کلاس آنلاین ریاضی، فیزیک و کامپیوتر - پهلوان 0935.143.9427

فیزتک

فیزیک و تکنولوژی

ابراهیم پهلوان ۱۲ ارديبهشت ۸۴ ، ۰۲:۳۵ ۰ نظر بازديد: ۹۷

مقدمه:

تا آنجا که به خاطر می آورم، حتی از دوران کودکی، با دیدن قارچ بمب اتمی، قیافه ی پیر و موهای ژولیده ی اینشتین و چند حرف کوچک و بزرگ لاتین که معمولاً زیر عکس او چاپ می شود، برایم تداعی می گردید.

همیشه می خواستم بدانم که این حروف لاتین که یک علامت تساوی در میان آنها به چشم می خورد یعنی چه؟ آیا اسم کسی است؟ نام مکانی است؟ و یا اینکه یعنی هیروشیما و ناکازاکی؟ آن موقع نفهمیدم! ولی ...

وقتی به دبیرستان رفتم فهمیدم که این را می گویند معادله! معادله یعنی چیزی که دو طرف آن با یکدیگر برابر هستند و یا یک مفهومی در همین مایه ها!!؟

- بالاخره فهیمدم که این را می گویند معادله نسبیت و من چون از بچگی این معادله را با قارچ بمب اتمی دیده بودم دیگر خیال کردم که این معادله ساختن بمب اتمی است. همان بمبی که هزاران آدم بی گناه را به خاک و خون کشید! در دلم تمامی دانشمندانی را که باعث چنین فاجعه ای شدند لعنت کردم! ولی بعداً که کمی کتاب خواندم و مطالعه کردم فهمیدم که: نه بابا ... به اینشتین چه؟ بیچاره مقصر نبوده! همه اش زیر سر نان به نرخ روز خورها بوده است. در عصر حجر با سنگ چخماق و گرز توی سر هم می زدند، فلز که کشف شد با شمشیر به جان هم افتادند!، باروت که به میدان آمد، دیگر چشمتان روز بد نبیند! هر روز یک نوع تفنگ و بمب و مسلسل و نارنجک و ... ساختند! و خلاصه: ( نو که اومد به بازار کهنه میشه دل آزار).

این بار نوبت بمب اتمی بود؛ معادلات نشان میدادند که می توان از اتم انرژی هنگفتی بیرون کشید. برای همین آقایان سیاستمدار هوس داشتن یک بمب کوچولوی مامانی از این نوع کردند! دیگر طیاره و بمب معمولی و تفنگ مشکل پسندان سیاست را راضی نمی کرد. برای همین با کمک عده ای از دانشمندان این نوع بمب را درست کردند و کوبیدند تو سر مردم بیچاره ژاپن! که چی؟ که آن آقایی که سبیل مگسی داشت و یک صلیب هم روی بازویش بود و اطرافیانش مدام هایل، هایل می کردند، اول استفاده نکند! آخر این هم شد بهانه! ...

خلاصه فهمیدم که اگر می خواهم از این معادله سر در بیاورم باید فیزیک بخوانم! من هم شروع کردم و فیزیک دبیرستان را خواندم اما چیزی دستگیرم نشد تا سال سوم دبیرستان که در آخر کتاب فیزیک بخشی را دیدم با متنی بسیار مبهم و خسته کننده که مربوط به نسبیت و این جور چیزها بود! خدا خدا می کردم که زودتر آخر ترم برسد و استاد ارجمند فیزیک آن را تدریس کند ولی آخر سال شد و بخشنامه آمد که بخش نسبیت از برنامه ی تدریس حذف شده! در دم بچه ها هورا کشیدند، گویی که دنیا را به آنها داده بودند؛ آن روز من خسته و ناراحت به خانه برگشتم ولی بلافاصله شروع به پیدا کردن منابعی کردم که اطلاعات کلی در این زمینه به من بدهد. کتابهای  زیادی پیدا کردم ولی گویی به زبان دیگری بودند! هر چقدر بیشتر می خواندم کمتر متوجه می شدم و این به دلیل بسیار تخصصی بودن و ندشتن تجربه کافی من که خواننده آن بودم، بود! به همین دلیل بعد از آشنایی تصمیم گرفتم آنچه را یاد گرفتم با زبانی ساده و با متنی که خسته کننده نباشد برای علاقه مندان به نسبیت توضیح دهم!

*        *        *

هنگامی که جناب نیوتن معادلات حرکت را فرمول بندی کرد و مفهوم حرکت و سکون را مطرح کرد همواره این سوال مطرح بود که حرکت و سکون نسبت به چی؟ به کجا؟ جناب نیوتن هم دست به دامان فلاسفه یونان باستان شد، بادی به گلو انداخت و گفت: نسبت به اِثیر(ether) ! توضیح اینکه یونانیان باستان معتقد بودند که در فضای خارج از عالم زمینی تا چشم کار می کند چیزی وجود دارد که آنرا اِثیر نامیدند و این اِثیر ثابت انگاشته می شد!

به همین خاطر آقای نیوتن دست به دامان این به اصطلاح پولتیک شد و گفت: حرکت و سکون را نسبت به اِثیر در نظر می گیریم! یعنی چارچوب مرجعی که مبنای آن اِثیر باشد. اِثیر ثابت است و همه چیز نسبت به آن ثابت است یا متحرک! والسلام ...

قرنی گذشت و قرنی هم پس از آن تا ... روزی جناب آقای آلبرت مایکلسن با خودش گفت: چه بهتر اینکه ما ثابت بودن اِثیر را امتحان کنیم و حرکت و ثبات را نسبت به اِثیر بررسی کنیم!

این جناب مایکلسن مصمم شد تا این واقعیت را امتحان کند! با خودش فکر کرد خب اگر زمین در اِثیر در حال حرکت باشد. بالاخره این حرکت باید در یک امتداد خاصی انجام شود! خلاصه آقای مایکلسن بساط آزمایشش را پهن کرد. یک موقع فکر نکنید منظورم از بساط همان شهر فرنگ خودمان است! نه! ولی چیزی بود که سرنوشت ما را کمی تکان داد طوری که با سر به زمین خوردیم و تا چند وقت گیج بودیم!

 آقای مایکلسن طرح آزمایشی را ریخت. در این آزمایش از این اصل استفاده شده بود که اگر زمین در اِثیری حرکت کند، یک دسته نور که در امتداد حرکت زمین فرستاده و منعکس شود مسافتی کوتاهتر طی می کند تا شعاعی که در امتداد عمود بر حرکت زمین فرستاده و منعکس گردد!

 

 

 

 

مقدمه:

تا آنجا که به خاطر می آورم، حتی از دوران کودکی، با دیدن قارچ بمب اتمی، قیافه ی پیر و موهای ژولیده ی اینشتین و چند حرف کوچک و بزرگ لاتین که معمولاً زیر عکس او چاپ می شود، برایم تداعی می گردید.

همیشه می خواستم بدانم که این حروف لاتین که یک علامت تساوی در میان آنها به چشم می خورد یعنی چه؟ آیا اسم کسی است؟ نام مکانی است؟ و یا اینکه یعنی هیروشیما و ناکازاکی؟ آن موقع نفهمیدم! ولی ...

وقتی به دبیرستان رفتم فهمیدم که این را می گویند معادله! معادله یعنی چیزی که دو طرف آن با یکدیگر برابر هستند و یا یک مفهومی در همین مایه ها!!؟

- بالاخره فهیمدم که این را می گویند معادله نسبیت و من چون از بچگی این معادله را با قارچ بمب اتمی دیده بودم دیگر خیال کردم که این معادله ساختن بمب اتمی است. همان بمبی که هزاران آدم بی گناه را به خاک و خون کشید! در دلم تمامی دانشمندانی را که باعث چنین فاجعه ای شدند لعنت کردم! ولی بعداً که کمی کتاب خواندم و مطالعه کردم فهمیدم که: نه بابا ... به اینشتین چه؟ بیچاره مقصر نبوده! همه اش زیر سر نان به نرخ روز خورها بوده است. در عصر حجر با سنگ چخماق و گرز توی سر هم می زدند، فلز که کشف شد با شمشیر به جان هم افتادند!، باروت که به میدان آمد، دیگر چشمتان روز بد نبیند! هر روز یک نوع تفنگ و بمب و مسلسل و نارنجک و ... ساختند! و خلاصه: ( نو که اومد به بازار کهنه میشه دل آزار).

این بار نوبت بمب اتمی بود؛ معادلات نشان میدادند که می توان از اتم انرژی هنگفتی بیرون کشید. برای همین آقایان سیاستمدار هوس داشتن یک بمب کوچولوی مامانی از این نوع کردند! دیگر طیاره و بمب معمولی و تفنگ مشکل پسندان سیاست را راضی نمی کرد. برای همین با کمک عده ای از دانشمندان این نوع بمب را درست کردند و کوبیدند تو سر مردم بیچاره ژاپن! که چی؟ که آن آقایی که سبیل مگسی داشت و یک صلیب هم روی بازویش بود و اطرافیانش مدام هایل، هایل می کردند، اول استفاده نکند! آخر این هم شد بهانه! ...

خلاصه فهمیدم که اگر می خواهم از این معادله سر در بیاورم باید فیزیک بخوانم! من هم شروع کردم و فیزیک دبیرستان را خواندم اما چیزی دستگیرم نشد تا سال سوم دبیرستان که در آخر کتاب فیزیک بخشی را دیدم با متنی بسیار مبهم و خسته کننده که مربوط به نسبیت و این جور چیزها بود! خدا خدا می کردم که زودتر آخر ترم برسد و استاد ارجمند فیزیک آن را تدریس کند ولی آخر سال شد و بخشنامه آمد که بخش نسبیت از برنامه ی تدریس حذف شده! در دم بچه ها هورا کشیدند، گویی که دنیا را به آنها داده بودند؛ آن روز من خسته و ناراحت به خانه برگشتم ولی بلافاصله شروع به پیدا کردن منابعی کردم که اطلاعات کلی در این زمینه به من بدهد. کتابهای  زیادی پیدا کردم ولی گویی به زبان دیگری بودند! هر چقدر بیشتر می خواندم کمتر متوجه می شدم و این به دلیل بسیار تخصصی بودن و ندشتن تجربه کافی من که خواننده آن بودم، بود! به همین دلیل بعد از آشنایی تصمیم گرفتم آنچه را یاد گرفتم با زبانی ساده و با متنی که خسته کننده نباشد برای علاقه مندان به نسبیت توضیح دهم!

*        *        *

هنگامی که جناب نیوتن معادلات حرکت را فرمول بندی کرد و مفهوم حرکت و سکون را مطرح کرد همواره این سوال مطرح بود که حرکت و سکون نسبت به چی؟ به کجا؟ جناب نیوتن هم دست به دامان فلاسفه یونان باستان شد، بادی به گلو انداخت و گفت: نسبت به اِثیر(ether) ! توضیح اینکه یونانیان باستان معتقد بودند که در فضای خارج از عالم زمینی تا چشم کار می کند چیزی وجود دارد که آنرا اِثیر نامیدند و این اِثیر ثابت انگاشته می شد!

به همین خاطر آقای نیوتن دست به دامان این به اصطلاح پولتیک شد و گفت: حرکت و سکون را نسبت به اِثیر در نظر می گیریم! یعنی چارچوب مرجعی که مبنای آن اِثیر باشد. اِثیر ثابت است و همه چیز نسبت به آن ثابت است یا متحرک! والسلام ...

قرنی گذشت و قرنی هم پس از آن تا ... روزی جناب آقای آلبرت مایکلسن با خودش گفت: چه بهتر اینکه ما ثابت بودن اِثیر را امتحان کنیم و حرکت و ثبات را نسبت به اِثیر بررسی کنیم!

این جناب مایکلسن مصمم شد تا این واقعیت را امتحان کند! با خودش فکر کرد خب اگر زمین در اِثیر در حال حرکت باشد. بالاخره این حرکت باید در یک امتداد خاصی انجام شود! خلاصه آقای مایکلسن بساط آزمایشش را پهن کرد. یک موقع فکر نکنید منظورم از بساط همان شهر فرنگ خودمان است! نه! ولی چیزی بود که سرنوشت ما را کمی تکان داد طوری که با سر به زمین خوردیم و تا چند وقت گیج بودیم!

 آقای مایکلسن طرح آزمایشی را ریخت. در این آزمایش از این اصل استفاده شده بود که اگر زمین در اِثیری حرکت کند، یک دسته نور که در امتداد حرکت زمین فرستاده و منعکس شود مسافتی کوتاهتر طی می کند تا شعاعی که در امتداد عمود بر حرکت زمین فرستاده و منعکس گردد!

 

 

شاید کمی گیج شده باشید، ولی اصلاً ناراحت نباشید به مثال زیر توجه کنید تا حالتان بهتر شود! فرض کنید شما در یک پارکینگ سقف دار هستید و یک عدد توپ تنیس در دست دارید اگر توپ را به سقف پارکینگ بزنید و خودتان به اطراف حرکت کنید توپ پس از برخورد به سقف پارکینگ به زمین برمیگردد و فاصله ای مشخص مثلاً سه متر را طی می کند! درست از که شما به اطراف حرکت کرده اید ولی آیا این حرکتِ شما بر طی طریق توپ که در امتدادی عمود بر حرکت شما سیر می کرد؛ تأثیری گذاشت؟ مسلماًً خیر! ولی حالا شرایط کمی عوض کنیم. فرض کنید شما و دوستتان در پارکینگ هستید و فاصله دوستتان از شما سه متر است، و شما یک عدد توپ تنیس در دست دارید. حالا توپ را به طرف دوستتان پرتاب می کنید و از او می خواهید به محض گرفتن توپ آنرا به سمت شما پرتاب کند! حالا توپ را پرتاب کردید ولی خودتان یک قدم پیش می آیید و دوستتان توپ را پرتاب می کند ولی شما نیم متر به جلو حرکت کردید و طبیعی است که توپ پس از دو و نیم متر به دست شما میرسد!

تمام شد دیگر! - این که کاری نداشت – مایکلسن هم می خواست همین اختلاف فاز را اندازه گیری کند! ولی شما مواظب باشید که این آزمایش را در پارکینگ بیمارستان انجام بدهید که در اثر اصابت توپ به سر و صورت دوستتان مشکل بستری کردن بیمار نداشته باشید!

مایکلسن از این اصل استفاده کرد که موج نور، یک موج الکترومغناطیسی است پس اگر با فاصله یعنی در مسیری کوتاهتر به منبع برگردد با یک اختلاف فاز به آنجا خواهد رسید. خب دیگر! ... این اختلاف فاز را به راحتی می توان در آزمایشگاه اندازه گیری کرد! مایکلسن می خواست این آزمایش را در تمام امتداد ها انجام دهد تا بتواند تأثیر اِثیر را کشف کند!به همین خاطر با دوست شیمیدان آمریکایی خود(ادوارد ویلیامز مورلی) این آزمایش را با دقتی خاص انجام دادند! ولی خیر خبری نشد! آزمایش با شکست مواجه شد؛ شکست این آزمایش بنیاد فیزیک را تکان داد. چه اِثیر با زمین در حرکت باشد (چیزی بی معنی) و چه چیزی به عنوان اِثیر نباشد در هر دو حال نتیجه یکی است! کلاغ پر! اِثیر هم پر! فرش از زیر پای فیزیک نیوتنی کشیده شده بود! – ای بابا! فیزیک نیوتنی هنوز هم بر پدیده های جهان حکومت می کرد! مدار سیارات و ... هنوز بر طبق قانون ثقل او بود و چیز های روی زمین از قانون لختی و کنش و واکنش او پیروی می کردند. پس یعنی چه؟ یعنی: توضیحات قدیمی ناقص بود و فیزیکدانان باید در انتظار رویدادهایی باشند که از قوانین گذشته پیروی نکنند!

پدیده های قدیمی و جدید همچنان باقی ماندند اما نظریه ها باید کامل و دقیقتر می شد! شاید بتوان گفت در سراسر تاریخ علم بشر « آزمایش مایکلسن – مورلی » مهمترین آزمایشی بود که شکست خورد و همان بهتر که شکست خورد! مایکلسن اولین دانشمند امریکایی بود که در سال 1907 جایزه ی نوبل گرفت.

در سال 1893 – فیزیکدان ایرلندی - « جرج فرنسیس فیتز جرالد » توضیح تازه ای برای نتایج منفی « آزمایش مایکلسن – مورلی » ارائه داد! وی این فکر را مطرح کرد که هر ماده ای در امتداد حرکتش فشرده می شود و این فشردگی با افزایش سرعت حرکت، افزایش می یابد! با این تعبیر، تداخل سنج مایکلسن همیشه در امتداد حقیقی حرکت زمین کوتاهتر می شد و مقدار این کوتاه شدگی با اختلاف مسافتی که شعاع نور باید طی می کرد جبران می شد و تازه هر وسیله ی اندازه گیری، خواه متر نواری باشد و یا خط کش و یا چشم انسان، آن هم در امتداد حرکت زمین کوتاه می شد. چه دردسرتان بدهم! آقای فیتز جرالد می گفت: طبیعت توطئه ای را چیده که نگذارد، حرکت مطلق را اندازه گیری کنیم و برای رسیدن به این مقصود اثری را به میدان آورده که هر تفاوتی را که آدم بخواهد اندازه گیری کند، از بین می برد! این پدیده عقیم کننده را « کوته شدگی فیتز جرالد » نامیدند. جناب فیتز جرالد هم برای آن معادله ای ریاضی ترتیب داد، معادله ی آقای فیتز جرالد این بود:

تصویر

که L' = طول ثانویه، L = طول اولیه، v = سرعت جسم و c = سرعت نور در خلاء

خلاصه چیزی که با سرعت 2ر11 کیلومتر در ثانیه ( سرعت موشک ساترن 5 ) حرکت کند فقط به اندازه ی 2 جزء در هزار میلیون (109) طول خود را از دست می دهد (در امتداد حرکتش کوتاه می شود).

اما در سرعتهای واقعاً بزرگ این کوتاه شدگی قابل ملاحظه است! در سرعت 149،000 کیلومتر در ثانیه (نصف سرعت نور) این کوتاه شدگی به 15% می رسد و در سرعت 260،000 کیلومتر در ثانیه (هفت هشتم سرعت نور) به 50% می رسد. یعنی یک خط کش نیم متری اگر با سرعت 260،000 کیلومتر در ثانیه از بغل دست ما بگذرد فقط 25 سانتیمتر به نظر می آید! به شرط اینکه آنقدر فرز باشیم که با آن سرعت زیاد، طولش را اندازه بگیریم!

با سرعت نور یعنی 299781 کیلومتر بر ثانیه طول جسم در امتداد حرکتش هیچ می شود! چون طول کمتر از هیچ وجود ندارد (یا لااقل ما نمی توانیم تصور کنیم!) پس به این نتیجه می رسیم که سرعت نور در خلاء بیشترین سرعتی است که ممکن است در جهان وجود داشته باشد!

فیتز جرالد می گفت طول اشیا را باید در یک ضریب، ضرب کنیم تا بتوانیم طول جدیدشان را حین حرکت بدست آوریم! و اما ضریب این بود:

تصویر

یک دفعه خیال نکنید اگر با موتور یا دوچرخه و یا ماشین خودتان در حال حرکت هستید طولش کم می شود و قیمتش پایین می آید! نه! خیالتان راحت باشد به محض توقف دوباره به حال اولتان بر می گردید.

چند وقت بعد دانشمند دیگری بنام « هندریک آنتوان لورنس » اندیشه ی فیتز جرالد را یک گام پیش برد. وی که درباره ی پرتوهای کاتدی کار می کرد در مورد آن پرتو ها چنین دلیل آورد که اگر باریک ذره ی باردار بر اثر فشار حجم کمتری پیدا کند جرمش بیشتر می شود. یعنی چه! یعنی اینکه لورنس برای افزایش جرم معادله ای ترتیب داد که خیلی شبیه بود به معادله ی فیتز جرالد؛ معادله ی افزایش جرم لورنتس این بود:

تصویر

خلاصه اینکه فیتز جرالد می گفت که طول با ضریب:

تصویر

کاهش می یابد و لورنتس می گفت که جرم با ضریب:

تصویر

افزایش می یابد. این دو معادله به حدی به هم شبیه بودند که این دو معادله را « معادلات لورنتس – فیتز جرالد » خواندند! ما تمام این معادلات را برای حرکت نور در خلأ با سرعت 299781 کیلومتر بر ثانیه حساب کردیم! بسیار خب ما قبول کردیم که جسمی در خلأ نمی تواند به سرعت نور برسد. در همه جا هم به همین قیاس؛ ولی ... ولی ... همه ی ما ای صحنه را دیده ایم که اگر یک قاشق را در یک لیوان شفاف آب بگذاریم، به نظر می رسد که قاشق کج شده است. علّت چیست؟ علت تغییر سرعت نور در آب و یا در هر محیط شفاف دیگری است!

در اجسام شفاف سرعت نور کاهش می یابد و این کاهش با چگالی جسم نسبت مستقیم دارد! خب! حالا حساب می کنیم؛ ضریب انکسار آب 3ر1 است یعنی سرعت نور در آب خارج قسمت سرعت نور (299781) بر 3ر1 است یعنی 228800 کیلومتر بر ثانیه!

در شیشه که ضریب انکسارش 5ر1 است سرعت نور تقریبا 198400 کیلومتر بر ثانیه است و در الماس با ضریب 4ر2 فقط 124400 کیلومتر بر ثانیه و ... به همین قیاس!

خب؛ برای بعضی از ذره های زیر اتمی (پروتون، نوترون، الکترون و ... ) میسر است که در محیطی شفاف با سرعتی بیشتر از سرعت نور در آن محیط حرکت کنند، خب؛ آمدیدم و ذره ای هم با این سرعت حرکت کرد، آن وقت چه می شود؟! (اگر کارتن فوتبالیستها را دیده باشید حتما دیده اید که هنگامی که قهرمان داستان توپ را شوت می کند یک خط نورانی پشت توپ به راه می افتد که البته کاری غلو آمیز است.) ولی این پدیده برای ذرات زیر اتمی فوق عینا رخ می دهد. و این ذرات یک رد آبی رنگ از خود به جای می گذارند دست مانند هواپیماهایی که با سرعت مافوق صوت پرواز می کند و به دنبال خود اثری از صدا می پراکند!

وجود چنین تشعشعی در سال 1934 به وسیله ی فیزیکدان روسی « پادال آلکسه یوویچ چرانکف » مشاهده شد. در سال 1937 دو فیزیکدان دیگر روس « ایلیا میخائیلوویچ فرانک » و « ایگور یوکنویچ تام » توضیح نظری درباره ی آن پدیده دادند و در نتیجه هر سه نفر روس یعنی چرنکوف، فرانک، و تام در جایزه ی نوبل سال 1958 فیزیک سهیم شدند!

مدتها بود که فیزیکدانان درباره ی تشعشع و نور مطالعه می کردند ولی با نظرییه نیوتن همیشه یک جای کار لنگ می زد! اگر می خواستند مادون قرمز و پایی طیف را بررسی کنند از سوی دیگر از پاسخگویی به آن سر طیف باز می ماندند. درست مثل دو طفل شیر خوار گریان که ما فقط یک پستانک داشته باشیم به هر کدام بدهیم آن دیگری گریه می کند. سالها به همین منوال گذشت تا بالاخره « ماکس پلانک » توجیه جالبی برای پدیده های مختلف تشعشع و انرژی آنها یافت. معادله ی پلانک این بود:

تصویر

e= انرژی کوانتوم، v (نو) = بسامد (فرکانس) و h= ثابت پلانک.

h بسیار کوچک است و همچنین کوانتوم به همین دلیل به نظر می رسد که نور پیوسته باشد؛ ولی از بسته های کوچک انرژی به نام فوتون تشکیل شده است. همچنان که ماده به نظر پیوسته می آید ولی از قطعات کوچکی تشکیل شده است. اما در آغاز قرن بیستم همان بلایی سر نور آمد که بر سر ما آمد یعنی اثبات ناپیوستگی نور. نظریه ی کوانتوم پلانک رابطه بین دما و طول موج تشعشع صادر شده را روشن ساخت ولی خیلی انقلابی بود!

فیزیکدان آلمانی « فیلیپ لنارد » دریافته بود که وقتی نور به بعضی فلزها می خورد موجب می شود که سطح فلز الکترون صارد کند. چنانکه گویی نیروی نور الکترونها را از اتم بیرون می کشد. این پدیده را اثر « نورا برق » یا « فوتو الکتریک » گویند و « لنارد » برای این کشف خود در 1905 جایزه ی نوبل گرفت و خوش به حالش شد!

هنگامی که فیزیکدانان شروع به تحقیق کردند فهمیدند که اگر شدت نور را افزایش دهند تغییر چندانی در الکترونهای گسیل شده ایجاد نمی شود. یعنی با افزایش شدت نور الکترون بیشتری از فلز گسیل نمی شد اما تغییر طول موج یا به عبارتی تغییر رنگ نور چنین اثری داشت.

مثلاً نور آبی بیشتر از نور زرد، الکترونها را به فرار وا می دارد و نور آبی خفه (مات) کمتر از نور زرد درخشان الکترون بیرون می کشد. اما همان الکترونهای کم نور آبی خفه با سرعتی بیشتر از الکترونهای نور زرد درخشان حرکت می کردند! از طرفی نور قرمز هر چقدر زور می زد و سرخ می شد نمی توانست الکترونی را از بعضی فلزها بیرون بکشد!

برای هیچیک از این پدیده ها نمی شد با نظریات قدیم و عقد بوق برای نور توضیحی داد! چرا نور آبی الکترون بیرون بکشد ولی نور سرخ عرضه ی چنین کاری را نداشته باشد! واسه ی چی؟

آلبرت اینشتین جواب را در نظریه ی کوانتومی پلانک یافت؛ هر قدر نور کارمایه (انرژی) بیشتری داشته باشد با زور بیشتری الکترون بیرون می کشد و بالعکس؛ یعنی نور بی جان و کم زوری مثل نور قرمز نمی توانست الکترون بیرون بکشد! البته این گسیل الکترون به استحکام پیوندی الکترون و اتم مربوطه نیز بستگی دارد!

خلاصه اینکه اینشتین با سادگی کامل این مشکل را حل کرد و آن هم با استفاده از نظریه ی کوانتومی پلانک. دنیا در سال 1921 با دادن جایزه ی نوبل به آلبرت اینشتین به خاطر این کار او به او دست مریزاد گفتند!

اینشتین در سال 1905 نظریه ی نسبت خاص را عرضه کرد و بعداً وقتی که به عنوان کارمندی در اداره ثبت اختراعات و علائم تجارتی سوئیس کار می کرد در اوقات فراغت به تکمیل آن پرداخت! در این نظریه بینش اساسی جدیدی از جهان بر پایه ی بسط نظریه ی کوانتومی عرضه شد.

اینشتین می گفت: نور به صورت فوتون (بسته های کوچک انرژی) سیر می کند. و بدین ترتیب او یکبار دیگر نظریه ی ذره ای بودن نور را احیا کرد! ولی نوع جدیدی از ذره! این ذره در همان حالتی که خواص موج را داشت، خواص ذره را نیز داشت، گاهی این و گاهی آن یکی را متجلی می ساخت.

شاید به نظر گیج کننده برسد. ولی خود شما با این نوع رفتار آشنا هستید؛ یک مثال: یک مرد بسته به محل و موقعیت می تواند به عنوان شوهر، پدر، دوست، کاسبکار، فرزند و ... رفتار کند. در جایی به عنوان پدر و در جایی دیگر به عنوان شوهر! در این حالات نه او بیش از یک نفر است و نه پارادوکس (باطلنمایی) در میان است. شما انتظار دارید که او با مشتری مانند شوهر و یا با زنش مثل یک کاسبکار رفتار کند!

به همین ترتیب تشعشع نور، خواص ذره ای و موجی، هر دو را با هم داراست! در وضعی خواص ذره ای را بروز می دهد و در وضعی موجی. نظریه ی موجی بودن نور باعث شده بود که فیزیکدانان قدیمی وجود اِثیر را (برای انتقال موج) بپذیرند. ولی نظریه ی اینشتین خواب خوش آنها را آشفته کرد! حالا دیگر می شد جنازه ی متعفنی را که مایکلسن و مورلی روی زمین انداخته بودند به خاک سپرد! در یک کلام: اِثیر برای همیشه مُرد!

اینشتین در نظریه ی نسبیت خاص خود مطلب دیگری را هم عرضه کرد: منبع نور هر حرکتی که داشته باشد سرعت نور در خلاء تغییری نمی کند. در جهان بینی نیوتنی شعاع نوری که منبع آن به سوی ناظر حرکت کند بظاهر سرعت بیشتری داشت تا شعاعی که منبعش در امتداد دیگر حرکت کند! در نظریه ی اینشتین چنین نبود و او توانست این فرض را از معادلات لورنس – فیتز جرالد نتیجه بگیرد.

اینشتین نشان داد که افزایش جرم همراه با افزایش سرعت، که لونتس فقط به ذره های باردار اطلاق کرده بود، برای هر چیزی از هر نوع جاری است! او همچنین نشان داد که افزایش سرعت نه تنها موجب کم شدن طول و زیاد شدن جرم می شود بلکه سیر زمان را نیز کند می کند! با اعلام نظریه نسبیت خاص، عده ای از خانمها با آن موافقت کردند و عده ای هم مخالفت کردند. عده ای که موافق بودند دلیل موافقت خود را کند شدن سیر زمان در سرعتهای بالا می دانستند و این که از این طریق می توانند سنشان را کم جلوه دهند! و عده ای هم به خاطر داشتن رژیم غذایی لاغری با افزایش جرم در سرعتهای بالا مخالف بودند! ولی این مخالتها و موافقتها به حال فیزیکدانان هیچ اثری نداشت آنان همچنان از معادلات فیزیکی جدید در بهت و حیرت بودند. اساسی ترین وجه نظریه ی اینشتین، انکار وجود فضای مطلق و زمان مطلق بود! ممکن است که بگویید: چه بی معنی! مگر می شود چیزی راجع به جهان گفت در صورتی که مبنایی نداشته باشد! جواب را از خود آلبرت خان بشنویم: « آنچه ما بدان نیاز داریم تأمین یک دستگاه مرجع است که همه پیشامدهای جهان را بتوانیم با آن بسنجیم! هر دستگاه مرجعی خواه زمین بی حرکت، خواه خورشید بی حرکت و یا خود ما که بی حرکت فرض شویم، به یک اندازه معتبر خواهد بود. فقط وظیفه ی ما این است که مناسبترین دستگاه مرجع را انتخاب کنیم. مثلاً محاسبات حرکات سیارات در دستگاه مرجعی که خورشید در آن بی حرکت فرض شود بیشتر مناسب است، اما بیشتر درست نیست! » بدین ترتیب اندازه گیری فضا – زمان نسبت به دستگاه مرجع انجام پذیر است و از این رو طرز تفکر اینشتین « نظریه ی نسبیت » نام گرفت! و حالا یک مثال برای تجسم مطلب: فرض کنید از روی زمین سیاره بیگانه ای (سیاره X) را که از حیث اندازه و جرم عیناً مانند زمین ما باشد و با سرعت 260800 کیلومتر بر ثانیه از مقابل ما می گذرد، رصد می کنیم؛ اگر می توانستیم در ضمن حرکت، آنرا اندازه گیری کنیم می دیدیم که اندازه اش در امتداد حرکت 50% کاسته شده است؛ و در حقیقت بیضی گون است و نه کروی! اندازه گیری نشان خواهد داد که جرمش دو برابر جرم زمین است؛ اما حالا اوضاع را از نظر ناظری بر روی سیاره ی X بررسی کنیم: به نظر شخص شخیص ایشان می رسد که خودش و سیاره اش ثابت است و زمین ما با سرعت 260800 کیلومتر در ثانیه از مقابلش می گذرد و دارای شکل بیضی گون است و جرمش دو برابر جرم سیاره ی اوست! حالا بین ساکنین دو سیاره دعوا می شود، اولی می گوید: جرم تو دو برابر شده و طول خودت نظف شده! و دومی می گوید: فوتینا! طول خودت نصف شده و جرم خودت دو برابر شده است؛ آدم وسوسه می شود که بپرسد کدام یک از دو سیاره واقعاً کوچک شده و جرم آن دو برابر شده است! تنها جوابی که می توان داد این است که: « تا دستگاه مرجع چه باشد ». اگر توجه به این مطلب دشوار است توجه کنید که انسان نسبت به یک گنجشک بزرگ است و نسبت به یک هواپیمای بوئینگ 747، کوچک است! آیا می توانیم بپرسیم که کدام آدم واقعاً کوچک است یا بزرگ!

خلاصه بگذریم! با نتایج غیر عادی که از نسبیت بدست می آید می توان پدیده هایی از جهان را توصیف کرد که با نظریات نیوتن یا خیلی نارسا تشریح می شود و یا اصلاً بدون توضیح می ماند! در نتیجه اینشتین برتر از نیوتن قرار دارد، نه به عنوان جانشین او بلکه به عنوان دقیق کننده ی نظریات او.

پس از همه ی  این حرفها « هرمان مینکوفسکی » که استاد ریاضیات اینشتین بود، یک بعد به جهان اضافه کرد. یعنی یک بعد جدید! بدین ترتیب بود که زمان بُعد چهارم شد! ولی رفتارش با سه بعد دیگر یعنی طول، عرض و ارتفاع متفاوت است!

مسأله ی دیگر نسبیت کند شدن زمان است. یکبار دیگر به مسأله ی سیاره ی X و زمین بر میگردیم. بر طبق نظریه ی اینشتین چنانچه سیاره ی X با سرعت 260800 کیلومتر بر ثانیه حرکت کند ساعتش نصف زمان را نشان می دهد. یعنی برای زدن هر تیک ساعت 2 ثانیه زمان لازم دارد! و حالا فرض کنید که زمینی ها و X ی هایی قسم بخورند که ساعت سیاره ی مقابل را دیده اند که از ساعت خودشان نیم ساعت عقبتر بوده است، حالا سوال اینجا پیش می آید که واقعاً کدام یک عقبتر بوده است؟

اصلاً مهم نیست؛ در قدیم به این مسأله باطلنمای ساعت می گفتند! ولی امروزه به هیچ وجه باطل نما نیست. جواب اینجاست که راهی وجود ندارد که این دو سیاره را پیش هم گذاشت، زیرا این دو سیاره به دو زمان مختلف تعلق دارند. سوال شما مثل این است که بخواهید خود را با ساعت پیشینیان مقایسه کنید و بدانید که کدامیک عقبتر است!

تمام این مطالب مربوط به نسبیت خاص بود ولی اینشتین بعدها نظریه ی دیگری را مطرح کرد به نام « نسبیت عام » که از نظریه ی بالا کمی پیچیده تر است.

ولی آنچه که بین تمامی فیزیکدانهای نظریه نسبیت خاص مشترک است و تا آنجا که من تحقیق کرده ام و بدست آورده ام این است که هیچ یک از آنها ترشی نمی خورند، پس برای اینکه من هم مثل آنها بشوم ترشی را کنار می گذارم!

ولی از شوخی بگذریم شناخت زیاد و دقیق ما درباره ی این جهان ما را در شناخت ناظم و خالق یگانه ی آن بیشتر کمک می کند.

* منابعی که از آنها استفاده شده است:

1. مرزهای فیزیک و ستاره شناسی/ فرد هویل و جایانت نارلیکا؛

2. رهبر علم/ ایزاک آسیموف؛

3. فیزیک هالیدی/ دیوید هالیدی و رابرت رزنیک.

 

نوشته ی: علی صانعی، دانشجوی مهندسی برق – الکترونیک دانشگاه آزاد اسلامی – واحد بوشهر/ رتبه ی نخست استان لرستان در یازدهمین جشنواره ی خوارزمی.

منبعی که من از روی آن کپی زدم: مجله ی « اطلاعات علمی » - سال چهارم – خرداد 79 ، صص 44تا47 در صفحه ی « گذر اندیشه ».

 

ما را از نظرات خود مطلع نماييدتماس با ما