فیزیک مدرن: تحول درک ما از هستی در قرن بیستم

فیزیک مدرن بخش بزرگی از زندگی ما را به خود اختصاص داده است. شاید احساس‌کردن آن در جریان زندگی روزمره دشوار باشد، اما تأثیرات غیرمستقیم پیشرفت این علم در قرن اخیر بر زندگی ما شگفت‌انگیز است. در این مقاله قصد داریم مروری بر توسعه و پیشرفت فیزیک مدرن و همچنین شاخه‌های آن داشته باشیم.

نگاهی به تاریخ

فیزیک مدرن در آغاز قرن بیستم شروع به توسعه کرد. در اواخر قرن نوزدهم، بسیاری از فیزیکدانان فکر می‌کردند که تقریباً همه‌چیز شناخته‌شده است و تنها کاری که باید انجام شود، این است که ثابت‌های فیزیکی با دقت رقم اعشار بیشتری محاسبه شوند. این را نقل قول معروف «آلبرت مایکلسون» به‌خوبی بیان می‌کند: «درحالی‌که هرگز نمی‌توان تأیید کرد آینده علم فیزیک هیچ شگفتی بزرگ‌تری در پیش‌ رو ندارد، به‌نظر می‌رسد که بسیاری از اصول اساسی این علم به‌صورت قاطعانه تثبیت شده است. احتمالاً پیشرفت‌های آینده علم فیزیک صرفاً این است که رقم اعشار ثابت‌ها را بیشتر مطالعه کنیم.»

او نمی‌دانست شاخه‌های کاملاً جدیدی از فیزیک در سال‌های آینده ایجاد خواهد شد که نگاه ما به جهان را به‌شدت دچار تغییر می‌کند.

مفاهیم فیزیک مدرن

فیزیک مدرن تلاش می‌کند تا تعاملات ماده را در مقیاس‌های غیر‌روزمره درک کند؛ مقیاس‌هایی که مشخص شده است آنچه در آن‌ها رخ می‌دهد، بسیار متفاوت از آن چیزی است که در سطح زندگی روزمره رخ می‌دهد. می‌دانیم رخدادهای مرتبط با ابعاد و مقیاس‌های زندگی روزمره را می‌توان با کمک فیزیک کلاسیک تفسیر و تشریح کرد، اما آنچه را که در ابعاد بسیار بزرگ و یا بسیار کوچک رخ می‌دهد چطور باید توصیف کرد؟

کلمه «مدرن» در اینجا به بخش‌هایی از علم فیزیک اشاره دارد که شامل بخش‌هایی از مکانیک کوانتومی یا نسبیت است؛ نظریه‌هایی که در قرن بیستم سبب تحول علم شدند. این نظریه‌ها موفق به پاسخ‌دهی به آزمایش‌ها و پرسش‌هایی شدند که فیزیک کلاسیک درحقیقت پاسخی برای آن‌ها نداشت.

هرچند این نظریه‌ها پیش‌بینی‌هایی را ارایٔه کردند که در ابتدا غیرقابل‌قبول و غیرشهودی بودند اما با پیشرفت تکنولوژی، هربار شاهد موفقیت آن‌ها بودیم. بدین‌ترتیب این نظریه‌ها علم را در قرن بیستم دچار تحولی عظیم کردند و سبب شدند تا اظهارات مایکلسون نادرست از آب درآید.

شاخه‌های فیزیک مدرن

فیزیک مدرن شاخه‌های معینی دارد که عبارتند از: نسبیت خاص، نسبیت عام و مکانیک کوانتومی. این‌ها سه نظریه اصلی هستند که از قرن بیستم تاکنون، جرقه کارهای علمی زیادی در زمینه‌های مختلف را برانگیخته‌اند.

نسبیت خاص

نسبیت خاص نظریه‌ای است که عمدتاً به «آلبرت اینشتین» نسبت داده می‌شود که ایده‌های خود را در سال ۱۹۰۵ منتشر کرد؛ اگرچه کارهای بزرگ زیادی نیز در این زمینه توسط فیزیکدانان «هندریک لورنتس» و «هانری پوانکاره» پیش از او انجام شده بود.

نسبیت خاص به بررسی موقعیت‌هایی می‌پردازد که در آن اجسام با سرعت بسیار بالایی - نزدیک به سرعت نور - حرکت می‌کنند. ما در زندگی عادی چنین سرعت‌هایی را تجربه نمی‌کنیم، اما اگر جسمی بتواند به چنین سرعت‌هایی دست یابد، فیزیک حاکم بر آن متفاوت خواهد بود. در این حالت معادلات مکانیک کلاسیک نامعتبر می‌شوند و باید از معادلات جدیدی برای توصیف شرایط فیزیکی حاکم بر مسیٔله استفاده کرد. در سرعت‌های بالا پدیده‌هایی به نام «اتساع زمان» و «انقباض طول» مطرح می‌شوند.

هنگامی که جسمی درحال حرکت با سرعت نزدیک به سرعت نور است، زمان برای آن کندتر سپری می‌شود. به عبارت دیگر، انگار زمان برای شخص سوار بر جت که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند، اصطلاحا کِش می‌آید. به این پدیده اتساع زمان می‌گویند. در پدیده انقباض طول، جسمی که با سرعت نزدیک به سرعت نور در حرکت است، در راستای مسیر حرکت خود منقبض می‌شود؛ یعنی طول آن کاهش می‌یابد.

پرتوهای کیهانی به‌خوبی می‌توانند پدیده اتساع زمان را برای ما شرح دهند. پرتوهای کیهانی از ذرات پرانرژی تشکیل شده‌اند که در عالم حرکت می‌کنند. هنگامی که این ذرات به جو می‌رسند، در اثر اندرکنش‌های پدید‌آمده، ذراتی به نام «میون» تولید می‌شوند که برخی از آن‌ها به سطح زمین می‌رسند. ما امروزه قادر هستیم میون‌ها را با کمک آشکارسازها ردیابی کنیم.

یک میون عمر کوتاهی دارد، بنابراین نباید انتظار داشت که آن را روی زمین ردیابی کرد - مدت‌زمانی که طول می‌کشد تا پس از تشکیل در جو به زمین برسد، نسبت به طول عمر آن بیشتر است. بااین‌حال، از آنجا که این ذرات با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند، اثرات نسبیتی در مورد آن‌ها صدق می‌کند. به همین دلیل عمر آن‌ها از دیدگاه ما که ناظر بیرونی هستیم، طولانی‌تر به‌نظر می‌رسد (پدیده اتساع زمان) و می‌توانیم آن‌ها را آشکار کنیم.

نسبیت عام در فیزیک مدرن

پس از آنکه اینشتین در سال ۱۹۱۵ نظریه نسبیت خاص را برای اجرام درحال حرکت با سرعت ثابت ارایٔه داد، به سراغ حالتی رفت که در آن حرکت جسم شتاب‌دار است. این نیاز به یک نظریه پیشرفته‌تر و پیچیده‌تر داشت. درحقیقت نظریه نسبیت عام بسط نظریه نسبیت خاص است.

در آن زمان مشکلی در درک رفتار سیاره عطارد، در گردش به دور خورشید، وجود داشت. دانشمندان دریافته بودند که نمی‌توان نقطه حضیض این سیاره را به کمک قانون گرانش نیوتن به‌درستی تعیین کرد - همان‌طور که می‌دانید سیارات در مدارهای بیضوی به دور خورشید می‌چرخند. پس در نواحی خاصی، سیاره در نزدیک‌ترین فاصله نسبت به خورشید بر مدار حرکتی خود قرار می‌گیرد. به این ناحیه خاص «نقطه حضیض» می‌گویند. تا پیش از اینشتین، پیشنهادهای مختلفی مبنی بر انحراف از قانون نیوتن ارایٔه شده بود، مثلاً وجود سیاره‌ای دیگر که گرانش آن سبب اختلال می‌شود، اما هیچ‌کدام موفق به حل مشکل نشده بودند.

در کمال تعجب، نظریه نسبیت عام اینشتین موفق شد نقطه حضیض سیاره عطارد را با دقت بالایی محاسبه کند. در این محاسبات اثرات نسبیت عام خورشید نقش اساسی دارند که پیش از این در نظریه گرانشی نیوتن نادیده گرفته می‌شد.

اینشتین تقریباً به‌تنهایی روی این نظریه کار کرد و آن را پیش برد. این نظریه حقیقتاً بسیار از زمان خود جلوتر بود. نظریه نسبیت عام تا زمانی که در آغاز دهه ۱۹۶۰ به‌صورت رسمی وارد دروس رشته فیزیک شد، چندان برای بررسی مفاهیم علمی مورد استفاده قرار نگرفت. این نظریه هم‌اکنون یکی از موفق‌ترین نظریات در توضیح پدیده‌های مشاهده‌شده در مقیاس‌های بزرگ در عالم است. بااین‌حال هنوز برخی سؤالات بی‌پاسخ در این ابعاد در عالم وجود دارد.

مکانیک کوانتومی

مکانیک کوانتومی که از دیگر شاخه‌های فیزیک مدرن است، به مطالعه ماده در کوچک‌ترین مقیاس‌ها - سطوح اتمی و زیراتمی - می‌پردازد. این نظریه درحقیقت یک نظریه ریاضیاتی است که حرکت و برهم‌کنش ذرات را در این مقیاس توصیف می‌کند. نظریه مکانیک کوانتومی زمانی که معرفی شد، انقلابی در علم فیزیک به‌پا کرد؛ زیرا به‌نظر می‌رسید مملو از تناقضات با ایده‌های فیزیک کلاسیک است. این نظریه در ابتدا با مخالفت گسترده دانشمندان زمان روبه‌رو شد.

با توسعه بیشتر، مشخص شد که این نظریه منجر به پدیده‌های بسیار عجیبی همانند «تونل‌زنی» می‌شود که در آن ذرات قادر هستند از موانع عبور کنند! از دیگر پدیده‌های عجیب این نظریه می‌توان به امکان حضور یک ذره هم‌زمان در دو مکان اشاره کرد! به‌نظر می‌رسید که این‌ها کاملاً با آنچه در زندگی روزمره می‌بینیم، در تضادند؛ اما این پدیده‌ها به‌سادگی از ریاضیات مکانیک کوانتومی می‌آیند و قابل اثبات هستند.

«ماکس پلانک» به‌عنوان پدر مکانیک کوانتومی شناخته می‌شود. او در اواخر قرن بیستم مطالعات گسترده‌ای در علم ترمودینامیک انجام داد. در آن زمان، مشکلی در ترمودینامیک وجود داشت که از آن با نام «فاجعه فرابنفش» یاد می‌کنند. فاجعه فرابنفش توضیح می‌دهد که چگونه فیزیک کلاسیک پیش‌بینی می‌کند اجسام سیاه در طول‌ موج‌های کوتاه (به‌سمت محدوده فرابنفش) تابش بی‌نهایت دارند که درحقیقت صحیح نیست و این اتفاق نمی‌افتد.

پلانک دریافت اگر انرژی حالت گسسته داشته باشد، می‌توان این مشکل را برطرف کرد و البته دقیقاً همین‌طور بود. امروزه می‌دانیم انرژی (نور) از بسته‌های گسسته تشکیل شده که با ثابتی به نام «ثابت پلانک» متناسب است. با‌این‌حال او چندان علاقه‌ای به پیشبرد این ایده نشان نداد.

اما چند سال بعد اینشتین به سراغ این ایده رفت و اثر «فوتوالکتریک» را کشف کرد. در این پدیده توضیح داده می‌شود هنگامی که نور به فلز تابیده می‌شود، (در شرایطی خاص) از سطح فلز گسیل الکترون داریم. اینجا بود که اینشتین گسسته‌بودن انرژی را پیشنهاد کرد. اگرچه ایده او در ابتدا با شک و تردید مواجه شد، اما فیزیکدانان بیشتری دریافتند که مکانیک کوانتومی قادر است ماهیت واقعی ماده را توضیح دهد. با پیشرفت این دسته مسایٔل، مکانیک کوانتومی بیشتر و بیشتر پیشرفت کرد و درنهایت با ظهور فیزیک مدرن، این علم در قرن بیستم متحول شد.

انواع فیزیک مدرن

فیزیک مدرن را می‌توان به دو نوع اصلی دسته‌بندی کرد:

فیزیک نظری

فیزیکدانان نظری وقت خود را صرف ارایٔه فرمول‌بندی و مدل‌های ریاضیاتی می‌کنند تا بتوانند مشاهدات ما از عالم را توجیه کنند. هدف فیزیک نظری درحقیقت ارایٔه چهارچوب‌های جامعی است که بتوانیم از آن‌ها برای درک دنیای اطراف خود استفاده کنیم.

فیزیک آزمایشگاهی

از سوی دیگر، فیزیکدانان آزمایشگاهی (تجربی) تمایل به طراحی و انجام آزمایش‌های گوناگون دارند تا داده‌های مختلف را جمع‌آوری و تحلیل کنند. فیزیک آزمایشگاهی یکی از اجزای اساسی علم است؛ زیرا درنهایت برای نتیجه‌گیری در مورد چهارچوب‌های نظری ارایٔه‌شده به تأیید فیزیک تجربی نیاز داریم.

کاربردهای فیزیک مدرن

کاربردهای فیزیک مدرن را می‌توان در بسیاری از زمینه‌های مختلف تحقیقات علمی و حتی زندگی روزمره مشاهده کرد. برخی از کاربردهای نسبیت خاص و عام و مکانیک کوانتومی در زیر توضیح داده شده است. در نظر داشته باشید این تنها برخی از کاربردهای فیزیک مدرن هستند.

سیاهچاله‌ها

اثرات نسبیت عام تنها در بزرگ‌ترین مقیاس‌های زمانی قابل‌توجه هستند که جرم بسیار زیاد باشد و درنتیجه آن، میدان‌های گرانشی قوی ایجاد شوند که بر محیط اطراف خود اثرات گرانشی غیرقابل چشم‌پوشی می‌گذارند. یکی از این موارد سیاهچاله‌ها هستند.

به عنوان مثال، برخورد دو سیاهچاله را فرض کنید. بسیاری از اطلاعاتی که ما از عالم داریم، از مطالعه امواج الکترومغناطیسی به‌دست می‌آید. این درحالی است که نظریه نسبیت عام روش دیگری را برای پدیده‌های عالم پیشنهاد می‌کند: امواج گرانشی.

امواج گرانشی امواجی هستند که در فضا-زمان حرکت می‌کنند. فضا و زمان را همانند تار و پود پارچه در نظر بگیرید که درهم‌تنیده‌ شده‌اند. هنگامی که رویداد عظیمی در عالم رخ می‌دهد - همانند برخورد دو سیاهچاله - امواج گرانشی در فضا-زمان منتشر می‌شوند و گاهی به ما می‌رسند. در این صورت می‌توان با استفاده از تجهیزات پیشرفته این امواج را شناسایی کرد.

آزمایشگاهی به نام «LIGO» (رصدخانه امواج گرانشی تداخل‌سنج لیزری) وجود دارد که امواج گرانشی را با استفاده از تداخل‌سنج تشخیص می‌دهد. به کمک اطلاعاتی که این آزمایشگاه ثبت می‌کند، می‌توان جرم سیاهچاله‌ها و محل برخورد آن‌ها را تعیین کرد.

ابررساناها

ابررسانا ماده‌ای است که در دماهای پایین هیچ مقاومتی از خود نشان نمی‌دهد؛ به این معنا که جریان بسیار بالایی می‌تواند از آن عبور کند. پدیده ابررسانایی را می‌توان از طریق مکانیک کوانتومی درک کرد. حامل‌های بار باهم جفت می‌شوند که هر جفت، یک «جفت کوپر» نامیده می‌شود.

این جفت‌ها تشکیل‌دهنده بوزون هستند که می‌توانند همگی در یک حالت کوانتومی مشخص قرار بگیرند. این بدان معنی است که همه آن‌ها به‌عنوان یک موج منسجم در اطراف ماده حرکت می‌کنند و هیچ بی‌نظمی در ساختار آن‌ها مشاهده نمی‌شود.

ابررساناها کاربردهای زیادی دارند. به عنوان مثال، آن‌ها می‌توانند میدان‌های مغناطیسی بسیار بزرگی ایجاد کنند که در شتاب‌دهنده‌های ذرات و اسکن ام‌آرآی کاربرد گسترده دارند.

اهمیت فیزیک مدرن

فیزیک مدرن به ما کمک می‌کند تا ماهیت واقعی عالم را درک کنیم. به عبارت دیگر، به کمک فیزیک مدرن می‌توانیم عالم را بیشتر و بیشتر کاوش کنیم؛ از سیاهچاله‌ها گرفته تا ساختار درونی هسته اتم‌ها. فیزیک مدرن علاوه بر موارد ذکر‌شده در بالا، منجر به پیشرفت‌های تکنولوژیکی بسیاری شده است.

برای درک بهتر اهمیت فیزیک مدرن، به یاد داشته باشید امروزه مکانیک کوانتومی اساس بسیاری از اجزای الکتریکی مانند دیودها و ترانزیستورهاست. از سوی دیگر، نسبیت باید برای اندازه‌گیری‌های مبتنی بر ماهواره‌ها در نظر گرفته شود؛ زیرا ماهواره‌ها نسبت به زمین درحال حرکت هستند. علاوه بر این‌ها، شاخه‌های مختلف فیزیک مدرن اغلب اصول اساسی رشته‌های دیگر را در بر می‌گیرند. به عنوان مثال، شیمی اتم‌ها را می‌توان با کمک مکانیک کوانتومی توصیف کرد.