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

آیا فیزیک به پایان خود رسیده است؟
ساعت ۱٢:٢٦ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ۱ اسفند ۱۳۸٥  
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