جيمس فرانك: الفيزيائي الذي حذر أولاً

في 11 يونيو 1945، وقعت مجموعة من العلماء الذين يعملون على القنبلة الذرية الأمريكية وثيقة يتوسلون فيها إلى حكومتهم ألا تستخدمها دون سابق إنذار. وكتبوا: "إذا كانت الولايات المتحدة هي أول من يطلق هذه الوسيلة الجديدة للدمار الشامل العشوائي على البشرية، فإنها ستضحي بدعم الرأي العام في جميع أنحاء العالم، وستعجل بسباق التسلح". يحمل التقرير اسم الرجل الذي ترأس اللجنة - وهو حائز على جائزة نوبل كان قد استقال من منصب أستاذ جامعي من قبل اثني عشر عاماً من أجل مبدأ ما، وأمضى حياته المهنية في إثبات أن الذرات لا تقبل الطاقة إلا بكميات محددة بدقة.

هامبورغ، هايدلبرغ، برلين

ولد فرانك في 26 أغسطس 1882 في هامبورغ. التحق بمدرسة فيلهلم الثانوية (Wilhelm Gymnasium)، ثم درس الكيمياء في هايدلبرغ قبل أن ينتقل إلى الفيزياء في برلين، حيث درس على يد إميل فاربورغ (Emil Warburg) وبول درود (Paul Drude). حصل على الدكتوراه في برلين عام 1906، وعمل لفترة وجيزة كمساعد في فرانكفورت، ثم عاد إلى برلين ليعمل مع هاينريش روبنز (Heinrich Rubens). وبحلول عام 1911، كان يدرس الفيزياء في جامعة برلين، وارتفع ليصبح أستاذاً مشاركاً وشغل المنصب حتى عام 1918، مع انقطاع بسبب الخدمة العسكرية في الحرب العالمية الأولى.

الإلكترونات والذرات

كان عمل فرانك الرئيسي يتعلق بما يحدث عندما يصطدم إلكترون بذرة. فقد ابتكر مع غوستاف هيرتز (Gustav Hertz) تجارب قاست هذا التبادل بدقة - ووجدت أن الذرة لا تأخذ كميات عشوائية من الطاقة. فقد قبلت كميات محددة ولا شيء بينها. كان هذا أول إثبات تجريبي مباشر لمستويات الطاقة المكممة التي اقترحتها النظرية الكمية، وحول فرضية مجردة إلى حقيقة مختبرية قابلة للقياس. مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1925 بشكل مشترك للرجلين "لاكتشافهما القوانين التي تحكم تأثير الإلكترون على الذرة".

بعد الحرب، ترأس فرانك قسم الفيزياء في معهد كايزر فيلهلم (Kaiser Wilhelm Institute) تحت إشراف فريتز هابر (Fritz Haber)، وواصل البحث في حركية الإلكترونات وسلوك الذرات في الغازات.

غوتينغن

في عام 1920، أصبح أستاذاً للفيزياء التجريبية في غوتينغن، ولثلاثة عشر عاماً كان نصف الشراكة التي جعلت المدينة عاصمة عالمية للفيزياء النظرية، حيث عمل في تعاون وثيق مع ماكس بورن (Max Born). ومن بين الطلاب الذين مروا من هناك جيه. روبرت أوبنهايمر (J. Robert Oppenheimer). في غوتينغن طور فرانك المبدأ المعروف الآن باسمه وباسم إدوارد كوندون (Edward Condon)، والذي يفسر التفكك الكيميائي الضوئي - كيف تتفكك الجزيئات عندما تمتص الضوء.

الاستقالة، 1933

عندما وصل النظام النازي إلى السلطة، عارض فرانك علناً قوانينه العنصرية وتخلى عن منصبه بدلاً من العمل تحت إمرتهم. كان ذلك رفضاً مبكراً وبارزاً بشكل غير عادي، صدر عن محارب قديم حاصل على أوسمة كان بإمكانه المطالبة بالإعفاء. ذهب أولاً إلى جامعة جونز هوبكنز كأستاذ سبيير (Speyer Professor)، وقضى فترة في كوبنهاغن، وفي عام 1938 انضم إلى هيئة تدريس الفيزياء في جامعة شيكاغو.

شيكاغو والقنبلة

خلال الحرب العالمية الثانية، أدار فرانك قسم الكيمياء في المختبر المعدني، وهو فرع جامعة شيكاغو في مشروع مانهاتن. ومع اقتراب السلاح من الاكتمال، ترأس اللجنة التي أنتجت تقرير فرانك في يونيو 1945، ووقعه إلى جانب ليو زيلارد (Leo Szilard)، وغلين سيبورغ (Glenn Seaborg)، ودونالد جيه. هيوز (Donald J. Hughes)، وجيه. جيه. نيكسون (J. J. Nickson)، ويوجين رابينوفيتش (Eugene Rabinowitch)، وجيه. سي. ستيرنز (J. C. Stearns).

جادل التقرير ضد هجوم ذري غير معلن على اليابان واقترح عرضاً توضيحياً في منطقة غير مأهولة بدلاً من ذلك. كان منطقه استراتيجياً بقدر ما كان أخلاقياً. أصر العلماء على أن السر لا يمكن أن يبقى سراً، وتنبأوا بأن دولاً أخرى ستمتلك في غضون عشر سنوات قنابل قادرة على تدمير المدن، وحثوا على إنشاء "رقابة دولية فعالة على المتفجرات النووية" قبل أن يصبح سباق التسلح لا يمكن إيقافه. تم رفض اقتراحهم. كما كانوا محقين بشأن الجدول الزمني.

التمثيل الضوئي

بعد الحرب، قاد فرانك مجموعة أبحاث التمثيل الضوئي في شيكاغو حتى عام 1956، مسلطاً أدوات الكيمياء الفيزيائية على مسألة كيف تحول النباتات الضوء إلى طاقة كيميائية - وهي بمعنى ما نفس مشكلة مبدأ فرانك-كوندون، ولكن مطبقة على المادة الحية. تراكمت الأوسمة: ميدالية ماكس بلانك في عام 1951، والمواطنة الفخرية لغوتينغن في عام 1953، وميدالية رمفورد في عام 1955، والانتخاب لعضوية الجمعية الملكية في عام 1964. توفي في 21 مايو 1964 أثناء زيارته لغوتينغن، المدينة التي غادرها قبل واحد وثلاثين عاماً.

لماذا يُدعى جيمس بالعبقري

السمة المعنية هنا هي الخيال التجريبي: القدرة على تصميم جهاز يجبر الطبيعة على الإجابة على سؤال كانت تتجنبه. كانت ذرة بور، بحالات طاقتها المنفصلة، مقترحاً نظرياً اعتبره العديد من الفيزيائيين خيالاً مريحاً. بنى فرانك وهيرتز جهازاً أصبح فيه ذلك المقترح مرئياً كنمط متكرر في تيار كهربائي - وهو دليل يمكن لأي شخص قراءته من أداة. إن تحويل تجريد متنازع عليه إلى قياس لا جدال فيه هو من أصعب الأشياء التي يمكن للفيزيائي القيام بها، واقتباس لجنة نوبل، "القوانين التي تحكم تأثير الإلكترون على الذرة"، ينسب ذلك بالضبط. يُظهر مبدأ فرانك-كوندون نفس العادة الذهنية المطبقة على الجزيئات والضوء.

تستحق الحالة المقابلة النقاش. النظرية التي أعطت نتائجها معناها لم تكن نظريته؛ بل كانت ملكاً لبور، والميكانيكا الكمية التي تلت ذلك تعود لبورن وهايزنبرغ (Heisenberg) وغيرهم في نفس المؤسسة التي عمل فيها فرانك. لقد كان قياسياً بارعاً داخل ثورة قادها المنظرون. تمت مشاركة الجائزة، والمبدأ يحمل اسمين، وأبحاثه الجوهرية في التمثيل الضوئي بعد الحرب لم تنتج شيئاً ذا مكانة مماثلة. من العدل أيضاً ملاحظة أن جزءاً كبيراً من سمعة فرانك الحديثة يعتمد على الضمير وليس الفيزياء - استقالة 1933 وتقرير 1945. هذا تمييز حقيقي، وربما يكون نادراً، لكنه وضوح أخلاقي وليس بريقاً فكرياً، ولا ينبغي دمج الاثنين بهدوء.

الإرث

تعتبر تجربة فرانك-هيرتز الآن تمريناً معيارياً في مختبرات المرحلة الجامعية، وهو أعلى إطراء تقدمه الفيزياء: نتيجة مؤكدة لدرجة أن الطلاب يطلب منهم إعادة إنتاجها. كان لتقرير فرانك حياة لاحقة أغرب. بعد تجاهله في عام 1945، أصبح الوثيقة التأسيسية لحركة العلماء من أجل السيطرة على التسلح، ويُقرأ اليوم كأقل من كونه احتجاجاً وأقرب إلى كونه توقعاً - اللحظة التي أخبر فيها الأشخاص الذين بنوا السلاح حكومتهم بالضبط كيف ستبدو الخمسون عاماً القادمة، ولم يتم تصديقهم.