ده اکتشاف شگفت انگیز فیزیک جدید

ده اکتشاف شگفت انگیز فیزیک جدید

مطالعۀ فیزیک به معنی مطالعه جهان و به ویژه مطالعه چگونگی کارکرد جهان است. این موضوع بدون تردید جالب ترین شاخه دانش است، چون جهان پیرامون ما بسیار پیچیده تر از آن چیزیست که به نظر انسان می رسد. در ادامه به معرفی ده مورد از شگفتی های فیزیک می پردازیم.

مطالعۀ فیزیک به معنی مطالعه جهان و به ویژه مطالعه چگونگی کارکرد جهان است. این موضوع بدون تردید جالب ترین شاخه دانش است، چون جهان پیرامون ما بسیار پیچیده تر از آن چیزیست که به نظر انسان می رسد. از بعضی جهات جهان بسیار عجیب و شگفت انگیز کار می کند، هر چند برای درک کامل این موضوعات نیاز به دکترا دارید، کافی است کمی احساس ترس داشته باشید تا به ابهت آن پی ببرید. در این مقاله ما ده عدد از شگفت انگیزترین چیزهایی که فیزیکدانان درباره جهان کشف کرده اند را به شما معرفی می کنیم، با ما همراه باشید:

۱۰- توقف زمان در سرعت نور

سرعت نور، بر اساس نظریه نسبیت خاص، هرگز تغییر نمی کند و بدون توجه به مکان و سرعت فرد مشاهده گر همیشه در حدود ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه باقی می ماند. این موضوع به خودی خود به اندازه کافی شگفت انگیز است، اما ایده ای به نام اتساع زمان، قسمت جالب تر نظریه نسبیت خاص است، که اینطور می گوید: هر چه سریعتر بروید زمان برای شما نسبت به محیط اطرافتان کندتر می گذرد. به بیان ساده تر، برای مثال اگر شما یک ساعت از وقتتان را درون اتومبیل خود در حال حرکت بوده باشید، نسبت به زمانی که این وقت را در خانه روبروی کامپیوترتان می نشستید، زمان برایتان کمی کمتر می گذرد.
احتمالا این زمان حدود چند نانو ثانیه می شود، اگرچه مقدار ناچیزی نسبت به هزینه ای است که برای بنزین پرداخت کرده اید اما به هر حال این یکی از قابلیت هایی است که شما درباره سریع حرکت کردن نادیده می گیرید. البته در سرعت های بالا زمان به صورت محسوس کُند می شود، به طوری که اگر به سرعت نور برسیم، زمان به طور کامل از حرکت می ایستد. اما مشکل در اینجاست که از نظر تئوری رسیدن به سرعت نور غیرممکن است، مگر اینکه شما از نور ساخته شده باشید. به بیان فنی هر جرم دیگری به جز نور برای حرکت با این سرعت نیاز به انرژی بی نهایت دارد.

۹- در هم تنیدگی کوانتومی

بسیار خب، پس با این اوصاف ما باید بپذیریم هیچ چیزی سریع تر از سرعت نور حرکت نخواهد نمود، آیا درست است؟ خب، هم بله هم خیر. حداقل از نظر تئوری یک راه فرار وجود دارد که در حیطه مکانیک کوانتومی است. در اصل مطالعه فیزیک مکانیک کوانتوم است در مقیاس میکروسکوپی، مانند رفتار ذرات زیر اتمی. این نوع از ذرات به حد غیر قابل باوری کوچک هستند اما بسیار اهمیت دارند، چون بلوک های ساختمان همه چیز در جهان را تشکیل می دهند. از ابراز جزئیات فنی و تکنولوژیکی این نظریه صرف نظر می کنیم (چون توضیح آن بسیار پیچیده است).
الکترون ها را به صورت تیله های در حال چرخش با بار الکتریکی تصور کنید. درهم تنیدگی کوانتومی به این معنی می باشد که این تیله ها به گونه ای با هم جفت شوند که برای همیشه جهت چرخش و بار الکتریکی همانندی داشته باشند. از این به بعد همه چیز عجیب و دگرگون می شود، زیرا پس از در هم تنیدگی رفتار این الکترون ها همیشه یکسان باقی خواهند ماند. به این صورت که اگر هر گونه تغییری در جهت چرخش یکی صورت پذیرد دیگری نیز در چرخشش در جهت دیگر تغییر می کند، و این تغییر به صورت آنی و لحظه ای 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 جهان بدون در نظر گرفتن فاصلۀ آنها به صورت آنی منتقل کرد.

۸- نور از گرانش تاثیر می پذیرد

بهتر است به بحث نور برگردیم و به بررسی و بحث درباره نظریه نسبیت عام (که آن هم از آلبرت اینشتین است) بپردازیم. از ایده ای این بار صحبت می کنیم که به آن انحراف نور می گویند. انحراف نور تشریح میکند در حضور گرانش مسیر نور نمی تواند به طور کامل مستقیم باشد. این ایدۀ عجیب بارها و بارها به اثبات رسیده است. معنی آن به این صورت 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.
بنابراین اگر پرتوی نوری که از یک ستاره تابیده شده است در مسیر خود به اندازه کافی به سطح خورشید نزدیک شود تا اندازه ای به سمت آن خم می شود. گفتنی است اثر آن بر روی یک ناظر زمینی مانند ما، این است که ستاره را در نقطه ای متفاوت در آسمان می بینیم. (مثالی مشابه این قضیه هنگامی روی می دهد که ماهی را در دریا می بینیم، در واقع بر اثر تفاوت ضریب شکست نور در آب نسبت به هوا موقعیت ماهی همیشه با آنچه در آب می بینیم متفاوت است.)

۷-ماده تاریک

گاهی فیزیکدان ها به کمک بعضی روش های بسیار دقیق به ارزیابی جرم کل جهان دست می زنند. همچنین آنها جرم کل موادی که قابل مشاهده هستند را با روش های بسیار دقیقی نیز محاسبه می کنند، اما چیزی که شگفت آور است، این است که این دو عدد با یکدیگر تطابق ندارند. در حقیقت میزان جرم کل جهان با مقدار جرمی که از تمام مواد مورد مشاهده محاسبه شده، متفاوت است.
برای توجیه این قضیه فیزیکدان ها مجبور شدند به تئوری هایی در این زمینه روی آورند که بیان کننده این است که بر اساس آن ماده تاریک اسرارآمیزی در جهان وجود دارد که هیچ نوری از خود ساطع نمی کند و این ماده چیزی حدود ۲۷۷ درصد جهان 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 توسط تعداد زیادی از مدارک و شواهد برای توضیح جهان مورد پذیرش واقع شده است.

۶- جهان ما به شدت در حال انبساط است

قبل از توضیح اینکه چرا جهان ما در حال انبساط است بهتر است به توضیح نظریه بیگ بنگ بپردازیم. در واقع قبل از اینکه بیگ بنگ تئوری یک سریال تلویزیونی باشد یک نظریۀ مهم برای توضیح منشا جهان بود. ساده ترین تشریح آن این است که جهان با بیگ بنگ آغاز شده است. و بقایای این رویداد (سیارات، ستارگان و غیره) به همراه انرژی بسیار فراوانی در اطراف جهان پراکنده شدند. اما انتظار بر این است که پس از مدتی از این رویداد بزرگ سرعت مواد کم شده و باز ایستند. اما این موضوع هنوز اتفاق نیفتاده است.
در حقیقت جهان همچنان در حال توسعه و گسترش است و نه تنها سرعت آن کمتر نشده بلکه در طول زمان بر سرعتش نیز اضافه شده است. برای توضیح این موضوع تنها راه ممکن، این است که انرژی تاریک نیرو محرکه ی این شتاب کیهانی را تامین می کند. حال اینکه انرژی تاریک چیست و چه قابلیت هایی دارد نکته عجیب و شگفت انگیز دیگری از علم فیزیک است…

۵- تمام مواد در واقع انرژی هستند

این یک حقیقت محض است که ماده و انرژی هر دو با هم همراهند و دو روی یک سکه هستند. تا به حال احتمالا با فرمول E=mc^2 روبرو شده اید، این فرمول در حقیقت میزان ماده و انرژی تولید شده در صورت تبدیل به یکدیگر را مشخص می کند، که در آن m جرم، E انرژی و c سرعت نور را نشان می دهد. حقیقتا توضیح این پدیده بسیار جذاب است، اینکه جرم یک جسم وقتی سرعتش تا حد سرعت نور افزایش می یابد بیشتر می شود.
با این وجود این نظریه بسیار پیچیده است و توضیح کامل آن ما را از هدف اصلی این مطلب دور می کند. باید برای اثبات این موضوع (متاسفانه) بمب های اتمی را مثال بزنیم که مقدار بسیار کمی ماده مقادیر بسیار عظیمی از انرژی را آزاد می کنند.

۴- دو گانگی موج و ذره

ذرات (مثلا الکترون) و امواج (مثلا نور) در نگاه اول، قادر نیستند به شکل دیگری وجود داشته باشند. یکی تکه ای جامد از ماده است و دیگری پرتوی تابش از انرژی می باشد. اما آنگونه که مشخص است، 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 دیده شوند.
شاید این موضوع کمی مسخره به نظر برسد، اما شواهد محکمی وجود دارد که ثابت می کند نور موجی است و شواهد محکم دیگری نیز وجود دارد که ثابت می کند نور ذره است. در اصل نور هر دو حالت را دارا می باشد، نه حالتی مابین این دو. ذهن ما از تجسم این موضوع ناتوان است و جتی شگفتی هم ندارد چون این پدیده در قلمرو مکانیک کوانتومی لمس می شود نه در سطح جهان بزرگ مقیاس.

۳- همه اجسام با یک سرعت سقوط می کنند

پس از مروری در پیچیده ترین مفاهیم فیزیک مدرن شاید بد نباشد به فیزیک کلاسیک هم گریزی بزنیم. در فیزیک کلاسیک هم مفاهیم بسیار جالبی وجود دارند. شاید این تصور برای شما هم وجود دارد که اجسام سنگین تر نسبت به اجسام سبک تر سریع تر به سمت زمین می رسند. و این درست است، اما هیچ ربطی به گرانش ندارد، بلکه این پدیده تنها به علت مقاومت هوا رخ می دهد.
برای نخستین بار حدود ۴۰۰ سال پیش گالیله متوجه این موضوع شد. بر اساس این قانون اگر شما یک توپ، یک قلم، و یک دفترچه یادداشت را به طور هم زمان 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.

۲- کف کوانتومی

اکنون نیز، به پدیده های بسیار عجیب و غریب بر می گردیم. ما معمولا تصوری که از فضای خالی داریم، یک ناحیه کاملا خالی است. اما موضوع به آن سادگی هم که فکر می کنیم نیست، در واقع درون فضای خالی هم تلاطم ها و ناآرامی های زیادی وجود دارد و ذرات به طور پیوسته در همه جا می آیند و می روند. آنها، ذرات مجازی پر انرژی هستند، اما مجازی بودنشان به معنی غیر واقعی بودنشان نیست آنها حقیقی و و وجودشان اثبات شده است.
آنها در کسری از ثانیه برخی از قوانین بنیادی فیزیک را در هم می شکنند و به سرعت به حالت قبل بر میگردند و این کار را آنقدر سریع انجام می دهند که ما آن را درک نمی کنیم. مانند اینکه شما از فروشگاهی چیزی را به سرقت ببرید و به گونه ای که کسی متوجه نشود در کمتر از نیم ثانیه آن را به جایش برگردانید.

۱- آزمایش دو شکاف

چند سطر پیش موضوعی که توضیح دادیم را به یاد بیاورید، آنجا که گفتیم همۀ چیزها در آن واحد هم خاصیت موجی دارند هم ذره ای. شما هم شاید این موضوع را به دقت و صراحت پذیرفتید، اما آیا به صورت تجربی هم می توانید آن را قبول کنید؟ مثلا 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 درباره 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 تشریح نیست. در مقابل هنگامی که روی پرده را با آشکارسنج بررسی می کنیم، می بینیم که نور به شکل ذره (فوتون) جذب شده است.

الگوی تداخلی در حقیقت هنگامی 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 شود. این پدیده اثر مشاهده گر نامیده می شود. در پایان ذکر این نکته ضروری به نظر می رسد که بخش هایی از آزمایش دو شکاف وجود دارند که از آنچه در اینجا توضیح داده شدند شگفت انگیزتر هستند و ما شما را ترغیب 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.