پیشگفتار:

اینکه نیوتن با مشاهده سقوط سیب، قانون جهانی گرانش را کشف کرد، داستانی خیالی بیش نیست. اما اگر گفته شود که نیوتن تنها کسی بود که وجه مشترک سقوط سیب و گردش ماه به دور زمین را درک کرد، واقعیتی انکار ناپذیر است. اندیشه های مربوط به قانون جهانی گرانش، سالها قبل از تولد نیوتن نیز وجود داشت و برخی نظریه های ارائه شده توسط دیگر فیزیکدانان با دست آورد نیوتن، تنها گامی فاصله داشت و آن ذره ای فرض کردن زمین و خورشید بود. و این گام مهم را نیوتن برداشت.

روند مشابهی در پیدایش مکانیک کوانتوم و نسبیت نیز مشاهده می شود. زمینه های فکری نسبیت را می توان در کارهای لورنتس مشاهده کرد و آنگاه خواهیم دید که چگونه انیشتین گام نهایی را برداشت و با نفی دستگاه مطلق اتر، انسان را با دنیایی جدید آشنا کرد که در آن فضا مستقل از ماده و زمان تصوری غیر واقعی بیش نیست. مکانیک کوانتوم نیز آنطور که ماکس پلانک ارائه داد بود، قادر به توجیه پیدیده های میکروسکپی نبود و چند گام مناسب توسط انیشتین، بور، کمپتون و دوبروی و ... برداشته شد تا سرانجام توسط شرودینگر، دیراک و فینمن و ... مکانیک کوانتوم جدید شکل گرفت. با این وجود هنوز مکانیک کوانتوم نیاز بکارهای زیادی دارد تا بتواند مشکلات و ابهامات موجود در فیزیک ذرات را برطرف کند.  

کتاب حاضر برای مشخص کردن این گامها و توضیح نحوه ی اندیشیدن به پدیده های فیزیکی به رشته تحریر در آمده است. هرچند که سعی شده رویدادهای تاریخی فیزیک در تحریر کتاب فیزیک از آغاز تا امروز نیز مد نظر قرار گیرد، اما این کتاب، تاریخ فیزیک نیست. اما چنان به روند تکامل علم فیزیک توجه شده است که زمینه رشد اندیشه هایی منجر به کشفیات فیزیکی تشریح گردد.

بحث های فلسفی در کنار رویدادهای تاریخی مطرح شده تا فلسفه ی علم فیزیک، زینت بخش محتوای علمی کتاب گردد. با این وجود نمی توان کتاب را فلسفی قلمداد کرد. درک عمیق دانش فیزیک، بدون توجه به روند تاریخی و نگرشهای فلسفی آن، از جذابیت این دانش بنیادی می کاهد. به همین دلیل هر جا که لازم دیده شد، محتوای علمی کتاب با تاریخ و فلسفه فیزیک در هم آمیخته شده است تا زوایای تاریک و مبهم فیزیک برای خواننده روشن گردد.

کتاب در سطحی تهیه شده است که برای همه ی گروه های سنی با هر پایه ای از معلومات فیزیکی، مفید واقع شود. با این وجود کتاب حاضر برای دانشجویان دوره کارشناسی رشته های فیزیک، ریاضی و مهندسی مناسب تر است. تلاش شده جهت گیری مطالب کتاب بگونه ای باشد که انگیزه پژوهش دانشجویان و دانش آموزان عزیز را تقویت کند. 

اگر دانشجویان و دانش آموزان عزیز مطالب این کتاب را متناسب با مطالب درسی انتخاب و مطالعه کنند، مطالب کتب درسی بیشتر قابل لمس و درک خواهد شد. علاوه بر آن خواننده کتاب درگیر اندیشه های منجر به نظریه های علمی می شود و پس از مدتی می تواند موشکافانه نظریه های فیزیکی را با نگاهی نقادانه مورد مطالعه قرار دهد.  

هریک از فصول کتاب تکمیل کننده فصل قبلی است، بنابراین انتظار دارد کتاب مانند یک کتاب داستان مطالعه شود تا پیوستگی و ارتباط نظریه های فیزیکی و اهمیت آنها مشخص شود. در این صورت خواننده مشاهده خواهد کرد که هیچ نظریه ای کامل نیست و هر نظریه جدیدی با اشکالات و ابهامت خاص خود رو به رو است که زمینه اندیشه و پژوهشهای بعدی را فراهم می سازد.

در پایان لازم است از معاونت پژوهشی دانشگاه تهران، بویژه جناب آقای دکتر فروزبخش که با مساعدت خویش، تدوین و تکمیل کتاب را امکان پذیر کردند، تشکر و قدردانی شود. همچنین از بذل توجه جناب آقای دکتر سید مصطفی علوی ریاست صندوق حمایت از نوخبگان که انتشار کتاب را مورد حمایت قرار دادند، تشکر می شود.

امید است این کتاب زمینه انتشار آثار ارزشمند و غنی تری را فراهم کند. در هر صورت آرزومند است این گام کوچک مورد قبول جامعه ی علمی کشور عزیزمان قرار گیرد.

همچنین از خوانندگان عزیز تقاضا می شود نقطه نظرهای خود را همراه با ذکر نارسایی های کتاب یاد آور شوند تا در چاپ های بعدی رعایت گردد.

با آرزوی توفیق و بهروزی

فهرست مطالب:

پیشگفتار

فصل 1 فیزیک پیش از قرون وسطی  21

1- 1  فیزیک ماقبل تاریخ  22

1-2 فیزیک یونانی  26

1-3  بن بست فیزیک یونانی 33

پیش از آن که یونانیان نظریه کروی بودن زمین را مطرح کنند، اکثر مردم معتقد بودند که زمین مسطح است. مثلا هندوها معتقد بودند که زمین مسطح بر شانه 4 فیل قرار دارد که به نوبه خود بر پشت چهار لاک پشت شناور در اقیانوسی بی کران ایستاده اند. مصریان باستان زمین را رب النوع کب می پنداشتند که به پهلو دراز کشیده و الهه نات، تجسم خورشید، بر روی آن خیمده است.

 ستاره شناسی باستانی

مردمان اولیه از آسمان به عنوان قطب نما ، ساعت و تقویم استفاده می‌کردند. طلوع و غروب خورشید به ترتیب نمایانگر شرق و غرب بود. صورتهای کره ماه ، یک ماه را معین می‌نمود و ماه به همراه حرکت سالانه خورشید در آسمان تقویم را پدید می آورند. با شروع تبادلات تجاری میان فرهنگها ، موقعیت ستارگان برای راهنمایی دریانوردان بکار گرفته شد.

آثار مشاهدات آسمان حتی از دوران ما قبل تاریخ ، یعنی قبل از آغاز ثبت رخدادها بر جای مانده است. تصور می‌شود که سنگهای قائم یافته شده در برخی از نقاط اروپا، اولین رصدخانه‌ها باشند و این سنگها برای نشان دادن موقعیت خورشید و ماه در برخی از اوقات سال ، نظیر اعتدالین ، چیده و مرتب شده‌اند. احتمالا مراسم مذهبی در این روزها برگزار می‌شد، هر چند که کاربرد دقیق سنگها به درستی معلوم نیست.

یونانیان با تقسیم بندی گنبدهای آسمان برای هر یک از سیارات گنبدی خاص قائل بودند. نخستین کشفیات فیزیکی هنگامی صورت گرفت که تلاش گسترده ای برای برهانی کردن ریاضیات آغاز شده بود. در این زمان الکتریسیته و مغناطیس جدا از یکدیگر کنجکاوی انسان را برانگیخت. ذرات تشکیل دهنده ی جهان تقسیم بندی شد و نظریه ی اتمی ماده مطرح و اتر به عنوان عنصر کامل، این تقسیم بندی را تکامل بخشید. کروی بودن شکل زمین بطور مستدلل اثبات و حرکت دوار کائنات به دور زمین که تصور می شد دایره منحنی کامل است، از بدیهیات محسوب می شد. منطق قیاسی کشف گردید و تمام افکار و نظریات علمی را تحت تاثیر خود قرار داد. استفاده از هندسه در نجوم آغاز شد. فاصله ی زمین تا ماه و خورشید محاسبه و نظریه زمین مرکزی زیر سئوال رفت. اما همچنان اعتقاد عموم بر آن بود که زمین مرکز جهان است

دستگاه زمین مرکزی تحت تاثیر تقدس دایره ها حرکت پیچیده ی سیاره ها را با استفاده از مدارهای تدویر توجیه کرد. مکانیک یونانی بر اساس نظریه زمین مرکزی بخوبی علت سقوط اجسام به طرف زمین را توجیه می کرد. یونانیان حرکت مستقیم نور را بیان و به تشریح خواص آینه ها پرداختند. اما منطق قیاسی چنان بر افکار علمی آنان تسلط داشت که فیزیک یونانی را به بن بست کشید

دستگاه زمین مرکزی بطلمیوس

بطلمیوس در حدود 150 میلادی رساله ی پر نفوذی به نام سونتارکنس ماتماتیکا یا مجموعه ی ریاضی نوشت. هر چند این رساله بر نوشته های هیپارخوس مبتنی است، اما به خاطر فشردگی و زیبایی چشمگیرش مورد توجه قرار گرفت. شارحین بعدی برای متمایز ساختن آن از آثار کم اهمیت تر صفت مجیسته یا مجسطی به معنی بزرگترین را به آن منسوب کردند. مترجمین عرب زبان حرف تعریف ال را پیشوند کردند و آنرا المجسطی نامیدند

بطلمیوس در المجسطی پدیده هایی را بررسی می کند که بستگی به کرویت زمین دارند. سپس دستگاه زمین مرکزی نجوم را طرح ریزی می کند که قریب به 1500 سال مورد پذیرش عموم بود. المجسطی قدیمی ترین کوشش مجدانه در راه تبیین حرکت شناسی منظومه شمسی است. اما در توجیه حرکتهای پیچیده ی سیاره ها که فاصله ثابتی با زمین ندارند، روی مدارهای دایره ای عاجز بود. بنابراین مفهموم مدارهای تدویر را بکار گرفت

طبیق این نظریه هم سیاره روی دایره ای حرکت می کند که مرکز آن به نوبه ی خود روی دایره ای به مرکز زمین حرکت می کند. بطلمیوس مجبور شد به انواع دیگر مدار هم توسل جوید، اما هر کدام از اینها نیز دایره تقدس خود را به عنوان شکل اصلی حرکات سیاره ها حفظ کرد.

یونانیان دانشی را که با زندگی روزمره ارتباط داشت کم ارزش می شمردند. ولی در ریاضیات موفقیت چشمگیری کسب کردند. ریاصیاتی که به اعتقاد آنان بر اساس یک سری اصول بدیهی شکل گرفته بود و سایر قضایا را بوسیله منطق قیاسی استنتاج می کردند. یونانیان چنان دلباخته ی آن شدند که قیاس  را تنها وسیله ی معتبر کسب دانش می پنداشتند. اما می دانستند. که قیاس برای پاسخگویی به برخی از پرسش ها کافی نیست. مثلاً فاصله دو شهر را بوسیله قیاس نمی توانستند به دست آورند، بلکه باید اندازه گیری می کردند. هرگاه که لازم بود، طبیعت را مشاهده می کرند، ولی این امر با رقبت انجام نمی گرفت. در هیچ جا ثبت نشده که ارسطو دو سنگ ناهم وزن را بسوی زمین رها کرده باشد تا نظر خود را بیازماید. آزمایش کردن به نظر یونانیان کاری بیهوده و معارض با زیبایی قیاس خالص بود و از ارزش آن می کاست

فصل 2 نگهداری و تکامل علوم یونانی 41

2-1 عصر تاریکی و دوره ی انتقال اول 41

2-2 فیزیک در ایران 43

2-3 ابوعبدالله محمّد بن موسی خوارزمی  44

2-4 ابن سینا  46

2 – 5 ابن هيثم  49

2 - 6 ابوریحان بیرونی  52

2 – 7 خیام  56

2 – 8 خواجه نصیرالدین طوسی  58

خلاصه:

هنگامیکه اروپا در ظلمت جهل و بی خبری بسر می برد، دانشمندان اسلامی و در راس آنان اندیشمندان ایرانی اندوخته های علمی یونانیان را جمع آوری و حراست کردند و با دانش و اندیشه های ایرانیان باستان درآمیختند. تعاریف و اصول هندسه ی اقلیدسی توسط ایرانیان مورد بررسی و نقد قرار گرفت. مثلثات کروی توسط فضلای ایرانی ابداع و دستگاه اعداد با کشفیات هندیان تکمیل و بوسیله ی بازرگانان به اروپا برده شد. از قرن یازدهم میلادی به بعد بعضی از کشیشان به جامه ی طلاب مسلمان در می آمدند و کتبی را که با دقت محافظت می شد با خود به غرب می بردند و ترجمه می کردند

در قرن شانزدهم دستگاه خورشید مرکزی منظومه شمسی تدوین و مسیر حرکت سیارات با دقت رصد شد. در نتیجه تقدس دایره ها در هم شکسته شد و مدار بیضوی حرکت سیارات مورد قبول واقع شد. روش استقرایی توانی نو یافت و به مقابله با قیاس برخاست و مسیر جدیدی برای اندیشه های علمی بوجود آمد.

آزمایش کردن قباحت خود را از دست داد و اجسام از بلندی رها شدند تا زمان سقوط آنها بطور تجربی بررسی شود. قوانین سقوط آزاد اجسام به کل جهان تعمیم داده شد شد و قانون جهانی گرانش کشف گردید. علت حرکت سیارات به دور خورشید صورت بندی شد. اختراع و تکمیل تلسکوپ انسان را با دنیایی رو به رو ساخت که قبل از آن هرگز تصورش نمی رفت. آنگاه ناچیزی زمین در مقابل کاینات به اثبات رسید

استفاده از نماد گرایی در ریاضیات آغاز و هندسه تحلیلی به عنوان ابزاری قدرتمند برای تجسم و تکمیل کشفیات حساب دیفرانسیل و انتگرال به کار گرفته شد. ماهیت فیزیکی نور با آزمایش مورد سئوال قرار گرفت. در نتیجه نظریه ی دانه ای و نظریه ی موجی بودن نور برای توجیه آن ابداع شد. عنصر پنجم ارسطوئی اتر بیش از پیش بکار گرفته شد. اما این بار نه به عنوان یک عنصر، بلکه به عنوان زمینه ای برای انتشار نور و توجیه حرکت نور در فضا و انتقال نیروی گرانش و تصور می شد که کالبد فضا از اتر انباشته شده است.

ایرانیان در نگاهداری علوم یونانی تلاش زیادی مبذول داشتند و در تکامل آن نیز نقش بسزایی داشتند. اما متاسفانه این تلاش ها با رکود چند صد ساله مواجه شد. با این وجود با انتقال علوم از کشورهای اسلامی به غرب، این دست آورده ها تقریباً حفظ شد. هنگامیکه ایران در رکود علمی به سر می برد، اروپا در حال بیدار شدن و روی آوردن به علوم بود. با این وجود هیچ مورخی نم تواند نقش ایرانیان را در نگاهداری و تکامل علوم نادیده بگیرد.

ابوریحان بیرونی

خیام

خواجه نصیرالدین طوسی

فصل 3 زمینه ی رنسانس علمی در اروپا  67

3 – 1 ظهور و پیدایش رنسانس 68

3 – 2 فیبوناتچی و بوزجانی‌  69

3- 3  نصیرالدین طوسی ، کوپرنیک و مساله حرکت زمین  71

3 – 4 نیکولاس کوپرنیک  72

3 – 5  پس از کوپرنیک  76

3- 6 تیکو براهه 77

3 – 7 یوهان کپلر 78

3 – 8 قوانین کپلر 80

3 – 9 تاثیر قوانین کپلر بر اندیشه انسان 83

خلاصه:

زمینه ی رنسانس علمی در اروپا

ارتباط غربیان با جوامع اسلامی بویژه از طریق بازرگانان موجب توجه آنان به آثار علمی اندیشمندان اسلامی شد. در این دوره مسير برعكسي آغاز شد بدين ترتيب كه چون بسياري از آثار نجومي يونان باستان از بين رفته بود و فقط ترجمه عربي آن باقي مانده بود به لاتين ترجمه شدند. در اين دوره بود كه تعداد زيادي از اصطلاحات عربي به زبان هاي اروپايي راه پيدا كرد.

در حدود سال 950 میلادی ژربر متولد شد، وی در مدارس مسلمانان اسپانیا درس خواند و در مراجعت ارقام عدد نویسی عربی را با خود به اروپای مسیحی برد. ژربر مورد سوء ظن معاصرانش قرار گرفت و متهم شد که روح خود را به شیطان فروخته است. با این حال ژربر به تدریج در کلیسا ترقی کرد و سرانجام در سال 999 به مقام پاپی انتخاب شد. بدین ترتیب ورود آثار کلاسیک علوم یونانی و اسلامی به اروپای غربی شروع شد

در حدود 1120 میلادی یک راهب انگلیسی به نام آدلارد باثی که در اسپانیا درس خوانده بود، خود را در جامه یک طلبه در آورد و به گنجی از دانش که شدیداً مورد حفاظت بود دست رسی پیدا کرد. وی اصول اقلیدس و جداول خوارزمی را به لاتین ترجمه کرد. قرن دوازدهم میلادی به قرن ترجمه آثار و فرهنگ و دانش اسلامی بدل گشت. کوشاترین مترجم این عصر گراردوی کرمونایی بود که بالغ بر 90 اثر عربی را به لاتین ترجمه کرد. مجسطی، اصول اقلیدس و جبر خوارزمی از آن جمله بودند

در حدود سال 1250 میلادی، اکوایناس اساس استدلال و منطق ارسطو را بکار برد. وی بر اساس اصول ارسطویی سیستم تومیسم Tomism را بنیاد نهاد که در حال حاضر نیز پایه الهیات کلیسای کاتولیک رومی است. دیگران نیز به زودی از احیای اندیشه های یونانی در زمینه های دنیوی استفاده کردند. مهمترین کار در این زمینه با انتشار کتاب کوپرنیک صورت گرفت که در آن یکی از بدیهیات اختر شناسی، یعنی دستگاه زمین مرکزی منظومه شمسی رد شد.

پی آمدهای اندیشه های کوپرنیک

آنچه که کوپرنیک انجام داد زمینه ساز بزرگترین انقلاب علمی فکری علیه نفوذ اعتقاد بر حریم علوم تجربی شد. احتمالاً خود کوپرنیک نیز از واکنش طرفداران فیزیک

پس از کوپرنیک

واکنش کلیسا در برابر آراء کوپرنیک خشمگینانه بود. نقل است مارتین لوتر – پایه‌گذار مذهب پروتستان- به محض آگاه شدن از نظریه با آن به مخالفت برخاسته، گفته بود: «فقط احمق‌ها نجوم را وارونه می‌کنند. طبق نص کتاب مقدس، این خورشید بود نه زمین که یوشع فرمان داد بایستد.» به باور لوتر و همفکرانش، نظریه کوپرنیک نه فقط مخالف عبارات کتاب مقدس بود، بلکه جایگاه رفیع آدمی را – که به عنوان برترین آفریدگان باید در مرکز جهان هستی قرار داشته باشد- از او می‌گرفت.

بر خلاف انتظار در کشورهای پیرو کلیسای کاتولیک رم تا مدتها هیچ کس به نظریه کوپرنیک اعتراض نکرد. بی تردید اهدای کتاب به پاپ پل سوم و پشتیبانی کاردینال پرنفوذی چون یوهان ویدمانشتات‌ از آن در ساکت کردن هر ندای اعتراضی نقش داشت. با این وجود در اواخر قرن شانزدهم اوضاع به تدریج رو به تغییر گذاشت؛ راهبی انقلابی به نام جوردانو برونو که می‌خواست مسیحیت را با مذهب خورشید پرستی مصریان باستان درآمیزد، نظریه کوپرنیک را جالب توجه یافت و تصمیم به حمایت از آن گرفت. با محکوم شدن برونو در دادگاه مذهبی، هر چه که او در نوشته‌هایش مطرح کرده بود نیز مشکوک و ضد دین تلقی شد و این آغاز مخالفت گسترده کاتولیک‌ها با نظریه کوپرنیک بود که تا زمان اثبات کامل آن در قرن هفدهم ادامه یافت

تیکو براهه

فصل 4 گسترش نوآوری و مقاومت جزم اندیشان 87

1 – 4 فلسفه ی علم 88

  2- 4شجاعت نوآوران و مقاومت جزم اندیشان 90

4 -3  رنه دکارت 95

4 – 4 آماده شدن زیر ساخت های مکانیک کلاسیک  97

4 – 5 تجربه گرایی در علوم تجربی  100

4 – 6 روش استقرايی و حساب ديفرانسيلی  105

خلاصه:

گسترش نوآوری و مقاومت جزم اندیشان

مقدمه:

قبل از آنکه اندیشه ی آدمی شکوفا گردد و به بهره وری رسد، باید شرایط آن فراهم گردد. در جو اختناق آلود قرون وسطی چنین شرایطی فراهم نبود. به همین دلیل تولیدات فکری تقریباً به صفر رسید. برای رشد و پیشرفتهای علمی نخست باید زمینه ی فلسفی آن در جامعه فراهم باشد، به عبارت دیگر فلسفه های مورد قبول و حمایت جامعه بایستی پذیرای نظریه های جدید باشند تا جامعه شاهد شکوفایی اندیشه و تولیدات آن باشد. جزم گرایی قرون وسطی بزرگترین عامل بازدارنده کشفیات علمی و مانع شکوفایی ذهن پویای آدمیان بود. ورود اندیشه ها و دیدگاه های علمی دانشمندان اسلامی بویژه دانشمندان ایرانی به غرب، ضربه ی مهلکی بر جزم اندیشی برخی از جوانان کنجکاو اروپایی وارد کرد و زمینه ی دگراندیشی را فراهم ساخت.

نگرش متفاوت دانشمندان اسلامی و برخورد نقادانه ی ایشان با فیزیک ارسطویی جسارت جوانان مستعد اروپایی را تحریک کرد تا جهان را نه از دید ارسطو، بلکه با تفکر و بینش مورد کنکاش قرار دهند. نتیجه ی این نگرش جدید به طبیعت آن بود که فلسفه علمی مورد پذیرش عامه ی مردم و در راس آن کلیسا را زیر سئوال برد. سئوالات روز افزون اندیشمندان در بستر جامعه نیز پخش شد و افراد بیشتری را آماده ساخت تا به جهان بگونه ای دیگر بنگرند. بهمین دلیل در مدت کوتاهی دانشمندان بسیاری پیدا شدند که دیگر حاضر نبودند فیزیک ارسطویی و دیدگاه علمی کلیسا را بپذیرند. و این نقطه ی آغاز شکوفایی علمی در اروپا و زمینه ساز تولد فیزیک کلاسیک بود.

فلسفه ی علم:

فلسفه توضیحی است برای بی نظمی طبیعی مجموعه ای از تجارب یا دانسته ها. بنابراین برای هر مجموعه ای از تجارب فلسفه ای وجود دارد. هرچند ممکن است بدون توجه به فلسفه ی یک دانش، آن را آموخت و به کار برد، اما درک عمیق و تعمیم آن دانش بدون توجه به فلسفه اش امکان پذیر نیست. در واقع بر عهده ی فلسفه ی علم است که حوزه ی فعالیتهای یک دانش از جمله فیزیک، اهداف و اعتبار گزاره های آن را تعیین کند و روش به دست آوردن نتایج را توضیح دهد. این فلسفه ی علم است که نشان می دهد هدف علم، پاسخ به هر سئوالى نيست. علم تنها مى تواند آنچه را كه متعلق به حوزه واقعيت هاى فيزيكى (آزمون هاى تجربى قابل سنجش) است، پاسخگو باشد. علم نمى تواند در مورد احكام ارزشى كه متعلق به حوزه اخلاق و پيامدهاى يك عمل است، نظرى ابراز دارد.

آماده شدن زیر ساخت های مکانیک کلاسیک

اگر بخواهیم به کشف قانون جهانی گرانش توسط نیوتن به داستان سقوط سیب بسنده کنیم که این قانون در یک لحظه به ذهن نیوتن رسید، کاری غیر علمی و خرافی انجام داده ایم. ابداع و انتشار معادلات حرکت توسط نیوتن، ریشه در پژوهشهایی داست که قدمت آن به حیات انسان بر عرصه ی خاک می رسد. این روند پژوهشی با فراز و نشیب هایی (گاه خشن و غیر انسانی) همراه بود و خمیر مایه ی آن توسط اندیشمندان بسیاری فراهم شد و سرانجام توسط نیوتن به منصه ی ظهور رسید. بنابراین قبل از نیوتن زیر ساخت های مکانیک کلاسیک آماده شده بود. علاوه بر آن جامعه ی اروپا از نظر فلسفی و اعتقادی آماده ی پذیرش آن بود. نیوتن معادلات حرکت خود را روی این زیر ساخت ها فرمولبندی کرد. این نگرش بهیچ.جه از ارزش کار بزرگی که نیوتن انجام داد نمی کاهد، اما نقش سایر اندیشمندان را نیز یادآور می شود.

سازندگان زیر ساخت مکانیک کلاسیک

دستگاه خورشید مرکزی زمین کوپرنیک، بیش از آنکه یک نظریه علمی باشد، زمینه ی دگر اندیشی را فراهم آورد و بنیان فلسفه جهان بینی کلیسا را به چالش کشید. هرچند قریب به 100 سال نسبت به آن توجه چندانی نشد، اما هنگامی که مورد توجه قرار گرفت، نظام اندیشه ی علمی را دگرگون ساخت.  در نمودار زیر سالها و سرخط نظریه ها آورده شده تا با مقایسه ی آنها روند شکل گیری بنیان اندیشه های مکانیک کلاسیک مشخص شود.

فصل 5 مفاهیم بنیادی فضا و زمان 109

5 – 1 فضا چیست؟  109

5 – 2 سیر تحول تاریخی مفهوم فضا 111

5 – 3  زمان 114

5 – 4  زمان فیزیکی  116

5 – 5 اشکال مفهوم فیزیکی زمان 120

5 – 6 زمان زیست شناختی  122

5 – 7 زمان اسطوره‌ای و زمان مدرن

مفاهیم بنیادی فضا و زمان

بررسی و شناخت پدیده های فیزیکی و روابط بین آنها بدون توجه به مفاهیم  و درک شهودی از فضا و زمان جندان مانوس به نظر نمی رسد. مفهوم و درک فضا و زمان نیز مانند سایر کمیت های فیزیکی روندی پویا دارد و در طول تاریخ دستخوش تغییرات زیادی شده است. بویژه بعد از نسبیت مفاهیم فضا و زمان و درک بشر از آنها دچار دگرگونی بنیادی شد. البته در اینجا نمی خواهیم مسئله ی فضا-زمان را مورد بررسی قرار دهیم، تنها هدفمان از ارائه ی این فصل این است که زمینه ی آشنایی با نگرش فلسفی و علمی نسبت به فضا و زمان فراهم گردد تا بعد ازبیان نسبیت فضا-زمان مورد بررسی قرار گیرد. همجنین این مطالب قبل از قوانین نیوتن آورده شده است تا زمینه ی مطرح شدن دیدگاه منطقی نیوتن نسبت به فضا و زمان مطلق فراهم گردد.

فضا چیست؟

فضا (Space) واژه‌ای است كه در زمینه‌های متعدد و رشته‌های گوناگون از قبیل فلسفه، جامعه‌شناسی، معماری و شهرسازی بطور وسیع استفاده می‌شود. لیكن كاربرد فراوان واژه فضا به معنی برداشت یكسان از این مفهوم در تمام زمینه‌های فوق نیست. بلكه تعریف فضا از دیدگاه‌ها و رشته های مختلف و در موقعیت های متفاوت قابل بررسی است. مطالعات نشان می‌دهد با وجود درك مشتركی كه به نظر می‌رسد از این واژه وجود دارد، تقریباً توافق مطلقی در مورد تعریف فضا در مباحث علمی به چشم نمی‌خورد و این واژه از تعدد معانی نسبتاً بالایی برخوردار است و تعریف مشخص و جامعی وجود ندارد كه دربرگیرنده تمامی جنبه‌های این مفهوم باشد. از این رو در این یادداشت به ذکر برخی کلیات در مورد مفهوم فضا بسنده می شود.

 زمان فیزیکی

 در فیزیک، زمان با دو روش متفاوت تعریف می شود:

الف - روش ترمودینامیکی: این روش را برای نخستین بار فیزیکدانانی مانند کلوین و سلسیوس که به مفهوم دما و تبادلات گرمایی علاقمند بودند، بنیان نهادند. اما شکل پخته و امروزین آن را در آثار اندیشمندانی مانند بولتزمان می بینیم.

تعریف ترمودینامیکی زمان، بر الگوهایی از رفتار مبتنی است که در سیستمهای ساده دیده می شود. بخش مهمی از سیستمهایی که در پیرامون ما وجود دارند، نظامهایی ساده هستند که از شمار زیادی از عناصر به نسبت ساده تشکیل یافته اند. عناصری که رفتارشان تقریبا تصادفی به نظر می رسد، اما برآیند رفتارهای سطح خردشان بر مبنای قواعدی کلان پیش بینی پذیر است. بررسی تحولات انرژیایی این سیستمها، ستون فقرات علم ترمودینامیک را تشکیل می دهد.

 زمان زیست شناختی

 سیستم زنده، نظامی است که در زمان و مکان امتداد دارد. در نتیجه برای تنظیم رفتارهای خویش و سازگار شدن با محیط، نیاز به آن دارد تا هر دوی این زمینه ها را بشناسد -یا خلق کند- و برمبنای آن کارکرد غایی خویش -یعنی بقا- را برآورده سازد. سیستمهای جانوری پیچیده به کمک حس بینایی و شنوایی مکان را درک می کنند. مکان، به شکلی گسترده، بر مبنای رخدادهایی نوپدید و بدیع که در اطراف موجود ظهور می کند، شناسایی و درک می شود.

زمان، بر عکس به شکلی درونی ادراک می شود. سیستم زنده برای فهم زمان بیش از محرکهای بیرونی و تحولات محیطی به دگرگونیهای درونی و متغیرهای داخلی خویش وابسته است. دستگاه تشخیص زمان در تمام جانداران از ساختار شیمیایی کمابیش یکسانی پیروی می کند. مبنای تمام این دستگاه ها، چرخه هایی بیوشیمیایی است که می توانند به صورت متناوب و پیاپی تکرار شوند و هر چرخه ی تکرارشان زمانی مشخص دوام می یابد. به این ترتیب، جانداران در سطح بیوشیمیایی به ساعتی درونی مجهز هستند که بر مبنای کنش و واکنشهای شیمیایی و با چرخ دنده هایی مولکولی تیک تاک می کند.

 در جانورانِ دارای دستگاه عصبی پیچیده، این دستگاه بسیار تکامل یافته است و Zaitgieber به آلمانی یعنی "زمان سنج" نامیده می شود. در بندپایان، بخشی از عقده ی سری این وظیفه را بر عهده دارد و در مهره داران خونسرد -ماهیان، دوزیستان و خزندگان- غده ی صنوبری این کار را انجام می دهد.

در انسان، مرکز درک زمان هسته ی کوچکی به نام هسته ی بالای چلیپایی (SCN ) است که در هیپوتالاموس، درست در بالای محل برخورد دو عصب بنیایی قرار گرفته است. این هسته تنها از دو هزار نورون تشکیل یافته است. نورونهای مورد نظر، با چرخه های شیمیایی بسته ای، به طور منظم پیامهایی الکتریکی و تکرار شونده را تولید می کنند. این پیامها در شبکه ی پیچیده ی نورونهای این هسته تشدید می شود و با فواصل زمانی ثابتی پیامی عصبی را به سایر ساختارهای مغزی گسیل می دارد. به این ترتیب هسته ی بالای چلیپایی با سرعت ثابتی تیک تاک می کند و زمان درونی مغز را ثبت می نماید.

ساعت درونی به طور دایمی به کمک محرکهای نوری که از چشمها وارد می شوند، خود را تنظیم می کند. به عنوان مثال، شبانه روزِ ساعت درونی، از شبانه روزِ نجومی و بیرونی طولانی تر است. اگر عده ای از مردم در محیطی مانند قعر یک غار که فاقد هر نوع محرکِ نشانگر زمان است، برای مدتی بمانند، طول شبانه روزشان اندکی افزایش می یابد و در حوالی بیست و پنج ساعت تثبیت می شود. رفتارهای این آزمودنی ها، بر مبنای چرخه هایی 25  ساعته تنظیم می شود و خورد و خوابشان با چنین تناوبی سازمان می یابد.

زمان اسطوره ای و زمان مدرن

زمان اسطوره‌ای و زمان مدرن

سولماز نراقى :حتي اگر مفهوم زمان يك مفهوم صرفا ذهني باشد، يا اگر ماهيت محاسبه و سنجش آن در اقوام مختلف براساس بينش دايره اي وار يا خطي آنان از جهان، متفاوت و متغير باشد، آنچه كه انكارناپذير است واقعيت جاري و بيروني پديده ها است كه اين مرز، با دو نوع حركت در زمان و مكان پشت سر مي گذارند تا ما سرانجام جوهره اين تحول را در قالب تاريخ نقد كنيم.

دكتر «محمد ضيمران» در اين زمينه مطالعات گسترده اي داشته است. او براي زمان اسطوره و زمان آ كادميك بنا به ماهيتي كه هر يك از اقوام براي زمان، دين، اسطوره، تاريخ، مرگ و خدا قايلند تعاريفي قايل است. با دكتر ضيمران درباره زمان، برداشت اقوام از آن و روند سنجش آن در نزد ملل گوناگون گفت وگو كرده ايم كه مي خوانيد.

فصل 6 مکانیک نیوتنی   137

6 – 1 دكارت و مفهوم حركت  138

6 – 2 مکانیک گالیله ای  142

6 – 3 قوانین نیوتن  144

6 – 4 اسحق نیوتن  146

6 – 5 قانون جهانی گرانش  150

6 – 6  مسیر اجرام بدور خورشید  152

6 – 7 زمینه تاریخی قانون جهانی گرانش نیوتن 157

6 – 8 دستگاه مرجع و نسبیت گالیله ای  157

6 – 9 تبدیلات گالیله  163

6 – 10 هموردایی مکانیک کلاسیک در تبدیلات گالیله  164

6 – 11 نقد قوانین نیوتن  165

6 – 12 رهیافتی به مکانیک کلاسیک  169

6 – 13 من فرضیه نمی سازم  170

6 – 14 روش استقرایی از دید فلاسفه ی جدید 171

6 – 15 بررسی اصول موضوعه  173

خلاصه:

 مبانی مکانیک نیوتنی

آخرین فردی که اندیشه هایش بر نیوتن و فرمول بندی مکانیک کلاسیک تاثیر عمیق داشت، دکارت بود. با این وجود نظرات و کارهای دکارت در زمینه فیزیک حالت توصیفی داشت. اما همین مسائل توصیفی نیز به شدت با فیزیک ارسطویی در تضاد بود. اما از دیدگاه منطقی قوانین نیوتن شکل ریاضی نظریه های گالیله است. به همین دلیل نخست فیزیک دکارتی آورده شده و سپس مکانیک گالیله ای تا با مقایسه ی آنها با کارهای نیوتن، ارزش و اهمیت کار هر یک بهتر مشخص شود.

 دكارت و مفهوم حركت

در باب فيزك دكارت و مفهوم حركت از ديدگاه او كمتر سخن گفته اند . گويي فيزيك دكارت با آنهمه اهميت و تاثيرش بر آراء انديشمندان بزرگي , همچون ايزاك نيوتن , در مقابل ديگر افكار او همچون تصورات فطري و دوگانه انگاري ذهن –  كمتر مورد توجه بوده است.

فيزيك و شالوده هاي آن نزد دكارت نقشي محوري داشتند . هر چند امروزه احتمالاً او را بيشتر با مابعدالطبيعه ذهن و بدن يا برنامه و روش معرفت شناسي اش ميشناسند. در قرن هفدهم ميلادي لااقل به يك اندازه , فيزيك مكانيكي و مكانيك جهان هندسي در حركت كه نقش بسياري در مقبوليت او نزد انديشمندان معاصرش داشت , شاخته شده بود.

  پيش زمينه هاي تاريخي

قوانین نیوتن

اهمیت قوانین نیوتن در جهان شمول بودن آنها است. تفکیک نیروها و در نتیجه پیدا کردن نیروی موثر بر یک جسم برای  بررسی و پیشگویی حرکت آتی جسم، اهمیت زیادی دارد. همین تشخیص نیروی موثر وارد بر جسم است که جهان شمول بودن قوانین نیوتن و زیبایی آن را جلوه گر می سازد. زیبایی و جذابیت این قوانین در ظاهر ساده و مفاهیم عمیق و بنیادی آن است که وجوه مشترک و تفاوت های حرکت یا سکون سنگی بر سطح زمین را با گردش سیاره ای غول پیکر به دور یک ستاره را تحت قوانینی خاص توضیح می دهد. این دست آورد بزرگ نتیجه کار و کوشش چند هزار ساله ی اندیشمندان بود که سرانجام توسط نیوتن تدوین شد. نگاهی گذرا به تاریخ علم فیزیک، نشان می دهد که انسانهای اندیشمند چه زحمات طاقت فرسایی را تحمل کردند و چه هزینه ی سنگینی را پرداختند تا معادلات حرکت شناخته و مطرح گردد. بهمین دلیل در چند فصل گذشته ی این کتاب گوشه ی کوچکی از مصائب اندیشمندان درج گردید تا ارزش این قوانین مطرح گردد. بی دلیل نیست که هنگامیکه قوانین نیوتن فرمول بندی و مطرح شد، تاریخ علم و سرنوشت بشریت دگرگون شد. در این فصل تلاش می شود قوانین نیوتن تشریح گردد و در فصول بعدی زمینه های منطقی و مشکلات آنها بررسی خواهد شد.

 دستگاه مرجع و نسبیت گالیله ای

دستگاه زمین مرکزی بطلمیوس تقزیباً 2 هزار سال بکار می رفت و پاسخگوی نیاز منجمین بود تا آنکه دستگاه خورشید مرکزی کوپرنیک جایگزین آن شد. گذشته از برخوردهای اعتقادی طرفداران فیزیک ارسطویی، از نظر فیزیکی، هرکدام از این اجرام (زمین و خورشید و یا هر جسم دیگری) می تواند بعنوان دستگاه مقایسه ای مورد ارجاع و استفاده قرار گیرد. و حرکت هیچ جسمی بدون مقایسه قابل توصیف و درک نیست. اما سئوال این است که مقایسه با چه چیزی یا حرکت نسبت به چی؟

نیوتن قوانین حرکت را ارائه کرد بدون آنکه صحبتی از مرجع مقایسه پیش کشیده باشد. براستی در این قوانین، حرکت نسبت به چه مرجع مقایسه ای سنجیده می شود؟ قبل از آنکه به این سئوال پاسخ داده شود، بهتر نگرش نیوتن در مورد زمان و فضا مطرح و مطالعه گردد تا اصولاً با پایگاه بینش فلسفی وی نسبت به طبیعت بیشتر آشنا شویم و آنگاه دستگاه مرجع مقایسه ای مورد نظر وی را بهتر خواهیم شناخت.

زمان از نظر نیوتن

 نقد قوانین نیوتن

ذکر اشکالات یک نظریه بهیچوجه دلیل بر نادیدن گرفتن توانایی و اهمیت آن نظریه نیست. تاریخ علم نشان می دهد که هنوز هیچ نظریه علمی بدون اشکال یا ابهام مطرح نشده است. همین اشکالات و ابهامات است که زمینه ی تحقیقات آتی فراهم می آورد. برخی از اشکلات وارد به قوانین نیوتن که در اینجا مطرح شده، بعدها در نسبیت برطرف گردیده است.

فصل7 آزاد اندیشی در ریاضیات  175

7- 1 اصطلاحات بنیادی ریاضیات  176

7 – 2 اشکالات وارد بر هندسه اقلیدسی  177

7 – 3 هندسه های نااقلیدسی  178

7 – 4 انحنای سطح یا انحنای گائوسی  184

7 – 5 مفهوم و درک شهودی انحنای فضا 186

خلاصه:

آزاد اندیشی در ریاضیات

علومی که از یونان باستان توسط اندیشمندان اسلامی محافظت و تکمیل شد و از قرون یازدهم میلادی به بعد به اروپا منتقل شد، بیشتر شامل ریاضی و فلسفه ی طبیعی بود. فلسفه ی طبیعی توسط کوپرنیک، برونو، کپلر و گالیله به چالش کشیده شد و از آن میان فیزیک نیوتنی بیرون آمد. چون کلیسا خود را مدافع فلسفه طبیعی یونان می دانست و کنکاش در آن با خطرات زیادی همراه بود، اندیشمندان کنجکاو، بیشتر به ریاضیات روی می آوردند، زیرا کلیسا نسبت به آن حساسیت نشان نمی داد. بنابراین ریاضیات نسبت به فیزیک از پیشرفت بیشتری برخوردار بود. یکی از شاخه های مهم ریاضیات هندسه بود که آن هم در هندسه ی اقلیدسی خلاصه می شد.

در هندسه ی اقلیدسی یکسری مفاهیم اولیه نظیر خط و نقطه تعریف شده بود و پنچ اصل را به عنوان بدیهیات پذیرفته بودند و سایر قضایا را با استفاده از این اصول استنتاج می کردند. اما اصل پنجم چندان بدیهی به نظر نمی رسید. بنابر اصل پنجم اقلیدس از یک نقطه خارج از یک خط، یک خط و تنها یک خط می توان موازی با خط مفروض رسم کرد. برخی از ریاضیدانان مدعی بودند که این اصل را می توان به عنوان یک قضیه ثابت کرد. در این راه بسیاری از ریاضیدانان تلاش زیادی کردند و نتیجه ای نگرفتند. خيام ضمن جستجوی راهی برای اثبات "اصل توازی" مبتکر مفهوم عميقی در هندسه شد. در تلاش برای اثبات اين اصل، خيام گزاره هايی را بيان کرد که کاملا مطابق گزاره هايی بود که چند قرن بعد توسط واليس و ساکری رياضيدانان اروپايی  بيان شد و راه را برای ظهور هندسه های نااقليدسی در قرن نوزدهم هموار کرد. سرانجام و پس از دو هزار سال اصولی متفاوت با آن بیان کردند و هندسه های نااقلیدسی به عنوان نوعی جدید از هندسه وارد ریاضیات شد. بدین ترتیب علاوه بر فلسفه ی طبیعی ریاضیات نیز از انحصار یونانی خارج و در مسیری جدید قرار گرفت و آزاد اندیشی در ریاضیات آغاز گردید.

اصطلاحات بنیادی ریاضیات

هندسه های نااقلیدسی و انحنای فضا

هندسه های نااقلیدسی بر اساس تعریف و پذیرش جدیدی از اصل پنجم اقلیدس شکل گرفت.

 هندسه های نا اقلیدسی

اساساً هندسه نااقلیدسی چیست؟ هر هندسه ای غیر از اقلیدسی را نا اقلیدسی می نامند. از این گونه هندسه ها تا به حال زیاد شناخته شده است. اختلاف بین هندسه های نا اقلیدسی و اقلیدسی تنها در اصل توازی است. در هندسه اقلیدسی به ازای هر خط و هر نقطه نا واقع بر آن یک خط می توان موازی با آن رسم کرد

نقیض این اصل را به دو صورت می توان در نظر گرفت. تعداد خطوط موازی که از یک نقطه نا واقع بر آن، می توان رسم کرد، بیش از یکی است. و یا اصلاً خطوط موازی وجود ندارند. با توجه به این دو نقیض، هندسه های نا اقلیدسی را می توان به دو گروه تقسیم کرد

فصل 8 نور 189

8 – 1 نور چیست؟  189

8 – 2 اتاقک تاریک  190

8 – 3 محاسبه سرعت نور 191

8 – 4 طبیعت نور  194

8 – 5 پیروزی نظریه موجی نور 195

8 – 6 اصل فرما و نور شناخت جدید  198

8 – 7 ماهیت نور  199

خلاصه:

نور - سابقه تاریخی

امروزه می دانیم که نور یک موج الکترمغناطیسی است و بخش بسیار کوچکی از طیف الکترمغناطیسی را تشکیل می دهد. بنابراین برای شناخت نور بایستی به بررسی امواج الکترومغناطیسی پرداخت. اما از آنجاییکه مکانیک کلاسیک قادر به توضیح کامل امواج الکترومغناطیسی نیست، الزاماً بایستی به مکانیک کوانتوم مراجعه کرد. اما قبل از وارد شدن به مکانیک کوانتوم لازم است با برخی از خواص نور آشنا شد و دلیل نارسایی مکانیک کلاسیک را دانست. لذا نخست با بررسی روند تکامل دانش نور دلایل پیدایش مکانیک کوانتوم و نسبیت مشخص خواهد. آنگاه خواهیم دید که مکانیک کوانتوم و نسبیت چگونه مشکلات دانش نور را برطرف کردند.

اصل فرما و نور شناخت جدید

اصل فرما یکی از قوانین اساسی فیزیک نور است و بساری از قوانین اپتیک از آن قابل استخراج است. قوانین بازتابش و شکست و در واقع شیوه کلی انتشار نور را می‌توان از دیدگاه کاملا متفاوت و شگفت دیگری به نام اصل فرما نگریست. ایده‌هایی که در اینجا مطرح خواهد شد تأثیر بسیار زیادی در گسترش اندیشه فیزیکی و حتی فراسوی نور شناخت کلاسیکی داشته است. این اصل بسیاری از پدیده‌های مشاهده شده در طبیعت را به زیبایی توضیح می‌دهد.

هروی اسکندرانی که در سالهای بین 150 تا 250 قبل از میلاد می زیست، اولین کسی بود که آنچه را تا کنون اصل و روش نامیده شده است، بنیان گذاشت. او در فرمول بندی خود ادعا کرد که مسیری که نور عملا از نقطه‌ای مانند s به نقطه ای مانند p از راه بازتابش روی سطح می‌پیماید، کوتاهترین راه ممکن است. مشاهدات کنجکاوانه "هروی" بیش از پانزده قرن همچنان بی‌رقیب ماند، تا اینکه در سال 1657 فرما اصل کمترین زمان مشهور خود را اعلام کرد.

الکتریسیته و مغناطیس

علم مغناطیس از این مشاهده که برخی سنگها (ماگنتیت) تکه‌های آهن را جذب می کردند سرچشمه گرفت. واژه مغناطیس از ماگنزیا یا واقع در آسیای صغیر ، یعنی محلی که این سنگها در آن پیدا شد، گرفته شده است. زمین به عنوان آهنربای دائمی بزرگ است که اثر جهت دهنده آن بر روی عقربه قطبهای آهنربا ، از زمانهای قدیم شناخته شده است. در سال 1820 اورستد کشف کرد که جریان الکتریکی در سیم نیز می‌تواند اثرهای مغناطیسی تولید کند، یعنی می‌تواند سمت گیری عقربه قطب نما را تغییر دهد.

در سال 1878 رولاند (H.A.Rowland) در دانشگاه جان هاپکینز متوجه شد که یک جسم باردار در حال حرکت (که آزمایش او ، یک قرص باردار در حال دوران سریع) نیز منشاأ اثرهای مغناطیسی است. در واقع معلوم نیست که بار متحرک هم ارز جریان الکتریکی در سیم باشد.

فصل 9 معادلات ماکسول و بحران فیزیک کلاسیک  201

9 – 1 الکتریسیته ساکن  191

9 – 2 قانون کولن  203

9 – 3 اثر مغناطیسی جریان الکتریکی  205

9 – 4 جریان الکتریکی  206

9 – 5 قانون القای فارادی  208

9 – 6 معادلات ماکسول و امواج الکترومغناطیس  211

9 – 7 نحوه ی تولید امواج الكترومغناطيسي  214

9 – 8 دستگاه مقایسه ای اتر و معادلات ماکسول  221

9 – 9 آزمایش مایکلسون و آغاز بحران فیزیک کلاسیک  222

9 – 10 بحران فیزیک کلاسیک  225

خلاصه:

معادلات ماکسول و امواج الکترومغناطیس

معادلات ماکسول مجموعه ای از چهار معادله است که توسط کلارک ماکسول در سال 1964 ارائه شد. این معادلات بخوبی رفتار میدانهای الکتریکی و مغناطیسی را توضیح می دهد.

آلبرت اینشتین می گوید: « تاثير مکسول در انقلابي که در انديشه ي واقعيت فيزيکي به وقوع پيوسته است! اعتقاد به وجود يک جهان خارجي مستقل از شخصي که آن را درک مي کند پايه ي تمام علوم طبيعي است . ولي از آنجا که ادراک حسي فقط بطور غير مستقيم اطلاعاتي از اين جهان خارجي يا واقعيت فيزيکي به ما مي دهد لهذا اين واقعيت فيزيکي را تنها بايد از راه تجسس به دست آورد. از اين جا معلوم مي شود که مفاهیمی که از واقعيت فيزيکي براي ما حاصل مي شود، هيچگاه به مرحله ي نهايي نخواهد رسيد. بلکه بايد همواره آماده ي تغيير و تعويض اين مفاهیم، که همان اصول موضوعه ي اوليه ي علم فيزيک است باشيم تا بتوانيم واقعيت هاي مشهود را هر چه دقيقتر و کاملتر و منطقي تر مورد تتبع و تحليل قرار دهيم. نظري به تاريخ علم فيزيک نشان مي دهد که در طي ادوار و قرون چه تغييرات شگرفي در آن به وقوع پيوسته و در راه بسط و گسترش آن چه مراحل دشواري پيموده شده است. از آن زمان که نيوتن فيزيک نظري را پي ريزي کرد، بزرگترين تغييري که در اصول اوليه ي فيزيک روي داده نظراتي است که به وسيله ي فاراده و مکسول در باب پديده ي الکترومغناطیس عرضه شده است.»

آزمایش مایکلسون و آغاز بحران فیزیک کلاسیک

سرعت ثابت امواج الکترمغناطیسی بایستی نسبت به یک دستگاه مقایسه می شد، و این دستگاه همان دستگاه اتر بود. یعنی اتر ساکن مطلق فرض می شد و تمام اجسام نسبت به آن در حرکت بودند و سرعت امواج الکترومغناطیسی و در حالت خاص سرعت نور نسبت به اتر ثابت بود. این نظریه در حالی شکل گرفت که نسبیت گالیله ای نیز معتبر و بی نقص تصور می شد. بنابراین اگر سرعت نور نسبت به یک دستگاه لخت  c باشد و دستگاه با سرعت v نسبت به اتر در حرکت باشد، در آنصورت سرعت نور نسبت به اتر  w برابر خواهد شد با: w=c+v   چنانچه نور در جهت مخالف دستگاه حرکت کند، آنگاه خواهیم داشت w=c-v نتیجه اینکه در اواخر قرن نوزدهم میلادی فیزیک نظری بر سه بنیاد قوانین نیوتن، نسبیت گالیله ای و معادلات ماکسول مبتنی بود.

بر این اساس ماکسول به فکر محاسبه سرعت حرکت منظومه ی شمسی نسبت به اتر افتاد. وی در سال 1879 طی نامه ای که برای تاد در آمریکا نوشت، طرحی را برای اندازه گیری سرعت حرکت منظومه ی شمسی نسبت به اتر پیشنهاد کرد. یک جوان آمریکایی به نام مایکلسون این طرح را دنبال کرد و برای انجام آزمایش یک تداخل سنج نیز ساخت و در سال 1880 آزمایش کرد.

فصل 10 زیر بنای فیزیک مدرن  233

10 – 1 ماکس پلانک  234

10 – 2 تابش جسم سیاه  235

10 – 3 نسبیت خاص  241

10 – 4 اينشتين  242

10 – 5 بن بست هاى فيزيك كلاسيك  244

10 – 6 مقاله هاى اينشتين و فيزيك نوين 245

10 – 7 جمع نسبیتی سرعتها  247

10 – 8 گسترش زمان (اتساع زمان)  247

10 – 9 متریک نسبیت خاص  250

10 – 10 روش کار با نمودارهای مینکوفسکی  252

خلاصه:

زیر بنای مکانیک کوانتوم

همزمان با بحرانی که با آزمایش مایکلسون در مورد دستگاه مرجع مطلق و نسبیت گالیله ای پیش آمد، زمینه ی ناتوانی مکانیک کلاسیک در توجیه تابش فراهم می شد. در مکانیک کلاسیک انرژی یک کمیت پیوسته بود. برخی آزمایشات از جمله اثر فوتوالکتریک و تابش جسم سیاه نشان می داد که نگرش کلاسیک به انرژی قادر به توجیه مشاهدات تجربی جدید نیست. این پدیده ها نشان داد که بازنگری به انرژی و تابش یک ضرورت اجتناب ناپذیر است. در همان زمان که فیزیک کلاسیک از توجیه پدیده ها در سرعت های بالا عاجز بود، مشخص گردید که در بخش ذرات بسیار کوچک (زیر اتمی) و تابش نیز کارایی چندانی ندارد. لذا در اوائل قرن بیستم دو نگرش جدید پا به عرصه ظهور نهادند. یکی در مورد سرعتهای بالا که تحت عنوان نسبیت خاص توسط اینشتین مطرح شد و دیگری مکانیک کوانتوم که پلانک پایه گذار آن بود.

نسبیت خاص

نسبیت و مکانیک کوانتوم دو نظریه جالب و شگفت انگیزی و در عین حال موفقی هستند که شالوده ی فیزیک مدرن را تشکیل می دهد. نسبیت با سرعتهای بالا و دستگاه های مقایسه سروکار دارد و قلمرو مکانیک کوانتوم ذرات بسیار کوچک است. و این وجه تمایز فیزیک مدرن و فیزیک کلاسیک است که در محدوده اجسام بزرگ و سرعتهای پائین کارایی خوبی دارد.

از اواسط قرن بیستم ترکیب نسبیت و مکانیک کوانتوم بعنوان یک ضرورت علمی، ذهن بسیاری از فیزیکدانان را بخود مشغول داشته است. اما نسبیت خود شامل دو نظریه نسبیت خاص و نسبیت عام است. نسبیت خاص که نور و سرعت آن نقش اساسی دارد، قوانین فیزیک را در دستگاه های لخت مورد بررسی قرار می دهد. اما زمینه ی کاری نسبیت عام که به ساختار هندسی می پردازد، بررسی قوانین فیزیک در چارچوب های شتاب است.

لذا ترکیب نسبیت و مکانیک کوانتوم به دو موضوع متفاوت تبدیل می شود، یکی ترکیب مکانیک کوانتوم و نسبیت خاص و دیگری ترکیب مکانیک کوانتوم با نسبیت عام. با تلاش فیزیکدانان بزرگی چون دیراک در نیمه اول قرن بیست مکانیک کوانتوم و نسبیت خاص بخوبی ترکیب شد و مکانیک کوانتوم نسبیتی شکل گرفت. اما ترکیب نسبیت عام با مکانیک کوانتوم، با تمام تلاشهایی که در این زمینه صورت گرفته، هنوز بی نتیجه بوده است. از آنجاییکه نظریه سی. پی. اچ. تلاشی است برای وحدت نظریه های فیزیک، لذا در فصول بعدی که به بررسی پدیده ها از دیدگاه نسبیت و مکانیک پرداخته می شود، پس توضیح آنها از نقطه نظر فیزیک مدرن، دیدگاه نظریه سی. پی. نیز مطرح خواهد شد.

لازم به توضیح است که از دیدگاه سی. پی. اچ. ترکیب مکانیک کوانتوم و نسبیت عام، بدون توجه به مکانیک کلاسیک و نظریه ی هیگز، امکان پذیر نیست. لذا در نظریه سی. پی. اچ. چهار نظریه مکانیک کلاسیک، مکانیک کوانتوم، و نسبیت و میدانهای هیگز، همزمان مورد بررسی قرار گرفته و ترکیب شده است.

فصل 11 نتایج نسبیت خاص  255

11- 1 از اتساع زمان تا انقباض فضا  256

11 – 2 نقش و اهمیت تبدیلات لورنتس  258

11 – 3 جرم نسبیتی و هم ارزی جرم و انرژی  263

11 – 4 نیرو  269

11 – 5  تایید تجربی نسبیت خاص  272

خلاصه:

انقباض طول یا منقبض شدن فضا

منظور از انقباض طول طول چیست؟ آیا کوتاه شدن طول یک واقعیت فیزیکی است؟ اطلاعات یک ناظر از مقادیر کمیتهای وابسته به یک جسم، نتیجه ی مستقیم اندازه گیریهای او است. آیا ناظرهای مختلف در مورد طول یک جسم نظر مشترکی دارند؟ اگر چنین اتفاق نظری وجود داشته باشد، آنگاه می توان گفت که طول یک کمیت مطلق است. زیرا از نقطه نظر فیزیک هر کمیتی که از نظر همه ی ناظرها یکسان باشد، فیزیکدانان آن کمیت را مطلق می نامند. بنابراین در نسبیت خاص سرعت نور مطلق است، زیرا برای همه ی ناظرهای لخت ثابت و برابر c است. آیا در مورد ابعاد هندسی نیز چنین است؟ یعنی آیا فاصله ی دو نقطه یا طول یک جسم، نتیجه ی اندازه گیری همه ی ناظرهای لخت یکسان است؟ نسبیت می گوید:  فاصله مکانی بین دو نقطه که ناظر ساکن آن را اندازه می‌‌گیرد، کوتاهتر از طول اندازه گیری شده توسط ناظری است که نسبت به ناظر ساکن در حال حرکت است.  این پدیده را انقباض طول می‌گویند.

از اتساع زمان تا انقباض فضا

جرم نسبیتی و هم ارزی جرم و انرژی

بنابر اصل نسبيت خاص اينشتين، سرعت نور سرعت حد است و هيچ چيزي نميتواند از سرعت نور تجاوز كند. اين سرعت يك ثابت بنيادي طبيعت است و براي تمامي ناظر های لخت یکسان است. با محدود شدن سرعت، مسئله تاثیر نیرو بر اندازه ی حرکت مورد بررسی مجدد قرار گرفت و نتیجه ی این بازنگری جایگرین شدن جرم متغییر نسبیتی بجای جرم ثابت مکانیک کلاسیک شد. در نسبیت جرم اشياء با افزايش سرعتشان بيشتر ميشود و سرعت بيشتر انرژي بيشتر را ميطلبد. در سرعت نور طبق محاسبه اينشتين جرم به بينهايت ميرسد. از طرف دیگر نسبیت نشان داد که جرم یک جسم/ذره را می توان محتوای انرژی آن در نظر گرفت و دو قانون مجزای فیزیک کلاسیک (قانون بقای ماده و قانون بقای انرژی) به یک قانون بقای ماده-انرژی منجر شد.

 جرم

یکی از اساسی‌ترین خواص هر جسمی جرم آن است. در فیزیک کلاسیک اصطلاح "جرم " مقدار ماده را نشان می‌دهد. جرم به عنوان مقدار اینرسی تلقی شده و این اعتقاد وجود داشت که حرکت یک جسم ، تغییری در جرم آن بوجود نمی آورد و درتمام حالات حرکت ، جرم مطلقا ثابت باقی می‌ماند.

فصل 12 فیزیک قبل از مکانیک کوانتوم و نسبیت   275 

12 – 1 حرکت براونی 275

12 – 2 تغییر تصادفی و توزیع احتمال   277

12 – 3  توزیع نرمال  279 

12 – 4 توضیح حرکت براونی توسط انیشتین  281 

12 – 5 پدیده فوتوالکتریک283 

12 – 6 توجیه کوانتومی پدیده فوتوالکتریک توسط انیشتین285 

12 – 7 بررسی اثر فوتوالکتریک  286 

خلاصه:

حرکت براونی

از مدتها قبل به اين موضوع واقف بودند كه ذرات بسيار كوچك كه در زير ميكروسكوپ قابل مشاهده باشند، وقتي به حالت تعليق در داخل ماده اي سيالي قرار گيرند، به طور پيوسته حركات نامنظم رفت و برگشتي انجام مي دهند. اين پديده اولين بار در سال 1827 توسط رابرت براون در مورد غبارهاي گل كشف شد و به همين دليل آن را حركات «براوني» ناميدند. اين حركات را نبايد به هيچ وجه ناشي از تأثير عوامل خارجي مثل لرزش ظرف محتوي سيال يا جريان هاي داخلي آب و غيره وابسته دانست. ابتدا تصور می کردند که این حرکتها شکلی از زندگی است، ولی بزودی معلوم شد که ذرات غیر آلی کوچک نیز به همین طریق رفتار می کنند. در سال 1863 برای نخستین بار این عقیده بیان شد که حرکت براونی ناشی از بمباران ذرات به وسیله مولکولهای آب اطراف آن است، تعداد مولکولهایی که از سمت چپ با یک ذره برخورد می کنند، با تعداد مولکولهایی که از سمت راست برخورد می کنند، اندکی تفاوت دارد که اثر آن در مورد اشیاء بزرگ محسوس نیست، اما در مورد اشیاء ذره بینی حرک محسوسی ایجاد خواهد کرد.

گذشته از آن مشاهده كرده بودند كه وقتي دماي آب افزايش يابد، حركات ذرات شديدتر شده و افزايش مي يابد و به همين دليل حدس زده شده بود كه اين حركات با حركات حرارتي مولكول ها بستگي دارد. كساني كه از اين نظريه پيروي مي كردند اين گونه استدلال مي نمودند كه انرژي حركتي ذرات آب كه در حال برخورد دائمي با ذرات معلق مزبور مي باشد ، ايجاد نيروهاي نامنظمي در جهات مختلف مي كند كه موجب ايجاد حركات مزبور می گردد.

 پدیده فوتوالکتریک

در سال ١٢٦٨ هجری خورشیدی (١٨٨٧ م) هانریش هرتز دانشمند آلمانی در حین انجام آزمایش متوجّه شد که تاباندن نور با طول موج‌های کوتاه مانند امواج فرابنفش به کلاهک فلزی الکتروسکوپ با بار منفی باعث تخلیه الکتروسکوپ می‌شود وی با انجام آزمایش‌های بعدی نشان داد که تخلیه الکتروسکوپ بخاطر جدا شدن الکترون از سطح کلاهک فلزی آن است. این پدیده را فوتوالکتریک می نامند. نخستین برخورد ها با اثر فوتوالکتریک از دیدگاه الکترومغناطیس کلاسیک صورت گرفت که توانایی توجیه آن را نداشت. سپس انیشتین این پدیده را با توجه به دیدگاه کوانتومی توجیه کرد. بنابراین نخست میدانها و امواج الکترومغناطیسی کلاسیک را بطور فشرده بیان کرده، آنگاه با ذکر نارسایی آن به تشریح پدیده فوتوالکتریک از دیدگاه انیشتین می پردازم.

کشف اثر فوتوالکتریک

فصل 13  ساختار اتم   291

13 – 1 اندازه گیری بار الکتریکی و جرم الکترون 291

13 – 2 آزمایش تامسون ( محاسبه نسبت بار به جرم الکترون )293 

13 – 3 اندازه گیری بار الکترون توسط میلیکان297 

13 – 4  پروتون، نوترون و طیف های اتمی 303

13 -5 پیدایش فیزیک هسته ای308 

13 -6  طيف اتمي  310

13 -7 رابطه ريدبرگ – بالمر 314

13 -8 مدلهای اتمی 316 

13 -9 مدل اتمی بور   319 

خلاصه:

اندازه گیری بار الکتریکی و جرم الکترون

فیزیک قبل از مکانیک کوانتوم و نسبیت 

همزمان با تلاشهایی که برای بررسی ماده انجام می شد تا اتمی بودن یا پیوستگی آن را به اثباط برسانند، در زمینه ی الکترومغناطیس که ظاهراً ربطی به ماده نداشت، آزمایشهایی انجام می شد که در نهایت ماده و امواج الکترومغناطیسی را بهم پیوند داد. این تلاشها با ارائه رابطه جرم انرژی انیشتین تکمیل شد. کشف الکترون توسط تامسون نشان داد که اتم نیز شامل ذرات دیگری است.

اشعه ی کاتودی و الکترون

فاراده هر آزمایشی که می توانست در باره ی آن فکر کند با الکتریسیته انجام می داد. یکی از کارهایی که اقدام کرد، فرستادن بار الکتریکی از درون خلاء بود. وی نتوانست خلاء مناسبی برای این منظور تهیره کند. در سال 1854 یک شیشه گر آلمانی به نام گایسلر تلمبه خلاء مناسبی اختراع کرد که دارای الکترودهای فلزی بود و خلاء بسیار خوبی در آن فراهم شده بود. هنگامیکه آزمایشگران توانستند در لوله ی گایسلر تخلیه الکتریکی برقرار کنند، متوجه شدند که بر دیواره ی لوله که مقابل الکترود منفی است، روشنایی سبز رنگی ظاهر می شود. گولداشتاین در سال 1876 نظر داد که این روشنایی سبز رنگ به سبب برخورد نوعی تابش که مبداء آن الکترود منفی است، با شیشه تولید می شود. چون فاراده الکترود منفی را کاتود نامیده بود، گولداشتاین این تابش را اشعه ی کاتودی نامید

 پروتون، نوترون و طیف های اتمی

کشف الکترون و محاسبه نسبت بار به جرم آن، نشان داد که اتم ذره ی بنیادی نیست و خود اتم نیز از ذرات دیگری تشکیل شده است. از سال 1820 که وابستگی نیروهای الکتریکی و مغناطیسی  مطرح شد تا 1920 که اجزای تشکیل دهنده ی هسته ی اتم مورد بحث واقع شد، آغازی برای شناخت سنگ بنای اولیه ی جهان شد. نگاهی کوتاه به تاریخ کشفیات مهم فیزیک بخوبی نشانگر شتاب رو به رشد این کشفیات است. در سال 1932 ذرات زیر اتمی به الکترون، پروتون و نوترون خلاصه می شد و چند سال بعد جدول بندی ذرات زیر اتمی ضروری به نظر می رسید. این جدول چنان سریع رشد کرد که جدول استاندارد ذرات بنیادی از آن میان پدیدار گشت. 

اشعه ی آندی و پروتون

در سال 1886 گولد اشتاین مشاهده کرد که اگر کاتود لامپ تخلیه شکافهایی داشته باشد، تابش دیگری در جهت مخالف اشعه ی کاتودی جریان می یابد. وی این اشعه را اشعه ی کانالی نامید. چون اشعه ی کانالی در جهتی مخالف با اشعه ی کاتدی که بار منفی دارد حرکت می کند، تامسون پیشنهاد کرد که این تابش را اشعه ی مثبت بنامند.

 مدلهای اتمی

فيزيك اتمي- مولكولي زماني متولد شد كه دانشمندان متوجه شدند كوچكترين جزء در طبيعت اتم نيست بلكه اتم از اجزاي كوچكتري به نام الكترون‌ها و هسته تشكيل شده است. يعني اتم از هسته‌اي تشكيل شده است كه الكترون‌هايي در اطراف آن مي‌گردند.

 فيزيك اتمي به بررسي نقل و انتقال‌هاي الكترون‌هاي اطراف هسته مي‌پردازد و خواص آنها را مورد بررسي قرار مي‌دهد. يعني ما در فيزيك اتمي كاري به اين نداريم كه هسته از چه تشكيل شده است بلكه هسته برايمان مركزي با بار مثبت است و بيشتر توجه ما جلب الكترون‌هاي اطراف هسته مي‌شود. و فیزیک هسته ای به مطالعه ی هسته ی اتم می پردازد. برای شناخت و مطالعه ی بیشتر مدلهای اتمی مختلفی ارائه شد و سرانجام به نتیجه رسیدند که که مدلهای پیشنهادی چندان با تجربه سازگار نیست. مهمترین ویز"ی مدل های پیشنهادی ایست که باید طیف اتمی آنها با تجربه سازگار باشد.

فصل 14 نرژی  325

14 – 1 مفهوم کار در فیزیک 326

14 – 2 انرژی و گرما  327

14 – 3 قضیه کار – انرژی331 

14- 4 انواع انرژی332 

14 – 5 قانون بقای انرژی و بقای جرم-انرژی 340

14 – 6 تجزیه و تحلیل قانون بقای انرژی345 

14- 7 انرژی گرمایی مظهر انرژی ها347 

خلاصه:

انرژی گرمایی مظهر انرژی ها

برای انسان انرژی گرمایی محسوس ترین انرژی است که از دیرباز در زندگی روز مره با آن سروکار داشته است. حس گرما و سرما، مزایا و مضرات گرمی و سردی انسان را کنجکاو کرد که ماهیت آن را بشناسد. اما تا معادلات تابش الکترومغناطیسی و نحوه ی تولید آنها فرمول بندی نشد، شناخت ماهیت انرژی گرمایی مقدور نشد. با این وجود از نظر فیزیکی، گرما چیزی بیشتر از یک نوع انرژی محسوب نمی شود. اما همه ی انواع دیگر انرژی ها با انرژی گرمایی ارتباط تنگاتنگی دارند.

دوگانگی نور

نور يكي از مباحث و پديده هايي است كه از قرن هيجدهم اندیشه ی دانشمندان را به خود معطوف كرده است. دوگانه بودن خواص نور، يكي از مهم ترين عامل جذب ديگران به خود بوده است. الكترون ها نيز همانند نور داراي خواص موجي و مادي مى باشند، هنگامى كه الكترون هاي يك اتم، انرژي دريافت مي كنند به سطوح بالاي اتم مي روند كه حالت برانگيختن به اتم دست داده مي شود. هنگامي كه الكترون ها از سطوح انرژي بالاتر به سطوح انرژي پايين تر مي روند، آن مقدار انرژى را كه دريافت كرده اند، به صورت نور پس مي دهند. ارتعاش اتم ها باعث توليد نور مي شود، و نور گسيل شده از الكترون هاي يك اتم، در يك جهت و راستا قرار دارند. اما نورهاي گسيلی از مجموعه اتم ها در تمام جهات و به خط مستقيم سير مي كنند. بهمین دلیل در ليزر نور های گسيلی در يك جهت و راستا است.

 کار ، انرژی و گرما

کار و انرژی از مفاهیم بسیار مهم و اساسی فیزیک است. انرژی به معنی توانایی انجام دادن کار تعریف شده است. اگر جسمی بتواند کار انجام دهد، دارای انرژی است. اما خود کار چیست؟ طبق تعریف، کار برابر است با حاصلضرب داخلی بردار نیرو در بردار جابجایی. جسمی را از ارتفاعی رها کنید، نیروی وزن آن جابجا می شود، بنابراین زمین (که نیروی وزن را به جسم اعمال کرده) روی آن کار انجام داده است. حال گلوله یک فلزی را نظر بگیرید که با سرعت در حال حرکت است و به توپ ساکنی برخورد کرده و آن را پرتاب می کند. گلوله روی توپ کار انجام داده است، بنابراین گلوله دارای انرژی بوده است. اگر گلوله ساکن بود توانایی انجام کار نداشت، پس دارای انرژی نبود

 انرژی دارای انواع مختلف، انرژی مکانیکی، انرژی الکتریکی، انرژی شیمیایی، انرژی گرمایی، انرژی هسته ای ... می باشد. در سال 1847 فون هلمهولتز قانون بقای انرژی را اعلام داشت. بر طبق این قانون، انرژی را می توان از صورتی به صورت دیگر تبدیل کرد، اما نمی توان آنرا نابود یا خلق کرد. هرگاه به نظر آید که در جایی مقداری انرژی ناپدید شده است، می بایستی در جای دیگر، همین مقدار انرژی ظاهر شود. این قانون را قانون اول ترمودینامیک نیز می نامند.  تقریباً یکصد سال قبل از هلمهولتز، لاووزیه شیمیدان فرانسوی قانون بقای جرم را بیان داشته بود. طبق قانون بقای جرم، ماده نه به وجود می آید و نه از بین می رود و در طی یک فرایند شیمیایی مجموع جرم مواد شرکت کننده در آن فرایند همواره ثابت است. بنابراین در فیزیک کلاسیک دو قانون، قانون بقای جرم و قانون بقای انرژی شناخته شده و مورد قبول بود.

انواع انرژی

انرژی به صورت های گوناگون در طبیعت یافت می شود یا می توان تولید کرد. هرچند انرژی و منابع آن متفاوت است، اما همه ی آنها به یکدیگر قابل تبدیل هستند. علاوه بر آن قانون بقای جرم-انرژی انیشتین نشان داد که جرم نیز نوعی انرژی است.

انواع انرژی

انرژی نورانی

نور صورتی از انرژی است که در بسته‌هایی موسوم به فوتون منتشر می‌شود. انرژی نورانی طبق رابطه E= hf با فرکانس نور بستگی مستقیم دارد. در این رابطه E انرژی نورانی فوتون، h ثابت پلانک و f فرکانس فوتون می‌باشد. انرژی نورانی آن دسته از بسامدهایی را شامل می‌شود که در ناحیه مرئی طیف الکترومغناطیسی قرار دارند.

انرژی گرمایی

قانون بقای انرژی و بقای جرم-انرژی

قانون بقای جرم-انرژی انیشتین نشان داد که جرم نیز نوعی انرژی است. این قانون موجب شد که دو قانون مجزای بقای جرم که لاوازیه کشف کرده بود با قانون بقای انرژی در هم ادغام شوند و در فیزیک مدرن تنها یک قانون وجود دارد و آن قانون بقای جرم-انرژی است. بعدها در مکانیک کوانتوم قانون بقای انرژی مورد تجدید نظز قرار گرفت و در مدت کوتاهی که با اصل عدم قطعیت تطبیق کند، قانون بقای انرژی نقض می شود. اما نظریه سی. پی. اچ. گامی فراتر رفت و نشان داد نیرو دارای جرم است و قابل تبدیل به انرژی و ماده می باشد. پذیرش افزایش جرم نسبیتی بدون توجه به قانون بقای جرم، انرژی و نیرو جهانی غیر قابل شناخت را در مقابل ما قرار خواهد داد. همچنانکه یکی از معضلات فیزیک ماده تاریک و انرژی تاریک است. 

فصل 15 فرایندهای پیچیده در مکانیک  357

15 – 1 انرژی درونی  357

15 – 2 مکانیک آماری  360

15 – 2 – 1 حوزه مکانیک آماری  364

15 – 3 نظریه اختلال  367

15 – 4 اثر زیمان 367

15 – 5 اثر استارک خطی 368

خلاصه:

مکانیک آماری

مکانیک آماری، مبحثی در مکانیک است که به سیستمهایی با ذرات بسیار، (مانند اتمها، مولکولها، ذرات بنیادی با معیار اندازه عدد آووگادرو) می‌پردازد و از خاصیت های میکروسکوپی این ذرات و برهمکنش آنها با یکدیگر، اطلاعاتی در مورد خواص ماکروسکوپی سیستم، از طریق محاسبات و روشهای آماری به ما می‌دهد. به خصوص اینکه معادله‌های حالت در ترمودینامیک توسط مدلهای میکروسکوپی-آماری مشتق می‌شوند.

مکانیک آماری شکوفایی خود را قبل از همه مدیون، دانشمندان کلاسیکی نظیر لودویگ بولتزمن، جوسایا ویلارد گیبز و جیمز کلرک ماکسول می‌باشد.

در مکانیک آماری با سیستم های بزرگ سر و کار داریم. یعنی سیستم هایی که در آنها تعداد ذرات زیاد است

 انرژی درونی

اگر دستهای خود را به هم بمالید، مشاهده می‌کنید که دستهای شما گرم تر شده است. در این حالت انرژی جنبشی دستها کجا رفته است؟ چون دستها گرم تر شده‌اند، می‌توان نتیجه گرفت که انرژی درونی آنها افزایش یافته است. در نتیجه می‌توان گفت که در اثر مالش انرژی جنبشی دستها به انرژی درونی آنها تبدیل شده است.

تعریف انرژی درونی

مجموع انرژیهای جنبشی و پتانسیل کلیه ذره‌های یک جسم را انرژی درونی یا داخلی آن جسم می‌نامند.

انرژی داخلی U و آنتروپی S ، دو تابع اساسی ، برای توصیف سیستمهای ترمودینامیکی در حالت تعادل‌اند، هر سیستم ماکروسکوپیکی که متشکل از انبوه اتم و مولکولهاست، از قانون بقای انرژی تبعیت می‌کند. حرکت بزرگ مقیاس سیستم از قانون بقای انرژی مکانیکی تبعیت می‌کند و در غیاب میدانهای الکترومغناطیسی، انرژی باقی مانده در سیستمی که منزوی است پایسته می‌ماند، این کمیت همان انرژی داخلی است.

فصل 16 گازها و قوانین ترمودینامیک  371

16 – 1 دما و اندازه گیری دما  371

16 – 2 تابع دماسنجی  373

16 – 3 قوانین گازها  377

16 – 4 تعیین تجربی ظرفیتهای گرمایی  383

16 – 5 معادله حالت یک گاز کامل  384

16 – 6 ترمودینامیک   385

خلاصه:

 ترمودینامیک

تشریح قوانین ترمودینامیک

مطالعه ترمودینامیک را مهندسین قرن نوزدهم آغاز کردند؛ آنها می خواستند بدانند قوانین فیزیک چه محدودیت هایی بر عملکرد ماشین های بخار و سایر ماشین های تولید کننده انرژی مکانیکی تحمیل می کنند. ترمودینامیک درباره تبدیل یک شکل انرژی به شکلی دیگر، به ویژه تبدیل گرما به سایر شکلهای انرژی بحث می کند. این کار با مطالعه روابط بین پارامترهای صرفا ماکروسکوپی صورت می گیرد که رفتار سیستمهای فیزیکی را توصیف می کنند. این گونه توصیف ماکروسکوپی (و در مقیاس بزرگ)، لزوما تا حدی خام است، چرا که همه جزئیات کوچک مقیاس و میکروسکوپی را نادیده می گیرد. اما در کاربردهای عملی، این جزئیات اغلب مهم نیستند. برای مثال، مهندسی که رفتارهای گازهای حاصل از احتراق را در سیلندر یک موتور اتومبیل بررسی می کند می تواند با کمیتهای ماکروسکوپی همچون دما، فشار، چگالی و ظرفیت حرارتی کار خود را پیش ببرد.

در واقع دانشمندان به دنبال یافتن پاسخ این پرسش بودند که آیا می توان ماشینی ساخت که به طور دائمی کار مکانیکی انجام دهد. آنها مدتها بر روی این موضوع تحقیق کردند و تعدادی از محققین نیز طرحهایی برای این کار پیشنهاد نمودند. شکل های زیر نوع از این طرحها را نشان می دهد.

دما و اندازه گیری دما

: 

دمای یک سیستم، از ویژگی های آن سیستم است که تعیین می‌کند آیا یک سیستم با سیستم‌های دیگر در تعادل گرمایی قرار دارد یا خیر.

مفاهیم داغ و سرد برای انسان ، مانند هر موجود زنده دیگر ذاتی است و دمای محیط مجاور را بیلیونها عصبی که به سطح پوسته می‌رسند، به مغز خبر می‌دهند. اما پاسخ فیزیولوژیکی به دما اغلب گمراه کننده است و کسی که چشمش بسته است نمی‌تواند بگوید که آیا دستش با اتوی بسیار داغ ، سوخته یا به وسیله یک تکه یخ خشک شده است. در هر دو حالت احساسی پدید می‌آید، زیرا هر دو عینا پاسخ فیزیولوژیکی به آسیبی هستند که به نسج رسیده است.

 نظریه اختلال

تعداد مسائلی که در مکانیک کوانتومی ، می‌تواند به طور دقیق حل شود ، همانند مکانیک کلاسیک خیلی محدود می‌باشد. در بسیاری از موارد کاربردی مورد نظر ، استفاده از روشهای تقریبی و عددی ، اجتناب است. وجود کامپیوترهای سریع ، محاسبات کوانتومی را به یک صنعت بزرگی تبدیل کرده‌اند. علاوه بر مکانیک کوانتومی در مسائل دیگر نیز از روشهای تقریبی استفاده کرد. به عنوان مثال در علوم ریاضی قوانین بسط متعددی وجود دارد که در صورت نیاز یک تابع را بسط داده و چند جمله اول را انتخاب می‌کنند.

نظریه اختلال در بیشتر شاخه‌های فیزیک مورد استفاده قرار می گیرد. این نظریه در مواردی به کار می‌رود که بخواهیم تاثیر عاملی را بروی یک سیستم مورد برسی قرار دهیم. بطوریکه مطالعه این تاثیر به روش تحلیلی ممکن نباشد. بنابراین ، ابتدا خود سیستم را در نظر گرفته و عامل موثر را به صورت یک جمله اختلالی در نظر می‌گیرند.

 قوانین گازها

براي نخستين بار، مطالعات مربوط به پديده حرارت توسط خرد غارنشين ماقبل تاريخ صورت گرفت، آنهم بعد از يادگيري افروختن آتش، براي گرم شدن، در هنگامي كه آفتاب گرماي كافي برايش فراهم نمي‌ساخت.

مانند هر موجود زنده ديگر مفاهيم «داغ» و «سرد» براي انسان ذاتي است. دماي محيط مجاور آن را بيليونها عصبي كه به سطح پوست مي‌رسند به مغز خبر مي‌دهند. اما پاسخ فيزيولوژيكي به دما اغلب گمراه كننده است و كسي كه چشمش بسته است نمي‌تواند بگويد كه آيا دستش به وسيله يك اتوي بسيار داغ سوخته يا به وسيله يك تكه يخ خشك يخ كرده است. در هر دو حالت احساسي پديد مي‌آيد. زيرا هر دو عيناً پاسخ فيزيولوژيكي به آسيبي هستند كه به نسج رسيده است.

با آنكه مردم از زمانهاي بسيار گذشته درباره حرارت سخن گفته‌اند. نخستين كسي كه از گرما به عنوان مفهومي فيزيكي كه مقدار آن را درست مثل مقدار آب يا نفت چراغ نمي‌توان اندازه‌گيري كرد، سخن گفته است شايد فيزيكداني اسكاتلندي، به نام جوزف بلك باشد كه هم به فيزيك علاقه‌ داشت و هم به شيمي. وي حرارت را همچون سيال محسوس بي‌وزني به نام «كالور» تصور كرد كه مي‌تواند در همه اجسام مادي نفوذ كند و دماي آنها را بالا ببرد. وقتي كه يك ليتر آب جوش را با يك ليتر آب سرد مخلوط كرد، متوجه شد كه دماي مخلوط به دست آمده درست ميان دو دماي اوليه است و اين واقعيت را چنين تعبير كرد كه فزوني «كالور» در آب داغ پس از اختلاط به تساوي ميان دو قسمت توزيع شده است.

فصل 17 انتالپی و انتروپی  397

17 – 1 انتالپی (آنتالپی)  397

17 – 2 حالت های ماده  398

17 – 3 تبادی حرارتی و تغییر حالت  402

17 – 4 حالت تغییرات آب  404

17 – 5 انتروپی  407

خلاصه:

 انتالپی (آنتالپی)

همه کم و بيش درکی شهودی از مفاهمیم گرما ، فشار و حتی انرژی درونی داريم اما به نظر می رسد در خصوص مفهوم فيزيکی آنتالپی اين گونه نباشد! برای نزديک شدن به اين درک ، قانون اول ترموديناميک را در نظر بگیرید. همان طور که می دانيم اين قانون  در واقع بيانی است از قانون پايستگی انرژی و با اين توضيح اضافی که گرما نيز صورتی از انرژی است. اين قانون را به طور کمی به صورت dQ=dU+dW بيان می کنند که در آن d معرف تفاضل يا اختلاف است. همچنين کميت های W,U,Q به ترتيب گرما ، انرژی درونی و کار را نشان می دهند. هر گاه در فشار ثابت حجم دستگاهی به مقدار کوچکی تغيير کند، دستگاه به اندازه ی dW=PdV روی محيط کار انجام می دهد و يا بر عکس از طرف محيط روی دستگاه کار انجام می شود. حال فرض کنيد در يک فرايند هم فشار انرژی درونی و حجم دستگاهی تغيير کند. در اين صورت به کمک قانون اول ترموديناميک و رابطه ی کار در فرايند هم فشار به سادگی به رابطه ی (dQ=d(U+PV می رسيم که کميت داخل پرانتز يعنی U+PV را با H نشان می دهند و آن را آنتالپی می نامند. در اين صورت داريمdQ=dH . بنابراين ، هرگاه  فرايندی هم فشار بر روی دستگاهی انجام شود گرمای داده شده يا گرفته شده از دستگاه با تغيير انتالپی آن برابر است. از همين رو آنتالپی را محتوای گرمايی دستگاه نيز می نامند! از آنجا که در شيمی و مهندسی بيشتر فرايندها در فشار ثابت انجام می شود مفهوم آنتالپی کاربرد زيادی دارد.

تعریف آنتالپی

آنتالپی سیستم، تابعی ترمودینامیکی است که با مجموع انرژی درونی سیستم و حاصلضرب حجم در فشار آن (در فشار ثلبت) در محیط سیستم، هم ارز است. به عبارت دیگر گرمای جذب شده بوسیله واکنشی که در فشار ثابت انجام می‌گیرد، برابر با تغییر آنتالپی سیستم است. آنتالپی، همانند انرژی داخلی، تابعی از حالت سیستم و مستقل از راهی است که به آن حالت می‌رسد.

 انتروپی

معمولاً قانون دوم ترمودینامیک را چنین توصیف می کنند که انتروپی جهان در طی يک فرآيند خود به خودی افزايش می يابد. سپس  ΔS معرفی می شود. اما حقیقتاً انتروپی را چگونه می توان توضیح داد؟

قانون دوم ترمودینامیک یک برداشت منطقی از تجربه ی بشری است و از تئوری ها و معادلات پيچيده به دست نيامده است. بنابراين فکر کردن در مورد تجارب عادی می تواند در درک مفاهیم انتروپی بسیار موثر باشد.

فصل 18 خواص و رابطه موجی ذرات  415

18- 1 مکانیک کوانتوم جدید  415

18 – 2 رابطه دوبروی در تابش الکترومغناطیسی  417

18 – 3 اصل مکملی یا مکملیت  421

18 – 4 اصل مکملی و گربه شرودینگر 424

18 - 5 ديدگاههاي مختلف درباره جايگاه نظريه ها در علم  427

18 – 6 آزمایش افشار، آيا تفسير كپنهاك بى اعتبار مى شود؟  430

خواص و رابطه موجی ذرات

هروقت علم در جایی به بنبست برخورد کرده و نتوانسته پدیده ها را با نظریه های موجود توجیه کند، نظریه های کاملتر و دیقتر ارائه شده است. زمانی که مکانیک کلاسیک نتوانست بعضی از پدیده های طبیعی را توجیه کند، مکانیک کوانتومی شکل گرفت و در واقع مکانیک را کاملتر و جامعتر کرد. مکانیک کلاسیک به چرایی و چگونگی حرکت اجسامی به جرم و حجمی که قابل مشاهده است، می پردازد. وقتی بشر به حدی از تکامل علمی رسید که به بررسی حرکت ذرات ریزی مثل الکترون و پروتون و فوتون و . . . پرداخت به تناقضی فاحش بین تجربه و نظریه مکانیک کلاسیک برخورد و بر آن شد تا با اصلاح کردن نظریه های موجود در زمینه نظری بتواند به پیشگویی پدیده ها بپردازد. بر این اساس مکانیک کوانتوم قدیم که توسط پلانک و انیشتین ارارئه شده بود، توانست برخی از پدیده ها مثل اثر فوتوالکتریک، حرکت براونی و جسم سیاه را توجیه کند. ولی این نظریه ایرادهایی داشت، از جمله طیف تابشی اتمها را پیشگویی نمی کرد. به همین دلیل عمر زیادی نداشت و جای خود را به مکانیک کوانتوم جدید داد.

همانطور که می دانیم در توجیه پدیده فوتوالکتریک انیشتن با در نظر گرفتن نور بصورت بسته های انرژی یا ذراتی بنام فوتون توانست جایزه نوبل را دریافت کند. در واقع نور خاصیت دوگانه ای دارد، در برخی از آزمایشات مثل دوشکاف یانگ فقط با در نظر گرفتن حالت موجی نور مطابقت دارد و با ذره ای بودن نور در تناقض است و در برخی دیگر از پدیده ها مثل فوتوالکتریک نور باید ذره ای در نظر گرفته شود تا این پدیده توجیه شود و با موجی بودن نور در تناقض است.

نور واقعا موج الکترومغناطیس است یا ذره؟

مکانیک کوانتوم جواب این سوال را به خوبی می دهد. در واقع بین این دو خاصیت یک ارتباطی برقرار می کند و بیان می کند که نور به هیچ وجه نه موج کلاسیک است و نه ذره کلاسیک.

اصل مکملی یا مکملیت

ذهن آدمي بصورت فطري طوري است که هميشه دوست دارد پديده‌هايي را که به هر نحوي درک مي‌کند اعم از محسوس يا غيرمحسوس در يک نظم مشخص طبقه‌بندي کند. يعني در يک چهارچوب کلي بتواند هر پديده‌اي را در جاي خودش قرار دهد و يک مجموعه کلي منطقي و معقول براي خود توصيف کند. از طرفي ناتواني انسان در احاطه کامل بر پديده‌ها و تدريجي بودن تکامل درک او از جهان خارج سبب مي‌شود که نتواند براي توصيف پديده‌ها به يک نتيجه قطعي برسد. از اين رو در هر زماني و متناسب با سليقه‌هاي مختلف افراد توصيف‌هاي متفاوتي از يک پديده به وجود آمده‌اند. موضوع مورد بحث ما يعني خاصيت‌هاي موجي يا ذره‌اي در طبيعت هم از اين اصل کلي مستثني نيست و بطوريکه خواهيم ديد ايده‌هاي مختلفي در اين مورد پيدا شده‌اند. از نظر تاريخي تا آنجا که مي‌دانيم (1) از يونان باستان اين مسئله مطرح شده است که آيا مي‌توان ماده را تا بي‌نهايت تقسيم کرد يا نه؟ جوهر اين مسئله يعني بحث در پيوستگي يا ناپيوستگي در زمان ما به صورت دوگانگي موج و ذره تجلي مي‌کند. البته در بکار بردن لفظ موج يا ذره بايد دقت کرد. منظور ما از موج آن خاصيتي از ماده است که در همه فضا يا بخش‌هايي از آن بطور پيوسته گسترده است . بطوريکه در بعضي نقاط اين خاصيت شديدتر از نقاط ديگر است و منظور ما از ذره آن خاصيتي از ماده است که در محدوده کوچکي از فضا جايگزين شده است و در ديگر مکان‌ها وجود ندارد ولي اگر بخواهيم دقيق باشيم بايد مفاهيم موج و ذره را بصورت تعريف نشده بپذيريم. به هر صورت با قبول تعابير متعارف موج و ذره به پديده‌هايي بر مي‌خوريم که براي نور از يک سو خواص موجي ثابت مي‌کنند از قبيل پديده‌هاي تداخل و پراش و از سوي ديگر خواص ذره‌اي را تاييد مي‌کنند از قبيل فوتوالکتريک و تابش‌هاي القايي و خودبخودي در اتم. بنابراين مشخص نيست که نور موج است يا ذره يا چيري بين اين دو.*

چرا اصل مکملی مطرح شد؟

فصل 19 اسپین ذرات بنیادی  435

19 – 1 دلیل مطرح شدن اعداد کوانتومی  436

19 – 2 عدد کوانتومی ‌مغناطیسی اسپینی  441

19- 3 اسپین الکترون در مکانیک کوانتومی 442

19 – 4 اصل طرد پاولی  443

19 – 5 سرعت دوران اصلی و اسپین  447

19 – 6 آیا اسپین الکترون ثابت است؟  448

خلاصه:

اسپین ذرات بنیادی

اسپین چهارمین عدد کوانتومی الکترون است که توسط اولنبک و  اولنبک و گوداشميت مطرح شد. در سال 1925 ايشان اظهار داشتند که يک اندازه ی حرکت زاويه ای ذاتی، کاملاً مستقل از حرکت زاویه ای مداری، به هر الکترون وابسته است. اين اندازه حرکت ذاتی، اسپين الکترون ناميده می شود. زيرا می توان آن را با اندازه حرکت ذاتی که هر جسم گسترده بر اساس دوران يا اسپين حول مرکز جرم خود دارد يکسان دانست.

البته اکنون در مکانیک کوانتوم تلقی يک الکترون به عنوان يک کره ساده با بار الکتریکی صحيح نيست، بلکه به خاطر مشخص کردن اندازه حرکت زاویه ای اسپينی الکترون به کمک يک مدل قابل تجسم، بهتر است که آن را به عنوان جسمی که در فضا دارای گسترش است و به طور پيوسته حول يک محور به دور خود می چرخد در نظر گرفت. به علاوه، چون بار الکتريکی منفی در حال دوران در نظر گرفته می شود، يک ميدان مغناطيسی توسط الکترون چرخان توليد می شود و يک گشتاور مغناطيسی که بر خلاف اندازه حرکت زاويه ای (اسپين) است ، می توان به اسپين الکترون نسبت داد.

دلیل مطرح شدن اعداد کوانتومی

فصل 20 کنش فوتون و ماده و اصل کمپتون و اصل عدم قطعیت  451

20 – 1 اثر کامپتون 452

20 – 2 نظریه کلاسیک پراکندگی امواج الکترومغناطیسی  453

20 – 3 نظریه کوانتومی ‌پراکندگی امواج الکترومغناطیسی  453

20 – 4 اصل عدم قطعیت  457

20 – 5 انیشتین و مکانیک کوانتوم  462

20 – 6 شکست انیشتین توسط نسبیت عام  467

20 – 7 اينشتين، پودلسكى و روزن  469

20 – 8 فیزیک مدرن و عقل سلیم  471

خلاصه:

کنش فوتون و ماده-اثر کامپتون

پدیده ی کامپتون یکی از حالت بسیار جالب و در عین حال مهم در کنش بین فوتون و الکترون است. در پدیده ی اثر کامپتون، فوتون قسمتی از انرژی خود را به الکترون می دهد و پس از برخورد، از مسیر نخستین منحرف شده و با انرژی کمتری به حرکت خود ادامه می دهد و الکترون انرژی جنبشی کسب می کند. اصولاً در کنش بین فوتون و الکترون یکی از چهار حالت زیر اتفاق می افتد:

1- فوتون جذب الکترون می شود و موجب می گردد که الکترون از مدار پائین تر به مدار بالاتر صعود کند. این بحثی است که در نظریه اتمی بور مورد بررسی قرار گرفت.

2- فوتون جذب الکترون می شود و الکترون را از اتم جدا می کند. در این حالت که به اثر فوتوالکتریک معروف است، همه ی انرژی فوتون به الکترون منتقل می شود.

3- فوتون قسمتی از انرژی خود را از دست می دهد و الکترون این مقدار انرژی را کسب کرده و بر انرژی جنبشی آن افزوده می شود. این پدیده را اثر کامپتون می گویند.  

اثر کامپتون

در اثر فوتوالکتریک، فوتون همه ی انرژی خود را به الکترون می دهد، اما ممکن است در برخورد فوتون با ذره ی باردار، فوتون تنها قسمتی  از انرژی خود را از دست بدهد. این نوع برهم کنش بین امواج الکترومغناطیسی و اجسام، همان پراکندگی امواج الکترومغناطیسی توسط ذرات باردار جسم است. نظریه کوانتومی پراکندگی امواج الکترومغناطیسی، به اثر کامپتون مشهور است.

اصل عدم قطعیت

بعد از آنکه دوبروی نظریه موج - ذره را بیان کرد، این امواج تا اندازه‌ای نامفهوم بودند. همچنین در این زمان سوال دیگری مطرح بود، مبنی بر اینکه قوانین مکانیک کوانتومی ‌چه تأثیری بر مفاهیم مکانیک کلاسیک دارند. هایزنبرگ اشکال را از سرچشمه آن مورد نظر قرار داد، یعنی دستورها و روشهای معمولی مشاهده را در مورد پدیده‌هایی با مقیاس اتمی‌ بکار برد.

در تجربیات روزانه، می‌توانیم هر پدیده‌ای را مشاهده کنیم و خواص آن را اندازه بگیریم، بدون آنکه پدیده مورد نظر را تحت تأثیر قابل توجهی قرار دهیم. در دنیای اتم هرگز نمی‌توانیم اختلال و آشفتگی را که حاصل از دخالت دادن وسایل اندازه گیری است، نا دیده بگیریم. انرژی‌ها در این مقیاس به اندازه‌ای کوچک هستند که حتی در اندازه گیری که با حداکثر آرامش انجام گرفته، ممکن است آشفتگی‌های اساسی در پدیده مورد آزمایش پدید آورد و نمی‌توان مطمئن بود که نتایج اندازه گیری واقعا آنچه را در نبودن وسایل اندازه گیری روی می‌داد، توصیف می‌کند. ناظر و وسیله ‌اندازه گیری یک قسمت از پدیده را مورد بررسی هستند.

اصولا چیزی به‌عنوان پدیده فیزیکی به خودی خود وجود ندارد. در همه حالات، یک عمل متقابل کاملاً اجتناب‌ناپذیر میان ناظر و پدیده وجود دارد. هایزنبرگ این موضوع را از طریق ملاحظه مسئله دنبال کردن یک ذره مادی متصور ساخت. در جهان ماکروسکوپیک می‌توانیم حرکت یک توپ پینگ پنگ را، بدون آنکه مسیر آن را تحت تأثیر قرار دهیم، تعقیب کنیم. اما در مورد مسیر حرکت یک الکترون هرگز وضع به همین منوال نیست و تعقیب الکترون بدون متأثر ساختن مسیر حرکت تقریباً غیر ممکن است و همین امر سبب ایجاد یک عدم قطعیت در مشاهدات ما می‌گردد.

فصل 21  نسبیت عام  473

21- 1 نسبیت عام  473

21 – 2 انحنای فضا 474

21 – 3 معادله ی میدان انیشتین  481

21 – 4 گرانش و هندسه فضا  482

21 – 5 اهميت نسبيت عام در زندگى روزمره  485

21 – 6 نسبیت عام و سیاه چاله ها  486

21 – 7 شعاع شوارتس شیلد  490

21 – 8 انواع سیاهچاله 493 

21 – 9 سیاه چاله های هاوکینگ  495

21 – 10 نسبیت عام و کیهان شناختی 498

21 – 11 معادله میدان و ثابت کیهان شناختی انیشتین 500

21 – 12 معادله فریدمان و قانون هابل 504

خلاصه:

نسبیت عام

نسبيت خاص دارای يك محدوديت اساسي بود. اين محدوديت ناشي از آن بود كه رويدادهاي فيزیکی را در دستگاه های لخت مورد بررسي قرار مي داد، در حاليكه در جهان واقعي دستگاه ها شتاب دار هستند. هرچند مي توان در بر رسي برخي رويداد ها به دستگاه های لخت بسنده كرد، اما اين دستگاه ها برای بررسی تمام رويدادها ناتوان هستند.  اينشتين در سال 1915 نسبيت عام را ارائه کرد و نسبيت خاص به عنوان حالت خاصي از نسبيت عام در آمد. نسبيت عام بر اساس اصل هم ارزی تدوين شد.

نسبیت عام

انیشتین سالها قبل از ارائه ی نسبیت عام پیش بینی کرده بود که گرانش بر مسیر نور اثر می گذارد.

اما برای تدوین نسبیت عام سالها به کمک گروسمان به مطالعه ی هندسه های نااقلیدسی پرداخت. و سرانجام در سال 1915 نسبیت عام را با اصل هم ارزی مطرح کرد.

 نسبیت عام و سیاه چاله ها

يكى از نخستين حل هاى معادله اينشتين را فيزيك پيشه منجمى به نام كارل شوارتس شيلد به دست آورد. شوارتس شيلد متريك اطراف يك كره مثلاً اطراف يك ستاره را به دست آورد. اين متريك كه امروزه متريك شوارتس شيلد نام دارد،  خاصيت بسيار عجيبى دارد: اگر شعاع ستاره از حدى كوچك تر شود، ديگر حتى نور هم از آن نمى تواند بيرون بيايد. در اين حالت ستاره تبديل به شىء عجيبى مى شود كه سياهچاله  نام گرفته است. درك فيزيك سياهچاله ها يكى از چالش  هايى است كه فيزيك پيشه ها بيش از نيم قرن است با آن دست و پنجه نرم مى كنند. امروزه تقريباً اكثر اخترفيزيك پيشه هاى فعال اعتقاد دارند كه در دنيا از جمله در مركز كهكشان راه شيرى سياهچاله  هست.

تاریخچه سیاه چاله ها

پس از آنکه مکانیک نیوتنی تحت عنوان مکانیک آسمانی در شناخت جهان مورد استفاده قرار گرفت، یکی از موارد مورد توجه سیاه چاله ها بود. نخستین بار در سال 178 جان میشل طی مقاله ای سرعت فرار را با اطلاعات آن روز محاسبه کرد و اظهار داشت اگر گرانش چنان قوی باشد که سرعت فرار در آنجا بیش از سرعت نور باشد، نور نمی تواند از آنجا بگریزد. البته در آنزمان بطور تقریبی سرعت نور را می داننستد، ولی حد سرعت، سرعت نور نبود. زیرا در مکانیک نیوتنی سرعت نامتناهی قابل قبول بود.

 نسبیت عام و کیهان شناختی

اينشتين بعد از تكميل نسبيت عام، به اين مسئله پرداخت كه معادله هايى كه نوشته چه چيزى براى كل جهان يا كيهان پيش بينى مى كنند. فرض هايى بسيار معقول و كلى براى كل كيهان كرد. مثلاً اينكه كيهان در مقياس هاى بزرگ نه مركز مرجحى دارد نه امتداد مرجحى. معادله ها را حل كرد و در كمال تعجب ديد كه حل ايستا ندارند: يا جهان در حال بزرگ شدن است يا در حال كوچك شدن، در گذشته اى متناهى از يك نقطه آغاز شده و ممكن است در آينده اى متناهى به يك نقطه بينجامد! از اين حل خوشش نيامد. دستى در معادله هايش برد. جمله اى به آنها افزود. در اين جمله ثابتى ظاهر مى شود كه آن را ثابت كيهان شناختى نامگذارى كرد.

اگر اين ثابت كه آن را با  Λ نشان مى دهند، صفر باشد، معادله ها مى شوند همان معادله هاى قبلى اگر لاندا مثبت باشد، جلوى انبساط عالم گرفته مى شود و اگر لاندا منفى باشد، جهان به نحو فزاينده اى منبسط مى شود. چند سال بعد ادوين هابل منجم آمريكايى انبساط جهان را كشف كرد! پس از آن اينشتين گفت اين افزودن جمله كيهان شناختى به معادله هايش بزرگ ترين اشتباه زندگى اش بوده. امروز يك نظريه بسيار موفق براى كيهان شناخت داريم موسوم به مدل استاندارد كيهان شناخت. که يكى از سنگ هاى اصلى اين بناى بسيار عظيم و زيبا نسبيت عام است.

فصل 22 مبانی انقلاب در فیزیک و مکانیک موجی  507

22- 1 مبانی فکری انقلاب ها در فیزیک  507

22 – 2 نظریه های انقلابی و تجربه گرایان نوین 510

22- 3 نقش متقابل ریاضیات و فیزیک  512

22 – 4 قانون علمي  515

22 – 5 مکانیک موجی  516

22 – 6 معادله دیراک  523

22 – 7 هسته و مدل های هسته ای  525

22 – 8 نیم عمر  529

22 – 9 مدل های هسته اتم  531

خلاصه:

مبانی فکری انقلاب ها در فیزیک 

این مقدمه طولانی را با گفته ای از پوپر آغاز می کنم:

راه درس گرفتن از تجربه، انجام مشاهدات مكرر نيست. سهم تكرار مشاهدات در قياس باسهم انديشه هيچ است. بيشتر آنچه كه مي آموزيم با كمك مغز است. چشم و گوش نيز اهميت دارند، ولي اهميتشان بيشتر در انديشه هاي غلطي است كه مغز يا عقل پيش مي نهند.

بر همين اساس، با استقراءگرايان مخالفت ورزيده و استقراء را اسطوره‌اي بي بنياد معرفي كرده است. پوپر با بيان اين مطلب كه نظريات همواره مقدم بر مشاهدات هستند طرح نويني را در عرصة روش شناسي علوم تجربي بنيان نهاد. طبق نظر وي روش صحيح علمي عبارت است از آنكه يك نظريه به نحو مستمر در معرض ابطال قرار داده شود. بنابراين يك نظريه براي آنكه قابل قبول باشد بايد بتواند از بوتة آزمونهايي كه براي ابطال آن طراحي شده‌اند، سر بلند بيرون بيايد. پوپر مصرانه ندا سر می دهد که بگذاريد نظریه ها بجای انسانها بميرند.

پوپر با ارائه ی نظریه ی ابطال پذیری تلاش کرد مرز بین نظریه های علمی و غیر علمی را مشخص کند. وی چنین بیان می کند.

علمي بودن هر دستگاه، در گرو اثبات پذيري به تمام معناي آن نيست، بلكه منوط به اين است كه ساختمان منطقيش چنان باشد كه رد آن به كمك آزمونهاي تجربي ميسر باشد

به عبارت دیگر از دیدگاه پوپر نظریه های علمی اثبات پذیر نستند، بلکه ابطال پذیرند.

پوپر با اين ديدگاه به مخالفت با تلقي‌هاي رايج از علم پرداخت و بيان كرد كه علم و نظريه‌هاي علمي هيچگاه از سطح حدس فراتر نمي‌روند و آنچه كه منتهي به پيشرفت علم مي‌شود سلسله‌اي از حدسها و ابطالها مي‌باشد. پوپر تاکید می کند براي رسيدن به اندشه هاي نو، هيچ دستور منطقي نمي توان تجويز كرد.

مکانیک موجی

در سال 1924 مارکی لویی دوبروی، که مطالعات علمی خود را با تحصیل تاریخ قرون وسطی آغاز کرد و بعدها کم کم به فیزیک نظری علاقه‌مند شد، رساله دکترایی به دانشگاه علوم پاریس عرضه داشت که شامل نظریه‌های شگفتی بود.

دوبروی عقیده داشت که حرکت ذرات مادی توسط موجهایی همراهی و هدایت می‌شود که همراه با ماده در فضا انتشار می‌یابد. اگر چنین باشد مدارهای کوانتومی برگزیده در مدل اتمی بور می‌تواند همچون مدارهایی تعبیر شود که طول آنها شامل تعداد صحیحی از این فیزیک امواج باشد. همچنین در مدارهایی با شعاع متوسط، موجی که دور می‌زند نمی‌تواند به خودش ختم شود و لذا این نوع حرکت نمی‌تواند وجود داشته باشد.

هسته و مدل های هسته ای

هسته مجموعه ای از ذرات باردار با بار مثبت می باشد که در یک حجم فوقالعاده کوچک تمرکز یافته اند وبا نیروی بسیار قوی و برد کوتاه «نیروی برهمکنش قوی هسته ای) به هم مقید شده اند که این مجموعه متراکم کل جرم اتم را در خود دارد و الکترون ها در اربیتال هایی حول این نقطه چگال مرکزی در حال دوران هستند

فصل 23 نظریه بیگ بنگ  535

23 – 1 فرار کهکشانها چگونه محاسبه می شود؟  535

23 – 2 عالم در ابتدا چگونه به نظر می آمد؟   537

23 – 3 عالم در ابتدا چگونه به نظر می‌آمد؟

23 – 4 تابش زمینه ی کیهانی  542

23 – 5 جهان تخت، باز و بسته، نظريات آغاز و پايان - كائنات باز  545

23 – 6 داده های جديد از نخستين تريليونيوم ثانيه ی عالم  551

23 – 7 فضا- زمان قبل از مهبانگ  552

23 – 8 بیگ بنگ و نظریه تورم  555

23 – 9 نظریه تورم  557

23 – 10 جهان در پوست گردو  559

نظریه بیگ بنگ

در آغاز قرن بیستم دانش انسان نسبت به کائنات به کهکشان راه شیری خلاصه می شد. اما هنگامی که از اوایل قرن بیستم تلسکوپهای پرتوان به مشاهده آسمانها پرداختند، یافته‌های جدید ، انسان را در تجسم جهان تواناتر ساخت. ادوین هابل کشف کرد که همه کهکشانها در حال گریز از همدیگر هستند و جهان منبسط می‌شود. اگر جهان در حال گسترش باشد، باید مبداء آغازی نیز داشته باشد. بر این اساس نظریه بیگ بنگ یا انفجار بزرگ مطرح شد.

فرار کهکشانها چگونه محاسبه می شود؟

هنگامیکه بحث فرار کهکشانها یا انبساط جهان مطرح می شود، این سئوال پیش می آید که چگونه این  محاسبات انجام می شود؟

اثر دوپلر نشان می دهد که هرگاه یک چشمه نور به ناظر نزدیک شود، فرکانس نور دریافتی افزایش می یابد که اصطلاحاً می گویند جابجایی به طرف آبی انجام می شود. چنانچه چشمه در حال دور شدن باشد، فرکانس نور دریافتی کاهش می یابد که می گویند جابجایی به سمت سرخ است. همانطور که می دانید اصولاً حرکت نسبی ناظر و چشمه مطرح است و هیچ فرقی نمی کند که چشمه حرکت کند یا ناظر. بنابراین هرگاه چشمه و ناظر نسبت به یکدیگر حرکت کنند، جابجایی فرکانس نور دریافتی وجود خواهد داشت. همچنین می دانیم که فرکانس و طول موج با یکدیگر نسبت معکوس دارند، یعنی هرچه فرکانس افزایش یابد به همان نسبت طول موج کاهش می یابد و برای نور رابطه زیر برقرار است:

جهان تخت، باز و بسته

برخي معتقدند جهان براي هميشه در حال گسترش و انبساط خواهد بود. كائناتي را كه هميشه در حال انبساط باشد، كائنات باز مي نامند.  به عقيده برخي ديگر ، هنگامي كه جهان به اندازه معين رسيد ، انبساط آن متوقف شده و در همان حال ثابت مي ماند. گروه ديگر مي گويند جهان سرانجام از انبساط باز مي ايستد و انقباض و فروپاشي دروني آن آغاز مي گردد. طبق اين نظريه فروپاشي بزرگ همان مراحل انفجار بزرگ را در جهت عكس طي خواهد كرد تا به يك نقطه واحد تبديل شود. جهاني با اين خصوصيات را كائنات بسته مي گويند.

تقابل دو نيرو

كائنات در حال انبساط و گسترش است ولي نيرويي وجود دارد كه در مقابل اين انبساط قرار مي گيرد، آن نيرو ، گرانش است. بدليل وجود نيروي گرانشي است كه ماده ، ماده را جذب مي كند. پس مواد تشكيل دهنده كائنات مي خواهند همديگر را جذب كنند، لذا گرايش كل كائنات بر آن است كه روي خود فرو افتد و منقبض شود. آيا در اين صورت نظر گروه سوم تاييد مي شود و كائنات فرو مي پاشد؟

پاسخ اين سوال بطور دقيق مشخص نيست. در اينجا با تقابل دو نيرو مواجهيم. يكي نيروي گرانشي و ديگري نيروي حاصل از انفجار بزرگ. هر كدام قويتر باشد، سرنوشت كائنات را رقم مي زند. اگر نيروي گرانشي به اندازه كافي نيرومند باشد ، جريان دور شدن كهكشانها از يكديگر روزي متوقف خواهد شد. آنها جهت خود را معكوس خواهند كرد و در يك حركت انقباضي رو به سوي يكديگر خواهند گذاشت. درجه حرارت و چگالي افزايش خواهد يافت و كائنات با طي روندي معكوس مراحل عظيم انفجار بزرگ را تجربه خواهد كرد و كائنات بسته خواهد بود.

اگر دو نيرو با هم برابر باشند ، نظريه گروه دوم حاكم خواهد بود و جهان ثابت خواهد ماند ولي اگر نيروي حاصل از انفجار بزرگ قويتر از نيروي گرانشي باشد ، جهان همچنان به انبساط خود ادامه خواهد داد، كهكشانها از يكديگر دورتر خواهند شد و كائنات ما كائناتي باز خواهد بود.

 بیگ بنگ و نظریه تورم

فیزیک خلاء کاذب

ویژگیهای مهبانگ بسیار خاص و منحصر بفرد است. اما فیزیکدانان با استفاده قوانین فیزیک، مکانیزمی برای آن ارائه کرده اند که دقیقاً با آن مطابقت دارد و تحت عنوان تورم کیهان شناخته می شود. در تشریح آن از یک خلاء کاذب استفداه می شود. خلاء کاذب در بسیاری از نظریه ها که شامل میدان اسکالر هستند، استفاده می شود. میدان اسکالر شبیه میدانهای الکتریکی یا مغناطیسی است، اما جهت خاصی ندارد. بعنوان مثال میدان هیگز که در مدل استاندارد ذرات بنیادی بکار می رود یا در افکار مربوط به نظریه های بزرگ اتحاد نیروها از میدانهای اسکالر استفاده می شود. در یک نمونه از میدانهای هیگز چگالی انرژی بسیار پائین است، اما ناپدید نمی شود.

فصل 24 انرژی تاریک و ماده تاریک  567

24 – 1 انرژی تاریک  567

24 – 2 جاذبه دلیل وجود ماده تاریک  569

24 –3 ذره -پاد ذره و معمای پاد ماده 575

24 – 4 به دنبال پادجهان ها 581

24 – 5  پروازهاى آينده  583

24 – 6 نوترینو و معمای مهبانگ  584

24 – 7 جرم نوترینو 587

24 – 8 نوترينوها و انرژي تاريك  591

خلاصه:

انرژی تاریک و ماده تاریک

انرژی تاریک

حدود 200 میلیارد کهکشان که هر کدام دارای تقریباً 200 میلیارد ستاره است به وسیله تلسکوپها قابل تشخیص است. اما این تعداد فقط 4 درصد از محل گیتی را تشکیل می دهد. حدود 73 درصد از جهان از ماده دیگری ساخته شده است که ماده تاریک  (dark matter) نامیده می شود. هیچ کس نمی داند که ماهیت این ماده ناشناخته چیست، اما مقدار این نوع ماده از تمام اتم های موجود در تمام ستارگان موجود در کل کهکشان های قابل شناسایی گستره فضا بسیار بیشتر است. به نظر می رسد این نیروی عجیب، اجزای جهان را با سرعت فزاینده ای از یکدیگر دور می کند، در حالی که نیروی گرانش با این نیرو مقابله کرده و از سرعت این گسترش می کاهد.

این اکتشاف ها به وسیله رصدخانه مداری که کاوشگر ناهمسانگرد ریز موج ویلکینسون (WMAP) نامیده می شود، انجام شده است. این کاوشگر افت و خیزهای ناچیز موجود در پرتوهای ریز موج پس زمینه کیهانی را اندازه می گیرد که در اثر پژواک های میرای انفجار بزرگ به وجود آمده است.

جهان در حال انبساط با سرعتی سرسام آور

این یافته ها به مشاجرات فراوانی که در مورد جهان، عمر جهان، سرعت انبساط آن و ترکیب آن جریان داشت، پایان داد. با استفاده از نتایج دو تحقیق ذکر شده، اخترشناسان امروز بر این باورند که سن جهان 13/7 میلیارد سال با تقریب چند صد هزار سال است. براساس اطلاعات موجود، جهان با سرعت شگفت آور 71 کیلومتر در ثانیه در مگا بارسک در حال انبساط است. (بارسک یک واحد اخترشناسی است و تقریباً برابر 3.26 میلیون سال نوری است). 

ذره -پاد ذره و معمای پاد ماده

علاوه بر اثر فوتوالکتریک و اثر کامپتون، فرایند جالبی تحت عنوان تولید زوج ماده - پاد ماده وجود دارد که از نظر اهمیت و مفاهیم بنیادی بی نظیر است. تولید و واپاشی زوج یک مثال بسیار بارز و عالی از تبدیل انرژی به ماده  و بالعکس است. در تعبیر رابطه معروف اینشتین (E = mc²) اصل هم ارزی جرم و انرژی بیان می‌‌شود. به عبارت دیگر ، دو کمیت جرم و انرژی به یکدیگر قابل تبدیل هستند. هرگاه تغییری در جرم حاصل شود، به وسیله تغییر دیگری در انرژی جبران می‌‌شود. برای بررسی امکان تبدیل انرژی به جرم می‌‌توان بهپدیده تولید زوج اشاره کرد. به عبارت دیگر، پدیده تولید زوج می‌‌تواند به این پرسشها پاسخ دهد که آیا می‌‌توان از انرژی خالص ماده آفرید؟ یا اینکه آیا می‌‌توان انرژی سکون را به انرژی الکترومغناطیسی تبدیل کرد؟ البته لازم به ذکر است که در چنین تبدیلاتی باید قوانین بقای انرژی، اندازه حرکت و بار الکتریکی نقض نشود.

ماده و پاد ماده

در 1928 فيزيكدان انگليسى پل آدريان موريس ديراك وجود ضدماده را پيش بينى كرد. ديراك مدعى شد كه براى هر ذره مادى، ضدذره اى به همان جرم ولى با بار مخالف وجود دارد. از پيوند اين ضدذره ها، ضداتم پديد مى آيد و ضداتم ها مى توانند ضدماده هايى متناظر با اجسام دنياى مادى بسازند. يعنى مثلاً ضدستاره ها، ضدكهكشان ها و حتى ضدانسان ها. ماجرا به همين جا ختم نمى شود. اگر يك ذره مادى با ذره اى از ضدماده برخورد كند، هر دو ناپديد مى شوند و در مقابل يك پرتو پرانرژى گاما توليد مى شود. به زبان تراژيك تر، اگر يك انسان و ضدانسان با هم دست بدهند، انرژى حاصل از انفجار و ناپديد شدنشان چيزى معادل هزار انفجار هسته اى يك مگاتنى خواهد بود. هر كدام از اين بمب ها، براى نابودى كامل يك شهر كوچك كفايت مى كند.

 نوترینو و معمای مهبانگ

نوترینو ذره بنیادی خنثایی است که در ضمن واپاشی بتای هسته های اتمی همراه با الکترون یا پوزیترون گسیل می شود. همانند نوترون ، نوترینو نیز بار الکتریکی ندارد. نوترینو با الکترونها عملا اندرکنش نمی کند و باعث یونش قابل توجه محیط نمی شود. نوترینو ذره بنیادی ناپایدار و سبکی می باشد که جرمش در حدود یک دویستم جرم الکترون می باشد.

آشکارسازی نوترینو

همانطور که می‌دانید احتمال وجود نوترینوها بر مبنای تباهی بتا می‌باشد. یعنی فرآیندی که به وسیله آن هسته یک عنصر شیمیایی یک الکترون از دست می‌دهد و به هسته عنصر دیگری تبدیل می‌گردد. فیزیکدانان ملاحظه نمودند که در برخی موارد ، انرژی الکترون خارج شده کمتر از مقداری می‌باشد که بوسیله محاسبات

نظری پیشنهاد شده است. فیزیکدانان بلند پایه سوئیسی و ولف گانگ پائولی (Wolfgong Pouli)  پیشنهاد نمود. نقصان انرژی بوسیله ذره خنثای شناخته شده‌ای حمل می‌گردد که هیچ برهمکنش قابل توجهی با ماده ندارد و بنابراین نمی‌توان به وجود آن پی برد. این ذره نوترینو نامیده شد. و وجود آن به وسیله تجربه تائید گردید. برای تعیین اینکه آیا نوترینو دارای جرم است یا نه؟ اصولا تباهی بتا می‌تواند شاخص غیر مستقیمی باشد.

فصل 25 الکترودینامیک کوانتومی و کرومودینامیک کوانتومی  595

25- 1 نیرو  595

25 – 2  ثابت های جفت شدگی  599

25 – 3 الکترودینامیک کوانتومی  603

25 – 5 الکتروضعیف  608

25 – 6 جدول ذرات بنیادی 611

25 – 7 کرومودینامیک کوانتومی یا الکترودینامیک رنگی  613

25 – 8 وحدت بزرگ  617

25 – 9 ابر تقارن، ابر گرانش و ابر وحدت  619

خلاصه:

الکترودینامیک کوانتومی

نظریه الکترودینامیک کوانتومی را دیراک ، ورنر هایزنبرگ ، پاسکوال جوردن و ولفانگ پاولی در اواخر دهه 1920 فرمول بندی و فریمن دایسون ، ریچارد فاینمن و جولیان شوینگر و سین - ایتیروتوموئاگا در اویل دهه 1950 آن را تکمیل کردند. گسترش الکترودینامیک کوانتومی را می‌توان نتیجه چشم گیر کنش متقابل بین نظریه و تجربه به شمار آورد. بخشی از این تحول، به برکت فن آوری میکرو موجها بود که در آن موقع تازه پدید آمده بود و امکان اندازه گیری بسیار دقیق طیف هیدروژن و گشتاور مغناطیسی الکترون توسط بولی کارپ کوش و هنری فراهم شد.

نتایج آزمایشها ، که هر دو در سال 1947 منتشر شده پیشرفتهای نظری سریعی را پدید آورد. این پیشرفتها نیز به نوبه خود سبب شد که پژوهشگران تجربی روشهای جدیدی را برای اندازه گیری باز هم دقیقتر ابداع کنند. در حال حاضر، با آنکه هنوز امکان بهبود روش وجود دارد. نظریه و تجربه در گسترش بسیار وسیعی از انرژیها با دقت چشم گیری باهم سازگاری دارند.

در نظریه  QED  برهمکنش الکترومغناطیسی را ناشی از مبادله فوتون بین ذرات باردار در نظر می‌گیرند، در این مبادله فوتون جانشین میدان الکترومغناطیسی ماکسول به عنوان سرچشمه برهمکنش الکترومغناطیسی است و این تصویر که برهمکنش برآمده از معادله ذرات تبادلی است بطور موفقیت آمیزی گسترش داده شده تا برهمکنشهای ضعیف و قوی را نیز توصیف کند. دیدگاه امروزی در مورد چگونگی وقوع این برهمکنشها بر همین اساس استوار است.

تقارن، وحدت، ابر تقارن و ابر وحدت

در فیزیک نوین مفهوم تقارن نقش بسیار مهمی دارد. هرگاه یک دسته تغییرات خاص، هیچیک از کمیات سنجش پذیر را در یک سیستم مورد مطالعه تغییر ندهد، می گوییم در سیستم تقارن وجود دارد.

به عنوان مثال یک دانه ی برف تحت دوران 60  درجه (یا مضارب درستی از 60 درجه) هیچ تغییری را نشان نمی دهد. اما در دوران مثلاً 50 یا 40 درجه تغییرات مشاهد خواهد شد. هنگامی که یک برهم کنش، تحت شرایطی خاص، پدیده ای ایجاد می کند که تقارن آن شکسته می شود، می گوییم که تقارن در گیر، بطور خود بخودی شکسته شده است.

به عنوان مثال یک قطعه آهن را در نظر بگیرید. اتمهای آهن موجود در این قطعه، نیروهایی به یکدیگر وارد می کنند که هیچ جهت خاصی را در فضا بر نمی گزینند.  ولی هنگامی که اتم های آهن تشکیل آهنربا می دهند، برهم کنش بین اتمهای آهن، دارای جهت خاصی (شمال - جنوب ) هستند. برهم کنش اتمها در قطعه ی آهن دارای  تقارنی پنهان است که بر ناظر آشکار نیست. اما هنگامی که قطعه ی آهن تبدیل به آهنربا می شود (مثلاً توسط یک سیم پیچ که از آن جریان الکتریکی عبور می کند) تقارن برهم کنش بین اتمها شکسته می شود. در این صورت می گوییم که تقارن درگیر، خود بخودی شکسته شده است. در این نوشته سعی می شود انواع تقارن مورد بررسی قرار گیرد و سرانجام خواهیم دید که بر خلاف روش مرسوم در فیزیک نظری، بجای آنکه از تقارن به ابر تقارن برسیم، بایستی از ابر تقارن به تقارن رسید.

  کرومودینامیک کوانتومی یا الکترودینامیک رنگی

پس از تایید نظریه الکترو - ضعیف و کاهش تعداد نیروهای اساسی از چهار به سه، از اوائل دهه ی 1970 نظریه پردازان این سئوال را مطرح کردند که که آیا با استفاده از همین روش می توان تعداد نیروها را به دو یا یک کاهش داد؟

می دانیم که نیروی قوی بین کوارکها عمل می کند و کوارک ها علاوه بر بار الکتریکی معمولی که دارند، نوع دیگری بار را حمل می کنند که آنرا بار-رنگ می نامند. نظریه ای که برهم کنش موجود بین بارهای الکتریکی ذرات را از طریق مبادله یک فوتون تصیف می کند، الکتردینامیک کوانتومی نامیده می شود. اصطلاح کوانتوم به ما می گوید که با ذرات سرو کار داریم و اصطلاح الکترودینامیک نشان می دهد که با پدیده های الکترومغناطیسی مواجه هستیم. بطور مشابه، نظریه ای به منظور توصیف برهم کنش قوی، بر اساس برهم کنشی شامل بار رنگی کوارک ها پایه ریزی شده است که آنرا کرومودینامیک کوانتومی Quantum Chromodynamic , QCD می نامند، که کرومو به رنگ اشاره دارد.

این نظریه به الکترومغناطیس شبیه بوده ولی پیچیده تر از آن است و به وحدت نهائی نیروی قوی با لکتروضعیف سهولت می بخشد.

 کرمودینامیک کوانتومی

نظریه مربوط به کوارکها و گلئونها را کرومودینامیک کوانتومی می نامند. زیرا در این نظریه برای کوارکها رنگ قائل می شوند.

کوارکها و گلئونها

مدت زيادي اين طور تصور مي شد كه پروتونها و نو ترونها ذرات بنيادي هستند وبنابراين گمان مي رفت مثل تقسيم الكترون ديگرقابل تقسيم نبوده و داراي يك ساختار داخلي نيستند امروزه مي دانيم كه نو كلئونها يا به عبارت ديگر پروتونها و نو ترونها خود از ذرات كوچكتري ساخته شده اند كه كوارك ناميده مي شوند.  

جهان میکروسکپی

باید توجه داشت که ذرات نقاط مادی اجسام نیستند که با سرعت ثابت حرکت می کنن. همچنین یکی از ویژگی مهم ذرات اسپین آنهاست. پنچ حالت مختلف اسپین برای آنها تعریف شده است

فصل 26 توسعه معادلات نیوتونی  621

26- 1 تعریف لاگرانژین و هامیلتونین  621

26 – 2 اطلاعات پایه و یادآوری  623

26 – 3 معادله لاگرانژ 624

26 – 4 معادله دیفرانسیل اصلی اویلر - لاگرانژ 626

26 – 5 هامیلتونی 628

26 – 6 مکانیک سیالات  631

26 – 7 مکانیک تحلیلی  633

26 – 8 مکانیک سماوی  634

26 – 9 سالیتون ها  634

26 – 10 فيزيك پزشكي  637

26 – 11 فيزيك شتابدهنده  639

26 – 12 همجوشي هسته اي   644

کاربرد مستقیم قوانین حرکت نیوتن برای حرکت سیستم‌های ساده راحت و آسان است. اما در صورتی که تعداد ذرات سیستم بیشتر شود، در این صورت استفاده از قوانین نیوتن کار دشواری خواهد بود. در این حالت از یک روش عمومی که توسط لاگرانژ ابداع شده است، استفاده می‌شود. در واقع مکانیک لاگرانژی یکسری معادلات ریاضی است که با استفاده از آنها می‌توان معادلات حرکت تمام سیستمهای دینامیکی را پیدا کرد. این روش چون نسبت به معادلات نیوتن حالت کلی تری دارد، لذا در مورد حالتهای ساده که با معادلات حرکت نیوتن به راحتی حل می‌شود، نیز قابل اعمال است.

فصل 27  تقارن و مدل استاندارد  655

27 – 1 تقارن و وحدت در فیزیک  655

27 – 2 نظریه های پیمانه ای  658

27 – 3 وحدت الکتروضعیف  661

27 – 4 تقارن و اسپین  663

27 – 5 مدل استاندارد  665

27 – 6 کوارکها و ذرات بنیادی  666

27 – 7 میدان نیروی رنگی  669

27 – 8 سطوح عمیق تر  672

27 – 9  آن سوى مدل استاندارد  673

27 – 10 ده معما  677

27 – 11 هیگز  680

27 – 12 نظریه های موثر  682

خلاصه:

فصل 28 هیگز  687

28 – 1 ذرات چگونه جرم کسب می کنند؟  687

28 – 2 بوزون هیگز و نتایج آن  689

28 – 3 آزمون نظريه  692

28 – 4 ماده تاريك  694

28 – 5 خانواده ها 696

28 – 6 هیگز و دورنمای آینده  698

28 – 7 وقتى كوارك ها برخورد مى كنند  700

28 – 8 آزمايشگاهى براى دنيا  703

28 – 9 كشف كوارك سر  704

فصل 29 تقارن CPT  715

29 – 1 شکست تقارن لورنس و CPT  715

29 – 2 بررسى فضا در فضا در آزمايشگاه هاى چرخان  717

29 – 3 پادماده  721

29 – 4 در جست وجوى نقض نسبيت   724

29 – 5 نقض خودبه خود  729

29 – 6 تعميم مدل استاندارد  730

29 – 7 تقارن فضا- زمان  732

29 – 8 نسبيت نقض مى شود  733

29 – 9 سنت شكنان 733

فصل 30 مرز بین تخیل و واقعیت  737

30 – 1 سفر در زمان از بعد پنجم  737

30 – 2 كاوشگر گرانش B  746

30 – 3 مصاحبه با فرانسيس اوريت بانی GPB   752

30 – 4 پايان فيزيك  756

خلاصه سه فصل

ذرات چگونه جرم کسب می کنند؟

مسئله جرم دو جنبه متفاوت دارد. اول آنكه نياز است بدانيم جرم چگونه به وجود مى آيد. معلوم شده است كه جرم حداقل از سه سازوكار متفاوت به وجود مى آيد كه در ادامه به تشريح آنها مى پردازم. يك بازيگر مهم در نظريه هاى آزمايشى فيزيكدانان در مورد جرم نوع جديدى از ميدان است كه تمام جهان را فرا مى گيرد و ميدان هيگز نام دارد. گمان مى رود كه جرم ذره هاى بنيادى از برهمكنش با ميدان هيگز به وجود مى آيد. اگر ميدان هيگز وجود داشته باشد، آن وقت طبق نظريه وجود يك ذره وابسته به آن به نام بوزون هيگز ضرورى است. هم اكنون دانشمندان با استفاده از شتاب دهنده هاى ذره به دنبال ذره هيگز هستند.

جنبه ديگر اين مسئله آن است كه دانشمندان مى خواهند بدانند چرا گونه هاى متفاوت ذره هاى بنيادى، جرم خاص خودشان را دارند. جرم ذاتى اين ذره ها در گستره اى به اندازه حداقل ۱۱ مرتبه توزيع شده است، اما هنوز نمى دانيم چرا اينگونه است .

مكانيسم هيگز

مدل استاندارد يك جزء تمام نشده و آزمايش نشده دارد. اين يك جزء كوچك نيست بلكه يك جزء (مولفه) مركزى است. همان مكانيسمى كه جرم مشاهده شده ذرات را توليد كند. جرم ذرات خيلى خيلى مهم است. (به عنوان مثال تغيير دادن جرم الكترون تمام شيمى را تغيير مى دهد و جرم هاى نوترينوها انبساط جهان را تحت تاثير قرار مى دهد.) جرم نوترينو نهايتاً چند ميليونيم جرم الكترون است ولى آزمايش هاى اخير نشان داده كه جرم آن صفر نيست.

میدانی که جهان را اشغال کرده

فيزيكدانان بر اين باورند كه ذرات در برهمكنش هايى با ميدانى كه تمامى جهان را اشباع مى كند، توليد مى شوند؛ هرچه ذره اى با ميدان مزبور برهمكنش قوى ترى انجام دهد، جرمش بيشتر است. (تصوير صفحه۱۶ را ببينيد) در هر حال سرشت اين ميدان ناشناخته باقى مى ماند. ماهيت اين ميدان مى تواند ميدان بنيادى جديدى باشد، كه به افتخار فيزيكدان بريتانيايى پيتر هيگز ميدان هيگز ناميده مى شود. شق ديگر آن است كه موجودى مركب باشد كه از ذرات جديدى (به نام تكنيكوارك) تشكيل شده باشد كه به وسيله نيروى جديدى (موسوم به تكنيكالر) به يكديگر قوياً پيوند دارند. حتى اگر ميدان يك ميدان بنيادى باشد، باز هم سئوالات گوناگونى درباره ميدان هيگز وجود دارد: چه تعداد ميدان هيگز وجود دارد و ويژگى هاى دقيق آنها چيست؟ ليكن در هر حال ما با اطمينان تقريباً رياضى مى  دانيم كه هر مكانيسمى كه عامل اين امر باشد، بايد پديده هاى جديدى در محدوده انرژى LHC  مانند ذرات مشاهده پذير هيگز يا تكنوذره ها را به وجود آورد. بنابراين هدف اصلى طراحى LHC  كشف اين پديده ها و معين كردن مكانيسم جرم زايى مزبور است. آزمايش هاى  LHC  همچنين به پديده هاى نوين ديگرى حساس خواهند بود كه مى توانند مويد نظريه هايى باشند كه مدل استاندارد را بسط داده يا كامل مى كنند.

 مدل استاندارد

شیمی را می توان با سه ذره بنیادی پروتون، نوترون و الکترون و نیروی الکترومغناطیس فهمید و مباحث مختلف آن را توضیح داد. فیزیک هسته ای را می توان با دوازده ذره بنیادی شش کوارک و شش لپتون، و نیروهای هسته ای قوی، هسته ای ضعیف والکترومغناطیس که مدل استاندارد می نامند، فهمید و تشریح کرد. با اينكه مدل استاندارد احتياج به بسط دارد، ذرات آن براى توصيف جهانى كه تجربه مى كنيم (غير از گرانش) و بيشتر اطلاعات به دست آمده توسط فيزيكدانان ذرات كافى است. در عین حال باید توجه داشت که مکانیک کوانتوم نظریه ی ساده ای نیست، زیرا رفتار ذرات مانند رفتار اجسام بزرگ نیست.

آن سوى مدل استاندارد

دوره اى جديد در فيزيك ذرات، به وسيله مشاهده ذرات ابرتقارنى در برخورددهنده تواترون (Tevatron)  در آزمايشگاه شتاب دهنده ملى فرمى (Fermi National Accelerator Laboratory)  در باتاوياى ايلينويز آغاز خواهد شد. يك كوارك و يك پاد كوارك (قرمز و آبى) مستقيم به هم برخورد مى كنند تا دو ذره ابرتقارنى سنگين (كهربايى) روشنى شكل بگيرند. آنها به ذرات W و Z نارنجى) و دو ذره ابرتقارنى سبك تر (كهربايى تيره) تبديل مى شوند. ذرات W و Z  نيز به يك الكترون، يك پادالكترون و يك ميوآن (muon) ( همه به رنگ سبز) كه قابل مشاهده هستند و همچنين يك پادنوترينوى مشاهده ناپذير (خاكسترى) تبديل مى شوند.

مدل استاندارد

مدل استاندارد فيزيك ذرات در مرحله مهمى از تاريخچه خود قرار دارد؛ هم در اوج موفقيت و هم در مرز تحول. قرن ها بعد از آغاز تحقيق روى بخش هاى بنيادى كه زيبايى و پيچيدگى جهان را مى سازند، امروزه به نتيجه شگفت ا نگيز و ساده اى رسيده ايم ؛ فقط شش ذره: الكترون، كوارك هاى بالا و پائين، گلوئون (gluon)،  فوتون و بوزون هيگز. براى توضيح همه پديده هايى كه فيزيكدانان ذرات بنيادى مى  دانند اضافه كردن يازده ذره ديگر به جمع ذرات گفته شده كافى است. [به قاب سمت چپ نگاه كنيد] اينها تصوراتى شبيه تصورات يونانيان قديم نيست كه مى گفتند جهان از چهار عنصر خاك، هوا، آب و آتش تشكيل شده است. بلكه اين نتايج از پيچيده ترين نظريه رياضى در مورد طبيعت در طول تاريخ يعنى مدل استاندارد فيزيك ذرات حاصل شده است، به رغم معنى كلمه مدل، مدل اسصتاندارد يك نظريه كامل براى شرح ذرات پايه و توضيح برهم كنش آنها است. همه آنچه در دنياى ما رخ مى دهد (به جز اثرهاى گرانشى) قابل بيان با قوانين و معادلات مدل استاندارد است..

تقارن CPT

آزمايشگاه هاى چرخان

بررسى فضا در فضا

در ماهواره هايى مانند ايستگاه فضايى آزمايش هايى بر مبناى مقايسه دو ساعت براى يافتن شواهدى بر نقض تقارن لورنتس انجام خواهد گرفت. در شكل دو نوع ميدان بردارى (پيكان هاى آبى و قرمز) نقض كننده نسبيت مشاهده مى شود كه برهمكنش هاى متفاوتى با ذرات دارند، تصاوير زير نشان دهنده مقايسه بين يك ساعت اتمى (نشان داده شده با اتم) و ساعتى كه بر مبناى نور يا مايكروويو (خطوط مواج) در حفره تشديدكننده كار مى كند، است. نور و الكترون ها (قرمز) با بردارهاى قرمز برهمكنش دارند در حالى كه پروتون ها (آبى) با بردارهاى آبى. هنگامى كه ايستگاه فضايى مى چرخد تغيير اين برهمكنش ها سبب به هم خوردن همزمانى ساعت ها مى شود كه نشان دهنده نقض تقارن لورنتس است. يك دور چرخش ايستگاه فضايى به دور زمين در ۹۲ دقيقه صورت مى گيرد بنابراين داده هاى سريع تر و دقيق ترى را نسبت به آزمايشگاه هاى زمينى به دست مى آورد

 در جست وجوى نقض نسبيت

:

در سال هاى اخير تلاش براى يكى كردن نيروها و ذرات شناخته شده در يك نظريه نهايى براى عده اى از فيزيكدانان اين انگيزه را به وجود آورده كه درباره امكان تقريبى بودن اصول نسبيت تحقيق كنند. اين انتظار وجود دارد كه مشاهده انحرافى كوچك از نظريه نسبيت طليعه نخستين آزمايش ها براى جست وجو و تحقيق درباره يك نظريه نهايى است.

آیا نقض نسبیت به نظریه کامل تری می انجامد؟

«دانشمندان براى آشكار شدن خصوصيات و ساختارهاى احتمالى يك نظريه نهايى در جست وجوى نقض اصول فيزيكى اينشتين هستند كه زمانى مقدس بود.

نسبيت در قلب مهم ترين نظريات بنيادين فيزيك قرار گرفته است. نسبيت آنگونه كه اينشتين آن را در ۱۹0۵ فرمولبندى كرد بر اين ايده كليدى بنا شده كه قوانين فيزيك از نگاه تمام مشاهده گرهاى لخت (اينرسى) (مشاهده گرهايى كه از ديد يك مشاهده گر داراى جهت دلخواه و سرعت ثابت هستند) يكسان است. اين نظريه يك دسته از آثار شناخته شده را پيش بينى مى كند كه از ميان آنها مى توان به ثابت بودن سرعت نور براى تمام مشاهده گرها، كند شدن ساعت هاى در حال حركت، كوتاه شدن طول اجسام متحرك وهم ارزى جرم و انرژى  E=mc²  اشاره كرد. آزمايش هاى بسيار دقيق اين نتايج را تائيد مى كنند. نسبيت اكنون يك پايه و ابزار مهم و روزمره براى فيزيكدانان تجربى است:  برخورد دهنده هاى ذرات از مزاياى افزايش جرم و طول عمر ذرات پرسرعت به خوبى بهره مى برند و آزمايش با ايزوتوپ هاى راديواكتيو نشان دهنده تبديل جرم به انرژى است.

  كاوشگر گرانش B

 فرانسيس اوريت» در سال ۱۹۳۴ در «سونوكس» در ايالت كنت به دنيا آمد. پس از گرفتن مدرك كارشناسى فيزيك، به «امپريال كالج» در لندن رفت و به مطالعه زمين شناسى و لايه هاى مغناطيسى زمين پرداخت. در ۱۹۶۰ با فيزيك دماى پايين آشنا شد و به دانشگاه پنسيلوانيا رفت و بر روى فيزيك هليم مايع،  به تحقيق پرداخت. در همان سال ها آزمايشى براى تحقيق پيش بينى چرخش فضا - زمان در نسبيت عام اينشتين به ذهنش رسيد. براى انجام اين آزمايش، در سال ۱۹۶۲ به دانشگاه استانفورد در حومه سانفرانسيسكو رفت. وى تا اين زمان استاد فيزيك دانشگاه استانفورد است كه حاصل تلاش وى ۹۰ مقاله در فيزيك و كتابى زيبا در شرح حال «جيمز كلارك ماكسول» است..
 

GPB

مهندسان معمولاً درباره چيز هايى كه ساخته اند مبالغه نمى كنند، پس بى گمان ماهواره «گاوشگر گرانش  (GP-B) منحصر به فرد است كه دانشمندان براى توصيف آن از لغات «زيبا» و «هنرمندانه»  استفاده مى كنند.

اين ماهواره كه در بيستم آوريل براى تحقيق يكى از پيش بينى هاى نسبيت عام اينشتين به فضا پرتاب شد، دليل واضحى بر نبوغ و كاردانى بشر است. اگرچه نظريه ساخت GP-B  از دهه ۱۹۵۰ مطرح بوده اما از لحاظ فنى امكان ساخت آن به تازگى فراهم شده است. «جف كولد زيجزاك» رئيس پروژه در مركز پرواز هاى فضايى «مارشال» ناسا درباره GP-B مى گويد: «اگر علم تجربى يك هنر است پس من هم به GP-B  به عنوان يك شاهكار رنسانس نگاه مى كنم.» زيبايى و عظمت طراحى GP-B  در اين است كه اين ماهواره بايد در اطراف سياره زمين كه مملو از اجرام گوناگون است به كشفياتى بسيار دقيق بپردازد كه اثر هر كدام از اين اجرام ممكن است در نتيجه آزمايش تاثير داشته باشد. دانشمندان اميدوارند كه به وسيله اين ماهواره خميدگى فضا _ زمان در اطراف زمين را بسنجند و اين عمل آن چنان دقيق بايد انجام شود كه حتى لحظه اى دخالت يك نيروى خارجى ديگر يا يك نقص كوچك و ميلى مترى در داخل ماهواره موجب ايجاد يك خطاى سيستماتيك در نتيجه آزمايش شده و باعث پنهان شدن تاثيرى مى شود كه دانشمندان به دنبال آن هستند. (نظريه نسبيت عام كه در سال ۱۹۱۶ توسط اينشتين تدوين شد،  پيش بينى مى كند كه زمين با حركت وضعى به دور خود،  فضا _ زمان را به همراه خود مى كشد و يك مارپيچ از فضا _ زمان در اطراف زمين تشكيل مى شود.م) دانشمندان به اين پديده «كشيدگى چارچوب» مى گويند. با توجه به اثبات بسيارى از پيش بينى هاى نظريه نسبيت عام، اكثر فيزيكدانان معتقدند كه چنين وضعيت  گردابى در فضا _ زمان حقيقت دارد. اما پيش از اين هيچ آزمايشى براى تاييد اين پيش بينى نظريه انجام نشده بود.

پايان فيزيك

استيون ويليام هاوكينگ استاد كرسي لوكاشين

در 29 آوریل 1980 در سالن كنفرانس كوكرافت در كمبريج انگلستان جايي كه عرصه باليدن تامسون و راترفورد بود، دانشمندان و مقامات دانشگاه روي صندلي‌هاي رديف‌شده بر كف شيب‌دار سالن كه مقابل ديواري پوشيده از وايت‌برد و پرده اسلايد بود، گرد‌هم آمده بودند. اين جلسه براي وضع اولين خطابه يك پروفسور جديد كرسي لوكاشين رياضي برقرار شده بود.  اين پروفسور استفن ويليام هاوكينگ رياضي‌دان و فيزيك‌دان سی و هشت ساله بود.

عنوان خطابه يك سوال بود:

آیا دورنمای فیزیک نظری نزدیک دیده می شود؟

و هاوكينگ با اعلام اين كه پاسخ او به اين سوال مثبت است، شنوندگان را شگفت‌زده كرد. او از حضار دعوت كرد تا به او بپيوندند و با گريزي شورانگيز از ميان زمان و مكان جام‌مقدس علم را بيابند. يعني نظريه‌اي كه جهان و هر چه را كه در آن روي مي‌دهد، تبيين  كند.

فصل 31 نظریه ریسمانها   761

31 – 1 نظریه ریسمان و گرانش کوانتومی  761

31 – 2 نظریه ابر ریسمانها  764

31 – 3  هنجار پذیری  771

31 – 4 یک تصویر نو از نظریه  ریسمان  771

31 – 5 فاصله های کم و زیاد  772

31 –6 آنتروپی سیاهچاله چیست؟  775

31 –7 ریسمان و گرانش   775

31 – 8 نگاهی به ام نظریه  777

نظریه ابر ریسمانها

در نظريه ي ريسمان به جاي اينكه هر ذره را مستقل در نظر بگيريم به صورت رشته اي پيوسته با شكلهاي مختلف درنظر ميگيريم , مثلا الكترون را مي توان مانند يك النگو رشته اي بدانيم كه دو سرش بهم گره خورده و حلقه دايره اي تشكيل داده است. علت بوجودآمدن اين نظريه اين بود كه گرانش با كوانتوم مشكل دارد. همچنانکه گفته شد در دنياي ما چهار نيروي اصلي بنامهاي الكترومغناطيسي، هسته اي قوي، هسته اي ضعيف و گرانشي وجود دارد. سه نيروي اول به ترتيب مي توانند با هم در انرژيهاي بالا متحد شوند و يك نظريه واحد داشته باشند. يعني انشعاباتي از يك نظريه ي اصلي باشند. اصطلاحاٌ مي گويند اين سه نظريه در انرژيهاي بالا تقارن دارند و در انرژيهاي معمولي دچار شكست خودبخودي تقارن مي شوند. اما چهارمين نيروي اصلي يعني گرانش دو مشكل اساسي دارد. يكي وحدت نيافتن با سه نيروي ديگر و ديگر اينكه اگر ذرات را نقطه اي در نظر بگيريم، سطح مقطع برهم كنش نيروي گرانشي بين دو ذره ي نقطه اي كه بهم نزديك مي شوند طبق نظريه ي كوانتومي بي نهايت بدست مي آيد. از اينرو ذرات بصورت ريسمانهاي يك بعدي در نظر گرفته شدند. مثلا الكترون يا كواركها همگي ريسمانهاي بسته و حلقوي با شكلهاي مختلفند. در اين تصورجديد، ديگر برهم كنش ذرات در زمان و مكان خاص رخ نمي دهد بلكه شما دو حلقه داريد كه در فضا بهم نزديك مي شوند و با عكسبرداي تخيلي يك پوسته به شكل شلنگ نمايش داده مي شود. مثل اينكه دو شلنگ بهم برخورد كرده باشند و دو شلنگ جديد بوجود آورده باشند. در اين نظريه هم وحدت ميسر است و هم بينهايتهاي گرانش كوانتومي برطرف می شود.  اما در واقع یک ریسمان از چه چیزی ساخته شده است؟ یک ریسمان یک مقدار کوچک انرژی است و در اینجا هیچ چیزی کوچکتر از این مقدار انرژی نیست.

فصل 32 پايه های منطقی و تجربی نظريه سی.پی.اچ   781

32 – 1 پايه های تجربی نظريه سی.پی.اچ  782

32 – 2 اهميت توجه به ساختمان فوتون  783

32 – 3 تاثير گرانش بر انرژی الکترومغناطيسی 784

32 – 4 تعریف جدید گراویتون  786

32 – 5 گروه 787

32 – 6 تعریف سی. پی. اچ.  788

32 – 7 اصل CPH789

32 – 8 میدانهای الکترومغناطیسی  790

32 – 9 نظریه سی. پی. اچ. و قانون دوم نیوتن  792

32 – 10 نظریه سی. پی. اچ. و نسبیت خاص  795

32 – 11 اسپین سی. پی. اچ.  797

فصل 33 نظریه سی. پی. اچ. و زمان  801

33 - 1 ساعت 802

33 – 2 زمان ویژه  803

33 – 3 نظریه سی. پی. اچ. و زمان  806

33 – 4 ماهیت زمان  808

32 – 5 فشار میدان گرانشی  810

32 – 6 حجم و زمان  812

33 – 7 تابع زمان و قضیه کار انرژی  818

فصل 34 ترمودینامیک، انتروپی و نظریه سی. پی. اچ.  821

34 – 1 انرژی گرمایی از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ.  821

34 – 2 چرخه کارنو  823

34 – 3 حالت پایه ذرات بنیادی از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ.  827

34 – 4 تابش از دیدگاه سی. پی. اچ.  829

34 – 5 علت تابش گرما توسط اجسام  830

34 – 6 کار انجام شده توسط سیستم روی خودش  833

34 – 7 مخازن انرژی و ابزارها  834

34 – 8 نظریه سی. پی. اچ. و قوانین ترمودینامیک  835

فصل 35 نظریه سی. پی. اچ. و پدیده های پیچیده 839

35 – 1 معادلات الکترومغناطيس و میدان گرانشی  839

35 – 2 نيروی الکتريکی موثر هسته بر الکترونها  841

35 – 3 پایه نظری برای نیروی الکتریکی موثر هسته  844

35 – 4 بار - رنگها فضا را خمیده می کنند  847

35 – 5 معادلات حرکت نور در میدان گرانشی  853

فصل 36  معماهای فیزیک و نظریه سی. پی. اچ.  859

خلاصه CPH

تعریف سی. پی. اچ. و ویژگیهای آن

پس از فرمول بندی مکانیک کلاسیک توسط نیوتن، گرایش به تجارب آزمایشگاهی و مشاهدات نجومی روز به روز بیشتر شد. فیزیکدانان با اشتیاق در دو زمینه، یکی توجیه رفتار اجسام بزرگ آسمانی و دیگری شناخت پدیده های بسیار کوچک (که بعدها زیر اتمی نامیده شدند)، تلاش روز افزونی را آغاز کردند. هرچه دقت در مشاهدات نجومی بیشتر می شد و هر قدر ذرات مورد آزمایش کوچکتر می شدند، نارسایی مکانیک نیوتنی بیشتر خود نمایی می کرد. بطوریکه در سالهای پایانی قرن نوزدهم، لزوم بازنگری در فیزیک کلاسیک (قوانین نیوتن و الکترومغناطیس) کاملاً مشهود بود. مکانیک کوانتوم و مکانیک نسبیتی (فیزیک مدرن) پاسخی به نیاز زمان خود در جهت تکامل دانش بودند.

در قرن بیستم آموزش و پژوهش از نظر کمی و کیفی پیشرفت شگفت انگیزی داشت. علاوه بر آن بودجه های پژوهشی رشد نجومی کرد. از یک سو، تلسکوپ ها اعماق کهکشانهای دور دست را بتصویر کشیدند و از سویی دیگر شتاب دهنده ها، اسرار درون هسته ی اتم را نمایان ساختند و فیزیکدانان با سئوالات جدیدتر، عمیقتر و بیشتری مواجه شدند. 

جهان چگونه آغاز شد و قبل از بیگ بنگ چگونه بود؟ دلیل شتاب جهان و ماهیت انرژی تاریک چیست؟ وجود ماده تاریک را چگونه می توان توجیه کرد؟ اهم سئوالات کیهان شناختی است.

در زمینه ذرات زیر اتمی، بسياري از فيزيك‌دانان به دنبال نظريه‌اي هستند كه هر چهار نيرو را بوسيله يك ابرنيرو توجيه كند. نيرويي كه خودش را به‌گونه‌هاي مختلف نشان مي‌دهد و نيز موجب يگانگي فرميون‌ها و بوزون‌ها در يك خانواده مي‌شود. فيزيكدانان اين نظريه را نظريه يگانگي نام داده اند. گرانش را مي‌توان در مقياسهای بسيار كوچك، حتي تا سطح كوانتومي نيز مورد توجه قرار داد. در حقيقت، اگر ما به گرانش در اين سطح توجه نكنيم، هرگز نمي‌توانيم به يگانگي آن با سه نيروی ديگر دست يابيم.  و پاسخ این سئوال را بیابیم که نيروها در دماهاى بسيار بالا- درست لحظاتى بعد از انفجار بزرگ (big bang)-  چگونه بوده اند؟ سئوالات بی جواب بسیاری مطرح است که برخی از فیزیکدانان پاسخ آنها را در ترکیب مکانیک کوانتوم و نسبیت عام می دانند. در اینجا از بیان سئوالات زیادی که در این زمینه وجود دارد خود داری می شود و در فرصت های مناسب مطرح و از دیدگاه سی. پی. اچ. پاسخ داده خواهد شد. 

اما در اینجا ضمن تعدیل هامیلتونی اصل سی. پی. اچ. را مورد تجزیه و تحلیل قرار داده و تلاش می شود برخی اصول موضوعه فیزیک و قوانین بقا از آن نتیجه گیری شود. علاوه بر آن برخی از مفاهیم بنیادی نظیر فضتا-زمان و ماهیت فیزیکی زمان تشریح می گردد. آنگاه نحوه ی تولید انرژی در فضا بررسی خواهد شد. این نحوه برخورد با فیزیک می تواند نگاه و درک بنیادی فیزیک را تغییر دهد و دانش فیزیک را مملموس تر کرده و با نگرش شهودی به پدیده ها آموزش و درک آن را ساده تر کند. این فصل و فصول مربوط به نظریه سی. پی. اچ. هر روز بازگری خواهد شد تا نارسایی های بیان و تشریح نظریه روز به روز کاملتر گردد. دوستان عزیز و علاقهمند می توانند ضمن توجه به این روش، برداشت ها خود را از نظریه سی. پی. اچ. و پیاده سازی این نظریه در بخش های مختلف فیزیک ارسال دارند تا در صورت تایید در سایت منتشر گردد. در هر صورت اظهار نظر و ذکر نارسایی ها با آغوش باز پذیرفته می شود.

 نظریه سی. پی. اچ. و قانون دوم نیوتن

قانون دوم نیوتن F=ma با فرض ثابت بودن جرم مطرح شد. اما انیشتین با ارائه نسبیت خاص نشان داد که جرم ثابت نیست و تابع سرعت. حال می خواهیم این قانون را از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. بررسی کنیم.

 نظریه سی. پی. اچ. و نسبیت خاص

نسبیت خاص با نفی دستگاه مرجع مطلق «اتر» با دو اصل موضوع:

1 - قوانین فیزیک در تمام دستگاه های لخت یکسان است.

2 - سرعت نور در فضای تهی نسبت به همه ی ناظران لخت ثابت و برابر c است.

مطرح شد. دست آوردهای این دو اصل بسیار مهم بود و تاثیر عمیقی بر کل دستگاه فیزیک و اندیشه ی بشریت داشت. در اینجا خواهیم دید که چگونه اصول نسبیت خاص را می توان از اصل سی. پی. اچ. نتیجه گیری کرد و آنگاه زمان و ماهیت فیزیکی آن مورد بررسی قرار می گیرد.

 نظریه سی. پی. اچ. و زمان

زمان یکی از پیچیده ترین کمیتهایی است که همواره ذهن همگان را بخود مشغول داشته و دانشمندان و فلاسفه بسیاری تلاش کرده اند ماهیت آن را شناسایی و تبیین کنند. در این مورد اندیشه های ملا صدرا عمق و غنای خاصی دارد. شاید دلیل کنجکاوی و حساسیت انسان نسبت به زمان ناشی از عمر کوتاه وی و آرزوی برخورداری از یک زندگانی جاوید باشد. همین کنجکاوی و حساسیت موجب پیدایش سئوالات بسیاری در مورد زمان شده  که اساسی ترین آنها را می توان در سئالات زیر خلاص کرد:

1 - ماهیت زمان چیست؟

2 - آغاز و پایان جهان چگونه است؟

3- آیا می توان حرکت زمان را کندتر یا تندتر کرد؟

4- آیا می توان گذشته را بازسازی کرد؟

5 - چرا جهت زمان از گذشته به آینده است؟

هدف این فصل پاسخ فیزیکی به سئوالات بالا با استفاده از نظریه سی. پی. اچ. است. بنابراین نخست زمان را از نقطه نظر مکانیک کلاسیک مطرح کرده و سپس دیدگاه نسبیت تشریح می شود و سرانجام با توجه به نظریه سی. پی. اچ. زمان مورد بررسی قرار می گیرد. توجه به این نکته ضروری است که این بررسی با توجه به ویژگیهای سی. پی. اچ. است که در جدول ضمیمه (پائین صفحه) منعکس شده انجام می شود.

 تابع زمان و قضیه کار انرژی

پیدا کردن تابعی فیزیکی برای زمان که بتوان با استفاده از آن آهنگ حرکت ساعتها را پیش بینی و بررسی کرد، یکی از دغدغه های نظریه سی. پی. اچ. بود. سرانجام این تابع با استفاده از ویژگیهای سی. پی. اچ. و قضیه کار - انرژی به دست آمد. تابع زمان در نظریه سی. پی. اچ. از چنان سادگی و روشنی برخوردار است که حتی دانش آموزان ریاضی فیزیک، با استفاده از این تابع می توانند رفتار ساعت ها را بطور کلی در تمامی فرایند های فیزیکی تشریح و پیشگویی کنند. هر فرایند فیزیکی در رابطه با زمان از سیاه چاله گرفته تا ساختار اتم و بیگ بنگ بخوبی با استفاده از تابع زمان در نظریه سی. پی. اچ. قابل درک و توضیح می باشد. هرچند این فصل کمی طولانی است، اما توصیه می شود تمام این فصل را با دقت مطالعه فرمایید و در پایان خواهید دید که این تابع ابزار قدرتمندی برای توضیح و پیش بینی رفتار ساعتها می باشد.

معادلات الکترومغناطيس و میدان گرانشی

 هنگام سقوط فوتون در ميدان گرنشی، گراويتون ها خواص بار-رنگی و مغناطيس-رنگی از خود نشان می دهند. بهمين دليل بر شدت ميدانهای الکتريکی و مغناطيسی فوتون افزوده می شود. بنابراين يک رابطه ی تنگاتنگ بين گرانش و امواج الکترومغناطيسی وجود دارد. اما می دانيم که امواج الکترومغناطيسی از معادلات ماکسول پيروی می کنند. لذا وابستگی گرانش و امواج الکترومغناطيسی نيز بايد از معادله ای شبيه معادلات معادلات ماکسول تبعيت کند. سئوال اين است که اين معادله را چگونه می توانيم به دست آوريم؟

 نيروي الکتريکي موثر هسته بر الکترونها

نيروي الکتريکي موثر هسته، نيرويي است که از طرف هسته به يک الکترون در مدار اتم وارد مي شود. تصور رايج اين است که اين نيرو براي تمام الکترونهاي يک اتم برابر و مضربي از نيروي وارد از يک پروتون به يک الکترون با توجه به فاصله آنها است. اما واقعيت اين نيست.

سرعت نور و نظریه سی. پی. اچ

نظریه سی. پی اچ. در سال 1366 (1987 م) با طرح این مسئله که سرعت نور ثابت نیست و تابع نیروهای خارجی محیط انتشار است، مطرح شد. در نظریه سی. پی. اچ. نیز طبق اصل نسبیت خاص سرعت نور در تمام دستگاه های لخت و فضای تهی ثابت و برار  cاست. اما سرعت نور در محیط انتشار تابع نیروهای خارجی است که بر نور اعمال می شود. تجارب و دیدگاه های اخیر نشان می دهد که پیشگویی نظریه سی. پی. اچ. در مورد تغییر سرعت نور درست بوده است. در ادامه دو نمونه ارائه شده است. اما در آنجا هیچگونه توجیه نظری در مورد علت تغییر سرعت نور وجود ندارد. در حالیکه نظریه سی. پی. اچ. بر اساس تعریف و توضیح ساختمان فوتون بنا شده است. و بخوبی می تواند دلیل نظری تغییر سرعت نور را توضیح دهد. در ادامه پس از ذکر نمونه های مورد بحث توضیح نظریه سی. پی. اچ. را در مورد دلیل تغییر سرعت نور مشاهده خواهید کرد. 

در انتهای متن انگلیسی، نور از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. توضیح داده شده است.

 بار - رنگها فضا را خمیده می کنند

یکی از مهمترین دستاوردهای نسبیت عام انحنای فضا – زمان بود. اینشتین در سال 1915 با ارائه نسبیت عام، نسبیت خاص را از دستگاه های لخت به دستگاه های شتابدار تعمیم داد. نتیجه ی مستقیم این تعمیم پیشگویی انحنای فضا بود. در این نوشته نخست سعی می شود انحنای فضا توضیح داده شود و سپس خواهیم دید که نظریه سی. پی. اچ. چگونه انحنای فضا را توجیح می کند. اما قبل از آن یادآوردی برخی مفاهیم ضروری است.

 اینشیتن تلاش کرد ساختار هندسی فضا را بصورت معادلات ریاضی بیان کند. بهمین دلیل از هندسه ی نااقلیدسی ریمان (هندسه ی بیضوی) بهره گرفت و معادلات میدان را ارائه کرد. در اینجا سه نکته بسیار مهم قابل توجه است:

1 – معادلات میدان نظریه نسبیت به صراحت از اصل هم ارزی نتیجه نمی شود، بلکه ساده ترین معادلاتی است که با نسبیت توافق دارد.

2 – توضیح فیزیکی برای انحراف مسیر نور در میدان گرانشی ارائه نشده است. هرچند بحث دستگاه ها نیز یک روش فیزیکی برای توضیح پدیده ها است، اما اینکه میدان گرانشی چه تاثیر بر روی فوتون می گذارد که مسیر پرتو نوری خمیده می شود، مسئله ی دیگری است که نسبیت در مورد آن سکوت کرده است.

3- فضا-زمان در نسبیت کمیتی پیوسته است. در حالیکه تغییر انرژی و اصولاً تولید انرژی کوانتومی است. لذا با فضا-زمان پیوسته نمی توان تغییرات گسسته ی انرژی فوتون را توجیح کرد.

 بنابراین در ادامه تلاش می شود توجیه فیزیکی انحنای فضا با توجه به ساختمان فوتون بررسی گردد.

سوال و جواب مورد سي.پي.اچ

هيچ نظريه ي جديدي بدون تبادل نظر و سوال و جواب نقاط مثبت و منفي خود را بروز نمي دهد. اين نقد و بررسي و بحث است که زمينه ي رشد يا برکناري يک نظريه را تعيين مي کند. در اين بخش تعدادي سوال و جواب فراهم آمده است و هرگونه سوال جديدي همراه با پاسخ آن در اينجا اضافه خواهد شد.

 معماهای فیزیک و نظریه سی. پی. اچ.

گوردن کانه Gordon Kane نظريه پرداز فیزیک ذرات و استاد فيزيك در دانشگاه ميشيگان که كارهاى او روى آزمايش و گسترش مدل استاندارد فيزيك ذرات متمركز است، ده سئوال بی جواب فیزیک را در www.sciam.com  منتشر کرده است. برای مطالعه متن کامل سئوالات گوردن کانه به فصل 72: آن سوى مدل استاندارد مراجعه فرمایید. در این فصل سئوالات یاد شده از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. بررسی می شود. اما قبل از آن انرژی و انرژی گرمایی با استفاده از نظریه سی. پی. اچ. توضیح داده می شود.

فضا-زمان چگونه انرژی تولید می کند؟

 ترمودینامیک، انتروپی و نظریه سی. پی. اچ.

 ترمودینامیک و قوانین آن بخش مهمی از فیزیک را بخود اختصاص داده است. اما این قوانین در زمانی تدوین شد که هنوز نسبیت و فیزیک کوانتوم ارائه نشده بود و تاکنون نیز تغییر نکرده و تنها تفسر آن کاملتر شده است. اما امروزه با پیشرفت حیرت انگیزی که در فیزیک مدرن بویژه ذرات بنیادی بوجود آمده، الزاماً قوانین ترمودینامیک و نگرش به انتروپی باید مورد بازبینی مجدد قرار گیرد. از طرف دیگر با ارائه نظریه سی. پی. اچ. توسط حسین جوادی و با توجه به تعریف جدیدی که از انرژی داده شده، لزوم بررسی مجدد قوانینترمودینامیکی را با در نظر گرفتن اصل سی. پی. اچ. و ویژگیهای آن، احساس می شود. در این مقاله سعی  شده تا قوانین ترمودینامیک از اصل سی. پی. اچ. استخراج شود.  از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. کمیتی را که ما بعنوان انرژی (یا گرما) معرفی می کنیم، همان ماده است که با سرعت انتقالی حد c در دستگاه لخت حرکت می کند. این نگرش، شالوده نظری قوانین ترمودینامیک و انتروپی را فراهم آورده و با استفاده از اصل سی. پی. اچ. قوانین ترمودینامیک و انتروپی بسادگی قابل اثبات است.

 در فصل قبل (فصل 88 :  معماهای فیزیک و نظریه سی. پی. اچ.  ) را نیز ببینید. اما قبل از تشریح قوانین ترمودینامیک از دیدگاه سی. پی. اچ.، لازم است اشاره کوتاهی به چرخه سعدی کارنو داشته باشیم.

کوانتش در نظریه سی. پی. اچ.

کنش بین فوتون و الکترون به فرایندهای آزمایشگاهی محدود نمی شود، بلکه در تمام پدیده های معمولی نظیر روشنایی لامپ یا اجاق گرفته تا مشاهدات کیهان شناختی نیز قابل توجه است. بنابراین شناخت کنش بین فوتون و الکترون در شناخت ماهیت فیزیکی جهان نقش بسیار مهمی دارد. یونیزه شدن گاز و ایجاد پلاسما و حتی تابش اشعه ایکس توسط اجرام بزرگ، همگی در زمینه ی کنش فوتون و الکترون قابل مطالعه و بررسی است. لازم به یادآوری است که مطالب این فصل از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. مورد بررسی قرار گرفته که قبلاً از دیدگاه مکانیک کوانتوم در فصل 30: پدیده فوتوالکتریک ، فصل 35: انرژی گرمایی مظهر انرژی ها ، فصل 47 : خواص و رابطه موجی ذرات و فصل 50: کنش فوتون و ماده-اثر کامپتون  مطرح شده است. قبلاً ساختمان فوتون در تعریف سی. پی. اچ. و ویژگیهای آن  ، نظریه سی. پی. اچ. و قانون دوم نیوتن ، معماهای فیزیک و نظریه سی. پی. اچ.   ساختمان فوتون و انرژی گرمایی تشریح شد و در فصل 89: ترمودینامیک، انتروپی و نظریه سی. پی. اچ.  علت تابش اجسام توضیح داده شد.

کنش فوتون و الکترون

در اینجا پدیده های زیر از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. بررسی می شود:

1- جذب و تابش فوتون توسط الکترون

2 - یونیزه شدن اتمها و تولید پلاسما بر اثر تابش

3- اثر کامپتون (انتقال بخشی از انرژی فوتون به الکترون).

4- عکس اثر کامپتون (انتقال انرژی الکترون به فوتون)

5- اثر فوتوالکتریک

6- تولید زوج الکترون - پوزیترون و تباهی زوج.

 فوتون، سی. پی. اچ. و ویژگیهایش

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 

26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40