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

استیفن هاوکینگ
ساعت ٤:٢۱ ‎ب.ظ روز سه‌شنبه ٢٩ خرداد ۱۳۸٦  


استیفن هاوکینگ 


سمبل تلاش و ایمان

                                                

او از هر گونه تحرک عاجز است. نه می تواند بنشیند نه برخیزد. نه راه برود. حتی قادرنیست دست و پایش را تکان بدهد یا بدنش را خم و راست کند. از همه بدتر توانایی سخن گفتن را نیز ندازد.زیرا عضلات صوتی او که عامل اصلی تشکیل و ابراز کلمات اند مثل ۹۹ درصد بقیه عضلات حرکتی بدنش در یک حالت فلج کامل قرار دارند. مشتی پوست و استخوان است روی یک صندلی چرخدار که فقط قلبش و ریه هایش و دستگاه های حیاتی بدنش کار می کنند و بخصوص مغزش فعال است. یک مغز خارق العاده که دمی از جستجو و پژوهش و رهگشایی بسوی معماها و نا شناخته ها باز نمی ماند.

این اعجوبه مفلوج استیفن هاوکینگ پرآوازه ترین دانشمند دهه آخر قرن بیستم است که اکنون در دانشگاه معروف کمبریج همان کرسی استادی را در اختیار داردکه بیش از دو قرن پیش زمانی به اسحق نیوتن کاشف قانون جاذبه تعلق داشت.همچنین وی را انیشتین دوم لقب داده اند زیرا می کوشد تئوری معروف نسبیت را تکامل بخشد و از تلفیق آن با تئوری های کوانتومی فرمول واحد جدیدی ارائه دهد که توجیه کننده تمامی تحولات جهان هستی از ذرات ریز اتمی تا کهکشان های عظیم باشد.
اینشتین معتقد بود که چنین فرمول یا قانون واحدی می بایست وجود داشته باشد و سالهای آخر عمرش را در جستجوی آن سپری کرد اما توفیقی نیافت.

استیفن هاوکینگ شهرت و اعتبار علمی خود را مدیون محاسبات ریاضی پیچیده و بسیار دقیقی است که در مورد چگونگی پیدایش و تحول سیاهچاله های آسمانی یا حفره های سیاه انجام داده است.این اجرام فوق العاده متراکم که به علت قدرت جاذبه بسیار قوی حتی نور امکان جدایی از سطح آن ها را نداردوجودشان بر اساس تئوری نسبیت انیشتین پیش بینی شده بود و به همین جهت هم سیاهچاله نامیده شدند.ردیابی و رویت آنها بوسیله قویترین تلسکوپ ها یا هر وسیله دیگر تا کنون ممکن نبوده است. با وجود این استیفن هاوکینگ با قدرت اندیشه و محاسبات ریاضی چون و چرا ناپذیرش- نه فقط وجود سیاهچاله ها را به اثبات رسانده و چگونگی شکل گیری و تحول آن ها را نشان داده بلکه به نتایج جالبی در رابطه این اجرام با کیفیت وقوع انفجار بزرگ Big Bang در آغاز پیدایش کیهان دست یافته است که در دانش فیزیک اختری و کیهان شناسی اهمیت بسزایی دارد و به عقیده صاحبنظران بنای این علوم را در قرن آینده تشکیل خواهد داد.

 کتاب جدید هاوکینگ در این زمینه که بعنوان سیاهچاله ها و جهان های نوزاد انتشار یافت در محافل علمی جهان مثل یک بمب صدا کرد و شگفتی فراوان برانگیخت. اما قبل از اشاره خلاصه ای می آوریم از زندگی نویسنده اش که براستی از کتاب او شگفتی بر انگیز تر است . استیفن هاوکینگ در ۸ ژانویه ۱۹۴۲ در شهر دانشگاهی آکسفورد زاده شد و دوران کودکی و تحصیلات اولیه اش را در همان شهر گذرانید. از همان زمان به علوم ریاضیات علاقه داشت و آرزوی دانشمند شدن را در سر می پروراند اما در مدرسه یک شاگرد خودسر و بخصوص بد خط شناخته می شد و هرگز خود را در محدوده کتاب های درسی مقید نمی کرد بلکه چون با مطالعات آزاد سطح معلواتش از کلاس بالاتر بود همیشه سعی داشت در کتاب های درسی اشتباهاتی را گیر بیاورد و با معلمان به جر و بحث و چون و چرا بپر دازد !

پدر و مادرش از طبقه متوسط بودند با یک زندگی ساده در خانه اش شلوغ و فرسوده اما مملو از کتاب که عادت به مطالعه را در فرزندانشان تقویت می کرد. فرانک پدر خانواده پزشک متخصص در بیماری های مناطق گرمسیری بود و به همین جهت نیمی از سال را به سفرهای پژوهشی در مناطق آفریقایی می گذرانید. این غیبت های متوالی برلی بچه ها چنان عادی شده بود که تصور می کردند همه پدر ها چنین وضعی دارند. و مانند پرندگان هر ساله در فصل سرما به مناطق آفتابی مهاجرت می کنند و بعد به آشیانه بر می گردند. در عین حال غیبت های پدر نوعی استقلال عمل و اتکا به نفس در بچه ها ایجاد می کرد.

استیفن در ۱۷ سالگی تحصیلات عالیه را در رشته طبیعی آغاز کرد و از همان زمان به فیزیک اختری و کیهان شناسی علاقه مند شد زیرا در خود کنجکاوی شدیدی می یافت که به رمز و راز اختران و آغاز و انجام کیهان پی ببرد. سالهای دهه ۶۰ عصر طلایی کشف فضا- پرتاب اولین ماهواره ها و سفر هیجان انگیز فضانوردان به کره ماه بود و بازتاب این وقایع تاریخی در رسانه ها جوانان را مجذوب می کرد. بعلاوه استیفن از کودکی عاشق رمان های علمی تخیلی بود و مطالعه آن ها نیز بر اشتیاق او به کسب معلومات بیشتر در فیزیک و نجوم و علوم دیگر می افزود. او دوره سه ساله دانشگاه را با موفقیت به پایان برد و آماده می شد تا دوره دکترا را در رشته کیهان شناسی آغاز کند اما . . . 

اما به دنبال احساس ناراحتی هایی در عضلات دست و پا استیفن در ژانویه ۱۹۶۳ یعنی آغاز بیست و یکسالگی مجبور به مراجعه به بیمارستان شد و آزمایش هایی که روی او انجام گرفت علائم بیماری بسیار نادر و درمان ناپذیری را نشان داد. این بیماری که به نام ALS شناخته می شود بخشی از نخاع و مغز و سیستم عصبی را مورد حمله قرار می دهد و به تدریج اعصاب حرکتی بدن را از بین می برد و با تضعیف ماهیچه ها فلج عمومی ایجاد می کند بطوریکه بمرور توانایی هرگونه حرکتی از شخص سلب می شود. معمولا مبتلایان به این بیماری بی درمان مدت زیادی زنده نمی مانند و این مدت برای استیفن بین دو تا سه سال پیش بینی شده بود.

نومیدی و اندوه عمیقی را که پس از آگاهی از جریان بر استیفن مستولی شد می توان حدس زد. ناگهان همه آرزوهای خود را بر باد رفته میدید. دوره دکترا-رویای دانشمند شدن - کشف رمز و راز کیهان - همگی به صورت کارکاتورهایی در آمدند که در حال دورشدن و رنگ باختن به او پوزخند می زدند. بجای همه آن خیال پروریهای بلند پروازانه حالا کاری بجز این از دستش بر نمی آمد که در گوشه ای بنشیند و دقیقه ها را بشمارد تا دوسال بعد با فلج عمومی بدن زمان مرگش فرا برسد.

به اتاقی که در دانشگاه داشت پناه برد و در تنهایی ساعتها متفکر و بی حرکت ماند. خودش بعدها تعریف کرده است که آن شب دچار کابوسی شد و در خواب دید که محکوم به اعدام شده است و او را برای اجرای حکم می برند و در آن موقعیت حس کرد که هر لحظه زندگی چقدر برایش ارزشمند است. بعد از بیداری به یاد آورد که در بیمارستان با یک جوان مبتلا به بیماری سرطان خون هم اتاق بوده و او از فرط درد چه فریادهایی می کشید. پس خود را قانع کرد که اگر به بیماری لادرمانی مبتلاست اما لااقل درد نمی کشد. بعلاوه طبع لجوج و نقادش که هیچ چیز را به آسانی نمی پذیرفت هشدار داد که از کجا معلوم که پیش بینی پزشکان درست از کار در بیاید و چه بسا که از نوع اشتباهات کتب درسی باشد!

اما آنچه به او قوت قلب و اعتماد به نفس بیشتری برای مبارزه با نومیدی و بدبینی داد آشنایی اش در همان ایام با دختری به نام (جین وایلد) بود که عد ها همسرش شد و نقش فرشته نگهبانش را به عهده گرفت. جین اعتقادات مذهبی عمیقی داشت و معتقد بود که در هر فاجعه ای بذراهی امید وجود دارد که با استقامت و قدرت روحی خود می تواند رشد کند. و بارور شود. باید به خداوند توکل داشت و از ناکامیهایی که پیش می آید خیزگاههایی برای کامیابی ساخت.

جین دانشجوی دانشگاه لندن بود اما تحت تاثیر هوش فوق العاده و شخصیت استثنایی استیفن چنان مجذوب او شده بود که هر هفته به سراغش می آمد و ساعتی را به گفتگوی با او می گذرانید و آمپول خوشبینی تزریق می کرد.آنها پس از چندی رسما نامزد شدند و استیفن تحصیلات دانشگاهی اش را از سر گرفت زیرا برای ازدواج با جین می بایست هرچه زودتر دکترای خود را بگیرد و کار مناسبی پیدا کند.

و او طی دو سال با اشتیاق و پشتکار این برنامه را عملی کرد در حالیکه رشد بیماری لعنتی را در عضلاتش شاهد بود و ابتدا به کمک یک عصا و سپس دو عصا راه می رفت. ازدواجش با جین در سال ۱۹۶۵ صورت گرفت و او چنان غرق امید و شادی بود که به پیش بینی دو سال پیش پزشکان در مورد مرگ قریب الوقوعش نمی اندیشید.

پروفسور استیفن هاوکینگ اکنون ۶۱ سال داردو ظاهرا بیش از یک ربع قرن قاچاقی زندگی کرده است. البته اگر بتوان وضع کاملا استثنایی او را در حال حاضر زندگی نامید.!

پیش بینی پزشکان در مورد بیماری فلج پیش رونده او نادرست نبود و این بیماری اکنون به همه بدنش چنگ انداخته است. از اواخر دهه ۶۰ برای نقل مکان از صندلی چرخدار استفاده می کند و قدرت تحرک از همه اجزای بدنش بجز دو انگشت دست چپش سلب شده است. با این دو انگشت او می تواند دکمه های کامپیوتر بسیار پیشرفته ای را فشار دهد که اختصاصا برای او ساخته اند و بجایش حرف می زند. و رابطه اش را با دنیای خارج برقرار می کند زیرا از سال ۱۹۸۵ قدرت تکلم خود را هم ازدست داده است.

در آن سال او پس از بازگشت از سفری به درو دنیا برای مدتی در ژنو بسر می برد که مرکز پژوهشهای هسته ای اروپاست و دانشمندان این مرکز جلسات مشاوره ای با او داشتند. یک شب که استیفن هاوکینگ تا دیر وقت مشغول کار بود ناگهان راه نفس کشیدنش گرفت و صورتش کبود شد بیدرنگ او را به بیمارستان رساندند و تحت معالجات اضطراری قرار دادند. معمولا مبتلایان به بیماری ALS در مقابل ذات الریه حساسیت شدیدی دارند و در صورت ابتلای به آن میمیرند که این خطر برای استیفن هاوکینگ هم پیش آمده بود و گرفتن راه تنفس او ناشی از ذات الریه بود. پس از چند روز بستری بودن در بخش مراقبتهای ویژه بیمارستان سرانجام با اجازه همسرش تصمیم گرفته شد که با عمل جراحی مخصوص مجرای تنفس او را باز کنند اما در نتیجه این عمل صدای خود را برای همیشه از دست می داد.

عمل جراحی با موفقیت صورت گرفت و بار دیگر استیفن از خطر مرگ جست. هر چند قدرت تکلم خود را از دست داد اما با جایگزینی کامپیوتر مخصوص سخنگو ارتباط او با اطرافیانش حتی بهتر از سابق شد زیرا قبلا بعلت ضعف عضلات صوتی با دشواری و نارسایی زیاد صحبت می کرد. کامپیوتر سخنگو را یک استاد آمریکایی کامپیوتر در کالیفرنیت برای او ساخت و تقدیمش کرد. برنامه ریزی این دستگاه شامل سه هزار کلمه است و هر بار که استیفن بخواهد سخنی بگوید می بایست با انتخاب کلمات و فشردن دکمه های کامپیوتر به کمک دو انگشتش که هنوز کار می کنند جمله مورد نظرش را بسازد و صدای مصنوعی به جای او حرف می زند. البته اینگونه سخنگویی ماشینی طولانی تر است اما خود استیفن که هرگز خوشبینی اش را از دست نمی دهد عقیده دارد که به او وقت بیشتری می دهد برای اندیشیدن آنچه می خواهد بگوید و سبب می شود که هرگز نسنجیده حرف نزند.

ویلچر یا صندلی چرخدار استیفن که بوسیله آن رفت و آمد می کند نیز از پیشرفته ترین پدیده های تکنولوژی است و با نیروی الکتریکی حرکت می کند. وی اتکای زیادی به ویلچر خود دارد چون علاوه بر حرکت با آن وسیله ای برای ابراز احساساتش نیز محسوب می شود. مثلا اگر در یک میهمانی به وجد آید با ویلچرش به سبک خاص خود می رقصد و چنانچه صبر و حوصله اش را در مورد یک شخص مزاحم از دست بدهد در یک مانور سریع از روی پاهای او رد می شود !!! بسیاری از شاگردانش ضربه چرخهای ویلچر او را تجربه کرده اند و به گفته خودش یکی از تاسف هایش این است که طعم این تجربه را به مارگارت تاچر نچشانده است !

یکی از شگفتیهای این آدم مفلوج و نحیف که به ظاهر باید موجودی تلخ و غمزده و منزوی باشد شوخ طبعی و شیطنت کودکانه اوست که بخصوص در برق نگاه هوشمندانه و رندانه اش دیده می شود. در حالیکه اجزای چهره اش بی حرکت و فاقد هرگونه واکنش احساسی و عاطفی هستند اما چشمانش می درخشند.

انگار به هزار زبان با مخاطب سخن می گویند. او بهیچوجه خودش را منزوی نکرده است. به کنسرت و پارک می رود. در رستوران غذا می خورد. در انجمن های دانشجویان شرکت می کند. و سر به سر شاگردانش که همیشه او را سوال پیچ می کنند می گذارد. شیوه شیطنت آمیزش اینست که پاسخگویی را گاهی عمدا کش می دهد و در حالیکه پرسش کنندگان پس از چند دقیقه انتظار پاسخ مفصلی را برای سوال خود پیش بینی می کنند با یک کلمه بله یا نه از کامپیوتر سخنگویش همه را به خنده می اندازد.

این اعجوبه فاقد تحرک عاشق جنب و جوش و گشت و سیاحت است و تا کنون دوبار به سفر دور دنیا رفته و حتی از چین و دیوار باستانی آن دیدن کرده است. همچنین در صدها کنفرانس و سمینار علمی شرکت کرده است و به ایراد سخنرانی پرداخته است. که البته این سخنرانی ها قبلا در نوار ضبط و در روز کنفرانس پخش می شود.

 

پرفروشترین کتاب علمی 

از نکات جالب دیگر در زندگی استیفن هاوکینگ یکی هم اینست که او در سالهای اولیه زناشویی اش با جین وایلد از او صاحب سه فرزند شد یک دختر و دو پسر. لذت پدری و احساس مسئولیت در تامین زندگی فرزندان یکی از مهمترین انگیزه هایی بود که او را در مقابله با مشکلاتش یاری داد زیرا با طبع لجوج و بلندپروازش اصرار داشت که بهترین امکانات زندگی و تحصیل را برای بچه هایش فراهم کند و این امر مخارج هنگفتی روی دستش می گذاشت. هزینه خودش هم کم نبود چون می بایست به دو پرستار تمام وقت و یک دستیار حقوق بپردازد و درامد استادی دانشگاه کفاف این مخارج را نمی داد. به همین جهت در اواسط دهه ۸۰ به فکر نوشتن کتاب افتاد و در سال ۱۹۸۸ کتاب معروف خود به نام ( تاریخ کوتاهی از زمان) را منتشر کرد.

در این کتاب که به فارسی هم ترجمه شده است استیفن هاوکینگ به زبان ساده و قابل فهم عامه پیچیده ترین مسائل فیزیک جدید و کیهان شناسی و بخصوص ماهیت زمان و فضا را بررسی کرده و نظریات و محاسبات خودش را شرح داده است. بی آنکه خواننده را با فرمولها و معادلات ریاضی بغرنج گیج کند. اما به رغم سادگی بیان و جذابیت مباحث بسیاری از مردم از آن سر در نمی آورند. زیرا ایده های مطرح شده در کتاب در سطح بالای علمی است. با وجود این کتاب مزبور ۸ میلیون نسخه به فروش رفته و ۱۸۳ هفته در لیست ۱۰ کتاب پرفروش جهان قرار داشته است و طبعا چنین موفقیت بیمانندی مشکلات مادی استیفن را برای همیشه حل می کند.

کتاب جدید استیفن به نتایج پژوهشها و یافته های او درباره ی سیاهچاله ها اختصاص دارد. این اجرام مرموز و فاقد نورانیت آسمانی که بر اساس تئوری پذیرفته شده ای در سالهای اخیر از فروریزی و تراکم ستارگان سنگین وزن پس از اتمام سوخت هسته ای آن ها پدید می آیند ستارگان دیگر را در اطراف خود می بلعند و با افزایش جرم و در نتیجه دستیابی به نیروی جاذبه قویتر به تدریج ستارگان دورتر را به کام می کشند. بدینگونه در سیاهچاله ها ماده به حدی از تراکم می رسد که هر سانتی متر مکعب آن می تواند میلیونها و حتی میلیاردها تن وزن داشته باشد و نیروی جاذبه آنچنان قوی است که نور و هیچگونه تشعشعی امکان خروج از سطح آن ها را ندارد. به همبن جهت ما هرگز نمی توانیم حتی با قویترین تلسکوپها این غولهای نامرئی را ردیابی کنیم.

اما استیفن هاوکینگ در کتاب تازه اش برداشتهای متفاوتی از سیاهچاله ها ارائه داده است و با محاسبات خود به این نتیجه می رسد که این اجرام بکلی فاقد نورانیت نیستند و بعلاوه موادی را که از ستارگان دیگر جذب و بلع می کنند در مرحله نهایی تراکم به حالتی انفجار گونه از یک کانال دیگر بیرون می ریزند. منتها آنچه دفع می شود به همان صورتی نیست که بلعیده شده است. به عبارت دیگر سیاهچاله ها نوعی بوته زرگری هستند که طلا آلات مستعمل را به شمش تبدیل می کنند. از کانال خروجی عناصر تازه در یک جهان نوزاد تزریق می شود که می توان آن را در مقابل سیاهچاله ( سپید چشمه) نامید.

شاید سالها طول بکشد تا صحت و سقم نظزیه های جدید استیفن هاوکینگ روشن شود زیرا آنقدر تازگی دارد که عجیب به نظر می رسد. اما عجیب تر از آن مغز این مرد است که این نظزیه پردازی ها و رهگشائیها از آن می تراود. او برای محاسبات طولانی و پیچیده ریاضی و نجومی خود حتی از نوشتن ارقام روی کاغذ محروم است و باید همه این عملیات بغرنج را در مغز خود انجام بدهد و نتایج را در حافظه اش نگهدارد بدینگونه فقط با مغزش زنده است و به قول دکارت چون فکر می کند پس وجود دارد.

اما این موجود این آدم معلول و نحیف و عاجز از تحرک و تکلم یک سرمشق است . . . .
برای آن ها که با امید و استقامت و تلاش بیگانه اند . . .
برای آن ها که تواناییهای انسان و ارزش اندیشه سالم و سازنده را دست کم می گیرند . . .
برای بدبین ها و منفی باف ها که در افق دید خود جهان را به گونه سیاهچاله ای مخوف و ظلمانی می بینند . . .

 

به سخن استیفن هاوکینگ :

 

( در آنسوی هر سیاهچاله سپید چشمه ای وجود دارد)


کلمات کلیدی: زندگینامه دانشمندان
 
فیزیک پلاسما
ساعت ٩:٤٥ ‎ب.ظ روز چهارشنبه ٢ خرداد ۱۳۸٦  

فیزیک پلاسما (Plasma Physics)


می دانیم که برای ماده سه حالت جامد ، مایع و گاز در نظر گرفته میشود. اما در مباحث علمی معمولا یک حالت چهارم نیز برای ماده فرض میشود. حدوث طبیعی پلاسما در دماهای بالا ، سبب تخصیص عنوان چهارمین حالت ماده به آن شده است. یک نمونه بسیار طبیعی از پلاسما آتش است بنابراین خورشید نمونهای از پلاسمای داغ بزرگ است.

تعریف پلاسما

پلاسما گاز شبه خنثایی از ذرات باردار و خنثی است که رفتار جمعی از خود ارائه میدهد. به عبارت دیگر میتوان گفت که واژه پلاسما به گاز یونیزه شدهای اطلاق میشود که همه یا بخش قابل توجهی از اتمهای آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یونهای مثبت تبدیل شده باشند. یا به گاز به شدت یونیزه شدهای که تعداد الکترونهای آزاد آن تقریبا برابر با تعداد یونهای مثبت آن باشد، پلاسما گفته میشود.

حدود پلاسما

اغلب گفته میشود که 99% ماده موجود در طبیعت در حالت پلاسماست، یعنی به شکل گاز الکتریسته داری که اتمهایش به یونهای مثبت و الکترون منفی تجزیه شده باشد. این تخمین هر چند ممکن است خیلی دقیق نباشد ولی تخمین معقولی است از این واقعیت که درون ستارگان و جو آنها، ابرهای گازی و اغلب هیدروژن فضای بین ستارگان بصورت پلاسماست. در نزدیکی خود ما ، وقتیکه جو زمین را ترک میکنیم بلافاصله با پلاسمایی مواجه می شویم که شامل کمربندهای تشعشعی وان آلن و بادهای خورشیدی است.

در زندگی روزمره نیز با چند نمونه محدود از پلاسما مواجه میشویم. جرقه رعد و برق ، تابش ملایم شفق قطبی ، گازهای داخل یک لامپ فلورسان یا لامپ نئون و یونیزاسیون. مختصری که در گازهای خروجی یک موشک دیده میشود. بنابراین می توان گفت که ما در یک درصدی از عالم زندگی میکنیم که در آن پلاسما بطور طبیعی یافت نمیشود.


آیا کلمه پلاسما یک کلمه بامسما است؟

کلمه پلاسما ظاهرا بیمسما به نظر میرسد. این کلمه از یک لغت یونانی آمده است که هر چیز به قالب ریخته شده یا ساخته شده را گویند. پلاسما به علت رفتار جمعی که از خودشان نشان میدهد، گرایشی به متاثر شدن در اثر عوامل خارجی ندارد، و اغلب طوری عمل میکند که گویا دارای رفتار مخصوص به خودش است.

حفاظ دبای

یکی از مشخصات اساسی رفتار پلاسما ، توانایی آن برای ایجاد حفاظ در مقابل پتانیسیلهای الکتریکی است که به آن اعمال میشوند. فرض کنید بخواهیم با وارد کردن دو گلوله بارداری که به یک باتری وصل شدهاند یک میدان الکتریکی در داخل پلاسما بوجود آوریم. این گلوله ها ، ذرات یا بارهای مخالف خود را جذب میکنند و تقریبا بلافاصله ، ابری از یونهای اطراف گلوله منفی و ابری اطراف گلوله مثبت را فرا میگیرند.

اگر پلاسما سرد باشد و هیچگونه حرکت حرارتی وجود نداشته باشد، تعداد بار ابر برابر بار گلوله میگردد، در این صورت عمل حفاظ کامل میشود و هیچ میدان الکتریکی در حجم پلاسما در خارج از ناحیه ابرها وجود نخواهد داشت. این حفاظ را اصطلاحا حفاظ دبای می گویند.

معیارهای پلاسما

طول موج دبای (لاندای دی) باید خیلی کوچکتر از ابعاد پلاسما ( L ) باشد.

تعداد ذرات موجود در یک کره دبای (ND ) باید خیلی بزرگتر باشد.

حاصلضرب فرکانس نوسانات نوعی پلاسما ( W ) در زمان متوسط بین برخوردهای انجام شده با اتمهای خنثی ( t ) باید بزرگتر از یک باشد.

کاربردهای فیزیک پلاسما

- تخلیه های گازی :

قدیمیترین کار با پلاسما ، مربوط به لانگمیر ، تانکس و همکاران آنها در سال 1920 میشود. تحقیقات در این مورد ، از نیازی سرچشمه میگرفت که برای توسعه لوله های خلائی که بتوانند جریانهای قوی را حمل کنند، و در نتیجه میبایست از گازهای یونیزه پر شوند احساس میشد.

- همجوشی گرما هستهای کنترل شده:

فیزیک پلاسمای جدید ( از حدود 1952 که در آن ساختن راکتوری بر اساس کنترل همجوشی بمب هیدروژنی پیشنهاد گردید، آغاز میشود.

- فیزیک فضا:

کاربرد مهم دیگر فیزیک پلاسما ، مطالعه فضای اطراف زمین است. جریان پیوستهای از ذرات باردار که باد خورشیدی خوانده میشود، به مگنتوسفر زمین برخورد میکند. درون و جو ستارگان آن قدر داغ هستند که میتوانند در حالت پلاسما باشند.

- تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک ( MHD ) و پیشرانش یونی:

دو کاربرد عملی فیزیک پلاسما در تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک ، از یک فواره غلیظ پلاسما که به داخل یک میدان مغناطیسی پیشرانده میشود، میباشد.

- پلاسمای حالت جامد :

الکترونهای آزاد و حفرهها در نیمه رساناها ، پلاسمایی را تشکیل میدهند که همان نوع نوسانات و ناپایداریهای یک پلاسمای گازی را عرضه می دارد.

- لیزرهای گازی:

عادیترین پمپاژ ( تلمبه کردن ) یک لیزر گازی ، یعنی وارونه کردن جمعیت حالاتی که منجر به تقویت نور میشود، استفاده از تخلیه گازی است.

- شایان ذکر است که کاربردهای دیگری مانند چاقوی پلاسما ، تلویزیون پلاسما ، تفنگ الکترونی ، لامپ پلاسما و غیره نیز وجود دارد که در اینجا فقط کاربردهای پلاسما در حالت کلی بیان شده است.


کلمات کلیدی: فیزیک جدید
 
ده آزمایش که جهان را متحول کرد
ساعت ٩:٤٠ ‎ب.ظ روز چهارشنبه ٢ خرداد ۱۳۸٦  

نویسنده:رابرت ماتیوز

ترجمه: ع فخریاسرى


1 - هاینریش هرتز و کشف امواج رادیویى

تاریخ: 1888

در سال 1888 یک جرقه سوسوزن در محیط تاریک آزمایشگاهى در آلمان نویدبخش شروع یک انقلاب فنى با ابعادى بى سابقه شد. هاینریش هرتز فیزیکدان 31 ساله در انستیتو فنى کالسروهه یک مدار الکتریکى به وجود آورده بود که در گوشه آزمایشگاهش جرقه زد و او جرقه دیگرى را در گوشه دیگر اتاق درست روبه روى آن مشاهده کرد. هرتز وجود امواج نامریى انرژى الکترومغناطیس را نشان داد که قادرند به سرعت نور حتى در فضاى خالى حرکت کند. وجود این امواج را فیزیکدان اسکاتلندى جیمز کلارک ماکسولى 15 سال پیش از آن پیش بینى کرده بود و از آن زمان تا به امروز به صورت اساس و پایه شبکه جهانى رادیو، تلویزیون و مخابرات دور درآمده است.

2 - استانلى میلگرام و اطاعت از قدرت

تاریخ: 1961

در ژوئن 1961 یک آگهى در روزنامه اى در ایالت کنکتیکات از خوانندگان دعوت به شرکت در یک مطالعه علمى درباره حافظه کرد. آگهى را یک پروفسور 27 ساله روانشناس در دانشگاه ییل به نام استانل میلگرام داده بود، ولى آزمایش مورد نظر واقعاً آن طور که در بادى امر به نظر مى رسید نبود. به کسانى که در این تجربه شرکت داشتند گفته شده بود که موضوع مورد نظر تاثیر تنبیه بر روى یادگیرى است و آ نها را به اتاقى هدایت مى کردند که مردى را در آنجا با سیم هاى داراى الکترود بسته بودند و گفته مى شد مى توانستند شوک هاى دردناکى به او بدهند. سپس به شرکت کنندگان گفته مى شد که فهرستى از واژه هایى که با تداعى به دنبال یکدیگر مى آمدند به صداى بلند بخوانند و هنگامى که شاگرد مورد نظر در بازگویى آن واژه ها دچار اشتباه مى شد با هر اشتباه یک شوک الکتریکى به وى وارد کنند. این کار به کمک کنسولى با کلید هاى مختلف از 15 تا 450 ولت صورت مى گرفت. شرکت کنندگان که با دیوارى از شاگرد جدا شده بودند مى توانستند فریاد هاى ناشى از درد او را در پى هر بار وارد شدن شوک الکتریکى به دنبال اشتباه بشنوند. با بدتر شدن وضع و زجر کشیدن شاگرد مورد نظر بسیارى از شرکت کنندگان معترض شدند ولى دانشمند مسئول در پاسخ تنها مى گفت که آزمایش باید ادامه یابد و 65 درصد آنها هم به این کار ادامه دادند. با بالا رفتن میزان ولتاژ شوک هاى الکتریکى کم کم ضجه ها و فریاد ها تبدیل به سکوتى شوم شدند.

تنها پس از آن که آزمایش به پایان رسید، حقیقت به شرکت کنندگان گفته شد: این شاگرد اصلاً یک هنرپیشه بوده و درد و رنجى در کار نبوده است. میلگرام نشان داد که مى توان مردم عادى را اگر تصور کنند که مى توانند از مسئولیت شانه خالى کنند و آن را به مقامات واگذارند، به زجر دادن افراد غریبه تا حد مرگ تشویق و قانع کرد. در دهه 1960 تجربه میلگرام آب خنکى بود بر خشم ناشى از اعمال نازى ها. همان طور که رسوایى اخیر در مورد نحوه رفتار با زندانیان عراقى نشان داد، تجربه میلگرام هنوز هم اهمیت خود را از دست نداده است.

3 - انریکو فرمى و نخستین واکنش زنجیره اى هسته

تاریخ: 1942

فکر خارج ساختن انرژى مفید از اتم ها را برخى از برجسته ترین دانشمندان جهان از جمله اینشتین بسیار دور از دسترس مى پنداشتند تا آنکه از تجربه اى که مخفیانه در حیاط خلوتى در دانشگاه شیکاگو صورت گرفته بود خبر دار شد؟ در یک روز سرد ماه دسامبر 1942 فیزیکدان ایتالیایى و برنده جایزه نوبل انریکو فرمى کار ساخت نخستین رآکتور اتمى جهان را که تقریباً شکل کروى داشت به اتمام رساند. این رآکتور شامل چندین تن گرانیت و اورانیوم رادیواکتیو به همراه میله هاى مرکزى از جنس کارمیوم بود. اینها طورى طراحى شده بودند که مى توانستند نوترون هاى خارج شده توسط اتم هاى اورانیوم را که هر یک قادرند اتم هاى اورانیوم بیشترى را بشکافند، جمع آورى کنند و بدین ترتیب زنجیره اى از واکنش ها را موجب شوند که بالقوه قابلیت انفجارى دارند. هنگامى که فرمى دستور داد میله هاى کنترل به آرامى خارج شوند تا نوترون ها آنقدر زیاد شوند که بتوانند واکنش زنجیره اى را تداوم بخشند، رآکتور عظیم شروع به تولید نیرو کرد. فرمى گذاشت به مدت چهار و نیم دقیقه این جریان ادامه یابد. نیروى تولید شده به زور بیشتر از نیم وات مى شد، ولى بدین ترتیب ثابت شد که واکنش زنجیره اى واقعى است و مى توان آن را کنترل کرد. نیروى هسته اى هدیه اى بود که او به دنیا داد.

4 - تایید نظریه جاذبه اینشتین توسط ادینگتون

تاریخ: 1919

آلبرت اینشتین صبح روز هفتم نوامبر 1919 از خواب بیدار شد و یک باره کشف کرد که به عنوان درخشا ن ترین دانشمند جهان مورد تحسین همگان است. رسانه هاى جهانى نتایج تجربه اى را منتشر کرده که برترى نظریه جاذبه وى تحت عنوان «نسبیت عام» را بر قانون جاذبه نیوتن با چند صد سال سابقه نشان مى داد. بر طبق «نسبیت عام» جاذبه حاصل منحنى شدن مکان و زمان است که موجب خم برداشتن مسیر اشعه نورى مى شود که از نزدیکى هرجرمى عبور مى کند. آرتور ادینگتون اختر- فیزیکدان از دانشگاه کمبریج بر آن شد که با اندازه گیرى از کسوفى که در تاریخ مه 1919 اتفاق افتاد از ستارگان قابل رویت در نزدیکى خورشید این نظریه را ثابت کند. نظریه اینشتین اثر خم کننده اى در برابر آنچه که از نظریه نیوتن انتظار مى رفت را پیش بینى مى کرد ولى این هنوز بسیار ناچیز بود. یعنى معادل ضخامت یک تار مو که در فاصله 14 مترى ما قرار دارد! ادینگتون پس از ماه ها تحلیل تصاویر برداشته شده از کسوف اعلام کرد که جابه جایى بسیار ناچیزى که در محل ستارگان مشهود است نشان مى دهد که نظریه اینشتین بر نظریه نیوتن پیروز شده است. برخى تاریخ نگاران در آن زمان و بعد ها گفتند که گویا نتایج ادینگتون آن گونه اى که ادعا مى کرد روشن و صریح نبودند و این در حالى است که ادینگتون هیچ گاه تحسین خویش از اینشتین و نظریه اش را مخفى نمى کرد. اندازه گیرى هاى بسیار دقیق تر از آن زمان تاکنون بار ها صحت پیش بینى اینشتین را تایید کرده اند.

5 - آزمایش مایکلسون - مورلى

تاریخ: 1887

اگر در جاده اى با سرعت 70 کیلومتر در ساعت در حرکت هستید و اتومبیل دیگرى نیز با سرعت 70 کیلومتر در ساعت به سمت شما مى آید سرعت نسبى دو اتومبیل چقدر است؟ پاسخ آسان است، این طور نیست؟ 140 کیلومتر عقل سلیم هم این را مى فهمد. با این وجود در سال 1887 آلبرت مایکلسون و ادوارد مورلى نشان دادند که «عقل سلیم» را با شعاع نورى کارى نیست .آنها در پى یافتن «اتر» بودند، ماده اى که گفته مى شد عالم پر از آن است و تنها به خاطر آن است که نور مى تواند در خلا حرکت کند. آنها نتوانستند هیچ اثرى از «اتر» بیابند ولى کشف کردند که نور صرف نظر از آن که بیننده نسبت به آن چگونه حرکت مى کند همواره سرعت یکسانى دارد. این نتیجه گیرى برخى از دانشمندان را بر آن داشت که مطرح کنند تقصیر به گردن ابزار مورد استفاده از آزمایش است و ساختمان اتمى آن با حرکت زمین در فضا دستخوش تغییر مى شود. یک کارمند جوان اداره ثبت اختراعات در سوئیس به نام اینشتین تصور مى کرد که پاسخ این سئوال را مى دانست. او چنین استدلال مى کرد که سرعت نور از جمله سرعت هاى معمولى نیست، بلکه یک ثابت جهانى و براى تمام بینندگان یکسان است. این فکر او را به سمت نظر نسبیت خاص راهنمایى کرد که شامل حال همه چیز از الکترونیک تا mc2 = E مى شد.

6 - دالى گوسفند زاده شده از کلون

تاریخ: 1997

در فوریه 1997 تصویر یک گوسفند بر صفحات نخست روزنامه ها در سرتاسر جهان ظاهر گردید. این گوسفند که نامش دالى بود نخست کلون حیوان بالغ دیگرى بود: رونوشت ژنتیکى کاملى از DNA خارج شده از یکى از سلول هاى یک گوسفند ماده. چند ماه بعد همین تیم دانشمندان از موسسه روسلین در اسکاتلند دو بره دیگر زاده شده از کلون به نام هاى مولى و پولى را معرفى کردند که DNA آنها به وسیله مهندسى ژنتیک از یک انسان منتقل شده بود و لذا شیر آنها حاوى نوعى ماده لخته کننده خون بود که در درمان هموفیلى کاربرد داشت. این نخستین تجربیات همچون گام هاى بزرگى به سمت «داروسازى» به معناى تولید انبوه ترکیبات دارویى سودمند براى انسان توسط حیواناتى که به همین منظور «کلون» شده اند مورد تحسین و تمجید قرار گرفتند. لیکن بعد ها معلوم شد که دالى تنها مورد موفق از میان 300 مورد تلاشى بود که در انستیتو روسلین براى «کلون» کردن جنین حیوانات صورت گرفت. دالى در سال 2003 در حالى که تنها نیمى از عمر طبیعى اش را پشت سر گذاشته بوده درگذشت، در حالى که به دنبال خودنگرانى عمیقى درباره استفاده از تکنیک «کلون» براى خلق همه چیز از موش آزمایشگاهى تا انسان هاى «کامل» بر جاى گذاشت. این نگرانى ها پایایى تجارى آن را نیز زیر سئوال برد.

7 - اوسوالد آورى و DNA

تاریخ: 1944

زیست شناسان فرانک کریک و جیمز وات معمولاً به عنوان کسانى که راز حیات در شکل DNA موجود در سلول هاى زنده را کشف کردند شناخته مى شوند لیکن «سرنخ اساسى و مهمى که آنها را متوجه اهمیت DNA ساخت نتیجه آزمایشاتى بود که اوسوالد آورى و همکارانش در دانشگاه راکفلر در نیویورک انجام داده بودند. سال ها دانشمند DNA را به این دلیل که بیش از اندازه براى توضیح تنوع خیره کننده جهان ساده است رد مى کردند و در عوض بر این گمان بودند که این پروتئین ها هستند که اطلاعات ژنتیکى را منتقل مى کنند. لیکن آورى و همکارانش نشان دادند که همه در اشتباه بودند. در سال 1944 پس از سال ها آزمایشات توان فرسا بر روى باکترى ها نشان دادند که انتقال DNA از یک میکروب به دیگر موجب مى شود که صفاتش نیز منتقل شود. خیلى ها با این شواهد به شدت مخالفت کردند ولى کریک و واتسون بر آن شدند که این رشته حیاتى را دنبال مى کنند که حاصل آن جایزه نوبلى بود که نصیب این دو گردید. جالب است که بدانیم تنها نتیجه مخالفت منتقدین محروم شدن آورى از جایزه نوبل بود!

8 - جورج مندل و وجود ژن ها

تاریخ: 1857

نظریه داروین درباره تکامل در درک ما از زندگى بر روى زمین تحولى به وجود آورد. لیکن این فکر که چگونه صفات در میان نسل ها انتقال مى یابد همواره فکر داروین را مشغول مى داشت. در سال 1857 یک کشیش و راهب اتریشى به نام جورج مندل پاسخ این پرسش را یافت. او با آزمایشات دقیقى بر روى گیاهان نشان داد که هر دو والد گیاه به یکسان صفاتى را به فرزند خویش منتقل مى کنند و همین قانون بسیار ساده است که تنوع گسترده اى از ترکیبات بین صفات را موجب شده است. از این مهم تر او کشف کرده که صفات با یکدیگر ترکیب نمى شوند بلکه متمایز از یکدیگر باقى مى مانند. گیاهان بلند و کوتاه همواره گیاهانى را به وجود مى آورند که همواره در یکى از این مقوله قرار مى گیرند و نه بین آن دو. این نشان داد که صفات مذکور به صورت دستجات مشخص و مجزایى به ارث مى رسند که بعدها آنها را ژن خواندند لیکن جالب اینجاست که اهمیت یافته هاى مندل تا اوایل سده بیستم ناشناخته باقى ماند.

9 - ادوارد جنر و واکسیناسیون

تاریخ: 1796

در سال 1980 «سازمان جهانى بهداشت» بیانیه شگفتى آورى را منتشر ساخت. آبله بیمارى ویروسى که زمانى سالانه یک میلیون تن را به هلاکت مى رساند از کره زمین محو شده بود. نخستین پیروزى کامل و تمام عیار بر یک بیمارى همه گیر نتیجه مستقیم شاید مهم ترین آزمایشى بود که تاکنون صورت گرفته است. این آزمایش دویست سال قبل توسط پزشکى اهل گلوکستر شایر صورت گرفت. قرن ها بود که پزشکان در آسیا متوجه شده بودندکسانى که در معرض بیمارى آبله بودند، گاه مى توانستند در برابر آن محافظت شوند. در اوایل سده هجدهم این فکر توسط بانو مرى ورتلى مونتاگو، همسر دیپلماتى در ترکیه به انگلستان آورده شد. وى طرفدار «آبله اى» کردن عمدى مردم با استفاده از مقدار بسیار کمى از بافت آلوده بود. اگرچه این شیوه تا اندازه اى موثر بود ولى هنوز از هر هشت نفر که مبادرت به این کار مى کردند یکى به خاطر ابتلا به آبله کشته مى شد. جنر در فکر آن بود که ببیند مى توان مردم را با قرار گرفتن در معرض آبله گاوى که بیمارى ظاهراً مرتبط با آبله انسانى و بى ضرر است در برابر بیمارى آبله انسانى محافظت نمود. در 14 مه 1796 جنر مواد آلوده به آبله گاوى را وارد بریدگى روى بازوى کودک هشت ساله اى به نام جیمز پیپس نمود. پس ازگذشت ده روز پیپس دچار تب خفیف و سپس تاول هاى چرکى شبیه آبله گردید. سپس در اول جولاى جنر کودک را «آبله اى » نمود که حاصل آن بود که به هیچ وجه دچار بیمارى و عوارض آن نشد.

ظرف چند سال «واکسیناسیون» (که در لاتین از لغتى به معناى گاو گرفته شده) در انگلستان و خارج از آن کاملاً رواج یافت. این که دقیقاً واکسیناسیون چه مى کند تا زمان پى بردن به سیستم ایمنى ناشناخته باقى ماند. امروز مى دانیم که سلول هاى این سیستم توسط واکسن آموزش مى بینند تا بتوانند هرچه سریع تر مهاجمین را پیدا کنند. جنر خود بر این باور بود که این موضوع به هر حال به تعامل بین بدن و آنچه که او «ویروس» آبله گاوى مى خواند مربوط مى شد. در واقع واژه ویروس که امروز هم به کار مى بریم توسط ادوارد جنر ابداع گردید.

10 - پاستور و میکروب

تاریخ: 1860

در سال 1860 شیمیدان برجسته فرانسوى لویى پاستور مبادرت به انجام آزمایشى با استفاده از لوله هایى با اشکال عجیب و غریب نمود که نه تنها تصورات قرون وسطایى در مورد حیات را کنار زد بلکه علت حقیقى بیمارى ها را نیز آشکار ساخت. قرن ها تصور مى کردند که حیات خود به خود از ماده مرده مثل گوشت در حال فساد به وجود مى آید. پاستور این تصور را خیالى بیش نمى دانست در عوض بر این باور بود که آنچه که ما مى بینیم در واقع آثار ناشى از میکروب هاى غیرقابل دیدن یا به اصطلاح ژرم در هواست.

او براى اثبات این نظر خویش لوله هاى آزمایش را پر از شیره گوشت پخته و جوشیده شده کرد که هریک تنها از طریق لوله اى به شکل S با هواى بیرون رابطه داشت. برطبق نظریه ایجاد خود به خودى حیات این اتفاق باید پس از مدت کوتاهى به شکلى معجزه آسا رخ دهد. ولى پس از ماه ها انتظار چنین اتفاقى رخ نداد. این براى پاستور کاملاً معنى دار بود. جوشاندن موجب کشته شدن هر ژرمى که در شیره گوشت وجود داشت شد و ژرم هاى جدید نیز به دلیل دهانه هاى لوله اى S مانند نتوانستند خود را به آنجا برسانند.

طرفداران ایجاد خود به خودى حیات کوشیدند با این ادعا که جوشاندن به هر صورت و به هر نحوى آن «نیروى حیاتى» اسرارآمیز موجب بروز حیات را از میان برده موضوع را پاسخ دهند لیکن پاستور جلوتر از آنها بود. او بعضى از دهانه هاى شیشه اى S شکل را شکست و منتظر ماند. بر طبق نظریه ایجاد خود به خودى حیات هیچ اتفاقى نباید مى افتاد چون نیروى حیات مرده بود. ولى شیره گوشت به تدریج کدر شد چه دیگر مانعى بر سر راه میکروب ها براى رسیدن به محتویات درون لوله هاى آزمایش نبود. پاستور ثابت کرد که نیروى حیات در واقع افسانه اى بیش نیست. از سوى دیگر آزمایش وى مبین قدرت میکروب هاى غیرقابل دیدن نیز بود. او بلافاصله از این کشف خویش در عمل استفاده کرد و با این کار صنعت ابریشم فرانسه با ابداع آزمونى براى یافتن کرم هاى ابریشم آلوده به این ژرم ها سود بسیار برد.


کلمات کلیدی: فیزیک آزمایشگاهی