نگاهى به تاريخ و شاخه هاى گوناگون فيزيك
بازي بزرگان
نگاهى به تاريخ و شاخه هاى گوناگون فيزيك
در قرن هفدهم نيوتن با كارهايى كه بر روى نور انجام داد به اين نتيجه رسيد كه نور از ذره هاى كوچك تشكيل شده است. دانشمندان ديگر معتقد بودند كه ماهيت نور موج است. اما نفوذ نيوتن سبب شد كه نظريه او براى مدت ۲۰۰ سال مورد قبول با شد.سرانجام در سال ۱۸۶۵ جيمز ماكسول فيزيكدان اسكاتلندى همه پديده هاى الكتريكى و مغناطيسى را با تئورى خود تشريح و تفسير كرد. او گفت كه نور فقط بخشى از امواج الكترومغناطيسى است. ماكسول وجود امواج راديويى، كه موج، فروسرخ فرابنفش و اشعه ايكس و گاما كه بعد از آن كشف شد را پيش بينى كرد.تا اواخر سال ۱۸۰۰ ميلادى به نظر مى رسيد كه فيزيك ماموريت تشريح هر آن چيزى كه بايستى نسبت به رفتارمان و انرژى دانسته شود، شناخته است. به هر حال چيزى فراتر از حقيقت نيست. در اوايل دهه ۱۹۰۰ ميلادى فيزيك نيوتنى با دو نظريه نسبيت و كوانتوم مورد ضربه شديد قرار گرفت.در سال ۱۹۰۵ يك كارمند اداره ثبت آلمانى به نام آلبرت اينشتين مقاله اى نوشت كه در آن نظر كاملاً جديدى در مورد مكان و زمان مطرح كرد. او پيشنهاد كرد كه فضا و زمان نسبى هستند بدين معنى كه اندازه گيرى آنها به چارچوب مرجع (محورهاى مختصات ناظر) بستگى دارد. ده سال بعد اينشتين تئورى نسبيت عمومى خود را ارائه داد و با رياضيات نشان داد كه فضا و زمان نسبى هستند. اين تئورى همچنين جانشين تئورى جاذبه نيوتنى شد و به كمك نظريه انحناى فضا حركت اجرام فضايى را تشريح كرد. نظريه نسبيت اينشتين آثار ديگر نجومى را كه نظريه نيوتن نمى توانست آنها را توجيه كند پيش بينى كرد.اينشتين در مورد انرژى كه ابتدا ماكس پلانك فيزيكدان آلمانى در سال ۱۹۰۰ نظر خود را اعلام كرده بود تفصيل و شرح استادانه اى ارائه داد. پلانك به اين نتيجه رسيد كه انواع شكل هاى انرژى از بسته هاى كوچكى تشكيل شده اند كه او آنها را كوانتوم ناميد. اينشتين نظريه پلانك را در مورد نور به كار برد و ذره انرژى نور را فوتون ناميد. با اين مفهوم اثر فوتوالكتريك را تشريح كرد. در پديده فوتوالكتريك تابش پرتوهاى فرابنفش به سطح فلز سبب خروج دانه هاى الكتريسيته به نام الكترون مى شوند. اين امر نيز ماهيت دوگانه نور را آشكار كرد و نشان داد كه نور بعضى وقت ها مانند موج و بعضى وقت ها مانند ذره عمل مى كند نيلز بور فيزيكدان دانماركى نظريه كوانتومى را براى اتم به كار برد. او شرح داد كه در هر اتم الكترون ها مى توانند فقط سطح هاى مشخصى از انرژى را داشته باشند. هنگامى كه يك الكترون از سطح انرژى بيشتر به سطح انرژى كمتر انتقال يابد تفاوت انرژى در اثر اين پرش كوانتومى به صورت فوتون نور تابش مى شود.در سال ۱۹۲۳ لويى ويكتور دوبروى فيزيكدان فرانسوى اعلام كرد كه نور ماهيت دوگانه موج - ذره را دارد، الكترون ها نيز چنين وضعى دارند. هنگامى كه نظر دوبروى مورد بررسى قرار گرفت مفهوم فيزيك كوانتومى و مكانيك كوانتومى روشن و موجب درك و فهم اساس ماده و حركت شد.آزمايش هايى كه بر روى هسته اتم ها صورت گرفت سبب شد كه تحقيقات فيزيك در قرن بيستم بر هسته متمركز شود. وسيله اى كه براى اين تحقيقات به كار رفت شتاب دهنده ذرات بود كه وسيله اى با انرژى بسيار زياد است و مى تواند يك باريكه اى از ذره هاى اتمى الكتريسيته دار را به وجود آورد. فيزيكدانان از اين ذره ها براى بمباران اتم ها و مطالعه در چگونگى شكسته شدن آنها استفاده مى كنند.مطالعاتى كه با انرژى زياد صورت گرفت سبب كشف دو ذره جديد زيراتمى شد. جريان مطالعات اين پيشنهاد را در پى داشت كه انواع ذره هاى بنيادى از چند ذره اصلى به نام كوارك ساخته شده اند.در اواخر قرن بيستم اطلاعاتى كه دانشمندان از ذره هاى بنيادى و اثر متقابل آنها به دست آوردند تئورى جديد وحدت نيروها را مطرح كردند. اين تئورى تركيبى از چهار تئورى مربوط به نيروهاى گرانشى، الكترومغناطيسى، هسته هاى قوى و هسته هاى ضعيف بود كه به صورت تئورى واحد همه نيروها را دربرمى گيرد. پژوهش هايى كه در فيزيك ذرات بنيادى صورت گرفته منجر به پيدايش تئورى جديد جهان شناسى شده است. در اين تئورى منشاء ساز و كار و تحولات جهان بزرگ بررسى مى شود. مثلاً در دهه ۱۹۲۰ ادوين هابل اخترشناس آمريكايى و ديگران كشف كردند كه جهان منبسط و گسترده مى شود. اين موضوع تحت عنوان تئورى بينگ بنگ بيان شده و مطرح مى كند كه جهان در اثر يك انفجار بزرگ كيهانى آغاز شده است.
• شاخه هاى فيزيك
فيزيك را به طور سنتى به دو شاخه فيزيك كلاسيك و فيزيك جديد تقسيم مى كنند. فيزيك كلاسيك شامل مكانيك نيوتنى، ترمو ديناميك، اكوستيك، اپتيك و الكترومغناطيس است.
• فيزيك كلاسيك
مكانيك نيوتنى شاخه اى از علم فيزيك است كه براساس قوانين حركت كه در كارهاى آيزاك نيوتن است پايه گذارى شده است. امروزه اين شاخه فيزيك داراى حوزه وسيعى از رياضيات عالى است كه فيزيكدانان آن را براى طراحى قطارهاى جديد، اتومبيل ها، هواپيماها و زيردريايى ها و موشك هاى دوربرد و فضاپيماها به كار مى برند.ترموديناميك شاخه ديگرى از علم فيزيك است كه در موضوع انتقال گرما، تبديل گرما به كار مفيد در اثر جابه جايى هاى فيزيكى يا واكنش هاى شيميايى مطالعه مى كند. فيزيكدانان در اين حوزه ممكن است در موضوع نيمه رساناها كه گرما را از پرتوهاى خورشيد مى گيرند و آن را به الكتريسيته تبديل مى كنند كار كنند.
اكوستيك مطالعه علمى بر امواج صوتى و كنترل صوت است. فيزيكدانان در اين قسمت در طيف وسيعى كار مى كنند. آنها از لرزش هاى كوچك زمين تا نوسان هاى پرسامد فراصوتى كه در پزشكى براى تشخيص بيمارى ها كاربرد دارند مورد مطالعه قرار مى دهند. مهندسى صدا كه براساس فيزيك صوت قرار دارد در طراحى تئاتر و تهيه موزيك به كار مى رود. اپتيك به انواع پديده هاى نورى مربوط مى شود. نور هندسى با پرتو هايى كه به خط راست منتشر مى شوند (كه پرتو نور ناميده مى شوند) مربوط مى شود. پديده هاى بازتابش، شكست و تشكيل تصوير در ابزار هاى نور مانند آينه و عدسى در نور هندسى بحث مى شود. اپتيك فيزيك به ماهيت موجى نور و پديده هاى تداخل، تفرق، قطبش كه در ابزار هاى دقيق نورى مانند ميكروسكوپ، دوربين عكاسى و فيلتر هاى نورى موثرند، مى پردازد.الكترومغناطيس شاخه اى از علم فيزيك است كه از نيرو هاى ميان مواد مغناطيسى، نيرو هاى ميان جريان هاى الكتريكى و روابط ميان اين نيرو ها بحث و مطالعه مى كند. فيزيكدانان در اين حوزه از علم با مغناطيس هاى الكتريكى كه درماشين هاى صنعتى مانند موتور ها و ژنراتور ها و نيز ابزار ها علمى مانند شتاب دهنده ها و ابررسانا ها به كار مى روند سروكار دارند.
• فيزيك جديد
فيزيك جديد بر موضوعاتى مانند مكانيك كوانتومى، فيزيك هسته و ذرات بنيادى و فيزيك پلاسما متمركز است.
مكانيك كوانتومى به بررسى ساختمان و طرز كار اتم ها و ذره هاى بنيادى با توجه به اين نظر كه همه انرژى ها به صورت كوانتومى هستند مى پردازد. كوانتوم مكانيك علم بررسى سلول هاى فوتوالكتريك، باترى هاى خورشيدى، پرتو فلورسنت، ليزر و اسپكتروسكوپ است. اسپكتروسكوپ دستگاهى است كه براى تشخيص عناصر از يكديگر از راه نورى كه در اثر تحريك شدن تاثير مى كنند به كار مى رود.
فيزيك هسته اى و ذره هاى بنيادى در مورد ويژگى هاى هسته و ذره هاى درون آن كه هستك ناميده مى شوند بحث و مطالعه مى كند. ابزار آزمايش فيزيكدانان هسته اى و ذره هاى بنيادى شتاب دهنده هاى بسيار قوى ذرات و آشكار ساز ها هستند. فيزيكدانان هسته اى انرژى را كه از راه شكافت هسته اى و پيوند هسته اى به وجود مى آيد را كنترل مى كنند و آن را براى توليد انرژى هسته اى و سلاح هاى هسته اى به كار مى برند. آنها در بخش پزشكى هسته اى هم كار مى كنند تا روش هاى استفاده از مواد راديواكتيو را براى تشخيص معالجه بيمارى ها بيابند.
فيزيك پلاسما مربوط به بررسى آثار و اعمال پلاسما است. پلاسما كه حالت چهارم ماده نيز ناميده مى شود شكلى از ماده است كه به صورت گاز يونيزه يون و در آن يون ها و الكترون ها به صورت آزاد حركت مى كنند. در بيرون از اتمسفر كره زمين بيش از ۹۹ درصد موادى كه در جهان قابل مشاهده هستند به صورت پلاسما موجودند. در روى زمين پلاسما فقط در چند جا مانند درون حباب هاى فلورسنت وجود دارد. امروزه در آزمايشگاه ها از طريق يونيزه كردن گاز ها در اثر جريان الكتريكى پلاسما توليد مى كنند. اين پلاسماى مصنوعى را كه اهميت بسيار دارد در صنايع نيمه رسانا ها به كار مى برند.
• فيزيك و ديگر علوم
همه شاخه هاى فيزيك در يك يا چند موضوع با علوم ديگر مانند زيست شناسى، شيمى، زمين شناسى و اختر شناسى پيوند يافته و مبحث هاى جديد زيست فيزيك، شيمى فيزيك، زمين فيزيك و اختر فيزيك را به وجود آورده اند.
زيست فيزيكدانان درباره فيزيك موجودات زنده بحث مى كنند. به ويژه آنها مفاهيم و ابزار هاى فيزيك را براى حل مسائل زيست شناسى مانند ساختمان مولكول هاى مركب يا ماهيت پالس هاى الكتريكى در مغز، در عصب ها، در ماهيچه ها و ديگر اندام ها به كار مى برند. مثلاً در قرن بيستم پراش پرتو ايكس نقش عمده اى در كشف ساختمان و طرز كار مولكول هاى مهم، پروتئين ها و دى ان اى بر عهده داشت.
زمين فيزيكدان ها از علم فيزيك براى مطالعه زمين و سياره هاى همسايه آن استفاده كردند. روش آنها شامل مطالعه بر پوسته، هسته، اقيانوس ها و اتمسفر زمين و سيارات ديگر منظومه شمسى بود. زمين فيزيك خود شامل رشته هايى مانند زمين پيمايى يا مساحى (ژئودوزى)، لرزه شناسى، مغناطيس زمين است. در زمين پيمايى شكل زمين و ميدان گرانش آن بررسى مى شود. در لرزه شناسى لرزه هايى كه در اثر جابه جايى هاى درون زمين يا انفجار هاى هسته اى زيرزمينى به وجود مى آيد مطالعه مى شود. موضوع مغناطيس زمين در رابطه با قطب ها و ميدان مغناطيسى زمين است.شيمى فيزيكدان ها به مطالعه ساختمان ماده و تغييرات انرژى كه در اثر واكنش هاى شيميايى يا تغيير حالت هاى ماده (مانند وقتى گاز به مايع تبديل مى شود) به وجود مى آيد، مى پردازند.
كيهان شناسان در موضوع مبدا، ساختار و تحولات جهان مطالعه مى كنند. فيزيكدانان در اين حوزه به شناسايى چگونگى سازوكارى جهان و تشخيص ماهيت ماده و انرژى مى پردازند. همانطورى كه مكانيك كوانتومى در مورد هسته و ذره هاى اتمى به بررسى مى پردازد. رابطه تنگاتنگى ميان مكانيك كوانتومى و اخترفيزيك وجود دارد كه در تشريح ساختار و طرز كار ستارگان و ديگر اجرام فضايى به كار مى رود. اختر فيزيكدانان در تلاشند تا ويژگى هاى هر چيزى كه در جهان بزرگ مشاهده مى كنند با واژه هاى دما، فشار چگالى و تركيب هاى شيميايى نشان دهند.
ريچارد فين من، فيزيكدان آمريكايى زمانى علم را با اين گفته تشريح كرده بود كه: «طبيعت يك بازى بزرگ شطرنج است كه آن را خدايان بازى مى كنند و ما افتخار آن را داشتيم كه آن بازى را نگاه كنيم. قوانين بازى چيزى است كه ما آن را فيزيك اساسى و مبادى مى ناميم و هدف ما درك و فهم اين قوانين است.» بر طبق گفته فين من، فيزيك از گذشته هاى دور به عنوان علمى شناخته شده است كه مى كوشد تا «همه چيز» را تشريح و تفسير كند. فيزيك، مطالعه بر ماده و انرژى و كاوش دريافتن قوانينى است كه رفتار آنها را مشخص مى كند. در حالى كه شيميدانان عنصرها و تركيب ها را مطالعه مى كنند فيزيكدانان به مطالعه نيروهايى مى پردازند كه عنصرها را به وجود مى آورند و با هم تركيب و يا از يكديگر جدا مى كنند. در حالى كه اخترشناسان اجرام فضايى را مطالعه مى كنند، فيزيكدانان نيروهايى را مطالعه مى كنند كه اين اجرام را اينگونه شكل بخشيده اند و قوانينى را بررسى مى كنند كه بر حركت آنها در فضا حاكم هستند.
فيزيكدان ها مى خواهند بدانند كه چه چيزى سبب مى شود كه اتم ها به يكديگر پيوند يافته و كهكشان ها از هم جدا هستند. براى درك همين مطالب است كه نيروهايى مانند گرانش و پديده هايى چون حركت، مغناطيس، الكتريسيته و انرژى هسته اى را آزمايش و بررسى مى كنند.
بسيارى از بزرگترين فيزيكدانان جهان، همچون فين من تحقيقات علمى را دنبال مى كنند و به تدريس آنها مى پردازند. در حالى كه گروه ديگرى از فيزيكدانان در صنايع، طراحى شبكه هاى ارتباطى برتر، نيروگاه هاى با بازده بالا، ساختمان هاى امن تر و كارخانه هاى اتومبيل سازى، كشتى سازى و هواپيماسازى بسيار پيشرفته اى كه مقاومت هوا بر آن بسيار ناچيز است، كار مى كنند. بعضى از فيزيكدانان هم با پژوهشگران امور پزشكى همكارى مى كنند تا راه هاى جديدى را براى كاوش در تن آدمى بيابند. ممكن است روزى فيزيكدانان راه هاى عملى را براى پرواز اتومبيل و قطار در هوا به دست آورند و انرژى نامحدود، ارزان و پاك را در اختيار همگان قرار دهند. اين موارد فقط شمارى از فرصت هاى بى شمار عملى است كه راه آن براى فيزيكدانان امروزى باز شده است.
• تاريخ فيزيك
ريشه هاى فيزيك را به عنوان يك علم حداقل از حدود ۲۶۰۰ سال پيش مى توان رديابى كرد. در آن زمان بود كه فيثاغورث، فيلسوف يونانى هماهنگى ميان صوت تارها را در آلت موسيقى كشف كرد و آن را به صورت يك رابطه رياضى نشان داد. همين موضوع سبب شد كه فيثاغورث به دنبال يافتن قانون هاى ساده رياضى باشد كه پديده هاى طبيعى را به درستى تشريح نمايند، قانون هايى كه حركت يك ذره معلق در فضا تا كل سازوكار جهان را نشان دهند.
در حدود ۴۰۰ سال پيش از ميلاد مسيح افلاطون و ارسطو نظر فيثاغورث را گسترش دادند. آنها نظمى را در گردش دايره اى ستارگان ديدند اما حركت سيارات در خلاف جهت ستارگان و دور و نزديك شدن آنها فكرشان را مغشوش كرد تا آن كه در سال ۱۵۴۳ ميلادى نيكلاى كپرنيك دانشمند لهستانى در فرضيه خود، با قراردادن خورشيد به جاى زمين هماهنگى فيزيكى جهان را عرضه كرد. در دهه اول ۱۶۰۰ ميلادى يوهان كپلر دانشمند آلمانى دريافت كه مسير سيارات دايره نبوده بلكه به صورت بيضى است. او به مدد رصدها و مطالعات خود قانون هايى را به دست داد كه سرعت مدار و زمان گردش هر سياره را به طور دقيق بيان مى كرد.در حدود همان سال ها گاليله فيزيكدان ايتاليايى و رنه دكارت رياضيدان فرانسوى موضوع حركت را مورد مطالعه قرار دادند. آنها جدا از هم دريافتند كه اگر جسمى در حركت باشد مسير آن خط راست است و با سرعت ثابت جابه جا مى شود مگر آن كه چيزى بر آن اثر كند يا نيرويى بر آن وارد شود. اين فكر بنياد قوانين حركت بود كه به وسيله آيزاك نيوتن فيزيكدان انگليسى به وجود آمد.نيوتن در سال ۱۶۸۷ كتاب «اصول رياضى فلسفه طبيعى» را نوشت. اين كتاب يكى از متون بسيار مهم علمى است كه تاكنون نوشته شده و راهنماى بسيارى از كارهاى علمى است كه مورد پذيرش قرار گرفته است. در اين كتاب نيوتن سه قانون حركت را مورد بحث قرار داده است: قانون اينرسى، قانون شتاب ثابت و قانون عمل و عكس العمل. در اين كتاب «قانون گرانش جهانى» نيز ارائه شده است. اين قانون براساس مشاهدات كپلر كشف و به صورت رياضى فرمول بندى شد و نشان مى دهد كه هر دو جسم با نيرويى كه با حاصل ضرب جرم هاى آن نسبت مستقيم با مجذور فاصله آنها نسبت عكس دارد يكديگر را جذب مى كنند.نظرات نيوتن كه شامل مطالعه حركت اجسام و نيروهايى كه بر آنها اثر مى كند، است اساس علم مكانيك شد و به نوبه خود مكانيك اساس فيزيك جديد شد.
در همان زمان كه نخستين فيزيكدانان به مطالعه حركت و قوانين آن مشغول بودند در جست وجوى بررسى ماهيت و رفتارهاى ماده در جهان نيز بودند. مثلاً در سال ۱۶۰۰ ميلادى روبرت بويل مشخص كرد كه اگرگازى را گرم كنيم، اتم ها جنبش بيشترى خواهند يافت و سبب مى شوند كه دما و فشار گاز افزايش يابد. تشريح رفتار گازها براساس حركت اتم ها اكنون به تئورى سينتيك گازها معروف است. اين موضوع يكى از كاربردهاى مهم و جالب مكانيك نيوتن در حوزه اتم ها _ نه ستارگان بود.در تئورى سينتيك بويل اين ايده وجود داشت كه گرما شكلى از انرژى است. شكل هاى ديگر انرژى از قبيل انرژى الكتريكى و انرژى شيميايى نيز به زودى شناخته شدند. بعدها مشخص شد كه اين شكل هاى گوناگون انرژى مى توانند به يكديگر تبديل شوند. اما انرژى خود به خود به وجود نمى آيد و نابود هم نمى شود. اين موضوع يعنى _ پايستگى انرژى يكى از پايه هاى اساسى علم فيزيك شد.در طول سال هاى ۱۷۰۰ ميلادى بسيارى از دانشمندان از جمله بنجامين فرانكلين سياستمدار، نويسنده و مخترع آمريكايى و الساندرو ولتا بسيارى از ويژگى هاى الكتريسيته و قوانين حاكم بر آن را بررسى و كشف كردند. آنها وجود بارهاى مثبت و منفى الكتريسيته را كشف كردند و دريافتند كه فلزات رساناى خوبى براى الكتريسيته هستند. يعنى بارها الكتريكى به سهولت از ميان آنها مى گذرد.
اين اكتشافات سبب شد كه فيزيكدانان و شيميدانان دريابند كه خود اتم از بارهاى مثبت و منفى الكتريكى تشكيل شده است و واكنش هاى شيميايى را به كمك جذب و دفع الكتريكى بين اتم ها مى توان تشريح و تفسير كرد.
معماهاى نور و خصوصيات آن در طول تاريخ نيز فيزيكدانان را مجذوب خود كرده است. نمونه اى از آينه فلزى كه مصرى ها در حدود چهار هزار سال پيش به كار مى برده اند در دره رود نيل از زير خاك بيرون آورده اند. دانشمندان يونان باستان مانند فيثاغورث، دموكريتوس، افلاطون و ارسطو درباره ماهيت نور به بحث پرداخته اند. اقليدس در حدود سه قرن پيش از ميلاد مسيح از انتشار نور به خط راست و برابرى زاويه تابش با زاويه بازتابش سخن رانده است. در مجموعه پرسش و پاسخ بين ابوريحان بيرونى و اين سينا به چنين پرسشى از سوى ابوريحان برمى خوريم كه «چگونه است كه ظرف شيشه اى مدور پر از آب كه در مسير نور آفتاب قرار گيرد اشياى مجاور خود را مى سوزاند اما اگر از آب تهى باشد، چنين نمى كند؟»۱
خواجه نصرالدين طوسى در كتاب تجريدالكلام مى گويد: «به نظر برخى از دانشمندان نور از ذرات خردى ساخته شده كه از منبع نور جدا شده و به اجسام گيرنده نور مى رسند. قطب الدين شيرازى در كتاب نهايه الادراك از رنگين كمان و چگونگى ديدن اجسام بحث مى كند، كمال الدين فارسى در كتاب تنفيع المناظر درباره شكست نور مى نويسد: هر گاه نور با جسم غليظ ترى مصادف شود اين غلظت مانع از حركت نور در جهت اوليه خواهد بود پس در جهتى سير مى كند كه نفوذ در آن سهل تر است مسلماً چون راه سهل ترى را اختيار مى كند زودتر به مقصد مى رسد.۲
http://cph-theory.persiangig.com/920-2.jpg
