فیزیک
پیشینه > فیزیک مدرن

همان‌طور که اشاره شد در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم بود که پدیده‌هایی توسط برخی از فیزیک‌دانان مشاهده شد که با علم فیزیک آن زمان قابل توضیح نبود یا اگر توضیحی ارائه می‌شد، در آن تناقض‌هایی وجود داشت. یا حتی در برخی پدیده‌ها نتایج قابل انتظار مکانیک کلاسیک با نتایج حاصله خطای فاحشی داشت. در این زمان بود که فیزیک‌دانان تقریباً به دو دسته تقسیم شدند.
دسته‌ای سردمدار پایه‌گذاری فیزیکی جدید، که در آن اشکالات و کاستی‌های فیزیک کلاسیک جبران شده باشد، بودند و دسته‌ای سر سرسختانه در مقابل هر گونه تغییر مقاومت می‌کردند و می‌کوشیدند که پدیده‌های جدید را با همان فیزیک کلاسیک (یا نیوتنی) توضیح دهند.
سرانجام ماکس پلانک بر پایه تلاش‌های دانشمندان قبل از خود همچون رابرت هوک، کریستیان هویگنس، توماس یانگ و لئونارد اویلر توانست نظریه مکانیک کوانتومی را ارائه دهد و همین‌طور آلبرت اینشتین توانست نظریهٔ نسبیت را ارائه و با موفقیت از آن دفاع کند. هر دوی این نظریه‌ها به علت نداشتن دقت کافی نتایج در فیزیک کلاسیک در بعضی موقعیت‌های خاص بود. فیزیک کلاسیک پیش‌بینی کرده بود سرعت نور به حرکت بیننده بستگی دارد این درحالیست که طبق معادلات ماکسول در رابطه با الکترومغناطیس، سرعت نور ثابت پیش‌بینی شده بود. این ناهماهنگی توسط نظریه نسبیت خاص انیشتین اصلاح شد که این نظریه با نظر مکانیک کلاسیک برای اجسام با سرعت زیاد جایگزین شده و درنتیجه درستی سرعت ثابت نور طبق معادلات ماکسول را ممکن ساخت. یک پدیده دیگری که برای فیزیک کلاسیک مشکل ایجاد کرد، پدیده تابش جسم سیاه بود، که توسط ماکس پلانک اصلاح شد. در اواخر قرن نوزدهم، فیزیکدانان مشاهده کردند که تابش (تشعشعات) ساطع شده از یک جسم سیاه یا همان «تابش جسم سیاه» با پیش‌بینی‌های فیزیک کلاسیک مطابقت ندارد. (یک جسم ایده‌آل را فرض کنید که تمام تشعشعات (امواج الکترومغناطیسی) تابیده شده به خود را جذب می‌کند و هیچ بازتابی از خود ساطع نمی‌کند. برای ناظر، این جسم سیاه ویا تاریک به نظر می‌رسد. (زیرا اساس دیدن وجود بازتابی از شی است) به همین علت آن را «جسم سیاه» می‌نامیم. حال اگر این جسم را داغ کنیم، مشاهده می‌شود این جسم، شروع به انتشار تابش در تمام فرکانس‌ها (بسامدها) در یک طیف پیوسته مشخص می‌کند. این بدان معناست که تابش ساطع شده از جسم سیاه حاوی انرژی در هر بسماد ممکن، از کمترین تا بالاترین است. طیف پیوسته تابش جسم سیاه با دمای آن مشخص می‌شود. با افزایش دمای جسم سیاه، شدت تابش در همه فرکانس‌ها افزایش می‌یابد و اوج این طیف به فرکانس‌های بالاتر منتقل می‌شود. توزیع تابش ساطع شده از منحنی خاصی به نام منحنی تابش پلانک پیروی می‌کند که اولین بار توسط ماکس پلانک در سال ۱۹۰۰ استخراج شد. این رابطه استخراج شده بین دما و طیف تابش ساطع شده از یک جسم سیاه به عنوان قانون تابش پلانک شناخته می‌شود) به‌طور دقیق تر می‌توان گفت، فیزیک کلاسیک پیش‌بینی کرد که با افزایش بسامد (فرکانس) تابش، شدت تابش بدون محدودیت افزایش می‌یابد. با این حال، داده‌های تجربی نشان داد که شدت تابش در یک بسامد مشخص دارای حداکثر مقدار بوده و سپس در بسامدهای بالاتر کاهش می‌یابد. برای توضیح این پدیده، ماکس پلانک پیشنهاد کرد که انرژی تابش کوانتیزه شده است، به این معنی که آن انرژی را فقط می‌توان در بسته‌های مجزا به نام «کوانتا» (فیزیکدانان امروزی، «کوانتا» را فوتون نام نهادند) گسیل یا جذب کرد. پلانک همچنین پیشنهاد کرد که این تشعشعات توسط سیستم‌هایی با ارتعاشی میکروسکوپی درون جسم سیاه منتشر می‌شود که او آن‌ها را «نوسان‌گرهای ماده» نامید. طبق فرضیه پلانک، او پیشنهاد کرد که انرژی این نوسانگرها متناسب با بسامد آنهاست و این انرژی تنها می‌تواند در مضرب‌های صحیح یک واحد انرژی که او آن را «کوانتوم» نامید، گسیل یا جذب شود. این ایده راه حلی برای توضیح رفتار مشاهده شده از تابش جسم سیاه ارائه کرد و یک پیشرفت بزرگ در توسعه مکانیک کوانتومی بود. این نظریه، همراه با اثر فوتوالکتریک و نظریه مدل اتمی که گسستگی ترازهای انرژی در اوربیتال‌های اتمی را پیش‌بینی می‌کرد منجر به ایجاد تئوری مکانیک کوانتمی شد که در آن زمان به‌صورت بسیار کوچک و آرامی بر فیزیک کلاسیک در حال توسعه و رشد پیدا کردن بود.
در همین سال‌ها بود که فیزیک‌دانان پذیرفتند، با وجود اینکه فیزیک کلاسیک در حوزه مورد بحث خود (که عموماً پدیده‌هایی آزمایش پذیر بودند) خالی از هرگونه خطا است، اما نیاز به ایجاد شاخه‌ای جدید در علم فیزیک با نام فیزیک نوین است. پس از آلبرت اینشتین، تئوری مکانیک کوانتومی و همچنین فیزیک اتمی با تلاش دانشمندان بزرگی چون ورنر کارل هایزنبرگ، آروین شرودینگر، ولفگانگ پائولی و پل دیراک هر روز کامل تر شد، از تلاش‌های اولیه و کارهای مرتبط این دانشمندان، مدل استاندارد فیزیک ذرات مشتق شد. پس از کشف یک ذره با ویژگی‌های سازگار با بوزون هیگز در سرن در سال ۲۰۱۲، به نظر می‌رسد که تمامی ذرات بنیادی پیش‌بینی شده توسط مدل استاندارد کشف شدند و هیچ ذرهٔ دیگری وجود ندارد، با این حال، فیزیک فراتر از مدل استاندارد با نظریه‌هایی مانند فراسنجی یک حوزه فعال در زمینهٔ تحقیقات است. برای این حوزه، زمینه‌هایی از ریاضیات نیز مانند مطالعه میدان‌های احتمالاتی ویا نظریه گروه‌ها مهم هستند. این تکامل روزافزون علم فیزیک، تا به امروز در ده‌ها گرایش و شاخه ادامه دارد.
نکته مهمی که باید توجه شود این است با اینکه فیزیک نوین درک و نگاه جدیدی از فیزیک به نمایش گذاشته است ممکن است برای بعضی دیدگاهی به وجود آید که بعضی نظریه‌های فیزیک کلاسیک همچون گرانش از دیدگاه نیوتن غلط هستند، اما این دیدگاه غیرقابل قبول است. با اینکه که بعضی نظریه‌های فیزیک کلاسیک توسط نظریه‌های مدرن‌تری مانند نسبیت و مکانیک کوانتومی جایگزین شده است، اما هنوز یک تقریب بسیار دقیق و مفید برای تقریباً تمامی پدیده‌های روزمره ارائه می‌کند و همچنان برای موقعیت‌های مختلف و کاربردهای مختلف آن‌ها در دیگر علوم همچون مهندسی و مکانیک استفاده می‌شوند و نتایج دقیقی به‌دست می‌آورند. از طرفی دیگر استفاده از فیزیک مدرن برای پیش‌بینی پدیده‌های فیزیکی زندگی روزمره تقریباً غیرممکن است. فیزیک مدرن زمینه‌های خاص مورد مطالعه خود را در مقیاس‌های اندازه ای یا جرمی بسیار کوچک یا بسیار بزرگ دارد، پس در نتیجه می‌توان بیان داشت با اینکه فیزیک کلاسیک دیگر پیشرفته‌ترین نظریه فیزیک نیست، ولی در بسیاری از موقعیت‌ها نتیجه درستی و دقیقی ارائه می‌دهد و اصول آن هنوز در بسیاری از نظریه‌های مدرن صادق است. به همین خاطر است فیزیکدانان هنوز هم نظریه‌هایی که در فیزیک کلاسیک به عنوان «قانون» (گزاره‌های اساسی که رفتار سیستم‌های فیزیکی را توصیف می‌کنند، این قوانین جهانی هستند و در همه سیستم‌های فیزیکی کاربرد دارند مانند قوانین حرکت نیوتون) شناخته شده‌اند را همچنان قانون می‌دانند اگرچه اکنون عدم پاسخ آن‌ها با فرضیه‌های جدید اثبات شده است.