فيزيك از آغاز تا امروز

[engeneer_19]

كتاب:

فيزيك از آغاز تا امروز






پيشگفتار:
اينكه نيوتن با مشاهده سقوط سيب، قانون جهاني گرانش را كشف كرد، داستاني خيالي بيش نيست. اما اگر گفته شود كه نيوتن تنها كسي بود كه وجه مشترك سقوط سيب و گردش ماه به دور زمين را درك كرد، واقعيتي انكار ناپذير است. انديشه هاي مربوط به قانون جهاني گرانش، سالها قبل از تولد نيوتن نيز وجود داشت و برخي نظريه هاي ارائه شده توسط ديگر فيزيكدانان با دست آورد نيوتن، تنها گامي فاصله داشت و آن ذره اي فرض كردن زمين و خورشيد بود. و اين گام مهم را نيوتن برداشت.
روند مشابهي در پيدايش مكانيك كوانتوم و نسبيت نيز مشاهده مي شود. زمينه هاي فكري نسبيت را مي توان در كارهاي لورنتس مشاهده كرد و آنگاه خواهيم ديد كه چگونه انيشتين گام نهايي را برداشت و با نفي دستگاه مطلق اتر، انسان را با دنيايي جديد آشنا كرد كه در آن فضا مستقل از ماده و زمان تصوري غير واقعي بيش نيست. مكانيك كوانتوم نيز آنطور كه ماكس پلانك ارائه داد بود، قادر به توجيه پيديده هاي ميكروسكپي نبود و چند گام مناسب توسط انيشتين، بور، كمپتون و دوبروي و ... برداشته شد تا سرانجام توسط شرودينگر، ديراك و فينمن و ... مكانيك كوانتوم جديد شكل گرفت. با اين وجود هنوز مكانيك كوانتوم نياز بكارهاي زيادي دارد تا بتواند مشكلات و ابهامات موجود در فيزيك ذرات را برطرف كند.
كتاب حاضر براي مشخص كردن اين گامها و توضيح نحوه ي انديشيدن به پديده هاي فيزيكي به رشته تحرير در آمده است. هرچند كه سعي شده رويدادهاي تاريخي فيزيك در تحرير كتاب فيزيك از آغاز تا امروز نيز مد نظر قرار گيرد، اما اين كتاب، تاريخ فيزيك نيست. اما چنان به روند تكامل علم فيزيك توجه شده است كه زمينه رشد انديشه هايي منجر به كشفيات فيزيكي تشريح گردد.
بحث هاي فلسفي در كنار رويدادهاي تاريخي مطرح شده تا فلسفه ي علم فيزيك، زينت بخش محتواي علمي كتاب گردد. با اين وجود نمي توان كتاب را فلسفي قلمداد كرد. درك عميق دانش فيزيك، بدون توجه به روند تاريخي و نگرشهاي فلسفي آن، از جذابيت اين دانش بنيادي مي كاهد. به همين دليل هر جا كه لازم ديده شد، محتواي علمي كتاب با تاريخ و فلسفه فيزيك در هم آميخته شده است تا زواياي تاريك و مبهم فيزيك براي خواننده روشن گردد.
كتاب در سطحي تهيه شده است كه براي همه ي گروه هاي سني با هر پايه اي از معلومات فيزيكي، مفيد واقع شود. با اين وجود كتاب حاضر براي دانشجويان دوره كارشناسي رشته هاي فيزيك، رياضي و مهندسي مناسب تر است. تلاش شده جهت گيري مطالب كتاب بگونه اي باشد كه انگيزه پژوهش دانشجويان و دانش آموزان عزيز را تقويت كند.
اگر دانشجويان و دانش آموزان عزيز مطالب اين كتاب را متناسب با مطالب درسي انتخاب و مطالعه كنند، مطالب كتب درسي بيشتر قابل لمس و درك خواهد شد. علاوه بر آن خواننده كتاب درگير انديشه هاي منجر به نظريه هاي علمي مي شود و پس از مدتي مي تواند موشكافانه نظريه هاي فيزيكي را با نگاهي نقادانه مورد مطالعه قرار دهد.
هريك از فصول كتاب تكميل كننده فصل قبلي است، بنابراين انتظار دارد كتاب مانند يك كتاب داستان مطالعه شود تا پيوستگي و ارتباط نظريه هاي فيزيكي و اهميت آنها مشخص شود. در اين صورت خواننده مشاهده خواهد كرد كه هيچ نظريه اي كامل نيست و هر نظريه جديدي با اشكالات و ابهامت خاص خود رو به رو است كه زمينه انديشه و پژوهشهاي بعدي را فراهم مي سازد.
در پايان لازم است از معاونت پژوهشي دانشگاه تهران، بويژه جناب آقاي دكتر فروزبخش كه با مساعدت خويش، تدوين و تكميل كتاب را امكان پذير كردند، تشكر و قدرداني شود. همچنين از بذل توجه جناب آقاي دكتر سيد مصطفي علوي رياست صندوق حمايت از نوخبگان كه انتشار كتاب را مورد حمايت قرار دادند، تشكر مي شود.
اميد است اين كتاب زمينه انتشار آثار ارزشمند و غني تري را فراهم كند. در هر صورت آرزومند است اين گام كوچك مورد قبول جامعه ي علمي كشور عزيزمان قرار گيرد.
همچنين از خوانندگان عزيز تقاضا مي شود نقطه نظرهاي خود را همراه با ذكر نارسايي هاي كتاب ياد آور شوند تا در چاپ هاي بعدي رعايت گردد.



فهرست مطالب:
پيشگفتار
فصل 1 فيزيك پيش از قرون وسطي 21
1- 1 فيزيك ماقبل تاريخ 22
1-2 فيزيك يوناني 26
1-3 بن بست فيزيك يوناني 33
پيش از آن كه يونانيان نظريه كروي بودن زمين را مطرح كنند، اكثر مردم معتقد بودند كه زمين مسطح است. مثلا هندوها معتقد بودند كه زمين مسطح بر شانه 4 فيل قرار دارد كه به نوبه خود بر پشت چهار لاك پشت شناور در اقيانوسي بي كران ايستاده اند. مصريان باستان زمين را رب النوع كب مي پنداشتند كه به پهلو دراز كشيده و الهه نات، تجسم خورشيد، بر روي آن خيمده است.

ستاره شناسي باستاني
مردمان اوليه از آسمان به عنوان قطب نما ، ساعت و تقويم استفاده مي‌كردند. طلوع و غروب خورشيد به ترتيب نمايانگر شرق و غرب بود. صورتهاي كره ماه ، يك ماه را معين مي‌نمود و ماه به همراه حركت سالانه خورشيد در آسمان تقويم را پديد مي آورند. با شروع تبادلات تجاري ميان فرهنگها ، موقعيت ستارگان براي راهنمايي دريانوردان بكار گرفته شد.
آثار مشاهدات آسمان حتي از دوران ما قبل تاريخ ، يعني قبل از آغاز ثبت رخدادها بر جاي مانده است. تصور مي‌شود كه سنگهاي قائم يافته شده در برخي از نقاط اروپا، اولين رصدخانه‌ها باشند و اين سنگها براي نشان دادن موقعيت خورشيد و ماه در برخي از اوقات سال ، نظير اعتدالين ، چيده و مرتب شده‌اند. احتمالا مراسم مذهبي در اين روزها برگزار مي‌شد، هر چند كه كاربرد دقيق سنگها به درستي معلوم نيست.

يونانيان با تقسيم بندي گنبدهاي آسمان براي هر يك از سيارات گنبدي خاص قائل بودند. نخستين كشفيات فيزيكي هنگامي صورت گرفت كه تلاش گسترده اي براي برهاني كردن رياضيات آغاز شده بود. در اين زمان الكتريسيته و مغناطيس جدا از يكديگر كنجكاوي انسان را برانگيخت. ذرات تشكيل دهنده ي جهان تقسيم بندي شد و نظريه ي اتمي ماده مطرح و اتر به عنوان عنصر كامل، اين تقسيم بندي را تكامل بخشيد. كروي بودن شكل زمين بطور مستدلل اثبات و حركت دوار كائنات به دور زمين كه تصور مي شد دايره منحني كامل است، از بديهيات محسوب مي شد. منطق قياسي كشف گرديد و تمام افكار و نظريات علمي را تحت تاثير خود قرار داد. استفاده از هندسه در نجوم آغاز شد. فاصله ي زمين تا ماه و خورشيد محاسبه و نظريه زمين مركزي زير سئوال رفت. اما همچنان اعتقاد عموم بر آن بود كه زمين مركز جهان است
دستگاه زمين مركزي تحت تاثير تقدس دايره ها حركت پيچيده ي سياره ها را با استفاده از مدارهاي تدوير توجيه كرد. مكانيك يوناني بر اساس نظريه زمين مركزي بخوبي علت سقوط اجسام به طرف زمين را توجيه مي كرد. يونانيان حركت مستقيم نور را بيان و به تشريح خواص آينه ها پرداختند. اما منطق قياسي چنان بر افكار علمي آنان تسلط داشت كه فيزيك يوناني را به بن بست كشيد

دستگاه زمين مركزي بطلميوس
بطلميوس در حدود 150 ميلادي رساله ي پر نفوذي به نام سونتاركنس ماتماتيكا يا مجموعه ي رياضي نوشت. هر چند اين رساله بر نوشته هاي هيپارخوس مبتني است، اما به خاطر فشردگي و زيبايي چشمگيرش مورد توجه قرار گرفت. شارحين بعدي براي متمايز ساختن آن از آثار كم اهميت تر صفت مجيسته يا مجسطي به معني بزرگترين را به آن منسوب كردند. مترجمين عرب زبان حرف تعريف ال را پيشوند كردند و آنرا المجسطي ناميدند
بطلميوس در المجسطي پديده هايي را بررسي مي كند كه بستگي به كرويت زمين دارند. سپس دستگاه زمين مركزي نجوم را طرح ريزي مي كند كه قريب به 1500 سال مورد پذيرش عموم بود. المجسطي قديمي ترين كوشش مجدانه در راه تبيين حركت شناسي منظومه شمسي است. اما در توجيه حركتهاي پيچيده ي سياره ها كه فاصله ثابتي با زمين ندارند، روي مدارهاي دايره اي عاجز بود. بنابراين مفهموم مدارهاي تدوير را بكار گرفت
طبيق اين نظريه هم سياره روي دايره اي حركت مي كند كه مركز آن به نوبه ي خود روي دايره اي به مركز زمين حركت مي كند. بطلميوس مجبور شد به انواع ديگر مدار هم توسل جويد، اما هر كدام از اينها نيز دايره تقدس خود را به عنوان شكل اصلي حركات سياره ها حفظ كرد.
يونانيان دانشي را كه با زندگي روزمره ارتباط داشت كم ارزش مي شمردند. ولي در رياضيات موفقيت چشمگيري كسب كردند. رياصياتي كه به اعتقاد آنان بر اساس يك سري اصول بديهي شكل گرفته بود و ساير قضايا را بوسيله منطق قياسي استنتاج مي كردند. يونانيان چنان دلباخته ي آن شدند كه قياس را تنها وسيله ي معتبر كسب دانش مي پنداشتند. اما مي دانستند. كه قياس براي پاسخگويي به برخي از پرسش ها كافي نيست. مثلاً فاصله دو شهر را بوسيله قياس نمي توانستند به دست آورند، بلكه بايد اندازه گيري مي كردند. هرگاه كه لازم بود، طبيعت را مشاهده مي كرند، ولي اين امر با رقبت انجام نمي گرفت. در هيچ جا ثبت نشده كه ارسطو دو سنگ ناهم وزن را بسوي زمين رها كرده باشد تا نظر خود را بيازمايد. آزمايش كردن به نظر يونانيان كاري بيهوده و معارض با زيبايي قياس خالص بود و از ارزش آن مي كاست


فصل 2 نگهداري و تكامل علوم يوناني 41
2-1 عصر تاريكي و دوره ي انتقال اول 41
2-2 فيزيك در ايران 43
2-3 ابوعبدالله محمّد بن موسي خوارزمي 44
2-4 ابن سينا 46
2 – 5 ابن هيثم 49
2 - 6 ابوريحان بيروني 52
2 – 7 خيام 56
2 – 8 خواجه نصيرالدين طوسي 58

خلاصه:

هنگاميكه اروپا در ظلمت جهل و بي خبري بسر مي برد، دانشمندان اسلامي و در راس آنان انديشمندان ايراني اندوخته هاي علمي يونانيان را جمع آوري و حراست كردند و با دانش و انديشه هاي ايرانيان باستان درآميختند. تعاريف و اصول هندسه ي اقليدسي توسط ايرانيان مورد بررسي و نقد قرار گرفت. مثلثات كروي توسط فضلاي ايراني ابداع و دستگاه اعداد با كشفيات هنديان تكميل و بوسيله ي بازرگانان به اروپا برده شد. از قرن يازدهم ميلادي به بعد بعضي از كشيشان به جامه ي طلاب مسلمان در مي آمدند و كتبي را كه با دقت محافظت مي شد با خود به غرب مي بردند و ترجمه مي كردند
در قرن شانزدهم دستگاه خورشيد مركزي منظومه شمسي تدوين و مسير حركت سيارات با دقت رصد شد. در نتيجه تقدس دايره ها در هم شكسته شد و مدار بيضوي حركت سيارات مورد قبول واقع شد. روش استقرايي تواني نو يافت و به مقابله با قياس برخاست و مسير جديدي براي انديشه هاي علمي بوجود آمد.
آزمايش كردن قباحت خود را از دست داد و اجسام از بلندي رها شدند تا زمان سقوط آنها بطور تجربي بررسي شود. قوانين سقوط آزاد اجسام به كل جهان تعميم داده شد شد و قانون جهاني گرانش كشف گرديد. علت حركت سيارات به دور خورشيد صورت بندي شد. اختراع و تكميل تلسكوپ انسان را با دنيايي رو به رو ساخت كه قبل از آن هرگز تصورش نمي رفت. آنگاه ناچيزي زمين در مقابل كاينات به اثبات رسيد
استفاده از نماد گرايي در رياضيات آغاز و هندسه تحليلي به عنوان ابزاري قدرتمند براي تجسم و تكميل كشفيات حساب ديفرانسيل و انتگرال به كار گرفته شد. ماهيت فيزيكي نور با آزمايش مورد سئوال قرار گرفت. در نتيجه نظريه ي دانه اي و نظريه ي موجي بودن نور براي توجيه آن ابداع شد. عنصر پنجم ارسطوئي اتر بيش از پيش بكار گرفته شد. اما اين بار نه به عنوان يك عنصر، بلكه به عنوان زمينه اي براي انتشار نور و توجيه حركت نور در فضا و انتقال نيروي گرانش و تصور مي شد كه كالبد فضا از اتر انباشته شده است.

ايرانيان در نگاهداري علوم يوناني تلاش زيادي مبذول داشتند و در تكامل آن نيز نقش بسزايي داشتند. اما متاسفانه اين تلاش ها با ركود چند صد ساله مواجه شد. با اين وجود با انتقال علوم از كشورهاي اسلامي به غرب، اين دست آورده ها تقريباً حفظ شد. هنگاميكه ايران در ركود علمي به سر مي برد، اروپا در حال بيدار شدن و روي آوردن به علوم بود. با اين وجود هيچ مورخي نم تواند نقش ايرانيان را در نگاهداري و تكامل علوم ناديده بگيرد.
ابوريحان بيروني
خيام
خواجه نصيرالدين طوسي


فصل 3 زمينه ي رنسانس علمي در اروپا 67
3 – 1 ظهور و پيدايش رنسانس 68
3 – 2 فيبوناتچي و بوزجاني‌ 69
3- 3 نصيرالدين طوسي ، كوپرنيك و مساله حركت زمين 71
3 – 4 نيكولاس كوپرنيك 72
3 – 5 پس از كوپرنيك 76
3- 6 تيكو براهه 77
3 – 7 يوهان كپلر 78
3 – 8 قوانين كپلر 80
3 – 9 تاثير قوانين كپلر بر انديشه انسان 83
خلاصه:

زمينه ي رنسانس علمي در اروپا

ارتباط غربيان با جوامع اسلامي بويژه از طريق بازرگانان موجب توجه آنان به آثار علمي انديشمندان اسلامي شد. در اين دوره مسير برعكسي آغاز شد بدين ترتيب كه چون بسياري از آثار نجومي يونان باستان از بين رفته بود و فقط ترجمه عربي آن باقي مانده بود به لاتين ترجمه شدند. در اين دوره بود كه تعداد زيادي از اصطلاحات عربي به زبان هاي اروپايي راه پيدا كرد.
در حدود سال 950 ميلادي ژربر متولد شد، وي در مدارس مسلمانان اسپانيا درس خواند و در مراجعت ارقام عدد نويسي عربي را با خود به اروپاي مسيحي برد. ژربر مورد سوء ظن معاصرانش قرار گرفت و متهم شد كه روح خود را به شيطان فروخته است. با اين حال ژربر به تدريج در كليسا ترقي كرد و سرانجام در سال 999 به مقام پاپي انتخاب شد. بدين ترتيب ورود آثار كلاسيك علوم يوناني و اسلامي به اروپاي غربي شروع شد
در حدود 1120 ميلادي يك راهب انگليسي به نام آدلارد باثي كه در اسپانيا درس خوانده بود، خود را در جامه يك طلبه در آورد و به گنجي از دانش كه شديداً مورد حفاظت بود دست رسي پيدا كرد. وي اصول اقليدس و جداول خوارزمي را به لاتين ترجمه كرد. قرن دوازدهم ميلادي به قرن ترجمه آثار و فرهنگ و دانش اسلامي بدل گشت. كوشاترين مترجم اين عصر گراردوي كرمونايي بود كه بالغ بر 90 اثر عربي را به لاتين ترجمه كرد. مجسطي، اصول اقليدس و جبر خوارزمي از آن جمله بودند
در حدود سال 1250 ميلادي، اكوايناس اساس استدلال و منطق ارسطو را بكار برد. وي بر اساس اصول ارسطويي سيستم توميسم Tomism را بنياد نهاد كه در حال حاضر نيز پايه الهيات كليساي كاتوليك رومي است. ديگران نيز به زودي از احياي انديشه هاي يوناني در زمينه هاي دنيوي استفاده كردند. مهمترين كار در اين زمينه با انتشار كتاب كوپرنيك صورت گرفت كه در آن يكي از بديهيات اختر شناسي، يعني دستگاه زمين مركزي منظومه شمسي رد شد.

پي آمدهاي انديشه هاي كوپرنيك

آنچه كه كوپرنيك انجام داد زمينه ساز بزرگترين انقلاب علمي فكري عليه نفوذ اعتقاد بر حريم علوم تجربي شد. احتمالاً خود كوپرنيك نيز از واكنش طرفداران فيزيك
پس از كوپرنيك
واكنش كليسا در برابر آراء كوپرنيك خشمگينانه بود. نقل است مارتين لوتر – پايه‌گذار مذهب پروتستان- به محض آگاه شدن از نظريه با آن به مخالفت برخاسته، گفته بود: «فقط احمق‌ها نجوم را وارونه مي‌كنند. طبق نص كتاب مقدس، اين خورشيد بود نه زمين كه يوشع فرمان داد بايستد.» به باور لوتر و همفكرانش، نظريه كوپرنيك نه فقط مخالف عبارات كتاب مقدس بود، بلكه جايگاه رفيع آدمي را – كه به عنوان برترين آفريدگان بايد در مركز جهان هستي قرار داشته باشد- از او مي‌گرفت.
بر خلاف انتظار در كشورهاي پيرو كليساي كاتوليك رم (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%DA%A9%D9%84%DB%8C%D8%B3%D8%A7%DB% 8C_%DA%A9%D8%A7%D8%AA%D9%88%D9%84%DB%8C%DA%A9_%D8% B1%D9%85&action=edit) تا مدتها هيچ كس به نظريه كوپرنيك اعتراض نكرد. بي ترديد اهداي كتاب به پاپ پل سوم (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%BE%D8%A7%D9%BE_%D9%BE%D9%84_%D 8%B3%D9%88%D9%85&action=edit) و پشتيباني كاردينال پرنفوذي چون يوهان ويدمانشتات‌ از آن در ساكت كردن هر نداي اعتراضي نقش داشت. با اين وجود در اواخر قرن شانزدهم اوضاع به تدريج رو به تغيير گذاشت؛ راهبي انقلابي به نام جوردانو برونو (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%AC%D9%88%D8%B1%D8%AF%D8%A7%D9% 86%D9%88_%D8%A8%D8%B1%D9%88%D9%86%D9%88&action=edit) كه مي‌خواست مسيحيت را با مذهب خورشيد پرستي مصريان باستان درآميزد، نظريه كوپرنيك را جالب توجه يافت و تصميم به حمايت از آن گرفت. با محكوم شدن برونو در دادگاه مذهبي، هر چه كه او در نوشته‌هايش مطرح كرده بود نيز مشكوك و ضد دين تلقي شد و اين آغاز مخالفت گسترده كاتوليك‌ها با نظريه كوپرنيك بود كه تا زمان اثبات كامل آن در قرن هفدهم ادامه يافت

تيكو براهه


فصل 4 گسترش نوآوري و مقاومت جزم انديشان 87
1 – 4 فلسفه ي علم 88
2- 4شجاعت نوآوران و مقاومت جزم انديشان 90
4 -3 رنه دكارت 95
4 – 4 آماده شدن زير ساخت هاي مكانيك كلاسيك 97
4 – 5 تجربه گرايي در علوم تجربي 100
4 – 6 روش استقرايي و حساب ديفرانسيلي 105

خلاصه:
گسترش نوآوري و مقاومت جزم انديشان
مقدمه:
قبل از آنكه انديشه ي آدمي شكوفا گردد و به بهره وري رسد، بايد شرايط آن فراهم گردد. در جو اختناق آلود قرون وسطي چنين شرايطي فراهم نبود. به همين دليل توليدات فكري تقريباً به صفر رسيد. براي رشد و پيشرفتهاي علمي نخست بايد زمينه ي فلسفي آن در جامعه فراهم باشد، به عبارت ديگر فلسفه هاي مورد قبول و حمايت جامعه بايستي پذيراي نظريه هاي جديد باشند تا جامعه شاهد شكوفايي انديشه و توليدات آن باشد. جزم گرايي قرون وسطي بزرگترين عامل بازدارنده كشفيات علمي و مانع شكوفايي ذهن پوياي آدميان بود. ورود انديشه ها و ديدگاه هاي علمي دانشمندان اسلامي بويژه دانشمندان ايراني به غرب، ضربه ي مهلكي بر جزم انديشي برخي از جوانان كنجكاو اروپايي وارد كرد و زمينه ي دگرانديشي را فراهم ساخت.
نگرش متفاوت دانشمندان اسلامي و برخورد نقادانه ي ايشان با فيزيك ارسطويي جسارت جوانان مستعد اروپايي را تحريك كرد تا جهان را نه از ديد ارسطو، بلكه با تفكر و بينش مورد كنكاش قرار دهند. نتيجه ي اين نگرش جديد به طبيعت آن بود كه فلسفه علمي مورد پذيرش عامه ي مردم و در راس آن كليسا را زير سئوال برد. سئوالات روز افزون انديشمندان در بستر جامعه نيز پخش شد و افراد بيشتري را آماده ساخت تا به جهان بگونه اي ديگر بنگرند. بهمين دليل در مدت كوتاهي دانشمندان بسياري پيدا شدند كه ديگر حاضر نبودند فيزيك ارسطويي و ديدگاه علمي كليسا را بپذيرند. و اين نقطه ي آغاز شكوفايي علمي در اروپا و زمينه ساز تولد فيزيك كلاسيك بود.
فلسفه ي علم:
فلسفه توضيحي است براي بي نظمي طبيعي مجموعه اي از تجارب يا دانسته ها. بنابراين براي هر مجموعه اي از تجارب فلسفه اي وجود دارد. هرچند ممكن است بدون توجه به فلسفه ي يك دانش، آن را آموخت و به كار برد، اما درك عميق و تعميم آن دانش بدون توجه به فلسفه اش امكان پذير نيست. در واقع بر عهده ي فلسفه ي علم است كه حوزه ي فعاليتهاي يك دانش از جمله فيزيك، اهداف و اعتبار گزاره هاي آن را تعيين كند و روش به دست آوردن نتايج را توضيح دهد. اين فلسفه ي علم است كه نشان مي دهد هدف علم، پاسخ به هر سئوالى نيست. علم تنها مى تواند آنچه را كه متعلق به حوزه واقعيت هاى فيزيكى (آزمون هاى تجربى قابل سنجش) است، پاسخگو باشد. علم نمى تواند در مورد احكام ارزشى كه متعلق به حوزه اخلاق و پيامدهاى يك عمل است، نظرى ابراز دارد.

آماده شدن زير ساخت هاي مكانيك كلاسيك
اگر بخواهيم به كشف قانون جهاني گرانش توسط نيوتن به داستان سقوط سيب بسنده كنيم كه اين قانون در يك لحظه به ذهن نيوتن رسيد، كاري غير علمي و خرافي انجام داده ايم. ابداع و انتشار معادلات حركت توسط نيوتن، ريشه در پژوهشهايي داست كه قدمت آن به حيات انسان بر عرصه ي خاك مي رسد. اين روند پژوهشي با فراز و نشيب هايي (گاه خشن و غير انساني) همراه بود و خمير مايه ي آن توسط انديشمندان بسياري فراهم شد و سرانجام توسط نيوتن به منصه ي ظهور رسيد. بنابراين قبل از نيوتن زير ساخت هاي مكانيك كلاسيك آماده شده بود. علاوه بر آن جامعه ي اروپا از نظر فلسفي و اعتقادي آماده ي پذيرش آن بود. نيوتن معادلات حركت خود را روي اين زير ساخت ها فرمولبندي كرد. اين نگرش بهيچ.جه از ارزش كار بزرگي كه نيوتن انجام داد نمي كاهد، اما نقش ساير انديشمندان را نيز يادآور مي شود.

سازندگان زير ساخت مكانيك كلاسيك
دستگاه خورشيد مركزي زمين كوپرنيك، بيش از آنكه يك نظريه علمي باشد، زمينه ي دگر انديشي را فراهم آورد و بنيان فلسفه جهان بيني كليسا را به چالش كشيد. هرچند قريب به 100 سال نسبت به آن توجه چنداني نشد، اما هنگامي كه مورد توجه قرار گرفت، نظام انديشه ي علمي را دگرگون ساخت. در نمودار زير سالها و سرخط نظريه ها آورده شده تا با مقايسه ي آنها روند شكل گيري بنيان انديشه هاي مكانيك كلاسيك مشخص شود.

فصل 5 مفاهيم بنيادي فضا و زمان 109
5 – 1 فضا چيست؟ 109
5 – 2 سير تحول تاريخي مفهوم فضا 111
5 – 3 زمان 114
5 – 4 زمان فيزيكي 116
5 – 5 اشكال مفهوم فيزيكي زمان 120
5 – 6 زمان زيست شناختي 122
5 – 7 زمان اسطوره‌اي و زمان مدرن

مفاهيم بنيادي فضا و زمان
بررسي و شناخت پديده هاي فيزيكي و روابط بين آنها بدون توجه به مفاهيم و درك شهودي از فضا و زمان جندان مانوس به نظر نمي رسد. مفهوم و درك فضا و زمان نيز مانند ساير كميت هاي فيزيكي روندي پويا دارد و در طول تاريخ دستخوش تغييرات زيادي شده است. بويژه بعد از نسبيت مفاهيم فضا و زمان و درك بشر از آنها دچار دگرگوني بنيادي شد. البته در اينجا نمي خواهيم مسئله ي فضا-زمان را مورد بررسي قرار دهيم، تنها هدفمان از ارائه ي اين فصل اين است كه زمينه ي آشنايي با نگرش فلسفي و علمي نسبت به فضا و زمان فراهم گردد تا بعد ازبيان نسبيت فضا-زمان مورد بررسي قرار گيرد. همجنين اين مطالب قبل از قوانين نيوتن آورده شده است تا زمينه ي مطرح شدن ديدگاه منطقي نيوتن نسبت به فضا و زمان مطلق فراهم گردد.

فضا چيست؟
فضا (Space) واژه‌اي است كه در زمينه‌هاي متعدد و رشته‌هاي گوناگون از قبيل فلسفه، جامعه‌شناسي، معماري و شهرسازي بطور وسيع استفاده مي‌شود. ليكن كاربرد فراوان واژه فضا به معني برداشت يكسان از اين مفهوم در تمام زمينه‌هاي فوق نيست. بلكه تعريف فضا از ديدگاه‌ها و رشته هاي مختلف و در موقعيت هاي متفاوت قابل بررسي است. مطالعات نشان مي‌دهد با وجود درك مشتركي كه به نظر مي‌رسد از اين واژه وجود دارد، تقريباً توافق مطلقي در مورد تعريف فضا در مباحث علمي به چشم نمي‌خورد و اين واژه از تعدد معاني نسبتاً بالايي برخوردار است و تعريف مشخص و جامعي وجود ندارد كه دربرگيرنده تمامي جنبه‌هاي اين مفهوم باشد. از اين رو در اين يادداشت به ذكر برخي كليات در مورد مفهوم فضا بسنده مي شود.

زمان فيزيكي

در فيزيك، زمان با دو روش متفاوت تعريف مي شود:
الف - روش ترموديناميكي: اين روش را براي نخستين بار فيزيكداناني مانند كلوين و سلسيوس كه به مفهوم دما و تبادلات گرمايي علاقمند بودند، بنيان نهادند. اما شكل پخته و امروزين آن را در آثار انديشمنداني مانند بولتزمان مي بينيم.
تعريف ترموديناميكي زمان، بر الگوهايي از رفتار مبتني است كه در سيستمهاي ساده ديده مي شود. بخش مهمي از سيستمهايي كه در پيرامون ما وجود دارند، نظامهايي ساده هستند كه از شمار زيادي از عناصر به نسبت ساده تشكيل يافته اند. عناصري كه رفتارشان تقريبا تصادفي به نظر مي رسد، اما برآيند رفتارهاي سطح خردشان بر مبناي قواعدي كلان پيش بيني پذير است. بررسي تحولات انرژيايي اين سيستمها، ستون فقرات علم ترموديناميك را تشكيل مي دهد.

زمان زيست شناختي
سيستم زنده، نظامي است كه در زمان و مكان امتداد دارد. در نتيجه براي تنظيم رفتارهاي خويش و سازگار شدن با محيط، نياز به آن دارد تا هر دوي اين زمينه ها را بشناسد -يا خلق كند- و برمبناي آن كاركرد غايي خويش -يعني بقا- را برآورده سازد. سيستمهاي جانوري پيچيده به كمك حس بينايي و شنوايي مكان را درك مي كنند. مكان، به شكلي گسترده، بر مبناي رخدادهايي نوپديد و بديع كه در اطراف موجود ظهور مي كند، شناسايي و درك مي شود.
زمان، بر عكس به شكلي دروني ادراك مي شود. سيستم زنده براي فهم زمان بيش از محركهاي بيروني و تحولات محيطي به دگرگونيهاي دروني و متغيرهاي داخلي خويش وابسته است. دستگاه تشخيص زمان در تمام جانداران از ساختار شيميايي كمابيش يكساني پيروي مي كند. مبناي تمام اين دستگاه ها، چرخه هايي بيوشيميايي است كه مي توانند به صورت متناوب و پياپي تكرار شوند و هر چرخه ي تكرارشان زماني مشخص دوام مي يابد. به اين ترتيب، جانداران در سطح بيوشيميايي به ساعتي دروني مجهز هستند كه بر مبناي كنش و واكنشهاي شيميايي و با چرخ دنده هايي مولكولي تيك تاك مي كند.
در جانورانِ داراي دستگاه عصبي پيچيده، اين دستگاه بسيار تكامل يافته است و Zaitgieber به آلماني يعني "زمان سنج" ناميده مي شود. در بندپايان، بخشي از عقده ي سري اين وظيفه را بر عهده دارد و در مهره داران خونسرد -ماهيان، دوزيستان و خزندگان- غده ي صنوبري اين كار را انجام مي دهد.
در انسان، مركز درك زمان هسته ي كوچكي به نام هسته ي بالاي چليپايي (SCN ) است كه در هيپوتالاموس، درست در بالاي محل برخورد دو عصب بنيايي قرار گرفته است. اين هسته تنها از دو هزار نورون تشكيل يافته است. نورونهاي مورد نظر، با چرخه هاي شيميايي بسته اي، به طور منظم پيامهايي الكتريكي و تكرار شونده را توليد مي كنند. اين پيامها در شبكه ي پيچيده ي نورونهاي اين هسته تشديد مي شود و با فواصل زماني ثابتي پيامي عصبي را به ساير ساختارهاي مغزي گسيل مي دارد. به اين ترتيب هسته ي بالاي چليپايي با سرعت ثابتي تيك تاك مي كند و زمان دروني مغز را ثبت مي نمايد.
ساعت دروني به طور دايمي به كمك محركهاي نوري كه از چشمها وارد مي شوند، خود را تنظيم مي كند. به عنوان مثال، شبانه روزِ ساعت دروني، از شبانه روزِ نجومي و بيروني طولاني تر است. اگر عده اي از مردم در محيطي مانند قعر يك غار كه فاقد هر نوع محركِ نشانگر زمان است، براي مدتي بمانند، طول شبانه روزشان اندكي افزايش مي يابد و در حوالي بيست و پنج ساعت تثبيت مي شود. رفتارهاي اين آزمودني ها، بر مبناي چرخه هايي 25 ساعته تنظيم مي شود و خورد و خوابشان با چنين تناوبي سازمان مي يابد.

زمان اسطوره اي و زمان مدرن
زمان اسطوره‌اي و زمان مدرن
سولماز نراقى :حتي اگر مفهوم زمان يك مفهوم صرفا ذهني باشد، يا اگر ماهيت محاسبه و سنجش آن در اقوام مختلف براساس بينش دايره اي وار يا خطي آنان از جهان، متفاوت و متغير باشد، آنچه كه انكارناپذير است واقعيت جاري و بيروني پديده ها است كه اين مرز، با دو نوع حركت در زمان و مكان پشت سر مي گذارند تا ما سرانجام جوهره اين تحول را در قالب تاريخ نقد كنيم.

دكتر «محمد ضيمران» در اين زمينه مطالعات گسترده اي داشته است. او براي زمان اسطوره و زمان آ كادميك بنا به ماهيتي كه هر يك از اقوام براي زمان، دين، اسطوره، تاريخ، مرگ و خدا قايلند تعاريفي قايل است. با دكتر ضيمران درباره زمان، برداشت اقوام از آن و روند سنجش آن در نزد ملل گوناگون گفت وگو كرده ايم كه مي خوانيد.



فصل 6 مكانيك نيوتني 137
6 – 1 دكارت و مفهوم حركت 138
6 – 2 مكانيك گاليله اي 142
6 – 3 قوانين نيوتن 144
6 – 4 اسحق نيوتن 146
6 – 5 قانون جهاني گرانش 150
6 – 6 مسير اجرام بدور خورشيد 152
6 – 7 زمينه تاريخي قانون جهاني گرانش نيوتن 157
6 – 8 دستگاه مرجع و نسبيت گاليله اي 157
6 – 9 تبديلات گاليله 163
6 – 10 هموردايي مكانيك كلاسيك در تبديلات گاليله 164
6 – 11 نقد قوانين نيوتن 165
6 – 12 رهيافتي به مكانيك كلاسيك 169
6 – 13 من فرضيه نمي سازم 170
6 – 14 روش استقرايي از ديد فلاسفه ي جديد 171
6 – 15 بررسي اصول موضوعه 173

خلاصه:

مباني مكانيك نيوتني

آخرين فردي كه انديشه هايش بر نيوتن و فرمول بندي مكانيك كلاسيك تاثير عميق داشت، دكارت بود. با اين وجود نظرات و كارهاي دكارت در زمينه فيزيك حالت توصيفي داشت. اما همين مسائل توصيفي نيز به شدت با فيزيك ارسطويي در تضاد بود. اما از ديدگاه منطقي قوانين نيوتن شكل رياضي نظريه هاي گاليله است. به همين دليل نخست فيزيك دكارتي آورده شده و سپس مكانيك گاليله اي تا با مقايسه ي آنها با كارهاي نيوتن، ارزش و اهميت كار هر يك بهتر مشخص شود.
دكارت و مفهوم حركت
در باب فيزك دكارت و مفهوم حركت از ديدگاه او كمتر سخن گفته اند . گويي فيزيك دكارت با آنهمه اهميت و تاثيرش بر آراء انديشمندان بزرگي , همچون ايزاك نيوتن , در مقابل ديگر افكار او همچون تصورات فطري و دوگانه انگاري ذهن – كمتر مورد توجه بوده است.
فيزيك و شالوده هاي آن نزد دكارت نقشي محوري داشتند . هر چند امروزه احتمالاً او را بيشتر با مابعدالطبيعه ذهن و بدن يا برنامه و روش معرفت شناسي اش ميشناسند. در قرن هفدهم ميلادي لااقل به يك اندازه , فيزيك مكانيكي و مكانيك جهان هندسي در حركت كه نقش بسياري در مقبوليت او نزد انديشمندان معاصرش داشت , شاخته شده بود.
پيش زمينه هاي تاريخي

قوانين نيوتن
اهميت قوانين نيوتن در جهان شمول بودن آنها است. تفكيك نيروها و در نتيجه پيدا كردن نيروي موثر بر يك جسم براي بررسي و پيشگويي حركت آتي جسم، اهميت زيادي دارد. همين تشخيص نيروي موثر وارد بر جسم است كه جهان شمول بودن قوانين نيوتن و زيبايي آن را جلوه گر مي سازد. زيبايي و جذابيت اين قوانين در ظاهر ساده و مفاهيم عميق و بنيادي آن است كه وجوه مشترك و تفاوت هاي حركت يا سكون سنگي بر سطح زمين را با گردش سياره اي غول پيكر به دور يك ستاره را تحت قوانيني خاص توضيح مي دهد. اين دست آورد بزرگ نتيجه كار و كوشش چند هزار ساله ي انديشمندان بود كه سرانجام توسط نيوتن تدوين شد. نگاهي گذرا به تاريخ علم فيزيك، نشان مي دهد كه انسانهاي انديشمند چه زحمات طاقت فرسايي را تحمل كردند و چه هزينه ي سنگيني را پرداختند تا معادلات حركت شناخته و مطرح گردد. بهمين دليل در چند فصل گذشته ي اين كتاب گوشه ي كوچكي از مصائب انديشمندان درج گرديد تا ارزش اين قوانين مطرح گردد. بي دليل نيست كه هنگاميكه قوانين نيوتن فرمول بندي و مطرح شد، تاريخ علم و سرنوشت بشريت دگرگون شد. در اين فصل تلاش مي شود قوانين نيوتن تشريح گردد و در فصول بعدي زمينه هاي منطقي و مشكلات آنها بررسي خواهد شد.

دستگاه مرجع و نسبيت گاليله اي
دستگاه زمين مركزي بطلميوس تقزيباً 2 هزار سال بكار مي رفت و پاسخگوي نياز منجمين بود تا آنكه دستگاه خورشيد مركزي كوپرنيك جايگزين آن شد. گذشته از برخوردهاي اعتقادي طرفداران فيزيك ارسطويي، از نظر فيزيكي، هركدام از اين اجرام (زمين و خورشيد و يا هر جسم ديگري) مي تواند بعنوان دستگاه مقايسه اي مورد ارجاع و استفاده قرار گيرد. و حركت هيچ جسمي بدون مقايسه قابل توصيف و درك نيست. اما سئوال اين است كه مقايسه با چه چيزي يا حركت نسبت به چي؟
نيوتن قوانين حركت را ارائه كرد بدون آنكه صحبتي از مرجع مقايسه پيش كشيده باشد. براستي در اين قوانين، حركت نسبت به چه مرجع مقايسه اي سنجيده مي شود؟ قبل از آنكه به اين سئوال پاسخ داده شود، بهتر نگرش نيوتن در مورد زمان و فضا مطرح و مطالعه گردد تا اصولاً با پايگاه بينش فلسفي وي نسبت به طبيعت بيشتر آشنا شويم و آنگاه دستگاه مرجع مقايسه اي مورد نظر وي را بهتر خواهيم شناخت.
زمان از نظر نيوتن

نقد قوانين نيوتن
ذكر اشكالات يك نظريه بهيچوجه دليل بر ناديدن گرفتن توانايي و اهميت آن نظريه نيست. تاريخ علم نشان مي دهد كه هنوز هيچ نظريه علمي بدون اشكال يا ابهام مطرح نشده است. همين اشكالات و ابهامات است كه زمينه ي تحقيقات آتي فراهم مي آورد. برخي از اشكلات وارد به قوانين نيوتن كه در اينجا مطرح شده، بعدها در نسبيت برطرف گرديده است.


فصل7 آزاد انديشي در رياضيات 175
7- 1 اصطلاحات بنيادي رياضيات 176
7 – 2 اشكالات وارد بر هندسه اقليدسي 177
7 – 3 هندسه هاي نااقليدسي 178
7 – 4 انحناي سطح يا انحناي گائوسي 184
7 – 5 مفهوم و درك شهودي انحناي فضا 186

خلاصه:
آزاد انديشي در رياضيات
علومي كه از يونان باستان توسط انديشمندان اسلامي محافظت و تكميل شد و از قرون يازدهم ميلادي به بعد به اروپا منتقل شد، بيشتر شامل رياضي و فلسفه ي طبيعي بود. فلسفه ي طبيعي توسط كوپرنيك، برونو، كپلر و گاليله به چالش كشيده شد و از آن ميان فيزيك نيوتني بيرون آمد. چون كليسا خود را مدافع فلسفه طبيعي يونان مي دانست و كنكاش در آن با خطرات زيادي همراه بود، انديشمندان كنجكاو، بيشتر به رياضيات روي مي آوردند، زيرا كليسا نسبت به آن حساسيت نشان نمي داد. بنابراين رياضيات نسبت به فيزيك از پيشرفت بيشتري برخوردار بود. يكي از شاخه هاي مهم رياضيات هندسه بود كه آن هم در هندسه ي اقليدسي خلاصه مي شد.
در هندسه ي اقليدسي يكسري مفاهيم اوليه نظير خط و نقطه تعريف شده بود و پنچ اصل را به عنوان بديهيات پذيرفته بودند و ساير قضايا را با استفاده از اين اصول استنتاج مي كردند. اما اصل پنجم چندان بديهي به نظر نمي رسيد. بنابر اصل پنجم اقليدس از يك نقطه خارج از يك خط، يك خط و تنها يك خط مي توان موازي با خط مفروض رسم كرد. برخي از رياضيدانان مدعي بودند كه اين اصل را مي توان به عنوان يك قضيه ثابت كرد. در اين راه بسياري از رياضيدانان تلاش زيادي كردند و نتيجه اي نگرفتند. خيام ضمن جستجوي راهي براي اثبات "اصل توازي" مبتكر مفهوم عميقي در هندسه شد. در تلاش براي اثبات اين اصل، خيام گزاره هايي را بيان كرد كه كاملا مطابق گزاره هايي بود كه چند قرن بعد توسط واليس و ساكري رياضيدانان اروپايي بيان شد و راه را براي ظهور هندسه هاي نااقليدسي در قرن نوزدهم هموار كرد. سرانجام و پس از دو هزار سال اصولي متفاوت با آن بيان كردند و هندسه هاي نااقليدسي به عنوان نوعي جديد از هندسه وارد رياضيات شد. بدين ترتيب علاوه بر فلسفه ي طبيعي رياضيات نيز از انحصار يوناني خارج و در مسيري جديد قرار گرفت و آزاد انديشي در رياضيات آغاز گرديد.

اصطلاحات بنيادي رياضيات

هندسه هاي نااقليدسي و انحناي فضا
هندسه هاي نااقليدسي بر اساس تعريف و پذيرش جديدي از اصل پنجم اقليدس شكل گرفت.

هندسه هاي نا اقليدسي
اساساً هندسه نااقليدسي چيست؟ هر هندسه اي غير از اقليدسي را نا اقليدسي مي نامند. از اين گونه هندسه ها تا به حال زياد شناخته شده است. اختلاف بين هندسه هاي نا اقليدسي و اقليدسي تنها در اصل توازي است. در هندسه اقليدسي به ازاي هر خط و هر نقطه نا واقع بر آن يك خط مي توان موازي با آن رسم كرد
نقيض اين اصل را به دو صورت مي توان در نظر گرفت. تعداد خطوط موازي كه از يك نقطه نا واقع بر آن، مي توان رسم كرد، بيش از يكي است. و يا اصلاً خطوط موازي وجود ندارند. با توجه به اين دو نقيض، هندسه هاي نا اقليدسي را مي توان به دو گروه تقسيم كرد


فصل 8 نور 189
8 – 1 نور چيست؟ 189
8 – 2 اتاقك تاريك 190
8 – 3 محاسبه سرعت نور 191
8 – 4 طبيعت نور 194
8 – 5 پيروزي نظريه موجي نور 195
8 – 6 اصل فرما و نور شناخت جديد 198
8 – 7 ماهيت نور 199

خلاصه:

نور - سابقه تاريخي
امروزه مي دانيم كه نور يك موج الكترمغناطيسي است و بخش بسيار كوچكي از طيف الكترمغناطيسي را تشكيل مي دهد. بنابراين براي شناخت نور بايستي به بررسي امواج الكترومغناطيسي پرداخت. اما از آنجاييكه مكانيك كلاسيك قادر به توضيح كامل امواج الكترومغناطيسي نيست، الزاماً بايستي به مكانيك كوانتوم مراجعه كرد. اما قبل از وارد شدن به مكانيك كوانتوم لازم است با برخي از خواص نور آشنا شد و دليل نارسايي مكانيك كلاسيك را دانست. لذا نخست با بررسي روند تكامل دانش نور دلايل پيدايش مكانيك كوانتوم و نسبيت مشخص خواهد. آنگاه خواهيم ديد كه مكانيك كوانتوم و نسبيت چگونه مشكلات دانش نور را برطرف كردند.

اصل فرما و نور شناخت جديد
اصل فرما يكي از قوانين اساسي فيزيك نور است و بساري از قوانين اپتيك از آن قابل استخراج است. قوانين بازتابش و شكست و در واقع شيوه كلي انتشار نور را مي‌توان از ديدگاه كاملا متفاوت و شگفت ديگري به نام اصل فرما نگريست. ايده‌هايي كه در اينجا مطرح خواهد شد تأثير بسيار زيادي در گسترش انديشه فيزيكي و حتي فراسوي نور شناخت كلاسيكي داشته است. اين اصل بسياري از پديده‌هاي مشاهده شده در طبيعت را به زيبايي توضيح مي‌دهد.
هروي اسكندراني كه در سالهاي بين 150 تا 250 قبل از ميلاد مي زيست، اولين كسي بود كه آنچه را تا كنون اصل و روش ناميده شده است، بنيان گذاشت. او در فرمول بندي خود ادعا كرد كه مسيري كه نور عملا از نقطه‌اي مانند s به نقطه اي مانند p از راه بازتابش روي سطح مي‌پيمايد، كوتاهترين راه ممكن است. مشاهدات كنجكاوانه "هروي" بيش از پانزده قرن همچنان بي‌رقيب ماند، تا اينكه در سال 1657 فرما اصل كمترين زمان مشهور خود را اعلام كرد.

الكتريسيته و مغناطيس
علم مغناطيس از اين مشاهده كه برخي سنگها (ماگنتيت) تكه‌هاي آهن را جذب مي كردند سرچشمه گرفت. واژه مغناطيس از ماگنزيا يا واقع در آسياي صغير ، يعني محلي كه اين سنگها در آن پيدا شد، گرفته شده است. زمين به عنوان آهنرباي دائمي بزرگ است كه اثر جهت دهنده آن بر روي عقربه قطبهاي آهنربا ، از زمانهاي قديم شناخته شده است. در سال 1820 اورستد كشف كرد كه جريان الكتريكي در سيم نيز مي‌تواند اثرهاي مغناطيسي توليد كند، يعني مي‌تواند سمت گيري عقربه قطب نما را تغيير دهد.
در سال 1878 رولاند (H.A.Rowland) در دانشگاه جان هاپكينز متوجه شد كه يك جسم باردار در حال حركت (كه آزمايش او ، يك قرص باردار در حال دوران سريع) نيز منشاأ اثرهاي مغناطيسي است. در واقع معلوم نيست كه بار متحرك هم ارز جريان الكتريكي در سيم باشد.


فصل 9 معادلات ماكسول و بحران فيزيك كلاسيك 201
9 – 1 الكتريسيته ساكن 191
9 – 2 قانون كولن 203
9 – 3 اثر مغناطيسي جريان الكتريكي 205
9 – 4 جريان الكتريكي 206
9 – 5 قانون القاي فارادي 208
9 – 6 معادلات ماكسول و امواج الكترومغناطيس 211
9 – 7 نحوه ي توليد امواج الكترومغناطيسي 214
9 – 8 دستگاه مقايسه اي اتر و معادلات ماكسول 221
9 – 9 آزمايش مايكلسون و آغاز بحران فيزيك كلاسيك 222
9 – 10 بحران فيزيك كلاسيك 225

خلاصه:
معادلات ماكسول و امواج الكترومغناطيس
معادلات ماكسول مجموعه اي از چهار معادله است كه توسط كلارك ماكسول در سال 1964 ارائه شد. اين معادلات بخوبي رفتار ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي را توضيح مي دهد.
آلبرت اينشتين مي گويد: « تاثير مكسول در انقلابي كه در انديشه ي واقعيت فيزيكي به وقوع پيوسته است! اعتقاد به وجود يك جهان خارجي مستقل از شخصي كه آن را درك مي كند پايه ي تمام علوم طبيعي است . ولي از آنجا كه ادراك حسي فقط بطور غير مستقيم اطلاعاتي از اين جهان خارجي يا واقعيت فيزيكي به ما مي دهد لهذا اين واقعيت فيزيكي را تنها بايد از راه تجسس به دست آورد. از اين جا معلوم مي شود كه مفاهيمي كه از واقعيت فيزيكي براي ما حاصل مي شود، هيچگاه به مرحله ي نهايي نخواهد رسيد. بلكه بايد همواره آماده ي تغيير و تعويض اين مفاهيم، كه همان اصول موضوعه ي اوليه ي علم فيزيك است باشيم تا بتوانيم واقعيت هاي مشهود را هر چه دقيقتر و كاملتر و منطقي تر مورد تتبع و تحليل قرار دهيم. نظري به تاريخ علم فيزيك نشان مي دهد كه در طي ادوار و قرون چه تغييرات شگرفي در آن به وقوع پيوسته و در راه بسط و گسترش آن چه مراحل دشواري پيموده شده است. از آن زمان كه نيوتن فيزيك نظري را پي ريزي كرد، بزرگترين تغييري كه در اصول اوليه ي فيزيك روي داده نظراتي است كه به وسيله ي فاراده و مكسول در باب پديده ي الكترومغناطيس عرضه شده است.»

آزمايش مايكلسون و آغاز بحران فيزيك كلاسيك
سرعت ثابت امواج الكترمغناطيسي بايستي نسبت به يك دستگاه مقايسه مي شد، و اين دستگاه همان دستگاه اتر بود. يعني اتر ساكن مطلق فرض مي شد و تمام اجسام نسبت به آن در حركت بودند و سرعت امواج الكترومغناطيسي و در حالت خاص سرعت نور نسبت به اتر ثابت بود. اين نظريه در حالي شكل گرفت كه نسبيت گاليله اي نيز معتبر و بي نقص تصور مي شد. بنابراين اگر سرعت نور نسبت به يك دستگاه لخت c باشد و دستگاه با سرعت v نسبت به اتر در حركت باشد، در آنصورت سرعت نور نسبت به اتر w برابر خواهد شد با: w=c+v چنانچه نور در جهت مخالف دستگاه حركت كند، آنگاه خواهيم داشت w=c-v نتيجه اينكه در اواخر قرن نوزدهم ميلادي فيزيك نظري بر سه بنياد قوانين نيوتن، نسبيت گاليله اي و معادلات ماكسول مبتني بود.
بر اين اساس ماكسول به فكر محاسبه سرعت حركت منظومه ي شمسي نسبت به اتر افتاد. وي در سال 1879 طي نامه اي كه براي تاد در آمريكا نوشت، طرحي را براي اندازه گيري سرعت حركت منظومه ي شمسي نسبت به اتر پيشنهاد كرد. يك جوان آمريكايي به نام مايكلسون اين طرح را دنبال كرد و براي انجام آزمايش يك تداخل سنج نيز ساخت و در سال 1880 آزمايش كرد.


فصل 10 زير بناي فيزيك مدرن 233
10 – 1 ماكس پلانك 234
10 – 2 تابش جسم سياه 235
10 – 3 نسبيت خاص 241
10 – 4 اينشتين 242
10 – 5 بن بست هاى فيزيك كلاسيك 244
10 – 6 مقاله هاى اينشتين و فيزيك نوين 245
10 – 7 جمع نسبيتي سرعتها 247
10 – 8 گسترش زمان (اتساع زمان) 247
10 – 9 متريك نسبيت خاص 250
10 – 10 روش كار با نمودارهاي مينكوفسكي 252

خلاصه:
زير بناي مكانيك كوانتوم
همزمان با بحراني كه با آزمايش مايكلسون در مورد دستگاه مرجع مطلق و نسبيت گاليله اي پيش آمد، زمينه ي ناتواني مكانيك كلاسيك در توجيه تابش فراهم مي شد. در مكانيك كلاسيك انرژي يك كميت پيوسته بود. برخي آزمايشات از جمله اثر فوتوالكتريك و تابش جسم سياه نشان مي داد كه نگرش كلاسيك به انرژي قادر به توجيه مشاهدات تجربي جديد نيست. اين پديده ها نشان داد كه بازنگري به انرژي و تابش يك ضرورت اجتناب ناپذير است. در همان زمان كه فيزيك كلاسيك از توجيه پديده ها در سرعت هاي بالا عاجز بود، مشخص گرديد كه در بخش ذرات بسيار كوچك (زير اتمي) و تابش نيز كارايي چنداني ندارد. لذا در اوائل قرن بيستم دو نگرش جديد پا به عرصه ظهور نهادند. يكي در مورد سرعتهاي بالا كه تحت عنوان نسبيت خاص توسط اينشتين مطرح شد و ديگري مكانيك كوانتوم كه پلانك پايه گذار آن بود.


نسبيت خاص
نسبيت و مكانيك كوانتوم دو نظريه جالب و شگفت انگيزي و در عين حال موفقي هستند كه شالوده ي فيزيك مدرن را تشكيل مي دهد. نسبيت با سرعتهاي بالا و دستگاه هاي مقايسه سروكار دارد و قلمرو مكانيك كوانتوم ذرات بسيار كوچك است. و اين وجه تمايز فيزيك مدرن و فيزيك كلاسيك است كه در محدوده اجسام بزرگ و سرعتهاي پائين كارايي خوبي دارد.
از اواسط قرن بيستم تركيب نسبيت و مكانيك كوانتوم بعنوان يك ضرورت علمي، ذهن بسياري از فيزيكدانان را بخود مشغول داشته است. اما نسبيت خود شامل دو نظريه نسبيت خاص و نسبيت عام است. نسبيت خاص كه نور و سرعت آن نقش اساسي دارد، قوانين فيزيك را در دستگاه هاي لخت مورد بررسي قرار مي دهد. اما زمينه ي كاري نسبيت عام كه به ساختار هندسي مي پردازد، بررسي قوانين فيزيك در چارچوب هاي شتاب است.
لذا تركيب نسبيت و مكانيك كوانتوم به دو موضوع متفاوت تبديل مي شود، يكي تركيب مكانيك كوانتوم و نسبيت خاص و ديگري تركيب مكانيك كوانتوم با نسبيت عام. با تلاش فيزيكدانان بزرگي چون ديراك در نيمه اول قرن بيست مكانيك كوانتوم و نسبيت خاص بخوبي تركيب شد و مكانيك كوانتوم نسبيتي شكل گرفت. اما تركيب نسبيت عام با مكانيك كوانتوم، با تمام تلاشهايي كه در اين زمينه صورت گرفته، هنوز بي نتيجه بوده است. از آنجاييكه نظريه سي. پي. اچ. تلاشي است براي وحدت نظريه هاي فيزيك، لذا در فصول بعدي كه به بررسي پديده ها از ديدگاه نسبيت و مكانيك پرداخته مي شود، پس توضيح آنها از نقطه نظر فيزيك مدرن، ديدگاه نظريه سي. پي. نيز مطرح خواهد شد.
لازم به توضيح است كه از ديدگاه سي. پي. اچ. تركيب مكانيك كوانتوم و نسبيت عام، بدون توجه به مكانيك كلاسيك و نظريه ي هيگز، امكان پذير نيست. لذا در نظريه سي. پي. اچ. چهار نظريه مكانيك كلاسيك، مكانيك كوانتوم، و نسبيت و ميدانهاي هيگز، همزمان مورد بررسي قرار گرفته و تركيب شده است.


فصل 11 نتايج نسبيت خاص 255
11- 1 از اتساع زمان تا انقباض فضا 256
11 – 2 نقش و اهميت تبديلات لورنتس 258
11 – 3 جرم نسبيتي و هم ارزي جرم و انرژي 263
11 – 4 نيرو 269
11 – 5 تاييد تجربي نسبيت خاص 272

خلاصه:
انقباض طول يا منقبض شدن فضا
منظور از انقباض طول طول چيست؟ آيا كوتاه شدن طول يك واقعيت فيزيكي است؟ اطلاعات يك ناظر از مقادير كميتهاي وابسته به يك جسم، نتيجه ي مستقيم اندازه گيريهاي او است. آيا ناظرهاي مختلف در مورد طول يك جسم نظر مشتركي دارند؟ اگر چنين اتفاق نظري وجود داشته باشد، آنگاه مي توان گفت كه طول يك كميت مطلق است. زيرا از نقطه نظر فيزيك هر كميتي كه از نظر همه ي ناظرها يكسان باشد، فيزيكدانان آن كميت را مطلق مي نامند. بنابراين در نسبيت خاص سرعت نور مطلق است، زيرا براي همه ي ناظرهاي لخت ثابت و برابر c است. آيا در مورد ابعاد هندسي نيز چنين است؟ يعني آيا فاصله ي دو نقطه يا طول يك جسم، نتيجه ي اندازه گيري همه ي ناظرهاي لخت يكسان است؟ نسبيت مي گويد: فاصله مكاني بين دو نقطه كه ناظر ساكن آن را اندازه مي‌‌گيرد، كوتاهتر از طول اندازه گيري شده توسط ناظري است كه نسبت به ناظر ساكن در حال حركت است. اين پديده را انقباض طول مي‌گويند.

از اتساع زمان تا انقباض فضا


جرم نسبيتي و هم ارزي جرم و انرژي
بنابر اصل نسبيت خاص اينشتين، سرعت نور سرعت حد است و هيچ چيزي نميتواند از سرعت نور تجاوز كند. اين سرعت يك ثابت بنيادي طبيعت است و براي تمامي ناظر هاي لخت يكسان است. با محدود شدن سرعت، مسئله تاثير نيرو بر اندازه ي حركت مورد بررسي مجدد قرار گرفت و نتيجه ي اين بازنگري جايگرين شدن جرم متغيير نسبيتي بجاي جرم ثابت مكانيك كلاسيك شد. در نسبيت جرم اشياء با افزايش سرعتشان بيشتر ميشود و سرعت بيشتر انرژي بيشتر را ميطلبد. در سرعت نور طبق محاسبه اينشتين جرم به بينهايت ميرسد. از طرف ديگر نسبيت نشان داد كه جرم يك جسم/ذره را مي توان محتواي انرژي آن در نظر گرفت و دو قانون مجزاي فيزيك كلاسيك (قانون بقاي ماده و قانون بقاي انرژي) به يك قانون بقاي ماده-انرژي منجر شد.
جرم
يكي از اساسي‌ترين خواص هر جسمي جرم آن است. در فيزيك كلاسيك اصطلاح "جرم " مقدار ماده را نشان مي‌دهد. جرم به عنوان مقدار اينرسي تلقي شده و اين اعتقاد وجود داشت كه حركت يك جسم ، تغييري در جرم آن بوجود نمي آورد و درتمام حالات حركت ، جرم مطلقا ثابت باقي مي‌ماند.



فصل 12 فيزيك قبل از مكانيك كوانتوم و نسبيت 275
12 – 1 حركت براوني 275
12 – 2 تغيير تصادفي و توزيع احتمال 277
12 – 3 توزيع نرمال 279
12 – 4 توضيح حركت براوني توسط انيشتين 281
12 – 5 پديده فوتوالكتريك283
12 – 6 توجيه كوانتومي پديده فوتوالكتريك توسط انيشتين285
12 – 7 بررسي اثر فوتوالكتريك 286

خلاصه:
حركت براوني
از مدتها قبل به اين موضوع واقف بودند كه ذرات بسيار كوچك كه در زير ميكروسكوپ قابل مشاهده باشند، وقتي به حالت تعليق در داخل ماده اي سيالي قرار گيرند، به طور پيوسته حركات نامنظم رفت و برگشتي انجام مي دهند. اين پديده اولين بار در سال 1827 توسط رابرت براون در مورد غبارهاي گل كشف شد و به همين دليل آن را حركات «براوني» ناميدند. اين حركات را نبايد به هيچ وجه ناشي از تأثير عوامل خارجي مثل لرزش ظرف محتوي سيال يا جريان هاي داخلي آب و غيره وابسته دانست. ابتدا تصور مي كردند كه اين حركتها شكلي از زندگي است، ولي بزودي معلوم شد كه ذرات غير آلي كوچك نيز به همين طريق رفتار مي كنند. در سال 1863 براي نخستين بار اين عقيده بيان شد كه حركت براوني ناشي از بمباران ذرات به وسيله مولكولهاي آب اطراف آن است، تعداد مولكولهايي كه از سمت چپ با يك ذره برخورد مي كنند، با تعداد مولكولهايي كه از سمت راست برخورد مي كنند، اندكي تفاوت دارد كه اثر آن در مورد اشياء بزرگ محسوس نيست، اما در مورد اشياء ذره بيني حرك محسوسي ايجاد خواهد كرد.
گذشته از آن مشاهده كرده بودند كه وقتي دماي آب افزايش يابد، حركات ذرات شديدتر شده و افزايش مي يابد و به همين دليل حدس زده شده بود كه اين حركات با حركات حرارتي مولكول ها بستگي دارد. كساني كه از اين نظريه پيروي مي كردند اين گونه استدلال مي نمودند كه انرژي حركتي ذرات آب كه در حال برخورد دائمي با ذرات معلق مزبور مي باشد ، ايجاد نيروهاي نامنظمي در جهات مختلف مي كند كه موجب ايجاد حركات مزبور مي گردد.

پديده فوتوالكتريك
در سال ١٢٦٨ هجري خورشيدي (١٨٨٧ م) هانريش هرتز دانشمند آلماني در حين انجام آزمايش متوجّه شد كه تاباندن نور با طول موج‌هاي كوتاه مانند امواج فرابنفش به كلاهك فلزي الكتروسكوپ با بار منفي باعث تخليه الكتروسكوپ مي‌شود وي با انجام آزمايش‌هاي بعدي نشان داد كه تخليه الكتروسكوپ بخاطر جدا شدن الكترون از سطح كلاهك فلزي آن است. اين پديده را فوتوالكتريك مي نامند. نخستين برخورد ها با اثر فوتوالكتريك از ديدگاه الكترومغناطيس كلاسيك صورت گرفت كه توانايي توجيه آن را نداشت. سپس انيشتين اين پديده را با توجه به ديدگاه كوانتومي توجيه كرد. بنابراين نخست ميدانها و امواج الكترومغناطيسي كلاسيك را بطور فشرده بيان كرده، آنگاه با ذكر نارسايي آن به تشريح پديده فوتوالكتريك از ديدگاه انيشتين مي پردازم.
كشف اثر فوتوالكتريك

فصل 13 ساختار اتم 291
13 – 1 اندازه گيري بار الكتريكي و جرم الكترون 291
13 – 2 آزمايش تامسون ( محاسبه نسبت بار به جرم الكترون )293
13 – 3 اندازه گيري بار الكترون توسط ميليكان297
13 – 4 پروتون، نوترون و طيف هاي اتمي 303
13 -5 پيدايش فيزيك هسته اي308
13 -6 طيف اتمي 310
13 -7 رابطه ريدبرگ – بالمر 314
13 -8 مدلهاي اتمي 316
13 -9 مدل اتمي بور 319
خلاصه:
اندازه گيري بار الكتريكي و جرم الكترون
فيزيك قبل از مكانيك كوانتوم و نسبيت
همزمان با تلاشهايي كه براي بررسي ماده انجام مي شد تا اتمي بودن يا پيوستگي آن را به اثباط برسانند، در زمينه ي الكترومغناطيس كه ظاهراً ربطي به ماده نداشت، آزمايشهايي انجام مي شد كه در نهايت ماده و امواج الكترومغناطيسي را بهم پيوند داد. اين تلاشها با ارائه رابطه جرم انرژي انيشتين تكميل شد. كشف الكترون توسط تامسون نشان داد كه اتم نيز شامل ذرات ديگري است.

اشعه ي كاتودي و الكترون
فاراده هر آزمايشي كه مي توانست در باره ي آن فكر كند با الكتريسيته انجام مي داد. يكي از كارهايي كه اقدام كرد، فرستادن بار الكتريكي از درون خلاء بود. وي نتوانست خلاء مناسبي براي اين منظور تهيره كند. در سال 1854 يك شيشه گر آلماني به نام گايسلر تلمبه خلاء مناسبي اختراع كرد كه داراي الكترودهاي فلزي بود و خلاء بسيار خوبي در آن فراهم شده بود. هنگاميكه آزمايشگران توانستند در لوله ي گايسلر تخليه الكتريكي برقرار كنند، متوجه شدند كه بر ديواره ي لوله كه مقابل الكترود منفي است، روشنايي سبز رنگي ظاهر مي شود. گولداشتاين در سال 1876 نظر داد كه اين روشنايي سبز رنگ به سبب برخورد نوعي تابش كه مبداء آن الكترود منفي است، با شيشه توليد مي شود. چون فاراده الكترود منفي را كاتود ناميده بود، گولداشتاين اين تابش را اشعه ي كاتودي ناميد

پروتون، نوترون و طيف هاي اتمي
كشف الكترون و محاسبه نسبت بار به جرم آن، نشان داد كه اتم ذره ي بنيادي نيست و خود اتم نيز از ذرات ديگري تشكيل شده است. از سال 1820 كه وابستگي نيروهاي الكتريكي و مغناطيسي مطرح شد تا 1920 كه اجزاي تشكيل دهنده ي هسته ي اتم مورد بحث واقع شد، آغازي براي شناخت سنگ بناي اوليه ي جهان شد. نگاهي كوتاه به تاريخ كشفيات مهم فيزيك بخوبي نشانگر شتاب رو به رشد اين كشفيات است. در سال 1932 ذرات زير اتمي به الكترون، پروتون و نوترون خلاصه مي شد و چند سال بعد جدول بندي ذرات زير اتمي ضروري به نظر مي رسيد. اين جدول چنان سريع رشد كرد كه جدول استاندارد ذرات بنيادي از آن ميان پديدار گشت.

اشعه ي آندي و پروتون
در سال 1886 گولد اشتاين مشاهده كرد كه اگر كاتود لامپ تخليه شكافهايي داشته باشد، تابش ديگري در جهت مخالف اشعه ي كاتودي جريان مي يابد. وي اين اشعه را اشعه ي كانالي ناميد. چون اشعه ي كانالي در جهتي مخالف با اشعه ي كاتدي كه بار منفي دارد حركت مي كند، تامسون پيشنهاد كرد كه اين تابش را اشعه ي مثبت بنامند.


مدلهاي اتمي

فيزيك اتمي- مولكولي زماني متولد شد كه دانشمندان متوجه شدند كوچكترين جزء در طبيعت اتم نيست بلكه اتم از اجزاي كوچكتري به نام الكترون‌ها و هسته تشكيل شده است. يعني اتم از هسته‌اي تشكيل شده است كه الكترون‌هايي در اطراف آن مي‌گردند.
فيزيك اتمي به بررسي نقل و انتقال‌هاي الكترون‌هاي اطراف هسته مي‌پردازد و خواص آنها را مورد بررسي قرار مي‌دهد. يعني ما در فيزيك اتمي كاري به اين نداريم كه هسته از چه تشكيل شده است بلكه هسته برايمان مركزي با بار مثبت است و بيشتر توجه ما جلب الكترون‌هاي اطراف هسته مي‌شود. و فيزيك هسته اي به مطالعه ي هسته ي اتم مي پردازد. براي شناخت و مطالعه ي بيشتر مدلهاي اتمي مختلفي ارائه شد و سرانجام به نتيجه رسيدند كه كه مدلهاي پيشنهادي چندان با تجربه سازگار نيست. مهمترين ويز"ي مدل هاي پيشنهادي ايست كه بايد طيف اتمي آنها با تجربه سازگار باشد.



فصل 14 نرژي 325
14 – 1 مفهوم كار در فيزيك 326
14 – 2 انرژي و گرما 327
14 – 3 قضيه كار – انرژي331
14- 4 انواع انرژي332
14 – 5 قانون بقاي انرژي و بقاي جرم-انرژي 340
14 – 6 تجزيه و تحليل قانون بقاي انرژي345
14- 7 انرژي گرمايي مظهر انرژي ها347

خلاصه:
انرژي گرمايي مظهر انرژي ها
براي انسان انرژي گرمايي محسوس ترين انرژي است كه از ديرباز در زندگي روز مره با آن سروكار داشته است. حس گرما و سرما، مزايا و مضرات گرمي و سردي انسان را كنجكاو كرد كه ماهيت آن را بشناسد. اما تا معادلات تابش الكترومغناطيسي و نحوه ي توليد آنها فرمول بندي نشد، شناخت ماهيت انرژي گرمايي مقدور نشد. با اين وجود از نظر فيزيكي، گرما چيزي بيشتر از يك نوع انرژي محسوب نمي شود. اما همه ي انواع ديگر انرژي ها با انرژي گرمايي ارتباط تنگاتنگي دارند.
دوگانگي نور
نور يكي از مباحث و پديده هايي است كه از قرن هيجدهم انديشه ي دانشمندان را به خود معطوف كرده است. دوگانه بودن خواص نور، يكي از مهم ترين عامل جذب ديگران به خود بوده است. الكترون ها نيز همانند نور داراي خواص موجي و مادي مى باشند، هنگامى كه الكترون هاي يك اتم، انرژي دريافت مي كنند به سطوح بالاي اتم مي روند كه حالت برانگيختن به اتم دست داده مي شود. هنگامي كه الكترون ها از سطوح انرژي بالاتر به سطوح انرژي پايين تر مي روند، آن مقدار انرژى را كه دريافت كرده اند، به صورت نور پس مي دهند. ارتعاش اتم ها باعث توليد نور مي شود، و نور گسيل شده از الكترون هاي يك اتم، در يك جهت و راستا قرار دارند. اما نورهاي گسيلي از مجموعه اتم ها در تمام جهات و به خط مستقيم سير مي كنند. بهمين دليل در ليزر نور هاي گسيلي در يك جهت و راستا است.

كار ، انرژي و گرما
كار و انرژي از مفاهيم بسيار مهم و اساسي فيزيك است. انرژي به معني توانايي انجام دادن كار تعريف شده است. اگر جسمي بتواند كار انجام دهد، داراي انرژي است. اما خود كار چيست؟ طبق تعريف، كار برابر است با حاصلضرب داخلي بردار نيرو در بردار جابجايي. جسمي را از ارتفاعي رها كنيد، نيروي وزن آن جابجا مي شود، بنابراين زمين (كه نيروي وزن را به جسم اعمال كرده) روي آن كار انجام داده است. حال گلوله يك فلزي را نظر بگيريد كه با سرعت در حال حركت است و به توپ ساكني برخورد كرده و آن را پرتاب مي كند. گلوله روي توپ كار انجام داده است، بنابراين گلوله داراي انرژي بوده است. اگر گلوله ساكن بود توانايي انجام كار نداشت، پس داراي انرژي نبود
انرژي داراي انواع مختلف، انرژي مكانيكي، انرژي الكتريكي، انرژي شيميايي، انرژي گرمايي، انرژي هسته اي ... مي باشد. در سال 1847 فون هلمهولتز قانون بقاي انرژي را اعلام داشت. بر طبق اين قانون، انرژي را مي توان از صورتي به صورت ديگر تبديل كرد، اما نمي توان آنرا نابود يا خلق كرد. هرگاه به نظر آيد كه در جايي مقداري انرژي ناپديد شده است، مي بايستي در جاي ديگر، همين مقدار انرژي ظاهر شود. اين قانون را قانون اول ترموديناميك نيز مي نامند. تقريباً يكصد سال قبل از هلمهولتز، لاووزيه شيميدان فرانسوي قانون بقاي جرم را بيان داشته بود. طبق قانون بقاي جرم، ماده نه به وجود مي آيد و نه از بين مي رود و در طي يك فرايند شيميايي مجموع جرم مواد شركت كننده در آن فرايند همواره ثابت است. بنابراين در فيزيك كلاسيك دو قانون، قانون بقاي جرم و قانون بقاي انرژي شناخته شده و مورد قبول بود.



انواع انرژي
انرژي به صورت هاي گوناگون در طبيعت يافت مي شود يا مي توان توليد كرد. هرچند انرژي و منابع آن متفاوت است، اما همه ي آنها به يكديگر قابل تبديل هستند. علاوه بر آن قانون بقاي جرم-انرژي انيشتين نشان داد كه جرم نيز نوعي انرژي است.
انواع انرژي
انرژي نوراني
نور صورتي از انرژي است كه در بسته‌هايي موسوم به فوتون منتشر مي‌شود. انرژي نوراني طبق رابطه E= hf با فركانس نور بستگي مستقيم دارد. در اين رابطه E انرژي نوراني فوتون، h ثابت پلانك و f فركانس فوتون مي‌باشد. انرژي نوراني آن دسته از بسامدهايي را شامل مي‌شود كه در ناحيه مرئي طيف الكترومغناطيسي قرار دارند.
انرژي گرمايي
قانون بقاي انرژي و بقاي جرم-انرژي

قانون بقاي جرم-انرژي انيشتين نشان داد كه جرم نيز نوعي انرژي است. اين قانون موجب شد كه دو قانون مجزاي بقاي جرم كه لاوازيه كشف كرده بود با قانون بقاي انرژي در هم ادغام شوند و در فيزيك مدرن تنها يك قانون وجود دارد و آن قانون بقاي جرم-انرژي است. بعدها در مكانيك كوانتوم قانون بقاي انرژي مورد تجديد نظز قرار گرفت و در مدت كوتاهي كه با اصل عدم قطعيت تطبيق كند، قانون بقاي انرژي نقض مي شود. اما نظريه سي. پي. اچ. گامي فراتر رفت و نشان داد نيرو داراي جرم است و قابل تبديل به انرژي و ماده مي باشد. پذيرش افزايش جرم نسبيتي بدون توجه به قانون بقاي جرم، انرژي و نيرو جهاني غير قابل شناخت را در مقابل ما قرار خواهد داد. همچنانكه يكي از معضلات فيزيك ماده تاريك و انرژي تاريك است.

فصل 15 فرايندهاي پيچيده در مكانيك 357
15 – 1 انرژي دروني 357
15 – 2 مكانيك آماري 360
15 – 2 – 1 حوزه مكانيك آماري 364
15 – 3 نظريه اختلال 367
15 – 4 اثر زيمان 367
15 – 5 اثر استارك خطي (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=اثر+استارك+خطي) 368

خلاصه:
مكانيك آماري
مكانيك آماري، مبحثي در مكانيك است كه به سيستمهايي با ذرات بسيار، (مانند اتمها، مولكولها، ذرات بنيادي با معيار اندازه عدد آووگادرو) مي‌پردازد و از خاصيت هاي ميكروسكوپي اين ذرات و برهمكنش آنها با يكديگر، اطلاعاتي در مورد خواص ماكروسكوپي سيستم، از طريق محاسبات و روشهاي آماري به ما مي‌دهد. به خصوص اينكه معادله‌هاي حالت در ترموديناميك توسط مدلهاي ميكروسكوپي-آماري مشتق مي‌شوند.
مكانيك آماري شكوفايي خود را قبل از همه مديون، دانشمندان كلاسيكي نظير لودويگ بولتزمن، جوسايا ويلارد گيبز و جيمز كلرك ماكسول مي‌باشد.
در مكانيك آماري با سيستم هاي بزرگ سر و كار داريم. يعني سيستم هايي كه در آنها تعداد ذرات زياد است
انرژي دروني

اگر دستهاي خود را به هم بماليد، مشاهده مي‌كنيد كه دستهاي شما گرم تر شده است. در اين حالت انرژي جنبشي دستها كجا رفته است؟ چون دستها گرم تر شده‌اند، مي‌توان نتيجه گرفت كه انرژي دروني آنها افزايش يافته است. در نتيجه مي‌توان گفت كه در اثر مالش انرژي جنبشي دستها به انرژي دروني آنها تبديل شده است.
تعريف انرژي دروني
مجموع انرژيهاي جنبشي و پتانسيل كليه ذره‌هاي يك جسم را انرژي دروني يا داخلي آن جسم مي‌نامند.
انرژي داخلي U و آنتروپي S ، دو تابع اساسي ، براي توصيف سيستمهاي ترموديناميكي در حالت تعادل‌اند، هر سيستم ماكروسكوپيكي كه متشكل از انبوه اتم و مولكولهاست، از قانون بقاي انرژي تبعيت مي‌كند. حركت بزرگ مقياس سيستم از قانون بقاي انرژي مكانيكي تبعيت مي‌كند و در غياب ميدانهاي الكترومغناطيسي، انرژي باقي مانده در سيستمي كه منزوي است پايسته مي‌ماند، اين كميت همان انرژي داخلي است.


فصل 16 گازها و قوانين ترموديناميك 371
16 – 1 دما و اندازه گيري دما 371
16 – 2 تابع دماسنجي 373
16 – 3 قوانين گازها 377
16 – 4 تعيين تجربي ظرفيتهاي گرمايي 383
16 – 5 معادله حالت يك گاز كامل 384
16 – 6 ترموديناميك 385

خلاصه:
ترموديناميك
تشريح قوانين ترموديناميك
مطالعه ترموديناميك را مهندسين قرن نوزدهم آغاز كردند؛ آنها مي خواستند بدانند قوانين فيزيك چه محدوديت هايي بر عملكرد ماشين هاي بخار و ساير ماشين هاي توليد كننده انرژي مكانيكي تحميل مي كنند. ترموديناميك درباره تبديل يك شكل انرژي به شكلي ديگر، به ويژه تبديل گرما به ساير شكلهاي انرژي بحث مي كند. اين كار با مطالعه روابط بين پارامترهاي صرفا ماكروسكوپي صورت مي گيرد كه رفتار سيستمهاي فيزيكي را توصيف مي كنند. اين گونه توصيف ماكروسكوپي (و در مقياس بزرگ)، لزوما تا حدي خام است، چرا كه همه جزئيات كوچك مقياس و ميكروسكوپي را ناديده مي گيرد. اما در كاربردهاي عملي، اين جزئيات اغلب مهم نيستند. براي مثال، مهندسي كه رفتارهاي گازهاي حاصل از احتراق را در سيلندر يك موتور اتومبيل بررسي مي كند مي تواند با كميتهاي ماكروسكوپي همچون دما، فشار، چگالي و ظرفيت حرارتي كار خود را پيش ببرد.
در واقع دانشمندان به دنبال يافتن پاسخ اين پرسش بودند كه آيا مي توان ماشيني ساخت كه به طور دائمي كار مكانيكي انجام دهد. آنها مدتها بر روي اين موضوع تحقيق كردند و تعدادي از محققين نيز طرحهايي براي اين كار پيشنهاد نمودند. شكل هاي زير نوع از اين طرحها را نشان مي دهد.

دما و اندازه گيري دما
:
دماي يك سيستم، از ويژگي هاي آن سيستم است كه تعيين مي‌كند آيا يك سيستم با سيستم‌هاي ديگر در تعادل گرمايي قرار دارد يا خير.
مفاهيم داغ و سرد براي انسان ، مانند هر موجود زنده ديگر ذاتي است و دماي محيط مجاور را بيليونها عصبي كه به سطح پوسته مي‌رسند، به مغز خبر مي‌دهند. اما پاسخ فيزيولوژيكي به دما اغلب گمراه كننده است و كسي كه چشمش بسته است نمي‌تواند بگويد كه آيا دستش با اتوي بسيار داغ ، سوخته يا به وسيله يك تكه يخ خشك شده است. در هر دو حالت احساسي پديد مي‌آيد، زيرا هر دو عينا پاسخ فيزيولوژيكي به آسيبي هستند كه به نسج رسيده است.

نظريه اختلال
تعداد مسائلي كه در مكانيك كوانتومي (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%85%DA%A9%D8%A7%D9%86%DB%8C%DA%A 9+%DA%A9%D9%88%D8%A7%D9%86%D8%AA%D9%88%D9%85%DB%8C ) ، مي‌تواند به طور دقيق حل شود ، همانند مكانيك كلاسيك (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%85%DA%A9%D8%A7%D9%86%DB%8C%DA%A 9+%DA%A9%D9%84%D8%A7%D8%B3%DB%8C%DA%A9) خيلي محدود مي‌باشد. در بسياري از موارد كاربردي مورد نظر ، استفاده از روشهاي تقريبي و عددي ، اجتناب است. وجود كامپيوترهاي سريع ، محاسبات كوانتومي را به يك صنعت بزرگي تبديل كرده‌اند. علاوه بر مكانيك كوانتومي در مسائل ديگر نيز از روشهاي تقريبي استفاده كرد. به عنوان مثال در علوم رياضي (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B1%DB%8C%D8%A7%D8%B6%DB%8C%D8%A 7%D8%AA) قوانين بسط متعددي وجود دارد كه در صورت نياز يك تابع را بسط داده و چند جمله اول را انتخاب مي‌كنند.
نظريه اختلال در بيشتر شاخه‌هاي فيزيك (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%81%DB%8C%D8%B2%DB%8C%DA%A9) مورد استفاده قرار مي گيرد. اين نظريه در مواردي به كار مي‌رود كه بخواهيم تاثير عاملي را بروي يك سيستم مورد برسي قرار دهيم. بطوريكه مطالعه اين تاثير به روش تحليلي ممكن نباشد. بنابراين ، ابتدا خود سيستم را در نظر گرفته و عامل موثر را به صورت يك جمله اختلالي در نظر مي‌گيرند.

قوانين گازها
براي نخستين بار، مطالعات مربوط به پديده حرارت توسط خرد غارنشين ماقبل تاريخ صورت گرفت، آنهم بعد از يادگيري افروختن آتش، براي گرم شدن، در هنگامي كه آفتاب گرماي كافي برايش فراهم نمي‌ساخت.
مانند هر موجود زنده ديگر مفاهيم «داغ» و «سرد» براي انسان ذاتي است. دماي محيط مجاور آن را بيليونها عصبي كه به سطح پوست مي‌رسند به مغز خبر مي‌دهند. اما پاسخ فيزيولوژيكي به دما اغلب گمراه كننده است و كسي كه چشمش بسته است نمي‌تواند بگويد كه آيا دستش به وسيله يك اتوي بسيار داغ سوخته يا به وسيله يك تكه يخ خشك يخ كرده است. در هر دو حالت احساسي پديد مي‌آيد. زيرا هر دو عيناً پاسخ فيزيولوژيكي به آسيبي هستند كه به نسج رسيده است.
با آنكه مردم از زمانهاي بسيار گذشته درباره حرارت سخن گفته‌اند. نخستين كسي كه از گرما به عنوان مفهومي فيزيكي كه مقدار آن را درست مثل مقدار آب يا نفت چراغ نمي‌توان اندازه‌گيري كرد، سخن گفته است شايد فيزيكداني اسكاتلندي، به نام جوزف بلك باشد كه هم به فيزيك علاقه‌ داشت و هم به شيمي. وي حرارت را همچون سيال محسوس بي‌وزني به نام «كالور» تصور كرد كه مي‌تواند در همه اجسام مادي نفوذ كند و دماي آنها را بالا ببرد. وقتي كه يك ليتر آب جوش را با يك ليتر آب سرد مخلوط كرد، متوجه شد كه دماي مخلوط به دست آمده درست ميان دو دماي اوليه است و اين واقعيت را چنين تعبير كرد كه فزوني «كالور» در آب داغ پس از اختلاط به تساوي ميان دو قسمت توزيع شده است.

فصل 17 انتالپي و انتروپي 397
17 – 1 انتالپي (آنتالپي) 397
17 – 2 حالت هاي ماده 398
17 – 3 تبادي حرارتي و تغيير حالت 402
17 – 4 حالت تغييرات آب 404
17 – 5 انتروپي 407

خلاصه:
انتالپي (آنتالپي)
همه كم و بيش دركي شهودي از مفاهميم گرما ، فشار و حتي انرژي دروني داريم اما به نظر مي رسد در خصوص مفهوم فيزيكي آنتالپي اين گونه نباشد! براي نزديك شدن به اين درك ، قانون اول ترموديناميك را در نظر بگيريد. همان طور كه مي دانيم اين قانون در واقع بياني است از قانون پايستگي انرژي و با اين توضيح اضافي كه گرما نيز صورتي از انرژي است. اين قانون را به طور كمي به صورت dQ=dU+dW بيان مي كنند كه در آن d معرف تفاضل يا اختلاف است. همچنين كميت هاي W,U,Q به ترتيب گرما ، انرژي دروني و كار را نشان مي دهند. هر گاه در فشار ثابت حجم دستگاهي به مقدار كوچكي تغيير كند، دستگاه به اندازه ي dW=PdV روي محيط كار انجام مي دهد و يا بر عكس از طرف محيط روي دستگاه كار انجام مي شود. حال فرض كنيد در يك فرايند هم فشار انرژي دروني و حجم دستگاهي تغيير كند. در اين صورت به كمك قانون اول ترموديناميك و رابطه ي كار در فرايند هم فشار به سادگي به رابطه ي (dQ=d(U+PV مي رسيم كه كميت داخل پرانتز يعني U+PV را با H نشان مي دهند و آن را آنتالپي مي نامند. در اين صورت داريم dQ=dH . بنابراين ، هرگاه فرايندي هم فشار بر روي دستگاهي انجام شود گرماي داده شده يا گرفته شده از دستگاه با تغيير انتالپي آن برابر است. از همين رو آنتالپي را محتواي گرمايي دستگاه نيز مي نامند! از آنجا كه در شيمي و مهندسي بيشتر فرايندها در فشار ثابت انجام مي شود مفهوم آنتالپي كاربرد زيادي دارد.

تعريف آنتالپي
آنتالپي سيستم، تابعي ترموديناميكي است كه با مجموع انرژي دروني سيستم و حاصلضرب حجم در فشار آن (در فشار ثلبت) در محيط سيستم، هم ارز است. به عبارت ديگر گرماي جذب شده بوسيله واكنشي كه در فشار ثابت انجام مي‌گيرد، برابر با تغيير آنتالپي سيستم است. آنتالپي، همانند انرژي داخلي، تابعي از حالت سيستم و مستقل از راهي است كه به آن حالت مي‌رسد.

انتروپي
معمولاً قانون دوم ترموديناميك را چنين توصيف مي كنند كه انتروپي جهان در طي يك فرآيند خود به خودي افزايش مي يابد. سپس ΔS معرفي مي شود. اما حقيقتاً انتروپي را چگونه مي توان توضيح داد؟
قانون دوم ترموديناميك يك برداشت منطقي از تجربه ي بشري است و از تئوري ها و معادلات پيچيده به دست نيامده است. بنابراين فكر كردن در مورد تجارب عادي مي تواند در درك مفاهيم انتروپي بسيار موثر باشد.

فصل 18 خواص و رابطه موجي ذرات 415
18- 1 مكانيك كوانتوم جديد 415
18 – 2 رابطه دوبروي در تابش الكترومغناطيسي 417
18 – 3 اصل مكملي يا مكمليت 421
18 – 4 اصل مكملي و گربه شرودينگر 424
18 - 5 ديدگاههاي مختلف درباره جايگاه نظريه ها در علم 427
18 – 6 آزمايش افشار، آيا تفسير كپنهاك بى اعتبار مى شود؟ 430

خواص و رابطه موجي ذرات
هروقت علم در جايي به بنبست برخورد كرده و نتوانسته پديده ها را با نظريه هاي موجود توجيه كند، نظريه هاي كاملتر و ديقتر ارائه شده است. زماني كه مكانيك كلاسيك نتوانست بعضي از پديده هاي طبيعي را توجيه كند، مكانيك كوانتومي شكل گرفت و در واقع مكانيك را كاملتر و جامعتر كرد. مكانيك كلاسيك به چرايي و چگونگي حركت اجسامي به جرم و حجمي كه قابل مشاهده است، مي پردازد. وقتي بشر به حدي از تكامل علمي رسيد كه به بررسي حركت ذرات ريزي مثل الكترون و پروتون و فوتون و . . . پرداخت به تناقضي فاحش بين تجربه و نظريه مكانيك كلاسيك برخورد و بر آن شد تا با اصلاح كردن نظريه هاي موجود در زمينه نظري بتواند به پيشگويي پديده ها بپردازد. بر اين اساس مكانيك كوانتوم قديم كه توسط پلانك و انيشتين ارارئه شده بود، توانست برخي از پديده ها مثل اثر فوتوالكتريك، حركت براوني و جسم سياه را توجيه كند. ولي اين نظريه ايرادهايي داشت، از جمله طيف تابشي اتمها را پيشگويي نمي كرد. به همين دليل عمر زيادي نداشت و جاي خود را به مكانيك كوانتوم جديد داد.
همانطور كه مي دانيم در توجيه پديده فوتوالكتريك انيشتن با در نظر گرفتن نور بصورت بسته هاي انرژي يا ذراتي بنام فوتون توانست جايزه نوبل را دريافت كند. در واقع نور خاصيت دوگانه اي دارد، در برخي از آزمايشات مثل دوشكاف يانگ فقط با در نظر گرفتن حالت موجي نور مطابقت دارد و با ذره اي بودن نور در تناقض است و در برخي ديگر از پديده ها مثل فوتوالكتريك نور بايد ذره اي در نظر گرفته شود تا اين پديده توجيه شود و با موجي بودن نور در تناقض است.
نور واقعا موج الكترومغناطيس است يا ذره؟
مكانيك كوانتوم جواب اين سوال را به خوبي مي دهد. در واقع بين اين دو خاصيت يك ارتباطي برقرار مي كند و بيان مي كند كه نور به هيچ وجه نه موج كلاسيك است و نه ذره كلاسيك.

اصل مكملي يا مكمليت
ذهن آدمي بصورت فطري طوري است كه هميشه دوست دارد پديده‌هايي را كه به هر نحوي درك مي‌كند اعم از محسوس يا غيرمحسوس در يك نظم مشخص طبقه‌بندي كند. يعني در يك چهارچوب كلي بتواند هر پديده‌اي را در جاي خودش قرار دهد و يك مجموعه كلي منطقي و معقول براي خود توصيف كند. از طرفي ناتواني انسان در احاطه كامل بر پديده‌ها و تدريجي بودن تكامل درك او از جهان خارج سبب مي‌شود كه نتواند براي توصيف پديده‌ها به يك نتيجه قطعي برسد. از اين رو در هر زماني و متناسب با سليقه‌هاي مختلف افراد توصيف‌هاي متفاوتي از يك پديده به وجود آمده‌اند. موضوع مورد بحث ما يعني خاصيت‌هاي موجي يا ذره‌اي در طبيعت هم از اين اصل كلي مستثني نيست و بطوريكه خواهيم ديد ايده‌هاي مختلفي در اين مورد پيدا شده‌اند. از نظر تاريخي تا آنجا كه مي‌دانيم (1) از يونان باستان اين مسئله مطرح شده است كه آيا مي‌توان ماده را تا بي‌نهايت تقسيم كرد يا نه؟ جوهر اين مسئله يعني بحث در پيوستگي يا ناپيوستگي در زمان ما به صورت دوگانگي موج و ذره تجلي مي‌كند. البته در بكار بردن لفظ موج يا ذره بايد دقت كرد. منظور ما از موج آن خاصيتي از ماده است كه در همه فضا يا بخش‌هايي از آن بطور پيوسته گسترده است . بطوريكه در بعضي نقاط اين خاصيت شديدتر از نقاط ديگر است و منظور ما از ذره آن خاصيتي از ماده است كه در محدوده كوچكي از فضا جايگزين شده است و در ديگر مكان‌ها وجود ندارد ولي اگر بخواهيم دقيق باشيم بايد مفاهيم موج و ذره را بصورت تعريف نشده بپذيريم. به هر صورت با قبول تعابير متعارف موج و ذره به پديده‌هايي بر مي‌خوريم كه براي نور از يك سو خواص موجي ثابت مي‌كنند از قبيل پديده‌هاي تداخل و پراش و از سوي ديگر خواص ذره‌اي را تاييد مي‌كنند از قبيل فوتوالكتريك و تابش‌هاي القايي و خودبخودي در اتم. بنابراين مشخص نيست كه نور موج است يا ذره يا چيري بين اين دو.*

چرا اصل مكملي مطرح شد؟

فصل 19 اسپين ذرات بنيادي 435
19 – 1 دليل مطرح شدن اعداد كوانتومي 436
19 – 2 عدد كوانتومي ‌مغناطيسي اسپيني 441
19- 3 اسپين الكترون در مكانيك كوانتومي 442
19 – 4 اصل طرد پاولي 443
19 – 5 سرعت دوران اصلي و اسپين 447
19 – 6 آيا اسپين الكترون ثابت است؟ 448

خلاصه:

اسپين ذرات بنيادي
اسپين چهارمين عدد كوانتومي الكترون است كه توسط اولنبك و اولنبك و گوداشميت مطرح شد. در سال 1925 ايشان اظهار داشتند كه يك اندازه ي حركت زاويه اي ذاتي، كاملاً مستقل از حركت زاويه اي مداري، به هر الكترون وابسته است. اين اندازه حركت ذاتي، اسپين الكترون ناميده مي شود. زيرا مي توان آن را با اندازه حركت ذاتي كه هر جسم گسترده بر اساس دوران يا اسپين حول مركز جرم خود دارد يكسان دانست.
البته اكنون در مكانيك كوانتوم تلقي يك الكترون به عنوان يك كره ساده با بار الكتريكي صحيح نيست، بلكه به خاطر مشخص كردن اندازه حركت زاويه اي اسپيني الكترون به كمك يك مدل قابل تجسم، بهتر است كه آن را به عنوان جسمي كه در فضا داراي گسترش است و به طور پيوسته حول يك محور به دور خود مي چرخد در نظر گرفت. به علاوه، چون بار الكتريكي منفي در حال دوران در نظر گرفته مي شود، يك ميدان مغناطيسي توسط الكترون چرخان توليد مي شود و يك گشتاور مغناطيسي كه بر خلاف اندازه حركت زاويه اي (اسپين) است ، مي توان به اسپين الكترون نسبت داد.

دليل مطرح شدن اعداد كوانتومي


فصل 20 كنش فوتون و ماده و اصل كمپتون و اصل عدم قطعيت 451
20 – 1 اثر كامپتون 452
20 – 2 نظريه كلاسيك پراكندگي امواج الكترومغناطيسي 453
20 – 3 نظريه كوانتومي ‌پراكندگي امواج الكترومغناطيسي 453
20 – 4 اصل عدم قطعيت 457
20 – 5 انيشتين و مكانيك كوانتوم 462
20 – 6 شكست انيشتين توسط نسبيت عام 467
20 – 7 اينشتين، پودلسكى و روزن 469
20 – 8 فيزيك مدرن و عقل سليم 471
خلاصه:
كنش فوتون و ماده-اثر كامپتون
پديده ي كامپتون يكي از حالت بسيار جالب و در عين حال مهم در كنش بين فوتون و الكترون است. در پديده ي اثر كامپتون، فوتون قسمتي از انرژي خود را به الكترون مي دهد و پس از برخورد، از مسير نخستين منحرف شده و با انرژي كمتري به حركت خود ادامه مي دهد و الكترون انرژي جنبشي كسب مي كند. اصولاً در كنش بين فوتون و الكترون يكي از چهار حالت زير اتفاق مي افتد:
1- فوتون جذب الكترون مي شود و موجب مي گردد كه الكترون از مدار پائين تر به مدار بالاتر صعود كند. اين بحثي است كه در نظريه اتمي بور مورد بررسي قرار گرفت.
2- فوتون جذب الكترون مي شود و الكترون را از اتم جدا مي كند. در اين حالت كه به اثر فوتوالكتريك معروف است، همه ي انرژي فوتون به الكترون منتقل مي شود.
3- فوتون قسمتي از انرژي خود را از دست مي دهد و الكترون اين مقدار انرژي را كسب كرده و بر انرژي جنبشي آن افزوده مي شود. اين پديده را اثر كامپتون مي گويند.
اثر كامپتون
در اثر فوتوالكتريك، فوتون همه ي انرژي خود را به الكترون مي دهد، اما ممكن است در برخورد فوتون با ذره ي باردار، فوتون تنها قسمتي از انرژي خود را از دست بدهد. اين نوع برهم كنش بين امواج الكترومغناطيسي و اجسام، همان پراكندگي امواج الكترومغناطيسي توسط ذرات باردار جسم است. نظريه كوانتومي پراكندگي امواج الكترومغناطيسي، به اثر كامپتون مشهور است.

اصل عدم قطعيت
بعد از آنكه دوبروي نظريه موج - ذره را بيان كرد، اين امواج تا اندازه‌اي نامفهوم بودند. همچنين در اين زمان سوال ديگري مطرح بود، مبني بر اينكه قوانين مكانيك كوانتومي ‌چه تأثيري بر مفاهيم مكانيك كلاسيك دارند. هايزنبرگ اشكال را از سرچشمه آن مورد نظر قرار داد، يعني دستورها و روشهاي معمولي مشاهده را در مورد پديده‌هايي با مقياس اتمي‌ بكار برد.
در تجربيات روزانه، مي‌توانيم هر پديده‌اي را مشاهده كنيم و خواص آن را اندازه بگيريم، بدون آنكه پديده مورد نظر را تحت تأثير قابل توجهي قرار دهيم. در دنياي اتم هرگز نمي‌توانيم اختلال و آشفتگي را كه حاصل از دخالت دادن وسايل اندازه گيري است، نا ديده بگيريم. انرژي‌ها در اين مقياس به اندازه‌اي كوچك هستند كه حتي در اندازه گيري كه با حداكثر آرامش انجام گرفته، ممكن است آشفتگي‌هاي اساسي در پديده مورد آزمايش پديد آورد و نمي‌توان مطمئن بود كه نتايج اندازه گيري واقعا آنچه را در نبودن وسايل اندازه گيري روي مي‌داد، توصيف مي‌كند. ناظر و وسيله ‌اندازه گيري يك قسمت از پديده را مورد بررسي هستند.
اصولا چيزي به‌عنوان پديده فيزيكي به خودي خود وجود ندارد. در همه حالات، يك عمل متقابل كاملاً اجتناب‌ناپذير ميان ناظر و پديده وجود دارد. هايزنبرگ اين موضوع را از طريق ملاحظه مسئله دنبال كردن يك ذره مادي متصور ساخت. در جهان ماكروسكوپيك مي‌توانيم حركت يك توپ پينگ پنگ را، بدون آنكه مسير آن را تحت تأثير قرار دهيم، تعقيب كنيم. اما در مورد مسير حركت يك الكترون هرگز وضع به همين منوال نيست و تعقيب الكترون بدون متأثر ساختن مسير حركت تقريباً غير ممكن است و همين امر سبب ايجاد يك عدم قطعيت در مشاهدات ما مي‌گردد.





فصل 21 نسبيت عام 473
21- 1 نسبيت عام 473
21 – 2 انحناي فضا 474
21 – 3 معادله ي ميدان انيشتين 481
21 – 4 گرانش و هندسه فضا 482
21 – 5 اهميت نسبيت عام در زندگى روزمره 485
21 – 6 نسبيت عام و سياه چاله ها 486
21 – 7 شعاع شوارتس شيلد 490
21 – 8 انواع سياهچاله 493
21 – 9 سياه چاله هاي هاوكينگ 495
21 – 10 نسبيت عام و كيهان شناختي 498
21 – 11 معادله ميدان و ثابت كيهان شناختي انيشتين 500
21 – 12 معادله فريدمان و قانون هابل 504

خلاصه:
نسبيت عام

نسبيت خاص داراي يك محدوديت اساسي بود. اين محدوديت ناشي از آن بود كه رويدادهاي فيزيكي را در دستگاه هاي لخت مورد بررسي قرار مي داد، در حاليكه در جهان واقعي دستگاه ها شتاب دار هستند. هرچند مي توان در بر رسي برخي رويداد ها به دستگاه هاي لخت بسنده كرد، اما اين دستگاه ها براي بررسي تمام رويدادها ناتوان هستند. اينشتين در سال 1915 نسبيت عام را ارائه كرد و نسبيت خاص به عنوان حالت خاصي از نسبيت عام در آمد. نسبيت عام بر اساس اصل هم ارزي تدوين شد.
نسبيت عام
انيشتين سالها قبل از ارائه ي نسبيت عام پيش بيني كرده بود كه گرانش بر مسير نور اثر مي گذارد.
اما براي تدوين نسبيت عام سالها به كمك گروسمان به مطالعه ي هندسه هاي نااقليدسي پرداخت. و سرانجام در سال 1915 نسبيت عام را با اصل هم ارزي مطرح كرد.

نسبيت عام و سياه چاله ها

يكى از نخستين حل هاى معادله اينشتين را فيزيك پيشه منجمى به نام كارل شوارتس شيلد به دست آورد. شوارتس شيلد متريك اطراف يك كره مثلاً اطراف يك ستاره را به دست آورد. اين متريك كه امروزه متريك شوارتس شيلد نام دارد، خاصيت بسيار عجيبى دارد: اگر شعاع ستاره از حدى كوچك تر شود، ديگر حتى نور هم از آن نمى تواند بيرون بيايد. در اين حالت ستاره تبديل به شىء عجيبى مى شود كه سياهچاله نام گرفته است. درك فيزيك سياهچاله ها يكى از چالش هايى است كه فيزيك پيشه ها بيش از نيم قرن است با آن دست و پنجه نرم مى كنند. امروزه تقريباً اكثر اخترفيزيك پيشه هاى فعال اعتقاد دارند كه در دنيا از جمله در مركز كهكشان راه شيرى سياهچاله هست.
تاريخچه سياه چاله ها
پس از آنكه مكانيك نيوتني تحت عنوان مكانيك آسماني در شناخت جهان مورد استفاده قرار گرفت، يكي از موارد مورد توجه سياه چاله ها بود. نخستين بار در سال 178 جان ميشل طي مقاله اي سرعت فرار را با اطلاعات آن روز محاسبه كرد و اظهار داشت اگر گرانش چنان قوي باشد كه سرعت فرار در آنجا بيش از سرعت نور باشد، نور نمي تواند از آنجا بگريزد. البته در آنزمان بطور تقريبي سرعت نور را مي داننستد، ولي حد سرعت، سرعت نور نبود. زيرا در مكانيك نيوتني سرعت نامتناهي قابل قبول بود.

نسبيت عام و كيهان شناختي

اينشتين بعد از تكميل نسبيت عام، به اين مسئله پرداخت كه معادله هايى كه نوشته چه چيزى براى كل جهان يا كيهان پيش بينى مى كنند. فرض هايى بسيار معقول و كلى براى كل كيهان كرد. مثلاً اينكه كيهان در مقياس هاى بزرگ نه مركز مرجحى دارد نه امتداد مرجحى. معادله ها را حل كرد و در كمال تعجب ديد كه حل ايستا ندارند: يا جهان در حال بزرگ شدن است يا در حال كوچك شدن، در گذشته اى متناهى از يك نقطه آغاز شده و ممكن است در آينده اى متناهى به يك نقطه بينجامد! از اين حل خوشش نيامد. دستى در معادله هايش برد. جمله اى به آنها افزود. در اين جمله ثابتى ظاهر مى شود كه آن را ثابت كيهان شناختى نامگذارى كرد.
اگر اين ثابت كه آن را با Λ نشان مى دهند، صفر باشد، معادله ها مى شوند همان معادله هاى قبلى اگر لاندا مثبت باشد، جلوى انبساط عالم گرفته مى شود و اگر لاندا منفى باشد، جهان به نحو فزاينده اى منبسط مى شود. چند سال بعد ادوين هابل منجم آمريكايى انبساط جهان را كشف كرد! پس از آن اينشتين گفت اين افزودن جمله كيهان شناختى به معادله هايش بزرگ ترين اشتباه زندگى اش بوده. امروز يك نظريه بسيار موفق براى كيهان شناخت داريم موسوم به مدل استاندارد كيهان شناخت. كه يكى از سنگ هاى اصلى اين بناى بسيار عظيم و زيبا نسبيت عام است.


فصل 22 مباني انقلاب در فيزيك و مكانيك موجي 507
22- 1 مباني فكري انقلاب ها در فيزيك 507
22 – 2 نظريه هاي انقلابي و تجربه گرايان نوين 510
22- 3 نقش متقابل رياضيات و فيزيك 512
22 – 4 قانون علمي 515
22 – 5 مكانيك موجي 516
22 – 6 معادله ديراك 523
22 – 7 هسته و مدل هاي هسته اي 525
22 – 8 نيم عمر 529
22 – 9 مدل هاي هسته اتم 531

خلاصه:
مباني فكري انقلاب ها در فيزيك
اين مقدمه طولاني را با گفته اي از پوپر آغاز مي كنم:
راه درس گرفتن از تجربه، انجام مشاهدات مكرر نيست. سهم تكرار مشاهدات در قياس باسهم انديشه هيچ است. بيشتر آنچه كه مي آموزيم با كمك مغز است. چشم و گوش نيز اهميت دارند، ولي اهميتشان بيشتر در انديشه هاي غلطي است كه مغز يا عقل پيش مي نهند.
بر همين اساس، با استقراءگرايان مخالفت ورزيده و استقراء را اسطوره‌اي بي بنياد معرفي كرده است. پوپر با بيان اين مطلب كه نظريات همواره مقدم بر مشاهدات هستند طرح نويني را در عرصة روش شناسي علوم تجربي بنيان نهاد. طبق نظر وي روش صحيح علمي عبارت است از آنكه يك نظريه به نحو مستمر در معرض ابطال قرار داده شود. بنابراين يك نظريه براي آنكه قابل قبول باشد بايد بتواند از بوتة آزمونهايي كه براي ابطال آن طراحي شده‌اند، سر بلند بيرون بيايد. پوپر مصرانه ندا سر مي دهد كه بگذاريد نظريه ها بجاي انسانها بميرند.
پوپر با ارائه ي نظريه ي ابطال پذيري تلاش كرد مرز بين نظريه هاي علمي و غير علمي را مشخص كند. وي چنين بيان مي كند.
علمي بودن هر دستگاه، در گرو اثبات پذيري به تمام معناي آن نيست، بلكه منوط به اين است كه ساختمان منطقيش چنان باشد كه رد آن به كمك آزمونهاي تجربي ميسر باشد
به عبارت ديگر از ديدگاه پوپر نظريه هاي علمي اثبات پذير نستند، بلكه ابطال پذيرند.
پوپر با اين ديدگاه به مخالفت با تلقي‌هاي رايج از علم پرداخت و بيان كرد كه علم و نظريه‌هاي علمي هيچگاه از سطح حدس فراتر نمي‌روند و آنچه كه منتهي به پيشرفت علم مي‌شود سلسله‌اي از حدسها و ابطالها مي‌باشد. پوپر تاكيد مي كند براي رسيدن به اندشه هاي نو، هيچ دستور منطقي نمي توان تجويز كرد.

مكانيك موجي
در سال 1924 ماركي لويي دوبروي، كه مطالعات علمي خود را با تحصيل تاريخ قرون وسطي آغاز كرد و بعدها كم كم به فيزيك نظري علاقه‌مند شد، رساله دكترايي به دانشگاه علوم پاريس عرضه داشت كه شامل نظريه‌هاي شگفتي بود.
دوبروي عقيده داشت كه حركت ذرات مادي توسط موجهايي همراهي و هدايت مي‌شود كه همراه با ماده در فضا انتشار مي‌يابد. اگر چنين باشد مدارهاي كوانتومي برگزيده در مدل اتمي بور مي‌تواند همچون مدارهايي تعبير شود كه طول آنها شامل تعداد صحيحي از اين فيزيك امواج باشد. همچنين در مدارهايي با شعاع متوسط، موجي كه دور مي‌زند نمي‌تواند به خودش ختم شود و لذا اين نوع حركت نمي‌تواند وجود داشته باشد.

هسته و مدل هاي هسته اي

هسته مجموعه اي از ذرات باردار با بار مثبت مي باشد كه در يك حجم فوقالعاده كوچك تمركز يافته اند وبا نيروي بسيار قوي و برد كوتاه «نيروي برهمكنش قوي هسته اي) به هم مقيد شده اند كه اين مجموعه متراكم كل جرم اتم را در خود دارد و الكترون ها در اربيتال هايي حول اين نقطه چگال مركزي در حال دوران هستند


فصل 23 نظريه بيگ بنگ 535
23 – 1 فرار كهكشانها چگونه محاسبه مي شود؟ 535
23 – 2 عالم در ابتدا چگونه به نظر مي آمد؟ 537
23 – 3 عالم در ابتدا چگونه به نظر مي‌آمد؟
23 – 4 تابش زمينه ي كيهاني 542
23 – 5 جهان تخت، باز و بسته، نظريات آغاز و پايان - كائنات باز (http://uups.blogfa.com/post-17.aspx) 545
23 – 6 داده هاي جديد از نخستين تريليونيوم ثانيه ي عالم 551
23 – 7 فضا- زمان قبل از مهبانگ 552
23 – 8 بيگ بنگ و نظريه تورم 555
23 – 9 نظريه تورم 557
23 – 10 جهان در پوست گردو 559
نظريه بيگ بنگ
در آغاز قرن بيستم دانش انسان نسبت به كائنات به كهكشان راه شيري خلاصه مي شد. اما هنگامي كه از اوايل قرن بيستم تلسكوپهاي پرتوان به مشاهده آسمانها پرداختند، يافته‌هاي جديد ، انسان را در تجسم جهان تواناتر ساخت. ادوين هابل كشف كرد كه همه كهكشانها در حال گريز از همديگر هستند و جهان منبسط مي‌شود. اگر جهان در حال گسترش باشد، بايد مبداء آغازي نيز داشته باشد. بر اين اساس نظريه بيگ بنگ يا انفجار بزرگ مطرح شد.

فرار كهكشانها چگونه محاسبه مي شود؟
هنگاميكه بحث فرار كهكشانها يا انبساط جهان مطرح مي شود، اين سئوال پيش مي آيد كه چگونه اين محاسبات انجام مي شود؟
اثر دوپلر نشان مي دهد كه هرگاه يك چشمه نور به ناظر نزديك شود، فركانس نور دريافتي افزايش مي يابد كه اصطلاحاً مي گويند جابجايي به طرف آبي انجام مي شود. چنانچه چشمه در حال دور شدن باشد، فركانس نور دريافتي كاهش مي يابد كه مي گويند جابجايي به سمت سرخ است. همانطور كه مي دانيد اصولاً حركت نسبي ناظر و چشمه مطرح است و هيچ فرقي نمي كند كه چشمه حركت كند يا ناظر. بنابراين هرگاه چشمه و ناظر نسبت به يكديگر حركت كنند، جابجايي فركانس نور دريافتي وجود خواهد داشت. همچنين مي دانيم كه فركانس و طول موج با يكديگر نسبت معكوس دارند، يعني هرچه فركانس افزايش يابد به همان نسبت طول موج كاهش مي يابد و براي نور رابطه زير برقرار است:


جهان تخت، باز و بسته

برخي معتقدند جهان براي هميشه در حال گسترش و انبساط خواهد بود. كائناتي را كه هميشه در حال انبساط باشد، كائنات باز مي نامند. به عقيده برخي ديگر ، هنگامي كه جهان به اندازه معين رسيد ، انبساط آن متوقف شده و در همان حال ثابت مي ماند. گروه ديگر مي گويند جهان سرانجام از انبساط باز مي ايستد و انقباض و فروپاشي دروني آن آغاز مي گردد. طبق اين نظريه فروپاشي بزرگ همان مراحل انفجار بزرگ را در جهت عكس طي خواهد كرد تا به يك نقطه واحد تبديل شود. جهاني با اين خصوصيات را كائنات بسته مي گويند.

تقابل دو نيرو

كائنات در حال انبساط و گسترش است ولي نيرويي وجود دارد كه در مقابل اين انبساط قرار مي گيرد، آن نيرو ، گرانش است. بدليل وجود نيروي گرانشي است كه ماده ، ماده را جذب مي كند. پس مواد تشكيل دهنده كائنات مي خواهند همديگر را جذب كنند، لذا گرايش كل كائنات بر آن است كه روي خود فرو افتد و منقبض شود. آيا در اين صورت نظر گروه سوم تاييد مي شود و كائنات فرو مي پاشد؟

پاسخ اين سوال بطور دقيق مشخص نيست. در اينجا با تقابل دو نيرو مواجهيم. يكي نيروي گرانشي و ديگري نيروي حاصل از انفجار بزرگ. هر كدام قويتر باشد، سرنوشت كائنات را رقم مي زند. اگر نيروي گرانشي به اندازه كافي نيرومند باشد ، جريان دور شدن كهكشانها از يكديگر روزي متوقف خواهد شد. آنها جهت خود را معكوس خواهند كرد و در يك حركت انقباضي رو به سوي يكديگر خواهند گذاشت. درجه حرارت و چگالي افزايش خواهد يافت و كائنات با طي روندي معكوس مراحل عظيم انفجار بزرگ را تجربه خواهد كرد و كائنات بسته خواهد بود.
اگر دو نيرو با هم برابر باشند ، نظريه گروه دوم حاكم خواهد بود و جهان ثابت خواهد ماند ولي اگر نيروي حاصل از انفجار بزرگ قويتر از نيروي گرانشي باشد ، جهان همچنان به انبساط خود ادامه خواهد داد، كهكشانها از يكديگر دورتر خواهند شد و كائنات ما كائناتي باز خواهد بود.

بيگ بنگ و نظريه تورم

فيزيك خلاء كاذب
ويژگيهاي مهبانگ بسيار خاص و منحصر بفرد است. اما فيزيكدانان با استفاده قوانين فيزيك، مكانيزمي براي آن ارائه كرده اند كه دقيقاً با آن مطابقت دارد و تحت عنوان تورم كيهان شناخته مي شود. در تشريح آن از يك خلاء كاذب استفداه مي شود. خلاء كاذب در بسياري از نظريه ها كه شامل ميدان اسكالر هستند، استفاده مي شود. ميدان اسكالر شبيه ميدانهاي الكتريكي يا مغناطيسي است، اما جهت خاصي ندارد. بعنوان مثال ميدان هيگز كه در مدل استاندارد ذرات بنيادي بكار مي رود يا در افكار مربوط به نظريه هاي بزرگ اتحاد نيروها از ميدانهاي اسكالر استفاده مي شود. در يك نمونه از ميدانهاي هيگز چگالي انرژي بسيار پائين است، اما ناپديد نمي شود.

فصل 24 انرژي تاريك و ماده تاريك 567
24 – 1 انرژي تاريك 567
24 – 2 جاذبه دليل وجود ماده تاريك 569
24 –3 ذره -پاد ذره و معماي پاد ماده 575
24 – 4 به دنبال پادجهان ها 581
24 – 5 پروازهاى آينده 583
24 – 6 نوترينو و معماي مهبانگ 584
24 – 7 جرم نوترينو 587
24 – 8 نوترينوها و انرژي تاريك 591

خلاصه:
انرژي تاريك و ماده تاريك
انرژي تاريك
حدود 200 ميليارد كهكشان كه هر كدام داراي تقريباً 200 ميليارد ستاره است به وسيله تلسكوپها قابل تشخيص است. اما اين تعداد فقط 4 درصد از محل گيتي را تشكيل مي دهد. حدود 73 درصد از جهان از ماده ديگري ساخته شده است كه ماده تاريك (dark matter) ناميده مي شود. هيچ كس نمي داند كه ماهيت اين ماده ناشناخته چيست، اما مقدار اين نوع ماده از تمام اتم هاي موجود در تمام ستارگان موجود در كل كهكشان هاي قابل شناسايي گستره فضا بسيار بيشتر است. به نظر مي رسد اين نيروي عجيب، اجزاي جهان را با سرعت فزاينده اي از يكديگر دور مي كند، در حالي كه نيروي گرانش با اين نيرو مقابله كرده و از سرعت اين گسترش مي كاهد.
اين اكتشاف ها به وسيله رصدخانه مداري كه كاوشگر ناهمسانگرد ريز موج ويلكينسون (WMAP) ناميده مي شود، انجام شده است. اين كاوشگر افت و خيزهاي ناچيز موجود در پرتوهاي ريز موج پس زمينه كيهاني را اندازه مي گيرد كه در اثر پژواك هاي ميراي انفجار بزرگ به وجود آمده است.


جهان در حال انبساط با سرعتي سرسام آور
اين يافته ها به مشاجرات فراواني كه در مورد جهان، عمر جهان، سرعت انبساط آن و تركيب آن جريان داشت، پايان داد. با استفاده از نتايج دو تحقيق ذكر شده، اخترشناسان امروز بر اين باورند كه سن جهان 13/7 ميليارد سال با تقريب چند صد هزار سال است. براساس اطلاعات موجود، جهان با سرعت شگفت آور 71 كيلومتر در ثانيه در مگا بارسك در حال انبساط است. (بارسك يك واحد اخترشناسي است و تقريباً برابر 3.26 ميليون سال نوري است).

ذره -پاد ذره و معماي پاد ماده
علاوه بر اثر فوتوالكتريك و اثر كامپتون، فرايند جالبي تحت عنوان توليد زوج ماده - پاد ماده وجود دارد كه از نظر اهميت و مفاهيم بنيادي بي نظير است. توليد و واپاشي زوج يك مثال بسيار بارز و عالي از تبديل انرژي به ماده و بالعكس است. در تعبير رابطه معروف اينشتين (E = mc2) اصل هم ارزي جرم و انرژي بيان مي‌‌شود. به عبارت ديگر ، دو كميت جرم و انرژي به يكديگر قابل تبديل هستند. هرگاه تغييري در جرم حاصل شود، به وسيله تغيير ديگري در انرژي جبران مي‌‌شود. براي بررسي امكان تبديل انرژي به جرم مي‌‌توان به پديده توليد زوج اشاره كرد. به عبارت ديگر، پديده توليد زوج مي‌‌تواند به اين پرسشها پاسخ دهد كه آيا مي‌‌توان از انرژي خالص ماده آفريد؟ يا اينكه آيا مي‌‌توان انرژي سكون را به انرژي الكترومغناطيسي تبديل كرد؟ البته لازم به ذكر است كه در چنين تبديلاتي بايد قوانين بقاي انرژي، اندازه حركت و بار الكتريكي نقض نشود.

ماده و پاد ماده
در 1928 فيزيكدان انگليسى پل آدريان موريس ديراك وجود ضدماده را پيش بينى كرد. ديراك مدعى شد كه براى هر ذره مادى، ضدذره اى به همان جرم ولى با بار مخالف وجود دارد. از پيوند اين ضدذره ها، ضداتم پديد مى آيد و ضداتم ها مى توانند ضدماده هايى متناظر با اجسام دنياى مادى بسازند. يعنى مثلاً ضدستاره ها، ضدكهكشان ها و حتى ضدانسان ها. ماجرا به همين جا ختم نمى شود. اگر يك ذره مادى با ذره اى از ضدماده برخورد كند، هر دو ناپديد مى شوند و در مقابل يك پرتو پرانرژى گاما توليد مى شود. به زبان تراژيك تر، اگر يك انسان و ضدانسان با هم دست بدهند، انرژى حاصل از انفجار و ناپديد شدنشان چيزى معادل هزار انفجار هسته اى يك مگاتنى خواهد بود. هر كدام از اين بمب ها، براى نابودى كامل يك شهر كوچك كفايت مى كند.

نوترينو و معماي مهبانگ
نوترينو ذره بنيادي خنثايي است كه در ضمن واپاشي بتاي هسته هاي اتمي همراه با الكترون يا پوزيترون گسيل مي شود. همانند نوترون ، نوترينو نيز بار الكتريكي ندارد. نوترينو با الكترونها عملا اندركنش نمي كند و باعث يونش قابل توجه محيط نمي شود. نوترينو ذره بنيادي ناپايدار و سبكي مي باشد كه جرمش در حدود يك دويستم جرم الكترون مي باشد.
آشكارسازي نوترينو
همانطور كه مي‌دانيد احتمال وجود نوترينوها بر مبناي تباهي بتا مي‌باشد. يعني فرآيندي كه به وسيله آن هسته يك عنصر شيميايي يك الكترون از دست مي‌دهد و به هسته عنصر ديگري تبديل مي‌گردد. فيزيكدانان ملاحظه نمودند كه در برخي موارد ، انرژي الكترون خارج شده كمتر از مقداري مي‌باشد كه بوسيله محاسبات

نظري پيشنهاد شده است. فيزيكدانان بلند پايه سوئيسي و ولف گانگ پائولي (Wolfgong Pouli) پيشنهاد نمود. نقصان انرژي بوسيله ذره خنثاي شناخته شده‌اي حمل مي‌گردد كه هيچ برهمكنش قابل توجهي با ماده ندارد و بنابراين نمي‌توان به وجود آن پي برد. اين ذره نوترينو ناميده شد. و وجود آن به وسيله تجربه تائيد گرديد. براي تعيين اينكه آيا نوترينو داراي جرم است يا نه؟ اصولا تباهي بتا مي‌تواند شاخص غير مستقيمي باشد.

فصل 25 الكتروديناميك كوانتومي و كروموديناميك كوانتومي 595
25- 1 نيرو 595
25 – 2 ثابت هاي جفت شدگي 599
25 – 3 الكتروديناميك كوانتومي 603
25 – 5 الكتروضعيف 608
25 – 6 جدول ذرات بنيادي 611
25 – 7 كروموديناميك كوانتومي يا الكتروديناميك رنگي 613
25 – 8 وحدت بزرگ 617
25 – 9 ابر تقارن، ابر گرانش و ابر وحدت 619
خلاصه:
الكتروديناميك كوانتومي
نظريه الكتروديناميك كوانتومي را ديراك ، ورنر هايزنبرگ ، پاسكوال جوردن و ولفانگ پاولي در اواخر دهه 1920 فرمول بندي و فريمن دايسون ، ريچارد فاينمن و جوليان شوينگر و سين - ايتيروتوموئاگا در اويل دهه 1950 آن را تكميل كردند. گسترش الكتروديناميك كوانتومي را مي‌توان نتيجه چشم گير كنش متقابل بين نظريه و تجربه به شمار آورد. بخشي از اين تحول، به بركت فن آوري ميكرو موجها بود كه در آن موقع تازه پديد آمده بود و امكان اندازه گيري بسيار دقيق طيف هيدروژن و گشتاور مغناطيسي الكترون توسط بولي كارپ كوش و هنري فراهم شد.
نتايج آزمايشها ، كه هر دو در سال 1947 منتشر شده پيشرفتهاي نظري سريعي را پديد آورد. اين پيشرفتها نيز به نوبه خود سبب شد كه پژوهشگران تجربي روشهاي جديدي را براي اندازه گيري باز هم دقيقتر ابداع كنند. در حال حاضر، با آنكه هنوز امكان بهبود روش وجود دارد. نظريه و تجربه در گسترش بسيار وسيعي از انرژيها با دقت چشم گيري باهم سازگاري دارند.
در نظريه QED برهمكنش الكترومغناطيسي را ناشي از مبادله فوتون بين ذرات باردار در نظر مي‌گيرند، در اين مبادله فوتون جانشين ميدان الكترومغناطيسي ماكسول به عنوان سرچشمه برهمكنش الكترومغناطيسي است و اين تصوير كه برهمكنش برآمده از معادله ذرات تبادلي است بطور موفقيت آميزي گسترش داده شده تا برهمكنشهايضعيف و قوي را نيز توصيف كند. ديدگاه امروزي در مورد چگونگي وقوع اين برهمكنشها بر همين اساس استوار است.

تقارن، وحدت، ابر تقارن و ابر وحدت
در فيزيك نوين مفهوم تقارن نقش بسيار مهمي دارد. هرگاه يك دسته تغييرات خاص، هيچيك از كميات سنجش پذير را در يك سيستم مورد مطالعه تغيير ندهد، مي گوييم در سيستم تقارن وجود دارد.
به عنوان مثال يك دانه ي برف تحت دوران 60 درجه (يا مضارب درستي از 60 درجه) هيچ تغييري را نشان نمي دهد. اما در دوران مثلاً 50 يا 40 درجه تغييرات مشاهد خواهد شد. هنگامي كه يك برهم كنش، تحت شرايطي خاص، پديده اي ايجاد مي كند كه تقارن آن شكسته مي شود، مي گوييم كه تقارن در گير، بطور خود بخودي شكسته شده است.
به عنوان مثال يك قطعه آهن را در نظر بگيريد. اتمهاي آهن موجود در اين قطعه، نيروهايي به يكديگر وارد مي كنند كه هيچ جهت خاصي را در فضا بر نمي گزينند. ولي هنگامي كه اتم هاي آهن تشكيل آهنربا مي دهند، برهم كنش بين اتمهاي آهن، داراي جهت خاصي (شمال - جنوب ) هستند. برهم كنش اتمها در قطعه ي آهن داراي تقارني پنهان است كه بر ناظر آشكار نيست. اما هنگامي كه قطعه ي آهن تبديل به آهنربا مي شود (مثلاً توسط يك سيم پيچ كه از آن جريان الكتريكي عبور مي كند) تقارن برهم كنش بين اتمها شكسته مي شود. در اين صورت مي گوييم كه تقارن درگير، خود بخودي شكسته شده است. در اين نوشته سعي مي شود انواع تقارن مورد بررسي قرار گيرد و سرانجام خواهيم ديد كه بر خلاف روش مرسوم در فيزيك نظري، بجاي آنكه از تقارن به ابر تقارن برسيم، بايستي از ابر تقارن به تقارن رسيد.
كروموديناميك كوانتومي يا الكتروديناميك رنگي
پس از تاييد نظريه الكترو - ضعيف و كاهش تعداد نيروهاي اساسي از چهار به سه، از اوائل دهه ي 1970 نظريه پردازان اين سئوال را مطرح كردند كه كه آيا با استفاده از همين روش مي توان تعداد نيروها را به دو يا يك كاهش داد؟
مي دانيم كه نيروي قوي بين كواركها عمل مي كند و كوارك ها علاوه بر بار الكتريكي معمولي كه دارند، نوع ديگري بار را حمل مي كنند كه آنرا بار-رنگ مي نامند. نظريه اي كه برهم كنش موجود بين بارهاي الكتريكي ذرات را از طريق مبادله يك فوتون تصيف مي كند، الكترديناميك كوانتومي ناميده مي شود. اصطلاح كوانتوم به ما مي گويد كه با ذرات سرو كار داريم و اصطلاح الكتروديناميك نشان مي دهد كه با پديده هاي الكترومغناطيسي مواجه هستيم. بطور مشابه، نظريه اي به منظور توصيف برهم كنش قوي، بر اساس برهم كنشي شامل بار رنگي كوارك ها پايه ريزي شده است كه آنرا كروموديناميك كوانتومي Quantum Chromodynamic , QCD مي نامند، كه كرومو به رنگ اشاره دارد.
اين نظريه به الكترومغناطيس شبيه بوده ولي پيچيده تر از آن است و به وحدت نهائي نيروي قوي با لكتروضعيف سهولت مي بخشد.
كرموديناميك كوانتومي
نظريه مربوط به كواركها و گلئونها را كروموديناميك كوانتومي مي نامند. زيرا در اين نظريه براي كواركها رنگ قائل مي شوند.
كواركها و گلئونها
مدت زيادي اين طور تصور مي شد كه پروتونها و نو ترونها ذرات بنيادي هستند وبنابراين گمان مي رفت مثل تقسيم الكترون ديگرقابل تقسيم نبوده و داراي يك ساختار داخلي نيستند امروزه مي دانيم كه نو كلئونها يا به عبارت ديگر پروتونها و نو ترونها خود از ذرات كوچكتري ساخته شده اند كه كوارك ناميده مي شوند.
جهان ميكروسكپي
بايد توجه داشت كه ذرات نقاط مادي اجسام نيستند كه با سرعت ثابت حركت مي كنن. همچنين يكي از ويژگي مهم ذرات اسپين آنهاست. پنچ حالت مختلف اسپين براي آنها تعريف شده است


فصل 26 توسعه معادلات نيوتوني 621
26- 1 تعريف لاگرانژين و هاميلتونين 621
26 – 2 اطلاعات پايه و يادآوري 623
26 – 3 معادله لاگرانژ 624
26 – 4 معادله ديفرانسيل اصلي اويلر - لاگرانژ 626
26 – 5 هاميلتوني 628
26 – 6 مكانيك سيالات 631
26 – 7 مكانيك تحليلي 633
26 – 8 مكانيك سماوي 634
26 – 9 ساليتون ها 634
26 – 10 فيزيك پزشكي 637
26 – 11 فيزيك شتابدهنده 639
26 – 12 همجوشي هسته اي 644

كاربرد مستقيم قوانين حركت نيوتن براي حركت سيستم‌هاي ساده راحت و آسان است. اما در صورتي كه تعداد ذرات سيستم بيشتر شود، در اين صورت استفاده از قوانين نيوتن كار دشواري خواهد بود. در اين حالت از يك روش عمومي كه توسط لاگرانژ ابداع شده است، استفاده مي‌شود. در واقع مكانيك لاگرانژي يكسري معادلات رياضي است كه با استفاده از آنها مي‌توان معادلات حركت تمام سيستمهاي ديناميكي را پيدا كرد. اين روش چون نسبت به معادلات نيوتن حالت كلي تري دارد، لذا در مورد حالتهاي ساده كه با معادلات حركت نيوتن به راحتي حل مي‌شود، نيز قابل اعمال است.

فصل 27 تقارن و مدل استاندارد 655
27 – 1 تقارن و وحدت در فيزيك 655
27 – 2 نظريه هاي پيمانه اي 658
27 – 3 وحدت الكتروضعيف 661
27 – 4 تقارن و اسپين 663
27 – 5 مدل استاندارد 665
27 – 6 كواركها و ذرات بنيادي 666
27 – 7 ميدان نيروي رنگي 669
27 – 8 سطوح عميق تر 672
27 – 9 آن سوى مدل استاندارد 673
27 – 10 ده معما 677
27 – 11 هيگز 680
27 – 12 نظريه هاي موثر 682
خلاصه:

فصل 28 هيگز 687
28 – 1 ذرات چگونه جرم كسب مي كنند؟ 687
28 – 2 بوزون هيگز و نتايج آن 689
28 – 3 آزمون نظريه 692
28 – 4 ماده تاريك 694
28 – 5 خانواده ها 696
28 – 6 هيگز و دورنماي آينده 698
28 – 7 وقتى كوارك ها برخورد مى كنند 700
28 – 8 آزمايشگاهى براى دنيا 703
28 – 9 كشف كوارك سر 704
فصل 29 تقارن CPT 715
29 – 1 شكست تقارن لورنس و CPT 715
29 – 2 بررسى فضا در فضا در آزمايشگاه هاى چرخان 717
29 – 3 پادماده 721
29 – 4 در جست وجوى نقض نسبيت 724
29 – 5 نقض خودبه خود 729
29 – 6 تعميم مدل استاندارد 730
29 – 7 تقارن فضا- زمان 732
29 – 8 نسبيت نقض مى شود 733
29 – 9 سنت شكنان 733
فصل 30 مرز بين تخيل و واقعيت 737
30 – 1 سفر در زمان از بعد پنجم 737
30 – 2 كاوشگر گرانش B 746
30 – 3 مصاحبه با فرانسيس اوريت باني GPB 752
30 – 4 پايان فيزيك 756
خلاصه سه فصل
ذرات چگونه جرم كسب مي كنند؟
مسئله جرم دو جنبه متفاوت دارد. اول آنكه نياز است بدانيم جرم چگونه به وجود مى آيد. معلوم شده است كه جرم حداقل از سه سازوكار متفاوت به وجود مى آيد كه در ادامه به تشريح آنها مى پردازم. يك بازيگر مهم در نظريه هاى آزمايشى فيزيكدانان در مورد جرم نوع جديدى از ميدان است كه تمام جهان را فرا مى گيرد و ميدان هيگز نام دارد. گمان مى رود كه جرم ذره هاى بنيادى از برهمكنش با ميدان هيگز به وجود مى آيد. اگر ميدان هيگز وجود داشته باشد، آن وقت طبق نظريه وجود يك ذره وابسته به آن به نام بوزون هيگز ضرورى است. هم اكنون دانشمندان با استفاده از شتاب دهنده هاى ذره به دنبال ذره هيگز هستند.
جنبه ديگر اين مسئله آن است كه دانشمندان مى خواهند بدانند چرا گونه هاى متفاوت ذره هاى بنيادى، جرم خاص خودشان را دارند. جرم ذاتى اين ذره ها در گستره اى به اندازه حداقل ۱۱ مرتبه توزيع شده است، اما هنوز نمى دانيم چرا اينگونه است .
مكانيسم هيگز
مدل استاندارد يك جزء تمام نشده و آزمايش نشده دارد. اين يك جزء كوچك نيست بلكه يك جزء (مولفه) مركزى است. همان مكانيسمى كه جرم مشاهده شده ذرات را توليد كند. جرم ذرات خيلى خيلى مهم است. (به عنوان مثال تغيير دادن جرم الكترون تمام شيمى را تغيير مى دهد و جرم هاى نوترينوها انبساط جهان را تحت تاثير قرار مى دهد.) جرم نوترينو نهايتاً چند ميليونيم جرم الكترون است ولى آزمايش هاى اخير نشان داده كه جرم آن صفر نيست.
ميداني كه جهان را اشغال كرده
فيزيكدانان بر اين باورند كه ذرات در برهمكنش هايى با ميدانى كه تمامى جهان را اشباع مى كند، توليد مى شوند؛ هرچه ذره اى با ميدان مزبور برهمكنش قوى ترى انجام دهد، جرمش بيشتر است. (تصوير صفحه۱۶ را ببينيد) در هر حال سرشت اين ميدان ناشناخته باقى مى ماند. ماهيت اين ميدان مى تواند ميدان بنيادى جديدى باشد، كه به افتخار فيزيكدان بريتانيايى پيتر هيگز ميدان هيگز ناميده مى شود. شق ديگر آن است كه موجودى مركب باشد كه از ذرات جديدى (به نام تكنيكوارك) تشكيل شده باشد كه به وسيله نيروى جديدى (موسوم به تكنيكالر) به يكديگر قوياً پيوند دارند. حتى اگر ميدان يك ميدان بنيادى باشد، باز هم سئوالات گوناگونى درباره ميدان هيگز وجود دارد: چه تعداد ميدان هيگز وجود دارد و ويژگى هاى دقيق آنها چيست؟ ليكن در هر حال ما با اطمينان تقريباً رياضى مى دانيم كه هر مكانيسمى كه عامل اين امر باشد، بايد پديده هاى جديدى در محدوده انرژى LHC مانند ذرات مشاهده پذير هيگز يا تكنوذره ها را به وجود آورد. بنابراين هدف اصلى طراحى LHC كشف اين پديده ها و معين كردن مكانيسم جرم زايى مزبور است. آزمايش هاى LHC همچنين به پديده هاى نوين ديگرى حساس خواهند بود كه مى توانند مويد نظريه هايى باشند كه مدل استاندارد را بسط داده يا كامل مى كنند.

مدل استاندارد
شيمي را مي توان با سه ذره بنيادي پروتون، نوترون و الكترون و نيروي الكترومغناطيس فهميد و مباحث مختلف آن را توضيح داد. فيزيك هسته اي را مي توان با دوازده ذره بنيادي شش كوارك و شش لپتون، و نيروهاي هسته اي قوي، هسته اي ضعيف و الكترومغناطيس كه مدل استاندارد مي نامند، فهميد و تشريح كرد. با اينكه مدل استاندارد احتياج به بسط دارد، ذرات آن براى توصيف جهانى كه تجربه مى كنيم (غير از گرانش) و بيشتر اطلاعات به دست آمده توسط فيزيكدانان ذرات كافى است. در عين حال بايد توجه داشت كه مكانيك كوانتوم نظريه ي ساده اي نيست، زيرا رفتار ذرات مانند رفتار اجسام بزرگ نيست.

آن سوى مدل استاندارد
دوره اى جديد در فيزيك ذرات، به وسيله مشاهده ذرات ابرتقارنى در برخورددهنده تواترون (Tevatron) در آزمايشگاه شتاب دهنده ملى فرمى (Fermi National Accelerator Laboratory) در باتاوياى ايلينويز آغاز خواهد شد. يك كوارك و يك پاد كوارك (قرمز و آبى) مستقيم به هم برخورد مى كنند تا دو ذره ابرتقارنى سنگين (كهربايى) روشنى شكل بگيرند. آنها به ذرات W و Z نارنجى) و دو ذره ابرتقارنى سبك تر (كهربايى تيره) تبديل مى شوند. ذرات W و Z نيز به يك الكترون، يك پادالكترون و يك ميوآن (muon) ( همه به رنگ سبز) كه قابل مشاهده هستند و همچنين يك پادنوترينوى مشاهده ناپذير (خاكسترى) تبديل مى شوند.
مدل استاندارد
مدل استاندارد فيزيك ذرات در مرحله مهمى از تاريخچه خود قرار دارد؛ هم در اوج موفقيت و هم در مرز تحول. قرن ها بعد از آغاز تحقيق روى بخش هاى بنيادى كه زيبايى و پيچيدگى جهان را مى سازند، امروزه به نتيجه شگفت ا نگيز و ساده اى رسيده ايم ؛ فقط شش ذره: الكترون، كوارك هاى بالا و پائين، گلوئون (gluon)، فوتون و بوزون هيگز. براى توضيح همه پديده هايى كه فيزيكدانان ذرات بنيادى مى دانند اضافه كردن يازده ذره ديگر به جمع ذرات گفته شده كافى است. [به قاب سمت چپ نگاه كنيد] اينها تصوراتى شبيه تصورات يونانيان قديم نيست كه مى گفتند جهان از چهار عنصر خاك، هوا، آب و آتش تشكيل شده است. بلكه اين نتايج از پيچيده ترين نظريه رياضى در مورد طبيعت در طول تاريخ يعنى مدل استاندارد فيزيك ذرات حاصل شده است، به رغم معنى كلمه مدل، مدل اسصتاندارد يك نظريه كامل براى شرح ذرات پايه و توضيح برهم كنش آنها است. همه آنچه در دنياى ما رخ مى دهد (به جز اثرهاى گرانشى) قابل بيان با قوانين و معادلات مدل استاندارد است..

تقارن CPT
آزمايشگاه هاى چرخان
بررسى فضا در فضا
در ماهواره هايى مانند ايستگاه فضايى آزمايش هايى بر مبناى مقايسه دو ساعت براى يافتن شواهدى بر نقض تقارن لورنتس انجام خواهد گرفت. در شكل دو نوع ميدان بردارى (پيكان هاى آبى و قرمز) نقض كننده نسبيت مشاهده مى شود كه برهمكنش هاى متفاوتى با ذرات دارند، تصاوير زير نشان دهنده مقايسه بين يك ساعت اتمى (نشان داده شده با اتم) و ساعتى كه بر مبناى نور يا مايكروويو (خطوط مواج) در حفره تشديدكننده كار مى كند، است. نور و الكترون ها (قرمز) با بردارهاى قرمز برهمكنش دارند در حالى كه پروتون ها (آبى) با بردارهاى آبى. هنگامى كه ايستگاه فضايى مى چرخد تغيير اين برهمكنش ها سبب به هم خوردن همزمانى ساعت ها مى شود كه نشان دهنده نقض تقارن لورنتس است. يك دور چرخش ايستگاه فضايى به دور زمين در ۹۲ دقيقه صورت مى گيرد بنابراين داده هاى سريع تر و دقيق ترى را نسبت به آزمايشگاه هاى زمينى به دست مى آورد
در جست وجوى نقض نسبيت
:
در سال هاى اخير تلاش براى يكى كردن نيروها و ذرات شناخته شده در يك نظريه نهايى براى عده اى از فيزيكدانان اين انگيزه را به وجود آورده كه درباره امكان تقريبى بودن اصول نسبيت تحقيق كنند. اين انتظار وجود دارد كه مشاهده انحرافى كوچك از نظريه نسبيت طليعه نخستين آزمايش ها براى جست وجو و تحقيق درباره يك نظريه نهايى است.

آيا نقض نسبيت به نظريه كامل تري مي انجامد؟
«دانشمندان براى آشكار شدن خصوصيات و ساختارهاى احتمالى يك نظريه نهايى در جست وجوى نقض اصول فيزيكى اينشتين هستند كه زمانى مقدس بود.

نسبيت در قلب مهم ترين نظريات بنيادين فيزيك قرار گرفته است. نسبيت آنگونه كه اينشتين آن را در ۱۹0۵ فرمولبندى كرد بر اين ايده كليدى بنا شده كه قوانين فيزيك از نگاه تمام مشاهده گرهاى لخت (اينرسى) (مشاهده گرهايى كه از ديد يك مشاهده گر داراى جهت دلخواه و سرعت ثابت هستند) يكسان است. اين نظريه يك دسته از آثار شناخته شده را پيش بينى مى كند كه از ميان آنها مى توان به ثابت بودن سرعت نور براى تمام مشاهده گرها، كند شدن ساعت هاى در حال حركت، كوتاه شدن طول اجسام متحرك و هم ارزى جرم و انرژى E=mc2 اشاره كرد. آزمايش هاى بسيار دقيق اين نتايج را تائيد مى كنند. نسبيت اكنون يك پايه و ابزار مهم و روزمره براى فيزيكدانان تجربى است: برخورد دهنده هاى ذرات از مزاياى افزايش جرم و طول عمر ذرات پرسرعت به خوبى بهره مى برند و آزمايش با ايزوتوپ هاى راديواكتيو نشان دهنده تبديل جرم به انرژى است.

كاوشگر گرانش B
فرانسيس اوريت» در سال ۱۹۳۴ در «سونوكس» در ايالت كنت به دنيا آمد. پس از گرفتن مدرك كارشناسى فيزيك، به «امپريال كالج» در لندن رفت و به مطالعه زمين شناسى و لايه هاى مغناطيسى زمين پرداخت. در ۱۹۶۰ با فيزيك دماى پايين آشنا شد و به دانشگاه پنسيلوانيا رفت و بر روى فيزيك هليم مايع، به تحقيق پرداخت. در همان سال ها آزمايشى براى تحقيق پيش بينى چرخش فضا - زمان در نسبيت عام اينشتين به ذهنش رسيد. براى انجام اين آزمايش، در سال ۱۹۶۲ به دانشگاه استانفورد در حومه سانفرانسيسكو رفت. وى تا اين زمان استاد فيزيك دانشگاه استانفورد است كه حاصل تلاش وى ۹۰ مقاله در فيزيك و كتابى زيبا در شرح حال «جيمز كلارك ماكسول» است..

GPB
مهندسان معمولاً درباره چيز هايى كه ساخته اند مبالغه نمى كنند، پس بى گمان ماهواره «گاوشگر گرانش (GP-B) منحصر به فرد است كه دانشمندان براى توصيف آن از لغات «زيبا» و «هنرمندانه» استفاده مى كنند.
اين ماهواره كه در بيستم آوريل براى تحقيق يكى از پيش بينى هاى نسبيت عام اينشتين به فضا پرتاب شد، دليل واضحى بر نبوغ و كاردانى بشر است. اگرچه نظريه ساخت GP-B از دهه ۱۹۵۰ مطرح بوده اما از لحاظ فنى امكان ساخت آن به تازگى فراهم شده است. «جف كولد زيجزاك» رئيس پروژه در مركز پرواز هاى فضايى «مارشال» ناسا درباره GP-B مى گويد: «اگر علم تجربى يك هنر است پس من هم به GP-B به عنوان يك شاهكار رنسانس نگاه مى كنم.» زيبايى و عظمت طراحى GP-B در اين است كه اين ماهواره بايد در اطراف سياره زمين كه مملو از اجرام گوناگون است به كشفياتى بسيار دقيق بپردازد كه اثر هر كدام از اين اجرام ممكن است در نتيجه آزمايش تاثير داشته باشد. دانشمندان اميدوارند كه به وسيله اين ماهواره خميدگى فضا _ زمان در اطراف زمين را بسنجند و اين عمل آن چنان دقيق بايد انجام شود كه حتى لحظه اى دخالت يك نيروى خارجى ديگر يا يك نقص كوچك و ميلى مترى در داخل ماهواره موجب ايجاد يك خطاى سيستماتيك در نتيجه آزمايش شده و باعث پنهان شدن تاثيرى مى شود كه دانشمندان به دنبال آن هستند. (نظريه نسبيت عام كه در سال ۱۹۱۶ توسط اينشتين تدوين شد، پيش بينى مى كند كه زمين با حركت وضعى به دور خود، فضا _ زمان را به همراه خود مى كشد و يك مارپيچ از فضا _ زمان در اطراف زمين تشكيل مى شود.م) دانشمندان به اين پديده «كشيدگى چارچوب» مى گويند. با توجه به اثبات بسيارى از پيش بينى هاى نظريه نسبيت عام، اكثر فيزيكدانان معتقدند كه چنين وضعيت گردابى در فضا _ زمان حقيقت دارد. اما پيش از اين هيچ آزمايشى براى تاييد اين پيش بينى نظريه انجام نشده بود.

پايان فيزيك
استيون ويليام هاوكينگ استاد كرسي لوكاشين
در 29 آوريل 1980 در سالن كنفرانس كوكرافت در كمبريج انگلستان جايي كه عرصه باليدن تامسون و راترفورد بود، دانشمندان و مقامات دانشگاه روي صندلي‌هاي رديف‌شده بر كف شيب‌دار سالن كه مقابل ديواري پوشيده از وايت‌برد و پرده اسلايد بود، گرد‌هم آمده بودند. اين جلسه براي وضع اولين خطابه يك پروفسور جديد كرسي لوكاشين رياضي برقرار شده بود. اين پروفسور استفن ويليام هاوكينگ رياضي‌دان و فيزيك‌دان سي و هشت ساله بود.
عنوان خطابه يك سوال بود:
آيا دورنماي فيزيك نظري نزديك ديده مي شود؟
و هاوكينگ با اعلام اين كه پاسخ او به اين سوال مثبت است، شنوندگان را شگفت‌زده كرد. او از حضار دعوت كرد تا به او بپيوندند و با گريزي شورانگيز از ميان زمان و مكان جام‌مقدس علم را بيابند. يعني نظريه‌اي كه جهان و هر چه را كه در آن روي مي‌دهد، تبيين كند.

فصل 31 نظريه ريسمانها 761
31 – 1 نظريه ريسمان و گرانش كوانتومي 761
31 – 2 نظريه ابر ريسمانها 764
31 – 3 هنجار پذيري 771
31 – 4 يك تصوير نو از نظريه ريسمان 771
31 – 5 فاصله هاي كم و زياد 772
31 –6 آنتروپي سياهچاله چيست؟ 775
31 –7 ريسمان و گرانش 775
31 – 8 نگاهي به ام نظريه 777
نظريه ابر ريسمانها
در نظريه ي ريسمان به جاي اينكه هر ذره را مستقل در نظر بگيريم به صورت رشته اي پيوسته با شكلهاي مختلف درنظر ميگيريم , مثلا الكترون را مي توان مانند يك النگو رشته اي بدانيم كه دو سرش بهم گره خورده و حلقه دايره اي تشكيل داده است. علت بوجود آمدن اين نظريه اين بود كه گرانش با كوانتوم مشكل دارد. همچنانكه گفته شد در دنياي ما چهار نيروي اصلي بنامهاي الكترومغناطيسي، هسته اي قوي، هسته اي ضعيف و گرانشي وجود دارد. سه نيروي اول به ترتيب مي توانند با هم در انرژيهاي بالا متحد شوند و يك نظريه واحد داشته باشند. يعني انشعاباتي از يك نظريه ي اصلي باشند. اصطلاحاٌ مي گويند اين سه نظريه در انرژيهاي بالا تقارن دارند و در انرژيهاي معمولي دچار شكست خودبخودي تقارن مي شوند. اما چهارمين نيروي اصلي يعني گرانش دو مشكل اساسي دارد. يكي وحدت نيافتن با سه نيروي ديگر و ديگر اينكه اگر ذرات را نقطه اي در نظر بگيريم، سطح مقطع برهم كنش نيروي گرانشي بين دو ذره ي نقطه اي كه بهم نزديك مي شوند طبق نظريه ي كوانتومي بي نهايت بدست مي آيد. از اينرو ذرات بصورت ريسمانهاي يك بعدي در نظر گرفته شدند. مثلا الكترون يا كواركها همگي ريسمانهاي بسته و حلقوي با شكلهاي مختلفند. در اين تصورجديد، ديگر برهم كنش ذرات در زمان و مكان خاص رخ نمي دهد بلكه شما دو حلقه داريد كه در فضا بهم نزديك مي شوند و با عكسبرداي تخيلي يك پوسته به شكل شلنگ نمايش داده مي شود. مثل اينكه دو شلنگ بهم برخورد كرده باشند و دو شلنگ جديد بوجود آورده باشند. در اين نظريه هم وحدت ميسر است و هم بينهايتهاي گرانش كوانتومي برطرف مي شود. اما در واقع يك ريسمان از چه چيزي ساخته شده است؟ يك ريسمان يك مقدار كوچك انرژي است و در اينجا هيچ چيزي كوچكتر از اين مقدار انرژي نيست.


فصل 32 پايه هاي منطقي و تجربي نظريه سي.پي.اچ 781
32 – 1 پايه هاي تجربي نظريه سي.پي.اچ 782
32 – 2 اهميت توجه به ساختمان فوتون 783
32 – 3 تاثير گرانش بر انرژي الكترومغناطيسي 784
32 – 4 تعريف جديد گراويتون 786
32 – 5 گروه 787
32 – 6 تعريف سي. پي. اچ. 788
32 – 7 اصل CPH789
32 – 8 ميدانهاي الكترومغناطيسي 790
32 – 9 نظريه سي. پي. اچ. و قانون دوم نيوتن 792
32 – 10 نظريه سي. پي. اچ. و نسبيت خاص 795
32 – 11 اسپين سي. پي. اچ. 797
فصل 33 نظريه سي. پي. اچ. و زمان 801
33 - 1 ساعت 802
33 – 2 زمان ويژه 803
33 – 3 نظريه سي. پي. اچ. و زمان 806
33 – 4 ماهيت زمان 808
32 – 5 فشار ميدان گرانشي 810
32 – 6 حجم و زمان 812
33 – 7 تابع زمان و قضيه كار انرژي 818
فصل 34 ترموديناميك، انتروپي و نظريه سي. پي. اچ. 821
34 – 1 انرژي گرمايي از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ. 821
34 – 2 چرخه كارنو 823
34 – 3 حالت پايه ذرات بنيادي از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ. 827
34 – 4 تابش از ديدگاه سي. پي. اچ. 829
34 – 5 علت تابش گرما توسط اجسام 830
34 – 6 كار انجام شده توسط سيستم روي خودش 833
34 – 7 مخازن انرژي و ابزارها 834
34 – 8 نظريه سي. پي. اچ. و قوانين ترموديناميك 835
فصل 35 نظريه سي. پي. اچ. و پديده هاي پيچيده 839
35 – 1 معادلات الكترومغناطيس و ميدان گرانشي 839
35 – 2 نيروي الكتريكي موثر هسته بر الكترونها 841
35 – 3 پايه نظري براي نيروي الكتريكي موثر هسته 844
35 – 4 بار - رنگها فضا را خميده مي كنند 847
35 – 5 معادلات حركت نور در ميدان گرانشي 853
فصل 36 معماهاي فيزيك و نظريه سي. پي. اچ. 859


خلاصه CPH

تعريف سي. پي. اچ. و ويژگيهاي آن
پس از فرمول بندي مكانيك كلاسيك توسط نيوتن، گرايش به تجارب آزمايشگاهي و مشاهدات نجومي روز به روز بيشتر شد. فيزيكدانان با اشتياق در دو زمينه، يكي توجيه رفتار اجسام بزرگ آسماني و ديگري شناخت پديده هاي بسيار كوچك (كه بعدها زير اتمي ناميده شدند)، تلاش روز افزوني را آغاز كردند. هرچه دقت در مشاهدات نجومي بيشتر مي شد و هر قدر ذرات مورد آزمايش كوچكتر مي شدند، نارسايي مكانيك نيوتني بيشتر خود نمايي مي كرد. بطوريكه در سالهاي پاياني قرن نوزدهم، لزوم بازنگري در فيزيك كلاسيك (قوانين نيوتن و الكترومغناطيس) كاملاً مشهود بود. مكانيك كوانتوم و مكانيك نسبيتي (فيزيك مدرن) پاسخي به نياز زمان خود در جهت تكامل دانش بودند.
در قرن بيستم آموزش و پژوهش از نظر كمي و كيفي پيشرفت شگفت انگيزي داشت. علاوه بر آن بودجه هاي پژوهشي رشد نجومي كرد. از يك سو، تلسكوپ ها اعماق كهكشانهاي دور دست را بتصوير كشيدند و از سويي ديگر شتاب دهنده ها، اسرار درون هسته ي اتم را نمايان ساختند و فيزيكدانان با سئوالات جديدتر، عميقتر و بيشتري مواجه شدند.
جهان چگونه آغاز شد و قبل از بيگ بنگ چگونه بود؟ دليل شتاب جهان و ماهيت انرژي تاريك چيست؟ وجود ماده تاريك را چگونه مي توان توجيه كرد؟ اهم سئوالات كيهان شناختي است.
در زمينه ذرات زير اتمي، بسياري از فيزيك‌دانان به دنبال نظريه‌اي هستند كه هر چهار نيرو را بوسيله يك ابرنيرو توجيه كند. نيرويي كه خودش را به‌گونه‌هاي مختلف نشان مي‌دهد و نيز موجب يگانگي فرميون‌ها و بوزون‌ها در يك خانواده مي‌شود. فيزيكدانان اين نظريه را نظريه يگانگي نام داده اند. گرانش را مي‌توان در مقياسهاي بسيار كوچك، حتي تا سطح كوانتومي نيز مورد توجه قرار داد. در حقيقت، اگر ما به گرانش در اين سطح توجه نكنيم، هرگز نمي‌توانيم به يگانگي آن با سه نيروي ديگر دست يابيم. و پاسخ اين سئوال را بيابيم كه نيروها در دماهاى بسيار بالا- درست لحظاتى بعد از انفجار بزرگ (big bang)- چگونه بوده اند؟ سئوالات بي جواب بسياري مطرح است كه برخي از فيزيكدانان پاسخ آنها را در تركيب مكانيك كوانتوم و نسبيت عام مي دانند. در اينجا از بيان سئوالات زيادي كه در اين زمينه وجود دارد خود داري مي شود و در فرصت هاي مناسب مطرح و از ديدگاه سي. پي. اچ. پاسخ داده خواهد شد.
اما در اينجا ضمن تعديل هاميلتوني اصل سي. پي. اچ. را مورد تجزيه و تحليل قرار داده و تلاش مي شود برخي اصول موضوعه فيزيك و قوانين بقا از آن نتيجه گيري شود. علاوه بر آن برخي از مفاهيم بنيادي نظير فضتا-زمان و ماهيت فيزيكي زمان تشريح مي گردد. آنگاه نحوه ي توليد انرژي در فضا بررسي خواهد شد. اين نحوه برخورد با فيزيك مي تواند نگاه و درك بنيادي فيزيك را تغيير دهد و دانش فيزيك را مملموس تر كرده و با نگرش شهودي به پديده ها آموزش و درك آن را ساده تر كند. اين فصل و فصول مربوط به نظريه سي. پي. اچ. هر روز بازگري خواهد شد تا نارسايي هاي بيان و تشريح نظريه روز به روز كاملتر گردد. دوستان عزيز و علاقهمند مي توانند ضمن توجه به اين روش، برداشت ها خود را از نظريه سي. پي. اچ. و پياده سازي اين نظريه در بخش هاي مختلف فيزيك ارسال دارند تا در صورت تاييد در سايت منتشر گردد. در هر صورت اظهار نظر و ذكر نارسايي ها با آغوش باز پذيرفته مي شود.
نظريه سي. پي. اچ. و قانون دوم نيوتن

قانون دوم نيوتن F=ma با فرض ثابت بودن جرم مطرح شد. اما انيشتين با ارائه نسبيت خاص نشان داد كه جرم ثابت نيست و تابع سرعت. حال مي خواهيم اين قانون را از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ. بررسي كنيم.
نظريه سي. پي. اچ. و نسبيت خاص
نسبيت خاص با نفي دستگاه مرجع مطلق «اتر» با دو اصل موضوع:
1 - قوانين فيزيك در تمام دستگاه هاي لخت يكسان است.
2 - سرعت نور در فضاي تهي نسبت به همه ي ناظران لخت ثابت و برابر c است.
مطرح شد. دست آوردهاي اين دو اصل بسيار مهم بود و تاثير عميقي بر كل دستگاه فيزيك و انديشه ي بشريت داشت. در اينجا خواهيم ديد كه چگونه اصول نسبيت خاص را مي توان از اصل سي. پي. اچ. نتيجه گيري كرد و آنگاه زمان و ماهيت فيزيكي آن مورد بررسي قرار مي گيرد.
نظريه سي. پي. اچ. و زمان
زمان يكي از پيچيده ترين كميتهايي است كه همواره ذهن همگان را بخود مشغول داشته و دانشمندان و فلاسفه بسياري تلاش كرده اند ماهيت آن را شناسايي و تبيين كنند. در اين مورد انديشه هاي ملا صدرا (http://sadra1.persianblog.com/) عمق و غناي خاصي دارد. شايد دليل كنجكاوي و حساسيت انسان نسبت به زمان ناشي از عمر كوتاه وي و آرزوي برخورداري از يك زندگاني جاويد باشد. همين كنجكاوي و حساسيت موجب پيدايش سئوالات بسياري در مورد زمان شده كه اساسي ترين آنها را مي توان در سئالات زير خلاص كرد:
1 - ماهيت زمان چيست؟
2 - آغاز و پايان جهان چگونه است؟
3- آيا مي توان حركت زمان را كندتر يا تندتر كرد؟
4- آيا مي توان گذشته را بازسازي كرد؟
5 - چرا جهت زمان از گذشته به آينده است؟
هدف اين فصل پاسخ فيزيكي به سئوالات بالا با استفاده از نظريه سي. پي. اچ. است. بنابراين نخست زمان را از نقطه نظر مكانيك كلاسيك مطرح كرده و سپس ديدگاه نسبيت تشريح مي شود و سرانجام با توجه به نظريه سي. پي. اچ. زمان مورد بررسي قرار مي گيرد. توجه به اين نكته ضروري است كه اين بررسي با توجه به ويژگيهاي سي. پي. اچ. است كه در جدول ضميمه (پائين صفحه) منعكس شده انجام مي شود.

تابع زمان و قضيه كار انرژي
پيدا كردن تابعي فيزيكي براي زمان كه بتوان با استفاده از آن آهنگ حركت ساعتها را پيش بيني و بررسي كرد، يكي از دغدغه هاي نظريه سي. پي. اچ. بود. سرانجام اين تابع با استفاده از ويژگيهاي سي. پي. اچ. و قضيه كار - انرژي به دست آمد. تابع زمان در نظريه سي. پي. اچ. از چنان سادگي و روشني برخوردار است كه حتي دانش آموزان رياضي فيزيك، با استفاده از اين تابع مي توانند رفتار ساعت ها را بطور كلي در تمامي فرايند هاي فيزيكي تشريح و پيشگويي كنند. هر فرايند فيزيكي در رابطه با زمان از سياه چاله گرفته تا ساختار اتم و بيگ بنگ بخوبي با استفاده از تابع زمان در نظريه سي. پي. اچ. قابل درك و توضيح مي باشد. هرچند اين فصل كمي طولاني است، اما توصيه مي شود تمام اين فصل را با دقت مطالعه فرماييد و در پايان خواهيد ديد كه اين تابع ابزار قدرتمندي براي توضيح و پيش بيني رفتار ساعتها مي باشد.

معادلات الكترومغناطيس و ميدان گرانشي
هنگام سقوط فوتون در ميدان گرنشي، گراويتون ها خواص بار-رنگي و مغناطيس-رنگي (http://cph-theory.persiangig.com/C1553-mechanismhiggs.htm) از خود نشان مي دهند. بهمين دليل بر شدت ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي فوتون افزوده مي شود. بنابراين يك رابطه ي تنگاتنگ بين گرانش و امواج الكترومغناطيسي وجود دارد. اما مي دانيم كه امواج الكترومغناطيسي از معادلات ماكسول پيروي مي كنند. لذا وابستگي گرانش و امواج الكترومغناطيسي نيز بايد از معادله اي شبيه معادلات معادلات ماكسول تبعيت كند. سئوال اين است كه اين معادله را چگونه مي توانيم به دست آوريم؟

نيروي الكتريكي موثر هسته بر الكترونها
نيروي الكتريكي موثر هسته، نيرويي است كه از طرف هسته به يك الكترون در مدار اتم وارد مي شود. تصور رايج اين است كه اين نيرو براي تمام الكترونهاي يك اتم برابر و مضربي از نيروي وارد از يك پروتون به يك الكترون با توجه به فاصله آنها است. اما واقعيت اين نيست.
سرعت نور و نظريه سي. پي. اچ
نظريه سي. پي اچ. در سال 1366 (1987 م) با طرح اين مسئله كه سرعت نور ثابت نيست و تابع نيروهاي خارجي محيط انتشار است، مطرح شد. در نظريه سي. پي. اچ. نيز طبق اصل نسبيت خاص سرعت نور در تمام دستگاه هاي لخت و فضاي تهي ثابت و برار c است. اما سرعت نور در محيط انتشار تابع نيروهاي خارجي است كه بر نور اعمال مي شود. تجارب و ديدگاه هاي اخير نشان مي دهد كه پيشگويي نظريه سي. پي. اچ. در مورد تغيير سرعت نور درست بوده است. در ادامه دو نمونه ارائه شده است. اما در آنجا هيچگونه توجيه نظري در مورد علت تغيير سرعت نور وجود ندارد. در حاليكه نظريه سي. پي. اچ. بر اساس تعريف و توضيح ساختمان فوتون بنا شده است. و بخوبي مي تواند دليل نظري تغيير سرعت نور را توضيح دهد. در ادامه پس از ذكر نمونه هاي مورد بحث توضيح نظريه سي. پي. اچ. را در مورد دليل تغيير سرعت نور مشاهده خواهيد كرد.
در انتهاي متن انگليسي، نور از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ. توضيح داده شده است.
بار - رنگها فضا را خميده مي كنند
يكي از مهمترين دستاوردهاي نسبيت عام انحناي فضا – زمان بود. اينشتين در سال 1915 با ارائه نسبيت عام، نسبيت خاص را از دستگاه هاي لخت به دستگاه هاي شتابدار تعميم داد. نتيجه ي مستقيم اين تعميم پيشگويي انحناي فضا بود. در اين نوشته نخست سعي مي شود انحناي فضا توضيح داده شود و سپس خواهيم ديد كه نظريه سي. پي. اچ. چگونه انحناي فضا را توجيح مي كند. اما قبل از آن يادآوردي برخي مفاهيم ضروري است.
اينشيتن تلاش كرد ساختار هندسي فضا را بصورت معادلات رياضي بيان كند. بهمين دليل از هندسه ي نااقليدسي ريمان (هندسه ي بيضوي) بهره گرفت و معادلات ميدان را ارائه كرد. در اينجا سه نكته بسيار مهم قابل توجه است:
1 – معادلات ميدان نظريه نسبيت به صراحت از اصل هم ارزي نتيجه نمي شود، بلكه ساده ترين معادلاتي است كه با نسبيت توافق دارد.
2 – توضيح فيزيكي براي انحراف مسير نور در ميدان گرانشي ارائه نشده است. هرچند بحث دستگاه ها نيز يك روش فيزيكي براي توضيح پديده ها است، اما اينكه ميدان گرانشي چه تاثير بر روي فوتون مي گذارد كه مسير پرتو نوري خميده مي شود، مسئله ي ديگري است كه نسبيت در مورد آن سكوت كرده است.
3- فضا-زمان در نسبيت كميتي پيوسته است. در حاليكه تغيير انرژي و اصولاً توليد انرژي كوانتومي است. لذا با فضا-زمان پيوسته نمي توان تغييرات گسسته ي انرژي فوتون را توجيح كرد.
بنابراين در ادامه تلاش مي شود توجيه فيزيكي انحناي فضا با توجه به ساختمان فوتون بررسي گردد.

سوال و جواب مورد سي.پي.اچ
هيچ نظريه ي جديدي بدون تبادل نظر و سوال و جواب نقاط مثبت و منفي خود را بروز نمي دهد. اين نقد و بررسي و بحث است كه زمينه ي رشد يا بركناري يك نظريه را تعيين مي كند. در اين بخش تعدادي سوال و جواب فراهم آمده است و هرگونه سوال جديدي همراه با پاسخ آن در اينجا اضافه خواهد شد.

معماهاي فيزيك و نظريه سي. پي. اچ.

گوردن كانه Gordon Kane نظريه پرداز فيزيك ذرات و استاد فيزيك در دانشگاه ميشيگان كه كارهاى او روى آزمايش و گسترش مدل استاندارد فيزيك ذرات متمركز است، ده سئوال بي جواب فيزيك را در www.sciam.com منتشر كرده است. براي مطالعه متن كامل سئوالات گوردن كانه به فصل 72: آن سوى مدل استاندارد (http://cph-theory.persiangig.com/ph72-ansuyestandard.htm) مراجعه فرماييد. در اين فصل سئوالات ياد شده از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ. بررسي مي شود. اما قبل از آن انرژي و انرژي گرمايي با استفاده از نظريه سي. پي. اچ. توضيح داده مي شود.

فضا-زمان چگونه انرژي توليد مي كند؟

ترموديناميك، انتروپي و نظريه سي. پي. اچ.
ترموديناميك و قوانين آن بخش مهمي از فيزيك را بخود اختصاص داده است. اما اين قوانين در زماني تدوين شد كه هنوز نسبيت و فيزيك كوانتوم ارائه نشده بود و تاكنون نيز تغيير نكرده و تنها تفسر آن كاملتر شده است. اما امروزه با پيشرفت حيرت انگيزي كه در فيزيك مدرن بويژه ذرات بنيادي بوجود آمده، الزاماً قوانين ترموديناميك و نگرش به انتروپي بايد مورد بازبيني مجدد قرار گيرد. از طرف ديگر با ارائه نظريه سي. پي. اچ. توسط حسين جوادي و با توجه به تعريف جديدي كه از انرژي داده شده، لزوم بررسي مجدد قوانين ترموديناميكي را با در نظر گرفتن اصل سي. پي. اچ. و ويژگيهاي آن، احساس مي شود. در اين مقاله سعي شده تا قوانين ترموديناميك از اصل سي. پي. اچ. استخراج شود. از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ. كميتي را كه ما بعنوان انرژي (يا گرما) معرفي مي كنيم، همان ماده است كه با سرعت انتقالي حد c در دستگاه لخت حركت مي كند. اين نگرش، شالوده نظري قوانين ترموديناميك و انتروپي را فراهم آورده و با استفاده از اصل سي. پي. اچ. قوانين ترموديناميك و انتروپي بسادگي قابل اثبات است.
در فصل قبل (فصل 88 : معماهاي فيزيك (http://cph-theory.persiangig.com/ph88-moamafizikcph.htm) و نظريه سي. پي. اچ. (http://cph-theory.persiangig.com/ph88-moamafizikcph.htm)) را نيز ببينيد. اما قبل از تشريح قوانين ترموديناميك از ديدگاه سي. پي. اچ.، لازم است اشاره كوتاهي به چرخه سعدي كارنو داشته باشيم.

كوانتش در نظريه سي. پي. اچ.
كنش بين فوتون و الكترون به فرايندهاي آزمايشگاهي محدود نمي شود، بلكه در تمام پديده هاي معمولي نظير روشنايي لامپ يا اجاق گرفته تا مشاهدات كيهان شناختي نيز قابل توجه است. بنابراين شناخت كنش بين فوتون و الكترون در شناخت ماهيت فيزيكي جهان نقش بسيار مهمي دارد. يونيزه شدن گاز و ايجاد پلاسما و حتي تابش اشعه ايكس توسط اجرام بزرگ، همگي در زمينه ي كنش فوتون و الكترون قابل مطالعه و بررسي است. لازم به يادآوري است كه مطالب اين فصل از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ. مورد بررسي قرار گرفته كه قبلاً از ديدگاه مكانيك كوانتوم در فصل 30: پديده فوتوالكتريك (http://cph-theory.persiangig.com/Ph30-photoelectric.htm) ، فصل 35: انرژي گرمايي مظهر انرژي ها (http://cph-theory.persiangig.com/Ph8-Energy.htm) ، فصل 47 : خواص و رابطه موجي ذرات (http://cph-theory.persiangig.com/ph47-zaratmoj.htm) و فصل 50: كنش فوتون و ماده-اثر كامپتون (http://cph-theory.persiangig.com/ph50-comtoneffect.htm) مطرح شده است. قبلاً ساختمان فوتون در تعريف سي. پي. اچ. و ويژگيهاي آن (http://cph-theory.persiangig.com/ph78-cphdefproper.htm) ، نظريه سي. پي. اچ. و قانون دوم نيوتن (http://cph-theory.persiangig.com/ph79-cph2thnewtonlaw.htm) ، معماهاي فيزيك (http://cph-theory.persiangig.com/ph88-moamafizikcph.htm) و نظريه سي. پي. اچ. (http://cph-theory.persiangig.com/ph88-moamafizikcph.htm) ساختمان فوتون و انرژي گرمايي تشريح شد و در فصل 89: ترموديناميك، انتروپي و نظريه سي. پي. اچ. (http://cph-theory.persiangig.com/ph89-cphthermodynamic.htm) علت تابش اجسام توضيح داده شد.
كنش فوتون و الكترون
در اينجا پديده هاي زير از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ. بررسي مي شود:
1- جذب و تابش فوتون توسط الكترون
2 - يونيزه شدن اتمها و توليد پلاسما بر اثر تابش
3- اثر كامپتون (انتقال بخشي از انرژي فوتون به الكترون).
4- عكس اثر كامپتون (انتقال انرژي الكترون به فوتون)
5- اثر فوتوالكتريك
6- توليد زوج الكترون - پوزيترون و تباهي زوج.
فوتون، سي. پي. اچ. و ويژگيهايش