دانستنی های فیزیک

فیزیک در کنار شیمی و زیست شناسی، سومین رکن علوم اصلی “سخت” را تکمیل می کند. علمی که از پیش بینی ها و فرضیات، آزمایش ها و ریاضیات استفاده می کند و بر خلاف علوم “نرم”  است که از داده های کیفی تر و مواردی که به آزمایش کمتر متکی هستند، استفاده می کنند.

فیزیک چیست؟

همه علوم مدرن ما نام خود را از یونان باستان گرفته اند. در مورد فیزیک ، این کلمه “physik” است که به عنوان “دانش طبیعت” ترجمه شده است. بنابراین ، فیزیک به معنای مطالعه طبیعت در پایه ای ترین سطح خود است مانند ماده ، رفتار و حرکت ، انواع انرژی ، زمان و مکان و اعمال و تعامل آنها. این علم از پیوندهای ناگسستنی با شیمی و زیست شناسی و حتی فلسفه طبیعی قبل از روشنگری برای تبدیل شدن به نیروی اصلی در نوع خود در عصر علمی گذشته است.

علمی است که به درک چگونگی رفتار جهان و جهان و هر چیزی که در آن اتفاق می افتد، می انجامد. به نظر می رسد هر بار که کشف جدیدی در فیزیک صورت می گیرد، سؤالات بیشتری را نسبت به پاسخ ها به وجود می آورد و زمینه های جدید تحصیلی را باز می کند. امروز، با بسیاری از علوم دیگر همپوشانی دارد و تأثیر عمیقی بر علوم زیست محیطی نیز داشته است. همچنین با ارائه چارچوب نظری که ممکن است براساس آن فرضیات خاص خود و مدلهای اساسی نظری را پایه گذاری کند، علوم فیزیکی را پایه می گذارد.

فیزیک :

• فاصله بین زمین و اجسام خارج از منظومه شمسی ما از جمله ستاره های دیگر در میدان دید ما و کهکشان های دیگر را محاسبه کرده است
• سن خورشید ما را محاسبه کرده و اینکه تا چه مدتی می تواند از سوخت خود استفاده کند و برای ما نور و گرما ایجاد کند.
• برای فن آوری ها از قبیل فن آوری پنل خورشیدی گرفته تا توربین بادی ، طراحی و مهندسی و ایجاد آلیاژها و پلیمرهای جدید، بسیار حیاتی است
• مسئول فیزیک هسته ای است که به ما توان هسته ای داده است ، و داروهای هسته ای که راه های جدیدی را برای معالجه پزشکی برای مواردی مانند سرطان باز کرده است.

تاریخچه فیزیک

در دوران باستان: دنیای قدیم و جدید

فیزیک با اولین تمدن ها آغاز شد و محدود به نجوم بود ، گرچه امروز آنطور که می فهمیدیم نبود. مصریان باستان ، بین النهرین ، یونانیان و حتی تمدنهای جدید جهان مانند مایا و آزتک درک پیچیده ای از ستاره ها داشتند. هر یک از اینها آسمانها را برای ردیابی و پیش بینی حرکت خورشید ، ماه و میدان ستاره بررسی کردند ، گرچه عمدتاً به منظور ردیابی فصول و درک جهان در ساده ترین سطح خود بودند. آنها ابزار و درک کافی از آسمان را برای درک کامل نداشتند اما در برخی موارد ، ریاضیات آنها کاملاً قابل توجه بود. هر تمدن بزرگ به نوعی عبادت خورشید یا مراسمی داشتند که برخی با آنکه خیلی از هم دور بودند، به طرز شگفت آوری مشابه بودند. به عنوان مثال ، اسطوره یونان باستان به ما می گوید هلیوس خدای خورشید هر شب یک ارابه را بر روی آسمان می ریزد در حالی که ناگوو اعتقاد قابل توجهی مشابه دارد که خدای خودشان Jóhonaa’éí هر روز خورشید را بر پشت خود می کشید. همه این اسطوره ها، البته کاملاً غیرعلمی هستند. اما آنچه انجام داده اند این است که با ذکر جزییات بسیاری چگونگی عبور اجسام فرازمینی از آسمان را پایه گذاری کرده اند. هیچ توضیحی در مورد مسیرها و مکان هایی که آنها در آسمان بالای سر ما ساخته اند وجود ندارد و هیچ تلاشی برای توضیح آن وجود ندارد. اما این اطلاعات برای ردیابی فصول و برنامه ریزی فصل کشاورزی باستان مورد استفاده قرار گرفت. استون هنج در انگلستان یک تقویم عظیم محسوب می شود. قدیمی ترین ساختار شناخته شده برای ردیابی حرکات ستاره ها در طول سال در بین النهرین است.

فلسفه طبیعی یونان باستان

قبل از اینکه فیزیک با همه زیر رشته ها و خرده های زیربنایی خود تبدیل به یک علم سخت شود، که پایه و اساس ریاضیات باشد و تقریباً زیر هر علم دیگری پایه گذاری شود ، از طریق روشهای طبیعی به روشی برای فکر کردن به جهان تبدیل شده بود. این فلسفه طبیعی برای دانش آینده بسیار مفید بود. پدیده ها دیگر بخشی از کار جادوگری یا وسایل فوق طبیعی نبودند. به عبارت ساده ، فلسفه طبیعی مشخص کرد که هر رویدادی ، صرف نظر از اندازه یا اهمیت ، باید توضیحی طبیعی داشته باشد. این یک تغییر مهم و اساسی بود که از دیدگاه عرفانی یا ماوراء طبیعی جهان دور می شد. یکی از این متفکران اولیه، تالس  بود که فلسفه طبیعی را پایه ریزی کرد که وقایع زلزله شناسی مانند زمین لرزه ها یک دلیل طبیعی (صحیح) دارند اما خیلی ها به اشتباه تصور می کردند که مین های زمینی قایق های غول پیکر بودند که به موج های اقیانوس واکنش نشان می دادند و باعث لرزه ها می شدند.

تالس همچنین این تئوری را تصور کرد که آب ماده ای است که تمام ماده بر روی آن ساخته شده است. او در مورد این هم اشتباه کرد اما آناکسیماندر جغرافی دان یونانی، ایده دیگری داشت. او چیزی بنام ماده “آپیرون” را ابداع کرد که منشاء آن بی حد و مرز است و مسئولیت ایجاد جهان و همه چیز موجود در آن را نه با طرح،  بلکه به اعتقاد ماورای طبیعی و عرفانی دارد. این یک فلسفه بود نه یک مشاهده علمی و مورخان علم امروز بارها بر سر آنچه منظور واقعی آناکسیماندر بوده است استدلال می کنند. او اتم را پایه ریزی نکرد – که بعداً پایه ریزی شد – اما برخی آن را با کشف هیدروژن موازی دانسته اند. با هراکلیتوس ، ما تولدایجاد مفهوم زمان را یک چیز سیال می دانیم. تشخیص این مسئله که هیچ چیز به همین شکل باقی نمی ماند و در معرض تغییر مداوم و نامتناهی است، برای او جهش بزرگی بود.

اما بزرگترین پیشرفت در این عصر ، ناشی از فلسفه طبیعی ، اتمیسم بود. اگرچه تقریباً 2000 سال طول می کشد تا محققان بتوانند اتم را کشف کنند ، اولین تئوری درباره این ذرات ریز در قرن 5 قبل از میلاد در دوره یونان آغاز شد. لوسیپوس و دموکریتوس هر دو بر روی این ذرات در زمان های مختلف و در مکان های مختلف تحقیق می کردند تا در این دوره اولین تئوری واقعی شکل گرفت. اگرچه کلمه “اتم” از “atomos” به معنای “غیرقابل تفکیک” آمده است، اما مروزه می دانیم که اتم نیز از ذرات دیگری شکل گرفته است.

جهان قرون وسطایی

تا حدود هزار سال پس از سقوط امپراتوری روم غربی , فعالیت‌های آکادمیک و فکری تا حدودی به خاطر ضرورت و تا حدودی به خاطر کنترل‌های شدید که توسط کلیسای قرون‌وسطایی در خارج از مرزهای فلسفه گذاشته شده بود, تعطیل شد. اروپای قرون‌وسطی زمان تحقیقاتی کم و علاقه کمی در تمام حیطه هایی که امروزه علم فیزیک دارد، نشان داده بود. با این حال , کلیسا و بسیاری از موسسات دیگر چنان آثاری را نسبت به کنجکاوی علاقه مندان، مخفی کردند. به همین دلیل است که ما بیشترین چیزی که در مورد جهان می دانیم، از متفکران یونانی و رومی داریم. اما این موضوع در خاورمیانه اسلامی صادق نبود . آن‌ها نه تنها اندیشمندان غربی و شرقی را حفظ کردند بلکه بر دانش خود افزودند. این دوره، عصر طلایی اسلام بود و کشفیات بسیاری در قلمرو علوم طبیعی در این زمان مطرح شد.

PISA ITALY – JANUARY 23 2016: Street art sidewalk chalk portrait of Galileo Galilei. In Italy pavement artists can transform ordinary sidewalks in real works of art.

اما گفته می‌شد که اروپای مسیحی تا زمانی که رنسانس دچار خطا شود، عاری از تفکر بود. گالیله یکی از اولین ستاره شناسان دنیا بود. او الهام‌بخش نقد دیدگاه ارسطو و جهان باستان برای فیزیک شد. این در حالی است که او درک خود از دنیای فیزیکی را مبتنی بر مشاهدات می‌دانست. او بعدها در زمان سقوط امپراطوری روم شرقی ( یا بیزانس ) تحت‌تاثیر قرار گرفت. این عصر طلایی اسلام بود که مسئول آغاز عصر دانش بود.  این عصر همان سال نوری بود. ابن‌هیثم کتابی درباره نورشناسی نوشت که نه تنها میخ نهایی بر تابوت دیدگاه باستان راجع به نورشناسی بود، بلکه دوربین را نیز اختراع کرد. دیگر فیزیکدانان این عصر عبارتند از : کندی ( پدر فلسفه عرب ) , ابن‌عربی و بزرگ‌ترین عالم اسلامی ابن‌سینا ، پدر طب مدرن و ستاره شناس و …

رنسانس اروپا کار خود را با بسیاری از آثار باستانی و متاخر جهان اسلام که دانش خود را با آخرین سنگر امپراتوری روم مبادله کرده بودند، آغاز کرد. بزودی زمان فیزیک کلاسیک فرا خواهد رسید، اما با عصر روشن‌گری و علوم مدرن هنوز فاصله داشتیم.

فیزیک کلاسیک

دوره فیزیک و رشد آن، از دوره رنسانس تا حدود سال1900 ، دوره‌ای است که به عنوان ” فیزیک کلاسیک ” شناخته می‌شود. این دوره امروزه از فیزیک مدرن جدا شد چون کامل نبود. با این حال، حرکت به فیزیک کلاسیک برای تغییر مشخص‌شده از فلسفه و تئوری مبتنی بر شهود برای مشاهده و آزمایش اهمیت دارد. ظهور ابزارهای نوری چون میکروسکوپ و تلسکوپ، کشف اتم را امکان پذیر ساخت. این تصور که زمین مرکز منظومه شمسی نیست، متعلق به عصر کوپرنیک است که مدل خورشید مرکزی منظومه شمسی را تعریف کرد. یوهانس کپلر قوانین تعیین چگونگی حرکت اجسام سیاره‌ای را تعیین کرد.گالیله با پیشرفت دادن تلسکوپ، نظر کوپرنیک را از منظومه شمسی اثبات کرد. اسحاق نیوتن قوانین جهانی را بر روی حرکت و جاذبه تنظیم کرد. در کنار همه اینها تغییرات مهمی در ریاضی بوجود آمد. اسحاق نیوتن نیز مسئول اختراع حساب دیفرانسیل و انتگرال بود که فیزیک را قادر ساخت تا برخی از پیچیده‌ترین مشکلات خود را حل کند.

یکی از تغییرات مهم که از اوایل قرن نوزدهم منجر به انقلاب صنعتی شد، پیشرفت مهندسی بود که با پیشرفت در فیزیک به وجود آمد. بدون فیزیک در قرن 18 – 19،  ممکن نبود موتور احتراق و استفاده از سوخت‌های فسیلی را داشته باشیم. پیشرفت‌های جدید در متالورژی و ساخت‌وساز و بسیاری از چیزهای دیگر که ما را به سمت صنعتی شدن سوق داده بودند، را داشته باشیم. همچنین عصر الکتریسیته و لامپ روشنایی، عصر اختراع بود . اما علی‌رغم همه این اختراع و فیزیک کاربردی ، فیزیک کلاسیک نتوانست همه چیز را توضیح دهد. در واقع، در برخی مناطق پیچیده سقوط کرد و تا زمانی که قرن بیستم تمام شد، بسیاری از محدودیت‌های آن که در حال حاضر تحت موشکافی قرار گرفتند، وجود داشت.

فیزیک مدرن

همانطور که در بالا ذکر شد، فیزیک کلاسیک، علیرغم کاربردهای مختلف، چند نقص اساسی داشت. قرن بیستم آغاز فیزیک مدرن بود که اکتشافات و نظریه های بسیاری را در بر می گرفت و برخی از مشهورترین دانشمندان ما به شرح زیر بودند: ماری کوری (برای کار با رادیوایزوتوپ ها)، دخترش ایرنه (که رادیواکتیویته مصنوعی را کشف کرد) ، ماکس پلانک (که شروع به توسعه تئوری کوانتومی کرد)، ورا روبین (که ماده تاریک را کشف کرد)، آلبرت انیشتین (که با نظریه های نسبیت خود فیزیک را متحول کرد و چند مشکل را که در طی چندین سال فیزیکدانان مختلفی داشتند، حل کرد و اصلاح کرد) و استاد استفان هاوکینگ برای طیف گسترده ای اکتشافات، پارادوکس های حل شده و نظریه های پیچیده به ویژه مواردی که مربوط به ماهیت سیاه چاله هاست. این دوره همچنین عصر کاوش در فضا است، اندازه منظومه شمسی ما و فاصله از نزدیکترین ستاره ها و کهکشان ها را محاسبه می کند. ما از طریق اندازه گیری های ریاضی و فیزیک توانستیم اندازه جهان قابل مشاهده را در حدود 200 میلیارد کهکشان محاسبه کنیم. حتی از آن برای تلاش برای محاسبه تعداد احتمالی تمدنها در جهان استفاده شده است. با استفاده از معادله دریک ، از مدل سازی ریاضی بر اساس آنچه در مورد جنبه های فیزیکی سیستم های خورشیدی، تعداد سیارات و اندازه نسبی “منطقه گلدیلوکس” بدست آوردیم.

A large satellite dish transmits and receives a signal from space. Equipment for satellite TV and radio broadcasting. Radio signal propagates waves in space. linear technological background. VECTOR

نظریه کوانتومی راه مکانیک کوانتومی را که یکی از پیچیده ترین هاست، ادامه داد. نخستین پیشگامان آن شامل پل دیراک ، ورنر هایزنبرگ و اروین شرودینگر بودند و امروزه این یک علم پیچیده است. در اوایل قرن بیستم ، آزمایشهای پیچیده ای در بسیاری از زمینه های فیزیک مشاهده شد. کشف ذره بوزون هیگز در برخورد دهنده بزرگ هادرون (CERN)، بزرگترین شتاب دهنده ذرات جهان از این دسته است.

 

ترجمه و تهیه شده توسط مصطفی کبیری

منبع: فیزیکفا