دانستنی های فیزیک

هواپیمای اف - 18 هورنت در حال شکستن دیوار صوتی. قطرات آب در اثر افت فشار ( پدیده ی تکینگی پرانتل - گلارت (به مطلب موج ضربه‌ای و ابر پیرامون هواپیما رجوع کنید) تشکیل حلقه‌ای سفید رنگ داده‌اند.

خصوصیات صوت و دیوار صوتی

عامل ایجاد دیوار صوتی

 
 

عدد ماخ بحرانی

عدد ماخ طبق تعریف، نسبت سرعت شیئ در یک سیال به سرعت صوت در همان سیال است. عدد ماخ یک پارامتر بی‌بعد و بدون یکا است که در آیرودینامیک جریان‌های تراکم پذیر دارای اهمیت زیادی است. تعریف ریاضی عدد ماخ که با M نشان داده می‌شود، به صورت زیر است: 



که

• v سرعت جریان گاز؛ و
• a سرعت صوت در محیط است.

عدد ماخ از نام ارنست ماخ ، فیلسوف و فیزیکدان چک – اتریشی تبار گرفته شده است.عدد ماخ بیشتر به عنوان یک کمیت بدون اندازه شناخته می‌شود تا یک واحد اندازه گیری ، به این خاطر عدد در هنگام همراه بودن با کلمه? ماخ ، بعد از آن قرار می گیرد.برای نوشتن دو ماخ به جای 2ماخ (2 mach) ، شکل ماخ 2 (mach2) بکار برده می شود.این کلمه تا اندازه ای یادآور واحد قدیمی عمق سنجی مدرن اقیانوس مارک مترادف قولاج است که زودتر از ماخ بوجود آمده و احتمالا بر استفاده از واژه? ماخ تاثیر گذارده است.یک دهه قبل از انکه انسان سریعتر از صوت پرواز کند، مهندسان هوانوردی برای اشاره به سرعت صوت از کلمه? عدد ماخ استفاده می کردند ، نه ماخ.


نگاه کلی عدد ماخ هم برای اجسام پرسرعت در حال حرکت در یک سیال و هم برای جریانات سیال پرسرعت در کانال هایی مانند nozzles، diffusers یا تونل‌های باد مورد استفاده قرار می گیرد.از آنجایی که این عدد نسبتی از دو سرعت است ، یک عدد بدون اندازه محسوب می شود.در دمای 15 درجه? سلسیوس ، سرعت صوت در جو زمین برابر است ( 761.2mph, 340.3m/s).سرعتی که بوسیله? عدد ماخ نشان داده می‌شود یک عدد ثابت نیست.برای مثال این سرعت به دما و ترکیب جوی بستگی دارد.صرفنظر از ارتفاع ، این سرعت در استراتسفر هوا کره ثابت باقی می ماند ، اگرچه فشار هوا با تغییر ارتفاع تغییر می کند.


از آنجایی که سرعت صوت همواره با افزایش دما ، افزایش پیدا می‌کند ، سرعت واقعی یک شی که با سرعت یک ماخ حرکت می‌کند به دمای ماده? سیال اطراف آن بستگی خواهد داشت.عدد ماخ به این دلیل مفید است که ماده? سیال در یک عدد ماخ مشابه ، به شکل مشابهی رفتار می کند.بنابراین هواپیمایی که با سرعت یک ماخ بر سطح دریا پرواز می‌کند ، موج شوک را به همان شکل دریافت می‌کند که اگر با سرعت یک ماخ در ارتفاع 11000 متری پرواز می کرد ، دریافت می کرد ، اگرچه که با سرعت (295m/s,654.6mph )سرعت اش بر سطح دریا ) پرواز می کند.


جریان پرسرعت در اطراف اشیاء پرواز را می توان بطور غیردقیق در 5 دسته طبقه بندی کرد:

- زیرصوت (Subsonic) :

M < Mcri


- نزدیک صوت (Transonic) :

Mcrit < 1 (e.g.: 0.8 < M < 1


- صوت (Sonic)

M = 1

- بالای صوت (1 < M < 5 : (Supersonic


- مافوق صوت (M > 5 : (Hypersonic


برای مقایسه: سرعت مورد نیاز برای مدار پایین زمین در هوا و ارتفاع بالا تقریبا km/s5/7=4/25 Mاست.سرعت نور در خلاء تقریبا برابر است با 88000 ماخ.

در سرعت بالای صوت ، میدان جریان اطراف شی ، هم شامل بخش‌های پایین صوت و هم بالای صوت می شود.محدوده? زمانی بالای صوت زمانی آغاز می‌شود که اولین نواحی جریان M>1 در اطراف شی پدیدار می شوند.در صورت وجود یک ایرفویل (مثلا یک بال هواپیما) این اتفاق معمولاً در بالای بال اتفاق می افتد.جریان بالای صوت فقط در یک شوک معمولی می تواند به زیر صوت کاهش پیدا کند ، این اتفاق معمولاً قبل از رسیدن به لبه? پشتی رخ می دهد.(شکل a1) همزمان با افزایش سرعت ، نواحی جریان M>1 بر روی لبه? پشتی و جلویی نیز افزایش می یابد.وقتی سرعت به M=1 برسد و از آن بگذرد ، شک معمولی به لبه? پشتی می رسد و به یک شک ضعیف و غیرمستقیم تبدیل می شود.جریان بعد از شک کاهش پیدا می‌کند اما همچنان در محدوده? بالای صوت باقی می ماند.یک شک معمولی در جلوی شی بوجود می آید و ، تنها ناحیه? زیرصوت در میدان جریان ، یک محدوده? کوچک در اطراف لبه? پشتی شی است.(شکل b1)

 

1-عدد ماخ در جریان هوای بالای صوت در اطراف یک ایرفویل، M<1 (a) و M>1 (b).

زمانی که یک هواپیما به سرعت یک ماخ می رسد ، یک تفاوت فشار بزرگ درست در مقابل هواپیما ایجاد می شود.این تفاوت فشار ناگهانی موج شوک نامیده می‌شود که به سمت عقب و به بیرون از هواپیما پخش می‌شود و شکلی شبیه یک مخروط دارد (مخروط ماخ).این موج شوک باعث ایجاد انفجار صوتی ای می‌شود که هنگام عبور یک هواپیما با سرعت زیاد از بالای سر یک شخص شنیده می شود.شخص درون هواپیما این صدا را نخواهد شنید.هرچه سرعت بیشتر باشد مخروط هم باریکتر خواهد بود و بعد از رسیدن به M=1 دیگر کمتر شبیه یک مخروط است ، بلکه بیشتر شبیه یک صفحه? تقریبا مقعر است.

در سرعت کاملا بالای صوت ، موج شوک شروع به تشکیل شکل مخروطی خود می‌کند و جریان هم کاملا بالای صوت است ، یا (در صورت بدون نوک بودن شی) فقط یک محدوده? جریان زیرصوت خیلی کوچک بین دماغه? شی و موج شوک که در مقابل ایجاد می‌کند ، باقی می ماند (در صورت نوک تیز بودن شی ، هیچ هوایی بین دماغه و موج شوک وجود ندارد ، موج شوک از خود دماغه شروع می شود).

هم زمان با افزایش عدد ماخ ، قدرت موج شوک نیز افزایش پیدا می‌کند و مخروط ماخ هم به طور فزاینده ای باریک می شود.با عبور جریان سیال از موج ، سرعت آن کاهش پیدا می‌کند و دما ، فشار و چگالی افزایش می یابد.هرچه شوک قوی تر باشد ، تغییرات هم بزرگتر خواهد بود.در عدد ماخ بسیار بالا پس از شوک دما آن قدر افزایش پیدا می‌کند که تجزیه یونی و تفکیک مولکول‌های گاز در پشت موج شوک شروع میشود.چنین جریان هایی مافوق صوت نامیده می شوند.

واضح است که هر شئی که با سرعت مافوق صوت حرکت می‌کند نیز در معرض همان دمای شدیدی قرار می گیرد که گازهای پشت موج شوک دماغه در معرض آن قرار می گیرند ، و از این رو انتخاب مواد مقاوم در برابر گرما اهمیت می یابد.




جریان پرسرعت در یک کانال

زمانی که یک جریان در یک کانال ازM=1 عبور کند ، بالای صوت می‌شود ، یک تغییر بزرگ هم رخ می دهد.به طور معمول انسان توقع دارد که با منقبض کردن کانال سرعت جریان افزایش پیدا کند.در سرعت زیر صوت این موضوع صحت دارد ، اما زمانی که جریان بالای صوت شود ، رابطه? محدوده? جریان و سرعت برعکس می شود.در واقع بسط دادن تونل سرعت را افزایش می دهد.نتیجه? کلی این است که برای رساندن یک جریان به سرعت بالای صوت یک nozzle همگرا – واگرا لازم است ف که در آن بخش همگرا سرعت جریان را به سرعت صوت، M=1، برساند و بخش واگرا این افزایش سرعت را ادامه دهد.چنین nozzle هایی را de Laval nozzles می نامند و در شرایط خاص انها قادر به دست یافتن به سرعت‌های مافوق صوت باورنکردنی ای هستند (13ماخ در سطح دریا).

ماخ متر یا سیستم الکترونیکی اطلاعات پرواز(EFIS) یک هواپیما می تواند عدد ماخ مشتق شده از فشار ایستایی و فشار ساکن را نشان دهد.

اثرات شکست دیوار صوتی

منبع

ویکی پدیا

رنگین کمان پدیده زیبایی است که در روز های آفتابی پس از بارش باران، در آسمان دیده می شود و اغلب به صورت نیم دایره ای از رنگ های مختلف طیف نور سفید، مشاهده می شود. قبل از اینکه به علت انحنای رنگین کمان پی ببریم، باید ابتدا بدانیم رنگین کمان چگونه ایجاد می شود.

تولد یک رنگین کمان :

نور سفید پس از عبور از منشور به دلیل اختلاف ضریب شکست منشور برای رنگ های مختلف (قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی، بنفش ) تجزیه می شود.

تحت شرایط مناسب هر قطره کروی آب موجود در هوا همانند منشور عمل کرده و نور را تجزیه می کند. نور پس از ورود به قطره بازتاب کلی می کند و سپس در حین خارج شدن از قطره به رنگ های گفته شده در بالا تجزیه می شود و به چشم های ما می رسد. مانند شکل زیر :

با توجه به شکل بالا، زمانی که پشت به خورشید ( به سمت مشرق ) ایستاده ایم، رنگ های تجزیه شده از بازتاب نور توسط قطره های باران به چشم ما می رسد.

زاویه بین پرتو های خورشید و راستای پرتو هایی که به چشم ما می رسد، با توجه به ضریب شکست قطره آب برای رنگ های مختلف از 40 تا 42 درجه می باشد ( برای نور قرمز 42 درجه می باشد). که همین زاویه علت انحنای رنگین کمان است.

اگر گستره وسیعی از قطرات باران، نور های تجزیه شده متشکل از هفت رنگ را به سمت چشم ما بفرستند، در نهایت مخروطی به زاویه نصف راس 42 درجه خواهیم داشت که با توجه به دایره ای بودن سطح مقطع مخروط، دایره ای متشکل از هفت رنگ خواهیم دید. البته افق روی زمین موجب می شود ما فقط نصف یا بخش کمتری از این دایره را مشاهده کنیم.

اگر در هواپیما باشیم و شرایط موجود برای ایجاد رنگین کمان ( قطرات باران، نور خورشید ) مهیا باشد، و پشت به خورشید باشیم، می توانیم رنگین کمان را به صورت یک دایره کامل ببینیم.

رنگین کمان دوم :

گاهی اوقات ممکن است دو رنگین کمان ببینید. اولین یا اصلی ترین کمان در زاویه 40 تا 42 درجه، با نور قرمز در بیرون و نور بنفش در داخل به طور واضح دیده می شود. کماان دوم همیشه کم رنگ تر بوده و بواسطه بازتاب دوم با رنگهای معکوس (بنفش در بیرون و قرمز در درون) در زاویه 52 تا 54 درجه تشکیل می شود.

اسحاق نیوتن یک معادله ریاضی بر حسب اندازه زاویه رنگین کمانها بعد از بازتاب N اُمِ داخل قطره بدست آورد. او معتقد بود که در بازتاب سوم نور کافی وجود ندارد که در واقع شخص آنرا ببیند، از اینرو هرگز مسئله را برای N=3 حل نکرد. ادموند هالی، بعد از نامگذاری ستاره دنباله دار هالی، محاسبات را بر دوش گرفت و کشف کرد که سومین رنگین کمان در زاویه 42?5 درجه تشکیل می شود، و شگفت زده شد. این رنگین کمان نبایستی در مقابل خورشید تشکیل شود بلکه دور تا دور خورشید تشکیل می شود! دو هزار سال بود که بشر به اشتباه در طرف دیگر آسمان در جستجوی این کمان بود. روشنایی رنگین کمان سوم 24 درصد رنگین کمان اصلی و روشنایی رنگین کمان چهارم 15 درصد رنگین کمان اصلی است . برای همین مشاهده رنگین کمان های سوم و چهارم مشکل است.

با کلیک بر روی عکس زیر می توانید رنگین کمان های اصلی و دوم را پشت به خورشید و رنگین کمان های سوم و چهارم را رو به خورشید مشاهده کنید.

این مقاله توسط مصطفی کبیری مدیریت فیزیکفا تهیه شده است.

اینشتین :

اینشتین، یکی از تأثیرگذارترین دانشمندان قرن بیستم بود که میراثی جاودان به نام نظریه‌ی نسبیت و فرمول جرم و انرژی را از خود به‌ جا گذاشت.

آلبرت اینشتین، فیزیک‌دان نظری آلمانی و خالق نظریه‌ی نسبیت بود. او یکی از ستون‌های فیزیک مدرن و مکانیک کوانتوم به حساب می‌آید و با توسعه‌ی فرمول مشهور رابطه‌ی جرم و انرژی (E=mc²) نام خود را در تاریخ علم ثبت کرد. اینشتین در سال 1921 به خاطر فعالیت‌های گسترده در فیزیک نظری و خصوصا کشف راز اثر فوتوالکتریک، جایزه‌ی نوبل فیزیک را دریافت کرد. توجیه اثر فوتوالکتریک یکی از پایه‌های نظریه‌ی کوانتوم شد.

اینشتین از همان ابتدای تحصیلات و مطالعات علمی، نظریه‌های سنتی را به چالش می‌کشید. او معتقد بود فیزیک نیوتنی برای توضیح بسیاری از وقایع طبیعی کافی نیست. مطالعات و نتایج تحقیقات اینشتین، او را در 26 سالگی به فردی شناخته‌شده در مجامع علمی تبدیل کرد. یکی از تجربیات بحث‌برانگیز اینشتین، مطالعه روی بمب اتم و پیشنهاد ساخت آن به رئیس جمهور آمریکا بود. البته او بعدا متوجه خطرات جبران‌ناپذیر این یافته‌ی علمی شد و به همراه برتراند راسل، اقداماتی جدی جهت پیشگیری از توسعه‌ی این سلاح مرگبار انجام داد.

مشهورترین فیزیک‌دان قرن بیستم بیش از 300 مقاله‌ی علمی منتشر کرد و در کنار آن‌ها، مقالاتی متنوع نیز چاپ کرد که تعدادشان به حدود 150 عدد می‌رسد. مطالعات و دستاوردهای این دانشمند آلمانی به حدی بوده که لقب نابغه در طول تاریخ همیشه یادآور نام او است. اینشتین در سال‌های پایانی عمر در مؤسسه‌ی تحقیقات پیشرفته در پرینستون نیوجرسی مشغول به فعالیت و تحقیق بود و در سال 1955 از دنیا رفت.

تولد و تحصیل

آلبرت انیشتین در 14 مارس سال 1879 در شهر اولم ایالت بادن ووتمبرگ در جنوب غربی آلمان متولد شد. او در خانواده‌ای یهودی به دنیا آمد. پدرش هرمان اینیشتین، یک فروشنده بود که بعدها یک کارگاه تولیدی را اداره می‌کرد. مادرش، پالین کوخ نام داشت و خانه‌دار بود. اینشتین تنها یک خواهر به نام ماریا داشت که دو سال بعد از او به دنیا آمد.

اینشتین در مصاحبه هایش از دو اتفاق دوران کودکی به‌عنوان نقاط مهم زندگی یاد می‌کند. اتفاق اول در پنج سالگی و با یک قطب‌نما رخ داد. او مجذوب نیرویی نامرئی شد که سوزن قطب‌نما را به حرکت درمی‌آورد و تا پایان عمر برای کشف این نیرو تلاش کرد. اتفاق بعدی، مطالعه‌ی کتابی در مورد هندسه بود که در 12 سالگی او رخ داد. او کتاب را با تمام جزئیات مطالعه کرد و در خاطراتش از عنوان «کتاب کوچک مقدس هندسه» برای آن استفاده کرده است.

یکی دیگر از اتفاقات تأثیرگذار در سنین کودکی و نوجوانی اینشتین، آشنایی با یک دانشجوی علوم پزشکی به نام مکی تالموند بود. تالموند، آلبرت جوان را با کتاب‌های ریاضیات و فلسفه‌ی پیشرفته آشنا کرد. یکی از این کتاب‌ها، مجموعه‌ی علوم فیزیک برای کودکان بود که توسط آرون برنشتین نگاشته شد. نویسنده‌ی این کتاب برای توضیح امواج الکتریسیته، از تشبیه سوار شدن بر آن‌ها استفاده کرده بود. همین موضوع، اینشتین را برای 10 سال بعدی زندگی به فکر فرو برد. او در این فکر بود که امواج نور در حرکت به چه شکل خواهند بود؟ آلبرت در همان سنین نوجوانی درک می‌کرد که نور در صورت حرکت به‌صورت موجی، باید تأثیری ثابت و بدون حرکت داشته باشد؛ در صورتی که نور ثابت تا آن زمان کشف نشده بود.

دوران تحصیل آلبرت به خاطر شکست‌‌های متعدد پدرش در تجارت، همواره با فراز و نشیب همراه بود. هرمان اینشتین مجبور شد برای ادامه‌ی کسب‌وکار در سال 1894 به همراه خانواده به میلان برود. او آلبرت را در سن 16 سالگی در پانسیونی در مونیخ تنها گذاشت. زندگی تنها و ترس از خدمت سربازی، اینشتین را مجبور به فرار از مونیخ و پیوستن به پدر و مادرش در میلان کرد. والدین آلبرت از اقدام او متعجب بودند و متوجه خطرات ترک مدرسه و تربیت شدن پسری بدون مهارت کاری بودند.

به هر حال شانس در ادامه‌ی زندگی با اینشتین همراه بود و او توانست در دانشکده ی پلی‌تکنیک فدرال سوئیس پذیرفته شود. شرط پذیرفته شدن او بدون داشتن مدرک دیپلم دبیرستان، قبولی در امتحانات ورودی بود. آلبرت در امتحانات ریاضی و فیزیک نمره‌ی ممتاز را کسب کرد؛ اما در زبان فرانسه، شیمی و زیست‌شناسی بسیار ضعیف بود. در نهایت به خاطر نمرات عالی در ریاضی و فیزیک، او به شرط ادامه‌ی تحصیلات علوم پایه، در دانشکده‌ی پلی‌تکنیک پذیرفته شد.

انیشتین از دوران زندگی در زوریخ به‌عنوان شادترین دوران زندگی‌اش یاد کرده است. او همکلاسی‌هایی در زوریخ داشت که بعدها به بهترین دوستانش تبدیل شدند.

فارغ‌التحصیلی و نظریه‌های علمی

اینشتین در سال 1900 از دانشگاه فارغ‌التحصیل و با یکی از بزرگ‌ترین بحران‌های زندگی‌اش روبه‌رو شد. او همیشه به خاطر مطالعات فوق برنامه، از شرکت در کلاس‌های دانشگاه طفره می‌رفت. به همین دلیل، اساتید آلبرت و خصوصا هاینریش وبر، علاقه‌ی چندانی به او نداشتند. بروز این مشکلات، باعث شد اینشتین نتواند توصیه‌نامه‌ای از اساتید دریافت کند و در نهایت موفق به یافتن هیچ شغل دانشگاهی نشد.

او در این دوران بر خلاف میل والدینش با یکی از همکلاسی‌های صربستانی خود به نام میلوا ماریچ ارتباط داشت و در سال 1902 صاحب فرزندی به نام لیزل شد که از سرنوشت او اطلاع دقیقی در دست نیست. مشکلات آلبرت جوان در پیدا کردن شغل و تأمین هزینه‌ی خانواده، به اوج خود رسیده بود و او محبور شد شغل‌هایی همچون تدریس به خردسالان را بپذیرد؛ فعالیتی که در آن نیز موفق نبود. در 1902، پدر اینشتین از دنیا رفت و آلبرت از این‌که پدرش او را با خاطره‌ای از شکست‌های متعدد ترک کرده است، بسیار ناراحت بود.

در ماه‌های پایانی سال 1902، پدر یکی از دوستان اینشتین، شغلی به‌عنوان منشی و دستیار در شرکت ثبت پتنت برن برای او پیدا کرد. درآمد کم اما ثابت این شغل، اعتمادبه‌نفس کامل برای ازدواج با ماریچ را به اینشتین داد. ازدواج آن‌ها به‌صورت رسمی در ششم ژانویه‌ی 1903 انجام شد و فرزندان این زوج، یعنی هانس آلبرت و ادوارد در سال های 1904 و 1910 در برن متولد شدند. مهارت اینشتین در دفتر ثبت پتنت به حدی بود که او توانایی بررسی سریع پتنت ها را پیدا کرد و زمان اضافه برای کارهای شخصی داشت. او در زمان استراحت، به تفکر در مورد چالش دوران کودکی‌اش یعنی شکل حرکت نور می‌پرداخت.

او در دوران دانشگاه با فرمول‌های جیمز ماکسول در مورد سرعت نور آشنا شده بود و این محاسبات را با مبانی فیزیک نیوتن مقایسه می‌کرد. آلبرت معتقد بود که فرمول‌های حاضر، توانایی توصیف کامل حرکت نور را ندارند. مطالعات او در این زمان پایه‌های تدوین نظریه‌ی نسبیت را شکل داد.

سال طلایی 1905

بسیاری از مورخان، 1905 را سال معجزه‌ی اینشتین می‌دانند. او در این سال چهار مقاله‌ی علمی در مجله‌ی Annalen der Physik منتشر کرد که پایه‌های فیزیک مدرن را شکل دادند. مقاله‌ی اول در مورد تولید و تغییرات نور بود. او در این مقاله، نظریه‌ی کوانتوم را برای نور تشریح کرد و عنوان کرد که در صورت حرکت نور در بسته‌های کوچک (که بعدا فوتون نامیده شدند)، برخورد آن با فلزات موجب حرکت دقیق الکترون‌ها خواهد شد. و خاصیت ذره ای بودن نور به اثبات رسید.

مقاله‌ی بعدی در مورد حرکت ذرات در مایعات ثابت بود. خلاصه‌ی این مقاله به تجربیات علمی اینشتین در اثبات وجود اتم‌ها می‌پردازد. آلبرت با مطالعه‌ی حرکت ذرات ریز در مایعات ثابت معروف به حرکت براونی، توانست ابعاد اتم‌ها در حال ضربه زدن و همچنین عدد آووگادرو را محاسبه کند. مقاله‌ی سوم به‌طور خلاصه به خصوصیات الکترودینامیک اجسام متحرک می‌پرداخت و نظریه‌ی نسبیت خاص را شکل داد.

چهارمین مقاله‌ی تاریخی انیشتین در این سال، به بررسی تأثیر انرژی اجسام بر اینرسی حرکت آن‌ها می‌پرداخت. این مقاله با بررسی عمیق‌تر نظریه‌ی نسبیت، فرمول مشهور E=mc² را متولد کرد. این فرمول اولین ابزارها برای توضیح انرژی، منیع خورشید و دیگر ستاره‌ها را فراهم کرد. علاوه بر موارد گفته‌شده، اینشتین مقاله‌ی دکترای خود را نیز در این سال تدوین کرد.

نکته‌ی مهم در مورد نظریه‌ی نسبیت اینشتین و یافته‌های او این است که او به‌عنوان اولین دانشمند، این نظریات را به‌عنوان قانونی در طبیعت عنوان کرد. دانشمندان دیگر هنری پوانکاره و هندریک لورنتز، تاحدودی نظریه‌ی نسبیت خاص را توضیح داده بودند؛ اما هیچ‌گاه آن را به‌عنوان نظریه‌ای جامع نمی‌شناختند. اینشتین همیشه در نامه‌های خود به همسرش، از نظریه‌ی نسبیت به‌عنوان «نظریه‌ی ما» یاد می‌کرد و معتقد بود میلوا نقش مهمی در تدوین این نظریه داشته است. از طرفی میلوا پس از دو بار رد شدن در امتحانات فارغ‌التحصیلی فیزیک، علاقه‌ای به این علم نشان نمی‌داد و شواهدی از همکاری او در کشف این نظریه وجود ندارد.

یکی از مواردی که اینشتین را به‌عنوان پایه‌ی علم فیزیک مدرن مشهور کرد، توجه او به تناقض کامل نظریه‌های ماکسول و نیوتن بود. در قرن 19، نظریه‌‌ی حرکت نیوتن و نظریه‌ی نور ماکسول به‌عنوان پایه‌های علم فیزیک شناخته می‌شدند و تنها اینشتین، متوجه تناقض آن‌ها شد. او عقیده داشت که یکی از این نظریه‌ها باید حذف شوند.

تدریس در دانشگاه و تدوین نظریه‌ی نسبیت عام

مقالات اینشتین در سال 1905، ابتدا توسط جامعه‌ی علمی فیزیک پذیرفته نشد. البته یکی از تأثیرگذارترین فیزیک‌دانان آن زمان و مؤلف نظریه‌ی کوانتوم یعنی مکس پلانک، از اینشتین حمایت کرد و لب به تحسین نظریه‌های او گشود. این حمایت و دعوت از آلبرت جوان برای سخنرانی در مجامع عام، سیل پیشنهادات برای تدریس را به سمت او روانه کرد. از دانشگاه‌های زوریخ و پراگ و برلین گرفته تا مؤسسه‌ی فناوری فدرال سوئیس، همگی او را دعوت به تدریس کردند.

البته موفقیت‌های اینشتین در موضوعات علمی، زندگی شخصی او را دچار مشکلات جدی کرد. این مشکلات تا جایی پیش رفت که اینشتین به رابطه‌ی مخفیانه با دخترخاله‌ی خود یعنی السا لاونثال روی بیاورد و در سال 1919 به‌طور کامل از میلوا جدا شود.

یکی از چالش‌های اینشتین در میان سال‌های 1905 تا 1915، بررسی ایرادات نظریه‌ی خودش بود. او در نظریه‌ی اولیه اشاره‌ای به جاذبه یا شتاب نداشت. در این میان، دوست صمیمی او یعنی پائول ارنفست، پدیده‌‌ای جالب را کشف کرد. او عنوان کرد که حاشیه‌های یک دیسک چرخان، سرعتی بیشتر از نواحی نزدیک به مرکز دارند. این یافته، نظریه‌ی هندسه‌ی اقلیدسی را برای دیسک‌های دوار نقض می‌کرد. پرداختن به این نظریه و ترکیب آن با نظریات گرانش نیوتن، اینشتین را به کشف پدیده‌ی خمیدگی فضا-زمانا نزدیک کرد.

در نوامبر سال 1915، نظریه‌ی نسبیت عام توسط اینشتین تألیف شد. او از این نظریه به‌عنوان باارزش‌ترین اثر خود یاد می‌کرد. اولین معرفی‌های عام این نظریه، طی 6 جلسه سخرانی دو ساعته در دانشگاه گوتنگن انجام شد. البته نظریه‌ی اولیه ایرادات و کمبودهایی داشت و جزئیات ریاضیاتی آن کامل نبود. که به کمک دیوید هیلبرت، این جزئیات را تکمیل کرد.

شهرت جهانی و جایزه‌ی نوبل اینشتین

جنگ جهانی اول یکی از اتفاقات تاریخی بود که جریان مطالعاتی اینشتین و بسیاری از دانشمندان جهان را با وقفه روبه‌رو کرد. او یکی از مخالفان جدی مشارکت آلمان در این جنگ بود و البته، خود را وطن‌پرستی واقعی می‌دانست. درنوامبر سال 1918 و پس از فروکش کردن آتش جنگ، تعدادی از دانشجویان تندروی آلمانی با در دست گرفتن کنترل دانشگاه برلین، تعدادی از اساتید را به گروگان گرفتند. اینشتین که در میان اساتید حبس‌شده بود، با اعتبار خود به‌عنوان استاد در میان دانشجویان و نیروهای دانشگاه، نقش میانجی را بازی کرد و به این بحران خاتمه داد.

یکی از تحقیقات اساسی اینشتین که نتیجه‌ی نظریه‌ی نسبیت بود، مطالعه‌ی همگرایی گرانشی نام داشت. او معتقد بود جاذبه‌ی خورشید می‌تواند نور ستار‌ه‌های دیگر را خم کند. این نظریه بر پایه‌ی نظریه نسبیت عام تدوین شده بود. در 29 می سال 1919، در زمان خورشیدگرفتگی، سِر آرتور ادینگتون از منجمان و فیزیک‌دانان مشهور آن زمان، پیش‌بینی اینشتین را تأیید کرد. این مسئله به‌صورت عمومی در رسانه‌ها چاپ شد و به‌عنوان نمادی از همکاری دانشمندان آلمانی و بریتانیایی پس از جنگ جهانی اول شناخته شد.

مقالاتی که پس از این کشف در رسانه‌های معتبری همچون تایمز منتشر شد، اینشتین را ناقض نظریه‌های نیوتن و آغازگر دوران جدیدی در علم معرفی کرد. این مقالات، شهرت جهانی دانشمند آلمانی را بیش از پیش کرد. پس از این اتفاقات، دعوتنامه‌های متعددی برای سخنرانی در مجامع علمی برای انیشتین ارسال شد. در سال 1921 تور جهانی او آغاز شد و کشورهای آمریکا، انگلستان، ژاپن و فرانسه به‌عنوان مقاصد سخنرانی او انتخاب شدند.

در تمام سخنرانی‌های جهانی اینشتین، هزاران مخاطب حضور داشتند و از صحبت‌های او در مورد یافته‌های جدید علمی شگفت‌زده بودند. در خلال سفر به ژاپن در همان سال 1921، خبر دریافت جایزه‌ی نوبل به اینشتین رسید. البته این جایزه به خاطر مطالعه روی اثر فوتوالکتریک به او اهدا شده بود و اشاره‌ای به نظریه‌ی عام نسبیت نداشت؛ اما آلبرت در سخنرانی خود در مراسم نوبل، به‌جای صحبت در مورد اثر فوتوالکتریک، نظریه‌ی نسبیت عام را توضیح داد.

اینشتین در راستای تحقیقات خود در مورد نظریه‌ی نسبیت عام، مطالعات دقیقی روی کیهان داشت و علمی جدید با نام کیهان‌شناسی (Cosmology) را ابداع کرد. او اعتقاد داشت که جهان هستی (که به نام کیهان می‌شناسیم) در حال انبساط یا انقباض است. آلبرت برای توضیح این ایده‌های خود از اصطلاحات و ثابت‌های کیهانی استفاده می‌کرد. در سال 1939، ادوین هابل، ستاره‌شناس مشهور آمریکایی متوجه انبساط جهان هستی شد. یافته‌های او، نظریات اینشتین را تأیید کردند. البته اینشتین در ملاقاتی که با هابل داشت، اصطلاح ثابت کیهانی خود را بزرگ‌ترین پشیمانی علمی‌اش نامید.

نکته‌ی مهم این‌که اطلاعات ماهواره‌ای اخیر، نشان می‌دهد که ثابت کیهانی نه‌تنها برابر با صفر نیست، بلکه محتوای انرژی و ماده‌ی تمام جهان هستی را تحت تأثیر خود قرار داده است. به بیان دیگر می‌توان گفت بزرگ‌ترین پشیمانی علمی اینشتین، سرنوشت جهان هستی را تعیین می‌کند.

یکی از اتفاقات جالب زندگی انیشتین، ملاقات او با چارلی چاپلین است. این دو در جریان اکران فیلم City Lights در انظار عمومی با یکدیگر ملاقات کردند. چاپلین در این دیدار به اینشتین گفت: «مردم من را دوست دارند چون حرف‌هایم را می‌فهمند و تو را دوست دارند چون حرف‌هایت را نمی‌فهمند.». علاوه بر چاپلین، افراد مشهور دیگری نیز با اینشتین ملاقات داشته و در مورد اتفاقات و حقایق جهان هستی با او بحث و گفتگو کرده‌اند. از این میان می‌توان زیگموند فروید و رابیندرانات تاگور را نام برد.

فشارهای حزب نازی و مهاجرت به آمریکا

فعالیت‌های علمی اینشتین و شهرت یافته‌های علمی او، حزب نازی را به مقابله با او وادار کرد. دلیل اصلی این مقابله، ریشه‌های یهودی اینشتین و مخالفت نازی‌ها با شهرت یافتن پدیده‌ای به نام «علم یهودی» بود. آن‌ها تعداد زیادی از دانشمندان هم‌عصر اینشتین را مجبور کردند که در مخالفت با او و نظریه‌ی نسبیت عام، مقاله منتشر کنند. مقاله‌‌ی مشهور «100 دانشمند علیه اینشتین» طبق این دستور و در سال 1931 چاپ شد. آلبرت در پاسخ به این مقاله گفته بود که اگر نقض کردن یک نظریه امکان‌پذیر بود، نیازی به جمع‌آوری نظریات 100 دانشمند نداشت!

فشارهای حزب نازی و اعضای آن روی اینشتین به حدی رسید که او در سال 1932، آلمان را برای همیشه به مقصد آمریکا ترک کرد. او متوجه خطرات جانی از طرف این حزب شده بود و برای حفظ زندگی خود زادگاهش را ترک کرد. اولین مقصد اینشتین، انجمن مطالعات پیشرفته در پرینستون نیوجرسی بود که به‌سرعت به‌عنوان مرکز اصلی دانشمندان فیزیک در سرتاسر جهان شهرت یافت. اینشتین در سال 1935 اجازه‌ی اقامت دائم در آمریکا را کسب کرد و در سال 1940 به‌عنوان شهروند رسمی این کشور شناخته شد.

جنگ جهانی دوم و بمب اتم

دهه‌ی 1940، دورانی بسیار غم‌بار برای اینشتین بود. پسرش ادوارد در سال 1930 مبتلا به بیماری اسکیزوفرنی شد و تا پایان عمر در بیمارستان روانی بستری شد. در سال 1933 یکی از صمیمی‌ترین دوستان آلبرت یعنی پائول ارنفست دست به خودکشی زد و سه سال بعد، همسر او السا از دنیا رفت.

فیزیک‌دانان در پایان این دهه، راهی برای استفاده از فرمول معروف اینشتین به‌منظور ساخت بمب اتم کشف کردند. آلبرت در سال 1920 کمی در این مورد تحقیق کرده بود؛ اما سریعا احتمال آن را رد کرد. به هر حال در خلال سال‌های 1938 تا 1939، دانشمندانی همچون اوتو هان، فریتز استراسمن، لیز مایتنر و اوتو فریش، به این نتیجه رسیدند که شکافتن اتم اورانیوم، مقدار بسیار زیادی انرژی آزاد خواهد کرد. این یافته‌، جامعه‌ی جهانی فیزیک را با شوکی عجیب روبه‌رو کرد.

در سال 1939، دانشمند فیزیک، لئو زیلارد، اینشتین را مجاب کرد تا در نامه‌ای به رئیس جمهور آمریکا یعنی فرانکلین دی. روزولت، او را مجبور به ساخت اتم کند. در نهایت این نامه با مشورت اینشتین نگاشته شد و پس از امضا توسط او در 11 اکتبر آن سال به دست روزولت رسید. روزولت نیز در پاسخ به اینشتین گفت که انجمنی برای مطالعه‌ی تأثیرات اورانیوم تشکیل داده است.

تولید بمب اتم در آمریکا با نام پروژه‌ی منهتن پیگیری شد. همکاران انیشتین برای مشارکت در ساخت این بمب دعوت شدند؛ اما او به‌عنوان کسی که فرمولش پایه‌گذار تمامی این فعالیت‌ها بود، هیچ‌گاه به جریان تولید دعوت نشد. در اسناد نظامی و محرمانه‌ی FBI آمده است که روحیه‌ی صلح‌طلبی و سابقه‌ی ضد جنگ آلبرت، مانع از دعوت او به جریان تولید بمب می‌شد. حتی برخی روسای رده‌بالای امنیت آمریکا خواستار اخراج او شدند که درخواست آن‌ها توسط وزارت امور خارجه‌ی آمریکا رد شد.

البته اینشتین در جریان جنگ، کمک‌های متعددی به نیروهای نظامی آمریکا کرد. او در طراحی و توسعه‌ی سلاح‌های مدرن نیروی دریایی آمریکا نقش داشت و علاوه بر آن، با حراج دستنویس‌های باارزشش، کمکی نزدیک به 6.5 میلیون دلار برای آمریکایی‌ها فراهم کرد.

اولین بمب اتم زمانی به ژاپن شلیک شد که اینشتین در تعطیلات بود. او که از نتیجه‌ی تحقیقات علمی خود پشیمان و ناراحت بود، به انجمن‌های بین‌المللی جلوگیری از ساخت سلاح‌های اتمی ملحق شد و انجمنی با نام «انجمن اورژانسی دانشمندان اتمی» تشکیل داد تا جلوی تولید بدون کنترل بمب‌های اتمی را بگیرد. علاوه بر مقاومت در برابر تولید بیشتر سلاح‌های اتمی، اینشتین در فعالیت‌های اجتماعی دیگر همچون حمایت از آفریقایی‌های آمریکا نقش داشت.

سال‌های پایانی، انزوا و مرگ

اگرچه اینشتین در سال‌های بعدی تلاش‌های متعددی برای پیشرفت نظریه‌ی نسبیت عام داشت، از بقیه‌ی جامعه‌ی فیزیک دور ماند. او مطالعات دقیقی روی کرم‌چاله‌ها، فوق ابعادها، احتمال سفر در زمان و وجود سیاه‌چاله‌ها و پیدایش جهان انجام داد. نکته‌ی اصلی این انزوا، تمرکز بیش از حد بقیه‌ی جامعه‌ی جهانی فیزیک روی نظریه‌ی کوانتوم بود. آن‌ها از اکتشافات جدید این علم در زمینه‌ی اتم‌ها  ومولکول‌ها شگفت‌زده بودند و علاقه‌ای به کار در زمینه‌ی نسبیت نداشتند. البته اینشتین همکاری‌های جزئی با دانشمندان کوانتومی همچون نیلز بور نیز داشت؛ اما به‌طور کامل از آن حمایت نمی‌کرد.

یکی دیگر از دلایل انزوای اینشتین وسواس او روی نظریه‌ی میدان واحد بود. نظریه‌ای که اعتقاد داشت می‌توان تمامی نیروهای جهان هستی و همچنین تمامی قوانین فیزیک را متحد کرد. او در سال‌های پایانی عمر خود مقاومت در برابر نظریه‌ی کوانتوم را رها کرد و تلاش کرد با اضافه کردن آن به نظریات نور و گرانش، نظریه‌ی میدانی وسیع‌تری توسعه دهد.

اینشتین علاقه‌ی شدیدی به موسیقی داشت. او از پنج سالگی و با توصیه‌ی مادرش ویولن می‌نواخت و از نوجوانی به فراگیری هرچه بیشتر این هنر علاقه‌مند شد. موتزارت یکی از موسیقی‌دانان تأثیرگذار در زندگی اینشتین بود. او قطعات مختلف این اسطوره‌ی موسیقی را می‌نواخت و در تمام کشورهایی که زندگی می‌کرد، ویولن را به‌عنوان ابزاری جدانشدنی با خود به همراه داشت. اینشتین در جایی گفته بود که اگر فیزیک نمی‌خواند، قطعا موسیقی‌دان می‌شد.

این دانشمند بزرگ از لحاظ عقاید و فعالیت‌های ضد نژادپرستی نیز شهرت زیادی دارد. او در انجمن‌های حمایت از حقوق آفریقایی‌های آمریکا فعالیت جدی داشت و حتی برخی اوقات هزینه‌ی تحصیل دانش‌آموزان سیاهپوست آمریکایی را تأمین می‌کرد. او یکی از منتقدان سرسخت نظام سرمایه‌داری بود.

در 17 آوریل سال 1955، اینشتین دچار خونریزی آئورت بزرگ شکمی شد. این بیماری یک بار دیگر به سراغ او آمده و در سال 1948 درمان شده بود. به هرحال این خونریزی، اینشتین را به کام مرگ کشاند و او دو روز بعد در بیمارستان از دنیا رفت. او از انجام عمل جراحی خودداری کرد و معتقد بود سهمش را به دنیا ادا کرده است. اینشتین دوست نداشت زندگی‌اش به‌صورت مصنوعی حفظ شود و در پایان عمر، خود را به دست سرنوشت سپرد.

مغز آلبرت اینشتین پس از مرگ توسط توماس استولتز هاروی، پزشک کالبدشکافی، با اجازه پسرش برداشته و برای مطالعات آینده در مورد هوش سرشار این دانشمند نگهداری شد. شایعات حاکی از آن هستند که این اقدام بدون اجازه‌ی خانواده‌ی او انجام شده است. بقایای جسد آلبرت سوزانده و خاکستر آن در محلی نامعلوم پخش شد.

مطالعات انیشتین پس از مرگ او نیز برای این دانشمند اسطوره‌ای افتخار آفرینی می‌کردند. در سال 1993 به خاطر کشف امواج گرانشی که توسط اینشتین پیش‌بینی شده بودند، جایزه‌ی نوبل به او اهدا شد. در سال 1995، جایزه‌ی نوبل به تحقیقاتی در مورد کشف چگالش بوز-اینشتین اهدا شد. سیاه‌چاله‌هایی که این دانشمند آلمانی پیش‌بینی کرده بود در دوران کنونی به‌وفور کشف شده‌اند. نظریه‌های کیهان‌شناسی او نیز به دفعات توسط ماهواره‌ها اثبات شده‌اند و بسیاری از فیزیک‌دانان کنونی، در تلاش برای اثبات «نظریه‌‌ای برای همه چیز» اینشتین هستند. که یکی از مهمترین آنها استیون هاوکینگ بود.

منبع: فیزیکفا

پاد ماده مخالف ماده معمولی است.

کشف پاده ماده

در سال 1928، پاول دیراک، فیزیکدان انگلیسی، معادله ای را نوشت که ترکیبی ازکوانتوم و نسبیت خاص برای توصیف رفتار یک الکترون در حال حرکت با سرعت نسبی است. معادله ای که در سال 1933 دیراک برای آن جایزه نوبل را دریافت کرد. این معادله یک مسئله را ایجاد کرد: درست همانطور که معادله x ² = 4 می تواند دو جواب ممکن داشته باشد x = 2 یا x = −2 ، معادله دیراک نیز می تواند دو جواب داشته باشد، یکی برای یک الکترون با انرژی مثبت و دیگری برای یک الکترون با انرژی منفی. اما فیزیک کلاسیک (و عقل سلیم) اینگونه ادعا می کند که انرژی یک ذره باید همیشه یک عدد مثبت باشد.

دیراک این معادله را اینگونه تعبیر کرد که برای هر ذره یک ذره مربوط به آن وجود دارد، دقیقاً مشابه با ذره اما با بار مخاالف. به عنوان مثال، برای الکترون باید “پاد الکترون” که آن را “پوزیترون” می نامیم وجود داشته باشد. این دو از هر لحاظ یکسان اما با بار مخالف هستند. فیزیکدان آمریکایی کارل اندرسون در سال 1932 پاد الکترون و یا پوزیترون را کشف کرد. این تعبیر بینش امکان وجود کهکشان ها و جهان های ساخته شده از پاد ماده (ضد ماده) را بوجود آورد.

پیش بینی دیراک نه تنها در مورد الکترون بلکه برای همه ترکیبات اساسی ماده (ذرات) صدق می کند. هر نوع ذره باید دارای یک نوع پاد ذره باشد. جرم هر پاد ذره با ذره یکسان است. اکثر ویژگی های دو ذره به هم نزدیک هستند و در یک خصوصیت مانند بار الکتریکی، جهت چرخش و اسپین دارای علامت مخالف هستند. به عنوان مثال، یک پروتون دارای بار الکتریکی مثبت است، اما پاد ذره آن یک پادپروتون دارای بار الکتریکی منفی است.پاد ذره نوترون، پاد نوترون نام دارد که اسپین مخالف با نوترون دارد. وجود پاد ماده برای همه ذرات مادی در حال حاضر یک پدیده به خوبی تأیید شده است.

هنگامی که ماده و پاد ماده در تماس باشند، آنها نابود می شوند و در یک لحظه از بین می روند. و اگر انرژی لازم وجود داشته باشد می توانند در یک لحظه ایجاد شوند. بیگ بنگ باید مقادیر مساوی از ماده و پاد ماده ایجاد می کرد، اما چرا ماده بیشتر از پاد ماده در جهان وجود دارد؟

پاد ذرات از برخورد شدید ذرات دیگر در شتاب دهنده‌ها به وجود می آیند. این ذرات در خارج از آزمایش های فیزیک جایی ندارد، هنگامی که ماده و پاد ماده را در شتاب دهنده به هم برخورد می دهند با فوران انرژی ناپدید می شود، به این فرایند نابودی زوج گفته می شود که باعث ار بین رفتن هر دو ذره می شود و جای آن ها را فوتون های بسیار پر انرژی الکترومغناطیسی می گیرند. اما اینکه چرا تعداد ذرات از پاد ذرات بیشتر است، سوالی است که همچنان به پاسخ آن دست نیافته ایم و این از زیبایی های علم فیزیک است. برای نزدیک شدن به پاسخ این سوال باید به تفاوت های بین ذره و پاد ذره توجه کنیم.

فضا پیما با سوخت پاد ماده

می دانیم که اگر پاد ماده تولید کنیم بلافاصله با ماده متناظر جفت شده و انرژی تولید می کند. می توان از این انرژی برای سوخت فضاپیما استفاده کرد. اما تولید پاد ماده بسیار هزینه دارد. و دانشمندان در پی این هستند که با کاهش هزینه بتوان ضد ماده تولید کرد.

منبع: فیزیکفا