تمام دانش ما در مقایسه با واقعیت،ابتدایی و کودکانه است.ولی با این حال با ارزشترین دارایی ماست.آلبرت اینشتین
 

فیزیک برای امروز و فردا

آشنایی با فیزیک و قلمرو حکومت آن

فیزیک نظری مشکلات و راه حل ها
ساعت ۳:۱۳ ‎ق.ظ روز جمعه ۱٩ اسفند ۱۳۸٤  
 
روش استقرایی و دیفرانسیلی:

جهان بینی علمی در فیزیک نظری با کارهای گالیله آغاز شد. هرچند که تلاشهای گالیله زیربنای فیزیک را تشکیل داد، اما این تلاشها ریشه در نگرشهای جدید به پدیده های فیزیکی داشت که مهمترین آنها را می توان در آثار برونو و کپلر مشاهده کرد. برونو به طرز ماهرانه ای در آثار خود تشریح کرد که همه ی ستارگان جهان نظیر خورشید هستند. کپلر با ارائه سه قانون خود نشان داد که حرکت سیارات قانونمند است و یک نظم منطقی در حرکت، دوره تناوب و مسیر آنها وجود دارد.

گالیله آزمایشهای زیادی انجام داد تا بتواند حرکت اجسام را در یکسری قوانین کلی خلاصه کند. در این میان آزمایش سطح شیبدار گالیله از همه مشهورتر است. اما نمی توان تاثیر نگرش گالیله را در پیشرفت علم به این آزمایشها خلاصه کرد. در حقیقت گالیله نوعی نگرش منطقی به پدیده های فیزیکی داشت که تا آن زمان بی سابقه بود. این نگرش زیربنای روش استقرایی را در فیزیک تشکیل داد و بتدریج به سایر علوم گسترش یافت.

هرچند آزمایشهای گالیله از نظر کمی و کیفی با آزمایشهای امروزی قابل مقایسه نیست، اما آزمایشهای بسیار پیچیده و پیشرفته امروزی نیز از همان قاعده ی نگرش استقرایی گالیله پیروی می کنند. به این ترتیب گالیله زیر ساخت فیزیک را ایجاد کرد و نحوه ی برخورد علمی با طبیعت را نشان داد. اما نتیجه ی این تلاشها به صورت تشریحی بیان می شد.

سالها بعد نیوتن نتایج به دست آمده توسط گالیله را فرمول بندی و در قالب یکسری معادلات ریاضی ارائه کرد و ساختار فیزیک کلاسیک را مدون ساخت. قانون جهانی گرانش نیوتن دست آورد بزرگی بود. نیوتن برای توجیه پدیده های فیزیکی " نگرش دیفرانسیلی" را جایگزین روش انتگرالی کرد. در روش انتگرالی همواره نتایج مورد نظر است. در حالیکه در نگرش دیفرانسیلی تحلیل روند رسیدن به نتایج مورد بحث قرار می گیرد و جواب های خاص را می توان از ان به دست اورد. به عنوان مثال قوانین کپلر را با قانون جهانی گرانش نیوتن مقایسه کنید. در قوانین کپلر نمی توان دوره ی گردش یک سیاره را از روی دوره ی گردش سیاره ی دیگر استخراج کرد. علاوه بر آن هر سه قانون کپلر مستقل از هم هستند. در حالیکه در قانون نیوتن می توان دوره گردش همه ی سیارات به دور خورشید را به دست آورد.

بنابراین می توان گفت گالیله روش استقرایی را به وجود آورد و نیوتن روش دیفرانسیلی را ابداع کرد. لذا تاثیر تلاشهای گالیله و نیوتن در پیشرفت علوم ممتاز و غیر قابل انکار و در عین حال بی نظیر است.

مشکلات قوانین نیوتن

هنگامیکه نیوتن قوانین حرکت و قانون جهانی جاذبه را ارائه کرد، این قوانین از نظر منطقی با اشکالات جدی همراه بود. قانون دوم نیوتن تا سرعتهای نامتناهی را پیشگویی می کرد که با تجربه سازگار نیست. قانون دوم به صورت F=ma ارائه شده است که طبق آن نیروی وارد شده به جسم می تواند تا بی نهایت سرعت آن افزایش دهد. این امر با مشاهدات تجربی قابل تطبیق نیست. مشکل بعدی کنش از راه دور بود. یعنی اثر نیروی جاذبه با سرعت نامتناهی منتقل می شد. تاثیر از راه دور همواره مورد انتقاد قرار قرار داشت.

اما مهمترین مشکل قوانین نیوتن در قانون جهانی جاذبه وی بود و خود نیوتن نیز متوجه آن شده بود.

نیوتن دریافت که بر اثر قانون جاذبه او، ستارکان باید یکدیگر را جذب کنند و بنابراین اصلاً به نظر نمی رسد که ساکن باشند. نیوتن در سال 1692 طی نامه ای به ریچارد بنتلی نوشت "که اکر تعداد ستارگان جهان بینهایت نباشد، و این ستارگان در ناحیه ای از فضا پراکنده باشند، همگی به یکدیگر برخورد خواهند کرد. اما اکر تعداد نامحدودی ستاره در فضای بیکران به طور کمابش یکسان پراکنده باشند، نقطه مرکزی در کار نخواهد بود تا همه بسوی آن کشیده شوند و بنابراین جهان در هم نخواهد ریخت."

این برداشت نیز با یک اشکال اساسی مواجه شد. بنظر سیلیجر طبق نظریه نیوتن تعداد خطوط نیرو که از بینهایت آمده و به یک جسم می رسد با جرم آن جسم متناسب است. حال اکر جهان نامتناهی باشد و همه ی اجسام با جسم مزبور در کنش متقابل باشند، شدت جاذبه وارد بر آن بینهایت خواهد شد.

مشکل بعدی قانون جاذبه نیوتن این است که طبق این قانون یک جسم به طور نامحدود می تواند سایر اجسام را جذب کرده و رشد کند، یعنی جرم یک جسم می تواند تا بینهایت افزایش یابد. این نیز با تجربه تطبیق نمی کند، زیرا وجود جسمی با جرم بینهایت مشاهده نشده است.

مشکل بعدی قوانین نیوتن در مورد دستکاه مرجع مطلق بود. همچنان که می دانیم حرکت یک جسم نسبی است، وقتی سخن از جسم در حال حرکت است، نخست باید دید نسبت به چه جسمی یا در واقع در کدام چارچوب در حرکت است. دستگاه های مقایسه ای در فیزیک دارای اهمیت بسیاری هستند. قوانین نیوتن نسبت به دستگاه مطلق مطرح شده بود. یعنی در جهان یک چارچوب مرجع مطلق وجود داشت که حرکت همه اجسام نسبت به آن قابل سنجش بود. در واقع همه ی اجسام در این چارچوب مطلق که آن را "اتر" می نامیدند در حرکت بودند. یعنی ناظر می توانست از حرکت نسبی دو جسم سخن صحبت کند یا می توانست حرکت مطلق آن را مورد توجه قرار دهد.

براین اساس مایکلسون تصمیم داشت سرعت زمین را نسبت به دستگاه مطلق "اتر" به دست آورد. مایکلسون یک دستگاه تداخل سنج اختراع کرد و در سال 1880 تلاش کرد طی یک آزمایش سرعت مطلق زمین را نسبت به دستگاه مطلق "اتر" به دست آورد. نتیجه آزمایش منفی بود. (برای بحث کامل در این مورد به کتابهای فیزیک بنیادی مراجعه کنید.) با آنکه آزمایش بارها و بارها تکرار شد، اما نتیجه منفی بود. هرچند مایکلسون از این آزمایش نتیجه ی مورد نظرش به دست نیاورد، اما به خاطر اختراع دستگاه تداخل سنج خود، بعدها برنده جایزه نوبل شد.

نسبیت خاص

برای توجیه علت شکست آزمایش مایکلسون نظریه های بسیاری ارائه شد تا سرانجام اینشتین در سال 1905 نسبیت خاص را مطرح کرد. نسبیت خاص شامل دو اصل زیر است:

1 - قوانین فیزیک در تمام دستگاه های لخت یکسان است و هیچ دستگاه مرجع مطلقی در جهان وجود ندارد.

2 - سرعت نور در فضای تهی و در تمام دستگاه های لخت ثابت است.

در نسبیت سرعت نور، حد سرعت ها است، یعنی هیچ جسمی نمی تواند با سرعت نور حرکت کند یا به آن برسد.

نتیجه این بود که قانون دوم نیوتن باید تصحیح می شد. طبق نسبیت جرم جسم تابع سرعت آن است، یعنی با افزایش سرعت، جرم نیز افزایش می یابد وهر جسمی که بخواهد با سرعت نور حرکت کند باید دارای جرم بینهایت باشد. لذا قانون دوم نیوتن بصورت زیر تصیح شد.

F=dp/dt=d(mv)/dt=vdm/dt+mdv/dt

m=m0/(1-v^2/c^2)^1/2


بنابر این جرم تابع سرعت است و با افزایش سرعت، جرم نیز افزایش می یابد. هنگامیکه سرعت جسم به سمت سرعت نور میل کند، جرم به سمت بینهایت میل خواهد کرد و عملاً هیچ نیرویی نمی تواند به آن شتاب دهد.

از طرف دیگر طبق نسبیت جرم و انرژی هم ارز هستند، یعنی جرم جسم را می توان بصورت محتوای انرژی آن مورد ارزیابی قرار داد. بنابراین انرژی دارای جرم است. اما در نسبیت نور از کوانتومهای انرژی تشکیل می شود که آن را فوتون می نامند و با سرعت نور حرکت می کند. این سئوال مطرح شد که اکر انرژی دارای جرم است و فوتون نیز حامل انرژی است که با سرعت نور حرکت می کند، پس چرا جرم آن بینهایت نیست؟

پاسخ نسبیت به این سئوال این بود که جرم حالت سکون فوتون صفر است. در حالیکه رابطه ی جرم نسبیتی در مورد جرم حالت سکون غیر صفر بر قرار است. لذا در نسبیت با دو نوع ذرات سروکار داریم، ذراتی که دارای جرم حالت سکون غیر صفر هستند نظیر الکترون وذراتی که دارای جرم حالت سکون صفر هستند مانند فوتون. در نسبیت تنها ذراتی می توانند با سرعت نور حرکت کنند که جرم حالت سکون آنها صفر باشد.

مشکل نسبیت خاص در این است که جرم نسبیتی آن (جرم بینهایت) مانند سرعت بینهایت در مکانیک کلاسیک با تجربه تطبیق نمی کند. یعنی هیچ نمونه ی تجربی که با جرم بینهایت نسبیت تطبیق کند وجود ندارد.

علاوه بر آن در نسبیت و حتی در مکانیک کوانتوم توضیحی وجود ندارد که نحوه ی تولید فوتون را با سرعت نور توضیح بدهد. و چرا فوتون در حالت سکون یافت نمی شود. آیا فوتون از ذرات دیگری تشکیل شده است؟ اگر جواب منفی است این سئوال مطرح می شود که فوتون های مختلف با یک دیگر چه اختلافی دارند؟ در حالیکه همه ی فوتون ها با انرژی متفاوت با سرعت نور حرکت می کنند. آزمایش نشان داده است که فوتون در برخورد با سایر ذرات قسمتی از انرژی خود را از دست می دهد. حال این سئوال مطرح می شود که فرض کنیم فوتون شامل ذرات دیگری نیست، این را باید توضیح داد وقتی قسمتی از آن جدا می شود و باز هم دارای همان خواص اولیه است ولی با انرژی کمتر؟ یعنی فوتون قابل تقسیم است، هر ذره ی قابل تقسیمی باید شامل زیر ذره باشد.

واقعیت این است که فوتون در شرایط نور تولید می شود و اجزای تشکیل دهنده آن نیز بایستی با همان سرعت نور حرکت کنند و حالت سکون فوتون یعنی تجزیه ی آن به اجزای تشکیل دهنده اش.

از طرفی می دانیم جرم و انرژی هم ارز هستند، آیا این منطقی است که می توان سرعت جرم را تغییر داد اما سرعت انرژی ثابت است؟

نسبیت عام:

نسبیت خاص دارای یک محدودیت اساسی بود. این محدودیت ناشی از آن بود که رویدادهای فیزیکی را در دستگاه های لخت مورد بررسی قرار می داد، در حالیکه در جهان واقعی دستگاه ها شتاب دار هستند. هرچند می توان در بر رسی برخی رویداد ها به دستگاه های لخت بسنده کرد، اما این دستگاه ها برای بررسی تمام رویدادها ناتوان هستند.

اینشتین در سال 1915 نسبیت عام را ارائه کرد و نسبیت خاص به عنوان حالت خاصی از نسبیت عام در آمد.

نسبیت عام بر اساس اصل هم ارزی تدوین شد.

اصل هم ارزی:

قوانین فیزیک در یک میدان جاذبه یکنواخت و در یک دستگاه که با شتاب ثابت حرکت می کند، یکسان هستند.

به عنوان: فرض کنیم یک دستگاه مقایسه ای با شتاب ثابت در حرکت است. مشاهدات در این دستگاه نظیر مشاهدات در یک میدان گرانشی یکنواخت است در صورتی که شدت میدان گرانشی برابر شتاب دستگاه باشد، یعنی:

a=g

باشد، در این صورت مشاهدات یکسان خواهد بود.

مهمترین دستاورد نسبیت عام توجیه مدار عطارد بود. بررسی های نجومی نشان داده بود که نقطه حضیض عطارد جابه جا می شود. بیش ار یکصد سال بود که فیزیکدانان متوجه ان شده بودند، اما نمی توانستند با قوانین نیوتن توجیه کنند. اما نسبیت عام توانست أن را توجیه کند. بنا بر نسبیت، گرانش اثر هندسی جرم بر فضای اطراف خود است. که فضا-زمان نامیده می شود. یعنی جرم فضای اطراف خود را خمیده می کند و مسیر نور در اطراف آن خط مستقیم نیست، بلکه منحنی است. در سال 1919 انحنای فضا را اهنگام کسوب کامل خورشید با نوری که از طرف ستاره ی مورد نظری به سوی زمین در حرکت بود و از کنار خورشید می گذشت مورد تحقیق قرار دادند که با پیشگویی نسبیت تطبیق می کرد. این موفقیت بسیار بزرگی برای نسبیت بود. از آن زمان به بعد توجه به ساختار هندسی و خواص توپولوژیک فضا بررسی واقعیت های فیز یکی را به حاشیه راند.

مضافاً این که گرانش را از فهرست نیروهای اساسی طبیعت در فیزیک نظری حذف کرد. مشکلات اساسی نسبیت را می توان به صورت زیر فهرست کرد: 1- مشکل نسبیت با مکانیک کوانتوم- مکانیک کوانتوم ساختار ریز و کوانتومی کمیت ها و واکنش متقابل آنها را مورد بررسی قرار می دهد. به عبارت دیگر نگرش مکانیک کوانتوم بر مبنای کوانتومی شکل گرفته است. در این زمینه تا جایی پیش رفته که حتی اندازه حرکت و برخی دیگر از کمیتها را کوانتومی معرفی می کند. این نتایج بر مبنای یکسری شواهد تجربی مطرح شده و قابل پذیرش است. علاوه بر آن تلاشهای زیادی انجام می شود پدیده های بزرگ جهان را با قوانین شناخته شده در مکانیک کوانتوم توجیه کنند. حال به نسبیت توجه کنید که فضا-زمان را پیوسته در نظر می گیرد. بنابراین نسبیت با مکانیک کوانتوم ناسازگار است.

تلاشهای زیادی انجام شده تا به طریقی یک همانگی منطقی و قابل قبول بین نسبیت و مکانیک کوانتوم ایحاد شود. در این مورد کارهای دیراک شایان توجه است که مکانیک کوانتوم نسبیتی را پایه گذاری کرد و آن را توسعه داد. اما در مورد نسبیت عام موفقیت چندانی نصیب فیزیکدانان نشده است. 2- پیچیدگی و عدم وجود تفاهم در نسبیت- پیچیدگی نسبیت موجب شده که تفاهم منطقی بین فیزیکدانان در مورد نتایج و پیشگویی های نسبیت وجود نداشته باشد. به عبارت دیگر نسبیت شدیداً قابل تفسیر است. این تفاسیرگاهی چنان متناقض هستند که حتی فیزیکدان بزرگی نظیر استفان هاوکینگ نظر خود را تغییر داد. البته این براداشتهای متفاوت از نسبیت ناشی از گذشت زمان نیست، بلکه از آغاز حتی برای خود اینشتین که نسبیت را مطرح کرد وجود داشت. به عنوان مثال: اینشتین از سال 1917 شروع به تدوین یک نظریه قابل تعمیم به عالم یرد.

وی با مشکلات حل نشدنی ریاضی برخورد کرد. به همین دلیل در معادلات گرانش عبارت مشهور " پارامتر عالم " را وارد کرد. ملاحظات وی در این موضوع بر دو فرضیه مبتنی بود. 1- ماده دارای چگالی متوسطی در فضاست که در همه جا ثابت و مخالف صفر است. 2- بزرگی " شعاع " فضا به زمان بستگی ندارد. در سال 1922 فریدمان نشان داد که اگر از فرضیه دوم چشم پوشی شود، می توان فرضیه اول را حفظ کرد بی آنکه در معادلات به پارامتر عالم نیازی باشد. فریدمان بر این اساس یک معادله ی دیفرانسیل به صورت زیر ارائه کرد: (dR/dt)^2 - C/R+K=0 در واقع سالها قبل از کشف هابل در مورد انبساط فضا، فریدمان دقیقاً کشفیات او را پیش بینی کرده بود. معادله ی فریدمان معادله ی اصلی کیهان شناخت نیوتنی است و بدون تغییر در نظریه نسبیت عام نیز صادق است.

اینشتین بر همه نتایج به دست آمده توسط فریدمان اعتراض کرد و مقاله ای نیز در این باب انتشار داد. سپس حقایق را در فرضیه فریدمان دید و با شجاعت کم نظیری طی نامه ای که برای سردبیر مجله آلمانی فرستاد به اشتباه خود در محاسباتش اعتراف کرد. بیشتر مشیلات نسبیت ناشی از خواصی است که به علت وجود ماده برای فضا قایل می شوند. که در آن هندسه جای فیزیک را می گیرد. زمانی پوانکاره گفته بود که اگر مشاهدات ما نشان دهد که فضا نااقلبدسی است، فیزیکدانان می توانند فضای اقلیدسی را قبول کرده و نیروهای جدیدی وارد نظریه های خود کنند. اما نسبیت چنین نکرد و ماهیت پدیده های فیزیکی را به دست فراموشی سپرد. هرچند پدیده های فیزیکی را بدون ابزار محاسباتی، اعم از جبری و هندسی نمی توان توجیه کرد، اما فیزیک نه هندسه است و نه جبر، فیزیک، فیزیک است وبس!!! 3- مشکل گرانش نیوتنی در نسبیت همچنان باقی است- در نسبیت فضا-زمان دارای انحناست. هرچه ماده بیشتر و چگالتر باشد، انحنای فضا بیشتر است.

سئوال این است که این انحنای فضا تا کجا می انجامد؟ در نسبیت انحنای فضا می تواند چنان تابیده شود که حجم به صفر برسد. برای آنکه ماده بتواند چنان بر فضا اثر بگذارد که حجم به صفر برسد، باید جرم به سمت بی نهایت میل کند. یعنی نسبیت نتوانست مشکل قانون گرانش را در مورد تراکم ماده در فضا حل کند، علاوه بر آن بر مشکل افزود. زیرا قانون نیوتن می پذیرد که ماده تا بی نهایت می تواند متمرکز شود، اما حجم صفر با آن سازگار نیست. اما نسبیت علاوه بر آن که می پذیرد ماده می تواند تا بی نهایت متراکم شود، پیشگویی می کند که حجم آن نیز به صفر می رسد.

چه باید کرد؟

1 - مشاهدات تجربی نشان می دهد که قانون جهانی گرانش نیوتن (یا حجم صفر نسبیت) باید مجدداً مورد بررسی قرار گیرد.

2 - قانون دوم نیوتن نیاز به برسی مجدد دارد، اما نه به گونه که افزایش جرم (انرژی) را تا بی نهایت بپذیرد. جرم-انرژی بینهایت در نسبیت مانند سرعت بی نهایت در م کانیک نیوتنی غیر واقعی و با مشاهدات تجربی ناسازگار است.

3 - ساختار هندسی فضا تابع چگالی ماده است که از نیروی گرانش آن ایجاد می شود. به عبارت دیگر این نیروی گرانش است که ساختار هندسی فضا را شکل می دهد، نه شکل هندسی فضا موجب ایجاد پدیده ای می شود که ما آن را گرانش می نامیم. در واقع گرانش نه تنها یک نیروی اساسی است، بلکه منشاء تولید انرژی است.

4 - در ساختار کلان حهان همان قانونی حاکم است که در کوچکترین واحدهای کمیت های طبیعت حاکم است. یعنی قوانین جهان میکروسکپی را می توان به جهان ماکروسپی تعمیم داد.

نتیجه: مکانیک کلاسیک، مکانیک کوانتوم و نسبیت را باید همزمان مورد بررسی مجدد قرار داد و این کاری است که:

Theory of CPH آن را انجام داده است.

منبع :www.cph-theory.persiangig.com


کلمات کلیدی: فیزیک نظری
 
آیا فیزیک به پایان خود رسیده است؟
ساعت ۳:۱٠ ‎ق.ظ روز جمعه ۱٩ اسفند ۱۳۸٤  
با تحقیق در مورد اسرار طبیعت، موضوعات پیچیده و حیرت آور بسیاری بر ما روشن شد و جریان سیلاب وار توسعه به شکل مهارگسیخته ای شدت یافت.

در ابتدای قرن بیستم بسیاری گمان می کردند که علم به پایان خود رسیده است، اما گذشت زمان نشان داده است که دستاوردهایی که از نتایج پژوهش دانشمندان برجسته حاصل شده است، جنبه هایی از طبیعت بر بشر آشکار شد که اتفاقا از اهمیت بسیار بیشتری برخوردار بود. هر چند فهرست این اکتشاف ها بسیار بلندبالاست اما در این بین پنج مورد از اهمیت بسیار بیشتری برخوردار بودند، یا تأثیر شگرف تری بر زندگی روزمره انسان داشته و یا بینش عمیق تری از پدیده های کیهان در اختیار ما قرار دادند.اما پنج مورد منتخب عبارت بوده از: پرواز، مسافرت فضایی، نسبیت، تئوری کوانتوم و دارو.

اگر بخواهیم از زمانی نام ببریم که بشر به طور کامل بر طبیعت مسلط شده است، شاید هیچ زمانی بهتر از آستانه قرن بیستم به نظر نرسد. در آن هنگام فیزیکدانان توانستند با استفاده از مقدار کمی سیم و آهن ربا قدرت عظیم برق را رام کرده و به خدمت انسان درآورند. الکتریسیته خانه ها را روشن کرد، غذاها را پخت و چرخ های صنعت را به گردش درآورد. الکتریسیته صداها را از شهری به شهر دیگر و پیام های تلگرافی را به آن سوی دریاها انتقال داد. در همین هنگام شیمیدان ها مواد بیهوشی و ضدعفونی کننده را ساختند. با تولید این مواد، عمل های جراحی بدون درد و بی خطر شد. زیست شناسان اسرار واکسن ها را کشف کرده و توانستند بر بلای آبله و هاری غلبه کنند. مهندسان توانستند با ساخت خط آهن های بین قاره ای از زمان طولانی، ملال آور و پرخطر سفرهایی که چندین ماه طول می کشید بکاهند. معماران توانستند با ساخت آسمانخراش ها، فضا را توسعه دهند. بشر توانست با استفاده از بالن به پرواز در آید و اگر کمی بیشتر ماجراجو بود، با گلایدر پرواز کند. تعداد اختراعات آنچنان زیاد شد، اکتشافات آنچنان زیادی صورت گرفت که واقعا به نظر می رسید که دیگر کار جدیدی باقی نمانده است که کسی انجام دهد. چارلزدوئل مسئول اداره ثبت اختراعات آمریکا ادعا کرد: «تمام چیزهایی را که بتوان اختراع کرد، تاکنون اختراع شده است.»

در مسیر پیشرفت

برای آن که اثبات شود، دوئل در اشتباه بود، مدت زیادی طول نکشید. طی صد سالی که از اظهارنظر وی گذشته است، اداره اش بیش از 5 میلیون اختراع را به ثبت رسانده است. اگر چه اختراع «محافظ چشم برای مرغ ها» که به شماره 730918 به ثبت رسیده است، نتوانست تغییر چندانی در بنیان های اجتماع به وجود آورد، ده ها هزار ابداع دیگر چنین تأثیری داشتند. فقط یک اختراع، یعنی اختراع موتورجت، نحوه کار و تفریح ما را به شدت متحول کرده است، چرا که امکان انتقال سریع کالا و انجام سفرهای کم هزینه را میسر ساخت. با نگاهی به این حجم انبوه اختراعات که طی قرن گذشته صورت گرفته است، این سئوال به ذهن خطور می کند که از بین چند میلیون کشف علمی انجام شده، کدامیک از اهمیت بیشتری برخوردار است؟ و چه کسی بهتر از استفن هاوکینگ (Stephen Hawking)، فیزیکدانی که اغلب از وی با عنوان برترین متفکر پس از اینشتین یاد می شود، می تواند به این پرسش پاسخ دهد.

هاوکینگ که به استفاده از تجهیزات رایانه ای مخصوص سخن می گوید در پاسخ این پرسش می گوید: «سئوال احمقانه ای است. تمام اکتشاف ها از اهمیت یکسانی برخوردارند.» یقینا استفن هاوکینگ، برج عاج نشین علم، صحیح می گوید. اما در دنیای فعالیت های روزمره، جدا کردن برندگان از بازندگان نه تنها ممکن، بلکه در بسیاری مواقع ضروری است. درست هم اکنون، که علی رغم مواجهه با محدودیت فضا در یک نشریه، باید دستاوردهای صد سال ابداعات علمی را بیان کنیم. اما می توان پنج دستاورد عمده را که به اعتقاد ما بیشترین تأثیر را داشته اند، مورد بررسی قرار داد. چهار دستاورد بزرگ بشری یعنی پرواز، مسافرت های فضایی، تئوری نسبیت و مکانیک کوانتوم به همراه دارو، مواردی است که فهرست ما را تشکیل داده اند. علت انتخاب مورد پنجم؟ شاید فکر کنید انتخاب ما بسیار عجیب است، اما در نظر داشته باشید که بدون این مورد نمی توانستیم سیاره ای با 6 میلیارد سکنه داشته باشیم. در حقیقت ما این مورد را به عنوان مهمترین کشف قرن بیستم می شناسیم.

به سوی آسمان

در آغاز قرن، به نظر می رسید که پرواز، آرزوی دیرینه بشر، هنوز هم رویایی دست نیافتنی است. زمانی که جورج واشنگتن پسربچه ای بیش نبود، دانیل برنولی، ریاضیدان سوئیسی تشریح کرد که چگونه بال خمیده می تواند هواپیمایی را به آسمان ببرد.

پیش از آنکه اولین رئیس جمهور آمریکا فوت کند سر جورج کیلی (Sir George Cayley) فیزیکدان انگلیسی بدنه کلی هواپیماهای امروزی - بال های ثابت برای بلند کردن و دم برای کنترل و پایدار کردن هواپیما - را طراحی کرد و زمانی که برادران رایت با دوچرخه ورمـی فتند، پیشگامان پرواز، یـعنـی اوتـو لیلینتال (Otto Lilienthal) در آلـمـان و اکـتـاو چـانـوت (Octave Chanute) در ایالات متحده سرگرم انجام آزمایشات خود بودند تا رکورد 4 هزار پرواز خود را ثبت کنند. مسئله به حرکت در آوردن بال در هوا، تا نیروی لازم برای پرواز تأمین شود، پیش از آن حل شده بود. مکانیک هایی که سرگرم ساخت موتورهای احتراق داخلی سبک وزنی برای کالسکه های بدون دوچرخه های موتوردار بودند، موتورهای عالی برای هواپیما ساختند. به رغم تمام این پیشرفت ها، یک قسمت از این پازل بزرگ پیدا شده بود. وقتی که برادران رایت این قطعه را پیدا کردند، شایسته عنوان پدران هوانوردی شناخته شدند.

تغییر در طرح ها

بسیاری از اکتشاف ها طی یک اتفاق صورت گرفته است. برادران رایت راز پرواز را طی یک اتفاق- در حقیقت طی دو اتفاق- کشف کردند. اولین اتفاق در زمستان 86- 1885 روی داد و ویلبر، برادر بزرگتر، که در بازی هاکی مصدوم شده بود از کالج مرخصی گرفت. وی در خانه بستری شد و خود را با خواندن کتاب های کتابخانه پدر سرگرم کرد و شیفته گزارش هایی شد که روزنامه ها و مجله ها از لیلینتال، هوانورد آلمانی ارائه کردند. در این گزارش ها اخباری در مورد مرگ لیلینتال که در آگوست 1896 به دلیل سانحه گلایدر روی داد، وجود داشت که به گفته زندگی نامه نویسان برادران رایت، آنان را تشویق کرد که ادامه تحقیق ها را پی بگیرند. برادران رایت نیز درست مثل لیلینتال با این مسئله علمی برخورد کردند و اطلاعات مورد نیاز خود را از تونل بادی که در کارگاه دوچرخه سازی خود در دیتون اوهایو ساخته بودند، به دست آوردند. آنها از این بخت نیز برخوردار بودند که با چانوت که مهندس عمران و سازنده راه آهن بود و بعدها باشگاه گلایدرسواری در نزدیکی شیکاگو راه انداخت، آشنا شوند. دوستی برادران رایت با وی تا زمان مرگش که در سال 1910 روی داد، ادامه داشت.

برادران رایت دریافتند که شکل مهم برای انجام پرواز به وسیله هواپیماهای سنگین تر از هوا ایجاد نیروی بالابرنده هواپیما نیست، بلکه کنترل آن در هوا است. راه حل آنان برای این مشکل اگرچه عالی نبود، اما واقعا هوشمندانه بود. خلبان بالای بال پائین و روی یک صندلی که به سیستم انحراف بال متصل بود می نشست. با حرکت دادن بدن به سمت چپ و راست زاویه حمله در یک بال افزایش و در بال دیگر کاهش می یافت. نتیجه آن که خلبان می توانست هواپیما را حول محور طولی بگرداند و همانطور که دوچرخه می تواند در یک پیچ دور بزند، هواپیما نیز تغییر جهت دهد. البته بعدها شهپرها (ailerons)، دریچه های کوچکی که در انتهای بال نصب می شدند، سیستم انحراف را منسوخ کردند. خلاصه آن که تا زمانی که برادران رایت راه حل خود را ارائه نکرده بودند، پرواز رویای غیرممکنی بود. برادران رایت طی سال های پس از پرواز سرنوشت سازشان در 17 دسامبر 1903 در کیتی هاوک (KittyتHawk)، طرح هواپیمای خود را اصلاح کردند.آنها اولین ماشینی را که عملا قادر به پرواز بود، در سال 1905 ارائه کردند. یکی از شرکت های وابسته به ارتش آمریکا در سال 1909 هواپیمایی خریداری کرد که می توانست به مدت یک ساعت و با سرعت متوسط 65 کیلومتر در ساعت پرواز کند. با آزمایش ها و تحقیق هایی که طی ده سال بعد ارتش انجام داد، هواپیما ها نیز همانند اسلحه و مواد منفجره به یکی از تجهیزات نظامی بدل شدند.

عصر ماجراجویان

بسیاری بر این عقیده اند که خلبانان در توسعه هوانوردی در فاصله بین دو جنگ نقش بسیار عمده ای ایفا کردند. در حقیقت سهم عمده ای از این توسعه به اداره پست ایالات متحده تعلق دارد. ارائه خدمات پست هوایی عاملی برای ساخت هواپیماهای سریع تر بود. خلبانان نیز سعی داشتند مهارت های خود را توسعه داده و به سایرین نیز آموزش دهند. اما در آلمان نیروهای شیطانی دست به کار شدند. از آنجایی که معاهده ای که پایان بخش جنگ جهانی اول بود محدودیت هایی را به بار آورد دولت آلمان عمده کارهای توسعه ای خود را سری انجام می داد. نیروی هوایی جدید آلمان که طی جنگ داخلی اسپانیا به آسمان برخاست طعم اولین جنگ جدید هوایی مدرن را به جهانیان چشاند. با تجربیاتی که از مسابقه هوایی به دست آمد، بارها رکورد سرعت، ارتفاع پرواز و بار مفید شکسته شد و گسترش دانش پرواز به جنگنده های هرچه سریعتر و بمب افکن هایی با ارتفاع پرواز بیشتر منجر شد. پس از پایان جنگ جهانی دوم و برقراری صلح دانش پرواز، صنایع هواپیمایی تجاری را متحول کرد. توسعه موتور جت که هوانوردی پس از جنگ به آن وابسـته اسـت، 20 ســال پیـش از پـرل هـار بر (Pearl Harbor) صورت گرفته بود. طرح یک موتور جت عملی برای اولین بار در مقاله ای در سال 1921 به چاپ رسید. در سال 1930 فرانک ویتل (Frank Whittl) انگلیسی اختراع توربو جت خود را به ثبت رساند. در سال 1935 نیز آلمانی ها موتور جت دیگری ساختند. با این همه در اواخر جنگ (سال 1944) اولین هواپیماهای جت یعنی هواپیمای Gloster Meteor انگلیسی و Me262 آلمانی وارد میدان نبرد شدند. لاکهید P-80 که بعدها F-80 نامیده شد، اولین هواپیمای جت جنگنده آمریکا بود که وارد خدمت شد، اماتا زمان جنگ کره در میدان نبرد شرکت نکرد.

ارزش تجاری

انگلستان پس از جنگ کوشید، با استفاده از متخصصان جت گام بلندی در صنعت حمل و نقل تجاری بردارد و در سال 1949 اولین هواپیما از این نوع را عرضه کرد. باتوجه به بروز مشکل غیر منتظره خستگی فلزات (Metal Fatigue) منجر به یک رشته حوادث شد و در نهایت جت را از رده خارج کردند. در نهایت نیز بوئینگ با توجه به نبود این گونه هواپیماها با معرفی مدل بسیار موفق 707 در این راه گام برداشت.

انگلستان و فرانسه که دریافتند رقابت با صنایع هواپیماسازی بزرگ آمریکا بی ثمر است، برای ساخت اولین هواپیمای مافوق صوت تجاری موفق با یکدیگر متحد شدند. مسافرین با وضع مالی مناسب می توانستند در مسافرت با هواپیمای مافوق صوت کنکورد که در سال 1976 وارد خدمت شد، طی یک روز دوبار صبحانه بخورند، یکبار در لندن و بار دیگر در نیویورک. اما جهانگردانی که از وضعیت مالی چندان مناسبی برخوردار نبودند می توانستند با پرداخت قیمت یک جفت کفش خوب، برگاری همین مسیر یعنی بوئینگ عظیم الجثه 747 سوار شدند. هزینه های زیست محیطی سفرهای مافوق صوت و مخصوصا مسائل ناشی از غرش این گونه هواپیما از ابداعات بیشتر در زمینه پروازهای سریعتر جلوگیری می کند. هرچند که اندازه هواپیماهای مسافربری از زمان عرضه مدل 707 در چهل سال پیش تاکنون افزایش یافته است، اما کنکورد آخرین گام تکنولوژی بزرگ در این زمینه محسوب می شود. در صنایع هواپیماسازی لاکهید مارتین مستقر در کالیفرنیا هواپیمایی ساخته شده است که همانند ابداع برادران رایت انقلابی است. این هواپیما که X-33 نام گرفته است نسخه کوچک شده ای از هواپیماهای مورد نظر ناسا به عنوان اولین هواپیمای فضایی (Venture Star) است. X-33 از این توانایی برخوردار است که بدون استفاده از سکوی پرتاب به مدار زمین برود. این هواپیما در برگشت به زمین می تواند درهر فرودگاه مخصوص هواپیماهای کوتاه برد فرود آید.

پیش به سوی فضا

اگرچه می توان زمان دقیق اختراع هواپیما را به لحظه گریز پرنده برادران رایت از بند گرانش زمین نسبت داد، اما واقعا هیچ کس به درستی نمی داند که موشک چه زمانی اختراع شد. بعضی ها در مورد زمان ابداع موشک به طرح های جنگی چینی ها در قرن سیزدهم اشاره می کنند که طی آن پیکان های مجهز به موشک و بمب های خانمان برانداز مورد استفاده قرار می گرفتند. اما گمان می رود که فکر استفاده از نیروی پیشرانش موشک به زمان های بسیار پیشتر برمی گردد. پیــش از آغـاز قـرن بیـستم، ویـلیـام هیل (William Hale) مهندس انگلیسی، مسئله مشکل ساز هدایت موشک ها در مسیر مورد نظر را حل کرد.

وی موشک های خود را به نوعی لوله های خروج گاز زاویه دار مجهز کرد، و در نتیجه این موشک ها همانند گلوله ای که از اسلحه ای شلیک می شود، طی مسیر حرکت خود می چرخید، تا در نهایت به هدف برخورد کند. تمام این موشک های اولیه از نوعی محسوب می شوند که امروزه آنها را با نام موتورهایی با سوخت جامد می شناسیم. سوخت و اکسیدکننده که برای انجام عمل احتراق لازم است با یکدیگر ترکیب می شود.

به اصطلاح «وقتی که شمع روشن می شود» سوخت می سوزد و از لوله های خروجی بیرون می رود. در این روش انرژی بیشتر و در زمان کمتر نسبت به موتور جت به دست می آید. چرا که در موتورجت سوخت فقط متناسب با اکسیژن دریافتی از هوا می سوزد.

علم واقعی موشک فقط در ابتدای قرن بیستم که رابرت گودارد (Robert Goddard) آمریکایی مبتکر موشک، جزئیات مربوط به موتورهای با سوخت مایع را عملا مورد بررسی قرار داد، آغاز کرد. برخلاف موشک های سوخت جامد این موتورها را می توان به طور دلخواه خاموش و روشن کرد.

با افزایش قابلیت کنترل این موشک ها و سایر جنبه های جدید دانشمندان می توانستند ماهواره ها را دقیقا به مدار مورد نظر و فضاپیماها را به ایستگاه انتقال دهند. با اولین پرواز موفقیت آمیز این گونه موشک ها در 16 مارس 1926، عصر فضا آغاز شد، هر چند که لازم بود سی سال دیگر بگذرد تا موشکی یک ماهواره را در مدار زمین قرار دهد. در سال 1969 بشر توانست روی کره ماه قدم بردارد.

مسابقه فضایی

اگر چه توسعه موشک های قابل پرواز به فضا در آمریکا تا پس از جنگ جهانی دوم به تعویق افتاد، تلاش برای دستیابی به چنین فناوری در آلمان از اولویت ویژه ای برخودار بود. این تلاش ها با ساخت V-2 که شکل اولیه موشک های بالستیک قاره پیمای امروزی است به نقطه اوج خود رسید. در روزهای پایانی جنگ جهانی دوم روس ها و متفقین برای دستیابی به آنچه که بتواند فناوری موشکی آلمان را برملا سازد، با یکدیگر رقابت می کردند. ورنر فون براون (Wernher von Braun) دانشمند برجسته موشکی نازی ها با آمریکا وارد مذاکره شد و به همراه اعضای گروهش به آمریکا مهاجرت کرد. در ابتدا اعضای گروه فون براون مجبور بودند در خانه ای در نیومکزیکو تحت مراقبت و به طور سری کار کنند تا آنکه نهایتا پس از جنگ مدل اصلاح شده موشک را تحویل دادند.

در سال 1957 این توهم نزد افکار عمومی آمریکا پدید آمد که شاید متخصصین آلمانی موشک در اتحاد شوروی از متخصصین آلمانی موشک در آمریکا برتر باشند، پرتاب اسپوتنیک 1، اولین ماهواره ساخت بشر به فضا، حاوی پیامی موذیانه برای کل جهان بود.مسابقه فضایی که تا به امروز به طور کاملا سری انجام می گیرد، به موضوع گفت وگوهای روزمره بدل شده است.

در نهایت نیز اولین ماهواره آمریکا با نام اکسپلورر1، (Explore1 ) در سال 1958 به فضا پرتاب شد.جان اف کندی مدت کوتاهی پس از آنکه به ریاست جمهوری برگزیده شد، مسابقه فضایی را شتاب بیشتر بخشید و آن را از دو مارتن به دو سرعت بدل کرد.

در مه 1961 وی به ناسا دستور داد تا یک مسافرت رفت و برگشت به ماه را طی همان دهه به پـایان برساند. در20 جولای 1969نیــل آرمســترانـگ Neil Armstrong)) و ادویـن آلــدریــن (Edwin Aldrin) کاری را که در ظاهر غیر ممکن به نظر می رسید عملی ساختند. زمانی که آپولوی 11 در کره ماه فرود آمد، بشر رویای دیرینه خود را از زمانی که بشر اولیه چشمانش را به روی آسمان و ماه گشود، در روحش زبانه می کشید، حیات بخشید. در نهایت نیز پس از آنکه ده ها نفر روی زمین خشک ولم یزرع ماه قدم گذاشتند، برنامه آپولو لغو شد. مشخص شد که انجام عملیات در فضا برای زندگان بسیار پر هزینه است، آینده از آن روبات هاست.

از زمانی که کاوشگرهای خودکار مسئولیت تحقیق در مریخ، زهره، مشتری و سیارات ورای آن را بر عهده گرفته اند، اکتشافات فضایی سرنشین دار به مسافرت تا مدار پائین زمین واستقرار در ایستگاه فضایی آمریکا، اسکای لب (Skylab) محدود شد. در همین حین متخصصین موشک توجه خود را به نسل جدید فضا پیماهای بزرگ آمریکا معطوف کردند. برخلاف ساتورن 5 (Saturn V) که مأموریت آپولو برای سفر به ماه را به انجام رساند، فضاپیماهای جدید از نوع شاتل بودند، یعنی موشک هایی که می شد آن را بارها و بارها مورد استفاده قرار داد. اولین شاتل از کاروان جدید فضاپیماها که کلمبیا نام داشت در 12 آوریل 1981 از مرکز فضایی کندی در فلوریدا به فضا پرتاب شد.

پس از آنکه آتش جنگ سرد فروکش کرد، دستاوردهای فضایی شوروی نیز کاهش یافت. حوادثی که در چندین موشک پیچیده روی داد و پرونده آنها طی سال ها ناگشوده ماند، باعث شد که اینگونه برنامه ها پس از فرود آپولو به حال خود رها شود. در سال 1999 روسیه که برنامه های فضایی اتحاد شوروی را به میراث برده بود، ایستگاه فضایی میر را بازنشسته کرد و به یکی از اجاره نشین های ایستگاه فضایی بین المللی که تحت سرپرستی ناسا ساخته می شود، تبدیل شد.

علی رغم اختلاف های زیادی که بین این دو فناوری وجود دارد، در پایان قرن بیستم فضاپیماهای X-33 که پیش از این نیز ذکرش رفت، ظاهر شد و تحولی بنیادین در حمل و نقل فضایی ایجاد خواهد کرد. طی دهه های آینده ماشین هایی ساخته خواهند شد که ما را به ماه و ورای آن ببرد.

درگستره اتم

اظهار نظر دوئل کارمند اداره ثبت اختراعات مبنی بر اینکه دیگر چیزی برای اختراع باقی نمانده است، موجی از خشم و عصبانیت، مشابه خشمی که در صورت بروز چنین نظری در این روزگار ایجاد می کند، به وجود نیاورد. در حقیقت در آغاز قرن بیستم بسیاری از دانشمندان واقعا بر این عقیده بودند که گذشته از افزودن چند رقم اعشاری دیگر به دقت ثابت های فیزیکی، دیگر کاری برای انجام دادن وجود ندارد. به نظر می رسید، فیزیک که در حقیقت نقش شاهزاده علم را طی قسمت اعظم این قرن برعهده داشته است، برای کار در زمینه مهندسی برق بسیار مناسب است.

البته لازم به ذکر است که همه بر این عقیده نبودند که به پایان جاده علم رسیده ایم. تعداد کمی از فیزیکدانان عقیده داشتند ممکن است نکات بسیار با اهمیتی در نتایج غیر عادی بعضی از آزمایش های هوشمندانه آنان نهفته باشد. برای مثال، تلاش های انجام شده برای اندازه گیری سرعت زیاد و باورنکردنی نور نشان داد که مقدار آن ثابت است و چه به سمت منبع نور حرکت کنیم و چه از آن دور شویم، سرعت نور بدون تغییر می ماند. این مسئله بسیار مشکل ساز بود. زیرا ریاضیاتی را که برای توصیف رفتار امواج به کار می رفت، نقض می کرد و نور هم به شکل موج حرکت می کند. مشکل دیگر به نور نشر شده از اجسام با دمای بالا مربوط می شد، چرا که نمی توانستند رنگ نور نشر شده را توجیه کنند.

در آغاز شکاکین از این نابهنجاری ها چشم پوشی می کردند، چرا که بر این عقیده بودند که از عدم دقت در کارهای آزمایشگاهی به وجود آمده است. اما پس از آنکه این آزمایش ها بارها و بارها تکرار شد و نتایج یکسانی به دست آمد، عقاید نگران کننده ای گسترش پیدا کرد. شاید توصیف طبیعت که موجب چنان پیشرفت های عظیمی در قرن نوزدهم شده بود و اقعا کامل نبود و همانند قسمت پیدای یک کوه یخ، فقط نشان دهنده قسمت کوچکی از تمام آن بود.

تلاش های انجام شده برای درک لایه های عمقی تر طبیعت به دو انقلاب بزرگ علمی قرن بیستم، یعنی نسبیت و تئوری کوانتوم منجر شده است. تئوری نسبیت تعبیر تازه ای برای درک ما از ماده، انرژی، فضا و زمان ارائه می دهد. درک مبانی تئوری کوانتومی از آن هم مشکل تر است.

آن قواعدی که در حوزه قابل درک برای انسان معتبر است، در مراکز اتم اعتبار خود را از دست می دهد. ایده هم ارزی ماده و انرژی که در قالب تئوری نسبیت بیان شده است، در نیمه های قرن در سلاح های نظامی و نیروگاه ها به کار گرفته شد. مکانیک کوانتوم نیز، با توجه به کاربردهایش در ترانزیستورها و استفاده ده ها عدد ترانزیستور در رادیو و تلویزیون و میلیون ها عدد از آن در کامپیوترهای شخصی، تأثیر شگرفی بر زندگی روزمره ما داشته است.

لیزر یکی دیگر از فناوری هایی است که از تئوری کوانتوم ناشی شده است. پیش از پایان قرن بیستم به پرکاربردترین ابزار همه ادوار تبدیل شد. از جمله موارد کاربرد بسیار زیاد آن می توان به برش استیل، ضبط موسیقی و اعمال جراحی قلب اشاره کرد.

نسبیت

اگر به فهرست نام های دانشمندان توجه کنیم، اسمی را در صدر همه این نام ها می بینیم: آلبرت اینشتین. اینشتین در مجامع علمی از اعتبار ویژه ای برخوردار است، چرا که وی با انجام رشته ای از اکتشاف های هوشمندانه، تصور ما از مفاهیم فضا و زمان و ماده و انرژی را تغییر داده است. برای بسیاری از مردم نام وی با یک کلمه که عموما اشتباه نیز درک شده است، گره خورده است: نسبیت.

نسبیت به ما می گوید نحوه کارکرد ظاهری جهان- مواردی مثل اجسام با چه سرعتی حرکت می کنند، زمان با چه سرعتی عبور می کند - به این نکته بستگی دارد که ما در کجا قرار داریم. اگر با سرعتی کاملا نزدیک سرعت نور حرکت کنیم ساعات کند می شود. با سفر به مرکز سیاهچاله، که در آن جرم ستاره رمبش (collapse) یافت است، زمان متوقف می شود.

مشهورترین و در عین حال بدنامترین جنبه تئوری نسبیت، هم ارزی جرم (M) و انرژی (E) است. این هم ارزی در رابطه ای خلاصه شده است که حتی دانشجوی رشته ادبیات هم آن را می داند:

E=MC2 قسمت وحشتناک داستان این است که ثابتC این دو کمیت را به یکدیگر مربوط می کند. این ثابت سرعت نور یعنی عددی بسیار بزرگ است و هنگامی که در خود ضرب می شود به عدد بسیار بزرگ تبدیل می شود که تقریبا غیر قابل درک است. کافی است فقط چند کیلوگرم جرم در یک آن به انرژی تبدیل شود تا هیروشیما سوخته و به تلی از خاکستر تبدیل شود. اما اگر جرم به آرامی به انرژی تبدیل شود انرژی لازم برای حرکت طولانی مدت یک زیر دریایی در اعماق آب فراهم می شود.

تئوری کوانتوم

تا سال 1911 چارچوب کلی ساختار اتم مشخص شده بود. قسمت اعظم جرم اتم در مرکز آن که منطقه ای بسیار کوچک است و هسته نام دارد متمرکز بود. اوایل دانشمندان ساختار اتم را به منظومه شمسی کوچکی تشبیه می کردند که هسته دارای بار مثبت، نقش خورشید را برعهده دارد. الکترون ها نیز که ذرات باردار منفی هستند همانند سیاراتی هستند که به گرد خورشید می گردند. این تشبیه برای تصور قلمروی که آنچنان کوچک و غیر قابل مشاهده است، کمک بسیار مؤثری محسوب می شد، اما نمایش کاملا دقیقی از اتم به حساب نمی آمد. گام بزرگ بعدی را نظریه پرداز بزرگ دانمارکی نیلزبور (Niels Bohr) برداشت.

وی ایده های نو ماکس پلانک (Max Plank) فیزیکدان آلمانی را که می گفت انرژی به صورت ذرات مجزا از هم، همانند دانه های شن یک ساعت شنی منتقل می شود و همانند عبور رودخانه به صورت قسمت هایی از یک جریان پیوسته نیست، به دنیای اتم وارد کرد.

در سال 1913 تصور می شد که ابرهای الکترونی، مدارهای ثابتی را اشغال کرده اند و سطوح انرژی ثابتی دارند ، که این سطوح انرژی با جذب یا نشر یک ذره انرژی که فوتون (Photon) نام دارد، تغییر می کند. فیزیکدانانی که ساختار هسته ای را دقیقتر کاویدند، دریافتند که هسته اتم یک جنگل تمام عیار از ذرات زیر اتمی با طول عمر متفاوت جدید سامان یافت. این تئوری فرض می کند که جهان از تعداد کمی ذرات مشخص که کوآرک (quark) نام دارند، تشکیل شده است. بسته به آرایش این ذرات و روش انجام آزمایش ها، کوآرک ها حضور خود را به شکل یکی از این ذره زیر اتمی آشکار می سازند. هم اکنون، مفهومی که مدل استاندارد (Standard Model) نامیده می شود، اغلب (و البته نه همه) اسرار قلمرو کوانتوم را کشف می کند.

طی این روند بود که تمام انواع تجهیزات مفید سربرآوردند: از تصویر برداری مغناطیسی هسته (MRI) که قادر به شناسایی غده سرطانی موجود در قسمت های داخلی بدن است، گرفته تا لیزر که می توان آن را چنان دقیق تنظیم کرد که سلول های سرطانی را از بین ببرد بدون آنکه به بافت های سالم اطراف آن آسیبی وارد کند. علی رغم همه این پیشرفت های عظیم که حاصل شده است، هنوز یک راز ناگشوده باقی مانده است. تئوری نسبیت می تواند دنیای بسیار بزرگ اطراف ما و نحوه عملکرد نیروهای گرانشی در گیتی را به شیوه ای بسیار عالی تشریح کند. تئوری کوانتوم هم برای تفسیر قلمروهای بسیار کوچک، یعنی فواصل درون اتم به کار می رود.

چیزی که هنوز حاصل نشده است و فیزیکدانان امیدوارند طــی آزمایش های قرن بیست و یکم بـه آن دسـت یـابـنـد، تئـوری هـمـه چیــز (Theory of every thing) نام دارد. پاداش عظیم دستیابی به این بینش توانایی استفاده از الکترومغناطیس برای ایجاد گرانش است، همانطور که با کلید می توان چراغ را روشن و خاموش کرد.

پیشرفت های صورت گرفته در زمینه علوم پزشکی طی قرن بیستم مدیون توصیفات غنی و عمیقی است که از دنیای طبیعی توسط زیست شناسان طی 200 سال گذشته صورت گرفته است. این مشاهدات عمیق نهایتا منجر به کشف آنتی بیوتیک ها شد، که همانند گلوله ای در مقابل آلودگی ها می مانند و واکسن هایی که عملا فلج اطفال را ریشه کن کردند، شد. بزرگترین شکاف موجود در آگاهی ما از سیستم زنده با کشف DNA، پر شد. با پر شدن این شکاف، زیست شناسان توانستند با ارائه یک نظریه منسجم چگونگی تشکیل و عملکرد حیات را شرح دهند.

منبع :www.mohassel.com


کلمات کلیدی: فیزیک نظری
 
انقلاب نسبیت
ساعت ۸:۱۳ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  


در دهه اول قرن بیستم انقلابی در فلسفه طبیعی پیش آمد که بسیاری آن را از حیث عمق معنا و درهم ریزی احکام جزمی پذیرفته شده ، نسبت به انقلاب کوپرنیکی _گالیله ای ،برتر به شمار می آورند . در این فاصله زمانی دو نظریه بسیار مهمی پا به عرصه رقابت نهادند ، نظریه نسبیت و کوانتمی که نسبت به کار های دانشمندان پیشین از جمله ماکسول ،سارین کلوین وکلازیوس به نحو چشمگیری متفاوت بودند .این نظریه های جدید نیز ،با میکانیک نیوتونی در بعضی از اصول و فرض های بنیادی اختلاف شدیدی داشتند . این نظریه علاوه بر اینکه در بر گیرنده پیچیدگی های ریاضیست ،تصور ذهنی و فهم آن ،بسیار دشوار است .

البته شایان ذکر است که انیشتین در مقاله 1905 خود که برای اولین بار به نسبیت خاص خود پرداخت از معادلات ریاضی ساده استفاده کرد اما در مقاله 1919 که به نسبیت عام پرداخت ،بر خلاف مقاله بیشین از فرمول های پیجیده ی ریاضی استفاده کرد .

نسبیت از ریشه نسبی گرفته شده است ، یعنی هر کدام از واحد های فیزیکی شناخته شده برای توصیف پدیده های طبیعی ، نسبی هستند . یعنی وزن ،سرعت ،شتاب و حتی زمان که برای ما تعریف می شوند ، نسبی هستند . برای درک این بهتر است چند مثالی بزنم . در میکانیک نیوتنی ،نیروی وزن شیء در کره زمین را مقدار نیرویی که از زمین بر شیء وارد می شود و آن را با شتاب g به سمت خود می کشاند ، تعریف کرده اند . اگر از شخصی بپرسید که وزنتان چقدر است ؟ او احتمالاً می گوید : در کجا ؟ . وزن شخص در آسانسوری که با شتاب به سمت پایین می رود در مقایسه با هنگامی که آن آسانسور با همان شتاب به سمت بالا می رود ، فرق می کند . حال به مثال دیگری می پردازیم :

مجید و فرهاد دو دوست هستند که سوار بر اتومبیل پراید ، با سرعت ثابت V در حال حرکت هستند ومقصد آن ها ، منزل احمد ، است . در این هنگام احمد از پشت بام منزلشان ، اتومبیل مجید را مشاهده می کند . وی در آنجا ، با انجام محاسباتی توسط دستگاهش ، سرعت مجید و فرهاد را V بدست می آورد (معادل سرعت اتومبیل) . در این لحظه ، اتومبیل پدر احمد ، با سرعت ثابت P از کنار اتومبیل مجید می گذرد ، در آن لحظه ی عبور ، دستگاه تعبئه شده در اتومبیل پدر احمد ، سرعت مجیدو فرهاد را U=V+P نشان می دهد . در آن لحظه عبور ، احمد با مجید تماس می گیرد و از او می پرسد که سرعت فرهاد را اندازه گیری کند . مجید با شنیدن سخنان احمد ، تعجب می کند و می گوید :" این دیگر چه سوال بی خودی است . می بینی که فرهاد در کنار من ساکن نشسته است ، پس باید سرعت او صفر باشد ". احمد گوشی را می بندد و به پدرش زنگ می زند و از او می پرسد که دستگاه محاسبه گر تو ، سرعت مجید و فرهاد را چند بدست آورده است ؟ پدر می گوید : "سرعت مجید و فرهاد U=V+P است " . احمد در این هنگام با خود فکر می کند که چگونه فردی در درون اتومبیل با سرعت ثابت ، بنشیند و در حالی که خود دارای سه سرعت کاملاً متفاوتی باشد . احمد با مبنای سینماتیک آشنایی زیادی ندارد. پس سرعت هم نسبی است .

مسئله نسبی بودن سرعت ، از نظر انیشتین ، آن قدر که به اعتبار اصل نسبیت مربوط می شد به اتر و حرکت سوقی ربطی نداشت .

طبق اصل نسبیت : قوانین طبیعت در تمام چارچوب های مرجع لخت یکسان اند .

انیشتین پس از مطرح کردن اصل نسبیت ، به دو موضوع بنیادی پرداخت :

1 - اصل نسبیت در تمام رویداد های طبیعی صحیح و صادق است.

2 - سرعت نور در خلاء ،در هر چارچوب لختی که اندازه گیری می شود با صرفه نظر از حرکت منبع نور ، معادل cاست .

اصل موضوعی دوم انیشتین ، در واقع اندیشه میکانیکی نیوتنی و سینماتیکی گالیله ای را زیر پا می گذارد . طبق اصول سینماتیک ، اگر دو جسم متحرک با سرعت ثابت ، در حال حرکت به سمت یکدیگر باشند ، سرعت هر یک از آن ها در نقطه بر خورد ، برابر با مجموع سرعتشان است .

اما درنسبیت انیشتین ایگنونه نیست . اگر در نقطه ای نوری را گسیل کنیم ، ناظر ساکن و ناظر متحرک که با سرعت vدر حال حرکت به سمت منبع است ، سرعت نور را cمحاسبه می کنند .

این دو اصل سه نتیجه ی حیرت آوری به همراه دارد :

الف) همزمانی اتساع زمان . ب) پارادوکس دو قلوها پ) انقباض جرالد-لورنتس .

الف) همزمانی اتساع زمان :

مطابق میکانیک نیوتنی ، زمان مطلق است ، یعنی زمان در تمام نقاط جهان و بدون وابستگی به شرایط حاکم بر محیط ، به طور یکنواخت جریان دارد .

اما انیشتین خلاف آن را معتقد است ، و در واقع اینجاست که نیوتن و انیشتین از هم جدا می شوند .

انیشتین برای اثبات گفته های خود در مورد عدم مطلق بودن زمان ، به اصل موضوعی دوم خود پناه می برد . برای اثبات فرضیه ی انیشتین ، دو لامپ فلاش در نقاط A و B داریم . فردی در میانه ی BA قرار می گیرد . ومشاهده می کند که دو فلاش A و B همزمان به او می رسد ، اما اگر فرد به نقطه A نزدیکتر باشد ، مشاهده می کند که نور گسیل شده از A زودتر از B به او می رسد ، اما اگر فرد به نقطه B نزدیکتر باشد ، مشاهده می کند که نور گسیل شده از B زودتر از A به او می رسد . پس این رویداد ها همزمان نیستند .

اکنون یکی از معروفترین پیامدهای این نظریه ، یعنی اتساع زمان ، را بررسی می کنیم .

منظور از اتساع زمان اینست که ، ساعت در چارچوب های لختی متحرک نسبت به چارچوب های لختی ساکن ، کند کار می کند .

برای روشن کردن بحث اتساع زمان , یک جفت ساعت کاملاً متشابه به هم را تهیه نموده ایم . در این ساعت ، در آینه به طور موازی و به فاصله ی dاز یکدیگر قرار دارند . در یکی از آینه ها نقطه ای وجود دارد که از آن نوری گسیل می شود و آن نور پس از انعکاس از آینه دومی ، به همان نقطه تابش خود برمی گردد . این ساعت به گونه ای کار می کند که واحد زمان را معادل ، زمان رفت و برگشت نور بین دو آینه ، نشان می دهد . یعنی واحد زمانی که این ساعت نشان می دهد برابر t =2d/c است .

یکی از ساعت ها در چاچوب مرجع ساکن لختی قرار می دهیم ، و مشاهده می کنیم که واحد زمان محاسبه شده معادل t می باشد .

ساعت دیگر را در چارچوب متحرک لختی که با سرعت فوق العاده u حرکت می کند، قرار می دهیم . در این چارچوب مسیر رفت و برگشت نور ، بیشتر از 2d است . زیرا این ساعت با سرعت u در حال حرکت است . پس مکان این آینه پیوسته در حال تغییر است به همین دلیل نور در این مسیر رفت و برگشت خود ، یک مسیر شکسته ( به صورت 8 است ) طی می کند . پس واحد زمان در چارچوب متحرک لختی بزرگتر از واحد زمان در یک چارچوب ساکن لختی است . به همین دلیل ساعت ها در چارچوب متحرک لختی نسبت به چارچوب ساکن لختی کند کار می کنند .

ب) پارادوکس دوقلو ها :

اتساع زمان در نظریه نسبیت ما را به پارادوکس دو قلو ها می کشاند ، این پارادوکس بیش از 50 سال بعد از انتشار نظریه نسبیت انیشتین ، مورد بحث میان دانشمندان بوده است . که خلاصه این داستان بدین شرح است که : یکی از دو قلوه ها تصمیم می گیرد که با یک فضاپیما که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می کند , به یک سیاره دور برود . این مسافرت 70 سال زمینی طول می کشد . هنگامی که او بر می گردد می بیند که برادرش به سن 90 سالگی رسیده ودر حالی که او 29 سال بیشتر سن ندارد .

پ) انقباض لورنتس-جرالد :

اتساع زمان که یکی از مهمترین نتایج نظریه نسبیت است ، موجب شد که انقباض لورنتس-جرالد ، قدم به صحنه رقابت بگذارد .

ناظر o در چارچوب ساکن لختی قرار دارد و می خواهد طول لوله ای را محاسبه کند . روش اندازه گیری او ، اینگونه است که یک شیء را با سرعت ثابت v ، از یک سر لوله پرتاب می کند و با ثبت مدت زمانی که آن شیء به آن سر لوله می رسد ، و با استفاده از فومول های سینماتیک ، طول لوله را می یابد . او طول لوله را L محاسبه می کند . L = t .v

ناظر Z واقع در چارچوب متحرک لختی نیز می خواهد طول همان لوله را محاسبه کند . او برای محاسبه طول لوله از شیوه ی ناظر O استفاده می کند و طول لوله را L` می یابد .(L`=t` .v` )

طبق نتایج قبلی نسبیت ( اتساع زمان ) ، به این نتیجه رسیدیم که زمان در چارچوب متحرک نسبت به چارچوب ساکن ، کندتر می گذرد . پس t > t` بنابراین L > L` ، که نشان دهنده انقباض طول لوله در چارچوب متحرک است .

درک چنین واقعیتی بسیار دشوار و سخت است . اما لورنتس علت آن را تغییر در نیروی الکترومغناطیسی اتم ها در سرعت های بالا می داند.

اما متاسفانه تا کنون دانشمندان موفق نشده اند که انقباض لورنتس-جرالد را در حد آزمایش عملی کند .

یک از نتایج نسبیت خاص ، که با سینماتیک در تضاد است جمع سرعت هاست که در خور مسائل ریاضیست .

E=MC^2

یکی از معادلات زیبا و پراهمیتی که انیشتین آن را در مقاله ی علمی با استدلال زیبا و دور از هرگونه پیچیدگی های ریاضی استنتاج کرد ، معادله هم ارزی جرم-انرژی است . وی در مقاله ی خود می نویسد :" اگر جسمی انرژی E را بصورت تابش از دست بدهد ، جرمش به اندازه ی E/C^2 ، کم می شود ".

اگر جسمی ، مقداری از جرم خود را از دست بدهد ، انرژی به اندازه ی E که معادل E=MC^2 ، می باشذ به صورت تابشی آزاد می کند و M مقدار جرم از دست رفته است .

در واکنش های هسته ای ، مشاهده شده است که در طی شکافت هسته ، مقداری از جرم هسته کاهش و به انرژی تابشی تبدیل می شود . البته عکس این معادله نیز صادق است ، یعنی می توان با فراهم آوردن مقدار انرژی به اندازه کافی ، جسمی پر جرم را به وجود آورد .

یکی از نتایج مهم هم ارزی جرم-انرژی ، تغییر جرم جسم در سرعت های نزدیک به سرعت نور است .

جرم جسم متحرک با سرعت نزدیک به سرعت نور ، نسبت به همان جسم ولی در حال سکون ، بیشتر است .

امروزه در آزمایشگاه ها ، با دادن انرژی به الکترون ها ، توانسته اند سرعت آن ها را نزدیک به سرعت نور ، برسانند .

در این آزمایش ها مشاهده شده که جرم الکترون ها مطابق با فرمول نسبیت ، افزایش پیدا کرده است . و همچنین با استفاده از ساعت های اتمی (سزیم ) ،کندی گذر زمان در چارچوب متحرک نسبت به چارچوب ساکن را مشاهده کرده اند .

انیشتین در سال 1919 ، با ترمیم و تعمیم نسبیت خود , نسبیت عام را مطرح کرد . نسبیت عام برخلاف نسبیت خاص ، در برگیرنده معادلات و پیچیدگی های ریاضی بود .

یکی از پیش بینی های این نظریه آن بود که ساعت ها در میدان گرانشی بسیار قوی ، کندتر کار می کنند و همچنین نور در میدان گرانشی بسیا قوی ، در مسیر مستقیم خود منحرف می شوند . این نظریه توانست به بسیاری از معما های کیهان شناسی در مورد سیاهچاله ها ، عمر کرات وسیارات ، انرژی ستاره ها وکهکشان ها ، چگالی جهان و ... پاسخ دهد .

 


کلمات کلیدی: نسبیت
 
زمان صفر
ساعت ۸:۱٢ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  

زمان گذشته تر از گذشته

بنابه نظریه انفجار بزرگ ، گسترش جهان از یک انفجار آتشین آغاز شده و تا امروز ادامه یافته است و احتمال دارد این گسترش تا بینهایت ادامه داشته باشد. ولی ما یقینا می‌خواهیم بدانیم پیش از این انفجار اولیه وضع از چه قرار بوده است. اما برای فهمیدن این موضوع باید از دیوار زمان صفر عبور کنیم. نه تنها در عرصه فیزیک ، بلکه حتی در عرصه منطق نیز دشواریهای زیادی در این سیر وجود دارد.

ما نمی‌توانیم تاریخ کائنات را از زمان صفر یعنی درست لحظه آفرینش فضا و زمان آغاز کنیم ولی قادریم آن را از لحظه‌های بسیار کوتاه و غیر قابل تصور یعنی 43- ^10 ثانیه پس از انفجار بزرگ آغاز کنیم. قوانین بنیادی فیزیک توانسته‌اند از امروز تا آن لحظه که کائنات بسیار بسیار کوچک ، داغ و غلیظ بوده ، استواری خود را حفظ کنند.

خصوصیات کائنات در زمان صفر

در 43- ^10 ثانیه پس از انفجار بزرگ ، کائنات بیش از 35 - ^ 10 متر قطر نداشته و ده میلیون میلیارد میلیارد بار کوچکتر از یک اتم هیدروژن بوده است. در این زمان عالم چنان جوان است که نور نمی‌تواند به دورها سفر کند و افق کیهانی که کائنات قابل دید را در بر می‌گیرد، بسیار نزدیک است. در این زمان حرارت به 32 ^ 10 کلوین میرسد. کائنات بسیار غلیظ و فشرده (96 ^ 10 برابر غلظت آب) و انرژی آن غیر قابل اندازه گیری است. چنانچه اگر بخواهیم چنین نیرویی تولید کنیم باید دستگاههای تسریع کننده ذرات اولیه‌ای بسازیم که چندین سال نوری قطر داشته باشند.

زمان صفر یا زمان پلانک

در 43- ^10 ثانیه پس از انفجار ، کائنات چنان فشرده و غلظت چنان انباشته است که نیروی جاذبه ، که در حالت معمولی در مقیاس میکروسکوپی قابل اغماض است، مانند نیروها از قبیل نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف نیروی الکترومغناطیسی ، بسیار قوی می‌باشد. ولی ما نمی‌توانیم رفتار و مشخصات اتمها و نور را در جاذبه بسیار قوی دریابیم. این مساله نخستین بار در آغاز قرن حاضر توسط "ماکس پلانک" مطرح شد. به همین دلیل زمان 43- ^10 ثانیه را "زمان پلانک" می‌گویند. که در آن فیزیک از توضیح عاجز می‌شود و مرز آگاهی‌ها به نهایت می‌رسد.

جاذبه سد زمان صفر

برای پشت سر گذاشتن زمان پلانک به نظریه‌ای‌ کوانتیک از جاذبه نیاز است که در آن قوه جاذبه بتواند با سایر نیروها متحد شود. فیزیکدانان در تلاشند تا یک نظریه جامع طبیعت بیابند که در آن چهار نیروی حاکم بر جهان بصورت یک نیروی واحد عمل کنند. و تا کنون موفق شده‌اند شرایط گرد آمدن نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف و نیروی الکترومغناطیسی را بدست آورند. ولی نیروی جاذبه همچنان با اتحاد با این نیروها مخالفت می‌کند. این نیرو که بر دنیای بینهایت بزرگها حاکم است از هر گونه اتحاد با دنیای بینهایت خردها سرباز می زند.

پیوند و اتحاد مکانیک کوانتومی با نسبیت در حال حاضر همچنان سدی غیر قابل عبور است و حتی اینشتین که در سی سال آخر عمر خود ، سر سختانه در این زمینه به کار پرداخت، نتوانست از این سد بگذرد. تا وقتی مقاومت و استقامت جاذبه شکسته نشود، فراتر از زمان پلانک را در یافتن ، کاری غیر ممکن است. این زمان مرز و حد نهایی آگاهی و شناخت ما است. در پشت دیوار پلانک واقعیتی هنوز دست نیافتنی پنهان است که در آن جفت فضا ـ زمان کائنات چهار بعدی ما می‌تواند کاملا متفاوت باشد با دیگر وجود نداشته باشد.

پشت دیوار پلانک

فیزیکدانهایی که شکافهای کوتاه و گذرایی در پشت دیوار پلانک وارد کرده‌اند، می‌گویند که با کائنات پرآشوبی که ده یا حتی بیست و شش بعد دارد، برخورد کرده‌اند، که در آن قوه جاذبه چنان قوی است که فضا را به کلی دگرگون کرده است و در آن ، فضا ، تحت تاثیر جاذبه به تعداد بیشماری سوراخ سیاه میکروسکوپیک تبدیل شده است که گذشته ، حال و آینده و حتی زمان در آن معنا ندارد. هر کدام از این سوراخها صد میلیارد میلیارد بار کوچکتر از یک پروتون هستند، که با حرارت 32 ^10 کلوین در فاصله 43- ^10 ثانیه تبخیر می‌شوند، ناپدید می‌شوند و دوباره ظاهر می‌شوند.

زمان مرجع

سالها کوشش و مطالعه طاقت فرسا لازم است تا دیوار پلانک سوراخ شود و تا رسیدن به آن روز ما باید "زمان پلانک" را به منزله "زمان صفر" بپذیریم. بنابرین ، وقتی از مبدا و آغاز خلقت کائنات گفتگو می‌کنیم، زمان مرجع ما زمان پلانک خواهد بود.


کلمات کلیدی: فیزیک کوانتمی
 
روابط بین اشیا در جهان اتمى
ساعت ۸:٠٩ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  

 
اوایل قرن بیستم مصادف با دو انقلاب بزرگ در نظریه هاى فیزیکى بود، یعنى مکانیک نسبیت و مکانیک کوانتوم. با شروع قرن بیستم مشخص شد که فیزیک کلاسیک نیوتنى و ماکسولى قادر به پاسخگویى به مشکلاتى که در بررسى اشیا و با اندازه هاى اتمى رخ مى دهد نیست. اما تا دهه 1920 هیچ نظریه اى قادر نبود به خوبى مسائل حوزه اتمى را تبیین کند. در سال ،1927 «هایزنبرگ» تلاش کرد حالت و تکانه یک الکترون را محاسبه کند. «هایزنبرگ» نشان داد انجام آزمایشى که با آن بتوان حالت و تکانه یک الکترون را محاسبه کرد نامیسر است. از طرف دیگر هر محاسبه اى که انجام دهیم، به سبب اختلافى که ابزار محاسبه گر به وجود مى آورد، تقریبى خواهد بود. او استدلال کرد نه تنها عملاً محاسبه کردن امکان پذیر نیست، بلکه به لحاظ نظرى نیز انجام محاسبه به طور دقیق نامیسر است. اما قبل از هایزنبرگ دانشمندان دیگرى در رشد و تکامل نظریه او سهیم بودند. یکى از این دانشمندان «ماکس پلانک» بود. پژوهش هاى وى در خصوص تابش جسم سیاه (جسمى که همه پرتوهاى تابیده شده را جذب مى کند) نشان داد که تابش انرژى به صورت جریانى متصل گسیل نشده بلکه گسیل آن در بسته هاى جداگانه موسوم به «کوانتوا» است (quanta). او با این کشف توانست معادله اى را که در جست وجوى آن بود صورت بندى کند یعنى hV = E که «V» بسامد نور و «h» ثابت پلانک است که عددى بسیار کوچک است و پیوسته در فرمول هاى فیزیک قرن بیستم تکرار مى شود.

اینشتین نیز در نظریه نسبیتش کار پلانک را مبنا قرار داد و تبیین نور بر حسب کوانتوم ها را یکى از اصول موضوعه بنیادى نظریه اش قرار داد. او با کشف اثر «فتوالکتریک» به رشد نظریه کوانتوم یارى رساند. اینشتین پى برد که نور مرکب از ذراتى به نام «فوتون» است. هنگامى که جریانى از فوتون ها گسیل مى شوند تا به یک صفحه فلزى برخورد کنند الکترون هایى که صفحه فلزى از آنها ساخته شده است کنده شده و آزاد مى شوند. در سال 1925 نیز «دوبروى» اعلام داشت الکترون ها ذره نیستند بلکه منظومه هایى از امواج اند. «شرودینگر» این نظریه را گسترش داد و اعلام کرد نه فقط الکترون ها، بلکه فوتون ها، اتم ها و تمام مولکول ها را مى توان به منزله امواج دانست. «هایزنبرگ» در این سال ها وارد صحنه مى شود. وى نشان داد با توجه به نوع معادله اى که استفاده مى شود فیزیکدان ها مى توانند کوانتوم هاى نور را ذرات یا امواج محسوب کنند. او در تلاش هایش براى تعیین حالت و تکانه یک الکترون به این نتیجه رسید که دشوارى اى که در چنین محاسبه اى وجود دارد این است که الکترون کوچک تر از یک موج نورى است. چون براى مشاهده الکترون باید از میکروسکوپ استفاده کرد و هنگام استفاده از میکروسکوپ از یک چشمه نور هم استفاده خواهیم کرد. چون بنابر اثر فوتوالکتریک اینشتین، فوتون هاى نور در حالت الکترون ها اختلال ایجاد مى کند در نتیجه در محاسبه حالت و تکانه یک الکترون با دو مشکل روبه روییم:

اول آنکه از هر نورى استفاده کنیم در حالت الکترون اختلال ایجاد مى شود و اگر از پرتوهاى گاماى رادیوم استفاده کنیم چون آنها هم بسامد بالا دارند و هم موج هایى با طول موج هاى کوتاه تر از نور، در نتیجه در حالت الکترون اختلال ایجاد مى کنند. به این ترتیب محاسبه حالت و تکانه الکترون عملاً و نظراً غیرممکن است. این نظریه کوانتوم جدید به سرعت در حوزه عمل نیز موفقیت خود را ثابت کرد هم در شرح پدیده هایى مانند پایدارى اتم ها و هم در پیش بینى جزئیات کمى مانند طول موج و شدت نورى که اتم ها در هنگام تحریک گسیل مى کنند. در مکانیک کلاسیک نیوتنى، حالت یک سیستم در یک زمان خاص کاملاً با داشتن مکان و تکانه هر یک از اجزاى سازنده آن، مشخص مى شود. در نظریه مکانیک کلاسیک، معادلات حرکت مى توانند تغییر حالت سیستم را مشخص کنند. لااقل در مورد سیستم منزوى ساده حل این معادلات حالت سیستم را در همه زمان هاى بعدى مشخص مى کنند. با توجه به حالت اولیه و نیروهاى عمل کننده بر آن، مکانیک کلاسیک نظریه موجبیتى است. رفتار زمان هاى آینده سیستم منحصراً به وسیله حالت فعلى تعیین مى شود. در این حالت یک مشاهده ایده آل حالت سیستم نه تنها موقعیت و تکانه دقیق هر یک از اجزاى سازنده آن را در یک زمان خاص تعیین مى کند بلکه پیش بینى حالت آینده دقیق آن را نیز ممکن مى سازد. اگرچه مکانیک کوانتوم از همان کمیت هاى دینامیکى استفاده مى کند با این حال براى سیستمى که در مورد آن اعمال مى شود (مانند الکترون) حالتى را که در آن همه کمیت ها مقدار دقیقى داشته باشند مشخص نمى کند. در عوض حالت یک سیستم منزوى به وسیله یک مفهوم ریاضى انتزاعى نشان داده مى شود. به طور نمونه یک تابع موج یا به طور کلى تر یک بردار حالت (بردارى که از یک nتایى تشکیل شده است که تعدادى ورودى و تعدادى خروجى دارد). این بردار فقط نشان مى دهد که یک اندازه گیرى از هر کمیت دینامیکى سیستم با چه احتمالى، مقدارى مشخص را پیدا مى کند و هیچ یک از این احتمالات نمى تواند معادل با یک یا صفر باشد. به علاوه هیچ تلاشى براى تعیین حالت اولیه سیستم از طریق اندازه گیرى کمیت هاى دینامیکى نمى تواند اطلاعاتى بیش از آنچه یک بردار حالت به ما مى دهد فراهم کند. به طور کلى هیچ اندازه گیرى یا حتى تعیین نظرى حالت فعلى سیستم نمى تواند در چارچوب نظرى مقادیرى را که در اندازه گیرى هاى یک کمیت دلخواه دینامیک در زمان هاى بعدى مشاهد مى شوند، تعیین کند.

در این معنا، نظریه مکانیک کوانتوم «غیرموجبیت گرایانه» است. مکانیک کوانتوم در دهه 1920 بحث هاى داغى را میان فیزیکدانان ایجاد کرد که در نهایت به «تفسیر کپنهاگى» انجامید. تفسیر کپنهاگى به صورت کلى بیان مى کند که کامل ترین توصیف یک سیستم در یک زمان معین تنها از نظر احتمالاتى پیش بینى رفتار آتى آن را ممکن مى سازد. این تفسیر کپنهاگى اشاره بر این دارد که جهان غیرموجبیتى است. آیا این سخن به معناى نفى علیت است؟ علیت واژه مبهمى است. اگر علیت به این معناست که پدیده هاى تکرارپذیر قوانین طبیعى را تایید مى کنند پس مکانیک کوانتوم نفى علیت نیست حتى اگر این نظریه دلالت بر این داشته باشد که جهان نهایتاً غیرموجبیتى است. اگر علیت معادل با موجبیت (نظریه اى موجبیت گرایانه است که آگاهى معین درباره رویدادهایى معین در زمان و مکان خاصى بدهد) است، پس علیت در چنین جهانى ناتوان است. اما آیا علیت مى تواند در یک جهان غیرموجبیتى وجود داشته باشد؟ این سئوال و سئوالاتى مشابه بحث هاى دقیق فلسفى را ایجاد کرده است که تا به امروز محل نزاع فیلسوفان است.

فلسفه علم _ نیکلاس کاپالدى. ترجمه على حقى. 1377.


کلمات کلیدی: فیزیک جدید
 
محیط زمین در حال رشد است
ساعت ۸:٠٦ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  


این که زمین درقطب هایش به آرامی هموار می گردد(پخ می شود)یک مساله شناخته شده است و لیکن یک مطالعه در آمریکا نشان میدهد که زمین حتی کمتر از سال1998 کروی است. کریستوفر ککس از رتیئون و بنجامین چائو از ناسا ، با تجزیه و تحلیل های داده های لیزری ماهواره ای اخیر، از اینکه یک جابجایی عظیم در انتقال جرم از قطبین به سمت استوا مشاهده کردندشگفت زده شدند.

پژوهشگران فکر می کنند که تکانی که در میدان مغناطیسی زمین یا اثرقوی ال نینو در سال 1998 رخ داد، باعث این جهش در پهن شدگی قطبین شده است(ک.ککس وب،چائو2002 Science 297831 )

چرخش زمین و جریان همرفتی در گذشته آن،سیاره ما را حدود 3/0 درصد حول استوا پهن تراز نصف النهارش نموده است.تغییرات در این توزیع جرم( که می تواندبه صورت میدان گرانی محلی نشان داده شود) به وسیلة استفاده از برد و محدوده لیزری ماهواره ای برای چند دهه دنبال شده است.در این روش،علائم لیزری به وسیلة یک ماهواره به زمین باز تابنده می شوند.زمانی که صرف این کار می گردد،برای محاسبة مکان ماهواره ای که به میدان محلی زمین وابسته است به کار برده می شود.

ژئوفیزیکدانان از اندازه گیریهای انجام شده می دانند که زمین درحال بیشتر کروی شدن بوده،نتیجه ای که تصور شده بود که برخاسته از واکنش دورة پس از عصر یخبندان باشد.این امر در پایان یک دورة یخبندان بوقوع می پیوندد،هنگامیکه یخ آب میشود و به دریا و جو باز می گردد.چنین فرایندی فشار وارد بر زمین زیرتودة یخ را کاهش می دهد و بخش مذکور به آرامی توسط گوشته زمین به جای پیشین خود باز می گردد.

اما هنگامیکه ککس وچائوداده های برد لیزری را که بین سالهای 1979 و2001 جمع آوری شده بود را بررسی کردند،دریافتند در سال1998 این روند آشکارا وارونه گردید.یعنی این که جرم از قطبین به سمت استوا حرکت کند وهر فرایند اینچنینی بایستی شامل جو ، اقیانوس و گذشته زمین باشد.پژوهشگران می گویند که ال نینو کاندیدای خوبی برای این سلسله از فعل و انفعالات است.ال نینو و لانینا دو چرخه گرم و سرد تناوبی در اتمسفر و اقیانوس آرام هستند که هر کدام حدود 6 ماه به طول می انجامند.

گرچه اثرهای این پدیده ها روی الگوهای جریان در اقیانوس بخوبی درک نشده است ، اما نیرومندترین ال نینوی قرن،با تغییر ناگهانی در پدیدة پهن شدگی قطبین سال1998، مطابقت داشت شایدیک دلیل دیگر تغییر ناگهانی در میدان مغناطیسی زمین است که بر جریان مایع هسته بیرونی اثر می گذارد. چنین رخدادی در سال1999 مشاهده گردید. و ککس وچائو حدس می زنندکه تغییرات این لایه ، مقدم بر تکان ناگهانی ، توانسته است همواری قطبین را موجب شود.

پژوهشگران نسبت دادن این مساله به پدیده گرم شدن جهانی ، که در ابتدا آنها فکر می کردند که سطح دریا را بوسیله ذوب شدن یخ قطبی بطور قابل توجهی بالا برده است را غیر محتمل دانسته اند. یاداشتهایی که پیش از سال 1992 انجام گرفته است نشان داد که این افزایش در بالا آمدگی بعنوان دلیل جابجایی مشاهده شده در جرم بسیار کوچکتر از آن است که به حساب آید.


کلمات کلیدی: متفرقه
 
چگونه اورانیوم به انرژی تبدیل می شود؟
ساعت ۸:٠۳ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  

غنی سازی:

اورانیوم طبیعی اصولا شامل مخلوطی از دو ایزوتوپ (نوع اتمی) از اورانیوم است. تنها 7/0 درصد از اورانیوم طبیعی، شکاف پذیر و یا دارای قابلیت شکاف پذیری است که با شکافته شدن در راکتورهای هسته ای انرژی تولید می کنند. ایزوتوپ اورانیوم شکاف پذیر، اورانیوم نوع 235 (u-235) است و پس مانده آن اورانیوم 238 (u-238) است.

در بیشتر انواع راکتورهای معمولی هسته ای به اورانیوم 235 (u-235 که اورانیوم با غلظت بیش از حد طبیعی است) نیاز دارند. عملیات غنی سازی، غلظت اورانیوم را بیشتر می کند. عموماً بین 5/3 تا 5 درصد اورانیوم 235 با بیرون آوردن 8 درصد از اورانیوم 238. این عمل با جداسازی گازی هگزافلورید اورانیوم در دو جریان انجام می گیرد. یکی به اندازه لازم غنی سازی می شود و اورانیوم غنی شده ضعیف نامیده می شود و دیگری به اورانیوم 235 منتهی می شود که به پس مانده معروف است.

در عملیات غنی سازی در مقیاس های بزرگ تجاری وجود دارد، که هر کدام هگزافلورید اورانیوم را به عنوان منبع استفاده می کنند: نفوذ گازی و تفکیک گازی و هر دوی آنان از خواص فیزیکی مولکولی استفاده می کنند. مخصوصا با 10 درصد اختلاف جرم، برای جداسازی ایزوتوپ ها محصول این مرحله از چرخه سوختی هسته ای، اورانیوم هگزا فلورید غنی شده است که برای تولید اورانیوم اکسید غنی شده تغییر حال مجدد می یابد.

تولید و ساخت سوخت

سوخت راکتور غالباً به شکل گلوله ای سرامیکی است. این گلوله ها از اورانیوم اکسید که در دمایی بسیار بالا (بیش از 1400 درجه سانتیگراد) پخته شده است شکل می گیرند. سپس گلوله ها در لوله های فلزی از میله سوختی پوشانده می شوند که در مجتمع های سوختی برای استفاده در راکتورها آماده هستند. دیمانسیون گلوله های سوختی و اجزای دیگر مجتمع سوختی به دقت کنترل می شوند تا از پایداری و دارا بودن آنان از خصوصیات دسته های سوختی اطمینان حاصل شود.

در تأسیسات تولید سوخت توجه زیادی به شکل و اندازه مخزن های عملیاتی می شود تا از اتفاقات خطرناک جلوگیری شود. (یک زنجیر محدود واکنش پرتو آزاد می کند). با سوخت غنی شده ضعیف امکان اتفاق افتادن این حوادث بعید به نظر می رسد. اما در تأسیسات هسته ای بررسی سوخت های مخصوص برای تحقیقات راکتورها عملی حیاتی است.

تولید نیرو

درون یک راکتور هسته ای اتم های اورانیوم 235 (u-235) شکافته می شوند و در جریان عملیات پردازش انرژی آزاد می کنند. این انرژی اغلب برای حرارت دادن آب و تبدیل کردن آن به بخار استفاده می شود.

بخار توربینی را که به ژنراتور متصل است به حرکت می اندازد و باعث تولید الکتریسیته می شود. مقداری از اورانیوم 238 (u-238 به شکل سوخت) در هسته و مرکز راکتور به پلوتونیوم تبدیل می شود و این یک سوم انرژی در یک راکتور هسته ای معمولی را حاصل می کند. شکافتن اورانیوم به عنوان منبع حرارت در راکتورها استفاده می شود. همان گونه که سوزاندن زغال سنگ، گاز و یا نفت به عنوان سوخت فسیلی در تأسیسات نیرو استفاده می شود.

سوخت مصرف شده (خرج شده)

با گذشت زمان، غلظت قطعات و عناصر سنگین شکافته شده مانند پلوتونیوم در مجموعه سوخت افزایش خواهد یافت تا جایی که دیگر هیچ سودی در استفاده دوباره از سوخت نیست. بنابراین پس از گذشت 12 الی 24 ماه سوخت مصرف شده از راکتور خارج می شود. مقدار انرژی که از مجموعه سوختی تولید شده است با نوع راکتور و سیاست و کاردانی گرداننده راکتور تغییر می کند.

معمولا بیش از 45 میلیون کیلو وات ساعت الکتریسیته از یک تن اورانیوم طبیعی تولید می شود. تولید این مقدار انرژی الکتریکی با استفاده از سوخت های فسیلی ملزم به سوزاندن بیش از 20 هزار تن زغال سنگ سیاه و 30 میلیون مترمکعب گاز است.

انبار کردن سوخت مصرف شده

وقتی یک مجموعه سوختی، از راکتور خارج می شود از خود پرتو ساطع می کند که اساساً بیشتر از شکافتن قطعات و حرارت آن است. سوخت مصرف شده فوراً در استخرهای انبار که در اطراف راکتور برای کاهش میزان پرتوزایی آن است تخلیه می شوند. در استخرها، آب جلوی پرتوزایی را می گیرد و همچنین حرارت را به خود جذب می کند.

سوخت مصرف شده در چنین استخرهایی برای ماه ها و یا سال ها نگه داشته می شوند.

وابسته به سیاست کشورهای مختلف در بعضی از آنها مقداری از سوخت مصرف شده به امکانات و تأسیسات انبار مرکزی انتقال می یابند. سرانجام، سوخت مصرف شده یا باید دوباره پردازش شود و یا برای دفع اتمی آماده شود.

پردازش دوباره

سوخت مصرف شده چیزی حدود 95 درصد اورانیوم 238 است ولی دارای حدود یک درصد اورانیوم 235 که شکافته شده نیز نیست، و در حدود یک درصد پلوتونیوم و سه درصد محصولات شکافته شده که در حد زیادی پرتوزا هستند و دیگر عناصر ترانزورانیک (که عدد اتمی بیشتری نسبت به اورانیوم دارد) که در راکتور شکل گرفته اند در دستگاه های دوباره سازی سوخت مصرف شده به سه جزء تشکیل دهنده خود تفکیک می شوند: اورانیوم، پلوتونیوم و پس مانده که شامل محصولات شکافته شده است. دوباره سازی امکان بازسازی مجدد اورانیوم و پلوتونیوم به سوخت تازه را می دهد و بخش عمده ای از پس مانده کاهیده را تولید می کند. (مقایسه با به حساب آوردن کل سوخت مصرف شده به عنوان پس مانده)

بازسازی مجدد اورانیوم و پلوتونیوم

اورانیوم حاصل از دوباره سازی که معمولا غلظتی کمی بیشتر از اورانیوم 235 دارد و در طبیعت رخ می دهد، می تواند اگر نیاز باشد پس از تبدیل کردن و غنی شدن به عنوان سوخت استفاده شود. پلوتونیوم می تواند مستقیماً به MOX (سوخت مخلوط اکسید) تبدیل شود که در آن اورانیوم و پلوتونیوم مخلوط شده اند.

در راکتورهایی که از سوخت MOX استفاده می کنند، پلوتونیوم به جای اورانیوم 235 جانشین سوخت اورانیوم اکسید معمولی می شود.

دفع سوخت مصرف شده

در حال حاضر، هیچ گونه امکاناتی برای دفع سوخت مصرف شده (برخلاف امکانات انبارسازی) وجود ندارد که برای دوباره سازی استفاده می شود و پس مانده های به جا مانده از دوباره سازی می توانند در محلی انباشته شوند. هرچند نتایج فنی و تکنیکی مرتبط با دفع سوخت ثابت کرده اند که هیچ احتیاجی به تأسیس چنین امکاناتی در برابر حجم کم پس مانده ها نیست. انبار کردن با توجه به کاهش در حال رشد پرتوزایی برای مدت طولانی آسان تر است. همچنین مقاومت مغناطیسی در سوخت دفع شده وجود دارد، چون منبع قابل توجهی از انرژی در آن است که می تواند دوباره فرآوری شود و امکان بازیافت دوباره را به اورانیوم و پلوتونیوم بدهد.

تعدادی از کشورها در حال انجام مطالعاتی در زمینه تصمیم گیری بهترین راه برای نزدیک شدن به دفع سوخت مصرف شده و پس مانده های پس از دوباره سازی هستند. روش متداولی که امروزه استفاده می شود قرار دادن سوخت مصرف شده در انبارهای زیرزمینی است:

پس مانده ها

پس مانده های حاصل از چرخه سوختی هسته ای در رده های: شدید، متوسط و کم دسته بندی می شوند و این تقسیم بندی براساس تشعشعات رادیواکتیوی که از خود ساطع می کنند، است.

این پس مانده ها از منابعی سرچشمه می گیرند که شامل موارد زیر است:

پس مانده های رده پایین (Low-level) که در تمام مراحل چرخه سوختی تولید می شوند.

پس مانده های رده متوسط (Intermediat-level) که در جریان عملکرد راکتور و دوباره سازی تولید می شوند.

پس مانده های رده بالا (High-Level) که شامل محصولات شکافته شده حاصل از دوباره سازی و در بسیاری از کشورها خود سوخت مصرف شده هستند.

فرآیند غنی سازی تولیدات را به سوی تهی کردن اورانیوم هدایت می کند. غلظت اورانیوم 235 به طور عمده کمتر از 7/0 درصد است که در طبیعت پیدا می شود. تعداد کمی از این مواد که اصولاً اورانیوم 238 هستند زمانی استفاده می شوند که چگالی بسیار زیاد نیاز است. مثل استحفاظ پرتوافشانی و گاهی استفاده در تولید سوخت Mox. در حالی که اورانیوم 238 قابل شکافتن نیست ماده ای پرتوافشانی کم است و باید درمورد آن احتیاط کرد، از این رو یا آن را انبار و یا دفع می کنند.

میزان مواد موجود در چرخه سوختی هسته ای

موارد زیر فرضیات مختلفی ایجاد می کنند. (پاورقی شماره 2 را ملاحظه فرمایید) اما مورد ملاحظه عملکرد راکتور انرژی هسته ای NWE 1000 قرار می گیرند.

20000 تن از یک درصد سنگ معدن اورانیوم استخراج

230 تن از اورانیوم اکسید غلیظ شده (همراه 195 تن اورانیوم) آسیاب سازی

288 تن UF6 (همراه 195 تن اورانیوم) تبدیل کردن

35 تن UF6 (همراه 24 تن اورانیوم غنی شده) غنی سازی

27 تن UO2 (همراه 24 تن اورانیوم غنی شده) ساخت و تولید سوخت

7000 میلیون کیلووات ساعت (kwh) نیروی الکتریسیته عملکرد راکتور

27 تن شامل 240 کیلوگرم پلوتونیوم، 23 تن اورانیوم(u-235 8/0 درصد)، 720 کیلوگرم محصولات شکافتی، همچنین ترانزورانیک سوخت مصرف شده

پاورقی شماره 1- غلیظ کننده های اورانیوم بعضی اوقات در شرایط u3o8 قرار می گیرند که حجم آن (مخلوطی از دو اورانیوم اکسیدی که نسبتاً همان چیزی است که در طبیعت یافت می شود.

محصول u3o8 خالص شامل حدوداً 85 درصد فلز اورانیوم است.

پاورقی شماره 2- غلظت اورانیوم 80 درصد است، غنی سازی در 4 درصد اورانیوم 235 به همراه 3 درصد دنباله آزمایش شده، 80 درصد برای عملکرد راکتور بارگزاری می شوند، در هسته راکتور 72 تن اورانیوم بارگزاری می شوند. سوخت گیری سالانه است و هر سال یک سوم سوخت را عوض می کنند.


کلمات کلیدی: فیزیک هسته ای
 
در جستجوی زمان موهومی
ساعت ٧:٥٩ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  

نویسنده:استفن هاوکینگ 
 
پس از سال 1985 کم کم مشخص شد که تئورى تار (ریسمان) تصویر کاملى نیست. اول آن که مشخص شد که تارها فقط یک عضو از دسته وسیعى از موضوعاتى هستند که مى توان آنها را به بیش از یک بعد گسترش داد. پال تونسند که همانند من یکى از اعضاى بخش ریاضى کاربردى و فیزیک نظرى در کمبریج است و بسیارى از پژوهش هاى بنیادى این حوزه را انجام داده است، نام پ-برین را براى آنها برگزیده است. هرپ-برین در جهت داراى طول است. بنابراین یک برین با تار است و برین با یک سطح یا غشا و به همین ترتیب تا آخر. به نظر مى رسد که هیچ دلیلى وجود ندارد که تار هاى با را بر سایر مقدار هاى ممکن ترجیح دهیم. در عوض باید اصل موکراسى را بپذیریم: تمام تارها به طور برابر ایجاد شده اند.

تمام تارها را مى توان به عنوان راه حل هایى براى معادلات نظریه هاى ابرگرانش در 10 یا 11 بعد در نظر گرفت. هر چند که ابعاد 10 گانه یا 11 گانه با فضا زمانى که درک مى کنیم، چندان شباهتى ندارد؛ اما در توجیه این نکته گفته مى شود که 6 یا 7 بعد دیگر چنان پیچ خورده و کوچک شده اند که متوجه وجود آنها نمى شویم و فقط ? بعد باقیمانده را که بزرگ و تقریباً مسطح هستند، درک مى کنیم.

لازم است یادآور شوم که شخصاً از پذیرفتن ابعاد بالاتر چندان خرسند نبوده ام. اما از آنجا که اثبات گرا هستم، پرسش «آیا ابعاد بالاتر واقعاً وجود دارند؟» بى معنى است. فقط مى توان پرسید آیا مدل هاى ریاضیاتى با ابعاد بالاتر توصیف مناسبى از جهان ارائه مى دهد یا خیر. ما تاکنون مشاهداتى نداشتیم که براى تفسیر آنها به وجود ابعاد بالاتر نیازى باشد. با این همه این احتمال وجود دارد که این ابعاد را در برخورد دهنده بزرگ هادرون که در ژنو قرار دارد، مشاهده کنیم. اما آنچه که بسیارى از افراد و از جمله مرا متقاعد ساخته است که مدل هاى با ابعاد بالاتر را جدى تلقى کنند، آن است که شبکه اى از ارتباط هاى غیرمنتظره که دوگانگى نامیده مى شود، در این مدل ها وجود دارد. این دوگانگى ها نشان مى دهد که مدل ها اصولاً معادل یکدیگرند، به عبارت دیگر این مدل ها جنبه هاى مختلف یک نظریه بنیادى هستند، که نظریه ام-تئوری نام گرفته است.

اگر وجود این شبکه از دو گانگى ها را نشانه اى از حرکت در مسیر صحیح ندانیم، تقریباً مثل آن است که فکر کنیم خداوند فسیل ها را در صخره ها قرار داده است تا داروین در مورد تکامل حیات گمراه شود. این دوگانگى ها نشان مى دهد که 5 نظریه ابرتار مبانى فیزیکى یکسانى را بیان مى کند و از لحاظ فیزیکى معادل ابرگرانش است. نمى توان گفت که ابر تارها بنیادى تر از گرانش است یا برعکس، ابر گرانش بنیادى تر از ابرتار. بلکه این نظریه ها بیان هاى متفاوتى از یک نظریه بنیادى است که هرکدام از آنها براى محاسبه در موقعیت هاى مختلف مفید واقع مى شوند. نظریه هاى تار براى محاسبه حوادثى که هنگام برخورد چند ذره با انرژى بالا و تفرق آنها روى مى دهد، مناسب است زیرا فاقد بى نهایت ها است. با این همه این نظریه براى توصیف چگونگى تابدار شدن جهان به وسیله انرژى تعداد زیادى ذره یا تشکیل حالت محدود مثل سیاهچاله فایده چندانى ندارد. براى چنین وضعیت هایى به ابر گرانش نیاز است که اصولاً از نظریه فضا زمان خمیده اینشتین همراه با بعضى موضوع هاى دیگر تشکیل شده است. این تصویرى از عمده مطالبى است که پس از این در مورد آنها صحبت خواهم کرد.

مناسب است براى تشریح اینکه چگونه تئورى کوآنتوم به زمان و فضا شکل مى دهد، ایده زمان موهومى را بیان کنیم. شاید به نظر برسد زمان موهومى برگرفته از داستان هاى علمى تخیلى باشد، اما زمان موهومى در ریاضیات مفهومى کاملاً تعریف شده است: زمان موهومى زمانى است که با اعداد موهومى سنجش مى شود. مى توان اعداد حقیقى معمولى همانند 1، 2، 5/3- و غیره را به صورت مکانشان روى خطى که از چپ به راست امتداد دارد در نظر گرفت: صفر در وسط خط، اعداد حقیقى مثبت در سمت راست و اعداد منفى حقیقى در سمت چپ قرار دارند.

اعداد موهومى را مى توان به صورت مکانشان روى خط عمود در نظر گرفت: صفر باز هم در وسط خط قرار دارد، اعداد موهومى مثبت رو به بالا و اعداد موهومى منفى رو به پایین ترسیم مى شود. بنابراین اعداد موهومى را مى توان به صورت نوع جدیدى از اعداد، عمود بر اعداد حقیقى معمولى در نظر گرفت. از آنجایى که این اعداد ساختارى ریاضیاتى هستند لازم نیست که به طور فیزیکى تحقق یابند، هیچکس نمى تواند به تعداد عدد موهومى پرتقال داشته باشد یا صاحب یک کارت اعتبارى با صورت حساب اعداد موهومى باشد.

ممکن است کسى فکر کند که این گفته ها به این معنى است که اعداد موهومى فقط یک بازى ریاضى است که با دنیاى واقعى کارى ندارد. با این همه از دیدگاه فلسفه اثبات گرا نمى توان تعیین کرد که چه چیزى واقعى است. تنها کارى که مى توانیم انجام دهیم این است که دریابیم کدام مدل هاى ریاضى جهانى را که در آن زندگى مى کنیم، توصیف مى کند. معلوم مى شود که مدل ریاضیاتى شامل زمان موهومى نه تنها آثارى را که پیش از این مشاهده کردیم، پیش گویى مى کند، بلکه آثارى را پیش گویى مى کند که تاکنون نتوانسته ایم اندازه گیرى کنیم، ولى به دلایل دیگر، آنها را باور داشتیم. پس چه چیز واقعى و چه چیز موهومى است؟ آیا این دو فقط در ذهن ما متمایز از یکدیگرند؟

نظریه نسبیت عام کلاسیک (یعنى غیر کوآنتومى) اینشتین زمان واقعى را با سه بعد دیگر فضا ادغام مى کند تا فضا زمان چهار بعدى را به وجود آورد.اما جهت زمان واقعى با سه جهت دیگر زمان تفاوت داشت؛ خط جهانى یا تاریخ یک ناظر در زمان واقعى همیشه افزایش مى یابد (به عبارت دیگر زمان همیشه از گذشته به سوى آینده حرکت مى کند.) ولى سه بعد دیگر فضا هم مى توانند کاهش یابند و هم افزایش به عبارت دیگر مى توان در فضا تغییر جهت داد اما نمى توان در خلاف جهت زمان حرکت کرد.

از طرف دیگر، از آنجایى که زمان موهومى عمود بر زمان واقعى است، همانند جهت فضایى چهارم رفتار مى کند و بنابراین زمان موهومى مى تواند شامل احتمال هایى بیش از مسیر راه آهن زمان واقعى باشد که داراى آغاز و پایان است یا روى یک مسیر بسته حرکت مى کند. با توجه به این مفهوم موهومى است که مى گوییم زمان داراى شکل است.

S.Hawking (2001) the Universe In A Nutsheli, Bantam Press

 


کلمات کلیدی: فیزیک نظری
 
پروفسور عبدالسلام
ساعت ٧:٥٠ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  

 ‏‎

نام عبدالسلام برای همیشه مفهوم و معنای مرکز فیزیک نظری را به ذهن متبادر می کند.وی نه تنها به مرکز تحقیقاتی حوزه مذکور ، تحقق بخشیدو به این ترتیب موسس مکانی مناسب برای تحقیقات دانشمندان رشته فیزیک در سطوح بالای علمی گردید ،بلکه ، به واسطه مدیریتش در موسسه مذکور ((ICTPT، الگویی برای سایر ملل به وجود آورد.

این محقق عالیقدر ،به تدریج به چهره ای مطرح در عرصه سیاست و علوم بین الملل تبدیل شد .وی سفرهای متعددی به نقاط مختلف جهان نمود و قادر بود در بحثهایی که بین وی وسران کشورها و دولتمردان در می گرفت ،آنان را در جهت پیشبرد اهداف خود در راستای بازشناسی و اعتلای علم و دانش در کشورهای متبوعشان در خدمت بشریت متقاعد سازد.

این مرد بزرگ که یکی از چهره های شاخص علم فیزیک قرن محسوب می گردد، در سال 1926 در کشور پاکستان دیده به جهان گشود..اوپس از طی مراحل تحصیلی و آکادمیک در دانشگاه پنجاب ،دانشکده سنت جان ،آزمایشگاه کاوندیش ،سرانجام در سال 1952 موفق به اخذ درجه دکتری فیزیک از دانشگاه کمبریج گردید. وی سپس به موطن خویش بازگشت و درمقام استاد دانشکده های دولتی پنجاب و لاهور به امر تعلیم و آموزش پرداخت .اما پس از مدتی به دلیل مهجور ماندن از محافل و رویدادهای علمی و نیز به دلیل عدم وجود امکانات علمی و آموزشی ،بار دیگر به دانشکده کمبریج بازگشت .او این بار در مقام یک سخنران انجا م وظیفه نمود. در سال 1957 وی به سمت استادی عالیرتبه فیزیک نظری دانشکده سلطنتی منصوب گردید.عبدالسلام که همواره از عدم امکانات آموزشی در کشور خود رنج می برد ،بر آن شد تا شاید بتواند برای علاقمندان علم فیزیک راهی را بگشاید و تسهیلاتی برای آنان فراهم نماید.در پی همین تصمیم ،اندیشه ایجاد تاسیس مرکز بین المللی فیزیک نظری با تکیه بر سرمایه های انجمنهای بین المللی در ذهن وی قوت گرفت .

شهرت پروفسور عبدالسلام به دلیل نظریه "الکتروضعیف "است که مشتمل بر ادغام نظری و ریاضی تعاملهای الکترومغناطیسی و الکتروضعیف است .این نظریه در حال حاضر در روندی قرار گرفته است که در نهایت تمامی نیروهای بنیادی طبیعی را یکپارچه قلمداد می کند. دستیابی به نظریه فوق موفقیت دیگری را نصیب وی کرد:در سال 1979 پروفسور عبدالسلام به اتفاق استیون واینبرگ و شلدون گلشو آمریکایی به اخذ جایزه نوبل نایل آمد..اعتبار نظریه مذکور بارها و بارها از طریق آزمایشات گوناگون به اثبات رسیده است .نظریه این دانشمند بزرگ تاکنون هسته و بنیان مدل معیار فیزیک محسوب می شود.

این مرد بزرگ که در طول زندگی پربار خود از هیچ کوشش و تلاشی در جهت اعتلای علم فروگذار ننموده بود ،پس از یک دوره طولانی بیمار ی سخت ،سرانجام در روز 21 نوامبر سال 1996 میلادی د رآکسفورد چشم از جهان فروبست .پیکر وی در موطنش یعنی پاکستان به خاک سپرده شد. یادش گرامی باد.


کلمات کلیدی: زندگینامه دانشمندان
 
جورج گاموف
ساعت ٧:٤٦ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  

در روز چهارم مارس، سال 1904 جورج آنتونویچ گاموف در ادسا، اوکراین، متولد شده و تحصیلات مقدمانی را در همانجا به پایان رساند. بعد از دریافت یک تلسکوپ به مناسبت سیزدهمین سال تولدش، به ستاره شناسی علاقه پیدا می کند.

1922

به مطالعه نورشناسی و کیهان شناسی در دانشگاه لنینگراد روسیه می پردازد.

1928

به دریافت مدرک دکترا نائل شده، سپس در دانشگاههای گوتینگن در آلمان، کپنهاگ در دانمارک، و کمبریج در انگلستان به فعالیت می پردازد.

1931

به سمت استاد تحقیق در آکادمی علوم لنینگراد منصوب می شود.

1933

از اتحاد جماهیر شوروی کمونیستی به هنگام حضور در یک کنفرانش در شهر بروکسل می گریزد.

1934

استاد فیزیک در دانشگاه جورج واشنگتن، ایالت واشنگتن آمریکا می شود.

1936

اولین رمان مشهور علمی خود را با نام آقای تامکینز در سرزمین عجیب منتشر می کند. بعد از جنگ جهانی دوم (1945 ـ 1939)، بخاطر نوشتن کتابهایی که در بردارنده این شخصیت هستند، جایزه ای را از طرف یونسکو (سازمان آموزشی، علمی، فرهنگی سازمان مال) دریافت می دارد.

1946

نظریه انفجار بزرگ در مورد منشا پیدایش جهان را مورد حمایت قرار می دهد.

1948

با کمک رالف آلفر (ـ 1921) و هانس بس (ـ1906)، هر دو ستاره شناس، مقاله ای منتشر می کند که در آن وضعیت ماده را در انفجار بزرگ توصیف کرده و نحوه تشکیل هلیم را از هیدروژن نشان داده است.

1956

استاد فیزیک در دانشگاه کلرادو، آمریکا، می شود.

1968

20 اوت، گاموف در شهر بولدر، ایالت کلرادو، در گذشت.


کلمات کلیدی: زندگینامه دانشمندان
 
اینشتین
ساعت ٧:۳٦ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  

زندگى من با اینشتین



والرى جیمسون

مقدمه: «فرانسیس اوریت» در سال 1934 در «سونوکس» در ایالت کنت به دنیا آمد. پس از گرفتن مدرک کارشناسى فیزیک، به «امپریال کالج» در لندن رفت و به مطالعه زمین شناسى و لایه هاى مغناطیسى زمین پرداخت. در 1960 با فیزیک دماى پایین آشنا شد و به دانشگاه پنسیلوانیا رفت و بر روى فیزیک هلیم مایع، به تحقیق پرداخت. در همان سال ها آزمایشى براى تحقیق پیش بینى چرخش فضا - زمان در نسبیت عام اینشتین به ذهنش رسید. براى انجام این آزمایش، در سال 1962 به دانشگاه استانفورد در حومه سانفرانسیسکو رفت. وى تا این زمان استاد فیزیک دانشگاه استانفورد است که حاصل تلاش وى 90 مقاله در فیزیک و کتابى زیبا در شرح حال «جیمز کلرک ماکسول» است.

oدر هنگام نصب ماهواره GP-B در مدار، کجا بودید؟

در اتاق کنترل سایت ناوبرى ماهواره.

oراکت ها درست در لحظه مورد نظر عمل کردند و ماهواره در مدار درست خود قرار گرفت. آیا از این نگران نبودید که حتى یک ثانیه دیر عمل کردن یکى از تجهیزات، باعث نابودى همه زحمات سالیان گذشته شما بشود؟

خیلى زیاد نگران بودم. قراردادن ماهواره در مدار براى روز قبل برنامه ریزى شده بود، و پرواز هم سه دقیقه تاخیر داشت. در صورت کوچکترین اشتباه در زمان بندى، هیچ کس نمى توانست جلوى از بین رفتن ماهواره را بگیرد.

oوقتى عملیات نصب با تاخیر روبه رو شد، چه احساسى داشتید؟

خب این مشکل بزرگى به نظر نمى رسید. اما باید بگویم که شاید احساس بسیار بدى داشتم. ما بهترین زمان را براى نصب انتخاب کرده بودیم و حالا عملیات به تاخیر مى افتاد. اما در هنگام نصب با آرامش قضیه را دنبال مى کردم. چیزى در درونم مى گفت که عملیات با موفقیت انجام مى شود.

oوقتى که عملیات با موفقیت انجام شد احساس راحتى مى کردید یا نه؟

وقتى راکت هاى دلتا - 2 روشن شدند تا مراحل پایانى نصب انجام شود، دوربین هاى روى ماهواره GP-B نشان دادند که صفحات خورشیدى هنوز در حالت بسته هستند. آن موقع خیلى هیجان زده بودم. مى ترسیدم که صفحات به موقع باز نشوند. اما این گونه نشد و همه چیز خوب بود.

oآیا هنوز نتایج اولیه اى از این ماهواره به دست شما رسیده است؟

هنوز نه، تحقیق این تئورى در این آزمایش زمان زیادى مى برد.

oچه چیزى براى شما در آزمایش کردن نسبیت عام، جالب بود؟

وقتى دوازده ساله بودم پدرم کتاب هاى اینشتین را که براى عامه نوشته بود، برایم مى خرید. یکى از این کتاب ها که همیشه روى میز شام بود کتاب «معانى نسبیت» بود. (در فارسى: مفهوم نسبیت، باوهانى، وى به مغناطیس علاقه مند شد که موجب شد وى چند مغناطیس سنج، براى اندازه گیرى میدان هاى مغناطیسى بسیارکوچک، اختراع کند. وى این مغناطیس سنج ها را براى پیدا کردن لایه هاى مغناطیسى پوسته زمین به کار گرفت). گروه ما با همکارى گروه دیگرى از «کمبریج» مطالعاتى روى لایه هاى مغناطیسى زمین انجام داد که تا آن زمان انجام نشده بود.

oپس چرا زمینه تحقیقاتى خود را عوض کردید؟

پس از حدود 5 سال زمین شناس بودن و فیزیکدان بودن تصمیم به انتخاب دومى گرفتم. من به زمین شناسى بسیار علاقه داشتم. اما به نظرم به اندازه کافى، کار زمین شناسى کرده بودم. مى خواستم به دنیاى فیزیک برگردم.

oسخت بود؟

خوشبختانه، در آن روزها با افرادى مثل «فیلیپ موریس» از «امپریال کالج» و یک فیزیکدان آمریکایى که روى پروژه منهتن ?ا ساخت بمب اتم براى ارتش آمریکا - م.) کار مى کرد، صحبت کردم. کتاب «هلیم مایع» نوشته کنت اتکینز از دانشگاه پنسیلوانیا را هم مطالعه کردم که باعث شد به این زمینه تحقیقاتى در فیزیک علاقه مند بشوم و از همان دانشگاه درخواست پذیرش بدهم. حدود دو سال روى فیزیک دماهاى پایین و هلیم مایع، مطالعات بنیادى انجام دادم.

oپروژه GP-B کى و چگونه شکل گرفت؟

در ابتدا مطمئن نبودم که این پروژه را انتخاب کنم. در دوران دانشجویى «ویلیام فیربنک» از دانشکده فیزیک دانشگاه استانفورد براى یک سلسله سخنرانى در مورد آزمایش هاى مهمى که مى تواند توسط تکنیک هلیم مایع انجام شود، به دانشکده ما آمد. در آن سخنرانى ها بود که طى صحبت هاى اتکینز و فیربنک ایده این طرح به ذهن من آمد. در 1962 به دانشگاه استانفورد رفتم و از همان جا بود که کار بر روى «کاوشگر گرانش» آغاز شد.

oچرا ساخت ماهواره بیش از 40 سال طول کشید؟

تا پیش از 1981 عملاً تکنولوژى ساخت این ماهواره در دسترس نبود. ما تنها روى طرح ها کار مى کردیم. در آن زمان با همکارى ناسا، کار ساخت ماهواره را آغاز کردیم.

oبا این حال ساخت ماهواره هم 23 سال طول کشیده است.

این به علت تفاوت عظیم بین تکنولوژى به کار رفته در این ماهواره و تکنولوژى روز در سایر ماهواره هاست. ایده اولیه، قرار دادن ژیروسکوپ ها در داخل شاتل بود که شاتل باید روى یک مدار قطبى مى گشت.

oپس چرا ایده عوض شد؟

به دو دلیل؛ برنامه در سال 1985 آغاز شد. اما یک سال بعد در 1986 شاتل چلنجر منفجر شد. از طرف دیگر رفتن به مدار قطبى براى شاتل هاى ناسا ممنوع شد و ما براى تحقیق وضعیت خمیدگى فضا و زمان در اطراف زمین به آزمایش در مدار قطبى نیاز داریم.

oحامى مالى پروژه چه ارگانى بود؟

اگر ما حامى مالى قوى داشتیم این پروژه 8 ساله تمام مى شد و نه بیش از 20سال.

oمنظورتان از یک حامى مالى قوى کیست؟

خب، ناسا به ما کمک فراوانى کرد. اما ناسا در یک زمان پروژه هاى بسیار زیادى را در دست کار دارد که اکثراً بسیار کاربردى هستند و باعث مى شود که بودجه بیشترى به آنها اختصاص داده شود. این یکى از بزرگترین مشکلات ما بود.

oتاثیر این آزمایش چه خواهد بود؟

به درک ما از طبیعت کمک شایانى مى کند. به عبارت بهتر و بنا به گفته «براد پارکینسون» این آزمایش بشریت را یک پله به جلو مى برد.

oآیا دانشجویان نیز در انجام این پروژه شرکت داشتند؟

بله و باید بگویم که تلاش هاى آنها از مهمترین عوامل بود. 79 دانشجوى دکترا در این پروژه شرکت داشتند که یک سوم آنها دانشجوى فیزیک و بقیه دانشجوى مهندسى بودند. الان هم که تازه آزمایش شروع شده، دانشجویان دکتراى فیزیک مى توانند جذب این گروه شوند.

oآیا آزمایش پیش از این ملغى شده بود؟

بله هفت بار که سه بار آنها تاثیر اساسى در روندکار داشتند.

oلطفاً آنها را ذکر کنید و بگویید در آن زمان چه احساسى داشتید؟

در سال ،1980 در اثر بحران هاى اقتصادى، رئیس جمهور «کارتر» تصمیم گرفت که براى توازن بودجه، از بودجه تحقیقاتى آمریکا کم کند. ناسا هم از این قاعده مستثنا نبود. ساعت حدود 3 بعدازظهر بود که رئیس ناسا با من تماس گرفت و به من گفت آیا روى صندلى نشسته اى؟ و من گفتم بله و سپس گفت: تصمیم گرفته ام که پروژه ات لغو شود. 4 تا 6 هفته فرصت دارى تا گزارش نهایى را بدهى.

oمنظورش چى بود؟

با خنده) اگر شما در ایالات متحده زندگى کنید، مى فهمید که این یک رمز است که براى اخراج محترمانه افراد به کار مى رود.

oچرا چنین تصمیمى گرفته شد؟

ناسا نتوانسته بود کنگره را قانع کند که این یک پروژه مهم است.

oآیا پیش از این با نهادهاى سیاسى آمریکا درگیر شده بودید؟

خیر. من حتى ساختمان سنا را هم ندیده ام. اما آن زمان به دفتر یکى از اعضاى کنگره از ایالت آلاباما رفتم. چون مرکز پروازهاى فضایى مارشال ناسا در این ایالت قراردارد. و برنامه ما در حال اجرا در این ایالت بود.

oو چه اتفاقى افتاد؟

پنج هفته به کنگره رفت و آمد داشتم و سه بار درخواست دادم تا اینکه با «هریسون اشمیت» فضانورد سابق که آن زمان سناتور بود، مواجه شدم. تلاش هاى وى نتیجه داد و ناسا قبول کرد که بودجه اضافى به پروژه کاوشگر گرانش اختصاص دهد.

oهزینه این کاوشگر گرانش چقدر بوده است؟

کل هزینه ساخت GP-B و قرار دادن آن در مدار بیشتر از 700 میلیون دلار نشده که در مقابل آزمایش هاى فیزیک ذرات بنیادى که در آنها ساخت یک شتاب دهنده ذرات فقط به تنهایى بیش از ده میلیارد دلار هزینه دربر دارد، عملاً چیز مهمى نیست.

oآیا آزمایش هاى ارزان ترى براى تحقیق نسبیت عام اینشتین امکان پذیر نبوده؟

توجه کنید که ما براى تحقیق تمام نسبیت عام دست به این آزمایش نزدیم. نسبیت پیش از این بارها و بارها تایید شده است. معروف ترین این آزمایش ها خورشیدگرفتگى سال 1919 بود که در آن سرآرتور ادینگتون نشان داد که نور ستارگان در جوار خورشید خمیده مى شود. و این پیش بینى نسبیت عام را تایید کرد. قصد ما، تحقیق پیچیدگى فضا - زمان در اطراف یک جرم در حال چرخش (زمین) بوده است. آزمایشى که تاکنون انجام نشده و راه دیگرى براى تحقیق آن پیشنهاد نشده است


کلمات کلیدی: زندگینامه دانشمندان
 
کوپرنیک
ساعت ٧:۳٤ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  

 

نیکولاس کوپرنیک در 19 سال 1473 در شهر تورن واقع در لهستان متولد شد و چون پدرش را از دست داده بود تربیت و پرورش او به دست عمویش انجام گرفت، عمویش که یکی از کشیشان بزرگ بود او را برای تحصیل به دانشگاه کراکووی فرستاد کوپرنیک در 23 سالگی برای تحصیل در رشته طب به دانشگاه پادو وارد شد و ضمناٌ در دانشگاه بولونی تحصیل نجوم می کرد طولی نکشید که در اثر بروز استعداد خویش یک کرسی تدریس ریاضیات را به دست آورد.

کوپرنیک در سن 25 سالگی به شهر رم آمد او در دانشگاه رم استاد اخترشناسی شد و به شاگرادنش علوم آسمان شناسی نقل شده از دورانهای پیشین را که اختر شناس یونانی بطلمیوس حدود 1370 سال قبل از زمان او بنیان نهاده بود تدریس می کرد در تصویر یطلمیوس از نظام عالم زمین مرکز عالم است و سیارات هر یک در دایره ای که شعاع آن فاصله سیاره تا زمین است به گرد زمین می چرخند. این نظریه پاکیزه و مرتب بود و می شد از آن برای محاسبات مداری سیاره ها نیز استفاده کرد اما هر چه که بود نظریه ای غلط بود و باید 1700 سال می گذشت و مشاهدات نجومی با دقت کافی امکان پذیر و انجام می شد تا زمینه به زیر سؤال رفتن آن فراهم می گردید آغازگر انقلاب علمی که سرانجام علم یونان را از تخت به زیر کشید نیکولاس کوپرنیک بود که با کار خود انسان اندیشگر را در مسیر خلاقیت بهتری قرار داد. بر اساس نظریه بطلمیوس عالم از شرق به غرب به دور زمین می گردد ولی کوپرنیک خود از آنچه که درس می داد ناراضی بود بسیاری از چیزهایی که او مشاهده کرده بود با این فرضیه قابل توجیه و بیان نبود و خود فرضیه نیز دارای تضادها و تناقضهایی بود مثلاٌ چرا ستارگاه در مقایسه با ماه سریعتر حرکت می کردند تا در مقایسه با خورشید؟ به همین جهت تصمیم گرفت کرسی استادی خود در دانشگاه را ترک کند تا بتواند عمیق تر و اصولی تر به پژوهش در دانش اختر شناسی بپردازد.

او در سال 1501 پس از چند سال تحقیق در ایتالیا به وطن خود بازگشت و در آنجا به عنوان متولی کلیسای جامع شهر فرائن بورگ در پروسیا و دبیر و مشاور عمویش در منطقه ارم لند به کار پرداخت او به عنوان کشیش کلیسای شهر مراسم مذهبی را رهبری می کرد و به عنوان پزشک به معالجه بیماران می پرداخت به عنوان مخترع یک سیستم جدید سدبندی و ذخیره آب با یک آسیای آبران اختراع کرد که بوسیله آن آب آشامیدنی از یک رودخانه که در فاصله 3 کیلومتری قرار داشت به داخل شهر هدایت می شد و بالاخره به عنوان ریاضیدان و حسابدار یک روش پولی سکه ای جدید برای پروسیای غربی و پادشاهی لهستان بنا نهاد. از آنجایی که نخستین تلسکوپ سالها پس از مرگ او اختراع شد مجبور بود برای پژوهش در زمینه حرکات اجرام آسمانی تنها به چشمان خود متکی باشد او برای اینکار دستور داد در اتاق مطالعه اش در برج کلیسا شکافهایی در سقف ایجاد کنند او می توانست شبها مشاهده کند که ستارگان چگونه بر فراز این شکافها عبور می کنند وی در سال 1507 دریافت که اگر به جای زمین خورشید مرکز عالم فرض شود جداول نجومی موقعیت مکانی سیارات با دقت بس بهتری قابل محاسبه است. ترتیب جدیدی که کوپرنیک برای موقعیت سیارات بر پایه افزایش فاصله آنها تا خورشید در نظر گرفت - یعنی ترتیب:عطارد، زهره، زمین، ماه، مریخ، مشتری و زحل جای ترتیب قبلی در نظریه زمین مرکزی را گرفت بنابر اصل پیشنهادی کوپرنیک چنانچه مدار گردش زمین به دور خورشید از مدارات مشتری و زحل تنگ تر باشد زمین متناوباٌ‌ از آنها پیش افتاده، سبب می شود آن دو در آسمان شب در حال چرزخش در جهت معکوس به نظر آیند دیگر اینکه پدیده تقدیم اعتدالین را اینک می شد با فرض تکان خوردن زمین(لرزش خفیف شبیه لرزش ژله) حین چرخش به دور محور خود توضیح داد.

اعتدالین به هنگام عبور خورشید از صفحه مدار بر استواری زمین رخ می دهند و برابری طول شب و روز در سراسر کره زمین را سبب می شوند اعتدال بهاری حوالی اول فروردین ماه و اعتدال پاییزی در حوالی آخر شهریور رخ می دهد مشکل در آن زمان این بود که اعتدالین هر سال اندکی زودتر رخ می دادند و نظریه قدیمی بطلمیوس قادر به توضیح آن رویداد نبود پیدایش فصول سال نیز اگر زمین در سال یکبار به دور خورشید می چرخید و محور آن با راستای قرار گرفتن خورشید زاویه می ساخت، بهتر قابل توضیح بود کوپرنیک تقریباٌ‌ چهل سال برای تکمیل پژوهشهای اختر شناسی خود وقت صرف کرد با پایان یافتن پژوهشها ثابت کرد که تصویر جهانی بطلمیوس اشتباه است خورشید و سایر ستارگان فقط در ظاهر به دور زمین می گردند کوپرنیک ثابت کرد که در حقیقت این خورشید است که در مرکز جهان ما قرار دارد و زمین - مانند معدودی از اجرام آسمانی بزرگ دیگر که او مشاهده کرده بود - به دور خورشید در گردش است او این سیاره ها را پلانت نامید که از واژه ای یونانی به معنای مهاجر گرفته شده است که شامل سیاراتی است که پیش از این ذکر شد. کوپرنیک در باره ماه فرضیه بطلمیوس را تائید می کرد و به این باور بود که ماه واقعاٌ‌ به دور زمین می چرخد در حالیکه زمین به دور خورشید می گردد و ماه به عنوان قمر زمین به همراه آن به دور خورشید می گردد کوپرنیک تا اواخر مر خود از چاپ کامل نظرات خارق العاده خویش خودداری کرد و تنها در سال 1543 بود که گفتار در باره چرخش کرات سماوی او انتشار یافت.

افکار آماده در کتاب کوپرنیک بنیادی تر از آن بود که بتوان آنها را جدی گرفت یک نسخه چاپ شده از آثارش درست قبل از مرگ در بستر بیماری به دست او رسید چون او در این آزمایش بیش از 70 سال سن داشت و مفلوج و تقریباٌ‌ نابینا بود بعید به نظر می رسید که موفق به دیدن این این اثر بزرگ چاپی شده باشد اثر ی که او برای خلق و ایجاد آن تمام عمرش را صرف کرده بود. کوپرنیک در 24 مه سال 1543 هنگامی که فقط چند روزی از انتشار کتابش می گذشت وفات یافت. گوپرنیک بدون آنکه بداند چه خدمت ارزنده ای به جهان بشریت کرده دار فانی را وداع گفت. سرانجام پس از گذشت 150 سال از مرگش دانشمندان اندیشه های او را پذیرفتند. کوپرنیک امروزه بیش از چهار سده پس از مرگش، یکی از بزرگترین ها در قلمرو دانش به شمار می رود.


کلمات کلیدی: زندگینامه دانشمندان
 
عصر اتمی
ساعت ۱:٥٦ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  

زمانی که اطلاعات انسان در مورد دنیای ریز داخل اتم گسترش یافت و توانست انرژی هسته‌‌ای را بشناسد ، تحولی عمیق در زندگی او به وجود آمد. با وجود این منبع عظیم انرژی ، دیگر نگرانی در مورد تمام شدن ذخائر تجدید ناپذیر انرژی مانند نفت ، گاز طبیعی و زغال اندکی کمتر شد. تمام توجه‌ها به سمت گسترش فناوری لازم برای استفاده از انرژی هسته‌ای جلب شد. و به این ترتیب عصر جدیدی به نام عصر اتمی در زندگی بشر آغاز گردید.

تاریخچه

دقیقا در آخرین ثانیه شمارش معکوس ، در ساعت 5:30 دقیقه بامداد روز شنبه ، 16 ژوئیه سال 1945 ، انرژی از هسته اتم آزاد شد. تاریخ آغاز هیچ عصر جدیدی چنین دقیق به ثبت نرسیده است. آن انفجار بزرگ ، در پایگاه هوایی آلاموگوردو ، در 120 مایلی جنوب آلبوکوک ، نیومکزیکو ، سرآغازی تاریخی بود که از آن پس باید آغاز آینده بشریت تعیین می‌شد.

حیات بر روی زمین ، ناگهان و به نحوی غیر قابل برگشت تغییر یافته بود. آدمی به منبع انرژی جدید ، و به همراه آن به قدرتی دست یافته بود که تکامل انواع خود را بر روی کره زمین مخاطره آمیز کرده و سیاره زیبای خود را به باغ وحشی پرتوزا تبدیل می‌کرد.

آغاز عصر اتمی

در لحظه نخستین انفجار اتمی ، نور ملتهب سفید و شدیدی به وجود آمد. رابرت اوپنهایمر ، فیزیکدان آمریکایی و مغز متفکر در ساختن آن بمب ، 6/6 کیلومتر آن طرف‌تر ، در حالی که خود را به میله محکمی چسبانده بود ، منتظر شوک حاصل از انفجار بود. بعد از انفجار ، بلافاصله گوی آتشینی برخاست. و در پی آن ابری قارچی شکل ایجاد شد که تا ارتفاع 8/14 کیلومتر بلند شد و به داخل آرام سپهر راه یافت. برج فولادی که بمب بر روی آن نصب شده بود ، کاملا به بخار تبدیل شد و سطح بیابان پیرامون آن تا شعاع حدود 730 متری گداخته شده و به حالت شیشه‌ای درآمده بود.

این انفجار آزمونی محرمانه بود. اما در ششم اوت همان سال 1945 ، وقتی یک بمب اتمی معادل 20000 تن ماده انفجاری تی.ان.تی نیرومندترین ماده انفجاری شیمیایی ، بر شهر هیروشیمای ژاپن انداخته شد. خبرش نیز مانند خودش در سطح جهان پخش شد. انفجار این بمب بیشتر از 10 کیلومتر مربع از مرکز شهر را ویران کرد. تعداد بسیار زیادی از مردم این شهر کشته شدند وبیش از 67 درصد ساختمانهای شهر نابود شده یا به شدت آسیب دید.

در نهم اوت همان سال ، بمب دوم بر شهر ناگازاکی فرود آمد ، که در این بمباران نیز انسانهای بسیاری نابود شدند و حدود 40 درصد از ساختمانهای شهر در هم ریخت. بر این ویرانیها و کشتارها ، مصیبت دیگری ، یعنی تابش هم اضافه می‌شد. که نه تنها بر آنان که در معرض آن قرار می‌گرفتند تاثیر می‌گذاشت ، بلکه از طریق جهشهایی ژنتیکی می‌توانست نسلهای آینده را نیز متاثر کند. و به این ترتیب عصر اتمی آغاز شد.

نتایج ویرانگر عصر اتم

عصر اتم بدون هیچ گونه آمادگی و اخطاری شروع شد. زیرا طرح مانهاتان ، که متولی تولید بمب اتمی بود ، در پس دیوارهای سر به فلک کشیده اختفا و بازداری نظامی به مورد اجرا درآمده بود. مطالعات انجام شده توسط سازمان بهداشت جهانی ، وابسته به سازمان ملل ، نشان داد که نه تنها در کشورهای پیشرفته ، بلکه در میان مردم ساده تر سراسر جهان ، این ماجرا آثار عمیقی برجای گذاشته بود. یکی از وحشتناک‌ترین جنبه‌های بمب اتمی در میان مردم جهان ، آثار وخیم ناشی از تابش آن بود. آثاری که نامرئی ، بدون تاثیر بر چشایی ، نامحسوس ، بدون بو ، اما بسیار وسیع و گسترده بود.

سیر تحولی و رشد

بعد از جنگ جهانی دوم ، ایالات متحده آمریکا به آزمایشهای خود در مورد سلاحهای شکافت هسته‌ای در جزایر اقیانوس آرام و صحرای نوادا ادامه داد. انگلستان ، شوروی سابق ، فرانسه ، چین و هندوستان اقدام به تولید و آزمایش بمبهای هسته‌ای کردند. در اوایل سال 1950 ، مردم از وجود نوع دیگری بمب ، که به بمب هیدروژنی معروف شد ، باخبر گردیدند. بمب هیدروژنی با قدرتی معادل 5 تا 7 میلیون تن تی.ان.تی را در اقیانوس آرام آزمایش کرد. این انفجار جزیره‌ای را محو و به جای آن حفره‌ای به عمق 45 متر و قطری بیشتر از 105 کیلومتر ایجاد کرد.

در اول مارس 1952 ، ایالات متحده آمریکا یک بمب هیدروژنی با قدرت 12 تا 14 میلیون تن ، یعنی دو برابر نیروی انفجاری قبلی آزمایش کرد. علی رغم تصور‌هایی رسمی مبنی بر اینکه غبارهای رادیواکتیو (پس مانده‌های رادیواکتیو ناشی از بمب) منحصر به منطقه انفجار خواهد بود. خاکستر رادیو اکتیو یک قایق ماهیگیر ژاپنی را در فاصله حدود 96 کیلومتری مرکز انفجار ، پوشانید. 32 ماهیگیر تحت تاثیر این غبارها قرار گرفتند و یکی از آنها در گذشت.

اتحاد شوروی سابق در 12 اوت سال 1953 ، یک بمب هیدروژنی آزمایش کرد. انگلستان نخستین بمب خود را در جزیره کریسمس واقع در اقیانوس آرام در 17 می سال 1957 به مرحله آزمایش درآورد. به این ترتیب تولید و تکثیر سلاحهای ویرانگر اتمی به صورت مسابقه‌وار توسط کشورهای قدرتمند دنیا ادامه پیدا کرد. به طوری که در حال حاضر این کشورها از عظیم‌ترین ذراتخانه‌های اتمی بر خوردار هستند. جالب توجه است که خود این کشورها همواره بر منع تولید و تکثیر این سلاحهای مرگبار اصرار داشته و قوانین بسیار زیادی را در این زمینه وضع کرده‌اند. قوانینی که خود ، اولین نقض کنندگان این قوانین بودند.

مشخصه کودکانی که در عصر اتم به دنیا آمده‌اند

گاز کریپتون رادیو اکتیو حاصل از انفجار بمب هیدروژنی ، به استرانسیم رادیو اکتیو واپاشیده و وارد جو زمین می‌شود و از طریق جریانهای اقلیمی هوا در تمام نقاط جو زمین پخش می‌شود تا همراه باران در سراسر دنیا فرود آید. استرانسیم شبیه کلسیم است. در غیاب کلسیم می‌تواند نقش آن را بر عهده بگیرد. این عنصر می‌تواند به تشکیل استخوان کمک کند. بنابراین ، نوع رادیو اکتیو آن یک جوینده استخوان است ، وقتی به بدن موجود زنده وارد شود ، قابل شستشو و یا انتقال به بیرون نیست.

نیم عمر فعال آن 97 سال است. بنابراین در اثر آزمایش بمب هسته‌ای و سایر آزمایشها ، استرانسیم رادیو اکتیو به همه جا پخش شد و از طریق شیر و گیاهان آلوده به غبار رادیو اکتیو می‌تواند به بدن موجودات زنده و انسان وارد نشود. این ماجرا چنان جهانی بود که گفته شده است، هر کودکی که در خلال سالهای بعد از آزمایشهای مکرر بمب هسته‌ای در جو ، استخوانهایش در حال شکل گیری و نشو و نما بوده است، در این استخوانها نشانی از استرانسیم رادیو اکتیو مانده است. که هر چند لزوما جنبه معاینه بالینی ندارد ، اما مشخصه کودکان عصر اتم است.


کلمات کلیدی: فیزیک اتمی
 
ماده و صورت
ساعت ۱:٥٢ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  

ماده و صورت از مفاهیم اساسی فلسفه هستند که اول بار توسط ارسطو وضع شدند و در طول تاریخ حیات فلسفه، همواره مفهومی بنیادین بوده و جای خاص خود را حفظ کرده اند.

ما در هر چیزی می توانیم ماده و صورت را بیابیم. به همین دلیل گفته می شود که: وجود و حرکت عالم هستی، بر اساس ماده و صورت است.

در آغاز، آنچه ارسطو را برای اولین بار، به این دو اصل راهنمایی کرد، تفاوتی بود که میان مواد سازنده شئ و ساختار شئ، مشاهده می کرد.

ماده

ماده ی هر چیز یعنی مواد ، عناصر و در واقع خمیره ای که شئ از آن تشکیل شده است. مثلا ماده ی لباس، پارچه، ماده ی میز، چوب و ماده ی نمک طعام، سدیم و کلر است.

بنابراین وقتی از ماده شئ صحبت می کنیم، منظورمان این است که شئ از چه موادی ساخته شده است. آن موادی را که شئ را تشکیل داده اند، روی هم رفته، ماده شئ می خوانیم.

صورت

منظور از صورت، قالب و ساختار شئ است؛ نوعی نظم و ساختار که شئ را شکل و تعین می بخشد. به عنوان مثال، خیاط، پارچه را که ماده لباس است شکل داده و به صورت لباس در می آورد؛ به عبارت دیگر، خیاط، به پارچه صورت می بخشد. در اینجا، صورتِ لباس است که آن را لباس می کند، نه پارچه(ماده آن).

باید توجه داشت که منظور از صورت فقط شکل و قیافه و ریخت ظاهری شئ نیست؛ بلکه همچنین مقصود از آن این است که شئ برای اینکه به وجود آمده و کارکرد داشته باشد، به چه نحو تشکل یا سازمان پیدا کرده است.

مثلا، صورت مرغ در واقع، آن چیزی است که همه مرغ ها به طور مشترک دارند؛ یعنی مجموعه ویژگی های خاصی که در هر مرغ وجود دارد و آن را مرغ می کند؛ مانند بال، پر، تخم گذاری ... و از همه اساسی تر سازمان و ساختار مرغ یا صورت مرغ است که به آن این اجازه را می دهد که فعالیت ها و ویژگی های خاص یک مرغ را داشته باشد.

به این ترتیب، به نحوه خاص تشکل اجزاء مادی به منظور ایجاد کارکرد، صورت می گوییم. صورت مانند ظرف و ماده مانند آب است؛ آب را در هر ظرفی بریزیم، به شکل همان ظرف در می آید. صورت ماده را که هیچ گونه تعینی ندارد، شکل می دهد.

رابطه ماده با صورت

صورت و ماده همیشه با هم وجود دارند و امکان ندارد یکی بدون دیگری تحقق پیدا کند. صورت، همان ساختار شئ است؛ همان ویژگی های شئ است و به همین علت، چیزی نیست که بتواند از شئ جدا باشد، زیرا ویژگی شیئ از آن جدا نیست. امکان ندارد ماده ای بدون صورت موجود شود؛ زیرا هر ماده ای ظرف و قالبی می خواهد تا در آن جای بگیرد و متعین گردد.

البته می توانیم چنین چیزی را، یعنی ماده صرف را که هیچ تعینی ندارد، فرض کنیم. فلاسفه، این ماده نامتعین و بی صورت را هیولای اولی می نامند و همان طور که گفته شد، هیولای اولی فقط فرض ذهنی ماست و ممکن نیست تحقق خارجی داشته باشد.

صورت و حقیقت شئ

در حقیقت، این صورت شئ است که یک شئ را آن شئ میکند؛ به عبارت دیگر، فعلیت شئ به صورت آن است. ماده شئ هیچ چیز خاصی نیست؛ توده ای خمیره است که هیچ نامی نمی توانیم به آن بدهیم و این خمیره هر چیزی می تواند باشد؛ یعنی این استعداد را دارد که به هر چیزی تبدیل شود. تنها وقتی که این ماده به صورت خاصی درآمد، نام مخصوصی به خود می گیرد و در واقع آن هنگام است که چیزی می شود. به عبارت دیگر، تنها وقتی می توانیم چه بودی و حقیقت یک شیئ را تعیین کنیم که صورتی را پذیرفته باشد.

همه اشیا و موجودات به سوی کمال خود در حال حرکتند و این کمال، همان صورت است. یعنی همه آن ها می خواهند به فعلیت برسند. دانه می خواهد گیاه شود؛ بنابراین دانه ماده و گیاه صورت آن است. بدین ترتیب گفته می شود که ماده قوه و صورت، فعلیت شئ است.

چیزی که هیچ ماده ای نداشته باشد، یعنی این که همه اش کمال و فعلیت است؛ یعنی صورت محض و به گفته ارسطو، این صورت محض، خدا است.


کلمات کلیدی: فیزیک نظری
 
میدانهای حیاتی
ساعت ۱:۳۳ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  

هارولد بور از دانشگاه ییل (Yale) برای اولین بار با انجام یک آزمایش ساده، به وجود میدان در اطراف موجود زنده پی برد. او با توجه به یک مولد الکتریکی که در آن آهنربا در داخل سیم پیچ دوران می کند و جریان تولید می کند، سمندری را در یک ظرف آب نمک قرار داد و ظرف را به دور سمندر چرخاند. الکترودهایی که در این ظرف وجود داشتند و به یک گالوانومتر حساس متصل شده بودند، یک جریان متناوب را نشان دادند. هنگامی که بور این آزمایش را بدون وجود سمندر انجام داد، گالوانومتر هیچ جریانی را نشان نداد. این بدان معنی است که در اطراف موجودات زنده میدانی وجود دارد که خاصیت مغناطیسی هم دارد و در صورت چرخش ظرف و در نتیجه اختلال و پارگی در شار این میدان، می توان جریان الکتریکی را بوجود آورد. بود مشتاقانه شروع به ساخت دستگاهی کرد تا بتواند پتانسیل ناشی از چنین میدانی را اندازه گیری کند.

او به یک ولتمتر لامپی استاندارد مقاومت بسیار بزرگی وصل کرد تا از اثر گذاردن بر روی جریان حاصل از حیوان مورد آزمایش جلوگیری کند. آنگاه این دستگاه اندازه گیری را با یک مقیاس و دو الکترود کلرور نقره تکمیل کرد.الکترودهای این وسیله بطور مستقیم با نمونه مورد آزمایش در تماس قرار نمی گرفتند بلکه توسط خمیر مخصوص ژله مانند یا محلول آب نمکی که غلظت یونی خود موجود زنده برابر بود ، از نمونه مورد آزمایش جدا می شدند.

بور این وسیله را بر روی دانشجویان داوطلب خود امتحان کرد.

الکترودها در دو بشقاب کوچک آب نمک نهاده می شدند و افراد مورد آزمایش انگشتان اشاره خود را در بشقابها فرو می بردند و پتانسیل اندازه گیری می شد.

این عمل هر روز در زمانهای معین و در طول بیش از یک سال انجام شد، و بور دریافت که پتانسیل ناشی از میدان حیاتی هر فرد در طول شبانه روز و متناسب با تغییرات فیزیولوژیکی خاص، کم یا زیاد می شود. برای مثال بود دریافت که در بدن تمام دانشجویان مونث، ماهی یکبار به مدت 24 ساعت تغییرات ولتاژ شدید ایجاد می شود که این امر مصادف با زمان تخمک گذاری در تخمدان آنهاست.

بور که پی به وجود میدان حیاتی برده و تغییرات در این میدان را ناشی از رویدادهای اساسی زیست شناختی یافته بود، اینک از خود می پرسید که آیا میدان حیاتی از اختلالات ناشی از بیماری نیز متاثر میشود؟ او تجهیزات آزمایشی خود را نزد یک متخصص بیماریهای زنان برد و به کمک او بیش از یکهزار زن را در بیمارستان بله ویو در نیویورک مورد آزمایش قرار داد . در 102 مورد از این آزمایشات ، افت ولتاژی غیر عادی مشاهده شد، و در معایناتی که طی مراجعات بعدی از این عده به عمل آمد، مشخص شد که 95 نفر از این زنان دچار سرطان رحم هستند. در نتیجه پیش بروز هر عارضه ای در جسم ،میدان حیاتی تغییر میکند و این علائم میتوانند هشدار ارزنده ای برای پزشکان باشند.

بور بر این اساس آزمایش را ترتیب داد و به کشف هیجان انگیزی دست یافت . او الکترودهای بسیار کوچکی را به درون تخم غورباقه وارد کرد و دریافت که حتی پیش از اینکه تخم شروع به تقسیم کرده و به یک بچه غورباقه تبدیل شود ، قادر است در آن قسمت از تخم که قرار است به سلسله اعصاب تبدیل شود، اختلاف پتانسیلی را اندازه بگیرد.این امر بر این موضوع دلالت دارد که میدان حیاتی توانایی سازماندهی دارد، و نوعی قالب و الگویی است که شکل و وظیفه اندام در حال رشد را پی ریزی می کند. پس میدان حیاتی عامل نظم و کاهش آنتروپی در پی ریزی اندام موجود زنده است، هرگاه حیات از بین برود میدان حیاتی نیز با آن از بین میرود به طوریکه یک سمندر مرده در دستگاه بود هیچ پتانسیلی را به وجود نمی آورد.

میدانهای حیاتی نوعا با امواج مغزی یا ضربانهایی که توسط الکتروکاردیوگراف ضبط می شوند، یکی نیستند.هر بار که قلب میتپد یا مغز تحریک میشود ، بار الکتریکی قابل اندازه گیری تولید میگردد، اما میدان حیاتی مجموعه کل اثرات این بارهای الکتریکی و اثرات ناشناخته دیگری است که به طور مستمر در بدن تولید میشوند. برای نمونه ، هنگام یا تحریک عصبی، مقدار کمی اکسیژن مصرف و کمی دی اکسیدکربن رها میشود. در این حال دمای موضعی اندکی افزایش می یابد و جهشی در رشته عصبی ظاهر میشود. اما نکته جالب، تغییری است که بر اساس اصول فیزیکی به شکل میدان مغناطیسی در خارج از این رشته عصبی به عنوان سیم حامل جریان ایجاد میشود. اگر چنین پالس الکتریکی کوچکی بدن موجود زنده قابل تشخیص باشد، واضح است که میلیونها اتفاق مشابه در بدن میدانهای قابل ملاحظه و کاملتری را ایجاد خواهند کرد.

پاوال گولیایف از دانشگاه لنینگراد، الکترود بسیار حساسی با مقاومت زیاد تهیه کرده است که در اندازه گیری شدت میدان،حتی از دستگاه بور هم موثرتر است، به صورت یک ردیاب میدان میدان مغناطیسی عمل میکند. دستگاه گولیایف میتواند میدان حاصل از عصب تحریک شده سیاتیک پای یک قورباغه را در فاصله سی سانتی تشخیص دهد، و نیز موفق گردیده نقشه میدان بدن انسان را در فاصله ای محدود از بدن نشان دهد.

با عبور هر پالس الکتریکی از یک رشته عصبی ، میدان حاصل به مدت کسری از یک ثانیه ظاهر میشود، اما در صورت ادامه تحریک، جریان پیوسته الکتریکی، یک میدان ساکن ایجاد میکند که عمر آن به زمان تحریک بستگی دارد.اگر تحریک به اندازه کافی قوی باشد، میتواند یک ماهیچه را مستقیما تحت تاثیر قرار دهد و واکنش انعکاسی ایجاد کند. برای مثال اگر فردی پا بر روی خاری بگذارد، فقط یک بیستم ثانیه طول میکشد تا پالس عصبی به نخاع رسیده و از آنجا به ماهیچه فرمان عقب کشیدن پا القا شود. اما بیشتر تحریکات در مغز تجزیه و تحلیل میشوند و سپس دربارشان تصمیمی اتخاذ میگردد و این امر زمان لازم را چهار برابر میکند.

برای زرافه یک سوم ثانیه طول میکشد تا پالسهای عصبی فاصله 5 متر بین پا تا مغز آنرا طی کند. آنگاه مغز باید تحریک را مورد ملاحظه قرار دهد، آنرا به عنوان یک تحریک دردناک تثبیت کند و پیامی برای عکس العمل مناسب بفرستد. تا زمانیکه این دستور به مرحله اجرا در آید، و در طول زمانیکه دستور در راه است ، مغز مرتبا به ماهیچه های مربوط پیام میفرستد و در نتیجه میدانی ایجاد میشود که یه مراتب قویتر از میدان تحریک اولیه است.گولیایف و دیگران نشان داده اند که این میدان القایی بیشترین شدت را دارد و در دورترین فاصله از بدن قابل تشخیص است.

گرفته شده از کتاب هامیوپاتی به ترجمه دکتر محمود بهار


منبع :farsiphysics.persianblog.ir


کلمات کلیدی: فیزیک آزمایشگاهی
 
فیزیک ذرات بنیادی
ساعت ۱:۳٢ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  

 

امروزه مدت زیادی نگذشته که ثابت شده تمامی مواد از مولکول ها، مولکول ها هم از اتم ها، اتم ها از هسته ها و الکترون ها و هسته ها از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده اند اما پروتون ها و نوترون ها والکترون ها از چه چیزی ترکیب یافته اند؟ این ذزات ، ذرات بنیادی یعنی ذرات غیر قابل تجزیه نام دارند. با فرض اینکه تجزیه بیشتر آنها باعث می شود که به ذرات دیگری تبدیل شود.

تاریخچه

در اواخر قرن بیستم دانشمندان درباره ساختمان پنهانی ذرات بنیادی به یک مطالعه سیستماتیک و مداوم پرداختند. این مطالعه ابتدا از نوکلئون ها (اجزای هسته ) یعنی پروتون ها و نوترون ها شروع شد. عموما در فیزیک هسته ای این کار می توانست دردوخط اصلی ادامه یابد.

بررسی پدیده های شامل ذرات بنیادی با فیزیک هسته ای

کوشش برای شکستن یا خرد کردن یک ذره بنیادی در صورت امکان و تبدیل آن به اجزا تشکیل دهنده اش اگر اجزا تشکیل دهنده ای داشته باشد. برای این منظور ذرات مشابه دیگر را با سرعت های حتی المقدور نزدیک به سرعت نور شتاب داده و این گلوله های شتاب دار را به ذرات بنیادی موجود در اتم های دیگر برخورد می دهند. برای مثال برای بمباران هیدروژن یونیزه شده (یعنی پروتون) از پروتون های شتابدار یا برای بمباران پروتون و ذرات آلفا از پروتون و ذرات آلفا ی دیگر استفاده گردد.

انرژی لازم برای این عمل فقط می تواند به کمک شتابدهنده های قوی ذرات باردار فراهم شود تولید ذرات باردار شتابدار برای دسترسی به انرژی های دهها میلیون و بالاخره دهها هزار میلیون الکترون ولت زمانی یک کار بزرگ تلقی می شد.

بررسی ساختمان ذرات بنیادی

این روش بر اساس پدیده آشنای نوری قرار داشت. هر چه ماده مورد مشاهده کوچکتر باشد طول موج نور تابانده شده به این ماده بایستی کوتاهتر گردد. اگر طول موج نور از طول جسم بزرگتر باشد موج به آسانی از اطراف جسم عبور کرده و چیزی دیده نمی شود. و اگر از طول جسم کوچکتر باشد موج منعکس شده بازتاب نور) و جسم روشن شده و قابل رویت می گردد.

دیدگاه موجی ذرات

دوبروی (De Broglie) کشف کرد که هر چه ذرات سریعتر حرکت کنند خواص موجی بیشتری از خود نشان می دهد. پس از این کشف تهیه نوعی میکروسکوپ الکترونی ممکن گردید که در آنها الکترون با انرژی 100Kev شتاب داده می شد. این میکروسکوپ رویت اجسام با قطر چند انگستروم را میسر می سازد. که هر آنگستروم برابر 8- ^ 10 سانتیمتر می باشد.

مطابق نظریه دوبروی هرچه ذرات سنگین تر بوده و سریعتر حرکت کند ، طول موج معادل آن کوتاهتر خواهد بود. این مطالب نشان می دهد اگر الکترونی تا انرژی چند صد میلیون الکترون ولت شتاب داده شود طول موجش آنقدر کوچک می شود که متناسب با اندازه ذرات هسته ای شده و می تواند برای بررسی ساختمان هسته اتمی بکار رود.

ساختار فیزیک ذرات بنیادی

- از بازتاب و پخش این فیزیک امواج برای اندازه گیری ذرات داخل هسته استفاده می شود. اگر الکترونی تا انرژی یک یا دو هزار میلیون الکترون ولت شتاب یابد طول موج الکترون چندین مرتبه کوچکتر از قطر ذرات هسته ای می شود. این فیزیک امواج تحقیق ساختمان پروتون هاو نوترون ها را ممکن می سازد از روزی که دانشمندان به یک "توپخانه اتمی قوی" مسلح شدند.ذرات جدید اتمی یکی پس از دیگری کشف گردید.

- انرژی معادل با یک میلیون الکترون ولت موجب کشف الکترون مثبتی به نام پوزیترون شد. شتاب دهنده هایی با صدها میلیون الکترون ولت تهیه مصنوعی مزون ها را ممکن ساخت. مزون ها اولین بار در پرتوهای کیهانی کشف شدند.توسعه شتابدهنده های با انرژی بسیار زیاد موجب کشف ضد ذرات گردید.ضد ذرات تشکیل دهندگان اصلی ضد ماه می باشد که عمده ترین انها عبارتند از: ضد پروتون ، ضد نوترون و غیره.

- بسیاری از ذرات کشف شده ، ذرات ناپایدارند آنها پس از یک دوره زمانی بسیار کوتاه تجزیه شده و به تعدادی ذرات کوچکتر و پایدارتر تبدیل می شود این ذرات کوچکتر پایدارتر شامل : الکترون ها ، نوترون ها ، اشعه گاما و یا نوترینو ها می باشند.

- ذرات ناپایدار ممکن است به ضد ذرات معادل خود که اصولا پایدارترند ، تبدیل می گردند.

- همانگونه تا بحال معلوم شده هیچیک از ذرات بنیادی شناخته شده نمی توانند به اجزا کوچکتر شکسته شوند. آنها همگی به نام ذرات بنیادی معرفی شده است به همین دلیل نشان می دهد که ساختمانی ندارند.

تقسیم بندی ذرات ناپایدار :

ذرات ناپایدار بدو گروه به صورت زیر تقسیم می شوند:

- یک دسته از آن شامل ذرات سنگین تر از الکترون ولی سبک تر از پروتون است که مزون (Meson) نام دارند.

- گروه دیگر شامل ذرات سنگین تر از پروتون است که هیپرون(Hyperon) خوانده می شوند. هیپرون ها فقط به ذرات هسته ای از جمله پروتون ها و نوترون ها تجزیه می شوند.

                                                                                                              منبع : دانشنامه رشد


کلمات کلیدی: فیزیک هسته ای
 
تاریخچة مختصر فیزیک
ساعت ۱:٢۸ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  


ماقبل تاریخ

همانطور که متقدمین از روی تجربه و امتحان به خواص باطنی پاره‌ای از اجسام بی‌پرده و از ترکیب مواد به وسایل مختلف (تشویه، تکلیس، تقطیر و غیره) مواد شیمیائی بدست آورده و برای علمای شیمی جدید مایه‌ای درست کرده‌اند، همینطور هم تحقیق در خواص فیزیکی اجسام از مسائل تازه نیست و از قدیم الایام انسان درصدد کشف آنها بوده و از توجه به تغییرات و خواص ظاهری به بعضی اصول و قواعد فیزیکی پی برده و فیزیک جدید در حقیقت مولود توجهات و تحقیقات متقدمین می‌باشد.

مثلاً‌ تالس که قدیمی‌ترین و معروفترین حکمای سبعه است و تقریباً در شش قرن قبل از میلاد می‌زیسته محقق ساخت که از مالش کهربا خاصیتی در آن به ظهور می‌رسد که اجسام سبک را جذب می‌کند، همچنین فیثاغورث حکیم و ریاضی‌دان معروف یونانی و شاگردهایش به پاره‌ای مسائل و قضایای صوت پی برده بودند. (این دانشمند اول کسی است که زمین را متحرک می‌دانست).


کلمات کلیدی: درباره فیزیک
 
فیزیک محاسباتی
ساعت ۱:۱٦ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  

فیزیک محاسباتی همانطوری ‌که از نامش بر می‌آید ، شامل محاسباتی است که در فیزیک انجام می‌گیرد. می‌دانیم که روش حل عددی در تمام مسائل فیزیک به پاسخ منجر نمی‌شود. بعبارت دیگر ، موارد معدودی وجود دارد که با توسل به روشهای تحلیلی قابل حل هستند و لذا در موارد دیگر باید از روشهای عددی و تقریبی استفاده کنیم. هدف فیزیک محاسباتی تشریح و توضیح این روشها می‌باشد.

به عنوان مثال ، فرض کنید با یک خط‌کش طول میزی را اندازه بگیریم، طبیعی است که بخاطر خطای اندازه‌گیری اگر 10 بار طول میز اندازه‌گیری شود، در هر بار اندازه‌گیری مقداری که با مقادیر قبلی تفاوت جزئی دارد، حاصل خواهد شد. بنابراین برای تعیین طول واقعی نیز با بیشترین دقت باید به روشهای آماری متوسل شویم.

توزیع‌ های آماری

معمولا اگر داده‌های تجربی حاصل از آزمایشها را بر روی یک نمودار پیاده کنیم، در این‌صورت ، بر اساس نمودار حاصل ، این داده‌ها از توزیع بخصوصی تبعیت خواهند کرد. این توزیع‌ها را اصطلاحا توزیع‌های آماری می‌گویند که معروفترین آنها عبارتند از:

توزیع دوجمله‌ای

فرض کنید تاسی را n بار پرتاب کنیم و هدف ما آمدن عدد 6 باشد. در این‌صورت ، این عمل را 'آزمون' و تعداد دفعاتی را که عدد 6 ظاهر شده است، 'موفقیت' و مواردی را که اعداد دیگر ظاهر شده است، 'عدم موفقیت' می‌گویند. بنابراین ، اگر موفقیت‌ها بر یکدیگر تاثیر نداشته و مستقل از یکدیگر باشند و نیز ترتیب مهم نباشد، در اینصورت ، داده‌ها از توابع توزیع دوجمله‌ای پیروی می‌کنند.

توزیع پواسون

اگر چنانچه تعداد حالات با تعداد آزمونها به سمت بینهایت میل کند و نیز احتمال موفقیت (p) به سمت صفر میل کند، در اینصورت ، داده‌ها از تابع پواسون پیروی می‌کنند. شرط عملی برای استفاده از توزیع پواسون این است که تعداد آزمونها بیشتر از 30 بار بوده و نیز احتمال موفقیت کمتر از 0.05 باشد. لازم به ذکر است که این دو شرط باید بطور همزمان برقرار باشند. این معیار عملی از روی هم گذاشتن توابع توزیع و گزینش بهترین انتخاب و از روی آن تعیین N و P ویژه حاصل می‌گردد.

توزیع گاوسی

توزیع گاوسی یا نرمال یک نقش اساسی در تمام علوم بازی می‌کند. خطاهای اندازه‌گیری‌ معمولا به‌وسیله این توزیع داده می‌شود. توزیع گاوسی اغلب یک تقریب بسیار خوبی از توزیع‌های موجود می‌باشد. دیدیم که اگر N بیشتر شده و احتمال موفقیت (P) کوچک باشد، در این صورت توزیع پواسون حاکم است. حال اگر تعداد آزمونها (N) به سمت اعداد خیلی بزرگتر میل کند، بطوری که حاصلضرب NP به سمت 20 میل کند، در این صورت شکل تابع توزیع حالت تقارن پیدا می‌کند، بگونه‌ای که می‌توان آن را با یک توزیع پیوسته جایگزین کرد. این توزیع پیوسته همان توزیع گاوسی است.

برازش

اغلب اتفاق می‌افتد که نموداری در اختیار داریم و می‌خواهیم مدل فیزیکی را که بر این نمودار حاکم است، پیدا کنیم. فرض کنید در یک حرکت سقوط آزاد اجسام ، زمان و ارتفاع سقوط را اندازه‌گیری کرده و نتایج حاصل بر روی یک نمودار پیاده شده است. حال با توجه به اینکه معادله حرکت سقوط آزاد اجسام را می‌دانیم و می‌خواهیم با استفاده از این نمودار مقدار g ، شتاب جاذبه ثقل ، را تعیین کنیم. بنابراین ، در چنین مواردی از روش برازش که ترجمه واژه لاتین (fitting) می‌باشد، استفاده می‌کنیم. در این حالت ابتدا باید توزیع حاکم بر این داده‌ها را بشناسیم که اغلب در چنین مواردی توزیع حاکم ، توزیع گاوسی است.

حل دستگاه معادلات

معمولا در مسائل عددی به مواردی برخورد می‌کنیم که یک دستگاه n معادله n مجهولی ظاهر می‌گردد. در این صورت ، برای حل این معادلات به طریق عددی از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود. یکی از این روشها ، حل دستگاه معادلات به روش حذف گوسی (روش کاهش یا حذف گاوسی) می‌باشد. البته روشهای دیگری مانند حل دستگاه معادلات به روش محورگیری و موارد دیگر نیز وجود دارد که بسته به نوع مسئله مورد استفاده ، از آن روش استفاده می‌گردد.

انتگرالگیری عددی

اگر مسئله‌ای وجود داشته باشد که در آن انتگرالهای دوگانه یا سه‌گانه ظاهر شود، البته با اندکی زحمت می‌توان این انتگرالها را به صورت تحلیلی حل کرد. اما این موارد چندان زیاد نیستند و در اغلب موارد به انتگرالهای چندگانه‌ای برخورد می‌کنیم که حل آنها به روش تحلیلی تقریبا غیرممکن است. در چنین مواردی از روش انتگرالگیری عددی استفاده می‌شود. روشهایی که در حل انتگرالها به روش عددی مورد استفاده قرار می‌گیرند، شامل روش ذوزنقه‌ای ، روش سیمپسون یا سهمی ‌و روشهای دیگر است.

البته خطای مربوط به این روشها متفاوت بوده و بسته به نوع مسئله‌ای که انتگرال در آن ظاهر شده است، روش مناسب را انتخاب می‌کنند. تقریبا دقیق‌ترین روشها ، انتگرالگیری به روش مونت کارلو می‌باشد، که امروزه در اکثر موارد از این روش استفاده می‌گردد. مزیت این روش به روشهای دیگر در این است که اولا محدودیتی وجود ندارد و انتگرال هر چندگانه که باشد، با این روش حل می‌شود. در ثانی ، این روش نسبت به روشهای دیگر کم هزینه‌تر است.

شبیه سازی

آنچه امروزه بیشتر مورد توجه قرار دارد، شبیه سازی سیستمهای فیزیکی است. به عنوان ابتدایی‌ترین و ساده‌ترین مورد می‌توان به حرکت آونگ ساده اشاره کرد. در این حالت یک برنامه کامپیوتری نوشته می‌شود، بگونه‌ای که حرکت آونگ را بر روی صفحه کامپیوتر نمایش دهد. در ضمن کلیه محدودیت‌های فیزیکی حاکم بر حرکت نیز اعمال می‌شود. در واقع مثل اینکه بصورت تجربی آونگی را به نوسان در می‌آوریم و دوره تناوب و سایر پارامترهای دقیق در مسئله را تعیین می‌کنیم. البته این مثال خیلی ابتدایی و ساده است.

لازم به ذکر است ، شبیه سازی به روش مونت کارلو به دو صورت می‌تواند مطرح باشد. حالت اول عبارت از شبیه سازی با رسم تصویر متوالی است. درست مانند مثالی که در بالا اشاره کردیم. حالت دوم شبیه سازی آماری یا احتمالی است. بعنوان مثال ، انواع اندرکنش‌های فوتون با ماده را که به پدیده‌های مختلفی مانند اثر فوتوالکتریک ، اثر کامپتون ، پدیده تولید زوج و ... منجر می‌گردد، با این روش می‌توان مورد مطالعه قرار داد.


کلمات کلیدی: فیزیک محاسباتی
 
فیزیک چیست؟
ساعت ۱:۱۱ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  

هدف فیزیک:

در معرفی علم فیزیک دکتر پروین استاد فیزیک دانشگاه امیرکبیر می‌گوید: «فیزیک علم زندگی و اصلا علم حیات است» . و یا دکتر منیژه رهبر استاد فیزیک دانشگاه تهران معتقد است هر چیزی که در اطراف خویش می‌بینیم به فیزیک ربط پیدا می‌کند. همچنین پاسخ به بسیاری از سوالهایی را که همیشه ذهن بشر به آن مشغول بوده است به وسیله علم فیزیک می‌توان داد. مثل این که دنیا چگونه بوجود آمده است؟ از چه تشکیل شده و کوچکترین جزء آن چیست؟

در کل می‌توان گفت که جهان در بزرگترین مقیاس تا ریزترین مقیاس در ارتباط با علم فیزیک می‌باشد.

یکی دیگر از استادان دانشگاه نیز فیزیک را دانش کشف و استفاده عملی از قوانین و روابط حاکم بر پدیده‌های طبیعی می‌نامد که مبنای این دانش بر تجربه و آزمایش استوار است.


کلمات کلیدی: درباره فیزیک