نگاهى به تاریخ و شاخه هاى گوناگون فیزیک

در قرن هفدهم نیوتن با کارهایى که بر روى نور انجام داد به این نتیجه رسید که نور از ذره هاى کوچک تشکیل شده است. دانشمندان دیگر معتقد بودند که ماهیت نور موج است. اما نفوذ نیوتن سبب شد که نظریه او براى مدت ۲۰۰ سال مورد قبول با شد.سرانجام در سال ۱۸۶۵ جیمز ماکسول فیزیکدان اسکاتلندى همه پدیده هاى الکتریکى و مغناطیسى را با تئورى خود تشریح و تفسیر کرد. او گفت که نور فقط بخشى از امواج الکترومغناطیسى است. ماکسول وجود امواج رادیویى، که موج، فروسرخ فرابنفش و اشعه ایکس و گاما که بعد از آن کشف شد را پیش بینى کرد.تا اواخر سال ۱۸۰۰ میلادى به نظر مى رسید که فیزیک ماموریت تشریح هر آن چیزى که بایستى نسبت به رفتارمان و انرژى دانسته شود، شناخته است. به هر حال چیزى فراتر از حقیقت نیست. در اوایل دهه ۱۹۰۰ میلادى فیزیک نیوتنى با دو نظریه نسبیت و کوانتوم مورد ضربه شدید قرار گرفت.در سال ۱۹۰۵ یک کارمند اداره ثبت  آلمانى به نام آلبرت اینشتین مقاله اى نوشت که در آن نظر کاملاً جدیدى در مورد مکان و زمان مطرح کرد. او پیشنهاد کرد که فضا و زمان نسبى هستند بدین معنى که اندازه گیرى آنها به چارچوب مرجع (محورهاى مختصات ناظر) بستگى دارد. ده سال بعد اینشتین تئورى نسبیت عمومى خود را ارائه داد و با ریاضیات نشان داد که فضا و زمان نسبى هستند. این تئورى همچنین جانشین تئورى جاذبه نیوتنى شد و به کمک نظریه انحناى فضا حرکت اجرام فضایى را تشریح کرد. نظریه نسبیت اینشتین آثار دیگر نجومى را که نظریه نیوتن نمى توانست آنها را توجیه کند پیش بینى کرد.اینشتین در مورد انرژى که ابتدا ماکس پلانک فیزیکدان آلمانى در سال ۱۹۰۰ نظر خود را اعلام کرده بود تفصیل و شرح استادانه اى ارائه داد. پلانک به این نتیجه رسید که انواع شکل هاى انرژى از بسته هاى کوچکى تشکیل شده اند که او آنها را کوانتوم نامید. اینشتین نظریه پلانک را در مورد نور به کار برد و ذره انرژى نور را فوتون نامید. با این مفهوم اثر فوتوالکتریک را تشریح کرد. در پدیده فوتوالکتریک تابش پرتوهاى فرابنفش به سطح فلز سبب خروج دانه هاى الکتریسیته به  نام الکترون مى شوند. این امر نیز ماهیت دوگانه نور را آشکار کرد و نشان داد که نور بعضى وقت ها مانند موج و بعضى وقت ها مانند ذره عمل مى کند نیلز بور فیزیکدان دانمارکى نظریه کوانتومى را براى اتم به کار برد. او شرح داد که در هر اتم الکترون ها مى توانند فقط سطح هاى مشخصى از انرژى را داشته باشند. هنگامى که یک الکترون از سطح انرژى بیشتر به سطح انرژى کمتر انتقال یابد تفاوت انرژى در اثر این پرش کوانتومى به صورت فوتون  نور تابش مى شود.در سال ۱۹۲۳ لویى ویکتور دوبروى فیزیکدان فرانسوى اعلام کرد که نور ماهیت دوگانه موج - ذره را دارد، الکترون ها نیز چنین وضعى دارند. هنگامى که نظر دوبروى مورد بررسى قرار گرفت مفهوم فیزیک کوانتومى و مکانیک کوانتومى روشن و موجب درک و فهم اساس ماده و حرکت شد.آزمایش هایى که بر روى هسته  اتم ها صورت گرفت سبب شد که تحقیقات فیزیک در قرن بیستم بر هسته متمرکز شود. وسیله اى که براى این تحقیقات به کار رفت شتاب دهنده ذرات بود که وسیله اى با انرژى بسیار زیاد است و مى تواند یک باریکه اى از ذره هاى اتمى الکتریسیته دار را به وجود آورد. فیزیکدانان از این ذره ها براى بمباران اتم ها و مطالعه در چگونگى شکسته شدن آنها استفاده مى کنند.مطالعاتى که با انرژى زیاد صورت گرفت سبب کشف دو ذره جدید زیراتمى شد. جریان مطالعات این پیشنهاد را در پى داشت که انواع ذره هاى بنیادى از چند ذره اصلى به نام کوارک ساخته شده اند.در اواخر قرن بیستم اطلاعاتى که دانشمندان از ذره هاى بنیادى و اثر متقابل آنها به دست آوردند تئورى جدید وحدت نیروها را مطرح کردند. این تئورى ترکیبى از چهار تئورى مربوط به نیروهاى گرانشى، الکترومغناطیسى، هسته هاى قوى و هسته هاى ضعیف بود که به صورت تئورى واحد همه نیروها را دربرمى گیرد. پژوهش هایى که در فیزیک ذرات بنیادى صورت گرفته منجر به پیدایش تئورى جدید جهان شناسى شده است. در این تئورى منشاء ساز و کار و تحولات جهان بزرگ بررسى مى شود. مثلاً در دهه ۱۹۲۰ ادوین هابل اخترشناس آمریکایى و دیگران کشف کردند که جهان منبسط و گسترده مى شود. این موضوع تحت عنوان تئورى بینگ بنگ بیان شده و مطرح مى کند که جهان در اثر یک انفجار بزرگ کیهانى آغاز شده است.
• شاخه هاى فیزیک
فیزیک را به طور سنتى به دو شاخه فیزیک کلاسیک و فیزیک جدید تقسیم مى کنند. فیزیک کلاسیک شامل مکانیک نیوتنى، ترمو دینامیک، اکوستیک، اپتیک و الکترومغناطیس است. 
• فیزیک کلاسیک
مکانیک نیوتنى شاخه اى از علم فیزیک است که براساس قوانین حرکت که در کارهاى آیزاک نیوتن است پایه گذارى شده است. امروزه این شاخه فیزیک داراى حوزه وسیعى از ریاضیات عالى است که فیزیکدانان آن را براى طراحى قطارهاى جدید، اتومبیل ها، هواپیماها و زیردریایى ها و موشک هاى دوربرد و فضاپیماها به کار مى برند.ترمودینامیک شاخه دیگرى از علم فیزیک است که در موضوع انتقال گرما، تبدیل گرما به کار مفید در اثر جابه جایى هاى فیزیکى یا واکنش هاى شیمیایى مطالعه مى کند. فیزیکدانان در این حوزه ممکن است در موضوع نیمه رساناها که گرما را از پرتوهاى خورشید مى گیرند و آن را به الکتریسیته تبدیل مى کنند کار کنند.
اکوستیک مطالعه  علمى بر امواج صوتى و کنترل صوت است. فیزیکدانان در این قسمت در طیف وسیعى کار مى کنند. آنها از لرزش هاى کوچک زمین تا نوسان هاى پرسامد فراصوتى که در پزشکى براى تشخیص بیمارى ها کاربرد دارند مورد مطالعه قرار مى دهند. مهندسى صدا که براساس فیزیک صوت قرار دارد در طراحى تئاتر و تهیه موزیک به کار مى رود. اپتیک به انواع پدیده هاى نورى مربوط مى شود. نور هندسى با پرتو هایى که به خط راست منتشر مى شوند (که پرتو نور نامیده مى شوند) مربوط مى شود. پدیده هاى بازتابش، شکست و تشکیل تصویر در ابزار هاى نور مانند آینه و عدسى در نور هندسى بحث مى شود. اپتیک فیزیک به ماهیت موجى نور و پدیده هاى تداخل، تفرق، قطبش که در ابزار هاى دقیق نورى مانند میکروسکوپ، دوربین عکاسى و فیلتر هاى نورى موثرند، مى پردازد.الکترومغناطیس شاخه اى از علم فیزیک است که از نیرو هاى میان مواد مغناطیسى، نیرو هاى میان جریان هاى الکتریکى و روابط میان این نیرو ها بحث و مطالعه مى کند. فیزیکدانان در این حوزه از علم با مغناطیس هاى الکتریکى که درماشین هاى صنعتى مانند موتور ها و ژنراتور ها و نیز ابزار ها علمى مانند شتاب دهنده ها و ابررسانا ها به کار مى روند سروکار دارند.
• فیزیک جدید
فیزیک جدید بر موضوعاتى مانند مکانیک کوانتومى، فیزیک هسته و ذرات بنیادى و فیزیک پلاسما متمرکز است.
مکانیک کوانتومى به بررسى ساختمان و طرز کار اتم ها و ذره هاى بنیادى با توجه به این نظر که همه انرژى ها به صورت کوانتومى هستند مى پردازد. کوانتوم مکانیک علم بررسى سلول هاى فوتوالکتریک، باترى هاى خورشیدى، پرتو فلورسنت، لیزر و اسپکتروسکوپ است. اسپکتروسکوپ دستگاهى است که براى تشخیص عناصر از یکدیگر از راه نورى که در اثر تحریک شدن تاثیر مى کنند به کار مى رود.
فیزیک هسته اى و ذره هاى بنیادى در مورد ویژگى هاى هسته و ذره هاى درون آن که هستک نامیده مى شوند بحث و مطالعه مى کند. ابزار آزمایش فیزیکدانان هسته اى و ذره هاى بنیادى شتاب دهنده هاى بسیار قوى ذرات و آشکار ساز ها هستند. فیزیکدانان هسته اى انرژى را که از راه شکافت هسته اى و پیوند هسته اى به وجود مى آید را کنترل مى کنند و آن را براى تولید انرژى هسته  اى و سلاح  هاى هسته اى به کار مى برند. آنها در بخش پزشکى هسته اى هم کار مى کنند تا روش هاى استفاده از مواد رادیواکتیو را براى تشخیص معالجه بیمارى ها بیابند.
فیزیک پلاسما مربوط به بررسى آثار و اعمال پلاسما است. پلاسما که حالت چهارم ماده نیز نامیده مى شود شکلى از ماده است که به صورت گاز یونیزه یون و در آن یون ها و الکترون ها به صورت آزاد حرکت مى کنند. در بیرون از اتمسفر کره زمین بیش از ۹۹ درصد موادى که در جهان قابل مشاهده هستند به صورت پلاسما موجودند. در روى زمین پلاسما فقط در چند جا مانند درون حباب هاى فلورسنت وجود دارد. امروزه در آزمایشگاه ها از طریق یونیزه کردن گاز ها در اثر جریان الکتریکى پلاسما تولید مى کنند. این پلاسماى مصنوعى را که اهمیت بسیار دارد در صنایع نیمه رسانا ها به کار مى برند.
• فیزیک و دیگر علوم
همه شاخه هاى فیزیک در یک یا چند موضوع با علوم دیگر مانند زیست شناسى، شیمى، زمین شناسى و اختر شناسى پیوند یافته و مبحث هاى جدید زیست فیزیک، شیمى فیزیک، زمین فیزیک و اختر فیزیک را به وجود آورده  اند.
زیست  فیزیکدانان درباره فیزیک موجودات زنده بحث مى کنند. به ویژه آنها مفاهیم و ابزار هاى فیزیک را براى حل مسائل زیست شناسى مانند ساختمان مولکول هاى مرکب یا ماهیت پالس هاى الکتریکى در مغز، در عصب ها، در ماهیچه ها و دیگر اندام ها به کار مى برند. مثلاً در قرن بیستم پراش پرتو ایکس نقش عمده اى در کشف ساختمان و طرز کار مولکول هاى مهم، پروتئین ها و دى ان اى بر عهده داشت.
زمین فیزیکدان ها از علم فیزیک براى مطالعه زمین و سیاره هاى همسایه آن استفاده کردند. روش آنها شامل مطالعه بر پوسته، هسته، اقیانوس ها و اتمسفر زمین و سیارات دیگر منظومه شمسى بود. زمین فیزیک خود شامل رشته هایى مانند زمین پیمایى یا مساحى (ژئودوزى)، لرزه شناسى، مغناطیس زمین است. در زمین پیمایى شکل زمین و میدان گرانش آن بررسى مى شود. در لرزه شناسى لرزه هایى که در اثر جابه جایى هاى درون زمین یا انفجار هاى هسته اى زیرزمینى به وجود مى آید مطالعه مى شود. موضوع مغناطیس زمین در رابطه با قطب ها و میدان مغناطیسى زمین است.شیمى فیزیکدان ها به مطالعه ساختمان ماده و تغییرات انرژى که در اثر واکنش هاى شیمیایى یا تغییر حالت هاى ماده (مانند وقتى گاز به مایع تبدیل مى شود) به وجود مى آید، مى پردازند.
کیهان شناسان در موضوع مبدا، ساختار و تحولات جهان مطالعه مى کنند. فیزیکدانان در این حوزه به شناسایى چگونگى سازوکارى جهان و تشخیص ماهیت ماده و انرژى مى پردازند. همانطورى که مکانیک کوانتومى در مورد هسته و ذره هاى اتمى به بررسى مى پردازد. رابطه تنگاتنگى میان مکانیک کوانتومى و اخترفیزیک وجود دارد که در تشریح ساختار و طرز کار ستارگان و دیگر اجرام فضایى به کار مى رود. اختر فیزیکدانان در تلاشند تا ویژگى هاى هر چیزى که در جهان بزرگ مشاهده مى کنند با واژه هاى دما، فشار چگالى و ترکیب هاى شیمیایى نشان دهند.

ریچارد فین من، فیزیکدان آمریکایى زمانى علم را با این گفته تشریح کرده بود که: «طبیعت یک بازى بزرگ شطرنج است که آن را خدایان بازى مى کنند و ما افتخار آن را داشتیم که آن بازى را نگاه کنیم. قوانین بازى چیزى است که ما آن را فیزیک اساسى و مبادى مى نامیم و هدف ما درک و فهم این قوانین است.» بر طبق گفته فین  من، فیزیک از گذشته هاى دور به عنوان علمى شناخته شده است که مى کوشد تا «همه چیز» را تشریح و تفسیر کند. فیزیک، مطالعه بر ماده و انرژى و کاوش دریافتن قوانینى است که رفتار آنها را مشخص مى کند. در حالى که شیمیدانان عنصرها و ترکیب ها را مطالعه مى کنند فیزیکدانان به مطالعه نیروهایى مى پردازند که عنصرها را به وجود مى آورند و با هم ترکیب و یا از یکدیگر جدا مى کنند. در حالى که اخترشناسان اجرام فضایى را مطالعه مى کنند، فیزیکدانان نیروهایى را مطالعه مى کنند که این اجرام را اینگونه شکل بخشیده اند و قوانینى را بررسى مى کنند که بر حرکت آنها در فضا حاکم هستند.
فیزیکدان ها مى خواهند بدانند که چه چیزى سبب مى شود که اتم ها به یکدیگر پیوند یافته و کهکشان ها از هم جدا هستند. براى درک همین مطالب است که نیروهایى مانند گرانش و پدیده هایى چون حرکت، مغناطیس، الکتریسیته و انرژى هسته اى را آزمایش و بررسى مى کنند.
بسیارى از بزرگترین فیزیکدانان جهان، همچون فین من تحقیقات علمى را دنبال مى کنند و به تدریس آنها مى پردازند. در حالى که گروه دیگرى از فیزیکدانان در صنایع، طراحى شبکه هاى ارتباطى برتر، نیروگاه هاى با بازده بالا، ساختمان هاى امن تر و کارخانه هاى اتومبیل سازى، کشتى سازى و هواپیماسازى بسیار پیشرفته اى که مقاومت هوا بر آن بسیار ناچیز است، کار مى کنند. بعضى از فیزیکدانان هم با پژوهشگران امور پزشکى همکارى مى کنند تا راه هاى جدیدى را براى کاوش در تن آدمى بیابند. ممکن است روزى فیزیکدانان راه هاى عملى را براى پرواز اتومبیل و قطار در هوا به دست آورند و انرژى نامحدود، ارزان و پاک را در اختیار همگان قرار دهند. این موارد فقط شمارى از فرصت هاى بى شمار عملى است که راه آن براى فیزیکدانان امروزى باز شده است.
• تاریخ فیزیک
ریشه هاى فیزیک را به عنوان یک علم حداقل از حدود ۲۶۰۰ سال پیش مى توان ردیابى کرد. در آن زمان بود که فیثاغورث، فیلسوف یونانى هماهنگى میان صوت تارها را در آلت موسیقى کشف کرد و آن را به صورت یک رابطه ریاضى نشان داد. همین موضوع سبب شد که فیثاغورث به دنبال یافتن قانون هاى ساده ریاضى باشد که پدیده هاى طبیعى را به درستى تشریح نمایند، قانون هایى که حرکت یک ذره معلق در فضا تا کل سازوکار جهان را نشان دهند. 
در حدود ۴۰۰ سال پیش از میلاد مسیح افلاطون و ارسطو نظر فیثاغورث را گسترش دادند. آنها نظمى را در گردش دایره اى ستارگان دیدند اما حرکت سیارات در خلاف جهت ستارگان و دور و نزدیک شدن آنها فکرشان را مغشوش کرد تا آن که در سال ۱۵۴۳ میلادى نیکلاى کپرنیک دانشمند لهستانى در فرضیه خود، با قراردادن خورشید به جاى زمین هماهنگى فیزیکى جهان را عرضه کرد. در دهه اول ۱۶۰۰ میلادى یوهان کپلر دانشمند آلمانى دریافت که مسیر سیارات دایره نبوده بلکه به صورت بیضى است. او به مدد رصدها و مطالعات خود قانون هایى را به دست داد که سرعت  مدار و زمان  گردش هر سیاره را به طور دقیق بیان مى کرد.در حدود همان سال ها گالیله فیزیکدان ایتالیایى و رنه دکارت ریاضیدان فرانسوى موضوع حرکت را مورد مطالعه قرار دادند. آنها جدا از هم دریافتند که اگر جسمى در حرکت باشد مسیر آن خط راست است و با سرعت ثابت جابه جا مى شود مگر آن که چیزى بر آن اثر کند یا نیرویى بر آن وارد شود. این فکر بنیاد قوانین حرکت بود که به وسیله آیزاک نیوتن فیزیکدان انگلیسى به وجود آمد.نیوتن در سال ۱۶۸۷ کتاب «اصول ریاضى فلسفه طبیعى» را نوشت. این کتاب یکى از متون بسیار مهم علمى است که تاکنون نوشته شده و راهنماى بسیارى از کارهاى علمى است که مورد پذیرش قرار گرفته است. در این کتاب نیوتن سه قانون حرکت را مورد بحث قرار داده است: قانون اینرسى، قانون شتاب ثابت و قانون عمل و عکس العمل. در این کتاب «قانون گرانش جهانى» نیز ارائه شده است. این قانون براساس مشاهدات کپلر کشف و به صورت ریاضى فرمول بندى شد و نشان مى دهد که هر دو جسم با نیرویى که با حاصل ضرب جرم هاى آن نسبت مستقیم با مجذور فاصله آنها نسبت عکس  دارد یکدیگر را جذب مى کنند.نظرات نیوتن که شامل مطالعه حرکت اجسام و نیروهایى که بر آنها اثر مى کند، است اساس علم مکانیک شد و به نوبه خود مکانیک اساس فیزیک جدید شد.
در همان زمان که نخستین فیزیکدانان به مطالعه حرکت و قوانین آن مشغول بودند در جست وجوى بررسى ماهیت و رفتارهاى ماده در جهان نیز بودند. مثلاً در سال ۱۶۰۰ میلادى روبرت بویل مشخص کرد که اگرگازى را گرم کنیم، اتم ها جنبش بیشترى خواهند یافت و سبب مى شوند که دما و فشار گاز افزایش یابد. تشریح رفتار گازها براساس حرکت اتم ها اکنون به تئورى سینتیک گازها معروف است. این موضوع یکى از کاربردهاى مهم و جالب مکانیک نیوتن در حوزه اتم  ها _ نه ستارگان بود.در تئورى سینتیک بویل این ایده وجود داشت که گرما شکلى از انرژى است. شکل هاى دیگر انرژى از قبیل انرژى الکتریکى و انرژى شیمیایى نیز به زودى شناخته شدند. بعدها مشخص شد که این شکل هاى گوناگون انرژى مى توانند به یکدیگر تبدیل شوند. اما انرژى خود به خود به وجود نمى آید و نابود هم نمى شود. این موضوع یعنى _ پایستگى انرژى یکى از پایه هاى اساسى علم فیزیک شد.در طول سال هاى ۱۷۰۰ میلادى بسیارى از دانشمندان از جمله بنجامین فرانکلین سیاستمدار، نویسنده و مخترع آمریکایى و الساندرو ولتا بسیارى از ویژگى هاى الکتریسیته و قوانین حاکم بر آن را بررسى و کشف کردند. آنها وجود بارهاى مثبت و منفى الکتریسیته را کشف کردند و دریافتند که فلزات رساناى خوبى براى الکتریسیته هستند. یعنى بارها الکتریکى به سهولت از میان آنها مى گذرد.
این اکتشافات سبب شد که فیزیکدانان و شیمیدانان دریابند که خود اتم از بارهاى مثبت و منفى الکتریکى تشکیل شده است و واکنش هاى شیمیایى را به کمک جذب و دفع الکتریکى بین اتم ها مى توان تشریح و تفسیر کرد.
معماهاى نور و خصوصیات آن در طول تاریخ نیز فیزیکدانان را مجذوب خود کرده است. نمونه اى از آینه فلزى که مصرى ها در حدود چهار هزار سال پیش به کار مى برده اند در دره رود نیل از زیر خاک بیرون آورده اند. دانشمندان یونان باستان مانند فیثاغورث، دموکریتوس، افلاطون و ارسطو درباره ماهیت نور به بحث پرداخته اند. اقلیدس در حدود سه قرن پیش از میلاد مسیح از انتشار نور به خط راست و برابرى زاویه تابش با زاویه بازتابش سخن رانده است. در مجموعه پرسش و پاسخ بین ابوریحان بیرونى و این سینا به چنین پرسشى از سوى ابوریحان برمى خوریم که «چگونه است که ظرف شیشه اى مدور پر از آب که در مسیر نور آفتاب قرار گیرد اشیاى مجاور خود را مى سوزاند اما اگر از آب تهى باشد، چنین نمى کند؟»
خواجه نصرالدین طوسى در کتاب تجریدالکلام مى گوید: «به نظر برخى از دانشمندان نور از ذرات خردى ساخته شده که از منبع نور جدا شده و به اجسام گیرنده نور مى رسند. قطب الدین شیرازى در کتاب نهایه الادراک از رنگین کمان و چگونگى دیدن اجسام بحث مى کند، کمال الدین فارسى در کتاب تنفیع المناظر درباره شکست نور مى نویسد: هر گاه نور با جسم غلیظ ترى مصادف شود این غلظت مانع از حرکت نور در جهت اولیه خواهد بود پس در جهتى سیر مى کند که نفوذ در آن سهل تر است مسلماً چون راه سهل ترى را اختیار مى کند زودتر به مقصد مى رسد.

جدال فیزیک و متافیزیک دو فرزند انشتین