تاریخچه فیزیک جدید

تاریخچه فیزیک جدیدفیزیک مدرن با دو کشف بزرگ در اوایل قرن بیستم میلادی آغاز شد:مکانیک کوانتومنسبیتآزمایش‌های زیادی در پیشرفت فیزیک مدرن نقش مهمی ایفا کردند. از میان این آزمایش‌ها، برخی از آن‌ها مفهوم عمیق‌تری از ساختار ماده و اتم ارائه دادند. برخی از این آزمایش‌ها را در ادامه به اختصار توضیح می‌دهیم.کشف اشعه ایکسدر سال ۱۸۹۵ میلادی دانشمندی به نام «ویلهلم رپنتگن» (Wilhelm Rontgen) کشف شد. اشعه ایکس نوعی تشعشع غیرقابل‌رویت با قدرت نفوذ بسیار زیاد است.کوانتش انرژیچندین سال پس از کشف اشعه ایکس، در سال ۱۹۰۰ میلادی، فیزیک‌دانی آلمانی به نام ماکس پلانک پیشنهاد داد که انرژی از واحدهای گسسته‌ای به نام کوانتا تشکیل شده است.بیان نظریه نسبیت۵ سال بعد و در سال ۱۹۰۵ میلادی، اینشتین با بیان نظریه نسبیت خاص نشان داد رفتار اجسام در سرعت‌های بالا تغییر می‌کند.مدل اتمی بوردر سال ۱۹۱۳ میلادی، نیلز بور پیشنهاد داد که الکترون‌ها در لایه‌هایی کوانتومی و گسسته به دور هسته اتم حرکت می‌کنند.دوگانگی موج و ذرهدر سال ۱۹۲۴ میلادی، فیزیک‌دانی به نام لوییس دوبروی دوگانگی موج ذره را بیان کرد. او نشان داد هر جسم ماده، از ذرات کوانتومی تا اجسام بزرگ، می‌تواند از خود رفتار موجی نشان دهد.آغاز فیزیک کوانتومدو سال پس از مطرح شدن دوگانگی موج ذره توسط دوبروی، فیزیک کوانتوم متولد شد. این شاخه از فیزیک مدیون فیزیک‌‌دان‌های بسیاری، از جمله هایزنبرگ و شرودینگر، است.بنابراین، فیزیک جدید قادر است جهان میکروسکوپی و حرکت در سرعت‌های بسیار بالا، نزدیک به سرعت نور را بررسی کند.فاجعه فرابنفش و آغاز فیزیک جدیدفیزیک کلاسیک نیوتن و دانشمندان هم‌دوره او برای سال‌ها حاکم بود و پدیده‌های مختلف فیزیکی را به خوبی توضیح می‌داد. سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که فیزیک کلاسیک چه پدیده‌هایی را نتوانست توضیح دهد. چه رخدادهایی محدودیت فیزیک کلاسیک را آشکار کرد؟ نخستین پدیده‌ای که محدودیت فیزیک کلاسیک و لزوم وجود معادلاتی فراتر از معادلات فیزیک کلاسیک را نشان داد، چه بود؟ در سال ۱۹۰۱ میلادی دانشمندی به نام «ماکس پلانک» (Max Planck) پرسشی مهم به نام فاجعه فرابنفش را حل کرد. شاید از خود بپرسید فاجعه فرابنفش چیست. در ادامه، این پدیده را توضیح می‌دهیم.ماکس پلانکبرخی اجسام، جسم سیاه نامیده می‌شوند. جسم سیاه به جسمی گفته می‌شود که امواج الکترومغناطیسی را در تمام طول موج‌ها تشعشع می‌کند. به عنوان مثال، خورشید را جسم سیاه در نظر می‌گیریم. توزیعِ طول موج نور دریافتی از خورشید در تصویر زیر نشان داده شده است. همان‌طور که در تصویر زیر دیده می‌شود، بیشتر نور دریافتی از خورشید در ناحیه مرئی طیف قرار دارد. علاوه بر نور مرئی، امواج فرابنفش و فروسرخ نیز توسط خورشید تابیده می‌شوند. آیا تاکنون به کارگاه‌های آهنگری رفته‌اید. در آنجا فلزات در دمای بسیار بالایی گداخته و به رنگ قرمز یا زرد دیده می‌شند.طیف دریافتی از نور خورشیدفلز بسیار داغ نیز نوعی جسم سیاه است. به این نکته توجه داشته باشید که طیف جسم سیاه به نوع ماده بستگی ندارد، بلکه تنها به دما وابسته است. طیف تابشی جسم سیاه در دماهای مختلف در تصویر زیر نشان داده شده است. همان‌طور که در این تصویر مشاهده می‌کنید شدت تابش در طول موج مشخصی به نام [Math Processing Error] نیز به سمت طول موج‌های کوتاه‌تر پیش می‌رود. در دمایی در حدود ۵۰۰۰ کلوین به سمت طول موج‌های مرئی می‌رود. به همین دلیل، اجسام بسیار داغ می‌درخشند. اجسام در این دما، نور مرئی زیادی تابش می‌کنند.دمای بدن انسان در حدود ۳۱۰ کلوین است. از این‌رو، انسان‌ها هیچ نور مرئی تابش نمی‌کنند. به همین‌ دلیل در اتاق تاریک نمی‌توانیم افراد حاضر در اتاق را ببینیم. الکترومغناطیس کلاسیک نتوانست تابش جسم سیاه و توزیع آن را توضیح دهد. مدل‌های ریاضی نوشته شده برای توصیف توزیع جسم سیاه توانستند طیف تابشی را در طول موج‌های بلند ایجاد کنند. اما این مدل‌ها نتوانستند افت شدت تابش در طول موج‌های کوتاه، ناحیه فرابنفش، را توضیح دهند. به جای آن، مدل‌های ریاضی به‌دست آمده برای توصیف تابش جسم سیاه پیش‌بینی کردند که شدت تابش با کاهش طول موج افزایش می‌یابد. شدت تابش با کاهش طول موج افزایش و با صفر شدن طول موج، بی‌نهایت می‌شود.فاجعه فرابنفشامروزه می‌دانیم این پیش‌بینی صحیح نیست. در غیر این صورت اگر از فِر استفاده کنیم باید منتظر انفجار در طول موج‌های در محدوده فرابنفش باشیم. در علم، اگر نظریه‌ای با مشاهدات تجربی هم‌خوانی نداشته باشد، باید تصحیح یا دور انداخته شود. الکترومغناطیس کلاسیک نتوانست طیف تابشی توسط جسم سیاه را به خوبی پیش‌بینی کند. بنابراین، فیزیک‌دان‌ها به این نتیجه رسیدند که این شاخه از فیزیک کلاسیک کامل نیست. به بیان دیگر، الکترومغناطیس کلاسیک نمی‌توانست انرژی و نور را کامل توصیف کند. همان‌طور که گفتیم ماکس پلانک این مشکل را حل کرد.او این مشکل را با معرفی مفهومی به نام «کوانتش» (Quantization) حل کرد. از فیزیک کلاسیک می‌دانیم که گرما انتقال انرژی جنبشی از مکانی به مکان دیگر است. قطعه‌ فلزی بسیار داغ را در نظر بگیرید. در این فلز، انرژی جنبشی به شکل ارتعاشات اتمی ظاهر می‌شود. این ارتعاشات نور تابیده شده توسط جسم سیاه را ایجاد می‌کنند. پلانک برای حل فاجعه فرابنفش پیشنهاد داد که انرژی ارتعاشات این اتم‌ها با انرژی الکترومغناطیسی تابیده شده توسط این اتم‌ها باید کوانتومی یا گسسته باشند. در واقع، به جای داشتن هر مقداری در سری، تنها می‌توانیم مقادیری گسسته و مشخص را داشته باشیم. در نتیجه، پلانک رابطه زیر را برای تابش جسم سیاه پیشنهاد داد: است. مقدار n سبب کوانتیزه شدن انرژی تابشی می‌شود. به این نکته توجه داشته باشید که n تنها می‌تواند اعداد صحیح و مثبت را بپذیرد و از پذیرش عدد اعشاری یا کسری امتناع می‌کند. این بدان معنا است که انرژی، تنها می‌تواند مقادیر مشخصی داشته باشد و هر مقداری مابین این مقادیر مجاز، ممنوع است. کوانتش انرژی و ثابت پلانک به خوبی توانستند طیف تابشی جسم سیاه در تمام طول موج‌ها را توصیف کنند.ثابت پلانک، تنها یک عدد ریاضی نیست، بلکه بنیادی‌ترین مفاهیم فیزیکی را با استفاده از آن می‌توان توضیح داد. از آنجا که ثابت پلانک بسیار کوچک است، کوانتش انرژی کشف نشده بود. کوچک بودن ثابت پلانک بدان معنا است که انرژی در مقیاسی بسیار کوچک، گسسته است، به گونه‌ای که درجه‌بندی بین مقادیر مجاز توسط دستگاه‌های اندازه‌گیری قابل شناسایی نیست. انرژی در مقیاس ماکروسکوپی پیوسته، اما در مقیاس اتمی و بسیار کوچک، کوانتیزه است. این نخستین زمانی بود که کوانتش چنین مشکل بزرگی در فیزیک را حل کرد.حل مشکل فاجعه فرابنفش توسط پلانک آغاز راه فیزیک مدرن بود. فیزیک جدید جهش بزرگی در علم بود و نگاه انسان به جهان را تغییر داد. گرچه پلانک یکی از مشکلات فیزیک را حل کرد، مشکلات دیگری در ادامه به وجود آمدند. چرا انرژی کوانتیزه است. کوانتش انرژی آغاز انقلابی در فیزیک و به وجود آمدن شاخه‌ای در فیزیک به نام فیزیک کوانتوم بود. در بخش‌های بعد ادامه راه فیزیک جدید را توضیح می‌دهیم.