تبلیغات
دور دنیا - بازی بزرگان (نگاهى به تاریخ و شاخه هاى گوناگون فیزیك)

امروز:

بازی بزرگان (نگاهى به تاریخ و شاخه هاى گوناگون فیزیك)

» نوع مطلب : دانشمندان ،

بازی بزرگان 

نگاهى به تاریخ و شاخه هاى گوناگون فیزیك

 
در قرن هفدهم نیوتن با كارهایى كه بر روى نور انجام داد به این نتیجه رسید كه نور از ذره هاى كوچك تشكیل شده است. دانشمندان دیگر معتقد بودند كه ماهیت نور موج است. اما نفوذ نیوتن سبب شد كه نظریه او براى مدت ۲۰۰ سال مورد قبول با شد.سرانجام در سال ۱۸۶۵ جیمز ماكسول فیزیكدان اسكاتلندى همه پدیده هاى الكتریكى

و مغناطیسى را با تئورى خود تشریح و تفسیر كرد. او گفت كه نور فقط بخشى از امواج الكترومغناطیسى است. ماكسول وجود امواج رادیویى، كه موج، فروسرخ فرابنفش و اشعه ایكس و گاما كه بعد از آن كشف شد را پیش بینى كرد.تا اواخر سال ۱۸۰۰ میلادى به نظر مى رسید كه فیزیك ماموریت تشریح هر آن چیزى كه بایستى نسبت به رفتارمان و انرژى دانسته شود، شناخته است. به هر حال چیزى فراتر از حقیقت نیست. در اوایل دهه ۱۹۰۰ میلادى فیزیك نیوتنى با دو نظریه نسبیت و كوانتوم مورد ضربه شدید قرار گرفت.در سال ۱۹۰۵ یك كارمند اداره ثبت  آلمانى به نام آلبرت اینشتین مقاله اى نوشت كه در آن نظر كاملاً جدیدى در مورد مكان و زمان مطرح كرد. او پیشنهاد كرد كه فضا و زمان نسبى هستند بدین معنى كه اندازه گیرى آنها به چارچوب مرجع (محورهاى مختصات ناظر) بستگى دارد. ده سال بعد اینشتین تئورى نسبیت عمومى خود را ارائه داد و با ریاضیات نشان داد كه فضا و زمان نسبى هستند. این تئورى همچنین جانشین تئورى جاذبه نیوتنى شد و به كمك نظریه انحناى فضا حركت اجرام فضایى را تشریح كرد. نظریه نسبیت اینشتین آثار دیگر نجومى را كه نظریه نیوتن نمى توانست آنها را توجیه كند پیش بینى كرد.اینشتین در مورد انرژى كه ابتدا ماكس پلانك فیزیكدان آلمانى در سال ۱۹۰۰ نظر خود را اعلام كرده بود تفصیل و شرح استادانه اى ارائه داد. پلانك به این نتیجه رسید كه انواع شكل هاى انرژى از بسته هاى كوچكى تشكیل شده اند كه او آنها را كوانتوم نامید. اینشتین نظریه پلانك را در مورد نور به كار برد و ذره انرژى نور را فوتون نامید. با این مفهوم اثر فوتوالكتریك را تشریح كرد. در پدیده فوتوالكتریك تابش پرتوهاى فرابنفش به سطح فلز سبب خروج دانه هاى الكتریسیته به  نام الكترون مى شوند. این امر نیز ماهیت دوگانه نور را آشكار كرد و نشان داد كه نور بعضى وقت ها مانند موج و بعضى وقت ها مانند ذره عمل مى كند نیلز بور فیزیكدان دانماركى نظریه 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 یك الكترون از سطح انرژى بیشتر به سطح انرژى كمتر انتقال یابد تفاوت انرژى در اثر این پرش كوانتومى به صورت فوتون  نور تابش مى شود.در سال ۱۹۲۳ لویى ویكتور دوبروى فیزیكدان فرانسوى اعلام كرد كه نور ماهیت دوگانه موج - ذره را دارد، الكترون ها نیز چنین وضعى دارند. هنگامى كه نظر دوبروى مورد بررسى قرار گرفت مفهوم فیزیك كوانتومى و مكانیك كوانتومى روشن و موجب درك و فهم اساس ماده و حركت شد.آزمایش هایى كه بر روى هسته  اتم ها صورت گرفت سبب شد كه تحقیقات فیزیك در قرن بیستم بر هسته متمركز شود. وسیله اى كه براى این تحقیقات به كار رفت شتاب دهنده ذرات بود كه وسیله اى با انرژى بسیار زیاد است و مى تواند یك باریكه اى از ذره هاى اتمى الكتریسیته دار را به وجود آورد. فیزیكدانان از این ذره ها براى بمباران اتم ها و مطالعه در چگونگى شكسته شدن آنها استفاده مى كنند.مطالعاتى كه با انرژى زیاد صورت گرفت سبب كشف دو ذره جدید زیراتمى شد. جریان مطالعات این پیشنهاد را در پى داشت كه انواع ذره هاى بنیادى از چند ذره اصلى به نام كوارك ساخته شده اند.در اواخر قرن بیستم اطلاعاتى كه دانشمندان از ذره هاى بنیادى و اثر متقابل آنها به دست آوردند تئورى جدید وحدت نیروها را مطرح كردند. این تئورى تركیبى از چهار تئورى مربوط به نیروهاى گرانشى، الكترومغناطیسى، هسته هاى قوى و هسته هاى ضعیف بود كه به صورت تئورى واحد همه نیروها را دربرمى گیرد. پژوهش هایى كه در فیزیك ذرات بنیادى صورت گرفته منجر به پیدایش تئورى جدید جهان شناسى شده است. در این تئورى منشاء ساز و كار و تحولات جهان بزرگ بررسى مى شود. مثلاً در دهه ۱۹۲۰ ادوین هابل اخترشناس آمریكایى و دیگران كشف كردند كه جهان منبسط و گسترده مى شود. این موضوع تحت عنوان تئورى بینگ بنگ بیان شده و مطرح مى كند كه جهان در اثر یك انفجار بزرگ كیهانى آغاز شده است.
• شاخه هاى فیزیك
فیزیك را به طور سنتى به دو شاخه فیزیك كلاسیك و فیزیك جدید تقسیم مى كنند. فیزیك كلاسیك شامل مكانیك نیوتنى، ترمو دینامیك، اكوستیك، اپتیك و الكترومغناطیس است.
• فیزیك كلاسیك
مكانیك نیوتنى شاخه اى از علم فیزیك است كه براساس قوانین حركت كه در كارهاى آیزاك نیوتن است پایه گذارى شده است. امروزه این شاخه فیزیك داراى حوزه وسیعى از ریاضیات عالى است كه فیزیكدانان آن را براى طراحى قطارهاى جدید، اتومبیل ها، هواپیماها و زیردریایى ها و موشك هاى دوربرد و فضاپیماها به كار مى برند.ترمودینامیك شاخه دیگرى از علم فیزیك است كه در موضوع انتقال گرما، تبدیل گرما به كار مفید در اثر جابه جایى هاى فیزیكى یا واكنش هاى شیمیایى مطالعه مى كند. فیزیكدانان در این حوزه ممكن است در موضوع نیمه رساناها كه گرما را از پرتوهاى خورشید مى گیرند و آن را به الكتریسیته تبدیل مى كنند كار كنند.
اكوستیك مطالعه  علمى بر امواج صوتى و كنترل صوت است. فیزیكدانان در این قسمت در طیف وسیعى كار مى كنند. آنها از لرزش هاى كوچك زمین تا نوسان هاى پرسامد فراصوتى كه در پزشكى براى تشخیص بیمارى ها كاربرد دارند مورد مطالعه قرار مى دهند. مهندسى صدا كه براساس فیزیك صوت قرار دارد در طراحى تئاتر و تهیه موزیك به كار مى رود. اپتیك به انواع پدیده هاى نورى مربوط مى شود. نور هندسى با پرتو هایى كه به خط راست منتشر مى شوند (كه پرتو نور نامیده مى شوند) مربوط مى شود. پدیده هاى بازتابش، شكست و تشكیل تصویر در ابزار هاى نور مانند آینه و عدسى در نور هندسى بحث مى شود. اپتیك فیزیك به ماهیت موجى نور و پدیده هاى تداخل، تفرق، قطبش كه در ابزار هاى دقیق نورى مانند میكروسكوپ، دوربین عكاسى و فیلتر هاى نورى موثرند، مى پردازد.الكترومغناطیس شاخه اى از علم فیزیك است كه از نیرو هاى میان مواد مغناطیسى، نیرو هاى میان جریان هاى الكتریكى و روابط میان این نیرو ها بحث و مطالعه مى كند. فیزیكدانان در این حوزه از علم با مغناطیس هاى الكتریكى كه درماشین هاى صنعتى مانند موتور ها و ژنراتور ها و نیز ابزار ها علمى مانند شتاب دهنده ها و ابررسانا ها به كار مى روند سروكار دارند.
• فیزیك جدید
فیزیك جدید بر موضوعاتى مانند مكانیك كوانتومى، فیزیك هسته و ذرات بنیادى و فیزیك پلاسما متمركز است.
مكانیك كوانتومى به بررسى ساختمان و طرز كار اتم ها و ذره هاى بنیادى با توجه به این نظر كه همه انرژى ها به صورت كوانتومى هستند مى پردازد. كوانتوم مكانیك علم بررسى سلول هاى فوتوالكتریك، باترى هاى خورشیدى، پرتو فلورسنت، لیزر و اسپكتروسكوپ است. اسپكتروسكوپ دستگاهى است كه براى تشخیص عناصر از یكدیگر از راه نورى كه در اثر تحریك شدن تاثیر مى كنند به كار مى رود.
فیزیك هسته اى و ذره هاى بنیادى در مورد ویژگى هاى هسته و ذره هاى درون آن كه هستك نامیده مى شوند بحث و مطالعه مى كند. ابزار آزمایش فیزیكدانان هسته اى و ذره هاى بنیادى شتاب دهنده هاى بسیار قوى ذرات و آشكار ساز ها هستند. فیزیكدانان هسته اى انرژى را كه از راه شكافت هسته اى و پیوند هسته اى به وجود مى آید را كنترل مى كنند و آن را براى تولید 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 رادیواكتیو را براى تشخیص معالجه بیمارى ها بیابند.
فیزیك پلاسما مربوط به بررسى آثار و اعمال پلاسما است. پلاسما كه حالت چهارم ماده نیز نامیده مى شود شكلى از ماده است كه به صورت گاز یونیزه یون و در آن یون ها و الكترون ها به صورت آزاد حركت مى كنند. در بیرون از اتمسفر كره زمین بیش از ۹۹ درصد موادى كه در جهان قابل مشاهده هستند به صورت پلاسما موجودند. در روى زمین پلاسما فقط در چند جا مانند درون حباب هاى فلورسنت وجود دارد. امروزه در آزمایشگاه ها از طریق یونیزه كردن گاز ها در اثر جریان الكتریكى پلاسما تولید مى كنند. این پلاسماى مصنوعى را كه اهمیت بسیار دارد در صنایع نیمه رسانا ها به كار مى برند.
• فیزیك و دیگر علوم
همه شاخه هاى فیزیك در یك یا چند موضوع با علوم دیگر مانند زیست شناسى، شیمى، زمین شناسى و اختر شناسى پیوند یافته و مبحث هاى جدید زیست فیزیك، شیمى فیزیك، زمین فیزیك و اختر فیزیك را به وجود آورده  اند.
زیست  فیزیكدانان درباره فیزیك موجودات زنده بحث مى كنند. به ویژه آنها مفاهیم و ابزار هاى فیزیك را براى حل مسائل زیست شناسى مانند ساختمان مولكول هاى مركب یا ماهیت پالس هاى الكتریكى در مغز، در عصب ها، در ماهیچه ها و دیگر اندام ها به كار مى برند. مثلاً در قرن بیستم پراش پرتو ایكس نقش عمده اى در كشف ساختمان و طرز كار مولكول هاى مهم، پروتئین ها و دى ان اى بر عهده داشت.
زمین فیزیكدان ها از علم فیزیك براى مطالعه زمین و سیاره هاى همسایه آن استفاده كردند. روش آنها شامل مطالعه بر پوسته، هسته، اقیانوس ها و اتمسفر زمین و سیارات دیگر منظومه شمسى بود. زمین فیزیك خود شامل رشته هایى مانند زمین پیمایى یا مساحى (ژئودوزى)، لرزه شناسى، مغناطیس زمین است. در زمین پیمایى شكل زمین و میدان گرانش آن بررسى مى شود. در لرزه شناسى لرزه هایى كه در اثر جابه جایى هاى درون زمین یا انفجار هاى هسته اى زیرزمینى به وجود مى آید مطالعه مى شود. موضوع مغناطیس زمین در رابطه با قطب ها و میدان مغناطیسى زمین است.شیمى فیزیكدان ها به مطالعه ساختمان ماده و تغییرات انرژى كه در اثر واكنش هاى شیمیایى یا تغییر حالت هاى ماده (مانند وقتى گاز به مایع تبدیل مى شود) به وجود مى آید، مى پردازند.
كیهان شناسان در موضوع مبدا، ساختار و تحولات جهان مطالعه مى كنند. فیزیكدانان در این حوزه به شناسایى چگونگى سازوكارى جهان و تشخیص ماهیت ماده و انرژى مى پردازند. همانطورى كه مكانیك كوانتومى در مورد هسته و ذره هاى اتمى به بررسى مى پردازد. رابطه تنگاتنگى میان مكانیك كوانتومى و اخترفیزیك وجود دارد كه در تشریح ساختار و طرز كار ستارگان و دیگر اجرام فضایى به كار مى رود. اختر فیزیكدانان در تلاشند تا ویژگى هاى هر چیزى كه در جهان بزرگ مشاهده مى كنند با واژه هاى دما، فشار چگالى و تركیب هاى شیمیایى نشان دهند.

 

ریچارد فین من، فیزیكدان آمریكایى زمانى علم را با این گفته تشریح كرده بود كه: «طبیعت یك بازى بزرگ شطرنج است كه آن را خدایان بازى مى كنند و ما افتخار آن را داشتیم كه آن بازى را نگاه كنیم. قوانین بازى چیزى است كه ما آن را فیزیك اساسى و مبادى مى نامیم و هدف ما درك و فهم این قوانین است.» بر طبق گفته فین  من، فیزیك از گذشته هاى دور به عنوان علمى شناخته شده است كه مى كوشد تا «همه چیز» را تشریح و تفسیر كند. فیزیك، مطالعه بر ماده و انرژى و كاوش دریافتن قوانینى است كه رفتار آنها را مشخص مى كند. در حالى كه شیمیدانان عنصرها و تركیب ها را مطالعه مى كنند فیزیكدانان به مطالعه نیروهایى مى پردازند كه عنصرها را به وجود مى آورند و با هم تركیب و یا از یكدیگر جدا مى كنند. در حالى كه اخترشناسان اجرام فضایى را مطالعه مى كنند، فیزیكدانان نیروهایى را مطالعه مى كنند كه این اجرام را اینگونه شكل بخشیده اند و قوانینى را بررسى مى كنند كه بر حركت آنها در فضا حاكم هستند.
فیزیكدان ها مى خواهند بدانند كه چه چیزى سبب مى شود كه اتم ها به یكدیگر پیوند یافته و كهكشان ها از هم جدا هستند. براى درك همین مطالب است كه نیروهایى مانند گرانش و پدیده هایى چون حركت، مغناطیس، الكتریسیته و انرژى هسته اى را آزمایش و بررسى مى كنند.
بسیارى از بزرگترین فیزیكدانان جهان، همچون فین من تحقیقات علمى را دنبال مى كنند و به تدریس آنها مى پردازند. در حالى كه گروه دیگرى از فیزیكدانان در صنایع، طراحى شبكه هاى ارتباطى برتر، نیروگاه هاى با بازده بالا، ساختمان هاى امن تر و كارخانه هاى اتومبیل سازى، كشتى سازى و هواپیماسازى بسیار پیشرفته اى كه مقاومت هوا بر آن بسیار ناچیز است، كار مى كنند. بعضى از فیزیكدانان هم با پژوهشگران امور پزشكى همكارى مى كنند تا راه هاى جدیدى را براى كاوش در تن آدمى بیابند. ممكن است روزى فیزیكدانان راه هاى عملى را براى پرواز اتومبیل و قطار در هوا به دست آورند و انرژى نامحدود، ارزان و پاك را در اختیار همگان قرار دهند. این موارد فقط شمارى از فرصت هاى بى شمار عملى است كه راه آن براى فیزیكدانان امروزى باز شده است.
• تاریخ فیزیك
ریشه هاى فیزیك را به عنوان یك علم حداقل از حدود ۲۶۰۰ سال پیش مى توان ردیابى كرد. در آن زمان بود كه فیثاغورث، فیلسوف یونانى هماهنگى میان صوت تارها را در آلت موسیقى كشف كرد و آن را به صورت یك رابطه ریاضى نشان داد. همین موضوع سبب شد كه فیثاغورث به دنبال یافتن قانون هاى ساده ریاضى باشد كه پدیده هاى طبیعى را به درستى تشریح نمایند، قانون هایى كه حركت یك ذره معلق در فضا تا كل سازوكار جهان را نشان دهند.
در حدود ۴۰۰ سال پیش از میلاد مسیح افلاطون و ارسطو نظر فیثاغورث را گسترش دادند. آنها نظمى را در گردش دایره اى ستارگان دیدند اما حركت سیارات در خلاف جهت ستارگان و دور و نزدیك شدن آنها فكرشان را مغشوش كرد تا آن كه در سال ۱۵۴۳ میلادى نیكلاى كپرنیك دانشمند لهستانى در فرضیه خود، با قراردادن خورشید به جاى زمین هماهنگى فیزیكى جهان را عرضه كرد. در دهه اول ۱۶۰۰ میلادى یوهان كپلر دانشمند آلمانى دریافت كه مسیر سیارات دایره نبوده بلكه به صورت بیضى است. او به مدد رصدها و مطالعات خود قانون هایى را به دست داد كه سرعت  مدار و زمان  گردش هر سیاره را به طور دقیق بیان مى كرد.در حدود همان سال ها گالیله فیزیكدان ایتالیایى و رنه دكارت ریاضیدان فرانسوى موضوع حركت را مورد مطالعه قرار دادند. آنها جدا از هم دریافتند كه اگر جسمى در حركت باشد مسیر آن خط راست است و با سرعت ثابت جابه جا مى شود مگر آن كه چیزى بر آن اثر كند یا نیرویى بر آن وارد شود. این فكر بنیاد قوانین حركت بود كه به وسیله آیزاك نیوتن فیزیكدان انگلیسى به وجود آمد.نیوتن در سال ۱۶۸۷ كتاب «اصول ریاضى فلسفه طبیعى» را نوشت. این كتاب یكى از متون بسیار مهم علمى است كه تاكنون نوشته شده و راهنماى بسیارى از كارهاى علمى است كه مورد پذیرش قرار گرفته است. در این كتاب نیوتن سه قانون حركت را مورد بحث قرار داده است: قانون اینرسى، قانون شتاب ثابت و قانون عمل و عكس العمل. در این كتاب «قانون گرانش جهانى» نیز ارائه شده است. این قانون براساس مشاهدات كپلر كشف و به صورت ریاضى فرمول بندى شد و نشان مى دهد كه هر دو جسم با نیرویى كه با حاصل ضرب جرم هاى آن نسبت مستقیم با مجذور فاصله آنها نسبت عكس  دارد یكدیگر را جذب مى كنند.نظرات نیوتن كه شامل مطالعه حركت اجسام و نیروهایى كه بر آنها اثر مى كند، است اساس علم مكانیك شد و به نوبه خود مكانیك اساس فیزیك جدید شد.
در همان زمان كه نخستین فیزیكدانان به مطالعه حركت و قوانین آن مشغول بودند در جست وجوى بررسى ماهیت و رفتارهاى ماده در جهان نیز بودند. مثلاً در سال ۱۶۰۰ میلادى روبرت بویل مشخص كرد كه اگرگازى را گرم كنیم، اتم ها جنبش بیشترى خواهند یافت و سبب مى شوند كه دما و فشار گاز افزایش یابد. تشریح رفتار گازها براساس حركت اتم ها اكنون به تئورى سینتیك گازها معروف است. این موضوع یكى از كاربردهاى مهم و جالب مكانیك نیوتن در حوزه اتم  ها _ نه ستارگان بود.در تئورى سینتیك بویل این ایده وجود داشت كه گرما شكلى از انرژى است. شكل هاى دیگر انرژى از قبیل انرژى الكتریكى و انرژى شیمیایى نیز به زودى شناخته شدند. بعدها مشخص شد كه این شكل هاى گوناگون انرژى مى توانند به یكدیگر تبدیل شوند. اما انرژى خود به خود به وجود نمى آید و نابود هم نمى شود. این موضوع یعنى _ پایستگى انرژى یكى از پایه هاى اساسى علم فیزیك شد.در طول سال هاى ۱۷۰۰ میلادى بسیارى از دانشمندان از جمله بنجامین فرانكلین سیاستمدار، نویسنده و مخترع آمریكایى و الساندرو ولتا بسیارى از ویژگى هاى الكتریسیته و قوانین حاكم بر آن را بررسى و كشف كردند. آنها وجود بارهاى مثبت و منفى الكتریسیته را كشف كردند و دریافتند كه فلزات رساناى خوبى براى الكتریسیته هستند. یعنى بارها الكتریكى به سهولت از میان آنها مى گذرد.
این اكتشافات سبب شد كه فیزیكدانان و شیمیدانان دریابند كه خود اتم از بارهاى مثبت و منفى الكتریكى تشكیل شده است و واكنش هاى شیمیایى را به كمك جذب و دفع الكتریكى بین اتم ها مى توان تشریح و تفسیر كرد.
معماهاى نور و خصوصیات آن در طول تاریخ نیز فیزیكدانان را مجذوب خود كرده است. نمونه اى از آینه فلزى كه مصرى ها در حدود چهار هزار سال پیش به كار مى برده اند در دره رود نیل از زیر خاك بیرون آورده اند. دانشمندان یونان باستان مانند فیثاغورث، دموكریتوس، افلاطون و ارسطو درباره ماهیت نور به بحث پرداخته اند. اقلیدس در حدود سه قرن پیش از میلاد مسیح از انتشار نور به خط راست و برابرى زاویه تابش با زاویه بازتابش سخن رانده است. در مجموعه پرسش و پاسخ بین ابوریحان بیرونى و این سینا به چنین پرسشى از سوى ابوریحان برمى خوریم كه «چگونه است كه ظرف شیشه اى مدور پر از آب كه در مسیر نور آفتاب قرار گیرد اشیاى مجاور خود را مى سوزاند اما اگر از آب تهى باشد، چنین نمى كند؟»۱
خواجه نصرالدین طوسى در كتاب تجریدالكلام مى گوید: «به نظر برخى از دانشمندان نور از ذرات خردى ساخته شده كه از منبع نور جدا شده و به اجسام گیرنده نور مى رسند. قطب الدین شیرازى در كتاب نهایه الادراك از رنگین كمان و چگونگى دیدن اجسام بحث مى كند، كمال الدین فارسى در كتاب تنفیع المناظر درباره شكست نور مى نویسد: هر گاه نور با جسم غلیظ ترى مصادف شود این غلظت مانع از حركت نور در جهت اولیه خواهد بود پس در جهتى سیر مى كند كه نفوذ در آن سهل تر است مسلماً چون راه سهل ترى را اختیار مى كند زودتر به مقصد مى رسد.۲
 


 

منبع :/cph-theory.persiangig.com


نوشته شده در : پنجشنبه 23 مهر 1388  توسط : mehdi rabbani.    نظرات() .

رتبه سنج گوگل