فیزیک کلاسیک و ظرفیت های آن

تا سال ۱۹۰۰ فیزیک کلاسیک به اوج شکوفایی خود رسیده بود از توصیف حرکات سیارات گرفته تا تشریح انتشار نور(پدیده های تداخل – پراش –قطبش) و ماهیت آن به عنوان یک موج الکترومغناطیس،قوانین ترمودینامیک و

نظریه جنبشی قادر به توصیف دقیق رفتارتمامی پدیده های شناخته شده تا آن زمان بود.الکتریسته و مغناطیس با کارهای ماکسول وحدت یافته و معادلات الکترومغناطیس به عنوان عصاره کارهای او در این زمینه شکل گرفت این معادلات به خوبی تمامی معلوماتی که تا آن زمان از الکتریسیته و مغناطیس موجود بود را فرمول بندی می کرد چهارده سال بعد از کشف این معادلات هرتز به صورت عملی این امواج را در آزمایشگاه تولید کرد. درحقیقت تا اواخر قرن نوزدهم به نظر می رسید که تمامی اصول بنیادی حاکم بررفتار جهان فیزیکی شناخته شده است. همه چیز از مکانیک نیوتنی و الکترومغناطیس ماکسول تبعیت می کرد این فرمول بندی نظم حاکم بر جهان، چنان دانشمندان را تحت تاثیر قرار داد که لاپلاس ریاضیدان فرانسوی وقتی کتاب خود یعنی مکانیک آسمانی رانوشت درجواب ناپلئون که از او پرسید چرا اودر کتابش نامی از خدا نبرده است گفت «من نیازی برای مطرح کردن این فرضیه نمی بینم»

● نواقص فیزیک کلاسیک

همانگونه که گفتیم فیزیک کلاسیک تا اواخر قرن نوزدهم با داشتن قوانین نیوتون و ترمودینامیک و معادلات ماکسول هر ذهنی را متقاعد می ساخت که روابط این علم می تواند هر پدیده موجود درعالم را از موج گرفته تا حرکات کرات آسمانی توجیه نماید ولی برخی از پدیده ها که ذکر خواهد شد همانند سونامی اقیانوس آرام فیزیک کلاسیک را به چنان تلاطمی واداشت که امواج قدرتمند ناشی از آن انسان را از زمین برکره ماه و از چراغ پی سوز به نیروگاه هسته ای و از کبوترهای نامه ر سان به تلفن همراه و اینترنت و یا به عبارتی از خاک عقب ماندگی به افلاک تکنولوژی و پیشرفت سوق دارد.

از دل این پدیده های غیر قابل توضیح توسط مکانیک کلاسیک، دو ابر نظریه بوجود آمد یکی نسبیت و دیگری کوانتوم در این میان نسبیت سئوالهای فلسفی چندین هزار ساله ما را از گذشته و آینده کائنات جواب داد و چشم ما را به دنیای نوینی گشود که درآن همه چیز درحال حرکت است با آغاز و پایانی معلوم، دنیای بیکرانه و محدودی که زمانی شروع به انبساط نمود وزمانی نیز از انبساط بازخواهد ایستاد.

درحالی که دنیائی که کوانتوم، ما را با آن آشنا ساخت درنهایت کوچکی و خردی بود ما اکنون به یمن وجود فیزیک کوانتوم از رویدادهای شکافت هسته ای گرفته تا رفتار ذراتی که شعاعشان از یک هزار میلیاردیوم میلی متر هم کوچکتر است آگاهیم.

● اتر نورسان واقعیتی خیالی

اگر تغییر مکان سیارات در آسمان شب و ایجاد شب و روز وتغییر فصل ها نبود شاید کوپرنیک درقرن شانزدهم انگیزه ای برای ارائه مدل کیهان شناختی خود که خورشید در مرکز و زمین و سایر سیارات شناخته شده درآن دوران به دور آن درحال چرخشند در او ایجاد نمی شد.یا اگر در اواخر قرن هفدهم نیوتن به قصد استراحت درخت سیب را انتخاب نمی کرد و سیبی از درخت بر سراو (یا کنار او) نمی افتاد شاید حس کنکاش درمورد جاذبه عمومی در وی نیز ایجاد نمی شد وقانون جاذبه کشف نمی گردید.هرچند که این نظریه ها در نوع خود می توانند جزء بنیادترین مفاهیم علم فیزیک باشند ولی ظهور و نمودشان را ناشی از وقوع پدیده هایی می توان دانست که نه در یک لحظه بلکه در طول تمام عمر کاشفان آنها با آن سروکار داشتند یا به آن دائما می اندیشیدند. ولی نظریه های نسبیت که نه با تجارت روزانه ما سروکار دارند و نه ذهن جستجوگر برای پی بردن به وجود آنها می تواند در دور و بر خود سرنخ هایی ازآنها بیابد.گرچه نتیجه آزمایش مایکلسون مورلی که وجود اتر را نقض می کرد می توانست شاهد راسخی برای اثبات این ادعا که سرعت نور ثابت است باشد و زمینه ساز شکل گیری نسبیت خاص (Special relativity)شود ولی به گفته اینشتین او تا قبل از بیان نظریه نسبیت خاص به هیچ عنوان از انجام آزمایش مایکلسون آگاهی نداشت.ایمان به وجود اتر(ether) در بین دانشمندان را به خوبی می توان به عنوان نمونه ایی از نقص فکری بشر از نوع مخرب آن دانست که تبعات این نوع از نگرش ها در طول تاریخ ضربات جبران ناپذیری به پیشرفت دانش و تکنولوژی وارد آورده است اتر یک پدیده ساخته ذهن دانشمندان است تنها به صرف اینکه شرط انتشار امواج در روی زمین مانند موج های طولی (صدا) وجود ماده است دانشمندان همین شرط را هم برای انشار نور به عنوان یک موج عرضی در نظر گرفتند.

ماکسول می گوید:

نور یک موج الکترومغناطیس است که تنها با ایجاد آ شفتگی در اتر منتشر می گردد.

چون در محیط های چگال سرعت امواج افزایش می یابد آنها برهمین اساس محیطی که نور در آن انتشار می یابد را یک محیط فوق العاده کشسان درنظر گرفتند تا بتوانند به این صورت سرعت حیرت انگیز نور را توجیه کنند وچون افزایش تراکم ماده سبب کاهش شفافیت آن میشود بنابراین خصلت اتر را محیطی شفاف، نامرئی و بدون جرم که هیچگونه مقاومتی در مقابل حرکت اشیاء نمی کند، بیان نمودند تا بدین صورت انتشار امواج الکترومغناطیس را در فضا توجیه نمایند.

ما می توانیم با خالی کردن هوای درون یک ظرف از انتقال موج صوتی در آن جلوگیری کنیم، چون دیگر ماده ای برای انتقال صوت وجود ندارد ، ولی هیچ کس با هیچ پمپ تخلیه ای قادر به خارج کردن اتر از دورن یک محیط سربسته نمی باشد حال این چه ماده مرموزی است که هم فوق العاده متراکم است هم فوق العاده شفاف، همه جا وجود دارد ولی هیچ کس آن را حس نمی کند و اصلا قابل آشکار سازی هم نیست.گرچه هیچ فیزیکدانی قادر به اثبات وجود اتر نبود ولی دانشمندان تا پای جان از وجود این ماده مرموز و غیر قابل تفصیر دفاع می کردنند تا جائی که ماکسول می گوید:

با تمام سختی هائی که برای تجسم اتر وجود دارد ولی بی تردید تمام عالم را جسمی بسیار بزرگ و یکدست(اتر) پرکرده است.

یک جوان آمریکایی به نام آلبرت آبراهام مایکلسون(Albert Abraham Michelson) در سال ۱۸۸۱ میلادی با ابداع یک آزمایش جالب و مشهوری قصد به اندازه گیری سرعت حرکت زمین در درون اتر نمود تا قبل از انجام آزمایش مایکلسون

● آلبرت آبراهام مایکلسون

دانشمندان وضعیت اتر را از دوحالت خارج ندانستند

درصورت اول باید سرعت نوری که از ستارگان دور دست به زمین می آید با سرعت نوری که در تمام جهات در روی زمین محاسبه می شود متفاوت باشد ولی این فرض بکلی مردود است. زیرا جیمز برادلی درسال ۱۷۲۵ ثابت کرد که تغییر موضع ستارگان نسبت به راستای حرکت مداری زمین به موقعیت زمین بستگی ندارد. (ابیراهی ستارگان)

درصورت دوم با اندازه گیری سرعت نور درجهت های مختلف حرکت زمین بدورخورشیدمی توانستیم وجود اتر را ثابت کنیم چرا که سرعت نور در اتر ثابت است و زمین نسبت به اتر حرکت میکند بنابراین باید سرعت اندازه گیری شده نور نسبت به زمین تحت تاثیر حرکت این سیاره قرار گیرد و تغییر نماید از اینرو ما می توانستیم باارائه دلیل محکم وجود اتر را تایید یارد کنیم.مایکلسون با انجام آزمایشی در دفعات متوالی در زوایای مختلف در مراحل گوناگون(به تناوب هر سه ماه یکبار) که زمین در وضعیت های مختلف نسبت به اتر قرار می گرفت نشان داد که درهمه حالات سرعت نور هیچ تغییری نسبت به سایر اندازه گیری ها نمی کند بنابراین مایکلسون نتوانست وجود اتر را با این آزمایش ثابت کند.

ولی مایکلسون به جای تردید دروجود اتر نتیجه آزمایش خود را این گونه ارزیابی کرد « فکر می کنم باید این را بپذیریم که هر چند این آزمایش جواب منفی داده است ولی اختراع تداخل سنج این نتیجه منفی را جبران میکند»

سایردانشمندان به جای تامل در نتیجه آزمایش مایکلسون تنها به صرف جوان بودن وی (مایکلسون در هنگامی که اقدام به انجام آزمایش نمود تنها ۲۶ سال داشت) وتعصب در باورهای غلط خود، بدون تفکر از وجود اتر دفاع می کردند یکی از این دانشمندان لورنتس بود او نظرخود را در مورد آزمایش مایکلسون این گونه ابراز داشت که :

درمحاسبات انجام شده در آزمایش (مایکلسون ) حتما اشکالی وجود دارد که مایکلسون از آن بی خبر است.

او عدم تفاوت در اندازه گیری سرعت نور در جهات مختلف را ناشی از ایده ی انقباض اشیاء و کند شدن ساعت ها حین حرکت در درون اتر دانست .بار دیگر مایکلسون مجبور شد آزمایش خود را با دقت بیشتر انجام دهد او این بار از همکاری مورلی برای انجام آزمایش خوداستفاده نمود (۱۸۸۷ میلادی) ولی دوباره به همان نتیجه ی شش سال پیش رسید، مایکلسون از سر استیصال چنین گفت:

به نظر می آید که چنانچه هرگونه حرکت نسبی بین زمین و اتر نوررسان وجود داشته باشد این حرکت باید بسیار ناچیز باشد.

باز با این آزمایش دقیق مایکلسون نمی توانست با باورهای چند دهه به مبارزه برخیزد و وجود اترنوررسان را به کلی رد کند. آغاز قرن بیستم که حقیقتا قرن انقلاب در اندیشه های بشری بود را می توان برای علم فیزیک یک عصر شکوفایی و بالندگی به حساب آورد در این قرن بود که دو ابر نظریه ی نسبیت و کوانتوم متولد شده و به تکامل رسیدند.

فیزیک، هسته ی اتم را شکافت و انرژی آن را مهار نمود ، ترانزیستورها پا به دنیای تکنولوژی نهادند و فضا به تسخیر بشردر آمد در این قرن بود که انسان به ماه سفر کرد و رویای دیرین او به تحقق پیوست، شاید حال وهوای این قرن بود که روح عصیان را در هانری پوانکاره دمید آن هنگام که او وجود اتر نوررسان را به کلی توهم قلمداد نمود و گفت:

آیا این اتر نور رسان واقعا وجود دارد ؟ اعتقاد من این است که ما چیزی فراتر از یک جا به جایی نسبی نمی توانیم اثبات کنیم