فیزیک مدرن: تکامل درک ما از هستی در قرن بیستم

فیزیک مدرن بخش بزرگی از زندگی ما را اشغال می کند. شاید درک آن در زندگی روزمره دشوار باشد، اما تأثیرات غیرمستقیم پیشرفت این علم در قرن گذشته بر زندگی ما شگفت انگیز است. در این مقاله به بررسی پیشرفت و پیشرفت فیزیک مدرن علاوه بر شاخه های آن می پردازیم.

به تاریخ نگاه کن

فیزیک مدرن در آغاز قرن بیستم شروع به توسعه کرد. در پایان قرن نوزدهم، بسیاری از فیزیکدانان بر این باور بودند که تقریباً همه چیز شناخته شده است و تنها کاری که باید انجام می شد محاسبه ثابت های فیزیکی تا رقم اعشار بیشتر بود. این نقل قول معروف است.آلبرت مایکلسونبه خوبی بیان می‌کند: «در حالی که هرگز نمی‌توان مطمئن بود که آینده علوم فیزیکی شگفت‌انگیز بزرگی نخواهد داشت، به نظر می‌رسد بسیاری از اصول اولیه این علم کاملاً ثابت شده است.» “شاید پیشرفت آینده فیزیک فقط مطالعه بیشتر ثابت های اعشاری باشد.”

او نمی‌دانست که شاخه‌های کاملاً جدیدی از فیزیک در سال‌های آینده ایجاد خواهند شد که دیدگاه ما را نسبت به جهان به طور اساسی تغییر خواهد داد.

مفاهیم فیزیک مدرن

فیزیک مدرن تلاش می‌کند تا تعاملات ماده را در مقیاس‌های فوق‌العاده درک کند – جایی که مشخص است آنچه اتفاق می‌افتد با آنچه در سطح روزمره اتفاق می‌افتد بسیار متفاوت است. می دانیم که وقایع در ابعاد و مقیاس های زندگی روزمره را می توان با کمک فیزیک کلاسیک توضیح داد و توضیح داد، اما چگونه باید آنچه را که در ابعاد بسیار بزرگ یا بسیار کوچک اتفاق می افتد توصیف کنیم؟

کلمه “تصادفدر اینجا او به بخش‌هایی از فیزیک اشاره می‌کند که شامل بخش‌هایی از مکانیک کوانتومی یا نسبیت است – نظریه‌هایی که علم را در قرن بیستم متحول کردند. این نظریه ها در پاسخ به آزمایش ها و سؤالاتی که فیزیک کلاسیک پاسخی برای آنها پیدا نکرد، موفق شدند.

اگرچه این تئوری ها در ابتدا پیش بینی هایی غیرقابل قبول و غیر منطقی داشتند، اما با پیشرفت تکنولوژی هر بار شاهد موفقیت آن ها بودیم. به این ترتیب این نظریه ها در قرن بیستم تحولی اساسی در علم ایجاد کرد و باعث شد اظهارات اشتباه مایکلسون از آب در بیاید.

شاخه های فیزیک مدرن

فیزیک مدرن شاخه های خاصی دارد: نسبیت خاص، نسبیت عام و مکانیک کوانتومی. اینها سه نظریه اصلی هستند که جرقه بسیاری از آثار علمی در زمینه های مختلف از قرن بیستم تا کنون به وجود آورده اند.

نسبیت خاص

نسبیت خاص اساسا یک نظریه استآلبرت انیشتیناو به انتشار ایده های خود در سال 1905 اعتبار دارد – اگرچه فیزیکدانان کارهای بزرگ زیادی در این زمینه انجام داده اند.هندریک لورنتز“و”هنری پوانکرقبل از او انجام شد

نسبیت خاص موقعیت هایی را مطالعه می کند که در آن اجسام با سرعت بسیار بالا – نزدیک به سرعت نور – حرکت می کنند. ما در زندگی عادی چنین سرعت هایی را تجربه نمی کنیم، اما اگر چیزی می توانست به چنین سرعتی دست یابد، فیزیک حاکم بر آن متفاوت خواهد بود. در این حالت، معادلات مکانیک کلاسیک باطل می شوند و باید از معادلات جدید برای توصیف شرایط فیزیکی حاکم بر مسئله استفاده شود. با سرعت زیاد، پدیدارشناسی نامیدگسترش زمان“و”طول انقباضمطرح کرد.

وقتی جسمی با سرعت نزدیک به نور حرکت می کند، زمان برای آن کندتر می گذرد. به عبارت دیگر، گویی زمان برای فردی که در هواپیما با سرعتی نزدیک به نور حرکت می کند، دیر می شود. به این پدیده اتساع زمان می گویند. در پدیده انقباض طول، جسمی که با سرعت نزدیک به نور در طول مسیر حرکت می کند، کوچک می شود و طول آن کوتاه تر می شود.

پرتوهای کیهانی می توانند پدیده اتساع زمان را توضیح دهند. پرتوهای کیهانی از ذرات پر انرژی تشکیل شده اند که در جهان حرکت می کنند. وقتی این ذرات در اثر فعل و انفعالات به جو می رسند، ذرات معلق نامیده می شوند.مایونبرخی از آنها تا سطح زمین تولید می شوند. امروزه ما قادر به ردیابی میون ها با کمک آشکارسازها هستیم.

طول عمر میون کوتاه است، بنابراین نباید انتظار داشته باشید که آن را در زمین ردیابی کنید – مدت زمانی که طول می کشد تا پس از تشکیل در جو به زمین برسد، بیشتر از طول عمر آن است. با این حال، از آنجایی که این ذرات با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند، اثرات نسبیتی برای آنها اعمال می شود. به همین دلیل، زندگی آنها برای ما که ناظران بیرونی هستیم (پدیده اتساع زمان) طولانی تر به نظر می رسد و می توانیم آنها را تشخیص دهیم.

نسبیت عام در فیزیک مدرن

بعد از اینشتین به طور کلی 1915 او نظریه نسبیت خاص را برای اجسامی که با سرعت ثابت حرکت می کنند مطرح کرد و به سراغ موردی رفت که در آن حرکت جسم شتاب می گیرد. این نیاز به یک نظریه پیشرفته تر و پیچیده تر دارد. در واقع نظریه نسبیت عام امتداد نظریه نسبیت خاص است.

در آن زمان در درک رفتار سیاره عطارد در مدارش به دور خورشید مشکل وجود داشت. دانشمندان کشف کرده اند که نقطه حضیض در یک سیاره را نمی توان با استفاده از قانون گرانش نیوتن به طور دقیق تعیین کرد – همانطور که می دانید، سیارات در مدارهای بیضی شکل به دور خورشید می چرخند. بنابراین، در مناطق خاصی، این سیاره در فاصله نزدیکی از خورشید در مدار خود قرار دارد. برای این منطقه خاصکف سنگآنها می گویند: قبل از انیشتین پیشنهادهای مختلفی برای انحراف از قانون نیوتن وجود داشت، مانند وجود سیاره دیگری که گرانش آن باعث آشفتگی می شود، اما هیچ کدام موفق به حل مشکل نشدند.

با کمال تعجب، نظریه نسبیت عام اینشتین توانست نقطه حضیض عطارد را با دقت زیادی محاسبه کند – در این محاسبات اثرات نسبیت عام خورشید نقش اساسی ایفا می کند که قبلاً در نظریه گرانش نیوتن نادیده گرفته شده بود.

انیشتین تقریباً به تنهایی روی این نظریه کار کرد و آن را توسعه داد – واقعاً جلوتر از زمان خود بود. نظریه نسبیت عام تا آغاز دهه 1960 به طور رسمی وارد دروس فیزیک شده است و برای بررسی مفاهیم علمی چندان مورد استفاده قرار نگرفته است. این نظریه در حال حاضر یکی از موفق ترین ها در توضیح پدیده های بسیار مشاهده شده در جهان است. با این حال، هنوز در این ابعاد از جهان سؤالات بی پاسخی وجود دارد.

مکانیک کوانتومی

مکانیک کوانتومی، شاخه دیگری از فیزیک مدرن، به مطالعه ماده در کوچکترین مقیاسها – سطوح اتمی و زیراتمی – می پردازد. این نظریه در واقع یک نظریه ریاضی است که حرکت و برهمکنش ذرات را در چنین مقیاسی توصیف می کند. تئوری مکانیک کوانتومی در زمان معرفی فیزیک را متحول کرد زیرا به نظر پر از تضاد با ایده های فیزیک کلاسیک بود. این نظریه در آن زمان بسیار مورد مناقشه دانشمندان قرار گرفت.

با توسعه بیشتر، مشخص شد که این نظریه باعث پدید آمدن پدیده های بسیار عجیبی مانند “تونل زنیاین امکان وجود دارد که ذرات بتوانند از موانع عبور کنند! از دیگر پدیده های عجیب این نظریه می توان به احتمال حضور همزمان ذره در دو مکان اشاره کرد! به نظر می رسد که اینها کاملاً بر خلاف آنچه در زندگی روزمره می بینیم هستند، اما این پدیده ها به سادگی از ریاضیات مکانیک کوانتومی می آیند و می توان آنها را نشان داد.

“ماکس پلانکاو به عنوان پدر مکانیک کوانتومی شناخته می شود. در اواخر قرن بیستم، او مطالعات گسترده ای در ترمودینامیک انجام داد. در آن زمان، یک مشکل ترمودینامیک وجود داشت که نامیده می شدفاجعه UVاو توضیح می دهد که چگونه فیزیک کلاسیک پیش بینی می کند که اجسام سیاه تابش بی نهایت در طول موج های کوتاه (به سمت محدوده فرابنفش) منتشر می کنند، که در واقع نادرست است و اتفاق نمی افتد.

پلانک متوجه شد که اگر انرژی حالت گسسته ای داشته باشد، این مشکل قابل حل است و همینطور هم شد. امروزه می دانیم که انرژی (نور) از بسته های گسسته ای تشکیل شده است که در یک ثابت به نام “ثابت پلانکتکثیر می شوند. با این حال، او علاقه زیادی به توسعه این ایده نشان نداد.

اما چند سال بعد انیشتین به این ایده و تاثیر رسید.فوتوالکتریکاو کشف کرد که این پدیده وقتی توضیح داده می شود که نور به فلز می تابد، ما انتشار الکترونیکی از سطح فلز داریم. اینجا بود که انیشتین ریاضت انرژی را پیشنهاد کرد. اگرچه ایده او در ابتدا با شک و تردید مواجه شد، اما فیزیکدانان بیشتری دریافتند که مکانیک کوانتومی می تواند ماهیت واقعی ماده را توضیح دهد. با پیشرفت این مجموعه مسائل، مکانیک کوانتومی بیشتر و بیشتر پیشرفت کرد و سرانجام با ظهور فیزیک مدرن، این علم در قرن بیستم دگرگون شد.

انواع فیزیک مدرن

فیزیک مدرن را می توان به دو نوع اصلی طبقه بندی کرد.

فیزیک نظری

فیزیکدانان نظری وقت خود را صرف ابداع فرمول ها و مدل های ریاضی برای توضیح مشاهدات ما از جهان می کنند. هدف فیزیک نظری در واقع ارائه چارچوب های جامعی است که بتوانیم از آنها برای درک دنیای اطراف خود استفاده کنیم.

فیزیک آزمایشگاهی

از سوی دیگر، فیزیکدانان آزمایشگاهی (آزمایشی) تمایل به طراحی و انجام آزمایش های مختلف برای جمع آوری و تجزیه و تحلیل داده های مختلف دارند. فیزیک آزمایشگاهی جزء ضروری علم است زیرا در نهایت برای نتیجه‌گیری در مورد چارچوب‌های نظری ارائه‌شده به تأیید فیزیک تجربی نیاز داریم.

کاربردهای فیزیک مدرن

کاربردهای فیزیک مدرن را می توان در بسیاری از حوزه های مختلف تحقیقات علمی و حتی زندگی روزمره مشاهده کرد. برخی از کاربردهای نسبیت خاص و عام و مکانیک کوانتومی در زیر توضیح داده شده است. به خاطر داشته باشید که اینها تنها بخشی از کاربردهای فیزیک مدرن هستند.

سیاه چاله ها

اثرات نسبیتی تنها در مقیاس های بزرگتر زمانی قابل توجه است که جرم بسیار بزرگ باشد و در نتیجه میدان های گرانشی قوی ایجاد شود که اثرات گرانشی ناچیزی بر محیط اطراف دارد. یکی از این موارد سیاهچاله هاست.

برای مثال، فرض کنید دو سیاهچاله با هم برخورد کنند. بیشتر اطلاعاتی که در مورد کیهان داریم از مطالعه امواج الکترومغناطیسی به دست می آید. این در حالی است که نظریه نسبیت عام روش دیگری را برای پدیده جهان پیشنهاد می کند: امواج گرانشی.

امواج گرانشی امواجی هستند که در فضا-زمان حرکت می کنند. فضا و زمان را به عنوان رشته های در هم تنیده در نظر بگیرید. هنگامی که یک رویداد عظیم در جهان رخ می دهد – مانند برخورد دو سیاهچاله – امواج گرانشی در فضا-زمان منتشر می شوند و گاهی اوقات به ما می رسند. در این صورت می توان این امواج را با استفاده از تجهیزات پیچیده تشخیص داد.

گیاه نامیده می شودلگویک رصدخانه امواج گرانشی با تداخل سنج لیزری وجود دارد که امواج گرانشی را با استفاده از تداخل سنج تشخیص می دهد. با کمک اطلاعات ثبت شده توسط این آزمایشگاه می توان جرم سیاهچاله ها و محل برخورد آنها را مشخص کرد.

ابررساناها

ابررسانا ماده ای است که در دماهای پایین مقاومتی از خود نشان نمی دهد، به این معنی که جریان بسیار بالایی می تواند از آن عبور کند. پدیده ابررسانایی را می توان از طریق مکانیک کوانتومی درک کرد. حامل های بار با هم جفت می شوندشوهر کوپر“تحت عنوان.

اینها جفت های تشکیل دهنده بوزون هستند که همگی می توانند در یک حالت کوانتومی خاص باشند. به این معنی که همه آنها به صورت یک موج منسجم به دور ماده حرکت می کنند و هیچ اختلالی در ساختار آنها مشاهده نمی شود.

ابررساناها کاربردهای زیادی دارند. به عنوان مثال، آنها می توانند میدان های مغناطیسی بسیار بزرگی ایجاد کنند که به طور گسترده در شتاب دهنده های ذرات و اسکن MRI استفاده می شود.

اهمیت فیزیک مدرن

فیزیک مدرن به ما کمک می کند تا ماهیت واقعی جهان را درک کنیم. به عبارت دیگر، با کمک فیزیک مدرن، ما می توانیم جهان را بیشتر و بیشتر کشف کنیم: از سیاهچاله ها تا ساختار داخلی هسته اتم. فیزیک مدرن علاوه بر موارد ذکر شده در بالا منجر به پیشرفت‌های تکنولوژیکی بسیاری شده است.

برای درک بهتر اهمیت فیزیک مدرن، به یاد داشته باشید که مکانیک کوانتومی امروزه اساس بسیاری از اجزای الکتریکی مانند دیودها و ترانزیستورها است. از سوی دیگر، نسبیت اندازه گیری های مبتنی بر ماهواره باید در نظر گرفته شود زیرا ماهواره ها نسبت به زمین حرکت می کنند. علاوه بر این، شاخه های مختلف فیزیک مدرن اغلب اصول اولیه سایر رشته ها را در خود جای داده اند. به عنوان مثال، شیمی اتم ها را می توان با کمک مکانیک کوانتومی توصیف کرد.