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
 
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
 
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
 
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