علم فیزیک - بخش اول
علم فیزیک رفتار و اثر متقابل ماده و نیرو را مطالعه میکند. مفاهیم بنیادی پدیدههای طبیعی تحت عنوان قوانین فیزیک مطرح میشوند. این قوانین به توسط علوم ریاضی فرمول بندی میشوند، بطوری که قوانین فیزیک و روابط ریاضی باهم در توافق بوده و مکمل هم هستند و دوتایی قادرند کلیه پدیدههای فیزیکی را توصیف نمایند.
تاریخچه علم فیزیک
• از روزگاران باستان مردم سعی میکردند رفتار ماده
را بفهمند. و بدانند که: چرا مواد مختلف خواص متفاوت دارند؟ ، چرا برخی
مواد سنگینترند؟ و ... همچنین جهان ، تشکیل زمین و رفتار اجرام آسمانی
مانند ماه و خورشید برای همه معما بود.
• قبل از ارسطو تحقیقاتی که مربوط به فیزیک میشد ،
بیشتر در زمینه نجوم صورت میگرفت. علت آن در این بود که لااقل بعضی از
مسائل نجوم معین و محدود بود و به آسانی امکان داشت که آنها را از مسائل
فیزیک جدا کنند. در برابر سؤالاتی که پیش میآمد گاه خرافاتی درست
میکردند، گاه تئوریهایی پیشنهاد میشد که بیشتر آنها نادرست بود.
این تئوریها اغلب برگرفته از عبارتهای فلسفی بودند و
هرگز بوسیله تجربه و آزمایش تحقیق نمیشدند و بعضی مواقع نیز جوابهایی داده
میشد که لااقل بصورت اجمالی و با تقریب کافی به نظر میرسید.
• جهان
به دو قسمت تقسیم میشد: جهان تحت فلک قمر و مابقی جهان. مسائل فیزیکی اغلب
مربوط به جهان زیر ماه بود و مسائل نجومی مربوط به ماه و آن طرف ماه نیز
«فیزیک ارسطو» یا بطور صحیحتر «فیزیک مشائی» بود که در چند کتاب مانند
«فیزیک» ، « آسمان» ، « آثار جوی» ، « مکانیک» ، « کون و فساد» و
حتی«مابعدالطبیعه» دیده میشد.
• تا اینکه در قرن 17 ، گالیله برای
اولین بار به منظور قانونی کردن تئوریهای فیزیک ، از آزمایش استفاده کرد.
او تئوریها را فرمولبندی کرد و چندین نتیجه از دینامیک و اینرسی را با
موفقیت آزمایش کرد. پس از گالیله ، اسحاق نیوتن ، قوانین معروف خود (قوانین
حرکت نیوتن) را ارائه کرد که به خوبی با تجربه سازگار بودند.
• بدین
ترتیب فیزیک جایگاه علمی و عملی خود را یافت و روز به روز پیشرفت کرد،
مباحث آن گستردهتر شد، تا آنجا که قوانین آن از ریزترین ابعاد اتمی تا
وسیعترین ابعاد نجومی را شامل میشود. اکنون فیزیک مانند زنجیری محکم با
بقیه علوم مرتبط است و هنوز هم به سرعت در حال گسترش و پیشرفت میباشد.
نقش فیزیک در زندگی
• هر فرد بزرگ یا کوچک ، درس خوانده یا بیسواد ،
شاغل یا بیکار خواه ناخواه با فیزیک زندگی میکند. عمل دیدن و شنیدن ، عکس
العمل در برابر اتفاقات ، حفظ تعادل در راه رفتن و ... نمونههایی از امور
عادی ولی در عین حال وابسته به فیزیک میباشند.
• پدیدههای جالب طبیعی نظیر رنگین کمان ، سراب ، رعد و برق ، گرفتگی ماه و خورشید و ... همه با فیزیک توجیه میشوند.
• برنامههای رادیو ، تلویزیون ، ماهواره ، اینترنت ، تلفن و ... با کمک فیزیک مخابره میشوند.
• با
این نمونههای ساده میتوان تصور کرد که اگر فیزیک نبود و اگر روزی قوانین
فیزیک بر جهان حاکم نباشند، زندگی و ارتباطات مردم شدیدا دچار مشکل
میشود.
فیزیک و سایر علوم
• فیزیک، دینامیک و ساختار درونی اتمها را توصیف
میکند و از آنجا که همه مواد شامل اتم هستند، پس هر علمی که در ارتباط با
ماده باشد، با فیزیک نیز مرتبط خواهد بود. علومی نظیر: شیمی ، زیست شناسی ،
زمین شناسی ، پزشکی ، دندانپزشکی ، داروسازی ، دامپزشکی ، فیزیولوژی ،
رادیولوژی ، مهندسی مکانیک ، برق ، الکترونیک ، مهندسی معدن ، معماری ،
کشاورزی و ... .
• فیزیک در صنعت ، معدن ، دریانوردی ، هوانوردی و ...
نیز کاربرد فراوان دارد. اینکه ابزار کار هر شغلی و هر علمی مبتنی
براستفاده ازقوانین و مواد فیزیکی است، نقش اساسی فیزیک در سایر علوم و
رشتهها را نمایان میکند. علاوه برآن استفاده روز افزون از اشعه لیزر در
جراحیها و |دندانپزشکی ، رادیوگرافی با اشعه ایکس در رادیولوژی ، جوشکاری
صنعتی و ... نمونههایی از کاربردهای بیشمار فیزیک در علوم دیگر میباشند.
فیزیک و آینده
با این روند رو به رشدی که علم فیزیک در کنار سایر
علوم دارد، میتوان امیدوار بود که در آینده به چراها و چگونگیهای عالم
طبیعت پاسخ داده شود و این دنیای فیزیک سکوی پرتاب به عالم متا فیزیک باشد.
در آینده شاید فیزیک بتواند:
• رسیدن به سرعت نور و فراتر از آن را مقدور سازد.
• مثالهای عجیب نسبیت را عملی کند.
• معمای مثلث برمودا را حل کند.
• واقعیت یوفوها(بشقاب پرندهها) را مشخص کند.
• به راز وجود یا عدم وجود هوش فرازمینی واقف شود.
• و ... .
دید کلی
فیزیک طرح مفاهیم و قوانینی است که ما را در درک
جهان یاری میدهند، قوانین فیزیک ساخته ذهن بشر و تابع تمام محدودیتهای
بشرند. این قوانین الزاما ثابت تغییر ناپذیر یا برای تمام زمانها خوب
نیستند و طبیعت نیز ملزم به پیروی از آنها نیست.
قانون فیزیکی
• یک قانون فیزیکی بیانی است معمولا به زبان فشرده و
دقیق ریاضی از رابطه بین کمیات فیزیک که با تکرار آزمایش بدست میآید و از
یک نظم دائمی در رفتار دنیای فیزیک حکایت دارد.
• یک قانون فیزیکی خوب
دارای بیشترین عمومیت ، سادگی و دقت ممکن است که ملاک نهایی یک قانون
فیزیکی موفق ، چگونگی دقت آن در پیشگویی نتایج حاصل از آزمایشهاست.
• به
عنوان مثال چنان به صحت قانون گرانش عمومی اطمینان داریم که با قاطعیت
تقریبا کامل میگوییم که هر گاه شتاب گرانش در سطح مریخ اندازه گیری شود،
نتیجه خیلی نزدیک 3.6 متر بر مجذور ثانیه خواهد بود. میگوییم با قطعیت
تقریبا کامل ، زیرا هنگامی که از یک قانون به گستره اعتبار آزمایش نشده آن
برون یابی میکنیم ممکن است نتایجی را که با آزمایشهای بعدی ناسازگارند
پیشگویی کند.
تکامل فیزیک
با رشد فیزیک بعضی نظریهها و قوانین پیشین نسبت به
پدیدههایی که این نظریهها و قوانین برای آنها آزمایش نشده بودند ، نارسا
تشخیص داده شدند.این نظریهها و قوانین بوسیله نظریهها و قوانین عامتر و
فراگیرندهتری که پدیدههای نوین را به همان خوبی پدیدههای قدیمی توصیف
میکردند، کنار گذاشته شدند.
تقسیم بندی فیزیک بر اساس سطح پدیدههای مشاهده شده
• فیزیک کلاسیک
• فیزیک نسبیت
• فیزیک کوانتومی
• فیزیک کوانتومی نسبیتی
• فیزیک
کلاسیک درباره اجسامی با اندازههای معمولی که با سرعتهای معمولی حرکت
میکنند، گفتگو میکند و مکانیک نیوتنی و الکترومغناطیس (از جمله نظریه
نور) را در بر میگیرد.
• برای اجسامی که سرعت آنها نزدیک سرعت نور است فیزیک کلاسیک جای خود را به فیزیک نسبیت میدهد.
• در
مورد اجسامی که ابعاد آنها تقریبا آنگسترومی ، ابعاد اتمی است (تقریبا
اندازه یک اتم) باید فیزیک کوانتومی جایگزین فیزیک کلاسیک شود.
• برای ابعاد زیر اتمی و سرعتهای نزدیک به سرعت نور ، سرعت فرین نسبیتی تنها فیزیک کوانتومی نسبیتی میتواند مناسب باشد.
• حد و مرز این نظریههای فیزیکی مشخص نیست، در حقیقت نظریهها باهم تلاقی میکنند.
• فیزیک
کوانتومی نسبیتی فرا گیرنده ترین و کامل ترین ساختار نظری فیزیک روز است.
در ابعاد حدود 14-10 متر (تقریبا به اندازه هسته اتم یا یک فرمی) پدیدههای
مختلف و گیج کنندهای ظاهر میشوند. در حال حاضر این پدیدهها تا حدودی
درک شدهاند.
ساختارهای ریز
درک ما از ساختار اتمی و هستهای بر دو مفهوم بر
جسته فیزیک نوین یعنی نظریه نسبیت و نظریه کوانتومی مبتنی است. این
نظریهها هر دو در آغاز این قرن زمانی که برای نخستین بار با پشرفت فنون
آزمایش امکان مطالعه پدیدههایی با ابعاد کوچک و با سرعت زیاد فراهم شد
پایه گذاری شدند.
ابزاربررسی فیزیک نوین
پس از مرور برخی جنبههای
مهم فیزیک کلاسیک نظریههای نسبیت و کوانتومی را دنبال میکنیم و آنها را
برای تحلیل ساختار اتمی و هستهای بکار میبریم. وضعیتهایی را میبینیم که
در آنها بعضی مفاهیم آشنای فیزیک قابل استفاده نیستند، وضعیتهایی که در
آنها فیزیک کلاسیک غلط محض است. آیا این بدین معنی است که تمام اوقات و
انرژیهایی که برای مطالعه فیزیک کلاسیک مقدماتی صرف شده به هدر رفته است و
باید آنها را هم با نسبیت و نظریههای کوانتومی آغاز کرد؟ نه هرگز چنین
نیست! نتایج تمام آزمایشها ، هر چند دور از تجربه عادی ما ، سرانجام باید
بر حسب عبارتهای کلاسیکی یعنی بر حسب مفاهیم کلاسیکی اندازه حرکت ، انرژی ،
مکان و زمان بیان شوند. به علاوه بسیاری از مفاهیم و قوانین فیزیک کلاسیک
به فیزیک نوین منتقل شدهاند.
سوالات تازه در برنامه فیزیک
• فیزیک نوین چیست؟
• فیزیک نوین با فیزیک کلاسیک چه تفاوتی دارد و در چه مواردی با آن در تشابه است؟
• چه
مفاهیم اساسی از فیزیک کلاسیک به فیزیک قرن بیستم که با ذرات خیلی کوچک و
خیلی سریع فیزیک کوانتومی نسبیتی سر و کار دارد انتقال یافتهاند؟
• کدام یک از مفاهیم فیزیک کلاسیک بدون تغییر میمانند و کدام یک باید اصلاح یا تعویض شوند؟
سرچشمه اصلی علم فیزیک
رسیدن به منبع و سرچشمه اصلی علم فیزیک به اندازه
رسیدن به سرچشمه بسیاری از رودهای بزرگ دشوار است. همانگونه که یک رود بزرگ
از چندین چشمه کوچک حاصل میگردد، چشمههایی که رود عظیم علم فیزیک را
بوجود آوردهاند، در سراسر زمین پراکنده بودند که انسان اولیه ، یعنی انسان
متفکر بر آن سکونت داشته است. اما به نظر میرسد که بیشتر این مردم در
دامنه جنوبی شبه جزیره بالکان (یونان باستان) بودهاند. جالب توجه است که
ملل قدیمی دیگر مانند بابلیان و مصریان که در توسعه ریاضیات و نجوم سهیم
بودهاند، در پیشرفت فیزیک هیچ سهمی نداشتهاند.
چون خدایان بابلیان و مصریان دور از مردم و در میان ستارگان میزیستند، حال آنکه خدایان یونانیان در ارتفاعی تنها در حدود 3000 متر بر قله کوه اولمپ زندگی میکردند. و اصطلاح مانیتیسم (مغناطیس) از نام چوپانی به نام (σηυγαm) سرچشمه میگیرد. تشخیص تقدم یا تأخر زمانی این کشفیات افسانهای دشوار است.
