امروز: یکشنبه, ۰۴ مهر ۱۴۰۰ برابر با ۱۸ صفر ۱۴۴۳ قمری و ۲۶ سپتامبر ۲۰۲۱ میلادی
کد خبر: 272220
۶۱۵
۱
۰
نسخه چاپی
هازل مویر

علم در چند دقیقه | مباحث علمی کوتاه اما کاربردی

در فیزیک حرکت یک شیء با مؤلفه هایی مانند سرعت، شتاب، جابه جایی یا همان مسافت پیموده شده از مبدا تعریف می شود. سرعت یک کمیت برداری (جهت دار) است که فقط تندی شیء را در نظر نمی گیرد، بلکه جهت آن را نیز نشان می دهد.

علم در چند دقیقه

علم در چند دقیقه

حرکت

در فیزیک حرکت یک شیء با مؤلفه هایی مانند سرعت، شتاب، جابه جایی یا همان مسافت پیموده شده از مبدا تعریف می شود. سرعت یک کمیت برداری (جهت دار) است که فقط تندی شیء را در نظر نمی گیرد، بلکه جهت آن را نیز نشان می دهد. میزان تغییرات سرعت در واحد زمان بر اثر نیروی کششی یا فشاری، با شتاب تعریف می شود. قوانین حرکت نیوتن رابطه بین نیرو و شتاب را برای هر آنچه سرعتی کمتر از سرعت نور دارد، از جمله کاربردهای روزانه مثل سرعت و شتاب خودرو و هواپیما تعریف می کند. تکانه (Momentum) به صورت حاصل ضرب سرعت و جرم یک شیء تعریف می شود. تكانه یک «کمیت پایسته» است، بنابراین در غیاب هر عامل دیگری وقتی دو توپ بیلیارد به هم برخورد می کنند، تکانه کلی (مجموع) آنها پیش و پس از برخورد یکسان است. انرژی جنبشی شیء نیز برابر نصف حاصل ضرب جرم آن شیء در مربع سرعت آن است. این کمیت نشان دهنده مقدار کاری است که روی یک شیء انجام شده تا با شتاب دادن به آن، جسم را از حالت سکون به سرعت فعلی اش برساند.

نظریه حرکت نیوتن

نظریه حرکت آیزاک نیوتن (Isaac Newton) اولین بار در سال ۱۶۸۷ منتشر شد و رابطه بین نیروی وارد بر شیء و حرکت ناشی از آن نیرو را تعریف می کند. قانون اول نیوتن می گوید شیء در حال حرکت با سرعتی مشخص، تا زمانی که تحت تأثیر نیروی دیگری قرار نگرفته با همان سرعت و راستا حرکت می کند. درواقع عدم وجود نیروی جدید به معنای شتاب صفر است. قانون دوم شرح می دهد که نیروی F به شیء شتابی برابر a می دهد که نسبت عکس با جرم m آن دارد: F= ma. قانون سوم نیز می گوید هرگاه شیء نیرویی را به شیء دومی وارد کند، شیء دوم نیز هم زمان همان میزان نیرو را در جهت عکس به اولی وارد می کند که به آن قانون «کنش و واکنش» می گویند. برای همین وقتی با پارو آب را به عقب می رانیم، قایق به سمت جلو می رود. نیوتن نشان داد این قوانین در کنار قانون گرانش نیوتن، به طور کامل و دقیق حرکت سیارات را در مدارهایشان به دور خورشید تشریح می کنند. هرچند این قوانین برای اشیایی که با سرعتی مافوق نور حرکت می کنند یا تحت میدان های گرانش بسیار قوی قرار دارند، اعتبار ندارند و در آن وضعیت بایستی از نظریه نسبیت استفاده کرد.

نیروی جانب مرکز و گریز از مرکز

نیروی جانب مرکز یا مرکزگرا، نیرویی است که شیء را وادار می کند در مسیری منحنی حرکت کند. گرانش، بارزترین مثال برای نیروی جانب مرکز است. بر طبق قانون گرانش نیوتن، نیرویی مایل به مرکز، سیاره را در مدار گردش به دور ستاره اش قرار می دهد و این نیرو پیوسته بر آن سیاره و به سمت مرکز مدار (ستاره) وارد می شود. وقتی شما توپ تنیسی را که به یک ریسمان بسته شده، دور سر خود می چرخانید، از طریق ریسمان، نیروی کششی به سمت مرکز بر توپ وارد می شود. نیروی جانب مرکز اغلب با نیروی گریز از مرکز اشتباه گرفته می شود. نیروی گریز از مرکز نیرویی فرضی و در حقیقت اثر ماند یا اینرسی طی حرکت در مسیر منحنی است. وقتی داخل ترن هوایی نشسته اید و ترن در حال چرخیدن است، نیروی گریز از مرکز را حس می کنید که به سمت بیرونی محیط دایره حرکت ترن، به شما وارد می شود. طی حرکت دورانی، بدن شما تمایل دارد حرکتش را در مسیر مستقیم ادامه دهد که در حقیقت نمودی از اینرسی حرکتی است؛ ولی نیروی جانب مرکز از سمت ترن به شما وارد می شود و مسیر شما را منحنی می کند و شما واکنش به نیروی جانب مرکز را به صورت نیروی گریز از مرکز حس می کنید.

نظریه گرانش نیوتن

نظریه گرانش نیوتن که در سال ۱۶۸۷ منتشر شد، اولین توصیف واضح ریاضی در این مورد بود که اجرا می مانند سیارات و ستاره ها چطور در اثر کشش گرانشی متقابل یکدیگر را جذب می کنند. این نظریه مشهور، زمانی به فکر نیوتن رسید که مقابل چشم او سیبی از درخت به زمین افتاد. سیب در حال سقوط، با شتابی که سرعت آن را افزایش می داد به سمت زمین حرکت کرد. بنابراین نیوتن با استناد به قوانین حرکتی که خود تعریف کرده بود، نتیجه گرفت که حتما باید نیرویی در کار باشد و او این نیرو را گرانش یا جاذبه (gravity) نام گذاشت. این نیرو می تواند روی محدوده وسیعی اثر کند و حتی عامل گردش ماه به دور زمین باشد، طوری که ماه با سرعتی ثابت و در مداری مشخص به دور زمین بگردد و نه از زمین دور شده و نه به آن برخورد کند. نیوتن نشان داد که نیروی گرانش بین دو شیء دارای جرم، با حاصل ضرب جرم آنها رابطه مستقیم و با مربع فاصله بین آنها رابطه عکس دارد. البته این قانون پاسخی برای این سؤال نداشت که این نیرو، چطور در فضای خلا منتقل می شود. مسئله ای که در نظریه نسبیت عمومی اینشتین حل شد.

نسبیت خاص

نسبیت خاص نظریه ای است که آلبرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ منتشر کرد. او این نظریه را با بسط دادن دو قانون اصلی ارائه کرد: اول اینکه قوانین فیزیک بایستی برای هر مشاهده گری که با سرعت ثابتی حرکت می کند، یکسان باشد و دوم این که سرعت نور، همواره فارغ از سرعت منبع نور، ثابت است. قاعده نسبیت، درواقع نقض این نکته بود که ممکن است استاندارد جهانی برای زمان و مکان وجود داشته باشد. در واقع، اندازه طول یک شیء یا بازه زمانی وابسته به کسی است که آن را اندازه می گیرد. قطاری را تصور کنید که با سرعت نزدیک به سرعت نور به سمت مشاهده گری ثابت در حرکت است. طول قطار در این شرایط در نظر مشاهده گر ثابت نسبت به مشاهده گری که داخل قطار در حرکت است، کمتر خواهد بود، در حالی که زمان برای مشاهده گر داخل قطار، کندتر از مشاهده گر ثابت می گذرد. این نظریه، موهوم و خیالی نیست. اندازه گیری ها نشان می دهند ذرات ناپایداری که با سرعت زیاد از جو زمین عبور می کنند، با سرعت بسیار کمتری نسبت به ذرات ساکن در آزمایشگاه واپاشیده می شوند. طبق نظریه نسبیت خاص، اجرام بسیار سنگین نمی توانند با سرعت نور در خط حرکت کنند، زیرا در آن صورت به انرژی بی نهایت نیاز خواهند داشت.

نسبیت عام

بت عام نظریه اینشتین درباره گرانش است که در سال ۱۹۱۵ ارائه شد. برخلاف نظریه گرانش نیوتن، در نظریه اینشتین گرانش به عنوان عاملی هندسی و نه نیرو بررسی شد و گرانش به عنوان ویژگی هندسی فضا و زمان مطرح شد. اجرام بزرگ مانند ستاره ها مقید به حرکت بر منحنی فضا- زمانی هستند که جرم همان سیاره ایجاد کرده است. ماده به فضا می گوید چطور خم شود و فضای خمیده به ماده می گوید چطور حرکت کند. می توان تصور کرد که جرم سنگین یک ستاره چاله ای را در صفحه دوبعدی در فضا ایجاد کرده است. به این ترتیب سیاره ای که در نزدیکی آن ستاره قرار دارد، مجبور است روی خط انحنای ایجاد شده در فضای اطراف ستاره حرکت کند. برخی پیشگویی های نظریه نسبیت عام با آنچه در نظریه گرانش نیوتن بود، متفاوت هستند. باوجود اینکه هر دو نظریه پیش بینی می کنند که گرانش خورشید موجب خمیده شدن نور ستاره های پشتی خود می شود و این خمش را می توان در هنگام خورشیدگرفتگی اندازه گیری کرد، اما نظریه اینشتین، میزان این خمیدگی را دو برابر آنچه نیوتن گفته بود، پیش بینی می کند. اندازه گیری های بعدی نشان می دهند که نظریه نسبیت عام صحیح است و در مورد رویدادهای دیگر فضا نیز اندازه های درستی را ارائه می کند.

دما و فشار

دما معیاری است که میزان گرمای مواد را مشخص می کند که این خود نشان دهنده میزان انرژی جنبشی مولکول های آن ماده است. در بیشتر کشورهای دنیا از یکای سلسیوس برای اندازه گیری دما استفاده می کنند که دمای انجماد آب را معادل صفر درجه سلسیوس و دمای جوش آن را ۱۰۰ درجه سلسیوس قرار می دهد. در ایالات متحده برای این منظور از یکای درجه فارنهایت استفاده می کنند که در آن دمای انجماد و جوش آب به ترتیب ۳۲ و ۲۱۲ درجه فارنهایت است. ماده می تواند با کاهش انرژی جنبشی مولکول های تشکیل دهنده اش سرد بشود، اما قوانین ترمودینامیک می گویند، میزان این انرژی جنبشی و درنتیجه دما، از حدی معین کمتر نخواهد شد. این دما معادل ۶۷/۴۵۹- درجه فارنهایت یا 15/273- درجه سلسیوس است. به این دما «صفر مطلق» گفته می شود؛ جایی که اجزاء ماده از نظر تئوری بی حرکت می شوند. فشار نیرویی است که از سوی جسمی بر واحد سطح جسمی دیگر وارد می شود. فشار گاز، نیرویی است که گاز به دیواره های ظرف اعمال می کند. پاسکال (معادل یک نیوتن بر مترمربع) یکای استاندارد فشار است. فشار جو در ارتفاع سطح دریا بر زمین حدود ۱۰۰٬۰۰۰ پاسکال است.

انتقال گرما

گرما می تواند به سه طریق انتقال یابد: همرفت، تابش، رسانش. برخلاف دو روش همرفت و رساناش، در روش تابش گرما می تواند در فضای خلا نیز منتقل شود. رسانش، انتقال مکانیکی گرمای داخل ماده از بخش گرم تر به بخش سردتر، بدون حرکت توده ماده است. طبق قانون دوم ترمودینامیک، گرما همیشه از جسم گرم تر به جسم سردتر منتقل می شود. در گازها و مایع ها، رساناش گرما از طریق برخورد و تصادم مولکول ها طی حرکتهای تصادفی شان اتفاق می افتد. در جامدات، مولکول ها، که حرکت تصادفی ندارند، از طریق لرزش گرما را به مولکول های مجاور منتقل می کنند یا اینکه الکترون های آزاد انرژی جنبشی را به اتم های دیگر انتقال می دهند. فلزات، بیشترین رسانش گرمایی را دارند. مایعات و گازها، گرما را از روش همرفت و از طریق حرکت توده ماده نیز انتقال می دهند. برای مثال، یک حباب داغ گاز در جو خورشید می تواند پیش از مضمحل شدن، گرما را به لایه های بالایی که خنک تر هستند، منتقل کند. انتقال گرما می تواند هنگام تابش، که در آن انرژی از جسمی به جسم دیگر منتقل می شود نیز روی دهد. مثلاً نور خورشید، با افزایش انرژی جنبشی مولکول های جو و سطح زمین، موجب گرم شدن آنها می شود.

حرکت براونی

حرکت براونی حرکت آشفته و تصادفی ذرات نسبتاً بزرگ و معلق را در یک محیط گازی یا مایع مانند دود در هوا توصیف می کند. این نام به افتخار رابرت براون روی این پدیده گذاشته شد، پزشک و گیاه شناس اسکاتلندی که جزئیات حرکت این ذرات را در سال ۱۸۲۷ مطالعه کرد. براون متوجه شد که گرده های گل در آب در مسیری شبیه زیگزاگ حرکت می کنند. بعدها، اینشتین در سال ۱۹۰۵ نشان داد با فرض اینکه مولکول های کوچکتر مایع به دلیل انرژی گرمایی شان به طور پیوسته به این ذرات نسبتاً بزرگ شناور برخورد می کنند، می توان حرکت براونی آنها را به صورت ریاضی پیش بینی کرد. یکی از نتایج نظریه این بود که جابجایی ذره معلق از مبدا با گذشت زمان، با عکس ریشه دوم زمان سپری شده تناسب دارد.

فیزیکدان فرانسوی، جین پرین (Jean Baptiste Perrin) با آزمایش هایی که انجام داد نه تنها مشخص کرد که پیش بینی ریاضی اینشتین صحیح بوده است، بلکه توانست ابعاد مولکول های آب را از روی الگوی حرکتی ذرات مورد آزمایش محاسبه کند.

کار و انرژی

کار نتیجه اعمال نیرو و ایجاد جابجایی است، درحالی که انرژی، ظرفیت انجام کار است، چیزی شبیه جریان برق که در مدار جریان دارد و می تواند به مصرف برسد و سبب ایجاد کار شود. از منظر جسم متحرک، کار انجام شده توسط یک نیرو برابر است با حاصل ضرب نیرو در میزان جابجایی.

از منظر ترمودینامیک، کار تعریف پیچیده تری دارد. در آنجا کار برای مثال به انرژی منتقل شده به گاز گفته می شود، اما به شرط آن که این انرژی به ایجاد تغییری ماکروسکوپی (از نظر فیزیکی، نمایان مانند انبساط حجم یا افزایش فشار منجر شده باشد. در این جا، درصورتی که انتقال گرما تنها موجب افزایش میکروسکوپی حرکت ذرات ماده شده باشد، کاری صورت نگرفته است. کار انجام شده برای فشردن گاز در یک ظرف به وسیله یک پیستون، تقریباً برابر با فشار گاز ضرب در تغییر حجم ایجاد شده است. تغییر در انرژی داخلی گاز نیز برابر با حاصل تفریق گرمای منتقل شده و کار انجام شده توسط گاز است که این خود روشی برای بیان قانون اول ترمودینامیک است.

نظریه ترمودینامیک

نظریه ترمودینامیک، شامل چهار قانون بنیادی، روابط بین کمیت هایی چون دما و کار را در یک سامانه ترمودینامیک (دماپویا) نشان می دهد. «تعادل گرمایی» وضعیت در سامانه در تماس با یکدیگر را توصیف می کند که به دلیل رسیدن به دمای تعادل هیچ تبادل خالص گرمایی با یکدیگر ندارند. «قانون صفرم ترمودینامیک» بیان می کند که در سامانه دما پویا که با سامانه سومی در تعادل گرمایی هستند، با یکدیگر نیز در تعادل اند. علت اینکه این قانون، صفرم نام گذاری شده، این است که دانشمندان آن را پس از کشف سه قانون اول ترمودینامیک، به دست آوردند. قانون اول ترمودینامیک می گوید انرژی درونی یک سامانه عایق، پایدار است. انرژی شیمیایی ممکن است به انرژی جنبشی تبدیل شود، اما جمع نهایی انرژی ها همواره یکسان خواهد بود. در قانون دوم نیز بیان می شود، از آنجایی که کیفیت توانایی انجام کار مفید توسط انرژی تغییر می کند، آنتروپی سامانه عایق (مقدار انرژی ورودی که به کار مکانیکی منتهی نمی شود)، همواره افزایش می یابد. قانون سوم می گوید، حداقل آنتروپی در دمای صفر مطلق محقق می شود.

حالت های ماده

از نظر علم فیزیک، ماده می تواند در یکی از فازهای جامد، مایع یا گاز قرار داشته باشد. موادی که حجم و شکل ثابت دارند، جامد هستند. مایعات حجم ثابتی دارند اما شکلشان تغییر می کند و گازها، شکل و حجم متغیر دارند. انتقال فاز یا تغییر حالت ماده می تواند با تغییر در فشار یا درجه حرارت اتفاق بیفتد. در فشار جو، آب خالص در دمای بالای صفر درجه سلسیوس از حالت یخ جامد به مایع ذوب می شود و در دمای بیشتر از ۱۰۰ درجه سلسیوس به جوش می آید و به بخار آب تبدیل می شود. در وضعیتی موسوم به «حالت سه گانه»، نیز می توان هر سه فاز ماده را کنار هم داشت. برای مثال، می توان آب را در سه فاز یخ، مایع و گاز در دمای 01/0 سلسیوس و در فشار بسیار کم، درون یک ظرف مشاهده کر­­­د. پلاسما، گاز داغ یونیزه است (انم هایی که یک یا چند الکترون خود را از دست داده و به یون های مثبت تبدیل شده اند) و به عنوان حالت چهارم ماده شناخته می شود. این حالت ماده، از ستاره هایی مانند خورشید به فضای بین ستاره ای جریان پیدا می کند. فازهای غیرمعمول دیگری مانند فاز «چگالش بوز-اینشتین» نیز تعریف شده اند.

کشش سطحی

کشش سطحی در نتیجه نیروی کشش رو به داخل بین مولکول های سطح مایع به وجود می آید و آنها را وادار می کند کمترین مساحت ممکن را به خود بگیرند. درنتیجه این کشش، لایه رویی مایع قوی تر از سایر بخش ها می شود، مثلاً آب می تواند یک سوزن یا گیره کاغذ را روی سطح نگه دارد. داخل مایع، مولکول های مایع از تمام جهات به شکل مساوی توسط مولکول های مجاور کشیده می شوند، در نتیجه نیروی وارد بر آنها خنثی می شود. اما مولکول های سطح، از بالا کشیده نمی شوند و فقط به سمت هم کشیده می شوند که باعث می شود سطح در حداقل اندازه ممکن، جمع (منقبض شود. در صورت غیبت نیروهای دیگر مانند گرانش، شکل قطره آب به سبب نیروی کشش سطحی، کاملا کروی خواهد شد؛ زیرا در میان اشکال مختلف، کره از کمترین نسبت سطح به حجم برخوردار است. کشش سطحی نیرویی است که پیوسته برای رساندن سطح مایع به کوچکترین میزان ممکن در چالش است. بسیاری از حیوانات در تالاب ها و دریاچه ها از این خاصیت فیزیکی آب برای حیات خود بهره می برند. زندگی حشراتی مثل آب دزدک یا آبرو، وابسته به راه رفتن روی سطح آب است.

قانون ارشمیدس

قانون ارشمیدس بیان می کند که نیروی شناوری وارد بر جسم غوطه ور در سیال (مایع یا گاز) برابر است با وزن مقداری از مایع که براثرفرورفتن جسم جابه جا شده است. این قانون به این نکته اشاره می کند که یک جسم زمانی می تواند در سیال میزبان غرق شود که چگالی میانگین آن بیشتر باشد. ارشمیدس دانشمند و مهندس یونانی بود که در قرن سوم پیش از میلاد زندگی می کرد. تاریخ دانان بعد از او حکایت می کنند که ارشمیدس وظیفه داشت تشخیص دهد در تاجی که قرار بود از طلای ناب ساخته شده باشد، نقره کم بها نیز به کار رفته است یا نه. روزی ارشمیدس در حمام متوجه شد که با غوطه ور شدنش در وان، آب بالا می آید و بعد دریافت که با غوطه ور کردن تاج در آب و اندازه گیری حجم آب، می تواند حجم تاج را محاسبه کرده و چگالی آن را به دست بیاورد و بعد، میزان خلوص تاج را، بدون آسیب زدن به آن تخمین بزند. افسانه ها می گویند ارشمیدس بعد از کشف این راه حل، برهنه در خیابان می دوید و فریاد می زد: «Eureka» که در یونانی یعنی «یافتم». اصل او تشریح می کند که کشتی ها چطور شناور می مانند و چرا هوای گرم موجب صعود بالن می شود (هوای گرم داخل بالن، چگالی کمتری نسبت به هوای سرد بیرون آن دارد).

دینامیک سیالات

دینامیک سیالات علم چگونگی جاری شدن سیال ها است. در طراحی بسیاری از ملزوماتِ زندگی روزمره، مانند هواپیما، کشتی، خطوط انتقال نفت و غیره، علم دینامیک سیالات نقشی اساسی ایفا می کند.

قایقی که روی آب در حرکت است، با دو نوع مقاومت اصلی روبرو است: اول نیروی مقاومت آب در برابر حرکت قایق و دوم ویسکوزیته یا چسبناکی یا گران روی آب. در علم دینامیک سیالات، «عدد رینولدز» رابطه بین میزان اهیمت نسبی این پارامترها را در جریان اطراف یک سطح مانند بدنه کشتی یا دیواره های خطوط لوله بیان می کند. عدد رینولدز کوچک، از روانی بیشتر سیال هنگام حرکت می گوید، حال آنکه بزرگ تر بودن عدد رینولدز نشانه حرکت متلاطم، آشوبناک و گردابی سیال است. یک مفهوم کلیدی در دینامیک سیالات، «اثر برنولی» است که می گوید: جریان سریع تر سیال موجب کاهش فشار آن می شود. سطح محدب بالای بال هواپیما برای این است که هوا مسیر طولانی تری در بالا بپیماید و درنتیجه سرعت آن افزایش یافته و فشار هوا کمتر شود. به این ترتیب فشار بر زیر بال بیشتر از بالای آن بوده و یک نیروی خالص رو به بالا (نیروی برآ) ایجاد می کند.

انواع موج

موج نوعی آشفتگی است که در فضای خالی یا محیط میانجی مانند هوا یا آب منتشر می شود و معمولاً انرژی را در مسیر حرکت خود منتقل می کند. در امواج عرضی، این آشفتگی در زاویه ۹۰ درجه نسبت به مسیر حرکت موج رخ می دهد. امواج الکترومغناطیسی، مانند نور مرئی، از نوع امواج عرضی هستند که در آن میدان های الکتریکی و مغناطیسی، در زاویه های ۹۰ درجه نسبت به مسیر حرکت موج به نوسان درمی آیند. در امواج طولی، آشفتگی موازی مسیر حرکت موج است. این امواج شامل امواج صوتی در گازها و مایعات می شوند. امواج آب، مثالی برای موجی است که هم عرضی و هم طولی است. چوب پنبه شناور روی آب، در مسیر گسترش دایره موج آب، به حرکت درمی آید. موج ها با مؤلفه های طول موج (فاصله بین بالاترین صعود و پایین ترین سقوط)، بسامد یا فرکانس (سرعت عبور موج از یک نقطه مشخص) و دامنه یا شدت ارزیابی می شوند. امواج ساکن یا ایستاده زمانی به وجود می آیند که امواج در یک موقعیت ثابت در حرکت باشند، درست مثل وقتی سیم گیتار می لرزد. این امواج همیشه یک موج کامل یا یک نیم موج را در بردارند و به همین خاطر، طول سیم تعیین کننده طول موجی است که قرار است ایجاد شود.

امواج صدا

امواج صدا نوسان های فشاری هستند که در بستر گاز، مایع یا جامد گسترش می یابند. صدا در خلأ انتقال نمی یابد. در گازها و مایعات، صدا موجی طولی است، اما صدا می تواند از جامدات به صورت موج عرضی نیز عبور کند. انسان ها صدا را می شنوند چون این امواج پرده گوش را می لرزانند. این لرزش ها به گوش داخلی منتقل شده و پس از دریافت توسط یاخته های عصبی برای تحلیل به مغز منتقل می شوند. موجی با بسامد بالاتر موجب نوسانات رفت و برگشتی سریع تر هوا می شود و ما آن را به صورت صدای بلند تر دریافت می کنیم. شنوایی انسان به طور معمول، به بسامدهایی بین ۲۰ الی ۲۰۰۰۰ هرتز (چرخه تکرار موج در واحد ثانیه) را تشخیص می دهد و با بالاتر رفتن سن، محدوده شنوایی، کمتر نیز می شود. سرعت صدا تنها به بستر گسترش موج بسنگی دارد. در هوایی با دمای ۲۰ درجه سلسیوس در فشار سطح دریا، صدا با سرعت ۳۴۳ متر بر ثانیه پیش می رود. یکای اندازه گیری امواج صدا، دسی بل است. بلندای صدای مکالمه ما حد ۶۰ دسی بل و بلندای صدای موتورسیکلت حدود ۱۰۰ دسی بل است.

اثر داپلر

اثر داپلر توضیح می دهد که بسامد امواج بستگی به حرکت منبع تولید موج نسبت به مشاهده گر دارد. این قاعده فیزیکی توضیح می دهد که چرا صدای آژیر ماشین آتش نشانی هنگام نزدیک شدن به ما تیزتر از زمانی است که از ما دور می شود. وقتی منبع صدا به ناظری نزدیک می شود، امواج پی در پی از موقعیت نزدیکتری به مشاهده گر می رسند و به دلیل کوتاه شدن زمان انتقال صوت، فاصله میان قله های موج کوتاه شده و صدا تیزتر می شود. برعکس، زمانی که منبع صدا در حال دورشدن است، امواج پی در پی با فاصله زمانی بیشتری به ناظر می رسند، در نتیجه امواج کش می آیند و بسامد صدای دریافتی کمتر از بسامد صدای تولیدی خواهد شد. این اثر به پاس کشف توسط فیزیک دان اتریشی، کریستیان داپلر (Christian Doppler)، که در سال ۱۸۴۲ آن را در امواج نور کشف کرد، به نام او ثبت شد. چون بسامد نور رنگ آن را تعیین می کند، بنابراین رنگ نوری که از منبع در حال حرکت ساطع می شود، بسته به دور یا نزدیک شدنش به مشاهده گر ممکن است با رنگ دریافت شده، تفاوت کند. مثلاً اگر منبع نور سبزی به سمت مشاهده گر نزدیک شود، رنگ نورش آبی تر و اگر دور شود، قرمزتر دیده می شود.

بار الکتریکی

بار الکتریکی از مشخصات بسیاری از ذرات مدل استاندارد از جمله الكترون است. این خاصیت موجب می شود در صورتی که دو ماده باردار در جوار هم قرار بگیرند بر یکدیگر نیروی ربایش یا رانش وارد کنند. بار الکتریکی می تواند مثبت یا منفی باشد. مواد با بار الکتریکی مشابه یکدیگر را می دانند و با بار الکتریکی متفاوت، هم را می ربایند.

یکای بار الکتریکی را «كولن» می نامند؛ یک کولن میزان باری است که در یک ثانیه در جریانی معادل یک آمپر منتقل می شود. بار منفی الکترون برابر 19-­10×602/1- کولن است. برای سادگی محاسبات، بار الکترون برابر 1- و بار پروتون برابر 1+ در نظر گرفته می شود. بار الکتریکی نقشی اساسی در حیات ما ایفا می کند و به ساختارهای جامد مانند زمین، ساختمان ها و حیوانات اجازه وجود می دهد. بخش اعظم داخل اتم ها را فضای خالی تشکیل داده است، اما آنها به درون یکدیگر بلعیده نمی شوند؛ چراکه الکترونهای اتم های مجاور، به سبب وجود بار الکتریکی یکدیگر را دفع می کنند. مواد بارداری که در جو خورشید قرار دارند نیز با تولید تابشی که موجب گرم شدن زمین می شوند، این سیاره را قابل سکونت کرده اند.

جریان الکتریکی

جریان الکتریکی شاری از بار الکتریکی است که توسط الکترون ها جابه جا می شود. وقتی مادهای رسانا به قطب های مثبت و منفی باتری متصل شود و اختلاف پتانسیل یا ولتاژ به وجود آید، جریان الکتریکی پیدا شده و الکترون های درون سیم از خروجی منفی به سمت خروجی مثبت حرکت می کنند.

شبکه های برق شهری، جریان برق متناوب تحویل مصرف کننده می دهند که پی در پی بین ۵۰ تا ۶۰ بار در ثانیه مسیر حرکت الکترون ها در آن تغییر می کند. یکای جریان الکتریکی آمپر است. یک آمپر معادل جاری شدن یک کولن بار الکتریکی در یک ثانیه است. مقاومت الکتریکی به میزان مقاومت مواد مختلف در برابر جاری شدن جریان الکتریکی اطلاق می شود و یکای اندازه گیری آن «اُهم» است. فلزاتی چون نقره و مس مقاومت کمی در برابر جریان الکتریکی دارند و الکترون ها به سهولت درون آنها به حرکت درمی آیند، درحالی که پلاستیک ها و چوب مقاومت بسیار بالایی دارند که آنها را تبدیل به رساناهایی ضعیف می کند. جریان درون سیم برابر ولتاژ اعمال شده بر دو سر آن تقسیم بر مقاومت الکتریکی آن است. توان الکتریکی نیز به انرژی الکتریسیته ای گفته می شود که در واحد زمان منتقل شده است و برابرحاصل ضرب ولتاژ در جریان است.

مغناطیس

مغناطیس خاصیتی از ماده است که موجب اعمال نیرو درون میدان مغناطیسی به ماده می شود. این همان خاصیتی است که موجب جهت گرفتن الگودار براده های آهن در نزدیک یک قطعه آهن ربا و نیز چسبیدن آهن رباها به در یخچال می شود. آهن رباهای میله ای، نوارهایی از فلز مغناطیسی شده (معمولاً آهن) هستند که میدانی دوقطبی با قطب های شمال و جنوب تشکیل می دهند. قطب های مخالف یکدیگر را جذب می کنند و قطب های موافق یکدیگر را می دانند. میدان مغناطیسی آهنربای دائمی به این سبب است که الکترونهای درون آن، به دلیل خاصیتی ذاتی به نام «اسپین» (ممان مغناطیسی)، میدان های مغناطیسی کوچکی در راستای هم تشکیل داده اند. در فلزاتی مانند آهن، ممان های مغناطیسی غیرهمسو، می توانند در یک راستا قرار گیرند. دانشمندان در اوایل قرن نوزدهم میلادی دریافتند که ارتباطی بین مغناطیس و جریان الکتریکی وجود دارد. مثلا جریان الکتریکی که از درون سیم پیچ عبور می کند، میدان مغناطیسی دوقطبی شبیه به آهن ربا ایجاد می کند. آهن رباهای الکتریکی امروزی توانسته اند به میدان های مغناطیسی رکوردشکنی تا ۳۵ تسلا دست یابند. یک تسلا تقریباً ۲۰۰۰ برابر قوی تر از میدان مغناطیسی زمین است.

القاء و خازن

القاء الکتریکی زمانی رخ می دهد که ماده ای رسانا درون میدانی مغناطیسی حرکت کند. دانشمند انگلیسی مایکل فارادی (Michael Faraday) در سال ۱۸۳۱ نشان داد این اتفاق موجب ایجاد جریان الکتریکی درون ماده رسانا می شود. از فرآیند القاء در طراحی تجهیزات الکتریکی مانند موتورها و ژنراتورهای الکتریکی استفاده می شود. ژنراتورها حرکت دورانی توربین را به برق تبدیل می کنند و موتورهای الکتریکی جریان الکتریکی را به حرکت دورانی تبدیل می کنند. در هر دو مورد، حرکت میدان مغناطیسی و جریان الکتریکی عمود بر یکدیگر هستند که ارتباط آنها با یکدیگر به کمک قوانین دست راست و دست چپ نمایش داده می شود، که اولین بار مهندس انگلیسی، جان آمبروز فلمینگ آن را تشریح کرد. همچنین در مدارهای الکتریکی خاصیتی به نام «خودالقایی» وجود دارد که با تغییرات جریان در سیم رسانا، میدان مغناطیسی متغیری به وجود می آید که بر جریان تأثیر می گذارد. القاگرها، افزاره های الکتریکی هستند که برای ذخیره کردن انرژی در میدان های مغناطیسی القایی طراحی می شوند. خازن ها نیز برای ذخیره انرژی در میدان های الکتریکی طراحی می شوند. در خازن های ساده، بارهای الکتریکی متضاد روی دو صفحه موازی انباشته می شوند.

تابش الکترومغناطیس

تابش الكترومغناطیس، گونه ای از انرژی است که می تواند در فضای خلأ حرکت کند و نور مرئی را نیز در برمی گیرد. این تابش همچنین شامل پرتوهای گاماست که می توانند با آسیب زدن به یاخته های زنده موجب بیماری های تشعشعی بشوند و نیز شامل امواج رادیویی است که برای ارتباطات بی سیم حیاتی هستند. تابش الکترومغناطیسی، موجی عرضی است که شامل میدان های مغناطیسی و الکتریکی می شود. در فضای خلأ، امواج با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت می کنند، اما طول موج آنها گوناگون است.

تشعشعات گاما طول موج های بسیار کوچکی دارند که از ابعاد یک اتم هم ریزتر است، در حالی که طول موج امواج رادیویی می تواند هزاران کیلومتر باشد.

ما تنها قادریم بخش کوچکی از تابش الکترومغناطیس را ببینیم؛ نور مرئی که در گستره رنگین کمانی از رنگ های مختلف، از بنفش تا قرمز تقسیم می شود. نور مرئی خورشید از جو زمین عبور می کند و با بازتاب از سطح اجسام، به ما قدرت دیدن آنها را می دهد. بسیاری از حشرات، ماهی ها و پرندگان قادرند امواج ماوراء بنفش را نیز ببینند. امواج ماوراء بنفش به زنبورها در یافتن گل ها کمک می کند. پرتوهای گاما نفوذپذیری بیشتری دارند و می توانند تا چند سانتی متری سرب نفوذ کنند.

فوتون ها

فوتون واحد کوانتومی هر نوع تابش الکترومغناطیسی و «واحد» پایه نور است. در خلأ، فوتون ها همه با سرعتی حدود 000, 300 کیلومتر بر ثانیه حرکت می کنند. نور گویی شخصیتی دوگانه دارد و می توان آن را هم به عنوان موج و هم به عنوان جریانی از ذرات به حساب آورد. آلبرت اینشتین هویت ذره مانند نور را کشف کرد و آن را «اثر فوتوالکتریک» نامید. این اصل فیزیک تشریح می کند زمانیکه نور به سطح فلز تابیده می شود، فلز الکترون آزاد می کند. شگفت آور اینکه نور آبی ملایم این ویژگی را دارد، اما نور قرمز با هر شدتی فاقد این خاصیت است. اینشتین متوجه شد این خاصیت به دلیل وجود بسته های گسسته انرژی درون نور است. یک فوتون واحد از نور آبی، انرژی کافی برای جدا کردن یک الكترون تنها از فلز را دارد، اما فوتون های نور قرمز، فارغ از تعدادشان، فاقد این بسته انرژی هستند. فوتون ها جرم یا بار الکتریکی ندارند، اما انرژی جنبشی را منتقل می کنند. انرژی یک فوتون نور متناسب با بسامد آن نور است، طوری که فوتون های پرتو گاما میلیاردها بار انرژی بیشتری نسبت به فوتون های رادیویی حمل می کنند.

لیزرها

نور لیزر بسیار هدایت شده تر از نور معمولی است؛ مثل ارتشی در حال رژه رفتن در مقایسه با مردم عادی. درحالی که نور ساطع شده از یک لامپ دارای طول موج های متفاوتی است، نور لیزر تنها شامل یک طول موج است. در این صورت ستون بسیار باریک تری از نور تشکیل می شود که همدوس است؛ یعنی پیوسته و به هم چسبیده حرکت می کنند و مقصد مشترکی نیز دارند؛ مانند ستونی از سربازان هم قد که قدم جای قدم دیگری می گذارند. لیزرها (مخفف تقویت نور به روش گسیل القایی تابش)، اولین بار در دهه ۱9۶۰ گسترش یافتند. نور لیزر زمانی تولید می شود که اتم ها یا مولکول ها در خلأ به سطوح بالاتر انرژی تحریک شوند؛ سپس با آزاد کردن فوتون هایی با انرژی مشخص دوباره به سطح قبلی انرژی خود بازگردند. این مجموعه فوتون های هم انرژی و همسان که پی درپی تولید شده اند، زنجیره ای را تشکیل می دهند که «پرتو لیزر» نام دارد. لیزرها امروزه در بسیاری از فعالیت های روزمره بشر، مانند خواندن اطلاعات از روی دیسکهای فشرده و بارکدخوان ها و نیز به عنوان ابزاری برای عمل های جراحی بیمارستانی نقش دارند. لیزرهای پرتو گاما، در آینده می توانند انرژی را میلیون ها برابر بیشتر از جریان های الکتریکی امروزی، هدایت کنند.

بازتاب و شکست

در بسیاری از وضعیت ها، نور می تواند به عنوان موج عرضی تصور شود که در خطی مستقیم حرکت می کند تا اینکه به مانعی برخورد کند. نور پس از برخورد با موانع صیقلی مانند آینه ها، با زاویه متقارن با برخورد بازتاب می شود.

شکست، فرآیندی است که هنگام عبور نور از بستری شفاف (نورگذران) به بستر دیگر، مثلاً از فضای خالی یا هوا به آب اتفاق می افتد. نور در آب با سرعت کمتری نسبت به خلأ حرکت می کند و این تفاوت سرعت موجب خمیدگی نور یا شکست می شود. نسبت سرعت نور در خلأ به سرعت آن در آب، «ضریب شکست» آب نامیده می شود که برابر با 33/1 است.

وقتی نور وارد بستری چگال تر از بستر قبلی می شود به سمت عقب (متمایل به خط عمود بر سطح) منحرف می شود و هنگامی که بستر دوم نسبت به اولی چگالی کمتری داشته باشد به سمت جلو (به طرف خارج از خط عمود بر سطح) شکسته می شود. طراحی عدسی های شیشه ای عینک ها و دوربین ها بر پایه شکست نور انجام می شود.

پراش

پراش (افتراق)، نحوه خمیدگی امواج را حول موانعی که با آنها روبرو می شوند توصیف می کند. به عنوان یک مثال ساده، وقتی موج آب به مسیر باریک و بازی می رسد، هنگام خروج به شکل امواج دایره ای کوچک ظاهر می شود. این اصل را به راحتی می توان با ایجاد موج در ظرف آبی که دارای مانعی با دو شکاف در آن است، نشان داد و اثبات کرد. امواج مستقیمی که به مانع می رسند، در­­­ پشت شکاف ها موج های دایره ای کوچکی را تشکیل می دهند و همزمان که این امواج پیش می روند، با هم تداخل می کنند. الگوهای پراش یا انکسار نور می توانند این قدر منظم نباشند و بهترین حالت مشاهده آنها توسط نور لیزر است. الگوی پراش یک سوراخ مربع شکل به شکل صلیب است، درحالی که روزنه دایره ای، مجموعه ای ازدوایر هم مرکز ایجاد می کند. پراش نور در قطرات آب یا بلورههای یخ موجود در ابرها، گاهی موجب تشکیل حلقه نورانی زیبایی اطراف خورشید یا ماه میشود. باوجوداین، پدیده پراش برای طراحان وسایل نوری، عمدتا مزاحمت آفرین است و آنها مجبورند برای داشتن تصاویر با وضوح در دوربین های میکروسکوپ ها و تلسکوپ ها، محدودیت هایی را هنگام طراحی و تولید اعمال کنند.

قطبیدگی

قطبیدگی خاصیتی از امواج عرضی است که جهت نوسان آنها محد، وا شده است. در الکترومغناطیس، قطبیدگی یک موج الکترومغناطیسی مانند نور، نشان دهنده جهت بردار میدان الکتریکی آن نسبت به راستای انتشار است. نور، شامل میدان های الکتریکی و مغناطیسی است که به صورت عمود بر یکدیگر نوسان می کنند، اما میدان های الکتریکی موجود در نور معمولی مانند نور خورشید با نور مشعل یا فانوس در تمام صفحه ها (جهت ها) امکان انتشار دارد. پرتو نور با قطبیدگی خطی زمانی اتفاق می افتد که نوسانات میدان الکتریکی به یک صفحه محدود شده است. زمانی که نوسانات میدان الکتریکی به طور پیوسته در دوران باشد می توان مانند رزوه های دور درب بطری نور با قطبیدگی دایره ای نیز داشت. نور بازتابیده از سطوحی مانند جاده صاف یا آب زلال، تمایل به قطبیدگی خطی دارد. عینک های آفتابی پولاریزه با استفاده از فیلترهایی که مولکول های بلند زنجیره دارند، درخشندگی زننده نور را باز می تابانند و نور با قطبیدگی خطی را جذب می کنند، بنابراین فقط نور با مؤلفه عمودی از سطح آنها عبور می کند.

تداخل

تداخل یا اندرزنش زمانی رخ می دهد که موج هایی با یکدیگر همپوشانی داشته باشند. اگر دو سنگ را هم زمان داخل ظرف آب راکد بیندازید، خواهید دید که دو موج شروع به گسترش می کنند و از برخورد امواج با یکدیگر الگوی جدیدی تشکیل می شود. موج ها در نقاطی که حرکت همسو دارند (قله های امواج روی هم می افتد) یکدیگر را تقویت می کنند و اصطلاحاً «اندرزنش سازنده» ای تشکیل می دهند و در نقاطی که برخورد غیرهمسو دارند (قله یکی روی قعر دیگری می افتد)، «اندرزنش مخرب» ایجاد می کنند. لایه نازک روغن روی آب، هنگام بازتاب نور خورشید الگوهای رنگینی از تداخل نورهای بازتابیده از سطح روغن در کنار امواج بازتابیده از سطح تماس روغن و آب ایجاد می کند. دو نور بازتابیده مسیرهای مختلفی طی بازگشت می پیمایند و باهم اندرزنش کرده و بسته به طول موج (رنگ نور)، اندرزنش سازنده یا مخرب ایجاد می کنند. این پدیده باعث تجزیه نور سفید به رنگین کمانی از رنگها می شود که نسبت به زاویه دید، تغییر می کند. اندرزنش صدا زمانی قابل توجه است که دو موج صوتی تقریباً گام یکسانی داشته باشند. این پدیده که «اثر چهچه ای» (warbling effect) نام دارد، به خاطر اندرزنش های سازنده و مخرب به وجود می آید.

مکانیک کوانتومی

مکانیک کوانتومی شاخه ای بنیادی از فیزیک نظری است که پدیده های فیزیکی در مقیاس میکروسکوپی را توصیف می کند. با بروز شکاف هایی در فیزیک کلاسیک، علم مکانیک کوانتومی از اوایل قرن بیستم توسط دانشمندان توسعه پیدا کرد. مثلاً واضح بود که الکترون ها حول هسته اتم می گردند، اما اگر این گردش مانند گردش سیارات به دور خورشید باشد، آنها باید در کسری از ثانیه روی هسته سقوط کنند که مشخصاً این طور نمی شود. مکانیک کوانتومی نظریاتی چون اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را برای تشریح پدیده های غیرمتعارف در ابعاد ریز بیان می کند. یک مفهوم کلیدی این است که خواص ذرات، مثل انرژی الکترون های درون اتم، فقط به صورت گسسته (کوانتیزه) می تواند تغییر کند. دنیای کوانتوم به طور حیرت انگیزی غیرقابل پیش بینی است. تجربیات روزمره می گوید شما می توانید الکترونی را انتخاب کرده تا به آن نیرو وارد کنید و سپس پیش بینی کنید که آن الکترون، ثانیه ای بعد کجا قرار خواهد داشت. مکانیک کوانتومی می گوید این امر غیرممکن است. شما می توانید احتمال رسیدن آن الکترون به مکان مورد نظر را تخمین بزنید، اما تا وقتی موقعیت آن را نسنجیده اید (اندازه نگرفته اید، ممکن است در هر مکان دیگری باشد.

دوگانگی موج و ذره

ماده و انرژی در مقیاس های بسیار کوچک می توانند به دو صورت موج و ذره باشند. معمولاً ما انتظار داریم ذرات متحرک رفتاری مشابه موشک های کوچک (جسم های پرتاب شونده) داشته باشند، درحالی که امواج مانند موجی که در آب راکد ایجاد می شود، عمل می کنند. در مکانیک کوانتومی، این محدودیت برطرف شده است. در آزمایش دوشكاف، الکترون ها این نقش دوگانگی را به تصویر می کشند. وقتی الکترون ها از منبع نورانی به سمت صفحه شب تاب خارج شده و از دو روزنه در میان راه عبور می کنند، نوارهای تیره و روشنی مطابق رفتار موجی نور و در اثر اندرزنش موج ها روی صفحه ظاهر می شوند. ولی اگر روی پرده، نور با آشکارساز سنجیده شود، مشاهده می شود که به شکل ذره (فوتون) جذب شده است. اگر نور در مسیر خود از منبع تا پرده، تنها ویژگی ذره ای خود را نشان می دهد، تعداد فوتون هایی که به هر نقطه از پرده می رسیدند، جمع تعداد فوتون هایی بود که از شکاف ها عبور کرده اند. ولی آزمایش نشان می دهد که اگر دو شکاف باز باشد، شدت نور در بعضی جاها بیشتر و در بعضی جاها کمتر از رفتار ذرهای نور است. این پدیده نمایانگر اندرزنش سازنده و مخرب امواج نور است و با ماهیت ذرهای نور قابل توضیح نیست.

گربه شرودینگر

گربه شرودینگر آزمایشی ذهنی است که فیزیکدان اتریشی، اروین شرودینگر (Erwin Schrodinger) در سال ۱۹۳۵ ارائه کرد تا پارادوکس مکانیک کوانتومی را بیان کند: خواص ذرات کوانتومی تا وقتی که مشاهده نشده اند، قابل بیان نیستند. متلاشی شدن اتم پرتوزا ماهیتی کوانتومی دارد، اما برای گربه ای که درون یک جعبه، همراه با یک منبع پرتوزا، یک چکش، یک حسگر پرتوزا و یک شیشه سیانور قرار دارد، چه اتفاقی خواهد افتاد؟ مواد پرتوزا نیمه عمر دارند اما زمان دقیق متلاشی شدن یک اتم هرگز مشخص نیست. اگر حسگر و چکش طوری تنظیم شوند که در صورت تابش موج پرتوزا بین ساعت ۱۲ و 01:­12 دقیقه چکش شیشه سیانور را بشکند و گربه بمیرد چه اتفاقی می افتد؟ نظریه کوانتوم مانع پیش بینی زمان واپاشی هسته های پرتوزا می شود. اگر از طریق فرمول های کوانتومی بررسی کنید، ۵۰­% احتمال شکستن شیشه سیانور وجود دارد و در نتیجه هنگام برداشتن درب، گربه باید ۵۰­% مرده و ۵۰­% زنده باشد. شاید ساده ترین نگاه این باشد که نظریه کوانتوم در واقعیت این پارادوکس را ایجاد نمی کند، زیرا تنها روش اندازه گیری واقعی، نوع قابل مشاهده آن است که پاسخ آن یا گربه مرده است یا زنده و نه چیزی بین اینها.

درهم تنیدگی کوانتومی

درهم تنیدگی کوانتومی اثری شگفت انگیز است که بر اساس آن دو ذره می توانند «بدانند» ذره دیگر مشغول چه کاری است؛ حتی اگر فاصله بسیار زیادی از هم داشته باشند و هیچ راه ارتباطی با یکدیگر نداشته باشند. این اثر در بحث مکانیک کوانتومی بیان می شود، زیرا در این بستر است که می توان خواص دو ذره را به هم مربوط کرد و به همین دلیل این ذرات همواره باهم رابطه دارند. مثلاً، دو فوتون نور را در نظر بگیرید که وضعیت قطبیدگی آنها مشخص نیست، اما وقتی قطبیدگی آنها اندازه گیری شود، قضیه کاملاً برعکس می شود. این دو فوتون می توانند در فضا، با قطبیدگی نامشخص در خبر مخالف هم حرکت کرده و از هم دور شوند، اما اگر زمانی قطبیدگی یکی از فراوان ها اندازه گیری شود، می توان گفت قطبیدگی دومی نیز دقیقاً به اندازه آره اولی است.

آلبرت اینشتین برخی از تعابیر مطرح شده در بحث مکانیک کوانتومی را اماں یا مردود می دانست. به عنوان مثال او در صحت نظریه ای که به رفتار شبح وار مسافت» مشهور بود و بعدها پایه همین نظریه درهم تنیدگی وانتومی شد، مشکوک بود. اما آزمایش هایی که بعدها انجام شد، ثابت کرد ، چنین پدیده ای واقعاً وجود دارد و اتفاق می افتد. دانشمندان با موفقیت توانستند از آزمایش دو فوتون درهم تنیده در دو جزیره از جزایر قناری اسپانیا با فاصله ۱۴۰ کیلومتر از هم، این نظریه را ثابت کنند.

اثر کاسیمیر

اثر کاسیمیر در مکانیک کوانتومی نیروی کوچک کشنده بین دو صفحه «رسانا»، «موازی»، «بدون بار» و «واقع در خلأ» را توصیف می کند. خلأ فضایی کاملاً خالی نیست و دائماً در تلاطم و غلیان انرژی ها و ذراتی است که پیوسته به وجود آمده و ناپدید می شوند. در سال ۱۹۴۸، دانشمند هلندی، هنریک کاسیمیر (Hendrik Casimir) این نظریه را مطرح کرد که در صفحه فلزی که در فاصله بسیار نزدیک هم قرار دارند، از عبور امواج نوری که بزرگ تر از فاصله میان آنهاست، جلوگیری می کنند. اگر فاصله بین دو صفحه تنها چند نانومتر باشد، انرژی بیرون دو صفحه از انرژی مابین دو صفحه بیشتر خواهد بود و این موجب بر هم خوردن برایند نیروهای وارد به صفحات و جذب شدن آنها به یکدیگر می شود. مشابه این پدیده در دریانوردی رخ می دهد: دو کشتی بزرگی که پهلو به پهلوی هم و در دریای آرام و بدون باد قرار دارند، به سمت یکدیگر کشیده می شوند. درواقع کشتی ها امواج بین خود را از بین می برند، درحالی که امواج بیرون آنها را به سمت یکدیگر فشار می دهند. اثر کاسیمیر، بسته به وضعیت چینش صفحات می تواند منجر به نیروی دافع نیز بشود. روزی علم قادر خواهد بود از این خاصیت فیزیک برای رفع اصطکاک مخرب بين قسمت هایی از دستگاه ها بهره ببرد.

ابرشاره ها

ابر شاره ها گرانروی (ویسکوزیته) یا چسبناکی ندارند و در نتیجه بدون اصطکاک حرکت می کنند. در سال ۱۹۶۲ اولین ابرشاره با استفاده از هلیوم -۴ در دمای 17/2 درجه کلوین ساخته شد. هلیوم -۳ نیز می تواند ابرشاره باشد، اما برای این کار به دمای پایین تری نیاز است. ابرشاره ها به خاطر رفتار شگفت انگیزشان مشهور هستند. در ظرف آزمایشگاهی، ابرشاره به اطراف و بالا می خزد. خاصیت غیرمعمول دیگر ابرشاره این است که اسپین آنها کوانتیده (گسسته) است و فقط با سرعت های مشخصی می چرخند. وقتی ظرف حاوی ابرشاره با سرعتی کمتر از سرعت صوت در آن مایع به گردش در می آید، مایع حرکت نمی کند. اما وقتی سرعت گردش ظرف به سرعت صوت در آن مایع برسد، مایع ناگهان با سرعت معادل سرعت صوت به گردش در می آید. همچنین ابرشاره های کامل رسانایی گرمایی بی نهایت دارند. حرارت از نقطه ای در هليوم ابرشاره با سرعت امواج صوت (حدود ۲۰ متر بر ثانیه) منتقل می شود. نام ابرشاره به همان دلیلی انتخاب شده که نام ابررسانا انتخاب شده است و به موادی اشاره دارد که جریان های الکتریکی را بدون مقاومت از درون خود انتقال می دهند.

چگالش بوز- اینشتین

چگالش بوز- اینشتین به وضعیت عجیبی از ذرات بعضی از مواد در دمای نزدیک به صفر مطلق مربوط می شود که در آن، ماده به پایین ترین سطح انرژی ممکن خود می رسد. این چگالش پنجره ای شگفت انگیز به دنیای فیزیک کوانتومی است، زیرا اثرات کوانتومی را در مقیاس ماکروسکوپی نمایان می کند. در میانه دهه ۱۹۲۰، فیزیکدان هندی، ساتیندرا ناث بوز (Satyendra Nath Bose) و آلبرت اینشتین وجود چنین چگالش هایی را پیش بینی کردند. این چگالش ها از ذراتی به نام «بوزون ها» تشکیل می شوند که مقادیر کاملی (عدد صحیح) از خاصیت اسپین کوانتومی دارند. در سال ۱۹۹۵، دانشمندان دانشگاه کولورادو اولین چگالش بوز- اینشتین را به وسیله سرمایش اتم های روبیدیوم در نزدیکی دمای صفر مطلق ساختند. این اتم ها با همپوشانی یکدیگر حبابی را تشکیل دادند که رفتاری مانند یک «ابراتم» نشان می داد. ممکن است روزی چگالش بوز- اینشتین کاربردی عملی نیز پیدا کند. لیزرها در فناوری نوین جایگاهی ویژه پیدا کرده اند، زیرا فوتون های نور همسانی خلق می کنند که کنترل آنها آسان است. چگالش بوز- اینشتین می تواند پاسخگوی فناوری های نوینی باشد که نیازمند کنترل دقیق اتم های همسان هستند.

ابررسانایی

ابررسانا ماده ای است که الکتریسیته را بدون هیچ مقاومتی از درون خود عبور می دهد. در ابررسانایی کامل، جریان الکتریکی در مدار بسته ابررسانا را ابد حرکت خواهد کرد. ابررسانایی نخستین بار در جیوه کشف شد. در دمای ۴ درجه کلوین، مقاومت الکتریکی این عنصر از بین می رود. فیزیک نظری تابا می کند که در دماهای پایین، ابررسانایی تقویت می شود، زیرا الکترون هایی که از میان شبکه بلورهای عبور می کنند، آن شبکه را از شکل اصیل خارج و مسیرهایی از بار مثبت ایجاد می کنند که راه را برای عبور الکترون های بعدی از همان منطقه هموار می کند. ابررساناهای شناخته شده، شامل فلزات، پلیمرها و حتی سرامیک ها هستند. سیم پیچ های ابررسانایی که تا دماهای بسیار پایین سرد شده اند، به عنوان آهن رباهای ابررسانایی استفاده می شوند که می توانند میدان های مغناطیسی بسیار قدرتمند بسازند. از این میدان های مغناطیسی در اسکنرهای پزشکی و قطارهای شناور «مگلو»، که سرعت حرکت آنها به بیش از ۵۸۰ کیلومتر بر ساعت می رسد، استفاده می شود. هدف غایی فیزیک، یافتن موادی است که بتوان از آنها در دماهای قابل دسترس تر بالای صفر درجه سلسیوس بهره ابررسانایی برد.

مدل استاندارد ذرات

مدل استاندارد بیشتر ذرات بنیادی طبیعت را توصیف می کند. ریزترین آرا ماده، در دو خانواده قرار می گیرند، خانواده اول «کوارک ها» هستند که در اصطلاح دارای شش «طعم» مختلف هستند: بالا، پایین، افسون، شگفت، سر و ته (up , down , charm , strange , top , bottom). این مزه ها یا طعم ها «نیروی قوی» را احساس کرده و دارای بار الکتریکی مثبت دوسوم یا منفی یک سوم بار الكترون هستند. کوارک ها به صورت دوتایی یا سه تایی ترکیب شده و ذرات دیگری مانند فوتون ها و نوترون ها را تشکیل می دهند.

گروه دوم ذرات ماده، لپتون ها هستند که نیروی قوی را احساس نمی کنند. مشهورترین لپتون، الكترون است که دو هم خانواده دیگر به نام های میون (muon) و تائو (tau) دارد. هر سه لپتون، بار الکتریکی برابر و به اندازه منفی یک دارند. سه لپتون دیگر، یعنی نوترینوها از نظر بار الکتریکی خنثی و دارای جرم بسیار کمی هستند. نوترینوها از واکنش های هسته ای در خورشید سالم می شوند و به سمت زمین حرکت می کنند. همچنین، مدل استاندارد شامل ذرات حامل نیرو به نام بوزون ها (مانند فوتون ها) هستند. از جمله آنها می توان به بوزون هیگز اشاره کرد که باعث جرم دار شدن ذرات بنیادی می شود.

نیروهای ضعیف و قوی

در فیزیک ذرات، نیروی قوی (که با عنوان برهم کنش قوی یا نیروی هسته ای قوی نیز خوانده می شود) از نیروهای بنیادی طبیعت است. این نیروی کوارک ها را به یکدیگر مقید می کند تا پروتون ها و نوترون ها تشکیل شوند و همچنین پروتون ها و نوترون ها را در درون هسته اتم به یکدیگر مقید می کند. نیروی قوی در محدوده ای به اندازه هسته اتم عادی وجود دارد.

نیروی ضعیف یا برهمکنش ضعیف، نیروی بنیادی دیگر طبیعت است. محدوده آن بسیار کوچک و در حدود یک هزارم اندازه پروتون است. بارزترین اثر نیروی ضعیف، واپاشی بتا است که به هسته اجازه می دهد یک الكترون یا پوزیترون آزاد کرده و بار الکتریکی اش تغییر کند. همچنین نیروی ضعیف عامل همجوشی هیدروژنی در ستارگان است و به کوارک اجازه می دهد تا به مزه دیگری از کوارک تبدیل شود.

دانشمندان امیدوارند بتوانند نظریه واحدی با عنوان «نظریه همه چیز» ارائه دهند که برازنده توصیف رفتار هر چهار نیروی بنیادین یعنی نیروی قوی، نیروی ضعیف، الکترومغناطیس و گرانش در قالب یک معادله واحد ریاضی باشد.

پادماده

پادماده از ذراتی به نام پادذره (ضد ذره) تشکیل شده که با ذرات معمولی فرق دارند. در پادماده بار هسته منفی و بار ذرات الكترون مانند گرد هیستاء مثبت است. هر ذره ماده، پادذره متقابل خود را با جرم مساوی اما بار متضاد دارد و زمانی که این دو به یکدیگر برسند، یکدیگر را نابود می کند. فیزیکدان انگلیسی، پاول دیراک در دهه ۱۹۲۰ عنوان کرد که باید ذرهای در طبیعت هم جرم با الكترون ولی با بار متضاد آن وجود داشته باشد. این پادالکترون یا «پوزیترون» بعدها در سال ۱۹۳۲ به صورت آزمایشگاهی کشف شد. وقتی الکترون با پوزیترون ملاقات می کند، ناگزیر همدیگر را نابود کرده و به صورت پرتوهای گاما ناپدید می شوند. شاید در آینده از پادماده به عنوان سوخت مورد نیاز برای سفرهای بین ستاره ای استفاده شود، زیرا واکنش آن با ماده، انرژی بسیار پربازده ی تولید می کند. نظریات بیان می کنند که جهان تازه متولد شده، مقداری برابر از ماده و پادماده داشته، اما چرا امروز جهان در اختیار ماده است؟ شاید عدم تقارنی جزئی باعث پیروزی ماده بر پادماده شد و باشد. دلیل غریب تر شاید این باشد که پادماده در جایی بسیار دور که علم بشر تاکنون از دسترسی به آن عاجز بوده، وجود دارد و در آنجا کهکشان ها و ستارگانی از پادماده اجتماع کرده اند.

نظریه وحدت بزرگ

فیزیکدان ها تلاش می کنند تا نیروهای بنیادی طبیعت را زیر یک چتر گرد آورند. وحدت نیروی الکترومغناطیس و نیروی ضعیف از حیث نظری مشخص شده است. این دو نیرو، زمانی که ذرات بسیار پرانرژی در جهان تازه متولد شده پراکنده بودند، چون نیرویی واحد عمل کرده اند. اما تا امروز هیچ نظریه ای نتوانسته بین این دو نیرو و نیروی قوی اتحاد درستی برقرار کند. نظریه نهایی وحدت بزرگ باید جنبه های مختلف مدل استاندارد ذرات و نیروهایی را که هنوز بخش های ناشناخته زیادی دارند، تشریح کند. برای مثال چرا در مدل استاندارد ذرات شش کوارک و شش لپتون وجود دارد؟ یا چرا آنها جرم های مخصوص خودشان را دارند؟ اما نظریه هایی که تاکنون ارائه شده اند در عین پیچیدگی های ناخوشایند، راه زیادی تا حل زوایای ناشناخته و عجیب فیزیک دارند. هدف غایی این است که گرانش نیز با نیروهای دیگر در «نظریه ه600مه چیز» متحد شود. یکی از نامزدها برای تشکیل این اتحاد، نظریه ریسمان است که ذرات را مانند ریسمان های کوچک لرزان می پندارد. اما نظریه ریسمان هنوز پیشگویی های قابل آزمایشی ارائه نکرده است تا بتوان آن را با واقعیت های طبیعت محک زد.

ساختار اتم

هسته کوچک و چگال اتم از پروتون هایی با بار مثبت و نوترون هایی خنثی تشکیل شده و توسط ابری از الکترون ها احاطه شده است. از آنجایی که پروتون ها و نوترون ها خیلی از الکترون ها سنگین تر هستند، قسمت عمده جرم اتم در مرکز آن متمرکز شده است. هر عنصر شیمیایی تعداد منحصربه فردی پروتون درون هسته خود دارد که به آن «عدد اتمی» می گویند. به عنوان مثال، عنصر کربن با شش پروتون در هسته اش، عدد اتمی شش دارد. با وجود این، یک عنصر واحد می تواند تعداد متفاوتی نوترون در هسته خود داشته باشد. برای مثال، کربن سیاه ایزوتوپ مختلف با شش، هفت و هشت نوترون در هسته دارد. مجموع پروتون ها و نوترون های هسته اتم، عدد جرمی نامیده می شود.

معمولاً بار الکتریکی اتم صفر است، زیرا تعداد الکترون ها برابر تعداد پروتون ها است و تعداد برابر و متضاد بارهای الکتریکی موجب خنثی شدن بارها می شود. با وجود این، ممکن است الكترون ها از اتم جدا شده یا به اتم اضافه شوند و به این صورت یون های باردار مثبت یا منفی ایجاد کنند.

هسته اتم

هسته اتم بخش چگال اتم و محل حضور پروتونها و نوترون هایی است که در مرکز اتم قرارگرفته و با ابر الکترون ها احاطه شده اند. اگر ابعاد اتم به اندازه زمین فوتبال باشد، هسته آن حدوداً اندازه یک نخود فرنگی است. ساختار اتم تا سال ۱۹۰۹ ناشناخته بود تا اینکه فیزیکدان نیوزلندی، ارنست رادرفورد (Ernest Rutherford) با آزمایش مشهورش نشان داد که بار مثبت با چگالی زیاد در مرکز متمرکز شده است. گروه او در این آزمایش ذرات با بار مثبت الفا را به صفحه نازکی از طلا شلیک کردند و دریافتند که بیشتر آنها روی خط مستقیمی از درون ورقه طلا رد می شوند، هر چند تعدادی کمی از آنها با زاویه های بزرگ از آن دور می شوند. رادرفورد نتیجه گرفت که علت زاویه گرفتن برخی از ذرات آلفا به علت وجود هسته با بار همسان آنها در اتم است و علت اینکه عمده ذرات بدون انحراف یا با انحراف کم عبور می کردند هم نسبت بسیار کوچک هسته به کل اتم است. اکنون می دانیم که هسته اتم از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده است. پروتون ها به دلیل بارهای همسان مثبت باید از هم دور شوند، اما نیروی قوی جاذب بین پروتون ها و نوترون ها بر نیروی رانش غلبه کرده و آنها را در مرکز اتم نگه می دارد.

منبع: کتاب علم در چند دقیقه- نویسنده: هازل مویر، مترجم: علی اکبر رضوی

    دیدگاه

    شما هم می توانید دیدگاه خود را ثبت کنید



    کد امنیتی کد جدید