیچ‌گاه تبدیل به دانشمند فیزیک نمی‌شود.

آلبرت اینشتین در سال ۱۹۰۵، مقاله‌ای را با موضوع نسبیت عام منتشر کرد. بورن به موضوع مقاله‌ی او علاقه‌مند شد و در همان زمینه تحقیقاتی را شروع کرد. او متوجه تحقیقات مشابه استادش، مینکوفسکی در حوزه‌ی نسبیت شد و پس از کمی مکاتبه با او، به گوتینگن بازگشت تا دوره‌ی درجه‌ی علمی خود را در آن دانشگاه بگذارند. همکاری این دو دانشمند با پیشرفت بورن در ریاضیات ماتریسی همراه بود و نتایج خوبی را هم در حوزه‌ی نسبیت به‌همراه داشت. البته مرگ ناگهانی مینکوفسکی در سال ۱۹۰۹، ضربه‌ی بزرگی به تحقیقات وارد کرد.

از چپ به راست: ماکس ریچ، ماکس بورن، جیمز فرانک، رابرت پول

بورن، پس از مرگ مینکوفسکی، دستاورد تحقیقات خود را در جلسه‌‌ای در انجمن ریاضیات گوتینگن مطرح کرد. او در همان ابتدا با چالش‌های علمی و استدلالی ازسوی کلاین و ماکس آبراهام روبه‌رو شد که نسبیت را به‌نوعی رد می‌کردند. حتی آن‌ها بورن را مجبور به توقف ارائه کردند. به هرحال، هیلبرت و رونگه به دستاوردهای او علاقه‌مند شدند و پیشنهاد ادامه‌ی تحقیقات را دادند. ادامه‌ی تحقیقات منجر به انتشار مقاله‌ای از سوی بورن شد که مفاهیم اولیه‌ی «سختی بورن» را شکل داد. درنهایت، مقاله‌ی درجه‌بندی علمی بورن نیز با موضوع مدل اتمی تامسون تدوین و ارائه شد.

ماکس بورن پس از ارائه‌ی تحقیقات متعدد در حوزه‌ی ریاضی و فیزیک، به‌عنوان عضوی جوان در محیط دانشگاهی گوتینگن پذیرفته و مشغول به کار شد. او فعالیت خود را با تدریس محدود شروع کرد و در سال ۱۹۱۳ با هدویگ ارنبرگ، دختر یک استاد حقوق در دانشگاه لایپزیگ پیوند زناشویی بست. حاصل ازدواج آن‌ها، سه فرزند به‌ نام‌های آرین و مارگارت و گوستاو بود.

ماکس بورن تا سال ۱۹۱۳ حدود ۲۷ مقاله منتشر کرده بود که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به مواردی در ارتباط با نسبیت و دینامیک کریستال‌های مشبک اشاره کرد که به‌صورت کتاب چاپ شد. ماکس پلانک در سال ۱۹۱۴ نامه‌ای به بورن نوشت و او را برای تدریس در کرسی فیزیک نظری در در دانشگاه برلین دعوت کرد. ابتدا ماکس فون لائو برای آن کرسی انتخاب شده بود که پیشنهاد هیئت علمی را رد کرد. بورن پیشنهاد را پذیرفت، اما جنگ جهانی اول کمی بعد شروع شد.

با تصویب آتش‌بس ۱۱ نوامبر در سال ۱۹۱۸، ارتش آلمان به درخواست پلانک، بورن را از خدمت نظامی منفصل کرد. در همان ماه، ملاقاتی اتفاقی با فریتز هابر رخ داد که گفت‌وگو پیرامون موضوعی علمی را به‌همراه داشت و درنهایت به تحقیقی وسیع پیرامون ترکیب یونی بر اثر واکنش فلز با هالوژن انجامید. امروزه دستاورد این دو به‌عنوان چرخه‌ی بورن هابر شناخته می‌شود.

فون لائو پیش از قبول کرسی تدریس از سوی بورن، نظرش را تغییر داده بود و متمایل به تدریس در برلین شد. او ملاقاتی با بورن ترتیب داد و درنهایت هردو موافق به تعویض شغل شدند. درنهایت تبورن در آوریل ۱۹۱۹ به‌عنوان مدیر مؤسسه‌ی فیزیک نظری در دانشگاه فرانکفورت مشغول به کار شد. دانشگاه گوتینگن در همان دوران به او مراجعه کرد و پیشنهاد مدیریت مؤسسه‌ی فیزیک و جایگزینی پیتر دبای را ارائه کرد.

اینشتین در دیداری به بورن پیشنهاد داده بود که تمرکزش را روی فیزیک نظری معطوف کند. اینشتین به ماکس گفته بود که دانشمندی شبیه به او در آلمان پیدا نمی‌شود. بورن درنهایت کرسی تدریس فیزیک تجربی را در دانشگاه گوتینگن به جیمز فرانک پیشنهاد داد تا دوست و همکار قدیمی‌اش را در دپارتمان فیزیک گوتینگن همراهی کند.

در ۱۲ سالی که بورن و فرانک در دانشگاه گوتینگن همکاری می‌کردند، او همکاری با دیدگاه‌های مشابه در مفاهیم پایه‌ای علمی داشت که برای تدریس و تحقیق، موهبتی مهم محسوب می‌شد. بورن در کنار همکاری نزدیک با فعالان و دپارتمان‌های فیزیک تجربی، با آرنولد سامرفلد، استاد فیزیک نظری دانشگاه مونیخ نیز همکاری و هم‌فکری می‌کرد. سامرفلد مدیریت مؤسسه‌ی فیزیک نظری را در مونیه بر عهده داشت و از پیش‌گامان نظریه‌ی کوانتوم محسوب می‌شد.

بورن و سامرفلد برای آزمایش دستاوردهای نطری خود با دانشمندان فیزیک تجربی همکاری می‌کردند. سامرفلدر در سال ۱۹۲۲،‌ دانشجوی برترش، ورنر هایزنبرگ را نزد بورن فرستاد تا به‌عنوان دستیار در کنار او به یادگیری مفاهیم فیزیک نظری مشغول شود. هایزنبرگ در سال ۱۹۲۳ به گوتینگن رفت و در سال ۱۹۲۴ دوره‌ی درجه‌ی علمی را تحت نظر بورن به پایان رساند.

درباره‌ی ارتباط بورن با اینشتین می‌توان به سخنرانی‌های سال ۱۹۱۹ و ۱۹۲۰ بورن در تشریح مسئله‌ی نسبیت و تقابل با نظریه‌های مخالف اینشتین اشاره کرد. همین سخنرانی‌ها درآمد قابل‌توجهی را برای بورن به‌همراه داشت که در سال‌های بعدی و تورم، نجات‌دهنده بود. متن سخنرانی‌ها بعدا با تأیید اینشتین به‌صورت کتاب چاپ شد.

ماکس بورن در تصویر مشهور کنفرانس سلوی (نفر دوم از سمت راست ردیف دوم)

بورن و هایزنبرگ در سال ۱۹۲۵، توضیحی بر مکانیک کوانتوم را به‌صورت مکانیک ماتریسی مطرح کردند. در نهم ژوئیه همان سال، هایزنبرگ مقاله‌ای به بورن داد که تفسیر نظری ارتباط مکانیکی و حرکتی را براساس مفاهیم نظری کوانتوم مطرح می‌کرد. هایزنبرگ برای دریافت تأییدیه‌ی چاپ، مقاله را برای بورن ارسال کرده بود. در آن مقاله به‌صورت مناسبی به نظریه‌ی کوانتوم اشاره شده بود که بورن با بهره‌گیری از آموزه‌های قبلی خود، آن را در زبان ماتریسی بازتعریف کرد و به‌نوعی یک تعریف قابل درک ارائه داد. به‌هرحال تا آن زمان، فیزیک‌دانان عادت به بهره‌وری زیاد از ماتریس‌ها نداشتند و آن را متعلق به ریاضیات محض می‌دانستند.

مشارکت بزرگ دیگر در دوران اوج مطالعات مکانیک کوانتوم از سوی اروین شرودینگر مطرح شد که مسائل را با استفاده از مکانیک امواج بررسی می‌کرد. رویکرد مذکور در آن زمان مورد توجه دانشمندان زیادی قرار گرفت. به‌هرحال در آن زمان اینشتین در نامه‌ای مشهور به بورن، نظر خود را درباره‌ی مکانیک کوانتوم مطرح کرده بود و آن را موضوعی جذاب از لحاظ نظری خواند که هنوز کاربرد واقعی چندانی ندارد.

اینشتین، در سال ۱۹۲۸ هایزنبرگ، بورن و پاسکوال جردن را نامزد دریافت جایزه‌ی نوبل فیزیک کرد، اما جایزه‌ی سال ۱۹۳۲ به‌تنهایی به هایزنبرگ رسید. درموضوع جایزه‌ی او، به شکل‌دهی مکانیک کوانتوم و استفاده از آن در کشف فرم‌های چندشکلی هیدروژن اشاره شده بود. جایزه‌ی سال بعد به شرودینگر و دیراک رسید. آن‌ها به‌خاطر کشف فرم‌های جدیدی از نظریه‌ی اتمی مفتخر به دریافت جایزه شدند.

هایزنبرگ در سال ۱۹۳۳ نامه‌ای به بورن نوشت و به‌نوعی از دریافت جایزه‌ی انفرادی به‌خاطر کار تحقیقاتی انجام‌گرفته به‌صورت گروهی ابراز ناراحتی کرد. او در ادامه گفته بود که مشارکت جردن و بورن در کشف نظریه‌های مکانیک کوانتوم، با یک انتخاب اشتباه از سوی هیئت داوران جایزه‌ی نوبل کمرنگ نمی‌شود. او در سال ۱۹۵۴ مقاله‌ای نوشت و از پلانک برای توسعه‌ی دیدگاه‌هایی کاربردی در سال ۱۹۰۰ در حوزه‌ی مکانیک کوانتوم تجلیل کرد. در همان مقاله، اشاره‌ای جدی به دستاوردها و همکاری‌های بورن و جردن شده بود که فرمول‌سازی ریاضیاتی مکانیک ماتریسی را انجام دادند و با وجود دستاوردهای بسیار به چشم مجامع عمومی دیده نشدند.

بورن در مراسم دریافت جایزه‌ی نوبل ۱۹۵۴

در دورن تدریس بورن در دانشگاه گوتینگن، دانشمندان بزرگی تربیت شدند و مدارک دکترای خود را دریافت کردند. انریکو فرمی، دستیار بورن در انجمن فیزیک نظری بود. از دستیاران دیگر می‌توان به هایزنبرگ، گرهارد هرتسبرگ، فریدریش هوند، پاسکوال جردن، وفلگانگ پائولی، لئون روزنفلد، ادوارد تلر و یوجین واینر اشاره کرد.

حزب نازی سال ۱۹۳۳ در آلمان به قدرت رسید. گوتینگن، یکی از ۶ دانشمند یهودی بود که از سوی حزب نازی از دریافت حقوق محروم شد. دانشمندان آن فهرست در ۱۲ سال فعالیت، گوتینگن را به مرکزی معتبر در علم فیزیک تبدیل کرده بودند. بورن برای پیداکردن شغل جدید نامه‌هایی به ماریا گوپر مایر در دانشگاه جان هاپکینز و رودی لودنبرگ در دانشگاه پرینستون ارسال کرد. درنهایت پیشنهاد جدید از سوی کالج سینت جورج کمبریج ارسال شد و ماکس آن را پذیرفت.

ماکس بورن در زمان تدریس و اقامت در کمبریج، کتابی در حوزه‌ی علم به زبان ساده به‌نام The Restless Universe نوشت. کتاب دیگر به‌صورت متن آموزشی دانشگاهی و به‌نام Atomic Physics منتشر شد که به‌سرعت به متنی استاندارد در حوزه‌ی مربوطه تبدیل شد. خانواده‌ی بورن در آن سال‌ها به‌مرور به زندگی در انگلستان عادت کردند و به‌نوعی برای دور شدن از زندگی آلمانی آماده بودند.

موضوع تحقیق و مطالعه‌ی بورن در دانشگاه ادینبرو، فیزیک ریاضیاتی بود که به‌همراه دستیاران آلمانی و اسکاتلندی انجام می‌شد. آن‌ها روی رفتار اسرارآمیز الکترون‌ها تحقیق می‌کردند. بورن در سال ۱۹۳۷ عضو انجمن سلطنتی ادینبرو و در سال ۱۹۳۹ عضو انجمن علمی سلطنتی لندن شد.

مدال نوبل فیزیک

ماکس بورن سال‌های پایانی تحقیق و تدریس خود را در ادینبرو گذراند و در سال ۱۹۵۴ و در سن ۷۰ سالگی، در باد پیرمونت آلمان غربی بازنشسته شد. در اکتبر سال ۱۹۵۴، خبر انتخاب از سوی آکادمی نوبل به بورن رسید. فیزیک‌دانان همکار او، در تمام سال‌ها از تلاش برای پیشنهادش به‌عنوان برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فیزیک دست بر نداشته بودند. فرانک و فرمی در سال‌های ۱۹۴۷ و ۱۹۴۸ بورن را به‌خاطر دستاوردهایش در حوزه‌ی شبکه‌های کریستالی به آکادمی نوبل پیشنهاد دادند. به‌علاوه در سال‌های متمادی، پیشنهاد بورن به‌خاطر دستاوردهایش در حوزه‌ی فیزیک حالت جامد و مکانیک کوانتوم هم ادامه داشت.

جایزه‌ی نوبل فیزیک سال ۱۹۵۴ به ماکس بورن رسید. آکادمی نوبل پس از دریافت پیشنهادهای متعدد، جایزه‌ را «به‌خاطر تحقیقات بنیادی در مکانیک کوانتوم، خصوصا در تفسیر استاتیکی تابع موجی» به بورن اهدا کرد. تابع موجی از معدود حوزه‌هایی بود که دانشمند آلمانی به‌تنهایی روی آن کار کرد.

ماکس بورن پس از بازنشستگی هم به فعالیت‌های علمی ادامه داد. او ویرایش‌های جدیدی از کتاب‌های قبلی خود منتشر کرد. بورن از امضاکننده‌های بیانیه‌ی راسل-اینشتین بود که در سال ۱۹۵۵ در اعتراض به گسترش سلاح‌های هسته‌ای آماده و منتشر شد. این دانشمند آلمانی پنجم ژانویه‌ی ۱۹۷۰، در سن ۸۷ سالگی در بیمارستانی در گوتینگن از دنیا رفت. جسد او در گورستانی در اشتاتفریدهورف دفن شد که دانشمندان بزرگ دیگری همچون پلانک و هیلبرت هم در آن دفن هستند.

بورن (وسط) در سال‌های کهنسالی

بورن در دوران زندگی بیش از ۱۶۰ مقاله و کتاب منتشر کرد که موضوعات متعدد ریاضیات و فیزیک و مکانیک کوانتوم را پوشش می‌دهند. از جوایز و افتخارات او می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ۱۹۳۴ - مدال Stokes کمبریج
• ۱۹۳۹ - عضویت در انجمن سلطنتی علوم
• ۱۹۴۵ - جایزه‌ی Makdougall-Brisbane انجمن سلطنتی ادینبرو
• ‍۱۹۴۵ - جایزه‌ی Gunning Victoria Jubilee انجمن سلطنتی ادینبرو
• ۱۹۴۸ - مدال ماکس پلانک
• ۱۹۵۰ - مدال Hughes انجمن سلطنتی لندن
• ۱۹۵۳ - نشان شهروند افتخاری گوتینگن
• ۱۹۵۴ - جایزه‌ی نوبل فیزیک
• ۱۹۵۶ - مدال Hugo Grotius حقوق بین‌الملل مونیخ
• ۱۹۵۹ - جایزه‌ی Grand Cross جمهروی فدرال آلمان
• ۱۹۷۲ - جایزه‌ی ماکس بورن توسط انجمن فیزیک آلمان و بریتانیا تأسیس شد که به‌صورت سالانه به دستاوردهای بزرگ فیزیکی اهدا می‌شود.