فیزیک جدید چیست؟ – آموزش فیزیک مدرن به زبان ساده

آغاز قرن بیستم میلادی را می‌توان سرآغازی بر علم فیزیک دانست. تا قرن بیستم میلادی، نیوتن، ماکسول و بسیاری از فیزیک‌دانان مطرح در آن سال‌ها، گام‌های بزرگی را برای پیشرفت این شاخه از علم برداشته بودند. نیوتن با بیان قوانین معروف خود برای حرکت اجسام و ماکسول با به‌دست آوردن معادلات ماکسول از بزرگ‌ترین و مطرح‌ترین دانشمندان فیزیک تا قبل از قرن بیستم میلادی بودند. در آن زمان این اندیشه حاکم بود که علم فیزیک به انتهای راه خود رسیده است و چیز بیشتری برای جستجو وجود ندارد. اما دانشمندی به نام اینشتین تمام این معادلات را بر هم ریخت. او با مطرح کردن نظریه معروف خود، نسبیت، تحول بزرگی را در علم فیزیک رقم زد و پایه‌های فیزیک جدید را بنا نهاد. در این مطلب از مجله فرادرس، فیزیک جدید و شاخه‌های آن را به زبان ساده توضیح می‌دهیم و در انتها کتاب‌های جالبی را برای آشنایی علاقه‌مندان با این شاخه از فیزیک معرفی می‌کنیم.

فیزیک جدید چیست ؟

درک انسان از علم فیزیک در طی قرن‌های هفدهم، هجدهم و نوزدهم میلادی به طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش یافت. در نزدیکی قرن بیستم میلادی این تفکر حاکم بود که تقریبا هر آنچه از فیزیک لازم هست را می‌دانیم. در طی این سال‌ها نیوتن با فیزیک مکانیک و قوانین حاکم بر آن و ماکسول با معادلات حاکم بر الکترومغناطیس گام بزرگی برای پیشرفت فیزیک برداشته بودند. اما آیا اینجا پایان راه فیزیک بود؟ این‌گونه به نظر می‌رسید که دانشمندان جوان و علاقه‌مند به فیزیک باید رشته دیگری را برای مطالعه کنند. رشته‌ای که راه زیادی برای طی کردن داشته باشد. در آن زمان جهان به طور کامل مشخص و قطعی به‌ نظر می‌رسید. این بدان معنا است که اگر ما مکان، تکانه و قوانین حاکم بر حرکت هر ذره‌ داخل سیستم را بدانیم،‌ مکان و تکانه ذره را در هر زمان، در گذشته و آینده، می‌دانیم.

فیزیک‌دانی فرانسوی به نام «پیر لاپلاس» (Pierre-Simon Laplace) موضوع مهمی را مطرح کرد، اگر ما چنین اطلاعاتی را در مورد هر ذره در جهان داشته باشیم،‌ هر چیزی در مورد آغاز یا پایان جهان را می‌توانیم بدانیم. بنابراین، تا آغاز قرن نوزدهم تفکر و درک فیزیک‌دانان از جهان هستی کاملا مشخص و واضح و همه چیز ایده‌ال و کامل به نظر می‌رسید. فیزیک‌دانان با خیال خوشِ شناخت کامل جهان پا روی پا انداخته بودند و چای خود را با شادمانی می‌نوشیدند. اما در همیشه روی یک پاشنه نمی‌چرخد. در آغاز قرن بیستم میلادی شکاف‌هایی در علم فیزیک ایجاد شدند.

بین سال‌های ۱۹۰۰ تا ۱۹۳۰ میلادی، ابهامات زیادی در علم فیزیک به وجود آمد و سوالاتی مطرح شد که با فیزیک قبل از سال ۱۹۰۰، پاسخی برای آن‌ها وجود نداشت. در این سال‌ها کشفیات پیچیده‌ای انجام شد. با انجام این کشف‌ها دانشمندان به این نتیجه رسیدند که فیزیک کلاسیک (فیزیک قبل از قرن بیستم میلادی) پاسخگوی مناسبی برای پدیده‌های زمینی است:

• پرواز هواپیما
• حرکت توپ در بازی فوتبال
• حرکت اتومبیل

اما فیزیک کلاسیک به هنگام مطالعه ذرات بسیار کوچک، مانند ذرات زیراتمی و اجسام متحرک با سرعت بسیار زیاد با شکست مواجه می‌شود. بنابراین، در آغاز قرن بیستم میلادی نسل جدید فیزیک‌دان‌ها باید تلاش خود را برای یافتن قوانین جدید برای توضیج رفتار ذرات زیراتمی و اجسام متحرک با سرعت بسیار بالا می‌کردند. در این دوره، یکی از بزرگ‌ترین جهش‌ها در علم رخ داد. اینشتین در جایی گفت، غیرقابل‌درک‌ترین موضوع در مورد جهان آن است که قابل‌ِ درک است. برای یادگیری فیزیک مدرن، باید درک مناسبی از فیزیک کلاسیک و قوانین حاکم بر آن داشته باشیم.

شاخه های فیزیک جدید چیست ؟

فیزیک مدرن از شاخه‌های مختلفی تشکیل شده است:

• فیزیک کوانتوم: فیزیک کوانتوم شاخه‌ای از علم فیزیک است که در مورد رفتار ذرات در مقیاس اتمی و ریزاتمی صحبت می‌کند. فیزیک کوانتوم با استفاده از چارچوب ریاضی رفتار دوگانه موج ذره، کوانتش یا گسستگی انرژی و ماهیت احتمالی ذرات میکروسکوپی را توضیح می‌دهد. مهم‌ترین مفاهیم در این شاخه از فیزیک عبارت هستند از:
  • توابع موج
  • برهم‌نهی
  • درهم‌تنیدگی
  • اصل عدم قطعیت هایزنبرگ
• فیزیک ذرات بنیادی: به این شاخه از فیزیک، فیزیک انرژی بالا نیز گفته می‌شود. در این بخش از فیزیک اجزای تشکیل‌دهنده بنیادی ماده و نیروهای حاکم بر آن‌ها را بررسی می‌کنیم. ذرات بنیادی و برهم‌کنش بین آن‌ها با استفاده از شتاب‌دهنده‌ها و آشکارسازها مطالعه می‌شوند. موضوعات اصلی و مهم در این شاخه از فیزیک عبارت هستند از:
  • کشف و مشخصه‌یابی ذرات بنیادی مانند کوارک‌ها، لپتون‌ها و بوزون‌های پیمانه‌ای
  • کشف ذره بوزون هیگز
  • جستجو برای یافتن مدلی فراتر از مدل استاندارد
• نسبیت: نظریه نسبیت توسط اینشتین مطرح و توسعه یافت. این فیزیک‌دان بزرگ نظریه نسبیت را در دو بخش ارائه داد:
  • نسبیت خاص: در نظریه نسبیت خاص رفتار اجسام در سرعت‌ها بسیار بالا و نزدیک به سرعت نور بررسی می‌شود. هنگامی‌که جسمی با سرعتی بسیار بالا حرکت می‌کند، فیزیک کلاسیک نمی‌تواند حرکت و رفتار آن را توصیف کند. در این سرعت‌ها گذر زمان برای جسم کند و طول آن منقبض می‌شود.
  • نسبیت عام: این نظریه به مفهوم گرانش می‌پردازد و آن را حاصل خمیدگی فضا زمان در نزدیکی اجسام کلان جرم می‌داند. جسمی را فرض کنید که روی خط مستقیم حرکت می‌کند. مسیر مستقیم این جسم در نزدیکی جسمی با جرم زیاد و به دلیل خمیدگی فضا زمان، منحرف می‌شود. خمیدگی فضا زمان در نزدیکی سیاه‌چاله به اندازه‌ای زیاد است که حتی نور نمی‌تواند از دام آن فرار کند.
• فیزیک هسته‌ای: بر طبق رابطه $$E = m c ^ 2$$ در نسبیت خاص، جرم و انرژی، هم‌ارز و معادل یکدیگر هستند و می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند. این فرمول برای مطالعه فیزیک هسته‌ای لازم است. در فیزیک هسته‌ای، هسته اتم مطالعه می‌شود. در این گرایش از فیزیک جدید، دو نیرو از چهار نیروی بنیادی در طبیعت، یعنی نیروی هسته‌ای قوی و ضعیف، معرفی می‌شوند. در فیزیک هسته‌ای می‌بینیم در یک لحظه، عنصری می‌تواند به عنصری کاملا متفاوت تبدیل شود. همان‌طور که می‌دانیم هسته هر اتم از پروتون و نوترون ساخته شده است.
• فیزیک اتمی: انرژی اتمی منبع انرژی برای راکتورها و سلاح‌های هسته‌ای است. این انرژی از شکافت یا همجوشی اتم‌ها تولید می‌شود. برای آشنایی با منبع این انرژی باید اتم را بشناسیم. اتم، کوچک‌ترین ذره عنصر است و ویژگی‌های آن عنصر را دارد. دانش در زمینه ماهیت اتم تا ابتدای قرن بیستم میلادی به کندی افزایش یافت. در دهه ابتدایی قرن بیستم، فیزیک جدید پا به عرصه گذاشت و جهش بزرگی در علم فیزیک و شناخت اتم رخ داد.
• کیهان‌شناسی: به مطالعه جهان به صورت کلی، کیهان‌شناسی می‌گوییم. جهان هر چیزی است که وجود دارد و نام دیگر آن کیهان است. بیگ‌بنگ نام علمی آغاز زمان است.

تا اینجا می‌دانیم آغاز قرن بیستم میلادی آغاز راهی جدید برای علم فیزیک بود و این علم با سوالاتی در این زمان روبرو شد که با استفاده از فیزیک نیوتنی و معادلات ماکسول نمی‌توانست پاسخی برای آن‌ها بیابد. از این‌رو، شاخه‌های جدیدی در علم فیزیک به وجود آمد که در قسمت قبل در مورد آن‌ها توضیح دادیم. در ادامه، در مورد پدیده‌هایی توضیح می‌دهیم که فیزیک کلاسیک قادر به توضیح آن‌ها نبود و فیزیک جدید به خوبی این پدیده‌ها را توضیح داد.

تاریخچه فیزیک جدید

فیزیک مدرن با دو کشف بزرگ در اوایل قرن بیستم میلادی آغاز شد:

• مکانیک کوانتوم
• نسبیت

موضوعات کلیدی مطالعه شده در فیزیک جدید عبارت هستند از:

• نظریه اتمی و مدل اتمی
• تشعشع جسم سیاه
• آزمایش فرانک هرتز
• آزمایش رادرفورد
• عدسی گرانشی
• آزمایش مایکلسون-مورلی
• اثر فوتوالکتریک
• ترمودینامیک کوانتومی
• پدیده رادیواکتیو در حالت کلی
• تقدم حضیض عطارد
• آزمایش اشترن گرلاخ
• دوگانگی موج ذره
• ترمودینامیک، گرما و دما
• امواج و ارتعاشات
• مکانیک کوانتوم

کشف‌ های مهم در فیزیک جدید

آزمایش‌های زیادی در پیشرفت فیزیک مدرن نقش مهمی ایفا کردند. از میان این آزمایش‌ها، برخی از آن‌ها مفهوم عمیق‌تری از ساختار ماده و اتم ارائه دادند. برخی از این آزمایش‌ها را در ادامه به اختصار توضیح می‌دهیم.

کشف اشعه ایکس

در سال ۱۸۹۵ میلادی دانشمندی به نام «ویلهلم رپنتگن» (Wilhelm Rontgen) کشف شد. اشعه ایکس نوعی تشعشع غیرقابل‌رویت با قدرت نفوذ بسیار زیاد است.

کوانتش انرژی

چندین سال پس از کشف اشعه ایکس، در سال ۱۹۰۰ میلادی، فیزیک‌دانی آلمانی به نام ماکس پلانک پیشنهاد داد که انرژی از واحدهای گسسته‌ای به نام کوانتا تشکیل شده است.

بیان نظریه نسبیت

۵ سال بعد و در سال ۱۹۰۵ میلادی، اینشتین با بیان نظریه نسبیت خاص نشان داد رفتار اجسام در سرعت‌های بالا تغییر می‌کند.

مدل اتمی بور

در سال ۱۹۱۳ میلادی، نیلز بور پیشنهاد داد که الکترون‌ها در لایه‌هایی کوانتومی و گسسته به دور هسته اتم حرکت می‌کنند.

دوگانگی موج و ذره

در سال ۱۹۲۴ میلادی، فیزیک‌دانی به نام لوییس دوبروی دوگانگی موج ذره را بیان کرد. او نشان داد هر جسم ماده، از ذرات کوانتومی تا اجسام بزرگ، می‌تواند از خود رفتار موجی نشان دهد.

آغاز فیزیک کوانتوم

دو سال پس از مطرح شدن دوگانگی موج ذره توسط دوبروی، فیزیک کوانتوم متولد شد. این شاخه از فیزیک مدیون فیزیک‌‌دان‌های بسیاری، از جمله هایزنبرگ و شرودینگر، است.

بنابراین، فیزیک جدید قادر است جهان میکروسکوپی و حرکت در سرعت‌های بسیار بالا، نزدیک به سرعت نور را بررسی کند.

فاجعه فرابنفش و آغاز فیزیک جدید

فیزیک کلاسیک نیوتن و دانشمندان هم‌دوره او برای سال‌ها حاکم بود و پدیده‌های مختلف فیزیکی را به خوبی توضیح می‌داد. سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که فیزیک کلاسیک چه پدیده‌هایی را نتوانست توضیح دهد. چه رخدادهایی محدودیت فیزیک کلاسیک را آشکار کرد؟ نخستین پدیده‌ای که محدودیت فیزیک کلاسیک و لزوم وجود معادلاتی فراتر از معادلات فیزیک کلاسیک را نشان داد، چه بود؟ در سال ۱۹۰۱ میلادی دانشمندی به نام «ماکس پلانک» (Max Planck) پرسشی مهم به نام فاجعه فرابنفش را حل کرد. شاید از خود بپرسید فاجعه فرابنفش چیست. در ادامه، این پدیده را توضیح می‌دهیم.

برخی اجسام، جسم سیاه نامیده می‌شوند. جسم سیاه به جسمی گفته می‌شود که امواج الکترومغناطیسی را در تمام طول موج‌ها تشعشع می‌کند. به عنوان مثال، خورشید را جسم سیاه در نظر می‌گیریم. توزیعِ طول موج نور دریافتی از خورشید در تصویر زیر نشان داده شده است. همان‌طور که در تصویر زیر دیده می‌شود، بیشتر نور دریافتی از خورشید در ناحیه مرئی طیف قرار دارد. علاوه بر نور مرئی، امواج فرابنفش و فروسرخ نیز توسط خورشید تابیده می‌شوند. آیا تاکنون به کارگاه‌های آهنگری رفته‌اید. در آنجا فلزات در دمای بسیار بالایی گداخته و به رنگ قرمز یا زرد دیده می‌شند.

فلز بسیار داغ نیز نوعی جسم سیاه است. به این نکته توجه داشته باشید که طیف جسم سیاه به نوع ماده بستگی ندارد، بلکه تنها به دما وابسته است. طیف تابشی جسم سیاه در دماهای مختلف در تصویر زیر نشان داده شده است. همان‌طور که در این تصویر مشاهده می‌کنید شدت تابش در طول موج مشخصی به نام $$\lambda _ { max}$$ بیشینه می‌شود. با افزایش دما نه‌تنها شدت تابش جسم سیاه افزایش می‌یابد، بلکه $$\lambda _ { max}$$ نیز به سمت طول موج‌های کوتاه‌تر پیش می‌رود. $$\lambda _ { max}$$ در دمایی در حدود ۵۰۰۰ کلوین به سمت طول موج‌های مرئی می‌رود. به همین دلیل، اجسام بسیار داغ می‌درخشند. اجسام در این دما، نور مرئی زیادی تابش می‌کنند.

دمای بدن انسان در حدود ۳۱۰ کلوین است. از این‌رو، انسان‌ها هیچ نور مرئی تابش نمی‌کنند. به همین‌ دلیل در اتاق تاریک نمی‌توانیم افراد حاضر در اتاق را ببینیم. الکترومغناطیس کلاسیک نتوانست تابش جسم سیاه و توزیع آن را توضیح دهد. مدل‌های ریاضی نوشته شده برای توصیف توزیع جسم سیاه توانستند طیف تابشی را در طول موج‌های بلند ایجاد کنند. اما این مدل‌ها نتوانستند افت شدت تابش در طول موج‌های کوتاه، ناحیه فرابنفش، را توضیح دهند. به جای آن، مدل‌های ریاضی به‌دست آمده برای توصیف تابش جسم سیاه پیش‌بینی کردند که شدت تابش با کاهش طول موج افزایش می‌یابد. شدت تابش با کاهش طول موج افزایش و با صفر شدن طول موج، بی‌نهایت می‌شود.

امروزه می‌دانیم این پیش‌بینی صحیح نیست. در غیر این صورت اگر از فِر استفاده کنیم باید منتظر انفجار در طول موج‌های در محدوده فرابنفش باشیم. در علم، اگر نظریه‌ای با مشاهدات تجربی هم‌خوانی نداشته باشد، باید تصحیح یا دور انداخته شود. الکترومغناطیس کلاسیک نتوانست طیف تابشی توسط جسم سیاه را به خوبی پیش‌بینی کند. بنابراین، فیزیک‌دان‌ها به این نتیجه رسیدند که این شاخه از فیزیک کلاسیک کامل نیست. به بیان دیگر، الکترومغناطیس کلاسیک نمی‌توانست انرژی و نور را کامل توصیف کند. همان‌طور که گفتیم ماکس پلانک این مشکل را حل کرد.

او این مشکل را با معرفی مفهومی به نام «کوانتش» (Quantization) حل کرد. از فیزیک کلاسیک می‌دانیم که گرما انتقال انرژی جنبشی از مکانی به مکان دیگر است. قطعه‌ فلزی بسیار داغ را در نظر بگیرید. در این فلز، انرژی جنبشی به شکل ارتعاشات اتمی ظاهر می‌شود. این ارتعاشات نور تابیده شده توسط جسم سیاه را ایجاد می‌کنند. پلانک برای حل فاجعه فرابنفش پیشنهاد داد که انرژی ارتعاشات این اتم‌ها با انرژی الکترومغناطیسی تابیده شده توسط این اتم‌ها باید کوانتومی یا گسسته باشند. در واقع، به جای داشتن هر مقداری در سری، تنها می‌توانیم مقادیری گسسته و مشخص را داشته باشیم. در نتیجه، پلانک رابطه زیر را برای تابش جسم سیاه پیشنهاد داد:

$$E = n h f$$

در رابطه فوق، E انرژی، h ثابت پلانک، f فرکانس و n عددی طبیعی است. مقدار n از یک شروع می‌شود. همچنین، مقدار h برابر $$6.626 \times 10 ^ { - 34 } \ J . s$$ است. مقدار n سبب کوانتیزه شدن انرژی تابشی می‌شود. به این نکته توجه داشته باشید که n تنها می‌تواند اعداد صحیح و مثبت را بپذیرد و از پذیرش عدد اعشاری یا کسری امتناع می‌کند. این بدان معنا است که انرژی، تنها می‌تواند مقادیر مشخصی داشته باشد و هر مقداری مابین این مقادیر مجاز، ممنوع است. کوانتش انرژی و ثابت پلانک به خوبی توانستند طیف تابشی جسم سیاه در تمام طول موج‌ها را توصیف کنند.

ثابت پلانک، تنها یک عدد ریاضی نیست، بلکه بنیادی‌ترین مفاهیم فیزیکی را با استفاده از آن می‌توان توضیح داد. از آنجا که ثابت پلانک بسیار کوچک است، کوانتش انرژی کشف نشده بود. کوچک بودن ثابت پلانک بدان معنا است که انرژی در مقیاسی بسیار کوچک، گسسته است، به گونه‌ای که درجه‌بندی بین مقادیر مجاز توسط دستگاه‌های اندازه‌گیری قابل شناسایی نیست. انرژی در مقیاس ماکروسکوپی پیوسته، اما در مقیاس اتمی و بسیار کوچک، کوانتیزه است. این نخستین زمانی بود که کوانتش چنین مشکل بزرگی در فیزیک را حل کرد.

حل مشکل فاجعه فرابنفش توسط پلانک آغاز راه فیزیک مدرن بود. فیزیک جدید جهش بزرگی در علم بود و نگاه انسان به جهان را تغییر داد. گرچه پلانک یکی از مشکلات فیزیک را حل کرد، مشکلات دیگری در ادامه به وجود آمدند. چرا انرژی کوانتیزه است. کوانتش انرژی آغاز انقلابی در فیزیک و به وجود آمدن شاخه‌ای در فیزیک به نام فیزیک کوانتوم بود. در بخش‌های بعد ادامه راه فیزیک جدید را توضیح می‌دهیم.

فوتون، الکترون و دو گانگی موج-ذره

پلانک در سال ۱۹۰۱ میلادی فاجعه فرابنفش را با مطرح کردن کوانتیزه بودن انرژی حل کرد. نخستین گام توسط پلانک برداشته شد و اینشتین راه او را ادامه داد. در سال ۱۹۰۵ میلادی، اینشتین در آزمایشگاهی در سوییس کار می‌کرد. او در این سال سه مقاله چاپ کرد که جهش بزرگی را در علم فیزیک ایجاد کردند:

• حرکت براونی
• نسبیت خاص
• اثر فوتوالکتریک

در اثر فوتوالکتریک از کوانتیزه بودن انرژی استفاده شد.

اثر فوتوالکتریک

در اثر فوتوالکتریک نور با طول موج مشخص به فلزی می‌تابد و سبب خروج الکترون از آن می‌شود. اثر فوتوالکتریک یکی از گام‌های مهم در آغاز پیشرفت فیزیک جدید است. اینشتین نشان داد برای خروج الکترون از فلز، فرکانس نور تابیده شده باید از مقداری مشخص بیشتر باشد. در واقع، اگر فرکانس نور تابیده شده از مقداری مشخص بیشتر باشد، الکترون بدون توجه به شدت نور تابیده شده می‌تواند از فلز خارج شود. به این فرکانس، فرکانس آستانه می‌گوییم. بنابراین، نوری با فرکانس بالا و شدت کم می‌تواند الکترون را از فلز خارج کند.

به همین دلیل، اینشتین پیشنهاد داد که نور از کوانتاهای تکی به نام فوتون تشکیل شده است. انرژی هر فوتون، تنها به فرکانس بستگی دارد و از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

$$E = h f$$

یک الکترون هنگامی می‌تواند از فلز خارج شود که فوتونی با انرژی کافی به سطح فلز برخورد کند. اثر فوتوالکتریک نتایج مهمی به همراه داشت:

• نه‌تنها انرژی ارتعاشی اتم‌ها در جسم سیاه کوانتیزه است، بلکه نور نیز کوانتیزه در نظر گرفته می‌شود.
• برخی پدیده‌های مربوط به نور مانند پراش و تداخل توسط مدل موجی به خوبی توصیف می‌شوند. اما نور در اثر فوتوالکتریک متشکل از ذراتی به نام فوتون در نظر گرفته شد. بنابراین، یکی دیگر از دستاوردهای فیزیک جدید رفتار دوگانه موج-ذره نور است.

رفتار دوگانه موج ذره در نگاه نخست بسیار پیچیده به نظر می‌رسد. چگونه ممکن است نور هم‌زمان موج و ذره باشد. این دوگانگی یکی از عجیب‌ترین بخش‌های فیزیک کوانتوم به هنگام یادگیری آن است. با کمی نگاه به اطراف خود می‌دانیم ذره و موج چیست. اما برای یادگیری فیزیک کوانتوم باید نگاه عمیق‌تری به مفهوم موج و ذره داشته باشیم. در جهان میکروسکوپی و زیراتمی همه چیز متفاوت است. پس از اینشتین، دانشمندی به نام «نیلز بور» (Neil Bohr) نیز نشان داد انرژی الکترون‌ها در اتم هیدروژن نیز کوانتیزه است. بور نشان داد الکترون‌ها تنها می‌توانند ترازهای انرژی مشخصی را اشغال کنند.

الکترون‌ها تنها هنگامی می‌توانند بین ترازهای مختلف حرکت کنند که فوتونی با انرژی برابر تفاوت انرژی بین دو تراز انرژی مختلف را جذب یا ساطع کنند. این مدل توانست طیف نشری هیدروژن و عناصر دیگر را توصیف کند. در ادامه، فیزیک‌دانی به نام «لوییس دوبروی» (Louis De Broglie) نشان داد نه‌تنها نور از خود رفتار دوگانه موج ذره نشان می‌دهد، بلکه ذرات مادی نیز این خاصیت را از خود نشان می‌دهند. بنابراین، الکترون نیز می‌تواند از خود خاصیت موجی نشان دهد و طول موجی با مقدار مشخص دارد که مقدار آن به تکانه الکترون ابسته است.

رفتار موجی الکترون‌ها توسط آزمایش تجربی به اثبات رسید. در این آزمایش پرتوی از الکترون‌های از میان دو شکاف بسیار کوچک عبور داده شدند و در کمال شگفتی همانند موج، رفتار پراش از خود نشان دادند. بنابراین، بر طبق فیزیک جدید، امواج می‌توانند همانند ذرات و ذرات می‌توانند همانند امواج رفتار کنند. از آنجا که فیزیک نیوتنی نمی‌توانست به طور کامل این رفتار دوگانه را توضیح دهد، شاخه جدیدی از فیزیک به نام فیزیک کوانتوم گسترش یافت.

آزمایش دو شکاف یانگ

در بخش قبل در مورد رفتار موج-ذره الکترون و نور صحبت کردیم. در سال ۱۸۰۱ میلادی فیزیک‌دانی به نام «توماس یانگ» (Thomas Young) آزمایش دو شکاف معروف به آزمایش دو شکاف یانگ را انجام داد. او صفحه‌ای با دو شکاف بسیار کوچک با فاصله‌ای مشخص از یکدیگر را روبروی پرو نور قرار داد. نور به این صفحه تابانده شد و پس از عبور از دو شکاف به صفحه‌ای اپتیکی برخورد کرد. پراش و تداخل ایجاد شده روی صفحه به خوبی از رفتار موجی نور حمایت می‌کند. بخش‌های روشن روی صفحه اپتیکی نشان‌دهنده تداخل سازنده و بخش‌های تاریک نشان‌دهنده تداخل ویران‌گر هستند.

عرض هر خط تابعی از فرکانس نور تابیده شده است. سال‌ها بعد ماکسول نشان داد نور موجی متشکل از میدان‌های نوسانی الکتریکی و مغناطیسی است. بنابراین، در قرن نوزدهم میلادی نور به عنوان موج در نظر گرفته شد. همان‌طور که گفتیم در سال ۱۹۰۵ میلادی اینشتین مشکل اثر فوتوالکتریک را با نسبت دادن ماهیت ذره‌ای به نور حل کرد. از این‌رو، دوگانگی موج و ذره متولد شد. بعدها دوبروی نشان داد ذراتی مانند الکترون نیز می‌توانند از خود رفتار موجی نشان دهند. این ادعا توسط آزمایش دو شکاف یانگ اثبات شد.

برای اثبات رفتار موجی الکترون‌ها، آزمایشی شبیه آزمایش دو شکاف یانگ را انجام دادند. با این تفاوت که به جای تابش نور، پرتویی از الکترون‌ها از دو شکاف عبور و به صفحه‌ای حساس به الکترون برخورد کردند. الکترون‌ها پس از عبور از شکاف و برخورد به صفحه حساس، الگویی متشکل از پراش و تداخل نشان دادند. بعدها آزمایش‌هایی با شدت کم نشان دادند که الکترون تکی پس از عبور از منشور یا صفحه‌ای با دو شکاف، با خود تداخل می‌کنند. با انجام این آزمایش‌ها رفتار موجی الکترون‌ها غیرقابل‌انکار شد. نه‌تنها الکترون‌ها از خود رفتار موجی و ذره‌ای نشان می‌دهند، بلکه ذرات دیگری مانند نوترون‌ها نیز رفتار مشابهی را از خود نشان می‌دهند.

از آنجا که تمام ذرات رفتار موجی از خود نشان می‌دهند، هر جسمی می‌تواند الگوی پراش از خود نشان دهد. به این نکته توجه داشته باشید که مشاهده این رفتار در اجسام بزرگ مقیاس بسیار مشکل خواهد بود. در نتیجه، فیزیک نیوتنی توصیف‌کننده بنیادی حرکت نیست. در واقع، فیزیک نیوتنی از فیزیک کوانتوم ظهور می‌کند. هرچه اندازه اجسام بزرگ‌تر شود، طول موج آن‌ها کوچک‌تر خواهد شد. در نتیجه، رفتار موجی اجسام بزرگ قابل‌مشاهده نیست. سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که رفتار موج ذره را چگونه می‌توان به زبان ریاضی توصیف کرد.

انجام این کار بدون وجود فیزیک کوانتوم غیرممکن بود. فیزیک کوانتوم توسط گروهی از بهترین فیزیک‌دان‌ها توسعه یافت. دو تن از این فیزیک‌دان‌ها به نام‌های «اروین شرودینگر» (Erwin Schrodinger) و «ورنر هایزنبرگ» (Werver Heisenberg)‌ نفش بسیار پررنگی در پیشرفت فیزیک کوانتوم داشتند.

فیزیک کوانتوم و معادله شرودینگر

در بخش‌ها قبل فهمیدیم دو فیزیک‌دان به نام‌ها شرودینگر و هایزنبرگ نقش مهمی در پیشرفت فیزیک کوانتوم ایفا کردند. در این بخش، در مورد معادله معروف شرودینگر صحبت می‌کنیم. پس از حل فاجعه فرابنفش توسط ماکس پلانک و اثر فوتوالکتریک توسط اینشتین به این نتیجه رسیدیم که انرژی کوانتیزه است و نور، رفتار دوگانه موج ذره از خود نشان می‌دهد. سپس، دوبروی رفتار دوگانه موج ذره را به ذرات کوانتومی مانند الکترون و نوترون تعمیم داد. این بدان معنا است که تمام اجسام، از الکترون تا بزرگ‌ترین ستاره‌ها طول موج دارند. به این نکته توجه داشته باشید که طول موج هر جسم با جرم آن رابطه معکوس دارد.

بنابراین، طول موج اجسامی بزرگ‌تر از مولکول به‌اندازه‌ای کوچک است که می‌توان از آن‌ها صرف‌نظر کرد. اما الکترون بسیار کوچک است، بنابراین طول موج آن در حدود اندازه اتم است. در نتیجه، از این لحظه به بعد الکترون را هم به صورت ذره و هم به صورت موج در نظر می‌گیریم. بارها در مورد رفتار موجی الکترون صحبت کنیم. الکترون چه موجی می‌تواند باشد؟ الکترون در اتم را می‌توانیم به عنوان موجی ایستاده در نظر بگیریم. از فیزیک کلاسیک می‌دانیم امواج ایستاده چیست. به طور حتم نواختن گیتار توسط گیتاریست را مشاهده کرده‌اید. سیم گیتار به ارتعاش درمی‌آید و موج ایستاده ایجاد می‌شود.

برخلاف موج ایستاده ایجاد شده در سیم گیتار که خطی است، الکترون موج ایستاده دایره‌ای است که هسته را احاطه می‌کند. با توجه به این موضوع می‌دانیم چرا کوانتش انرژی برای الکترون نیز استفاده می‌شود. زیرا هر موج ایستاده دایره‌ای باید تعداد صحیحی طول موج داشته باشد. هر چه تعداد طول موج‌ها بیشتر باشد، انرژی بیشتری توسط موج حمل می‌شود.

مدل بور برای اتم هیدروژن توسط نیلز بور مطرح شد. در این مدل در تزار اول انرژی، موجی ایستاده با یک طول موج، در تراز دوم، موجی ایستاده با دو طول موج و به همین ترتیب تصور شد. به همین دلیل، الکترون در اتم، تنها می‌تواند در تزارهای انرژی مشخصی وجود داشته باشد. هنگامی که فوتونی با انرژی مشخص به الکترون برخورد می‌کند، انرژی آن توسط الکترون جذب و سبب تحریک الکترون و انتقال آن به تراز انرژی بالاتر می‌شود. بنابراین، تعداد طول موج‌های موج ایستاده (الکترون) افزایش می‌یابد. بنابراین، الکترون به تراز انرژی بالاتر می‌رود. همچنین، تداخل سازنده بین این موج‌های ایستاده هم‌پوشانی اوربیتالی و پیوند کووالانسی را توضیح می‌دهد. از این‌رو، با کمک فیزیک جدید به خوبی می‌توانیم پیوندهای شیمیایی را درک کنیم.

پس از آن‌که رفتار موجی الکترون مشاهده شد، فیزیک‌دان‌های بسیاری به تکاپو افتادند تا مدل ریاضی برای توصیف رفتار موجی الکترون به‌دست آورند. در سال ۱۹۰۵ میلادی، فیزیک‌دانی به نام شرودینگر مدل ریاضی موردنظر را به‌دست آورد. شرودینگر معادله‌ای را به نام معادله شرودینگر به‌دست آورد و در آن از رابطه دوبروی استفاده کرد. این معادله به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$H ( t ) | \psi ( t ) > = i \hbar \frac{\partial }{\partial t}| \psi ( t ) >$$

در این مطلب، ریاضی حاکم بر این معادله را توضیح نمی‌دهیم و تنها در مورد مفهوم آن صحبت می‌کنیم. قانون دوم نیوتن را به‌ یاد بیاورید. بر طبق این قانون، نیرو با شتاب حرکت جسم رابطه مستقیم دارد و این دو توسط ثابتی به نام جرم به یکدیگر مربوط می‌شوند:

$$F = ma$$

این معادله در سیستم‌های نیوتنی استفاده می‌شود. به طور مشابه، از معادله شرودینگر در سیستم‌های کوانتومی استفاده می‌کنیم. با استفاده از معادله شرودینگر تابع موج سه‌بعدی $$| \psi<$$ را به‌دست می‌آوریم. H در معادله شرودینگر، عملگر هامیلتونی نامیده می‌شود. شاید از خود بپرسید عملگر هامیلتونی چیست و چه کاری انجام می‌دهد. این عملگر، مجموعه‌ای از عملگرهای ریاضی است که تمام برهم‌کنش‌های موثر بر سیستم را توصیف می‌کند. به بیان دیگر، هامیلتونی بیان‌کننده انرژی ذره یا سیستم است. به این نکته توجه داشته باشید که تابع موج، تنها می‌تواند تابع موج را حساب کند و هیچ اطلاعاتی در مورد ماهیت تابع موج به ما نمی‌دهد. فیزیک‌دانی به نام «ماکس بورن» (Max ‌‌Born) تابع موج را به صورت دامنه احتمال توصیف کرد.

$$\Psi ^ 2$$ احتمال یافتن الکترون در نقطه‌ای مشخص را به ما می‌دهد. بار دیگر آزمایش دو شکاف یانگ را در نظر بگیرید. الگوی تداخلی ایجاد شده تابع موج احتمال را توصیف می‌کند. الگوی تداخل ایجاد شده، الکترون نیست. این الگو احتمال رفتن الکترون به هر نقطه روی پرده را نشان می‌دهد. این‌که الکترون به کدام نقطه روی پرده برخورد می‌کند را نمی‌توانیم پیش‌بینی کنیم، بلکه تنها می‌توانیم احتمال برخورد الکترون به هر نقطه روی پرده را بدانیم. اگر تعداد زیادی الکترون به پرده برخورد کنند، توزیع آن‌ها روی پرده از تابع موج تبعیت می‌کند. بنابراین، معادله شرودینگر به طور قطعی تابع موج را محاسبه می‌کند. اما اطلاعاتی که تابع موج به ما می‌دهد، احتمالی است. پذیرش این ایده که طبیعت در بنیادی‌ترین سطح، احتمالی است در آن زمان بسیار سخت و دور از ذهن بود.

پذیرش این ایده حتی در این زمان نیز بسیار سخت است. امواج صوت، امواج مکانیکی و نور، نوسان امواج الکترومغناطیسی هستند. الکترون چیست؟ الکترون را به عنوان ابر چگالی احتمال در نظر می‌گیریم. تفسیرهای زیادی برای فیزیک کوانتوم وجود دارند. این تفسیرها راه‌های متفاوت مربوط ساختن تابع موج به‌دست آمده از معادله شرودینگر به نتایج تجربی و ماهیت واقعیت هستند:

• تفسیر کپنهاگی
• تفسیر جهان‌های موازی
• ناهمدوسی کوانتومی
• مکانیک بوهمی

در ادامه، فیزیک‌دانی به نام هایزنبرگ با مطرح کردن اصل معروفی به نام «اصل عدم قطعیت هایزنبرگ» باعث پیشرفت بیشتر فیزیک کوانتوم شد.

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ

با معرفی فیزیک کوانتوم به جامعه فیزیک، تحول بزرگی در این علم رخ داد و سوالات زیادی به همراه آن مطرح شدند. در فیزیک کلاسیک، مکان و تکانه ذره را در همه زمان‌ها به طور دقیق می‌دانیم. اما این موضوع در فیزیک کوانتوم صادق نیست. اگر تکانه و مکان الکترونی به طور دقیق مشخص باشد، آن را ذره در نظر می‌گیریم. اما بر طبق رفتار دوگانه موج ذره، تمام ذرات، رفتار موجی نیز از خود نشان می‌دهند. در قسمت قبل گفتیم، سیستم‌های کوانتومی قطعی نیستند و ماهیت احتمالی دارند. با توجه به ماهیت احتمالی سیستم‌های کوانتومی این پرسش به ذهن خطور می‌کند که چگونه می‌توانیم مکان و تکانه الکترون را توصیف کنیم. بر طبق تفسیر کپنهاگی، الکترون در یک زمان، مکان و تکانه مشخص و معینی ندارد. اگر مکان الکترونی را اندازه بگیریم، مقداری تصادفی از توزیع احتمال به‌دست می‌آوریم.

اگر تنها، مکان الکترون را اندازه بگیریم، این‌گونه به نظر می‌رسد که در مکان مشخصی قرار دارد. با دانستن مکان دقیق الکترون نمی‌توانیم هیچ اطلاعاتی از تکانه آن داشته باشیم. این مفهوم در اصل عدم قطعیت هایزنبرگ خلاصه می‌شود:

$$(\triangle x ) (\triangle p ) \geq \frac { h } { 4 \pi }$$

بر طبق رابطه فوق، اگر به متغیرهای مکمل مانند مکان و تکانه نگاه کنیم، هر چه اطلاعات بیشتری در مورد یکی از متغیرها، مانند مکان، داشته باشیم، در مورد متغیر دیگر، مانند تکانه، اطلاعات کمتری خواهیم داشت. در رابطه داده شده، $$\triangle x$$ عدم قطعیت در مکان و $$\triangle p$$ عدم قطعیت در مکان هستند. حاصل‌ضرب این دو باید بزرگ‌تر از $$\frac { h } { 2 \pi }$$ باشد. اگر عدم قطعیت در یکی از پارامترها کاهش یابد، عدم قطعیت در پارامتر دیگر باید افزایش یابد. همچنین، اگر مقدار یکی از متغیرها را به طور دقیق بدانیم، مقدار متغیر دوم نامشخص می‌شود. توجه به این نکته مهم است که اصل عدم قطعیت به دلیل وسایل اندازه‌گیری نامناسب نیست. اصل عدم قطعیت کیفیت بنیادی ماده است. الکترون را نمی‌توانیم با قاطعیت ذره در نظر بگیریم زیرا از خود رفتار موجی نیز نشان می‌دهد. رفتار موجی الکترون توسط آزمایش دو شکاف تایید شد.

سوال بنیادی و مهمی که در کوانتوم مطرح می‌شود آن است که مشاهده چیست؟ برای آن‌که مکان ذره‌ای را بدانیم یا بتوانیم آن را ببینیم، حداقل یک فوتون باید با چشم ما برخورد کند. اگر سیستمی کوانتومی تنها با یک فوتون برهم‌کنش داشته باشد به گونه‌ای که بتواند دیده شود، این برهم‌کنش حالت سیستم را تغییر خواهد داد. بنابراین، این‌گونه به نظر می‌رسد که اندازه‌گیری سیستم یا مشاهده آن تاثیر واقعی بر سیستم می‌گذارد. با مطرح شدن مشکل اندازه‌گیری و تاثیر آن بر سیستم، جامعه علمی بسیار متحیر و گیج شد. این موضوع که پدیده‌های طبیعی در بنیادی‌ترین سطح احتمالی هستند، پیامدهای فلسفی غیرقابل‌باوری به دنبال داشت. بسیاری از دانشمندان با طراحی آزمایش‌های فکری سعی کردند عجیب بودن ماهیت احتمالی جهان را توضیح دهند.

معروف‌ترین آزمایش‌ فکری توسط شرودینگر طراحی شدند. این فیزیک‌دان تفسیر کپنهاگی فیزیک کوانتوم را دوست نداشت. این آزمایش گربه شرودینگر نامیده شد. این آزمایش بر یکی از پدیده‌های عجیب فیزیک کوانتوم به نام اصل برهم‌نهی متمرکز می‌شود. اگر تفسیر کپنهاگی کوانتوم صحیح باشد، سیستم کوانتومی می‌تواند در حالت‌های مختلفی وجود داشته باشد. اگر این سیستم کوانتومی مشاهده شود، سیستم در برهم‌نهی حالت‌های سیستم قبل از مشاهده وجود خواهد داشت. شرودینگر این تفسیر را دوست نداشت. او جعبه‌ای حاوی یک اتم رادیواکتیو را فرض کرد. در هر لحظه از زمان این اتم می‌تواند واپاشیده شود و ذره‌ای با انرژی بالا ساطع کند. داخل این جعبه گربه‌، ظرفی حاوی ماده‌ای سمی و وسیله‌ای برای آشکارسازی تشعشع اتم رادیواکتیو نیز وجود دارند.

چکشی به آشکارساز متصل شده است. اگر آشکارساز واپاشی اتم را آشکار کند، چکش رها می‌شود و ظرف حاوی ماده سمی را می‌شکند. پس از شکستن ظرف، گاز سمی، داخل جعبه پخش می‌شود و گربه می‌میرد. اگر آشکارساز هیچ تشعشعی را آشکار نکند، چکش رها نمی‌شود، ظرف نمی‌شکند و بنابراین گربه نمی‌میرد. اگر سیستم را ایزوله کنیم چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ بر طبق تفسیر کپنهاگی کوانتوم، اتم داخل جعبه برهم‌نهی دو حالت واپاشی و عدم واپاشی است. این حالت انتزاعی و غیرمضر به نظر می‌رسد. به دلیل مکانیزم داخل جعبه، گربه نیز برهم‌نهی دو حالت مرده و زنده است. تنها با باز کردن در جعبه متوجه می‌شویم گربه مرده یا زنده است. به بیان دیگر، با باز کردن در جعبه، حالت قبل نابود و سیستم به حالت جدید می‌رود.

در مطالب بالا گفتیم اصل عدم قطعیت هایزنبرگ می‌گوید کمیت‌های مکمل مانند تکانه و مکان نمی‌توانند هم‌زمان به طور دقیق اندازه‌گیری شوند. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که آیا تکانه و مکان، تنها کمیت‌های مکمل هستند. خیر، زمان و انرژی دو کمیت دیگر هستند که به عنوان کمیت‌های مکمل در نظر می‌گیریم. بنابراین، در ادامه در مورد اصل عدم قطعیت برای دو کمیت زمان و انرژی صحبت می‌کنیم. رابطه اصل عدم قطعیت برای زمان و انرژی نیز مشابه رابطه نوشته شده برای مکان و تکانه است، با این تفاوت که به جای تکانه و مکان، انرژی و زمان داریم:

$$(\triangle E ) (\triangle t ) \geq \frac { h } { 4 \pi }$$

رابطه فوق بدان معنا است که حاصل‌ضرب عدم قطعیت در انرژی ذره‌ای در ترازی مشخص در عدم قطعیت در بازه زمانی قرار گرفتن ذره در آن تراز انرژی، بزرگ‌تر و مساوی $$\frac { h } { 4 \pi }$$ است. اگر عدم قطعیت یکی از این کمیت‌ها بسیار کوچک یا به بیان دیگر مقدار یکی از کمیت‌ها بسیار مشخص باشد، کمیت دیگر نامشخص است و عدم قطعیت در آن افزایش می‌یابد. به عنوان مثال، اگر مقدار دقیق انرژی ذره را بدانیم، هیچ اطلاعی در مورد بازه زمانی که ذره می‌تواند این مقدار انرژی را داشته باشد نخواهیم داشت. نتیجه این مفهوم به طور قطع یکی از سخت‌ترین نتیجه‌ها و ایده‌های به‌دست آمده در فیزیک جدید بود، ایده نوسان کوانتومی.

هرچه طول عمر ذره‌ای کوتاه‌تر باشد، عدم قطعیت در انرژی آن بزرگ‌تر است. به همین دلیل، ذرات می‌توانند از هیچ به وجود آیند. به بیان دیگر، ذرات می‌تواند بدون هیچ علتی به وجود بیایند. این ذرات، تنها برای مدت بسیار کوتاهی وجود خواهند داشت. به این ذرات، ذرات مجازی گفته می‌شود. این ذرات چگونه می‌توانند از هیچ به وجود بیایند؟ به وجود آمدن این ذرات، علیت و هر آنچه در مورد کیهان می‌دانیم را نقض خواهد کرد. نوسان کوانتومیِ ذرات مجازی برای توضیح برخی مشاهدات، مانند اثر کاسیمیر، ضروری است. هنگامی‌که دو صفحه خنثی با فاصله چند نانومتر از یکدیگر در محیطی کاملا خلأ قرار بگیرند، به سمت یکدیگر جذب می‌شوند. جذب این صفحات به دلیل گرانش یا نیروی الگترومغناطیسی نیست.

دلیل جذب دو صفحه به وجود آمدن ذرات مجازی در طرفین دو صفحه و وارد کردن نیرو به آن‌ها است. به این نکته توجه داشته باشید که ذرات مجازی در فضای بین دو صفحه نیز به وجود می‌آیند، اما تعداد ذرات به وجود آمد در طرفین آن‌ها بیشتر است. بنابراین، نیروی کل وارد شده به صفحات، آن‌ها را به یکدیگر نزدیک می‌کند. ذرات مجازی همیشه و در هر جایی در کیهان به وجود می‌آیند. این ذرات با انرژی قرض گرفته شده زندگی می‌کنند و این انرژی پس از نابودی سریع این ذرات، پس داده می‌شود. به همین دلیل می‌توانیم نتیجه بگیریم که فضای تهی، تهی نیست. به این ویژگی فضا، فوم کوانتومی می‌گوییم. در نتیجه، فضای تهی، انرژی قابل‌اندازه‌گیری دارد. به این انرژی، انرژی نقطه صفر می‌گوییم. با استفاده از این ایده می‌توانیم قانون سوم ترمودینامیک را توضیح دهیم.

بر طبق قانون سوم ترمودینامیک، هیچ سیستمی، حتی کیهان، نمی‌تواند در تعداد گام‌های محدود تا دمای صفر مطلق (صفر کلوین) سرد شود. به بیان دیگر، هرگز نمی‌توانیم به دمای صفر مطلق (عدم وجود انرژی جنبشی) برسیم. اکنون می‌دانیم چرا رسیدن به این دما غیرممکن است. زیرا همواره مقدار کمی انرژی غیرقابل‌برگشت در فضا وجود دارد. به طور حتم با خواندن مطلب تا اینجا سردر‌گم شده‌اید و این احساس را دارید که از واقعیت و هرآنچه تا امروز آموخته‌اید فاصله زیادی گرفته‌اید. اما باید بدانید شما تنها کسی نیستید که سردرگم شده‌اید. بسیاری از فیزیک‌دان‌ها در آغاز قرن بیستم میلادی حس مشابهی داشتند. فکر به این موضوع که در سال ۱۹۰۰ میلادی این تصور حاکم بود که علم فیزیک به پایان راه خود رسیده است و تنها سه دهه بعد انقلابی در فیزیک رخ داد و خط بطلانی بر تصور پایان علم فیزیک کشید بسیار هیجان‌انگیز است. در آن زمان، حتی بزرگ‌ترین فیزیک‌دان‌های قرن، مانند اینشتین، نیز دوران سختی را سپری می‌کردند.

شاید از خود بپرسید نقطه آغاز فیزیک کوانتوم چه بود. همان‌طور که گفتیم اینشتین در سال ۱۹۰۵ میلادی سه مقاله در مورد حرکت براونی، نسبیت خاص و اثر فوتوالکتریک چاپ کرد. اثر فوتوالکتریک نقطه آغاز این راه بود. نسبیت خاص نیز یکی دیگر از شاخه‌های فیزیک جدید است.

نسبیت خاص

در مطالب بالا اشاره کردیم که مکانیک کلاسیک در مقیاس بسیار کوچک و در سرعت‌های بسیار بالا با شکست مواجه شد. در ادامه، در مورد فیزیک کوانتوم یا فیزیک در مقیاس بسیار کوچک صحبت کردیم. در این قسمت، فیزیک در سرعت‌های بسیار بالا را بررسی می‌کنیم. حرکت نسبی در فیزیک کلاسیک را آموختیم. گالیله مفهوم چارچوب مرجع لخت را بیان کرد. بر طبق این مفهوم، اندازه‌گیری سرعت به چارچوب مرجع لخت انتخاب شده بستگی دارد. از آنجا که گالیله در قرن هفدهم میلادی زندگی می‌کرد، وسایل موردنیاز برای انجام آزمایش‌های تجربی، محدود و اغلب غیردقیق بودند. اینشتین در آغاز قرن بیستم میلادی نظریه مطرح شده توسط گالیله را ادامه داد. اینشتین همانند گالیله معتقد بود باید همواره چارچوب مرجع لخت در نظر گرفته شود. نکته مهم در انتخاب این چارچوب آن است که ساکن در نظر گرفته می‌شود و بقیه اجسام، مانند زمین، افراد یا قطار، نسبت به این چارچوب حرکت می‌کنند.

هر چارچوب مرجع لخت، محورهای مختصات و ساعت خود را دارد. ساعت هر چارچوب ممکن است واقعی یا خیالی باشد و از آن برای اندازه‌گیری زمان در آن چارچوب استفاده می‌شود. اینشتین سوال مهم و جالبی مطرح کرد. اگر جسمی که با سرعت بسیار زیاد و نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند یا حتی نور را به عنوان چارچوب مرجع لخت انتخاب کنیم، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ اتفاق بسیار عجیبی رخ خواهد داد. نسبیت خاص از دو فرضیه تشکیل شده است. این دو فرضیه در نگاه نخست بسیار ساده به نظر می‌رسند، اما برای آن‌که این دو فرضیه درست باشند باید به طور کامل فهم و درک خود از فضا و زمان را بازسازی کنیم. چارچوب مرجع لخت را به گونه‌ای انتخاب می‌کنیم که شتاب حرکت آن صفر باشد (سرعت ثابت). به طور معمول زمین را ساکن و به عنوان چارچوب مرجع لخت انتخاب می‌کنیم.

فرضیه نخست بیان می‌کند که قوانین فیزیک در هر چارچوب مرجع لخت یکسان هستند. فرقی ندارد ساکن روی زمین ایستاده باشید یا با سرعت ثابت با ماشین یا هواپیما حرکت کنید. در تمام این حالت‌ها، قوانین فیزیک برای شما یکسان است. بر طبق فرضیه دوم، سرعت نور در خلأ در هر چارچوب مرجع لخت یکسان است. فرض کنید ساکن روی زمین، کنار جاده‌ای ایستاده‌اید و اتومبیلی را مشاهده می‌کنید که با سرعت ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند. سرعت اتومبیل را ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت اندازه می‌گیرید. اما اگر به جای ایستادن کنار جاده، در اتومبیلی باشید که با سرعت ۹۰ کیلومتر بر ساعت در همان جاده حرکت می‌کند و اتومبیلی با سرعت ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت از کنار شما عبور کند، سرعت اتومبیل عبوری را برابر ۱۰ کیلومتر بر ساعت اندازه خواهید گرفت. زیرا اتومبیل دوم ۱۰ کیلومتر بر ساعت نسبت به چارچوب مرجع لخت، اتومبیل شما حرکت می‌کند.

بنابراین، سرعت اتومبیل به چارچوب مرجع لخت انتخاب شده بستگی دارد. این جمله مشابه همان چیزی است که گالیله سال‌ها قبل مطرح کرد. اما بر طبق فرضیه دوم نسبیت خاص، رفتار نور این‌گونه نیست. اگر ساکن روی زمین ایستاده باشد، سرعت نور را برابر ۳۰۰ هزار متر بر ثانیه اندازه خواهید گرفت. اگر در هواپیمای در حال پرواز باشید، باز هم سرعت نور را همین مقدار به‌دست می‌آورید. حتی اگر در فضاپیمایی باشید که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند باز هم سرعت نور را برابر ۳۰۰ هزار متر بر ثانیه اندازه می‌گیرید. یکسان بودن سرعت نور در تمام چارچوب‌های مرجع لخت به طور تجربی نیز به اثبات رسیده است. زیرا هنگامی‌که دو جسم ساطع‌کننده نور، یکی ساکن و دیگری متحرک، را با یکدیگر مقایسه می‌کنیم، هر دو نتیجه یکسانی را برای سرعت نور می‌دهند. در نتیجه، سرعت نور، بدون توجه به حرکت منبع، همواره یکسان است.

چرا سرعت نور همواره یکسان است؟ چرا نمی‌توانیم به این سرعت برسیم؟ نرسیدن به سرعت نور، تنها به دلیل نبودن تکنولوژی نیست، بلکه سرعت نور یکی از بنیادی‌ترین قوانین در فیزیک است. این سرعت، حد سرعت در جهان است. در مطالب بالا مثالی را در مورد سرعت حرکت اتومبیل از دید ناظرهای مختلف بررسی کردیم. در این مثال گفتیم ناظر روی زمین و ناظر در اتومبیلی که با سرعت کمتر از ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند، سرعت‌های متفاوتی را برای اتومبیل سریع‌تر به‌دست می‌آورند. برای آن‌که ناظر روی زمین و ناظر در فضاپیمایی که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند مقدار یکسانی را برای سرعت نور به‌دست آورند، باید تجربه متفاوتی از زمان داشته باشند. این نخستین نتیجه‌ای است که از نسبیت خاص می‌گیریم. نیوتن، زمان را کمیتی صلب و جدانشدنی می‌دانست، اما این مفهوم در نسبیت خاص متفاوت است.

از دید نسبیت، گذر زمان برای ناظرهای مختلف یکسان نیست. به بیان دیگر، آهنگ گذر زمان برای ناظرهای مختلف، متفاوت است. به زبان ساده، زمان نسبی است. این نتیجه در نگاه نخست مناسب فیلم‌های علمی تخیلی به نظر می‌رسد، اما بارها توسط آزمایش‌های تجربی تایید شده است. جهان این‌گونه و متفاوت از آنچه در پایان قرن نوزدهم میلادی تصور می‌شد، کار می‌کند.

اتساع زمان و پارادوکس دوقلوها

در قسمت قبل گفتیم برای آن‌که سرعت نور برای ناظری ساکن روی زمین و ناظری در فضاپیمایی که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند، کاملا یکسان باشد، گذر زمان برای این ناظر باید متفاوت باشد. به این مفهوم اتساع زمان می‌گوییم.

بر طبق این مفهوم، هر چه با سرعت بزرگ‌تری حرکت کنیم، گذر زمان کندتر خواهد بود. این مفهوم توسط آزمایشی فکری به خوبی توضیح داده شده است. دو ناظر را در نظر گیرید:

• ناظر اول روی زمین ساکن است.
• ناظر دوم داخل فضاپیمایی است که با سرعتِ ثابت نسبت به زمین حرکت می‌کند.

داخل فضاپیما وسیله‌ای قرار دارد که پالس نور ساطع می‌کند. پالس نور پس از برخورد به آینه منعکس و توسط آشکارسازی نزدیک وسیله، آشکار می‌شود.

هر ناظری ساعت مخصوص به خود دارد. همچنین، فرض می‌کنیم ناظر زمینی می‌داند چه اتفاقی در فضاپیما رخ می‌دهد. ناظر در فضاپیما به راحتی می‌تواند مدت زمان رفت‌وبرگشت نور را اندازه بگیرد. تندی برابر مسافت طی شده توسط جسم تقسیم بر مدت زمان طی شدن این مسافت است:

$$v = \frac { x } { t }$$

رابطه فوق را برحسب زمان مرتب می‌کنیم:

$$t = \frac { x } {v }$$

فرض کنید فاصله وسیله ساطع‌کننده نور تا آینه برابر D و فاصله آینه تا آشکارساز نیز برابر D است. بنابراین، مسافت طی شده توسط نور برابر $$2D$$ است. از آنجا که سرعت نور، ثابت و برابر $$c$$ است، زمانی که نور مسافت $$2D$$ را طی می‌کند برابر $$t = \frac { 2 D } { c }$$ خواهد بود. این زمان را با $$\triangle t_0$$ نشان می‌دهیم. مدت زمانی که نور مسافت $$2 D$$ را طی می‌کند برای ناظر زمینی متفاوت است، زیرا فضاپیما نسبت به او حرکت می‌کند. مسیر حرکت نور برای ناظر در فضاپیما خط رفت‌ و برگشتی عمودی است، اما برای ناظر زمین، مسیری مورب به صورت نشان داده شده در تصویر زیر است.

بنابراین، از دید ناظر زمینی نور مسافت طولانی‌تری را طی می‌کند. مسیری که نور از دید ناظر زمینی طی می‌کند را به شکل مثلث رسم می‌کنیم:

در تصویر فوق، s را با استفاده از قضیه فیثاغورث به‌دست می‌آوریم:

$$D ^ 2 + L ^ 2 = s ^ 2 \\ s = \sqrt { D ^ 2 + L ^ 2 }$$

بنابراین، مسافت طی شده توسط نور از دید ناظر زمینی برابر $$2 \times \sqrt { D ^ 2 + L ^ 2 }$$ است. سرعت نور همواره یکسان و برابر c است. بنابراین، اگر نور مسافت بیشتری را با سرعت یکسانی طی کند ناظر زمینی باید بازه زمانی بزرگ‌تری را اندازه بگیرد. به این پدیده اتساع زمان گفته می‌شود.

$$\triangle t = \frac { 2 \sqrt { D ^ 2 + L ^ 2 } } { c }$$

در نتیجه، ساعت در فضاپیما با سرعت آهسته‌تری نسبت به ساعتِ روی زمین حرکت می‌کند. به همین دلیل، دو ناظر سرعت یکسانی را برای نور به‌دست می‌آورند. رابطه دقیق $$\triangle t _ 0$$ و $$\triangle t$$ را می‌توانیم به‌دست آوریم. مسافت طی شده توسط نور در فضاپیما برابر $$2s$$ و با استفاده از رابطه زیر به‌سدت می‌آید:

$$2s = c \triangle t$$

مسافت طی شده توسط فضاپیما در بازه زمانی $$\triangle t$$ برابر $$2L$$ است. اگر فضاپیما با سرعت $$v$$ حرکت کند، مقدار $$2L$$ برابر است با:

$$2 L = v \triangle t \\ L = \frac { v \triangle t } { 2 }$$

رابطه بین $$\triangle t_0$$ و $$\triangle t$$ به صورت زیر به‌دست می‌آید:

$$L = \frac { v \triangle t } { 2 } , \ s = \frac { c \triangle t } { 2 } , \ D = \sqrt { s ^ 2 - L ^ 2 } \\ \triangle t _ 0 = \frac { 2 D } { c } \\ \triangle t _ 0 = \frac { 2 \sqrt { s ^ 2 - L ^ 2 } } { c } = \frac { 2 \sqrt { (\frac { c \triangle t } { 2 } ) ^ 2 - (\frac {v \triangle t } { 2 } ) ^ 2 } } { c } \\ \triangle t _ 0 = \frac { 2 \sqrt { \frac { c^2 \triangle t ^ 2 } { 4 } - \frac {v ^ 2 \triangle t ^ 2 } { 4 } } } { c }\\ \triangle t _ 0 = \frac { 2 \times \frac { \triangle t } { 2 }\sqrt { c^2 - {v ^ 2 } } } { c }\\ \triangle t _ 0 = \frac { 2 \times \frac { \triangle t } { 2 }\sqrt { c^2 - {v ^ 2 } } } { c } \\\triangle t _ 0 = \frac { { \triangle t } { }\sqrt { c^2 - {v ^ 2 } } } { c } \\ \triangle t_0 = \frac { \triangle t \sqrt { c^ 2 ( 1 - \frac { v ^ 2 } { c ^ 2 })}} { c}\\ \triangle t _ 0 = \triangle t \sqrt { 1 - \frac { v ^ 2 } { c ^ 2 } } \\ \triangle t = \frac { \triangle t _ 0 } { \sqrt { 1 - \frac { v ^ 2 } { c ^ 2 } }}$$

در رابطه به‌دست آمده:

• $$\triangle t _ 0$$ زمان اندازه‌گیری شده توسط ناظر ساکن نسبت به اتفاق (ناظر در فضاپیما)
• $$\triangle t$$ زمان اندازه‌گیری شده توسط ناظر متحرک نسبت به اتفاق (ناظر روی زمین)

مثال اتساع زمان

ستاره‌شناسی در فضاپیمایی قرار دارد که با سرعت $$0.8 \ c$$ حرکت می‌کند. اگر ناظر مدت زمان حرکت فضاپیما با این سرعت را برابر یک سال اندازه‌گیری کند، مدت زمان اندازه‌گیری شده از دید ناظر زمینی چه مقدار است؟

پاسخ

زمان اندازه‌گیری شده توسط ناظر داخل فضاپیما برابر $$\triangle t_0$$ و زمان اندازه‌گیری شده توسط ناظر روی زمین برابر $$\triangle t$$ است:

$$\triangle t = \frac { \triangle t _ 0 } { \sqrt { 1 - \frac { v ^ 2 } { c ^ 2 } }}$$

$$\triangle t_0$$ برابر یک سال و سرعت حرکت فضاپیما برابر $$0.8 \ c$$ است:

$$\triangle t = \frac { \triangle t _ 0 } { \sqrt { 1 - \frac { v ^ 2 } { c ^ 2 } }} \\ \triangle t = \frac { 1 \ year } { \sqrt { 1 - \frac { (0.8 c ) ^ 2 } { c ^ 2 } }} = \frac { 1 \ year } { \sqrt { 1 - 0.64 }} \\ \triangle t _ 0 = \frac { 1 \ year } { 0.6 } = 1.67 \ year$$

یکی از کاربردهای مهمِ اتساع زمان استفاده از محاسبات آن در ماهواره‌های GPS است. در رابطه $$\triangle t = \frac { \triangle t _ 0 } { \sqrt { 1 - \frac { v ^ 2 } { c ^ 2 } }}$$ اگر $$v$$ بسیار کوچک‌تر از c باشد، کسر $$\frac { v ^ 2 } { c ^ 2 }$$ به صفر نزدیک می‌شود. بنابراین:

$$\triangle t_0 = \triangle t$$

از این‌رو، اتساع زمان را روی زمین و به هنگام راه رفتن یا رانندگی احساس نمی‌کنیم، زیرا با سرعتی بسیار کمتر از سرعت نور حرکت می‌کنیم. اما اتساع زمان در سفرهای فضایی به خوبی مشاهده می‌شود. بهترین مثال برای اتساع زمان، مثال پارادوکس دوقلوها است.

پارادوکس دوقلوها

فرض کنید دو برادر دوقلو روی زمین قرار دارند. یکی از آن‌ها سوار فضاپیما می‌شود و سفری فضایی و هیجان‌انگیز را شروع می‌کند. دیگری روی زمین به زندگی کسالت‌بار خود ادامه می‌دهد. فضاپیما در فضا به مدت ده سال حرکت می‌کند. سپس با تغییر مسیر به زمین بازمی‌گردد. اتساع زمان نه‌تنها بر ساعت‌های مکانیکی، بلکه بر ساعت‌های بیولوژیکی نیز تاثیر می‌گذارد.

فضاپیما به زمین بازمی‌گردد. آیا دوقلوها همسن هستند؟ خیر، دوقلوها دیگر همسن یکدیگر نیستند. تناقض هنگامی رخ می‌دهد که چارچوب مرجع لخت را در نظر بگیریم. دوقلوی روی زمین برادر خود را سوار فضاپیما می‌کند و می‌بیند او با سرعت بسیار زیادی در فضا حرکت می‌کند و پس از ۲۰ سال به زمین بازمی‌گردد. بنابراین، دوقلوی داخل فضاپیما جوان‌تر می‌ماند. از دیدِ برادر دوقلوی داخل فضاپیما، زمین با سرعت زیادی از او دور می‌شود و ۲۰ سال دیگر به سمت او برمی‌گردد. بنابراین، دوقلوی روی زمین جوان‌تر می‌ماند. تناقض در اینجا آشکار می‌شود. تنها یکی از دوقلوها می‌تواند از دیگری جوان‌تر بماند. این تناقض هنگامی حل می‌شود که شتاب گرفتن و کاهش شتاب فضاپیما را در نظر بگیریم. زیرا فضاپیما برای دور زدن و بازگشت به زمین باید از سرعت خود بکاهد و سپس آن را افزایش دهد.

هنگامی‌که چارچوب مرجعی با شتاب، حرکت می‌کند دیگر آن را چارچوب مرجع لخت در نظر نمی‌گیریم. چنین چارچوبی، چارچوب مرجع غیرلخت نامیده می‌شود. در این چارچوب نمی‌توانیم از نسبیت استفاده کنیم. بنابراین، زمین را به عنوان چارچوب مرجع لخت انتخاب می‌کنیم. از این‌رو، دوقلویی که با فضاپیما سفر می‌کند، پس از بازگشت به زمین جوان‌تر است. میزان جوان ماندن او به سرعت حرکت فضاپیما وابسته است.

انقباض طول

در مطالب بالا در مورد اتساع زمان و نسبی بود زمان برای ناظرهای مختلف صحبت کردیم. آیا زمان، تنها کمیت نسبی است؟ خیر، طول نیز کمیت نسبی است و برای ناظرهای مختلف، متفاوت به نظر می‌رسد. به بیان دیگر، هنگامی‌که به سرعت نور نزدیک می‌شوید، اندازه‌گیری فضا همانند زمان تغییر خواهد کرد. نسبی بودن طول به این دلیل است که اگر ناظر روی زمین و ناظر داخل فضاپیمای بسیار سریع، زمان‌های متفاوتی را اندازه می‌گیرند، باید مسافت‌های متفاوتی را نیز اندازه بگیرند، زیرا هر دو ناظر با سرعت نسبی بین خود موافق هستند. در سرعت‌های بالا، طول اجسام و مسافت‌ها کوتاه‌تر به نظر می‌رسند. به این پدیده، انقباض طول می‌گوییم. دو فضاپیما را در نظر بگیرید که با سرعت بسیار بالایی از زمین به سمت سیاره‌ای بسیار دور حرکت می‌کنند.

در یکی از فضاپیماها اتفاقات را از دید ناظر زمینی و در دیگری از دید ناظری در اتاق کنترل فضاپیما نگاه می‌کنیم.

ناظر زمینی

ناظر زمینی می‌بیند فضاپیما با سرعت ثابت حرکت می‌کند. از دید او زمان با آهنگ معمولی می‌گذرد و مسافت طی شده توسط فضاپیما را برابر $$L_0$$ اندازه می‌گیرد. به این طول، طول سکون می‌گوییم.

ناظر در فضاپیما

در فضاپیما، تنها چیزِ مشابه، سرعت نسبی $$v$$ است. $$v$$ سرعت نسبی زمین و مقصد نسبت به یکدیگر است، زیرا آن‌ها نسبت به فضاپیما حرکت می‌کنند. از آنجا که این سرعت باید برای ناظر زمینی نیز یکسان باشد، کمیت‌های دیگر باید متفاوت باشند. به دلیل پدیده اتساع زمان، بازه زمانی باید متفاوت باشد. در این حالت، مسافت بین دو سیاره منقبض می‌شود و آن را با L نشان می‌دهیم. رابطه بین L و $$L_0$$ با استفاده از معادله زیر به‌دست می‌آید:

$${L = L_ 0 \sqrt { 1 - \frac { v ^ 2 } { c ^ 2 }$$

نه‌تنها دو ناظر مسافت بین زمین و سیاره مقصد را متفاوت اندازه می‌گیرند، بلکه طول فضاپیما از دید هر کدام متفاوت است. ناظر زمینی فضاپیما را بسیار کوچک‌تر می‌بیند. در واقع، اختلاف در مشاهده طول، اتساع زمان را توضیح می‌دهد. همچنین، انقباض طول، پدیده‌های رخ داده در اطراف برخی ذرات متحرک با سرعت بالا را توضیح می‌دهد. زیرا در سرعت‌های بسیار بالا و نزدیک به سرعت نور، زمان آهسته و مسافت طی شده کوتاه می‌شود. به عنوان مثال، ذراتی مانند میون با طول عمری برابر چند میلیونیوم ثانیه در حالت سکون، به هنگام حرکت با سرعتی نزدیک به سرعت نور می‌توانند طول عمر بیشتری داشته باشند و مسافت بیشتری حرکت کنند.

هم ارزی جرم و انرژی

تاکنون در مورد دو مفهوم عجیب و جالب در نسبیت خاص صحبت کردیم، اتساع زمان و انقباض طول. در این بخش در مورد یکی از معروف‌ترین معادلات به‌دست آمده در فیزیک، یعنی هم‌ارزی جرم و انرژی، صحبت می‌کنیم. معادله $$E = m c ^ 2$$ یکی از معروف‌ترین معادلات نه‌تنها در فیزیک، بلکه در تمام علوم است. معنای این معادله چیست؟ این معادله، هم‌ارزی جرم و انرژی را نشان می‌دهد. بر طبق این معادله، انرژی برابر حاصل‌ضرب جرم در مربع سرعت نور است. شاید از خود بپرسید رابطه بین سرعت نور با انرژی و جرم چیست. مخصوصا این‌که نور هیچ جرمی ندارد. در واقع جرم و انرژی به صورت جدایی‌ناپذیری در هم تنیده شده‌اند. از فیزیک کلاسیک می‌دانیم تکانه با استفاده از رابطه $$p = mv$$ به‌دست می‌آید. با افزایش سرعت، تکانه نیز افزایش می‌یابد.

اگر سرعت حرکت جسم به سرعت نور نزدیک شود، اثرات نسبیتی آشکار می‌شود. در این حالت باید تکانه نسبیتی را در نظر بگیریم. تکانه نسبیتی با استفاده از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

$$p = \frac { m v } { \sqrt { 1 - \frac { v ^ 2 } { c ^ 2 } }}$$

با افزایش $$v$$ و نزدیک شدن آن به سرعت نور، کسر $$\frac { v ^ 2 } { c ^ 2 }$$ افزایش و$$\sqrt { 1 - \frac { v ^ 2 } { c ^ 2 }}$$ کاهش می‌یابد. در نتیجه، تکانه در کل افزایش خواهد یافت. مربع تکانه نسبیتی ناوردایی لورنتس نام دارد و در تمام چارچوب‌های مرجع لخت پایسته می‌ماند. در سرعت‌های بسیار کمتر از سرعت نور، تفاوت بسیار اندکی بین تکانه نسبیتی و تکانه غیرنسبیتی وجود دارد که می‌توان از آن چشم‌پوشی کرد. به همین دلیل، نسبیت خاص و نتیجه‌های آن را در زندگی روزمره مشاهده نمی‌کنیم. هنگامی‌که جسمی با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند، تکانه آن به صورت نمایی افزایش می‌یابد. هرچه سرعت حرکت افزایش یابد، مقدار تکانه نیز بیشتر می‌شود تا جایی که مقدار تکانه به بی‌نهایت نزدیک شود.

افزایش تکانه با افزایش سرعت و نزدیک شدن آن به بی‌نهایت در سرعت‌های نزدیک به سرعتِ نور بهترین توضیح برای آن است که چرا هیچ جسمی در جهان نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند. زیرا برای آن‌که بتوانیم هر جسمی با جرم محدود را تا سرعت نور شتاب دهیم به مقدار بی‌نهایت انرژی نیاز داریم. معادله $$E = m c ^ 2$$ کاربردهای زیادی دارد. یکی از مهم‌ترین نتیجه‌های این معادله، هم‌ارزی جرم و انرژی است. جرم، انرژی است، بنابراین می‌توانیم جرم را به فهرست انواع انرژی اضافه کنیم. تبدیل جرم به انرژی از طریق فرایند هسته‌ای، نیروی قدرتمندی است.

نسبیت عام

تاکنون در مورد فیزیک کوانتوم و نسبیت خاص، دو شاخه مهم فیزیک جدید صحبت کردیم. اینشتین ‌نه‌تنها نسبیت خاص، فیزیک در سرعت‌های بسیار زیاد و نزدیک به سرعت نور را مطرح کرد و فرمول‌های حاکم بر آن را به‌دست آورد، بلکه در مورد هندسه فضا و نیروی گرانش در فیزیک نیز صحبت کرد. این شاخه از فیزیک نسبیت عام نامیده شد و تصور عام از گرانش را تغییر داد. نسبیت عام، ده سال پس از نسبیت خاص و در سال ۱۹۱۶ میلادی مطرح و فرمول‌بندی شد. فرمول‌بندی کامل نسبیت عام نیازمند ریاضیات بسیار پیچیده‌ای است.

اما بدون توجه به ریاضیات پیچیده حاکم بر نسبیت عام می‌توانیم برخی مفاهیم نسبیت عام را توضیح دهیم. تا قرن‌ها تصور بر این بود که جهان از هندسه اقلیدسی پیروی می‌کند. بر طبق این هندسه، خطوط موازی هرگز یکدیگر را قطع نمی‌کنند و مجموع زوایای داخلی مثلث برابر ۱۸۰ درجه است. اینشتین در نسبیت عام نشان داد خطوط موازی می‌توانند یکدیگر را قطع کنند و مجموع زوایای داخلی مثلث می‌تواند برابر ۱۸۰ درجه نباشد.

فرض کنید کاغذی صاف دارید و شکلی روی آن رسم کرده‌اید، با خم کردن کاغذ، شکل رسم شده روی کاغذ را می‌توانیم تغییر دهیم. فضا در اطراف جسمی با جرم مشخص نیز خمیده می‌شود. خم شدن فضا را نمی‌توانیم به صورت فیزیکی مشاهده کنیم. مغز ما تنها می‌تواند فضای سه‌بعدی را درک کند. بنابراین، بهترین راه برای تصور خمیدگی فضا استفاده از مثال‌های روزمره، مانند خم شدن کاغذ، است. با این توصیف به این نتیجه می‌رسیم که جهان از هندسه اقلیدسی پیروی نمی‌کند. خطوط موازی به هنگام عبور از فضا زمان خمیده، یکدیگر را قطع می‌کنند. اینشتین به هنگام تلاش برای گسترش نسبیت خاص، نسبیت عام را مطرح کرد. نسبیت خاص، تنها می‌تواند در چارچوب‌های مرجع لخت استفاده شود. در مقابل، نسبیت عام را می‌توان در تمام چارچوب‌های مرجع استفاده کرد. به همین دلیل به آن نسبیت عام گفته می‌شود.

یکی از نتیجه‌ها نسبیت عام و کاربرد آن در تمام چارچوب‌های مرجع آن است که منشأ شتاب هیچ تاثیری روی نیرو ندارد. به عنوان مثال، فضاپیمایی در فضا را در نظر بگیرید که با شتاب ۹٫۸ متر بر مجذور ثانیه حرکت می‌کند. نیروی وارد شده بر ناظرِ داخلِ فضاپیما به طور دقیق برابر نیروی گرانشی وارد شده بر ناظر روی زمین است. نسبیت عام، قانون جهانی گرانش نیوتن را به طور قابل‌ملاحظه‌ای بهبود بخشید. نیوتن، قانون جهانی گرانش را مطرح کرد، اما نمی‌دانست مفهوم آن چیست یا چگونه پخش می‌شود. اکنون می‌دانیم گرانش، همان خمیدگی فضا زمان است که مسیر حرکت اجسام را تغییر می‌دهد. خمش فضا زمان در اطراف جسمی با جرم زیاد همانند قرار دادن توپی فلزی روی غشایی نازک است. با قرار دادن توپ روی غشا، غشا خمیده می‌شود به گونه‌ای که میزان خمیدگی در اطراف توپ بسیار زیاد است. اگر جسمی را روی غشا قرار دهیم به سمت توپ فلزی و قسمت خمیده شده غشا حرکت می‌کند.

خمیدگی فضا زمان در اطراف اجسام کلان‌جرم، گرانش را به وجود می‌آورد. این بدان معنا است که اجسام کلان‌جرم تمایل به حرکت و جذب شدن توسط اجسامِ کلان‌جرمِ دیگر دارند. با استفاده از نسبیت عام به راحتی می‌توانیم گردش سیاره‌ها به دور خورشید در منظومه‌شمسی یا افتادن جسم روی زمین را به راحتی توصیف کنیم. بنابراین، فضا دیگر فضایی تهی نیست. همچنین، زمان کمیتی جدا از فضا نیست. فضا و زمان در کنار یکدیگر، فضا زمان را می‌سازند. فضا زمان به ماده می‌گوید چگونه حرکت کند و ماده به فضا زمان می‌گوید چگونه خم شود. نسبیت عام، همانند نسبیت خاص، توسط آزمایش‌های تجربی بسیاری تایید شده است. یکی از مهم‌ترین نتایج به‌دست آمده از نسبیت عام آن است که نور در اطراف جسمِ کلان جرم روی خط راست حرکت نمی‌کند و مسیری خمیده را طی می‌کند. نسبیت عام نظریه بسیار قوی و محکمی است، اما کامل نیست. زیرا این نظریه هنوز با دنیای ذرات کوانتومی ادغام نشده است. به بیان دیگر، هنوز نمی‌دانیم چگونه نسبیت عام را می‌توان با فیزیک کوانتوم تطبیق داد.

الکترودینامیک کوانتومی

در بخش‌های قبل با نسبیت عام و نسبیت خاص و دیدگاه این دو نظریه نسبت به فضا و زمان و ارتباط آن‌ها با یکدیگر آشنا شدیم. در این بخش، بار دیگر به جهان کوانتومی برمی‌گردیم و در مورد ذرات بنیادی صحبت می‌کنیم. در فیزیک کلاسیک با نیروهای میدانی مانند الکترومغناطیس و گرانش آشنا شدیم. این دو نیروهایی هستند که میدان‌های گرانشی یا الکترومغناطیسی بر جسمی دلخواه نیرو وارد می‌کنند و شتابی مشخص به آن جسم می‌دهند. با ظهور فیزیک کوانتوم، این نیروها دوباره تعریف شدند. بعدها مشخص شد ایده میدان، ایده‌ای منسوخ شده است. در واقع، به جای استفاده از واژه میدان برای این نیروها، آن‌ها را به صورت برهم‌کنش گروه مشخصی از ذرات تعریف می‌کنیم.

نخستین گام در این راه توسط فیزیک‌دانی به نام «ریچارد فاینمن» (Richard Feynman)‌ برداشته شد. فاینمن و همکارانش این فرضیه را در نظر گرفتند که نیروی الکترومغناطیسی توسط میدان‌های الکترومغناطیسی هدایت نمی‌شود، بلکه این نیرو توسط برهم‌کنش بین فوتون‌های مجازی هدایت می‌شود. از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ بین انرژی و زمان به یاد داریم:

$$(\triangle E ) ( \triangle t ) \geq \frac { h } { 4 \pi }$$

بر طبق این اصل، ذرات کوچکی از انواع مختلف می‌توانند از هیچ به وجود بیایند. به این ذرات، ذرات مجازی می‌گوییم. اگر ذرات بارداری مانند الکترون و پروتون بتوانند ذرات مجازی ایجاد کنند، دافعه و جاذبه میان ذرات با بار الکتریکی می‌تواند توسط تبادل تکانه به هنگام برخورد بین فوتون‌های مجازی و ذرات معمولی، توضیح داده شود. با این توضیح، نیازی به استفاده از مفهوم میدان الکترومغناطیسی نیست. این بدان معنا است که الکترومغناطیس کلاسیک می‌تواند توسط کوانتا و اصول مکانیک کوانتوم توضیح داده شود. از آنجا که نور موضوع اصلی نسبیت خاص است، ترکیب نسبیت خاص و فیزیک کوانتوم با یکدیگر (QED)، به خوبی توانست بسیاری از پدیده‌های فیزیکی مربوط به نور را توضیح دهد. برای توضیح تبادل ذرات مجازی، فاینمن سیستمی به نام نمودارهای فاینمن را برای نمایش پدیده‌های کوانتومی طراحی کرد.

در این نمایش بسیار ساده، خط مستقیم، الکترون را نشان می‌دهد. همان‌گونه که می‌دانیم الکترون، جرم و بار الکتریکی دارد. خط موجی یا سینوسی، فوتون را نشان می‌دهد. فوتون جرم و بار الکتریکی ندارد. تقاطع بین خط مستقیم و خط موجی نشان‌دهنده جذب یا تشعشع فوتون مجازی توسط الکترون است. این نمودارها نسخه ساده شده سیستم‌های واقعی هستند. این نمودارها تمام اطلاعات سیستم‌های یک یا دو الکترونی را نشان نمی‌دهند. اما این نمودارها به ساده‌ترین صورت نشان می‌دهند که دو الکترون می‌توانند به یکدیگر نزدیک شوند و مسیر حرکت آن‌ها به دلیل تبادل یک یا بیشتر از یک فوتون مجازی، منحرف می‌شود. توجه به این نکته مهم است که ریاضیات بسیار پیچیده‌ای در پس‌زمینه این نمودارهای ساده پنهان شده است.

نتیجه اصلی الکترودینامیک کوانتومی آن است که نیروی الکترومغناطیسی را نتیجه تبادل ذرات یا کوانتا می‌داند تا میدان. الکترودینامیک کوانتومی تلاش می‌کند تمام نیروهای بنیادی را براساس کوانتا توضیح دهد. در ادامه این بخش در مورد مابقی نیروها صحبت می‌کنیم.

کرومودینامیک کوانتومی

در بخش قبل دیدیم چگونه الکترودینامیک کوانتومی، نیروی الکترومغناطیسی را براساس کوانتا توضیح می‌دهد. علاوه بر نیروی الکترومغناطیسی، سه نیروی بنیادی دیگر نیز وجود دارند:

• نیروی هسته‌ای ضعیف
• نیروی هسته‌ای قوی
• گرانش

برای آن‌که نگاه منسجمی از کیهان داشته باشیم باید بتوانیم هر یک از این نیروها را براساس الکترودینامیک کوانتومی توضیح دهیم. برای نیروهای هسته‌ای باید با نوع جدیدی از ذرات آشنا شویم، کوارک‌ها. شیمی‌دانی‌ به نام جی. جی. تامسون با انجام آزمایشی به نام پرتو کاتدی نشان داد اتم‌ها کوچک‌ترین ذرات در جهان نیستند. تامسون در این آزمایش به وجود الکترون‌ها در اتم پی برد. سال‌ها بعد مشخص شد که اتم‌ها از ذراتی به نام الکترون، نوترون و پروتون ساخته شده‌اند. اما این ذرات نیز کوچک‌ترینِ ذرات کیهان نیستند و از ذرات کوچک‌تری به نام کوارک ساخته شده‌اند. کوارک‌ها انواع مختلفی دارند. به بیان دیگر، کوارک‌ها به شکل سه بار رنگی، به رنگ‌های قرمز، سبز و آبی وجود دارند. به این نکته توجه داشته باشید که کوارک‌ها واقعا به این رنگ نیستند، بلکه برای شناسایی راحت‌تر آن‌ها از این نمادهای رنگی استفاده می‌شود.

کروم در زبان لاتین به معنای رنگی است. بنابراین، کرومودینامیک کوانتومی نام نظریه میدان کوانتومی است که با کوارک‌ها برخورد دارد. پروتون و نوترون، هر یک از سه نوع کوارک ساخته شده‌اند. این کوارک همیشه به یکدیگر مقید هستند. کوارک‌ها با بارهای رنگی متفاوت یکدیگر را جذب می‌کنند. این حالت مشابه نیروی الکترومغناطیسی بین دو ذره با بار ناهمنام است. نیروی مغناطیسی با افزایش فاصله دو ذره باردار از یکدیگر، ضعیف می‌شود. اما جاذبه بین کوارک‌ها با فاصله گرفتن آن‌ها از یکدیگر، قوی‌تر خواهد شد. بنابراین کوارک‌ها همواره به یکدیگر چسبیده‌اند. پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین و نوترون از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین ساخته شده‌اند. بار الکتریکی کوارک بالا برابر $$+ \ \frac { 2 } { 3 }$$ و کوارک پایین برابر $$- \ \frac { 1 } { 3 }$$ است.

از آنجا که پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین و نوترون از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین ساخته شده‌اند، بار الکتریکی آن‌ها به ترتیب برابر ۱+ و صفر است. کوارک‌ها علاوه بر بالا و پایین، انواع دیگری نیز دارند.

• کوارک سر
• کوارک ته
• کوارک افسون
• کوارک شگفت

هر یک از این کوارک‌ها ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود را دارند. باید به این نکته توجه داشته باشیم که نیروی جاذبه بین کوارک‌ها، ذرات داخل هسته را کنار یکدیگر نگه داشته است. نیروی هسته‌ای قوی پروتون‌ها با بار مثبت را کنار یکدیگر نگه داشته است و بر نیروی الکترومغناطیسی دافعه غلبه می‌کند. همان‌طور که الکترودینامیک کوانتومی نشان می‌دهد نیروی الکترومغناطیسی توسط فوتون‌های مجازی حمل می‌شود. همچنین، کرومودینامیک کوانتومی نشان می‌دهد حامل نیروی هسته‌ای قوی، گلوئون‌ها هستند. تبادل گلوئون بین کوارک‌ها با رنگ‌های متفاوت همان چیزی است که نیروی هسته‌ای قوی را ایجاد می‌کند. همان‌طور که می‌بینیم نظریه میدان کوانتومی بسیار پیچیده‌تر می‌شود. گسترش فیزیک کوانتوم همراه با خود ذرات جدیدی را به میدان آورد. این ذرات باید طبقه‌بندی و ویژگی‌های آن‌ها شناسایی شوند. مدلی برای طبقه‌بندی تمام این ذرات معرفی شد.

مدل استاندار ذرات بنیادی

هزاران سال قبل این اندیشه حاکم بود که جهان از زمین، هوا، آب و آتش ساخته شده است. پس از ظهور علم دانشمندان به این نتیجه رسیدند که این زمین، هوا، آب و آتش عناصر اصلی و بنیادی سازنده جهان نیستند. هر چیزی روی زمین از اتم‌های عناصر مختلف، مانند کربن، اکسیژن و ده‌ها عنصر دیگر، ساخته شده است. اتم‌ها نیز کوچیک‌ترین اجزای سازنده ماده نیستند. اتم‌ها از ذرات کوچک‌تری به نام الکترون، نوترون و پروتون ساخته شده‌اند. آغاز فیزیک جدید و پیشرفت فیزیک کوانتوم به همراه آن سبب کشف ذرات جدیدی شد. نظریه‌های جدیدی برای توصیف این ذرات جدید مطرح شدند. نظریه‌های مطرح شده وجود ذرات جدیدی دیگری را نیز پیش‌بینی کردند.

در آزمایش‌های پیشرفته و جدید در شتاب‌دهنده ذرات بنیادی با استفاده از مفهوم معادله معروف $$E = m c ^ 2$$، ذرات بنیادی با انرژی بسیار بالا به یکدیگر برخورد می‌کنند و در نتیجه این برخورد، ذرات جدیدی تولید می‌شوند. ذرات بسیاری در قرن بیستم میلادی فرض و در ادامه تایید شدند. اگر تعداد ذرات بسیار زیاد باشد، طبقه‌بندی آن‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. به مدل توصیف‌کننده تمام این ذرات، مدل استانداد ذرات بنیادی گفته می‌شود. در ادامه، کمی در مورد این مدل به زبان ساده صحبت می‌کنیم. تمام ذرات در کیهان به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند:

1. بوزون‌ها
2. فرموین‌ها

فرمیون‌های ذراتِ سازنده ماده و بوزون‌ها ذراتِ واسطه نیرو هستند. فرمیون‌ها نیز به دو نوع ذره تقسیم می‌شوند:

• کوارک‌ها
• لپتون‌ها

کوارک‌ها سازنده ذرات زیراتمی مانند پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند. لپتون‌ها گروه دیگری از ذرات جرم‌دار هستند که از کوارک‌ها ساخته نشده‌اند، مانند الکترون‌ها. بوزون‌ها ذراتِ واسطه نیرو و عبارت هستند از:

• فوتون‌ها: ذرات واسطه نیروی الکترومغناطیسی هستند.
• بوزون‌های دبلیو و زی: واسطه نیروی هسته‌ای ضعیف هستند.
• گلوئون‌ها: واسطه نیروی هسته‌ای قوی هستند.
• گراویتون‌ها: ذرات فرضی که هنوز وجود آن‌ها از نظر تجربی به اثبات نرسیده است و واسطه گرانش هستند.

لپتون‌ها به تنهایی پایدار هستند، اما کوارک‌ها این‌گونه نیستند. کوارک‌ها با یکدیگر ترکیب و ذره‌ای به نام هادرون می‌سازند. هادرون‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند:

• باریون‌ها
• مزون‌ها

پروتون‌ها و نوترون‌ها مثال‌هایی از باریون‌ها هستند. تا اینجا با انواع کوارک‌ها، لپتون‌ها و بوزون‌ها آشنا شدیم. ذره بوزون هیگز نیز مسئول بخشیدن جرم به ذرات بنیادی دیگر است. جرم سکون این ذرات برحسب واحدهای مگا الکترون‌ولت یا گیگا الکترون‌ولت بیان می‌شود.

در مطالب بالا اشاره شد که ذرات مجازی به دلیل اصل عدم قطعیت هایزنبرگ می‌توانند به وجود بیایند. این ذرات بدون علت ظاهر می‌شوند. تنها به دلیل احتمال، صرف برای وجود داشتن ظاهر می‌شوند. اما برای انجام این کار همواره از تقارن پیروی می‌کنند. این ذران به صورت جفت ظاهر می‌شوند. یکی از ذرات ظاهر شده را ماده معمولی و دیگری را پاد ماده یا ضد ماده در نظر می‌گیریم. بنابراین، تشکیل الکترون بدون به وجود آمدن همتای پاد ماده آن به نام پوزیترون امکان‌پذیر نیست. جرم‌های الکترون و پوزیترون با یکدیگر برابر، اما بار الکتریکی آن‌ها با یکدیگ متفاوت است. ضد ماده‌های پروتون و نوترون، آنتی‌پروتوم و آنتی‌نوترونی نام دارند. جدول ذرات بنیادی با در نظر گرفتن پاد ذره‌های بسیار بزرگ‌تر می‌شود.

گرانش کوانتومی

گرچه نیروی گرانش اولین نیروی بنیادی بود که انسان آن را به رسمیت شناخت، اما درک آن نسبت به نیروهای بنیادی دیگر بسیار سخت‌تر است. فیزیک‌دان‌ها با دقت بالایی می‌توانند اثر نیروی گرانش را بر توپ، ستاره‌ها و سیاره‌ها پیش‌بینی کنند. اما برهم‌کنش این نیرو با ذرات بسیار کوچک یا کوانتا، شناخته نشده است. بر طبق نظر بیان شده توسط فیزیک‌دان‌های نظری، اگر نظریه‌ای به نام گرانش کوانتومی وجود نداشت، جهان، تنها آشوب و هر چیزی در آن تصادفی بود.

گرچه این‌گونه به نظر می‌رسد که تمام مشاهده‌های واقعی توسط فیزیک کوانتوم و نسبیت عام قابل توصیف هستند، اما این دو نظریه نمی‌توانند همزمان، صحیح باشند. این دو نظریه باید در نظریه واحدی به نام نظریه گرانش کوانتومی با یکدیگر یکی شوند. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چرا پس از گذشت یک قرن از اتحاد این دو شاخه از فیزیک و بررسی آن توسط بزرگ‌ترین فیزیک‌دان‌های قرن، این نظریه بسیار سخت و دور از دسترس به نظر می‌رسد.

از نخستین دهه‌های قرن بیستم میلادی به عنوان عصر طلایی فیزیک یاد شده است. در ابتدا، نسبیت اینشتین دید ما نسبت به فضا، زمان، حرکت و گرانش را به طور کلی تغییر داد. همچنین، فیزیک کوانتوم بینش جدیدی در مورد دنیای ذرات زیراتمی به ما داد. این دو نظریه، به طور تقریب بسیاری از مشاهدات فیزیکی در دنیای واقعی را توضیح می‌دهند، اما در سطح بنیادی با یکدیگر در تضاد هستند. فیزیک‌دان‌ها از حدود ۱۰۰ سال قبل تاکنون در تلاش هستند که فیزیک کوانتوم را با نسبیت آشتی دهند. ترکیب این دو شاخه از فیزیک، سبب ایجاد نظریه‌ جدیدی در فیزیک به نام نظریه گرانش کوانتومی شد، نظریه‌ای که سعی در توصیف تمام مشاهدات فیزیکی دارد.

این‌گونه به نظر می‌رسد که فیزیک کوانتوم و نسبیت عام، تمام پدیده‌های واقعی و قابل‌مشاهده را توصیف می‌کنند، گرچه هر دو نظریه به طور همزمان صحیح نیستند. این دو نظریه باید در نظریه عمیق‌تری به نام گرانش کوانتومی با یکدیگر یکی شوند. نظریه گرانش کوانتومی در حدود یک قرن قبل مطرح شد و بزرگ‌ترین فیزیک‌دان‌های قرن روی آن کار کردند، اما هنوز یکی از بزرگ‌ترین معماهای علم فیزیک است و پرسش‌های بی‌پاسخ زیادی در مورد این نظریه وجود دارند. از نخستین دهه‌های قرن بیستم میلادی به عنوان دوران طلایی فیزیک یاد می‌شود. در ابتدا، اینشتین نظریه نسبیت را مطرح کرد و بینش فیزیک‌دان‌های آن زمان را نسبت به فضا، زمان، حرکت و گرانش به طور کلی متحول ساخت. در ادامه، در دهه‌های ۲۰ و ۳۰ میلادی، فیزیک کوانتوم مطرح شد و انقلاب بزرگی در مقیاس اتمی ایجاد کرد. این دو نظریه با یکدیگر به ما کمک می‌کنند هر پدیده بنیادی مشاهده شده را توضیح دهیم.

همچنین، این دو نظریه بسیاری از پدیده‌های غیر قابل‌انتظار را پیش‌بینی کردند که برخی از آن‌ها به اثبات رسیده‌اند. به این موضوع توجه داشته باشید که این دو نظریه یکدیگر را از نظر بنیادی نقض می‌کنند. به عنوان مثال، در فیزیک کوانتوم این‌گونه به نظر می‌رسد که برخی پدیده‌ها، سریع‌تر از سرعت نور رخ می‌دهند. در حدود یک قرن از دوران طلایی فیزیک می‌گذرد و در تمام این مدت فیزیک‌دان‌های بسیاری در تلاش بوده‌اند این دو نظریه را با یکدیگر آشتی دهند، اما تاکنون موفقیت چشم‌گیری در این زمینه به‌دست نیامده است. در این بخش در مورد ترکیب و یکی کردن گرانش و فیزیک کوانتوم و پیدایش نظریه‌ای به نام نظریه گرانش کوانتومی یا نظریه همه چیز، صحبت خواهیم کرد. در ابتدا، تعارض‌ها و کشمکش‌های بین فیزیک کوانتوم و نسبیت عام را توضیح می‌دهیم.

آینده سفر در فضا

به طور قطع به سفر در فضا و آینده آن فکر کرده‌اید. تصور این‌که چه جهانی پس از سفر در فضا به انتظار ما است بسیار سخت خواهد بود. اگر میلیاردها ستاره در کهکشان راه شیری و میلیاردها کهکشان در جهان قابل‌مشاهده وجود داشته باشند، این بدان معنا است که تعداد بسیار زیادی سیاره در خارج از منظومه‌شمسی وجود دارند. سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که سفر در فضا چگونه است و با چه امکاناتی این کار انجام می‌شود. سال‌ها قبل انسان به ماه سفر کرد و پس از آن وسایل اکتشافی زیادی به نقاط مختلف منظومه‌شمسی فرستاده شدند. با امکانات کنونی، سفر به خارج از منظومه‌شمسی بسیار طولانی و زمان‌گیر خواهد بود. برای انجام این کار به چه امکاناتی نیاز داریم؟ برای پاسخ به این پرسش قوانین پایه فیزیک را با یکدیگر مرور می‌کنیم.

بر طبق قانون دوم نیوتن، مجموع نیروهای وارد شده بر جسم برابر حاصل‌ضرب جرم جسم در شتاب حرکت آن است:

$$F = ma$$

بر طبق معادله فوق اگر بخواهیم جسمی با شتاب بزرگ‌تری حرکت کند می‌توانیم:

• نیروی اعمال شده بر جسم را افزایش می‌دهیم.
• جرم جسم را کاهش می‌دهیم.

به همین دلیل با صرف هزینه‌های سنگین سعی می‌شود تمام وسایل داخل فضاپیما جرم بسیار کمی داشته باشند. زیرا می‌خواهیم تمام نیروی موتور صرف حرکت فضاپیما با سرعت بسیار زیاد شود. اما محدودیت واضحی برای رسیدن به این هدف وجود دارد. سرعت ذرات زیراتمی، مانند الکترون، را می‌توانیم تا نزدیک به سرعت نور افزایش دهیم، اما هیچ انسانی را نمی‌توانیم تا این ابعاد کوچک کنیم. بنابراین، بهتر است تمرکز اصلی روی افزایش نیروی موتور برای افزایش سرعت فضاپیما باشد. امروزه در بیشتر فضاپیماها از احتراق و سوختن هیدروکربن‌ها برای تامین نیروی لازم برای پرواز فضاپیماها استفاده می‌شود. اما راه بهتری نیز وجود دارد، انرژی هسته‌ای. برای انجام این کار از فرایندهای شکافت یا همجوشی هسته‌ای استفاده می‌کنیم. با استفاده از انرژی هسته‌ای می‌توانیم با سرعتی بسیار بزرگ‌تر در فضا حرکت کنیم و حتی به خارج از منظومه‌شمسی برویم.

در موتورهای فضاپیما می‌توان از نابودی ماده و پادماده نیز استفاده کرد. در این حالت، ماده به انرژی خالص تبدیل می‌شود و فضاپیما می‌تواند با سرعت زیادی حرکت کند. بادبان‌های خورشیدی راه دیگری برای افزایش سرعت فضاپیماها هستند. این بادبان‌ها انرژی دریافتی از خورشید را ذخیره می‌کنند. با راکت‌های جدید به خوبی می‌توانیم منظومه‌شمسی را طی و اطلاعات جدیدی به‌دست آوریم. اما این راکت‌ها نیز کافی نیستند. حتی با وجود این امکانات، رسیدن به نزدیک‌ترین ستاره خارج از منظومه‌شمسی سال‌ها به طول می‌انجامد. چگونه می‌توانیم سریع‌تر حرکت کنیم؟ متاسفانه بر طبق نسبیت خاص، هیچ جسمی در کیهان نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند. این محدودیت سرعت سبب انسجام کیهان و هم‌خوانی آن با واقعیت می‌شود. عدم توانایی ما در افزایش سرعت فراتر از سرعت نور، هیچ ربطی به تکنولوژی ندارد. این محدودیت، تنها به چگونگی عملکرد کیهان مربوط می‌شود.

نسبیت خاص اینشتین اتفاقات عجیب به هنگام نزدیک شدن به سرعت نور را تشریح می‌کند:

• گذر زمان آهسته می‌شود.
• طول کاهش می‌یابد.
• جرم افزایش می‌یابد.

برای آن‌که سرعت جسمی با جرم محدود را بتوانیم تا سرعت نور افزایش دهیم به مقدار انرژی بی‌نهایت نیاز داریم. فراتر از سرعت نور ما را به پوچی می‌رساند. هرگز نمی‌توانیم سریع‌تر از سرعت نور حرکت کنیم. این محدودیت کمی آزاردهنده است. زیرا حتی نور که با بیشترین سرعت در کیهان حرکت می‌کند در حدود ۱۰۰ هزار سال طول می‌کشد تا از یک سوی کهکشان راه شیری به سوی دیگر برود. همچنین، کهکشان‌های بسیاری در فاصله نسبتا زیادی از کهکشان راه شیری قرار دارند و سفر به تمام آن‌ها نیاز به زمان زیادی دارد. آیا راه گریزی برای حل این مشکل و سفر به کهکشان‌های دور وجود دارد؟ بله وجود دارد، کرم‌چاله‌ها. کرم‌چاله شکافی در فضا زمان است. در اینجا نظریه نسبیت اینشتین وارد میدان می‌شود.

بر طبق این نظریه، فضا و زمان یکی هستند و در نزدیکی اجسام کلان‌جرم خمیده می‌شود. اگر فضا زمان در اطراف جسمِ کلان‌جرم خمیده می‌شود، با داشتن انرژی به اندازه کافی بزرگ می‌توانیم شکافی در آن ایجاد کنیم. به این نکته توجه داشته باشید که جرم و انرژی هم‌ارز و معادل یکدیگر هستند. بر طبق فرضیه‌ای بیان شده می‌توان شکافی در فضا و زمان ایجاد کرد و از میان آن از نقطه‌ای از کیهان به نقطه دیگر سفر کرد. این فرضیه، نسبیت خاص را نقض نمی‌کند، زیرا هیچ چیز نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند. در واقع، فضاپیما لازم نیست سریع‌تر از هواپیماهای معمولی حرکت کند. سفر در کرم‌چاله می‌تواند همانند سفر از طریق راه میان‌بر باشد. این حالت شبیه بازی قارچ‌خوار و استفاده ماریو از لوله‌ها برای رفتن از نقطه‌ای به نقطه دیگر است.

معادلات نوشته شده برای کرم‌چاله‌ها نشان می‌دهد که انرژی موردنیاز برای ایجاد شکاف در فضا زمان بسیار زیاد است و دست‌یابی به این انرژی کار بسیار سختی است.

در مطالب بالا اشاره کردیم اوایل قرن بیستم میلادی انقلابی در فیزیک رخ داد و فیزیک جدید ظاهر شد. فیزیک جدید از شاخه‌های مختلفی مانند فیزیک کوانتوم، نسبیت خاص، نسبیت عام، کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات بنیادی تشکیل شده است. در مطالب بالا در مورد فیزیک کوانتوم، نسبیت خاص، نسبیت عام و مدل استاندارد ذرات صحبت کردیم. در ادامه، کیهان‌شناسی نوین را به صورت خلاصه و به زبان ساده توضیح می‌دهیم.

کیهان شناسی چیست ؟

به مطالعه جهان به صورت کلی، کیهان‌شناسی گفته می‌شود. جهان هر چیزی است که وجود دارد و نام دیگر آن کیهان است. بیگ‌بنگ نام علمی آغاز زمان است. به یاد داشته باشید که زمان قسمتی از مدل فیزیکی است که در مورد آن صحبت می‌کنیم. این مدل، قبل از بیگ‌بنگ کار نمی‌کند و غیرقابل‌استفاده است. بنابراین، نمی‌توانیم با اطمینان بگوییم بیگ‌بنگ آغاز همه چیز است، اما می‌دانیم انفجار بزرگ آغاز زمان، به عنوان مفهومی که در فیزیک می‌شناسیم، است.

بیگ‌بنگ در حدود ۱۳٫۸ میلیارد سال قبل رخ داد. سوالی که مطرح می‌شود آن است که بیگ‌بنگ چیست؟ این انفجار بزرگ ممکن است حاصل انبساط و انفجار نقطه‌ای با جرم بسیار زیاد باشد. به بیان دیگر، انرژی و فضا از نقطه‌ای تکی و در یک لحظه آفریده شدند. به این نقطه، تکینگی می‌گوییم.

تمام کیهان ابتدا در نقطه‌ای به نام نقطه تکینه جمع شده بود و پس از انفجار و گذشت ۱۳/۸ میلیارد سال به شکل کنونی درآمده است. در مورد بیگ‌بنگ تصورات غلطی وجود دارد که باید در مورد آن‌ها صحبت کنیم:

• بیگ‌بنگ انفجار نیست. این‌که بیگ‌بنگ را انفجاری بزرگ در آغاز جهان تصور کنیم طبیعی است، زیرا در ابتدا دمای نقطه تکینه بسیار بالا بود و با سرعت بسیاری زیادی منبسط شد. بنابراین، بیگ‌بنگ مانند انفجار به نظر می‌رسد، اما در واقعیت کیهان بسیار کوچک و تمام انرژی و ماده در نقطه‌ای کوچک جمع شده بودند. دمای این نقطه بسیار زیاد بود. بنابراین، بیگ‌بنگ همانند ترکیدن بادکنک نیست، بلکه مشابه باد کردن آن است.
• تکینگی جایی در فضا نبود و فضا و زمان با بیگ‌بنگ آغاز شدند. هیچ فضا و زمانی قبل از آن وجود نداشت. امروزه هیچ راهی وجود ندارد که بگوییم این نقطه همان‌جایی است که همه چیز آغاز شد. هیچ فضا و زمانی، با مفهومی که امروزه درک می‌کنیم، قبل از بیگ‌بنگ وجود نداشت. محل بیگ‌بنگ می‌تواند هر جایی در کیهان باشد. این‌که قبل از بیگ‌بنگ چه اتفاقی رخ داد را نمی‌دانیم. قبل از بیگ‌بنگ و هر آنچه قبل از آن اتفاق افتاد، تنها در حد حدس و گمان باقی مانده است. شاید بعدها بتوانیم به این پرسش پاسخ دهیم.

زمان کیهانی را به دوره‌های مختلفی تقسیم می‌کنیم. هر دوره به بازه زمانی گفته می‌شود که کیهان در حالتی مشخص قرار داشت. شاید انرژی یا ذره‌ای خاص در هر دوره حاکم بودند. آغاز هر دوره جدید به معنای تغییری قابل‌ملاحظه در حالت کلی کیهان است.

جدول زمانی بیگ بنگ

جدول زمانی بیگ‌بنگ به صورت زیر خلاصه می‌شود:

• بیگ‌بنگ آغاز همه چیز بود. زمان در این لحظه را برابر صفر می‌گیریم.
• سپس، دوره پلانک آغاز شد. فیزیک تا امروز، حتی فیزیک جدید، نتوانسته است این دوره را تحلیل کند، زیرا بازه زمانی این دوره برابر $$10 ^ { - 4 3 }$$ ثانیه است.
• پس از دوره پلانک، دوره اتحاد بزرگ آغاز شد. در این دوره، تمام نیروهایی که اکنون می‌شناسیم در قالب یک نیرو با یکدیگر ترکیب شدند. این موضوع به دلیل دمای بسیار بالا در این دوره بود.
• پس از دوره اتحاد بزرگ، دوره تورم آغاز شد. در این دوره نیروی هسته‌ای قوی از نیروهای دیگر جدا شد. این جداسازی منجر به انفجاری بسیار عظیم با اندازه‌ای در حدود ۸۴ میلیون سال نوری در کیهان شد.
• پس از دوره تورم، دوره الکتریکی ضعیف یا Electroweak آغاز شد. در این دوره، گرانش از نیروی واحد جدا شد
• سپس دوره کوارک آغاز شد. در این دوره، نیروی الکتریکی ضعیف به دو نیروی هسته‌ای ضعیف و نیروی الکترومغناطیسی تقسیم شد. در این دوره چهار نیرویی که امروزه می‌شناسیم به وجود آمدند. کیهان در این زمان پلاسمای گلوئون کوارک نام داشت. در این حالت، چگالی کیهان بسیار زیاد بود و تعداد زیادی ذرات زیراتمی در آن آزادانه به اطراف حرکت می‌کردند. در پایان، کوارک‌ها با قرار گرفتن در کنار یکدیگر پروتون‌ها را تشکیل دادند. پس از آن هسته‌های اتم هیدروژن تشکیل شدند. پروتون نوعی هادرون است. بنابراین، دروه هادرون آغاز شد.
• در دوره هادرون، پروتون‌ها و نوترون‌ها به یکدیگر پیوستند.

سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که این دوره‌ها تا چه بازه زمانی طول کشیدند. تمام این دوره‌ها، تنها در حدود یک ثانیه به طول انجامید. تمام این دوره‌ها در نخستین ثانیه کیهان رخ دادند. زمان در آغاز بیگ‌بنگ برابر صفر است. دوره پلانک در حدود $$10 ^ { -43 }$$ به طول انجامید. دوره وحدت بزرگ در حدود $$10 ^ { - 36 }$$ ثانیه طول کشید. در دوره تورم، کیهان در مدت زمان $$10 ^ { - 32 }$$ ثانیه تا مسافتی برابر ۸۴ میلیون سال نوری منبسط شد. به طور واضح، سرعت انبساط کیهان در این دوره بسیار بزرگ‌تر از سرعت نور بود. به این نکته توجه داشته باشید که سرعت نور، تنها به هنگام حرکت داخل فضا، حد سرعت در نظر گرفته می‌شود. در پایان دوره کوارک، بازه زمانی در حدود $$10 ^ { - 3 }$$ بود. در پایان دوره هادرون، زمان برابر یک ثانیه بود. در آن دوره، ویرانی‌های زیادی رخ دادند.

در ابتدای ‌کیهان، تعداد زیادی ماده و پادماده وجود داشت. ماده و پادماده با نزدیک شدن به یکدیگر به طور کامل از بین می‌روند. بنا به دلایلی، در کیهان اولیه تعداد ماده از پادماده بیشتر بود. دلیل این موضوع مشخص نیست، اما این موضوع سبب به وجود آمدن ما و تمام ماده موجود در کیهان شد. در غیر این صورت، تمام کیهان از انرژی تشکیل می‌شد. پس از دوره هادرون، عصر تاریک کیهانی شروع شد. این دوره بین ۳ دقیقه تا ۴۰۰ هزار سال به طول انجامید. در این زمان فوتون‌ها به وجود آمدند، اما از آنجا که دما در این دوره بسیار بالا بود، فوتون‌ها قسمتی از پلاسما و دربرهم‌کنش با ذرات دیگر بودند. بنابراین، نمی‌توانستند با سرعت بالا به اطراف حرکت کنند. در نتیجه، از فوتون‌ها نمی‌شد برای دیدن استفاده کرد. از این‌رو، به این دوره عصر تاریک می‌گوییم.

اکنون $$10 ^ 5$$ سال از تولد کیهان گذشته است. در این زمان، دمای کیهان به اندازه کافی پایین آمده است که هسته‌های هلیوم و هیدروژن بتوانند با دریافت الکترون‌ها، نخستین اتم‌ها را تشکیل دهند. در این دوره، ماده به مفهوم امروزی به وجود آمد. به این دوره، دوره بازترکیب گفته می‌شود. الکترون‌ها دریافت و با نوترون‌ها و پروتون‌ها ترکیب می‌شوند. در این زمان، فوتون‌ها توانستند در فضا به عنوان نور حرکت کنند. فوتون‌های بسیاری از آن زمان هنوز در فضا حرکت می‌کنند. این فوتون‌ها قابل‌شناسایی هستند. به آن‌ها پس‌زمینه مایکروویو کیهانی گفته می‌شود. کیهان در ابتدا از هیدروژن و هلیوم ساخته شده بود. با به وجود آمدن اتم‌ها، نقش گرانش پررنگ شد. به دلیل گرانش، اتم‌های هیدروژن و هلیوم به سمت یکدیگر جذب شدند.

هرچه تعداد اتم‌ها در مکانی بیشتر باشد، اثر گرانش در آن مکان نیز بیشتر خواهد بود. به همین دلیل، اتم‌های بیشتری جذب می‌شوند. از این‌رو، چگالی ابر الکترونی به اندازه‌ای زیاد شد که نخستین ستاره‌ها به دلیل واکنش هسته‌ای به وجود آمدند. در تمام کیهان، هیدروژن‌ها کنار یکدیگر جمع می‌شدند و همجوشی هسته‌ای سبب ایجاد اتم‌های سنگین‌تر می‌شد. بنابراین، هیدروژن و هلیوم به اتم‌های سنگین‌تری مانند لیتیوم یا کربن تبدیل و حدود ۲۰ عنصر در مرکز ستاره‌های تازه متولد شده تشکیل شدند. آهن، سنگین‌ترین عنصری بود که از این طریق می‌توانست تشکیل شود. عناصر سنگین‌تری مانند طلا در انفجارهای ابرنواخترها ستاره‌های بزرگ تشکیل شدند. بنابراین، مقدار آن‌ها در کیهان بسیار کم است.

کیهان روشن شد. ستاره‌ها به دلیل گرانش به یکدیگر نزدیک و کهکشان‌ها تشکیل شدند. تحقیقات انجام شده روی کهکشان‌ها نشان داد در مرکز آن‌ها سیاه‌چاله وجود دارد. شاید از خود بورسید منظومه‌شمسی چه زمانی تشکیل شد. منظومه‌شمسی در حدود ۴/۶ میلیارد سال قبل تشکیل شد. از آنجا که خورشید جزو نخستین ستاره‌های متولد شده در کیهان نیست، عناصر دیگر در ابر اولیه وجود داشتند. اما قسمت بیشتر ابر از دو عنصر هیدروژن و هلیوم تشکیل شده بود. با گذشت زمان، گرانش، ابر را به سمت داخل کشید. بنابراین، دمای ابر اولیه افزایش یافت و با افزایش چگالی، داغ‌تر شد و شروع به چرخیدن کرد. دمای ابر در مرکز آن به قدری افزایش یافت که خورشید متولد شد.

شواهد بیگ بنگ

شواهد زیادی برای وقوع بیگ‌بنگ وجود دارند. فیزیک جدید و پیشرفت تکنولوژی در کنار یکدیگر در به‌دست آوردن این شواهد گام بزرگی برداشتند. به این نکته توجه داشته باشید که هیچ یک از این شواهد به تنهایی نمی‌توانند وجود بیگ‌بنگ را به طور کامل اثبات کنند. برخی از مهم‌ترین شواهد وجود بیگ‌بنگ عبارت هستند از:

• انبساط جهانی و قانون هابل: هابل نشان داد بیشتر کهکشان‌ها از ما و از یکدیگر دور می‌شوند. این پدیده، انتقال به سرخ نامیده می‌شود. هرچه کهکشان‌‌ها در فاصله دورتری قرار داشته باشند، با سرعت بزرگ‌تری حرکت می‌کنند. نور سفید از تمام رنگ‌های سازنده نور تشکیل شده است. رنگ نور به طول موج آن بستگی دارد. به عنوان مثال، طول موج نور قرمز بزرگ‌تر از طول موج نور آبی است. امواج نور می‌توانند به هنگام حرکت در فضا اتساع یابند یا به اصطلاح کش بیایند. بنابراین، طول موج آن افزایش می‌یابد و به سمت طول موج‌های بلندتر، نور قرمز، حرکت می‌کند.

• تشعشع پس‌زمینه: قدیمی‌ترین نور در جهان از دوره بازترکیب می‌آید. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد، اتم‌های برای نخستین بار در این دوره تشکیل شدند. هنگامی‌که اتم‌ها تشکیل شدند و پلاسما به ماده تبدیل شد، برهم‌کنش فوتون‌ها متوقف شد و آزادانه به اطراف حرکت کردند. برخی از فوتون‌های آن زمان هنوز در فضا در حال حرکت هستند. با استفاده از تکنولوژی امروز می‌توانیم مسافت طی شده توسط این فوتون‌ها را به‌دست آوریم.
• کوازارها: کوازارها هسته‌های کیهانی بسیار فعال و تقریبا اندازه منظومه‌شمسی هستند. کوازارها در ابتدای کیهان تشکیل شدند. با نگاه به کوازارهای می‌توانیم تغییرات کیهان با گذشت زمان را بررسی کنیم. تعداد کوازارها در سال‌های دور بسیار بیشتر از تعداد آن‌ها در زمان حال است. وجود کوازارها دلیل محکمی برای وجود بیگ‌بنگ نیست اما شاهد خوبی در مقابل نظریه رقیب بیگ‌بنگ است، جهان پایدار. بر طبق این نظریه، جهان با گذر زمان پایدار می‌ماند و هیچ تغییری در آن ایجاد نمی‌شود.
• واپاشی رادیواکتیو: عناصر رادیواکتیو یا پرتوزا با آهنگی قابل‌پیش‌بینی واپاشی می‌کنند. با استفاده از آن می‌توانیم سن سنگ‌های قدیمی را به‌دست آوریم. سن سنگ‌های کشف شده از ماه بیشتر از سن زمین به‌دست آمد. بنابراین، می‌توانیم با اطمینان زیادی بگوییم سن منظومه‌شمسی در حدود ۴/۵ میلیارد سال است.

تمام این شواهد بدون فیزیک جدید امکان‌پذیر نبود. ظهور فیزیک مدرن دید ما نسبت به کیهان را به طور کامل تغییر داد و دریچه‌ای نو به روی ما نسبت به جهان هستی گشود.

فیزیک هسته ای

در قسمت نسبیت خاص در مورد فرمول معروف اینشتین، $$E = m C ^ 2$$، صحبت کردیم. بر طبق این رابطه، جرم و انرژی، هم‌ارز و معادل یکدیگر هستند و می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند. این فرمول برای مطالعه فیزیک هسته‌ای لازم است. در فیزیک هسته‌ای، هسته اتم مطالعه می‌شود. در این گرایش از فیزیک جدید، دو نیرو از چهار نیروی بنیادی در طبیعت، یعنی نیروی هسته‌ای قوی و ضعیف، معرفی می‌شوند. در فیزیک هسته‌ای می‌بینیم در یک لحظه، عنصری می‌تواند به عنصری کاملا متفاوت تبدیل شود. همان‌طور که می‌دانیم هسته هر اتم از پروتون و نوترون ساخته شده است. بار الکتریکی پروتون، مثبت و نوترون از نظر بار الکتریکی خنثی است. همچنین، جرم این دو ذره تقریبا با یکدیگر برابر است.

با استفاده عددهای اتمی و جرمی می‌توانیم در مورد تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته هر اتم صحبت کنیم. عدد اتمی به ما می‌گوید چند پروتون در هر هسته قرار دارد. عدد جرمی در مورد تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته هر اتم صحبت می‌کند. اگر هسته‌ای از شش پروتون و شش نوترون تشکیل شده باشد، عدد اتمی برابر ۶ و عدد جرمی برابر ۱۲ خواهند بود. به هر دو هسته‌ای که عدد اتمی یکسان و عدد جرمی متفاوت دارند، ایزوتوپ گفته می‌شود. دانستن جرم‌های هسته‌های متفاوت ضروری است، زیرا برهم‌کنش‌های هسته‌ای در مورد تبدیل جرم و انرژی به یکدیگر هستند. برای کمی کردن جرم هسته از واحد جرم اتمی یکپارچه، u، استفاده می‌کنیم. اتم کربن ۱۲ خنثی و تک به طور دقیق برابر ۱۲ واحد جرم اتمی یکپارچه است. این بدان معنا است که یک واحد اتمی یکپارچه برابر $$1.6605 \times 10 ^ { - 27 }$$ کیلوگرم خواهد بود.

نکته‌ مهمی که باید به آن توجه کنیم آن است که جرم کل هسته پایدار همواره کمتر از مجموع جرم پروتون‌ها و نوترون‌های تکی با یکدیگر است. به عنوان مثال، جرم هلیوم خنثی با دو نوترون و دو پروتون برابر $$4.002603 \ u$$ به‌دست می‌آید. اما مجموع جرم دو پروتون و دو نوترون تشکیل‌دهنده هسته هلیوم برابر $$4.032980 \ u$$ است. بنابراین، تفاوت جرم هسته هلیوم و مجموع جرم دو پروتون و دو نوترون تشکیل‌دهنده آن برابر $$0.030377 \ u$$ خواهد بود. به بیان دیگر، جرم هسته هلیوم کمتر از مجموع جرم نوتورن‌ها و پروتون‌های تشکیل‌دهنده آن است. این تفاوت جرم از کجا می‌آید؟ این تفاوت جرم برابر مقدار انرژی، به ویژه انرژی پیوندی کل هسته است. انرژی پیوندی به صورت مقدار انرژی لازم برای شکستن هسته به عناصر سازنده آن تعریف می‌شود.

مقدار انرژی لازم برای تجزیه هسته به عناصر سازنده آن، نوترون‌ها و پروتون‌ها، با افزایش عدد اتمی افزایش می‌یابد به گونه‌ای که آهن، بزرگ‌ترین انرژی پیوندی بر واحد هسته را دارد. گرچه انرژی پیوندی کل هنوز برای هسته‌ای بزرگ‌تر از آهن افزایش می‌یابد، انرژی پیوندی بر هسته کاهش می‌یابد. این بدان معنا است که هسته‌های خیلی بزرگ به محکمی و پایداری هسته‌های کوچک نیستند. از آنجا که انرژی پیوندی برابر جرم گمشده است، مقدار این جرم را می‌توانیم با استفاده از رابطه معروف $$E = m C ^ 2$$ به‌دست آوریم. شاید از خود پرسیده باشید هسته برای اولین بار چگونه تشکیل شد. هسته‌ها از نوترون و پروتون ساخته شدند. از آنجا که بار الکتریکی نوترون ها خنثی است، برای نزدیک شدن به یکدیگر مشکلی ندارند. اما بار الکتریکی پروتون‌ها مثبت است، آیا نیروی دافعه الکترواستاتیکی آن‌ها را از یکدیگر دور می‌کند؟

نیروی هسته‌ای قوی یکی از چهار نیروی بنیادی در فیزیک است. این نیرو به شکل نیروی جاذبه، بین پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته وارد می‌شود. این نیرو به‌اندازه‌ای قوی است که بتواند بر نیروی دافعه الکترواستاتیکی بین پروتون‌ها غلبه کند. توجه به این نکته مهم است که این نیرو، تنها می‌تواند در فاصله‌های بسیار کوچک عمل کند، اما نیروی الکترواستاتیکی در فاصله‌های بلندتر اعمال شود. از آنجا که نیروی هسته‌ای قوی، تنها می‌تواند در فواصل دورتر اعمال شود، اتم‌های بزرگ با عدد اتمی بالا برای غلبه بر نیروی الکترومغناطیسی و حفظ پایداری هسته به نوترونی اضافی نیاز دارند. این نوترون اضافی بری اتم‌هایی با عدد اتمی ۳۰ و بزرگ‌تر لازم است. هسته ناپایدار می‌تواند به پایدارترین حالت‌های خود شکسته شود. به واپاشی هسته‌های ناپایدار، همراه با تشعشع ذرات پرانرژی، پرتوزایی یا رادیواکتیو می‌گوییم.

پرتوزایی طبیعی برای نخستین بار توسط «هنری بِکِرِل» (Henri Becquerel) کشف شد. او مشاهده کرد که چگونه قطعه‌ای اورانیوم بر صفحه عکاسی پوشیده شده با کاغذ تاثیر می‌گذارد. سال‌ها بعد این واپاشی با دقت توسط دانشمندان بررسی شد. پرتوهای یا ذرات تابیده شده براساس قدرت نفوذ به سه گروه اصلی تقسیم می‌شوند:

1. واپاشی آلفا
2. واپاشی بتا
3. واپاشی گاما

واپاشی آلفا

این واپاشی هنگامی رخ می‌دهد که هسته ناپایدار، دو پروتون و دو نوترون را از دست بدهد و به عنصر متفاوتی پس از واپاشی تبدیل شود. در این واپاشی به هسته ناپایدار اولیه، هسته مادر می‌گوییم. هسته مادر به هنگام واپاشی به هسته دختر و ذره آلفا تبدیل می‌شود. هسته آلفا همان هسته اتم هلیوم است. این واپاشی به این دلیل رخ می‌دهد که هسته مادر بسیار بزرگ است. نیروی هسته‌ای قوی برای نگه داشتن تمام نوکلئون‌ها کنار یکدیگر کافی نیست. به عنوان مثال، فرض کنید هسته مادر، عنصر رادیوم باشد. هسته رادیوم به هنگام واپاشی آلفا به هسته رادون تبدیل می‌شود و یک ذره آلفا آزاد می‌شود. به فرایند تبدیل هسته از عنصری به عنصر دیگر، تبدیل می‌گوییم. به این نکته توجه داشته باشید که عدد اتمی رادون، دو واحد کمتر از رادیوم و عدد جرمی آن چهار واحد کمتر است.

مجموع عدد اتمی و عدد جرمی در واپاشی آلفا همواره در دو طرف واکنش با یکدیگر برابر هستند. با این‌که تعداد نوکلئون‌ها با یکدیگر جمع می‌شوند،‌ جرم کل محصولات این واکنش همواره کمتر از جرم هسته مادر است. جرم باقی‌مانده به انرژی جنبشی تبدیل و انرژی جنبشی آزاد شده در واکنش هسته‌ای برای تولید نیروی هسته‌ای استفاده خواهد شد. قدرت نفوذ ذرات آلفا در مقایسه با ذرات بتا و پرتوی گاما، بسیار کمتر است. در واقع این ذرات به ندرت بتوانند از تکه‌ای کاغذ عبور کنند.

واپاشی بتا

واپاشی بتا هنگامی رخ می‌دهد که هسته ناپایدار، ذره بتا بتاباند. ذره بتا همان الکترون است. به هنگام تولید الکترون، نوترینو نیز تولید می‌شود. نوترینو ذره‌ای با جرم بسیار کوچک و بار الکتریکی خنثی است. دلیل تولید نوترینو در واپاشی بتا به دلیل پایستگی انرژی است. به عنوان مثال، هنگامی‌که هسته‌ای ساکن به دو قسمت واپاشیده می‌شود، تکانه هر دو قسمت باید با یکدیگر برابر باشند. اگر هسته‌ مادر به هسته دختر و ذره بتا (الکترون) واپاشیده شود، الکترون‌ همواره انرژی و تکانه یکسانی خواهد داشت. اما انرژی الکترون تولید شده در واپاشی بتا بسیار زیاد است. بنابراین، ذره سومی باید برای حمل انرژی اضافی، تولید شود. تولید نوترینو در واپاشی بتا توسط آزمایش‌های تجربی به اثبات رسیده است. قسمت منحصربه‌فرد واپاشی بتا آن است که هیچ نوکلئونی طی فرایند تابیده نمی‌شود.

به جای آن یکی از نوترون‌ها به پروتون تبدیل می‌شود. برای جبران تغییر بار، نوترون یک یک الکترون تابش می‌کند. گرچه این الکترون از واپاشی هسته‌ای می‌آید، همانند الکترون‌هایی هستند که به دور هسته استاندارد می‌چرخند. به محض تبدیل نوترون به پروتون، هسته از عنصری به عنصر دیگر تبدیل می‌شود. به بیان دیگر، با تبدیل نوترون به پروتون، انتقال یا تغییر شکل رخ می‌دهد. واپاشی بتا به دلیل نیروی هسته‌ای ضعیف رخ می‌دهد. نیروی هسته‌ای قوی بین نوکلئون‌ها وجود دارد، اما نیروی هسته‌ای ضعیف کوارک‌ها را تغییر می‌دهد. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد، کوارک‌ها ذرات بنیادی سازنده نوترو‌ن‌ها و پروتون‌ها هستند. با تبدیل کوارک از نوعی به نوع دیگر، نوترون به دلیل نیروی هسته‌ای ضعیف به پروتون تبدیل می‌شود. ذرات بتا می‌توانند در حدود چند میلی‌متر در ورقه آلومینیوم نفوذ کنند.

واپاشی گاما

واپاشی گاما هنگامی رخ می‌دهد که هسته، فوتون‌های پرانرژی تابش می‌کند. به این فوتون‌ها، اشعه گاما می‌گوییم. به طور معمول، واپاشی گاما هنگامی رخ می‌دهد که هسته در حالت برانگیخته خود قرار داشته باشد. در این حالت، هسته از حالت بزرگ‌تر خود واپاشیده می‌شود. همچنین، برخورد هسته با ذره پرانرژی نیز ممکن است سبب واپاشی گاما شود. هسته در حالت برانگیخته تمایل به رفتن به حالتی با انرژی کمتر دارد. هسته با تابش فوتون‌های پرانرژی می‌تواند از حالت برانگیخته به حالتی با انرژی کمتر برود. در واپاشی گاما، هسته از عنصری به عنصر دیگر تبدیل نمی‌شود. تنها هسته برانگیخته با تابش پرتو گام به حالت زمینه با کمترین انرژی می‌رود. قدرت نفوذ پرتوهای گاما در مقایسه با ذرات آلفا و بتا بسیار بیشتر است. برای جلوگیری از نفوذ پرتوهای گاما از قطعه‌های بزرگ سیمانی استفاده می‌شود.

فیزیک اتمی چیست ؟

انرژی اتمی منبع انرژی برای راکتورها و سلاح‌های هسته‌ای است. این انرژی از شکافت یا همجوشی اتم‌ها تولید می‌شود. برای آشنایی با منبع این انرژی باید اتم را بشناسیم. اتم، کوچک‌ترین ذره عنصر است و ویژگی‌های آن عنصر را دارد. دانش در زمینه ماهیت اتم تا ابتدای قرن بیستم میلادی به کندی افزایش یافت. در دهه ابتدایی قرن بیستم، فیزیک جدید پا به عرصه گذاشت و جهش بزرگی در علم فیزیک و شناخت اتم رخ داد. یکی از نخستین دستاوردها توسط «ارنست رادرفورد» (‌Sir Ernest Rutherford) در سال ۱۹۱۱ میلادی به‌دست آمد. او به این نتیجه رسید که جرم اتم در مکانی به نام هسته جمع شده است. همچنین، رادرفورد بیان کرد که بار الکتریکی هسته مثبت و توسط الکترون‌ها با بار منفی احاطه شده است. الکترون در سال ۱۸۹۷ میلادی توسط جی. جی. تامسون کشف شد.

نظریه ساختار اتمی توسط نیلز بور در سال ۱۹۱۳ میلادی تکمیل شد. در مدل اتمی بور، الکترون‌ها در لایه‌های مشخصی به دور هسته قرار می‌گیرند. در ادامه، دانشمندان بسیاری تلاش کردند به شناخت بهتری از اتم دست یابند. اتم چیدمان پیچیده‌ای از الکترون‌ها با بار منفی است که در لایه‌های مشخصی قرار گرفته‌اند و به دور هسته با مثبت حرکت می‌کنند. بیشتر جرم اتم در هسته متشکل از پروتون‌ها و نوترون‌ها، متمرکز شده است. هسته هیدروژن استثنا است و تنها یک پروتون دارد. اندازه تمام اتم‌ها تقریبا یکسان است. آنگستروم، واحد رایج برای اندازه‌گیری اندازه‌های اتمی است. یک آنگستروم برابر $$1 \times 10 ^ { - 10 }$$ متر و قطر هر اتم در حدود ۲ تا ۳ آنگستروم است. جی. جی. تامسون در سال ۱۸۹۷ میلادی با کشف الکترون، شروع فیزیک مدرن را رقم زد.

الکترون‌ها از الگویی تصادفی داخل لایه‌های مشخص انرژی به دور هسته، پیروی می‌کنند. بیشتر ویژگی‌های اتم‌ها بر پایه تعداد و چیدمان الکترون‌های آن است. هر الکترون، جرمی برابر $$9.1 \times 10 ^ { -31 }$$ کیلوگرم دارد. یکی از ذرات داخل هسته، پروتون نام دارد. وجود پروتون با بار الکتریکی مثبت داخل هسته توسط رادرفورد اثبات شد. بار الکتریکی پروتون، برابر و از نظر علامت، مخالف بار الکتریکی الکترون است. تعداد پروتون‌ها در هسته هر اتم، نوع عنصر شیمیایی را تعین می‌کند. جرم هر پروتون برابر $$1.67 \times 10 ^ { -27 }$$ کیلوگرم است. نوترون توسط فیزیک‌دانی انگلیسی به نام «جیمز چادویک» (Sir James Chadwick) کشف شد. جرم نوترون، برابر جرم پروتون و از نظر الکتریکی خنثی است. نوترون به دلیل نداشتن بار الکتریکی، توسط ابر الکترونی یا هسته دفع نمی‌شود. بنابراین، گزینه مناسبی برای مطالعه ساختار اتم است.

حتی پروتون‌ها و نوترون‌های تکی نیز ساختار داخلی به نام کوارک دارند. همان‌طور که در مطالب بالا توضیح دادیم، شش نوع کوارک داریم. این ذرات زیراتمی نمی‌توانند آزاد یا جداگانه مطالعه شوند. تحقیق روی مطالعه ساختار اتم همچنان ادامه دارد. همان‌طور که در بخش قبل اشاره شد، جرم هسته در حدود یک درصد کوچک‌تر از جرم پروتون‌ها و نوترون‌های تکی است. در مورد این موضوع در بخش فیزیک هسته‌ای صحبت کردیم. همچنین، انواع واپاشی‌ها را در بخش قبل توضیح دادیم. در این بخش نوع دیگری واپاشی رادیواکتیو به نام شکافت خودبه‌خودی را معرفی می‌کنیم. در این فرایند، هسته به همراه آزاد شدن مقدار زیادی انرژی، به دو بخش تقریبا مساوی و چندین نوترون آزاد تقسیم می‌شود.

بیشتر عناصر با این روش واپاشیده نمی‌شوند، مگر آن‌که عدد جرمی آن‌ها بزرگ‌تر از ۲۳۰ باشد. نوترون‌های آزاد شده در فرایند شکافت خودبه‌خودی، واکنش‌های زنجیره‌ای را آغاز می‌کنند. این بدان معنا است که زمان به هم پیوستن برای رسیدن به جرم بحرانی باید کمتر از آهنگ شکافت خودبه‌خودی باشد. دانشمندان باید به هنگام طراحی تسهیلات هسته‌ای، آهنگ شکافت خودبه‌خودی برای هر ماده را در نظر بگیرند. به عنوان مثال، آهنگ شکافت خودبه‌خودی پلوتونیوم ۲۳۹ در حدود ۳۰۰ مرتبه بزرگ‌تر از اورانیوم ۲۳۵ است. این نکته در پروژه منهتن در جنگ جهانی دوم از اهمیت بالایی برخوردار بود.

بهترین کتاب ها برای مطالعه فیزیک مدرن

در این بخش چند کتاب جالب در مورد فیزیک جدید را برای علاقه‌مندان به یادگیری این بخش از فیزیک معرفی می‌کنیم.

کتاب فیزیک مدرن نوشته ریموند سِروی

در این کتاب، مبحث‌های مهم فیزیک جدید به زبان ساده و بدون استفاده از ریاضیات پیچیده توضیح داده شده است. با مطالعه این کتاب به درک خوبی از فیزیک جدید می‌رسید و اگر دانشجوی فیزیک باشید به راحتی می‌توانید نمره خوبی از درس فیزیک مدرن کسب کنید. با استفاده از مثال‌های کاربردی حل شده در کتاب، تمرین‌های داده شده و مسائل انتهای هر فصل به خوبی می‌توانید میزان یادگیری خود را افزایش دهید. در این کتاب، در مورد مباحث مهمی مانند نسبیت، مکانیک کوانتوم، فیزیک اتمی و فیزیک هسته‌ای توضیح داده شده است.

فیزیک جدید برای دانشمندان و مهندسان

این کتاب توسط سه نویسنده به نام‌های «جان تیلور» (John R. Taylor)، «کریس دی زافیراتوس» (Chris D. Zafiratos) , «مایکل دابسون» (Michael A. Dubson) به رشته تحریر درآمد. این سه نویسنده با استفاده از تجربه غنی خود در تدریس فیزیک و تربیت هزاران دانشجو، کتابی بسیار جامع و کامل در مورد فیزیک مدرن نوشتند. در این کتاب، مفاهیم فیزیک جدید با تمرکز بر کاربرد آن‌ها نوشته شده است.

فیزیک مدرن: مکانیک کوانتوم اتم ها، جامدها و هسته ها

در این کتاب مفاهیم پایه فیزیک کوانتوم برای توضیح ساختار اتم‌ها، مولکول‌ها، مواد جامد و هسته‌ها معرفی شده‌اند. این مباحث به زبان ساده در این کتاب به رشته تحریر درآمده و برای درک بهتر مطلب از مثال‌ها و نمودارهای زیادی کمک گرفته شده است.

پرسش های رایج در مورد فیزیک جدید

در این بخش به چند پرسش مهم در مورد فیزیک جدید پاسخ می‌دهیم.

پدر فیزیک مدرن کیست ؟

آلبرت اینشتین، پدر فیزیک مدرن است. او یکی از بزرگ‌ترین فیزیک‌دان‌های قرن بیستم میلادی بود که نظریه‌ها و ایده‌های بسیار مهمی را مطرح کرد. یکی از بزرگ‌ترین کارهای اینشتین مطرح کردن نظریه نسبیت بود.

چرا فیزیک مدرن بسیار مهم است ؟

کلمه فیزیک به معنای توصیف جهان طبیعی با استفاده از فرمول‌های ریاضی کاربردی است. با استفاده از فیزیک جدید بسیاری از پدیده‌های فیزیکی که قبل از سال ۱۹۰۰ میلادی توضیحی برای آن‌ها وجود نداشت، توضیح داده شدند و پاسخی بسیاری از معماها به‌دست آمد. آغاز فیزیک مدرن گام بزرگی در پیشرفت تکنولوژی محسوب می‌شود.

سخت ترین نظریه در فیزیک جدید چیست ؟

بدون شک، سخت‌ترین مفهوم در فیزیک اتحاد نظریه گرانش با نظریه‌هایی است که در مورد ماده و دیگر نیروهای بنیادی صحبت می‌کنند.

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس، در مورد فیزیک جدید و تاریخچه آن صحبت کردیم. تا قبل از آغاز قرن بیستم میلادی این تفکر حاکم بود که علم فیزیک به انتهای راه خود رسیده است و فیزیک نیوتنی و معادلات ماکسول برای توصیف جهان هستی و پدیده‌های فیزیکی حاکم بر آن کافی است. اما آغاز قرن بیستم خط بطلانی بر این باور کشید. در آغاز این قرن پدیده‌های فیزیکی مشاهده شدند که فیزیک کلاسیک قادر به توصیف آن نبود.