سنة ١٩٠٩، وبينما كان أينشتاين يوشك أن يترك العمل كموظف في مكتب براءات الاختراع، وتقلد أول منصب أكاديمي له كأستاذ مشارك في زيورخ، أخذ خطوة صغيرة ولكنها مهمة وذات مغزى، عندما أشار لأول مرة إلى «الكم النقطي والطاقةhv » في  الميكانيكا الكلاسيكية تمثل الجسيمات مثل الإلكترونات بأجسام  تشبه «النقطة»، وهذا يختلف تماما عن أي وصف بمدلول الموجات، باستثناء أن تردد الإشعاع ν يخبرنا بطاقة الجسيم. وقد قال أينشتاين سنة ١٩٠٩: «في رأيي أن المرحلة القادمة في تطور الفيزياء النظرية سوف تتمخض عنها نظرية للضوء يمكن تفسيرها كضرب من الدمج بين نظريتي الموجات والانبعاث».

يضرب هذا التعليق، الذي قلما لاحظه أحد في ذلك الوقت، نظرية الكم الحديثة في الصميم. وقد عبر بور في عشرينيات القرن العشرين عن هذا الأساس الجديد للفيزياء بمصطلح «مبدأ المكاملة» الذي ينص على أن النظريتين الموجية والجسيمية للضوء (في هذه الحالة) لا تستبعد أي منهما الأخرى، ولكن إحداهما تكمل الأخرى. وكلا المفهومين ضروري لتقديم وصف شامل، ويتضح ذلك بشدة في الحاجة إلى قياس طاقة «جسيم» الضوء من حيث تردده، أو طوله الموجي.

ومع ذلك، بعد فترة وجيزة من التصريح بهذه الملاحظات، كف أينشتاين عن التفكير بشكل جاد في نظرية الكم فيما وضع نظريته عن النظرية العامة. وعندما عاد إلى معترك الكم سنة ١٩١٦، كان في جعبته تطور منطقي آخر لموضوع الضوء والكم. وقد ساعدت أفكاره الإحصائية، كما رأينا، في تنظيم الصورة الخاصة بذرة بور وتحسين وصف بلانك لإشعاع الجسم الأسود. وقد فسرت أيضا هذه العمليات الحسابية لآلية امتصاص المادة للإشعاع أو إطلاقه، كيفية انتقال الزخم من الإشعاع إلى المادة وهي الحسابات، وذلك بشرط أن كل كم من الإشعاع hν يحمل معه زخما. hv/cويرجع هذا البحث إلى موضوع بحث آخر من الأبحاث العظيمة التي صدرت سنة ١٩٠٥، حول الحركة البراونية. وكما أن ذرات الغاز أو السائل تضرب حبوب اللقاح لتبرهن حركتها على حقيقة وجود الذرات، كذلك تضرب «جسيمات» إشعاع الجسم الأسود الذرات نفسها. ولا يمكن رصد «الحركة البراونية» للذرات والجزيئات بالملاحظة المباشرة، بيد أن عمليات التصادم تتسبب في حدوث تأثريات إحصائية يمكن قياسها بمدلول خصائص مثل ضغط الغاز. وقد فسر أينشتاين هذه التأثريات الإحصائية بمدلول جسيمات إشعاع الجسم الأسود التي تحمل الزخم.

. ومع ذلك، فإن التعبير نفسه الموضوع لحساب زخم جسيم الضوء مأخوذ مباشرة من النسبية الخاصة، بطريقة بسيطة ّجدا. في نظرية النسبية، تصاغ العلاقة بني الطاقة (E)والزخم (p)وكتلة السكون (m)للجسيم بالمعادلة البسيطة:

E ² = m² c ⁴ + p ² c ²

وحيث إن جسيم الضوء ليست له كتلة سكون، فإن هذه المعادلة تختزل مباشرة إلى:

E ² = p ² c ²

أو بصورة أبسط, p = E/c: وقد يبدو مستغربا أن أينشتاين استغرق كل هذا الوقت ليصل إلى هذه العلاقة، حيث أن ذهنه كان مشغولا حينئذ بأمور أخرى، مثل النسبية العامة.  ولكن لا شك أنه بمجر د أن توصل إلى هذه العلاقة، اكتسبت القضية قوة أكبر بكثري من خلال التوافق بني الأدلة الإحصائية ونظرية النسبية. (ومن وجهة نظر أخرى، بما أن الإحصاءات توضح أن  p = E/c، يمكنك الدفع إذن بأن المعادلات النسبية قد أثبتت بذلك أن جسيم الضوء له كتلة سكون تساوي صفرا.( وكان هذا البحث هو الذي أقنع أينشتاين نفسه بأن الكم الضوئي له وجود حقيقي.  ولم يظهر مسمى «فوتون» للإشارة إلى جسيم الضوء إلا سنة ١٩٢٦) على يد جيلبرت لويس المقيم في بريكلي بكاليفورنيا)، ولم ي درج ضمن المصطلحات العلمية إلا بعد مؤتمر سولفاي الخامس الذي عقد تحت عنوان «الإلكترونات والفوتونات» سنة ١٩٢٧. لكن مع أن أينشتاين انفرد سنة ١٩١٧ باعتقاده في حقيقة ما يسمى الآن بالفوتونات، يبدو أن هذا هو الوقت المناسب لتقديم الاسم. وقد استلزم الأمر ست سنوات أخرى قبل تقديم دليل تجريبي مباشر لا يقبل الجدل على حقيقة وجود الفوتونات على يد الفيزيائي الأمريكي آرثر كومبتون.

عكف كومبتون على إجراء أبحاث عن أشعة إكس منذ سنة ١٩١٣. وقد عمل في عدة جامعات أمريكية وفي مختبر كافنديش بإنجلترا. وقادته سلسلة من التجارب في بداية عشرينيات القرن العشرين إلى استنتاج أن التداخل بين أشعة إكس والإلكترونات لا يمكن تفسيره إلا إذا جرى التعامل مع أشعة إكس بطريقة أو بأخرى على أنها جسيمات؛ أي فوتونات. كانت التجارب الأساسية تعنى بالطريقة التي تتشتت بها أشعة إكس بواسطة الإلكترون، أو بلغة الجسيمات، الطريقة التي يتداخل بها الفوتون والإلكترون عندما يصطدمان. فعندما يضرب فوتون أشعة إكس إلكترونا ما، يكتسب الإلكترون طاقة

 وزخما وينحرف بزاوية معينة عن مساره السابق. أما الفوتون نفسه، فيفقد طاقة وزخما وينحرف بزاوية مختلفة، يمكن حسابها من خلال القوانين البسيطة لفيزياء الجسيمات.  ويشبه هذا التصادم تأثير كرة البلياردو المتحركة على كرة ثابتة، ويحدث انتقال الزخم بالطريقة نفسها بالضبط. ولكن في حالة الفوتون يعني فقد الطاقة تغير تردد الإشعاع بمقدار hν التي اكتسبها الإلكترون. ونحتاج إلى الوصفين، الجسيم والموجة، للتوصل إلى تفسير كامل للتجربة. عندما أجرى كومبتون هذه التجارب، اكتشف أن التداخل يحدث على نحو متوافق تماما مع هذا الوصف؛ ذلك حيث جاءت زوايا التشتت وتغيرات الطول الموجي وارتداد الإلكترون متوافقة تماما مع فكرة أن أشعة إكس تأتي في صورة جسيمات طاقتها. hν وتسمى هذه العملية الآن ب «تأثير كومبتون»، وقد حصل كومبتون سنة ١٩٢٧ على جائزة نوبل عن هذه الأبحاث. ⁽³⁾ بعد سنة ١٩٢٣، كانت حقيقة أن الفوتونات جسيمات تحمل الطاقة والزخم قد أ ثبتت (على الرغم من أن بور ظل فترة يناضل بشدة ليجد تفسيرا بديلا لظاهرة كومبتون، ولم يدرك على الفور ضرورة تضمين كل من وصفي الجسيمات والموجات في نظرية جيدة عن الضوء، ورأى نظرية الجسيمات على أنها منافس لنظرية الموجات المتضمنة في النموذج الذي وضعه للذرة). ولكن، ظلت كل الأدلة على الطبيعة الموجية للضوء قائمة. وكما قال أينشتاين سنة ١٩٢٤(وبذلك، توجد الآن نظريتان للضوء، وكلتاهما لا غنى عنها ... بلا أي ارتباط منطقي (.  وقد شكلت العلاقة بين هاتين النظريتين الأساس الذي تطورت به ميكانيكا الكم في السنوات المضطربة التالية. وكان التقدم يحدث على عدة جبهات مختلفة في آن واحد، وكانت الأفكار والاكتشافات الجديدة لا تأتي بالتنسيق والترتيب اللازمين لبناء الفيزياء الجديدة. وحتى نقدم قصة مترابطة ومتسقة، لا بد أن تكون روايتي أكثر ترتيبا عما كان عليه العلم نفسه في ذلك الوقت، وإحدى الطرق إلى ذلك هي تمهيد الطريق بسرد المفاهيم ذات الصلة قبل وصف ميكانيكا الكم نفسها، مع أن نظرية الكم كانت قد بدأت تتطور، ولم تكن بعض هذه المفاهيم قد فهمت بعد. كما أن النتائج الكاملة لازدواجية الجسيم والموجة لم تكن قد حظيت بتقدير بعد عندما بدأت ميكانيكا الكم في التبلور واتخاذ شكل واضح، إلا أنه في أي وصف منطقي لنظرية الكم لا بد أن تكون الخطوة التالية بعد اكتشاف الطبيعة الازدواجية للضوء هي اكتشاف الطبيعة الازدواجية للمادة.

هوامش

(3) The theorist Peter Debye calculated the “Compton effect” inde-pendently at about the same time, and published a paper suggesting an experiment to test the idea. By the time his paper was published, Compton had already done the experiment.