فیزیک
فیزیک (به زبان یونانی φύσις، طبیعت و φυσικῆ، دانش طبیعت) علم مطالعهٔ خواص طبیعت است. این علم را عموماً علم ماده (Matter) و حرکت و رفتار آن در فضا و زمان میدانند. این ماده میتواند از ذرات زیراتمی تا کهکشانها و اجرام بسیار بزرگ آسمانی باشد. فیزیک از مفاهیمی مانند انرژی، نیرو، جرم، بار الکتریکی، جریان الکتریکی، میدان الکتریکی، الکترومغناطیس، فضا، زمان، اتم و نورشناسی استفاده میکند. اگر بطور وسیعتر سخن بگوییم، هدف اصلی علم فیزیک بررسی و تحلیل طبیعت است و همواره این علم در پی آن است که رفتار طبیعت را در شرایط گوناگون درک و پیشبینی کند.
فیزیک یکی از قدیمیترین رشتههای دانشگاهی است و شاید قدیمیترین مبحث آن را بتوان نجوم و اخترشناسی نامید. مدارکی وجود دارد که نشان میدهد هزاران سال پیش از میلاد مسیح، اقوامی همچون سومریها و همچنین اقوامی در مصر باستان و اطراف سند، تحقیقات و درک پیشگویانهای (گمانهزنیهایی) از حرکت خورشید، ماه و ستارگان داشتهاند.[۱]
تاریخچه[ویرایش]
دوران باستان[ویرایش]
از دوران باستان، انسانها سعی میکردند که رفتار طبیعت را درک و پیشبینی کنند. در ابتدا، اینگونه پرسشها در مورد طبیعت و رفتار آن، در قلمرو فلسفه دستهبندی میشد. به همین دلیل است که در نوشتههای فیلسوفان باستان همچونارسطو، افلاطون و بطلمیوس و … نوشتههای بسیاری در مورد رفتارهای طبیعت، مخصوصاً حرکت ستارگان و خورشید میبینیم. در بعضی از این نوشتهها، مواردی وجود داشت که بررسی پدیدههای آسمانی را با افسانهها و اعتقادات مردمان آن دوره از تاریخ آمیخته میکرد و علیرغم پیشبینیهای درست، نمیتوانست باعث متقاعد شدن آیندگان شود.
فلسفه طبیعی[ویرایش]
البته در این دوران فیلسوفانی همچون تالس هم بودند که تمامی تلاش خود را برای دور ماندن از دلایل ماوراءالطبیعه میکردند. به خاطر همین تلاشها در بسیاری از منابع تاریخی به تالس لقب نخستین چهرهٔ علم را دادهاند. یکی از کارهای مهم وی در حوزه ستارهشناسی، پیشبینیخورشیدگرفتگی در سال ۵۸۵ قبل از میلاد مسیح است.
فیزیک کلاسیک[ویرایش]
از همین دوره بود که شاخهای از فلسفه جدا شد که نام آن را فلسفه طبیعی نهادند و سالیان طولانی ادامه یافت. تا حدوداً در قرن هفدهم میلادی که دوباره با حضور چهرههای بزرگ و برجستهای همچون آیزاک نیوتن و گوتفرید لایبنیتس میرفت که دوباره تحولی عظیم در علم و نحوه نگرش به آن مخصوصاً در ریاضیات و فیزیک ایجاد شود. با چاپ شدن کتاب نیوتن در سال ۱۶۸۷ با نام اصول ریاضی فلسفه طبیعی (همانطور که پیداست همچنان از عبارت فلسفه طبیعی در عنوان آن استفاده شده) تقریباً این نوع نگرش به فیزیک و ریاضیات به پایان راه خود رسید و نیوتن و همکاران وی در قرن هفدهم میلادی، نحوه نگرشی نو به طبیعت را بنیانگذاری کردند که امروزه به فیزیک کلاسیک معروف است. البته ذکر این نکته الزامی است که این جنبش، قبل از قرن هفدهم، با تلاش دانشمندانی چون گالیلئو گالیله، نیکلاس کوپرنیک و یوهان کپلر آغاز شده بود و در زمان نیوتن به اوج خود رسید.
پس از قرن هفدهم، فیزیک و ریاضیات با سرعت قابل توجهی توسعه یافتند و دانشمندان زیادی در شاخههای مختلف این دو علم، توانستند پاسخ بسیاری از پرسشهای خود را بیابند. این روند تا قرن نوزدهم ادامه داشت. جامعه فیزیکدانان در قرن نوزدهم، عموماً گمان میکردند که با کشفیات جیمز کلرک ماکسول در حوزه الکترومغناطیس و معادله بندی چگونگی ایجاد شدن میدان الکتریکی و مغناطیسی، توسط بارها و جریانهای الکتریکی، فیزیک به نقطه تکامل خود رسیدهاست و دیگر هیچ پدیده طبیعی وجود ندارد که نتوانند آن را توجیه و پیشبینی کنند.
فیزیک مدرن[ویرایش]
اما در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم بود که پدیدههایی توسط برخی از فیزیکدانان مشاهده شد که با علم فیزیک آن زمان قابل توضیح نبود یا اگر توضیحی ارائه میشد، در آن تناقضهایی وجود داشت. در این زمان بود که فیزیک دانان تقریباً به دو دسته تقسیم شدند.
دستهای سردمدار پایهگذاری فیزیکی جدید، که در آن اشکالات و کاستیهای فیزیک کلاسیک جبران شده باشد، بودند و دستهای سر سرسختانه در مقابل هر گونه تغییر مقاومت میکردند و میکوشیدند که پدیدههای جدید را با همان فیزیک کلاسیک (یا نیوتنی) توضیح دهند. سر انجام ماکس پلانک بر پایه تلاشهای دانشمندان قبل از خود همچون رابرت هوک، کریستیان هویگنس، توماس یانگ و لئونارد اویلر توانست نظریه مکانیک کوانتومی را ارائه دهد و همینطور آلبرت اینشتین توانست نظریه نسبیت را ارائه و با موفقیت از آن دفاع کند. در همین سالها بود که فیزیکدانان پذیرفتند، با وجود اینکه فیزیک کلاسیک در حوزه مورد بحث خود (که عموماً پدیدههایی آزمایش پذیر بودند) خالی از هرگونه خطا است، اما نیاز به ایجاد شاخهای جدید در علم فیزیک با نام فیزیک نوین است. پس از آلبرت اینشتین، تئوری مکانیک کوانتومی و همچنین فیزیک اتمی با تلاش دانشمندان بزرگی چون ورنر کارل هایزنبرگ، آروین شرودینگر، ولفگانگ پائولی و پل دیراک هر روز کامل تر شد و این تکامل روزافزون علم فیزیک، تا به امروز در دهها گرایش و شاخه ادامه دارد.
نظریههای اصلی[ویرایش]
در علم فیزیک، ما با سامانههای بسیار متفاوتی رو به رو هستیم، اما نظریههای اصلی که در هسته علم فیزیک قرار دارند، توسط همه فیزیکدانان مورد استفاده قرار میگیرند. در فیزیک کلاسیک، ما با نظریههایی سروکار داریم که حرکت اشیاء که ابعاد و سرعتهایی که قابل تصور و عموماً آزمایش پذیرند را، پیشبینی و تحلیل میکنند. زمانی که صحبت از ابعاد قابل تصور برای عموم مردم میشود، منظور از ابعادی فرا اتمی و فرا ملکولی شروع میشود و تا ابعاد سیارات را در بر میگیرد و سرعت قابل تصور، عموماً سرعتی کمتر از سرعت نور است. اما هنگامی که سیستمهای مورد بررسی ما، ابعادی فراتر از حد تصور ما به خود میگیرند، مثل منظومهها، کهکشانها و دیگر سیستمهای عظیم ستارهای و آسمانی یا ابعادی بسیار کوچک، مثل ابعادی زیر اتمی و حتی کوچکتر، فیزیک و مکانیک کلاسیک از خود ضعف نشان میدهد و دیگر قدرت پیشبینی و درک صحیح واقعیات را ندارد. به همین دلیل تئوریهایی که اینگونه سیستمها را تحلیل میکنند، در حوزه فیزیک جدید صورت بندی میشود.
البته کاملاً بدیهی است، این تعاریفی که در اینجا ارائه میشود کاملاً شکلی عمومی دارند و در علم فیزیک، مرز واضحی میان فیزیک کلاسیک و فیزیک جدید به هیج وجه وجود ندارد. به صورتی که برخی از فیزیک دانان، فیزیک جدید را شکل تکامل یافته و تصحیح شده فیزیک کلاسیک میدانند، اما برخی از فیزیکدانان که مهمترین آنها ورنر کارل هایزنبرگ بودهاست، همانطور که در کتاب خود جز و کل میگوید، فیزیک کلاسیک یک مقوله کاملاً جدا، فرمول بندی شده، بدون ایراد و کامل است اما در حوزه سیستمهای مورد بررسی خودش و نمیتوان فیزیک جدید را شکل تکامل یافته فیزیک کلاسیک دانست.
هدف اصلی علم فیزیک توصیف تمام پدیدههای طبیعی قابل مشاهده و غیرقابل مشاهده برای بشر، توسط مدلهای ریاضی (به اصطلاح کمی کردن طبیعت) است. تا قبل از قرن بیستم، با دستهبندی پدیدههای قابل مشاهده تا آن روز، فرض بر این بود که طبیعت از ذرات مادی تشکیل شدهاست و تمام پدیدهها به واسطهٔ دو نوع برهمکنش بین ذرات (برهمکنشهای گرانشی و الکترومغناطیسی) رخ میدهند. برای توصیف این پدیدهها نظریههای زیر به تدریج شکل گرفته و تکامل یافتند:
- مکانیک کلاسیک (توصیف رفتار اجسامی که اندازهای معمولی دارند و با سرعتی معمولی در حال حرکتند)
- الکترومغناطیس (توصیف رفتار مواد و اجسام دارای بار الکتریکی)
- ترمودینامیک و مکانیک آماری (توصیف پدیدههای مرتبط با گرما بر حسب کمیتهای ماکروسکوپی یا میکروسکوپی)
به مجموع این نظریهها فیزیک کلاسیک گفته میشود.
در ابتدای قرن بیستم پدیدههایی مشاهده شدند که توسط این نظریهها قابل توصیف نبودند.
بعد از پیشرفتهای بسیار بنیادین در ربع اول قرن بیستم، نظریههای فیزیکی با نظریههای کاملتری که این پدیدهها را نیز توصیف میکردند جایگزین گشتند. مهمترین تغییر، تشکیل دو دینامیک متفاوت برای اجسام کوچک و اجسام بزرگ است. چون دینامیک اجسام بزرگ از لحاظ ساختاری و مفاهیم به دینامیک قبلی نزدیکی زیادی دارد (بر خلاف دینامیک اجسام ریز که ساختاری کاملاً متفاوت دارد) نظریهها به دو دسته دینامیک کلاسیک اصلاح شده (با شالوده مکانیک نیوتنی) و مکانیک کوانتومی تقسیم شدند.
نظریههای دیگری درفیزیک مدرن به تدریج شکل گرفتن که عبارت اند از:
- نسبیت عام (برهمکنش گرانشی و دینامیک اجسام بزرگ)
- مکانیک کوانتومی (دینامیک اجسام ریز)
- مکانیک آماری (حرکت آماری ذرات بر پایه دینامیک کوانتومی)
- الکترودینامیک کلاسیک (برهمکنش الکترومغناطیسی و نسبیت خاص)
بعدها با پیدا شدن دو برهمکنش دیگر (برهمکنش هستهای قوی و برهمکنش هستهای ضعیف) برای فرمولبندی آنها هم اقدام شد و از نسبیت خاص برای تمام نظریهها استفاده شد و کل نظریهها عبارت شدند از:
- نسبیت عام
- مکانیک آماری
- الکترودینامیک کوانتومی QED (برهمکنش الکترومغناطیسی و دینامیک کوانتومی)
- کرومودینامیک کوانتومی QCD (برهمکنش هستهای قوی و دینامیک کوانتومی)
۵-نظریه ضعیف کوانتومی (برهمکنش هستهای ضعیف و دینامیک کوانتومی بعداً با تلفیق با الکترودینامیک نظریه الکترو ضعیف کوانتومی را ساخت)
تمام این نظریهها به جز نسبیت عام از دینامیک کوانتومی استفاده میکنند. به مجموعهای ازQED وQCD و نظریه ضعیف اصطلاحاً مدل استاندارد ذرات بنیادی گفته میشود. امروزه بسیاری از فیزیکدانان به دنبال متحد کردن چهار برهمکنش (نظریه وحدت بزرگ) میباشند که مشکل اصلی وارد کردن گرانش و استفاده از دینامیک کوانتومی برای گرانش میباشد. نظریههای گرانش کوانتومی و به خصوص نظریه ریسمان از نمونههای این تلاشها است. همچنین بیشتر نظریههای جدید از مفهومی به نام میدان استفاده میکنند که به نظریههای میدان مشهور هستند.
گرایشهای گوناگون فیزیک[ویرایش]
جدول زیر بسیاری از زمینهها و زیرزمینههای فیزیک به همراه نظریههای مربوط و مفاهیم به کار رفته در آنها را در بر میگیرد.
ماهیت فیزیک
ماهیت قوانین فیزیک
تا به حال از خودتان پرسیدهاید که:
آیا قوانین فیزیک حقیقت دارند؟
به عبارت بهتر آیا آنچه ما به عنوان قوانین فیزیک میشناسیم بیان مطلقی از قوانین طبیعت است؟
شاید پیش از آن که ما فراگرفتن علم فیزیک را آغاز کنیم بهتر است مفاهیمی از این دست را از خودمان بپرسیم. اگر کلمهی فیزیک یا قوانین فیزیک را در گوکل جستوجو کنیم منابع بسیار زیادی برای توضیح این واژه در دسترس ما قرار میگیرد که بیشتر آنها درست است. اما برای کسی که فیزیکپیشگی را انتخاب میکند مهم است بداند این مفاهیم تا چه اندازه حقیقت دارند و تا چه اندازه میتوانیم به دانستههای فیزیک تعصب نشان دهیم.
اندیشههای نو در علم و به ویژه علم فیزیک، که بسیار از انیشتین تأثیر پذیرفته است بر این باورند که بهترین قوانین فیزیک نیز بیان حقیقت مطلق نیست، و آن را بیانی تقریبی از حقیقت میشمارند. بر اساس چنین اندیشههایی و بر خلاف نظر بیکن و ماخ، این قوانین خلاصهای از واقعیات تجربی انگاشته نمیشودکه هر جویندهی سختکوش و به دور از پیشداوری بتواند به آنها دست یابد.
بشر در طول سالیان دراز به مشاهدهی طبیعت پرداخته است و واقعیاتی که مشاهده کرده است را تنظیم کرده و به جهان علم ارائه داده است. نوآوری و ابتکار بشر، در تنظیم این واقعیات ناگزیر وارد شده است. در چارچوب علم، این واقعیات به شکل نظریهها به جهان ارائه شده است؛ نظریههایی که به توصیف دنیای پیرامون ما پرداختهاند و هدف آنها اغلب توصیف پدیدهها و تفسیر رفتار طبیعت است. اما همانطور که انیشتین در سال 1952 نوشته است: «هیچ راه منطقیای برای بنا نهادن یک نظریه وجود ندارد…». برای مثال مشاهدهی حرکت سیارات و مدارهای آنها به خودی خود وجود نیروی گرانش را ایجاب نمیکند. بر اساس نظریهی نیوتن شکل حرکت سیارات و گردش آنها به گرد خورشید، درنتیجه نیروی گرانش خورشید است که متناسب با وارون مجذور فاصله بین دو جرم است. میتوانیم بگوییم نیوتن این نیرو را ابداع کرده است. چنین نیرویی در نظریهی نسبیت عام انیشتین وجود ندارد؛ بر اساس این نظریه سیارات به همان اندازه که خمیدگی فضا-زمان ایجاب میکند مستقیم حرکت میکنند. خمیدگی فضا-زمانی که سیارات در آن قرار گرفتهاند ناشی از وجود خورشید (سنگینترین جرم منظومهی خورشیدی) است. در نظر داشته باشیم که به صورت ایدهآل در این مثال حرکت سیارات تنها با اثری که از خورشید میگیرند توجیه شده است و اثرات خارج از منظومهی خورشیدی و اثرات ناشی از سیارات روی هم در نظر گرفته نشده است.
در حقیقت، نظریهی فیزیکی آمیزهای ذهنی از مفاهیم، تعاریف و قوانینی است که یک مدل ریاضی برای بخشی از طبیعت وضع میکند. بنابراین بیش از آن که بگوید «طبیعت چیست؟»، از چگونگی آن میگوید. برای مفید بودن یک نظریه، آشکارترین لازمهی آن سازگاری با تجربه (تجربهپذیری) است. اما سازگاری با تجربه هر قدر هم که باشد نمیتواند یک نظریه را ثابت کند، تا حدی به این دلیل که هیچ آزمایشی نمیتواند بینهایت دقیق باشد و تا حدی به این دلیل که نمیتوان همهی موارد مربوط را آزمود. از سوی دیگر ناسازگاری با تجربه، به طور ضروری منجر به نفی نظریهی فیزیکی نمیشود، به جز در صورتی که بتوان نظریهای در همان حد ساده یافت که جایگزین آن شود. چنین ناسازگاریای تنها ممکن است منجر به محدود شدن «حوزهی اعتبار کافی» شناخته شده برای آن مدل شود.
برای مثال، با توجه به آن چه امروز میدانیم، اگر قوانین نیوتن برای مکانیک ذرات را به یاد آوریم میبینیم، هرچند این قوانین برای سالهای متمادی خوب کار کردهاند و حتی امروز در حرکت با سرعتهای کم درست و کارآمد هستند، اما برای توصیف حرکت ذراتِ بسیار سریع صادق نیستند. یا با توجه به علم امروز نظریهی گرانش نیوتنی برای توصیف جزئیات ظریف مدارهای سیارات کافی نیست. با همهی اینها به این دلیل که قوانین «درستتر» نسبیتی از نظر ریاضیات پیچیده هستند، در حوزههایی که دقت شناختهشدهی قوانین نیوتن به قدر کافی باشد مورد استفاده قرار میگیرند.
با این که تا امروز نسبیت خاص و عام از نظریات مسلم فیزیک هستند که درستی آنها از طریق آزمایشهای زیادی تحقیق شده است، و کشف اخیر امواج گرانشی نیز اعتباری دو چندان به نظریهی نسبیت عام داده است، بهتر است در مورد آن هم تعصب نداشته باشیم. شاید روزی ثابت شود که نظریهی نسبیت هم در حدود دقتی که تا امروز بشر به آن دست نیافته یا به فکر کسی نرسیده است، کفایت ندارد.
چیزی که باید در نظر داشته باشیم این است که هر نظریهی علمی تنها یک مدل است و جز این که باید سازگاری کافی با تجربه، انسجام درونی، و سازگاری با مفاهیم علمی روز داشته باشد، دو مشخصهی دیگر برای یک نظریهی خوب وجود دارد. یکی زیبایی یا سادگی از نظر ریاضیات یا مفهوم است. اما این چیزی است که باید در ذهن بشر متولد شود؛ زیبایی ریاضیات یک نظریه اغلب به فرمولبندی خاص آن نظریه بستگی دارد (به بردارها، تانسورها، جبر کلیفورد، گروهها، و … ). یک لازمهی حیاتی دیگر برای یک نظریهی خوب، که پوپر بر آن اصرار دارد ابطالپذیری (falsifiability) یا امکان ابطال تجربی است. نظریههای علمی نباید متعصب باشد. یک نظریهی متعصب دچار انجماد میشود. هرچه نظریهای بهتر باشد، شمار پیشگوییهایی که ابطال آن را ممکن میکند بیشتر است. از سوی دیگر یک نظریهی علمی نباید به گونهای باشد که برای هر نتیجهی متناقضی که دارد همواره نیاز به اصلاح و تغییرات موضعی داشته باشد.
با این تفاسیر، نظریهها موتورهای فیزیک هستند. تلاش برای ابطالهای تجربی نظریه است که فیزیکِ آن را رو به جلو سوق میدهد. آنچه برای یک دانشمند و فیزیکدان امروزی ضروری است، انعطاف در برابر ایدهها و نظریههای نو و پذیرش برخی اشکالات وارد بر نظریههایی است که سالها به آنها باور داشته است و حتی در آزمایشات بسیاری درستی آنها ثابت شده است.
راه پیشرفت دانش بشری از نگاه کردن از پنجرههایی نو به دنیای پیرامون ما میگذرد. آنچه بر ما مسلم است این است که هنوز بیش از نود درصد چیزی که دنیای ما را میسازد برای ما ناشناخته است، و بنابراین شاید نادرست نیست که بگوییم بهترین نظریه برای توصیف دنیای ما هنوز ارائه نشده است.
ليست صفحات
توضیحات آگهی در حدود 2 خط. ماهینه فقط 10 هزار تومان
توضیحات آگهی در حدود 2 خط. ماهینه فقط 10 هزار تومان