از فلسفه طبیعی تا فیزیک نوین

[d-a-r-y-a 133]

فیزیک شاخه ای از علم است که به بررسی قوانین جهانی حاکم بر ماده، انرژی، فضا و زمان می پردازد. فیزیک از کلمه ای یونانی مشتق شده است و معنی آن «شناخت طبیعت» است. بنابراین کار فیزیک آن است که تصویری نظام مند از طبیعت ارائه کند که با آزمایش ها و تجربه ها سازگار باشد. از زمان های باستان، فیلسوفان طبیعی به دنبال روش هایی بودند که بتوانند پدیده های فیزیکی (همانند حرکت سیاره ها و ماهیت ماده) را به وسیله آن توجیه کنند. اما آغاز فیزیک نوین و تمایزش با فلسفه طبیعی از انقلاب های علمی قرن شانزدهم و هفدهم آغاز شد و در نهایت توانست در قرن بیستم فیزیک نوین را عرضه کند. این بخش دانش به پیشرفت سریع خود ادامه داد و نظریه های بسیاری ابداع کرد (همانند مدل استاندارد ذرات بنیادی) و توانست جزئیات تاریخ جهان را آشکار سازد و فناوری های تحول سازی (همانند ابررساناها و انرژی هسته ای) را عرضه کند. امروزه فیزیک به پژوهش های خود در حوزه های مختلف و عرصه های گوناگون (از جمله ابررسانایی در دمای زیاد، محاسبه کوانتومی، جست وجوی بوزون هیگز و تلاش برای ارائه نظریه گرانش کوانتومی) ادامه می دهد. فیزیک که پایه هایش را بر مشاهده و آ زمون استوار کرده است و مجموعه کاملی از نظریه هایی را در اختیار دارد که به زبان زیبای ریاضی ارائه شده اند، نقش بسیار مهمی در پیشرفت علم، فناوری و فلسفه داشته است.

هرچند که فیزیکدانان گستره وسیعی از پدیده ها را بررسی می کنند، اما در عمل از تعداد کمی از نظریه های فیزیکی استفاده می کنند. هرکدام از این نظریه ها را بارها آزموده اند و اثبات شده است که هر کدام از آنها در محدوده اعتبار خود تقریب صحیحی از طبیعت است. برای مثال، نظریه مکانیک کلاسیک حرکت اجسامی را که از اتم ها و مولکول ها بزرگ تر و سرعت حرکتشان از سرعت نور بسیار کمتر باشد، به دقت توصیف می کند. از زمانی که یک نظریه فیزیکی ارائه می شود تا سال ها پس از آن، همچنان یک حوزه پژوهشی فعال و پرجاذبه محسوب می شود، برای مثال یکی از شاخه های مکانیک کلاسیک به نام آشوب در قرن بیستم یعنی سه قرن پس از فرمول بندی اولیه آن توسط ایزاک نیوتن (۱۷۲۷-۱۶۴۲) ابداع شد. نظریه های اصلی فیزیک ابزارهای مهمی برای پژوهش در حوزه های تخصصی تر است و به همین دلیل انتظار می رود همه فیزیکدان ها با آن آشنا باشند. نظریه های اصلی فیزیک عبارتند از؛

▪ مکانیک کلاسیک؛ مکانیک کلاسیک شاخه ای از فیزیک است که به بررسی تاثیر نیرو روی اجسام می پردازد. از آنجایی که نیوتن این شاخه از فیزیک را ابداع و قوانین آن را تدوین کرد، آن را به نام «مکانیک نیوتنی» نیز می شناسند. مکانیک کلاسیک به زیرشاخه های استاتیک (بررسی اجسام ساکن)، سینماتیک (بررسی اجسام در حال حرکت) و دینامیک (بررسی تاثیر نیرو بر جسم) تقسیم می شود.

امروزه نظریه های کامل تری عرضه شده است؛ مکانیک نسبیتی سیستم هایی را بررسی می کند که با سرعت های زیاد و نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند، مکانیک کوانتوم سیستم های کوچک به اندازه اتم ها و مولکول ها را بررسی می کند و موضوع میدان کوانتوم نسبیتی سیستم هایی است که هر دو خاصیت یادشده را دارند. با این همه مکانیک کلاسیک هنوز هم بسیار سودمند است، زیرا به کارگیری آن از دیگر نظریه های یادشده آسان تر و در حوزه گسترده ای از تقریب ها معتبر است. مکانیک کلاسیک را می توان برای بررسی حرکت اجسام معمولی (مثل خودرو یا توپ فوتبال)، بسیاری از اجسام آسمانی (مثل سیاره ها و کهکشان ها) و اجسام میکروسکوپی خاص (مثل مولکول های آلی) به کار برد.

▪ الکترو مغناطیس؛ الکترو مغناطیس، فیزیک میدان های مغناطیسی است. میدان مغناطیسی میدانی است که از وجود و حرکت ذره های باردار حاصل می شود و به آنها نیرو وارد می کند. زیرشاخه های الکترومغناطیس رفتار ذره های باردار متحرکی را که با میدان های الکترومغناطیس بر هم کنش دارند، بررسی می کند. الکترومغناطیس پدیده های بسیاری را در دنیای واقعی پیرامون ما دربرمی گیرد. در حقیقت نور هم یک میدان الکترومغناطیسی نوسان کننده است که از ذره های باردار شتاب گرفته گسیل می شود. به جز گرانش، بیشتر نیروهایی که در زندگی روزمره با آن روبه رو می شویم، در نهایت به الکترو مغناطیس مربوط می شود.

▪ ترمودینامیک؛ ترمودینامیک شاخه ای از فیزیک است که به بررسی حرارت و تبدیل آن به دیگر شکل های گوناگون انرژی می پردازد. ترمودینامیک به ویژه به بررسی رابطه انرژی، حرارت، دما، فشار، حجم و کار مکانیکی می پردازد. «مکانیک آماری» نظریه ای وابسته به ترمودینامیک است که با به کارگیری اصول در مورد اجزای میکروسکوپی، سیستم های ماکروسکوپی و خواص آنها را بررسی می کند. می توان از این شاخه فیزیک استفاده کرد و خواص ترمودینامیکی یک توده از جسم را با توجه به خواص مولکول های سازنده آن به دست آورد.

▪ نظریه نسبیت؛ نسبیت یک نظریه فیزیکی است که بر پایه دو پذیره استوار است؛ اول آنکه سرعت نور در خلاء ثابت و مستقل از ناظر یا منبع نور است، دوم آنکه شکل ریاضی قانون های فیزیکی در تمام سیستم های سخت بدون تغییر است. این نظریه که نظریه نسبیت خاص گفته می شود، هم ارزی جرم و انرژی و تغییر در جرم، ابعاد و زمان به دلیل افزایش سرعت را در پی دارد. نظریه نسبیت عام که گسترش یافته نسبیت خاص است، گرانش را به عنوان واپیچش فضازمان در نظر می گیرد که از وجود جرم یا انرژی ناشی می شود.

▪ مکانیک کوانتوم؛ مکانیک کوانتوم شاخه ای از فیزیک است که سیستم های اتمی و زیراتمی و همچنین برهم کنش آنها با تابش را برحسب کمیت های مشاهده پذیر بررسی می کند. مکانیک کوانتوم بر پایه این باور شکل گرفت که تمام شکل های انرژی به صورت واحدهای مجزای انرژی به نام کوانتا جریان دارند. مکانیک کوانتوم نظریه ای فیزیکی و درباره ماده است که مبتنی بر خواص موجی ذرات بنیادی است و بر مبنای این خواص موجی، از ساختار ماده و برهم کنش های آنها تفسیری ریاضی ارائه می کند. نکته قابل توجه در مورد مکانیک کوانتومی آن است که از خواص مشاهده شده ذرات زیراتمی نتیجه های آماری یا احتمال ها را ارائه می دهد. کشف مکانیک کوانتوم در ابتدای قرن بیستم، فیزیک را دگرگون کرد. مکانیک کوانتوم در بیشتر حوزه های پژوهشی کنونی نقش اساسی دارد.

● پژوهش ها

پژوهش های کنونی در فیزیک در چند حوزه مختلف جای می گیرد.

▪ فیزیک ماده چگال که خواص توده ماده را بررسی می کند، یعنی به بررسی این موضوع می پردازد که چگونه خواص ماده های معمولی جامد و مایع که در زندگی روزمره خود با آنها سروکار داریم، از برهم کنش بین اتم های تشکیل دهنده آنها ناشی می شود. یکی از مهم ترین موضوع ها در این حوزه ابررسانایی دمای زیاد است.

▪ فیزیک اتمی و مولکولی و اپتیک که به بررسی اتم ها و مولکول ها و به ویژه چگونگی برهم کنش آنها با نور می پردازد. یکی از موضوع های پژوهشی جالب در این حوزه که هم اکنون به آن توجه می کنند، رفتار چگالیده بوز- اینشتین است. فیزیک ذرات که آن را «فیزیک انرژی زیاد» نیز می نامند و هدف آن بررسی ویژگی های ذره های زیراتمی کوچک تر از اتم هاست، (از جمله ذرات بنیادی همانند الکترون ها، فوتون ها و کوارک ها) یکی از موضوع های پژوهشی کنونی در این رشته بوزون هیگز است.

▪ اخترفیزیک و کیهانشناس از قانون های فیزیک استفاده می کند تا پدیده های آسمانی همانند دینامیک ستاره ها، سیاهچاله ها، کهکشان ها و انفجار بزرگ را تفسیر کند. یکی از موضوع های پژوهشی کنونی تعیین ماهیت ماده تاریک و انرژی تاریک است. در قرن بیستم هرکدام از این شاخه های فیزیک به زیرشاخه های بسیاری تقسیم شده و بسیار تخصصی شده اند و امروزه بیشتر فیزیکدان ها در همه دوران کاری خود فقط در یکی از این رشته ها فعالیت و پژوهش می کنند و بزرگانی مثل آلبرت اینشتین و لولاندائو که در چندین رشته فیزیک پژوهش کرده باشند، امروزه کمتر پیدا می شود.

● فیزیک محض و کاربردی

فیزیک از یک لحاظ با بسیاری از رشته های دیگر تفاوت دارد. این تفاوت نیز در این نکته است که فیزیک به دو بخش عمده نظریه و آزمایش تقسیم می شود. از آغاز قرن بیستم بیشتر فیزیکدانان یا متخصص فیزیک نظری یا فیزیک تجربی بوده اند. البته انریکو فرمی فیزیکدان بزرگ ایتالیایی که هم در بخش نظریه و هم در بخش آزمایش فیزیک هسته ای پژوهش می کرد، یک استثنای بزرگ محسوب می شود. در مقابل بیشتر نظریه پردازان موفق در زیست شناسی و شیمی (مثل لینوس پائولینگ زیست شیمیدان و شیمیدان کوانتوم امریکا) آزمایشگران موفقی نیز بودند، هر چند که این وضعیت هم اکنون در حال تغییر است. به تقریب می توان گفت که نظریه پردازان با مدل سازی های ریاضی و روش های انتزاعی نظریه هایی ارائه می دهند که هم می تواند نتیجه آزمایش های فعلی را توصیف و تفسیر کند و هم نتیجه آزمایش های بعدی را پیش بینی کند. اما آزمایشگران آزمایش هایی را طراحی و اجرا می کنند تا به پدیده های جدیدی دست یابند یا پیش بینی های نظریه را بیازمایند. هر چند که نظریه و تجربه جدا از هم گسترش یافتند، اما به شدت به یکدیگر وابسته هستند. بارها اتفاق می افتد که آزمایشگران به کشف جدیدی می رسند که نظریه های موجود نمی تواند آن را توجیه کند و لازم می شود که نظریه های جدیدی فرمول بندی شود و بدین ترتیب فیزیک یک گام دیگر جلو می رود. از طرف دیگر نظریه های جدید الهام بخش آزمایش های تازه ای در ذهن آزمایشگران می شود.

اهمیت آزمایش در فیزیک به قدری زیاد است که فیزیکدانان بر این باورند که در نبود آزمون چه بسا که پژوهش های نظری به خطا برود. این یکی از انتقادهای فیزیکدانان از نظریه m (یکی از نظریه های رایج در فیزیک انرژی زیاد) است، زیرا تاکنون هیچ آزمایشی برای آزمودن این نظریه طراحی و اجرا نشده است. فیزیک کاربردی بخشی از فیزیک است که به یکی از کاربردهای فناوری یا عملی فیزیک نظر دارد، برای مثال به کاربردهای فیزیک در مهندسی یا پزشکی می اندیشد و از این لحاظ با پژوهش های بنیادی تفاوت دارد. از این لحاظ فیزیک کاربردی همانند ریاضی کاربردی است. مبنای فیزیک کاربردی واقعیت های بنیادی و مفاهیم اصلی علوم فیزیکی است، اما توجه خود را به کاربردهای اصول علمی در ابزارها و سیستم های عملی و کاربرد فیزیک در دیگر حوزه های علم معطوف کرده است. فیزیک محض و کاربردی با یکدیگر تفاوت هایی دارند و این تفاوت ها به انگیزه و نگرش پژوهشگران و ماهیت ارتباط این پژوهش ها با علم و فناوری مربوط می شود.