مطالعۀ فیزیک، مطالعه دنیا و به طور اخص مطالعه چگونگی کارکرد دنیا هست. این بدون شک جالب ترین شاخه علم هست، چون دنیا بسیار پیچیده تر از آن چیزیست که به نظر می رسد. دنیا از بعضی لحاظ بسیار عجیب و غریب کار می کند، هر چند جهت درک کامل آن نیاز به دکترا دارید، کافی است کمی احساس وحشت داشته باشید تا به هیبت آن پی ببرید. ما در اینجا ده عدد از شگفت انگیزترین چیزهایی که فیزیکدانان راجع به دنیا کشف کرده اند را به شما معرفی می کنیم، با ما همراه باشید:

۱۰- توقف وقت در سرعت نور

آشنایی با اکتشافات حیرت انگیز علم فیزیک

بر اساس نظریه نسبیت خاص، سرعت نور، هرگز عوض کردن نمی کند و بدون توجه به موقعیت و سرعت فرد مشاهده گر هر لحظه در حدود ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه باقی می ماند. این به خودی خود به اندازه کافی عجیب هست، ولی بخش جالب تر نظریه نسبیت خاص، ایده ای به نام اتساع وقت هست، که می گوید هر چه سریعتر بروید وقت جهت شما نسبت به محیط اطرافتان کندتر می گذرد. به بیان راحت تر، اگر شما یک ساعت از وقتتان را درون ماشین خود در حال حرکت بوده باشید، نسبت به موقعی که این وقت را در منزل روبروی کامپیوترتان می نشستید، وقت برایتان کمی کمتر می گذرد.

این وقت احتمالا حدود چند نانو ثانیه می شود، اگرچه مقدار ناچیزی نسبت به هزینه ای است که جهت بنزین پرداخت کرده اید ولی به هر حال این یکی از توانایی هایی است که شما راجع به سریع حرکت کردن نادیده می گیرید. البته وقت به طور محسوس در سرعت های بالا کُند می شود، به طوری که اگر به سرعت نور برسیم، وقت به طور کامل از حرکت می ایستد. ولی مسئله اینجاست که رسیدن به سرعت نور از نظر تئوری غیرممکن هست، مگر اینکه شما از نور ساخته شده است باشید. به بیان فنی هر جرم دیگری به جز نور جهت حرکت با این سرعت به انرژی بی نهایت نیاز دارد.

مطالعه | مشاهده | انرژی | آزمایش | نوآوری و کشفیات علمی

بر اساس نظریه نسبیت خاص، سرعت نور، هرگز عوض کردن نمی کند

۹- در هم تنیدگی کوانتومی

بسیار خب، بعد ما باید بپذیریم هیچ چیزی سریع تر از سرعت نور حرکت نخواهد کرد، درست است؟ خب، هم بله هم خیر. حداقل از نظر تئوری یک راه گریز وجود دارد که در حیطه مکانیک کوانتومی هست. مکانیک کوانتوم در اصل مطالعه فیزیک است در مقیاس میکروسکوپی، مانند واکنش‌ها ذرات زیر اتمی. این نوع از ذرات به حد غیر قابل باوری کوچک هستند ولی بسیار اهمیت دارند، چون بلوک های ساختمان همه چیز در دنیا را تشکیل می دهند. از بیان شرح فنی این نظریه صرف نظر می کنیم (چون توضیح آن بسیار پیچیده است).

آشنایی با اکتشافات حیرت انگیز علم فیزیک

الکترون ها را به صورت تیله های در حال چرخش با بار الکتریکی تصور کنید. در هم تنیدگی کوانتومی به این معنی است که این تیله ها طوری با یکدیگر جفت شوند که جهت هر لحظه جهت چرخش و بار الکتریکی مشابهی داشته باشند. از این به بعد همه چیز عجیب و غریب می شود، لیکن بعد از در هم تنیدگی واکنش‌ها این الکترون ها هر لحظه یکسان باقی خواهند ماند. به این معنی که اگر تغییری در جهت چرخش یکی صورت پذیرد دیگری نیز در چرخشش در جهت دیگر عوض کردن می کند، و این عوض کردن به صورت آنی خواهد بود. در نتیجه به کمک این پدیده می توان اطلاعات را (که در اینجا باجهت چرخش الکترون مشخص می شود) از نقطه ای به نقطه ی دیگری از دنیا فرای فاصلۀ آنها بصورت آنی انتقال یافته کرد.

مکانیک کوانتوم در اصل مطالعه فیزیک است در مقیاس میکروسکوپی، مانند واکنش‌ها ذرات زیر اتمی

مطالعه | مشاهده | انرژی | آزمایش | نوآوری و کشفیات علمی

۸- نور از گرانش تاثیر می پذیرد

حال بیایید به نور برگردیم و به بحث راجع به نظریه نسبیت عام (که آن هم از آلبرت اینشتین است) بپردازیم. این بار از ایده ای صحبت می کنیم که به آن انحراف نور می گویند که توضیح می دهد مسیر نور در حضور گرانش نمی تواند به طور کامل مستقیم باشد. این ایدۀ عجیب بارها و بارها اثبات شده است هست. معنی آن این است که حتی با وجود اینکه نور هیچ جرمی ندارد(یا حداقل خیلی خیلی اندک است)، مسیر آن به سمت اجرامی مانند خورشید منحرف می شود.

آشنایی با اکتشافات حیرت انگیز علم فیزیک

بنابراین اگر پرتوی نوری که از یک ستاره تابیده شده است است در مسیر خود به اندازه کافی به سطح خورشید نزدیک شود کمی به سمت آن خم می شود. اثر آن بر روی یک ناظر زمینی مانند ما، این است که ستاره را در نقطه ای متفاوت در آسمان می بینیم. (مشابه این قضیه هنگامی که اتفاق می افتد که ماهی را در دریا می بینیم، در واقع بر اثر تفاوت ضریب شکست نور در آب نسبت به هوا موقعیت ماهی هر لحظه با آنچه در آب می بینیم متفاوت است.)

مسیر نور در حضور گرانش نمی تواند به طور کامل مستقیم باشد

۷- ماده تاریک

فیزیکدان ها به کمک بعضی روش های بسیار دقیق به تخمین جرم کل دنیا دست می زنند. آنها همچنین با روش های بسیار دقیقی جرم کل موادی که قابل مشاهده هستند را نیز محاسبه می کنند، ولی چیزی که عجیب، این است که این دو عدد با یکدیگر تطابق ندارند. در واقع میزان جرم کل دنیا با مقدار جرمی که از تمام مواد مورد مشاهده محاسبه شده، متفاوت است.

فیزیکدان ها جهت توجیه این قضیه مجبور شدند به تئوری هایی در این زمینه روی آورند که بر اساس آن ماده تاریک اسرارآمیزی در دنیا وجود دارد که هیچ نوری ساطع نمی کند و حدود ۲۷ درصد دنیا را تشکیل داده است که از روی اثرات گرانشی می توان به وجود تاثیراتش پی برد. این در حالی است که وجود این ماده هنوز به طور رسمی اثبات نشده است (چون ما نمی توانیم آن را ببینیم) ماده تاریک تنها به وسیله تعداد زیادی از مدارک و شواهد جهت توضیح دنیا مورد پذیرش واقع شده است است.

میزان جرم کل دنیا با مقدار جرمی که از تمام مواد مورد مشاهده محاسبه شده، متفاوت است

۶- دنیا ما به شدت در حال انبساط است

در اینجا قصد داریم قبل از توضیح اینکه آیا دنیا در حال انبساط است به توضیح نظریه بیگ بنگ بپردازیم. در واقع بیگ بنگ تئوری قبل از اینکه یک سریال تلویزیونی باشد یک نظریۀ مهم جهت توضیح منشا دنیا بود. راحت ترین توضیح آن این است که دنیا با بیگ بنگ شروع شده است هست. و بقایای این مناسبت (سیارات، ستارگان و غیره) به همراه انرژی بسیار فراوانی در اطراف دنیا پراکنده شدند. ولی انتظار بر این است که بعد از مدتی از این مناسبت عظیم سرعت مواد کم شده است و باز ایستند. ولی این اتفاق هنوز رخ نداده است.

در واقع دنیا همچنان در حال گسترش و انبساط است و نه تنها سرعت آن کمتر نشده بلکه در طول وقت بر سرعتش نیز افزوده شده است هست. تنها راه جهت توضیح این موضوع، این است که انرژی تاریک نیرو محرکه ی این شتاب کیهانی را تامین می کند. حال اینکه انرژی تاریک چیست و چه شاخصه هایی دارد توصیه عجیب و شگفت انگیز دیگری از علم فیزیک است…

جهان همچنان در حال گسترش و انبساط است

۵- تمام مواد در واقع انرژی هستند

این یک واقعیت است که ماده و انرژی دو روی یک سکه هستند. احتمالا تاکنون با فرمول E=mc^2 آشنا شده است اید، این فرمول در واقع میزان ماده و انرژی تولید شده است در صورت تبدیل به یکدیگر را مشخص می کند، که در آن m جرم، E انرژی و c سرعت نور را نشان می دهد. توضیح این پدیده واقعا جالب هست، اینکه جرم یک جسم هنگامی که سرعتش تا حد سرعت نور زیاد کردن می یابد زیاد می شود.

با این وجود این نظریه بسیار پیچیده است و توضیح کامل آن ما را از نشانه مهم این مقاله دور می کند. جهت اثبات این عنوان (متاسفانه) باید بمب های اتمی را مثال بزنیم که مقدار بسیار کمی ماده مقادیر بسیار عظیمی از انرژی را آزاد می کنند.

این یک واقعیت است که ماده و انرژی دو روی یک سکه هستند

۴- دو گانگی موج و ذره

در نگاه اول، ذرات (مثلا الکترون) و امواج (مثلا نور) نمی توانند به شکل دیگری وجود داشته باشند. یکی تکه ای جامد از ماده است و دیگری پرتوی تابش از انرژی هست. ولی آنطور که معلوم هست، چیزهایی مانند نور و الکترون نمی توانند فقط به یک حالت محدود شوند و آنها هم به صورت ذره و هم به صورت موج عمل می کنند، و این بستگی به این دارد که چگونه مشاهده شوند.

این شاید مسخره به نظر آید، ولی شواهد محکمی وجود دارد که ثابت می کند نور موجی است و شواهد محکم دیگری نیز وجود دارد که ثابت می کند نور ذره هست. در اصل نور هر دو حالت را دارا می باشد، نه حالتی مابین این دو. ذهن ما از تجسم این عنوان عاجز است و تعجبی هم ندارد چون این پدیده در قلمرو مکانیک کوانتومی حس می شود نه در سطح دنیا بزرگ مقیاس.

نور و الکترون نمی توانند فقط به یک حالت محدود شوند

۳- همه اجسام با یک سرعت سقوط می کنند

پس از سیری در پیچیده ترین مفاهیم فیزیک مدرن بد نیست به فیزیک کلاسیک نیز گریزی بزنیم. در فیزیک کلاسیک نیز مفاهیم بسیار جالبی وجود دارند. احتمالا این تصور جهت شما هم وجود دارد که اجسام سنگین تر نسبت به اجسام سبک تر سریع تر به سمت زمین می رسند. و این درست هست، ولی هیچ ربطی به گرانش ندارد، بلکه این پدیده تنها به علت مقاومت هوا رخ می دهد.

اولین بار گالیله حدود ۴۰۰ سال پیش متوجه این عنوان شد. بر اساس این قانون اگر شما یک توپ، یک قلم، و یک دفترچه یادداشت را به طور هم وقت بر روی ماه رها کنید، دقیقا در یک لحظه به سطح ِ ماه می رسند. فضانوردان در یکی از ماموریت های آپولو روی ماه این آزمایش را با یک چکش و پر انجام دادند.

اجسام سنگین تر نسبت به اجسام سبک تر سریع تر به سمت زمین می رسند

۲- کف کوانتومی

بسیار خب، به پدیده های بسیار عجیب و غریب بر می گردیم. ما معمولا تصوری که از فضای خالی داریم، یک ناحیه کاملا خالی هست. ولی به آن سادگی هم که فکر می کنیم نیست، در واقع درون فضای خالی هم نا آرامی های شدیدی جریان دارد و ذرات به طور مداوم در همه جا می آیند و می روند. آنها، ذرات مجازی پر انرژی هستند، ولی مجازی بودنشان به معنی غیر واقعی بودنشان نیست آنها حقیقی و و وجودشان اثبات شده است است.

آنها در کسری از ثانیه بعضی از قوانین بنیادی فیزیک را در هم می شکنند و به سرعت به حالت قبل بر می گردند و این کار را آنقدر سریع انجام می دهند که ما آن را حس نمی کنیم. مثل اینکه شما چیزی را از فروشگاهی به دزدی ببرید و طوری که کسی متوجه نشود در کمتر از نیم ثانیه آن را به جایش برگردانید.

درون فضای خالی هم نا آرامی های شدیدی جریان دارد

۱- آزمایش دو شکاف

موضوعی که چند سطر پیش توضیح دادیم را به خاطر بیاورید، آنجا که گفتیم همۀ چیزها در آن واحد هم خاصیت موجی دارند هم ذره ای. خب احتمالا این عنوان را به دقت و صراحت قبول کردید، ولی به شکل تجربی هم می توانید آن را بپذیرید؟ به عنوان نمونه سیبی که در دست گرفته اید را می توانید به صورت موجی تصور کنید؟ ما چطور می توانیم مطمئن باشیم که چیزها قطعا موجی یا ذره ای هستند؟ آزمایش دو شکاف احتمالا شگفت انگیزترین چیزی است که تاکنون راجع به آن شنیده اید. در این آزمایش پرتو نور از بین دو شکاف عبور کرده و به روی پرده تابانده می شود، نورهایی که از این دو شکاف می گذرند با هم تداخل می کنند و یک الگوی تداخلی (نوارهای تاریک و روشن) می سازند این با ماهیت جمع شدنی ذرات نور قابل توضیح نیست. در عوض هنگامی که روی پرده را با آشکارسنج بررسی می کنیم، می بینیم که نور به شکل ذره (فوتون) جذب شده است است.

در واقع الگوی تداخلی هنگامی که آشکار می شود که نور از طریق هر دو شکاف به طور همزمان عبور کند در صورتی که بخواهیم با ابزاری بسیار دقیق بررسی کنیم که هر فوتون دقیقا از کدام شکاف عبور می کند الگوی تداخلی از بین می رود و ماهیت ذره ای نور آشکار می گردد. به این پدیده اثر مشاهده گر گفته می شود. در آخر ذکر این توصیه مهم به نظر می رسد که بخش هایی از آزمایش دو شکاف وجود دارند که از آنچه در اینجا توضیح داده شدند عجیب تر هستند و ما شما را تشویق می کنیم که به مطالعه بیشتری در این باره بپردازید، البته اگر آمادگی دارید تا تمام روز خودتان را صرف غرق شدن در مفاهیم کوانتومی کنید.

وقتی روی پرده را با آشکارسنج بررسی می کنیم، می بینیم که نور به شکل ذره جذب شده است است

ترجمه: امین میرزایی

منبع: bigbangpage.com – listverse.com

واژه های کلیدی: مطالعه | مشاهده | انرژی | آزمایش | نوآوری و کشفیات علمی