#انقلاب_علمی #الکترومغناطیس #اتر #لورنتس #مکانیک_کلاسیک 🟡 انقلاب‌های فیزیک (قسمت ۱۶): 🟢 یک ناسازگاری دیگر در فیزیک کلاسیک (تابش جسم سیاه): در داستان سیر خود در انقلاب‌های فیزیک، نظریه‌ی نسبیت را از نظر گذراندیم. اما چطور شد که به نظریه‌ی نسبت رسیدیم؟ باید باز گردیم به قسمت ۸- بخش ۱؛ عمیق‌ترین ناسازگاری فیزیک. آن‌جا بیان کردیم که در اواخر قرن نوزدهم، بیشتر فیزیک‌دانان معتقد بودند که دیگر علم فیزیک به آخر خط رسیده است و تنها چند مسئله‌ی حل نشده باقی مانده است. اما اینگونه نبود! نه تنها علم فیزیک به آخر خط نرسیده که تازه قرار است شروعی حیرت‌آور را شاهد باشد. یکی از آن مسائل حل‌نشده منجر به نظریه‌ی نسبیت شد، که در طی چند قسمت گذشته، آن را مرور کردیم. اما مسئله‌های حل نشده‌ی دیگری هم بودند. این مسائل دنیای جدیدی را پیش روی فیزیک‌دانان باز کردند. دنیای جدیدی که تأثیر به سزایی در بسیاری از ابعاد زندگی بشریت گذاشت. این دنیای جدید فقط مختص فیزیک‌دانان نبود. فیلسوفان را نیز درگیر خود کرد، ریاضی‌دانان را همچنین، شیمی‌دانان را همچنین، بعدها زیست‌شناسان را، بعدها فناوری را، و این سیر هنوز هم ادامه دارد... اما باز گردیم به مسئله‌ی مدنظر! از آزمایشات انجام شده متوجه شده بودیم که تمامی اجسام، در هر دمایی که باشند، از خود تابشی الکترومغناطیسی ساتع می‌کنند که معروف است به «تابش گرمایی». همچنین، اجسام این تابش‌های گرمایی را جذب نیز می‌کنند. از نتایج آزمایش‌ها فهمیده بودیم که تابش گرمایی ساتع شده از همه‌ی اجسام، در هر دمایی، متفاوت است. اولاً این تابش گرمایی در همه‌ی طول موج‌ها ساتع می‌شود، ولی بسته به اینکه دمای جسم چند درجه است، ممکن است در طول‌ موج‌های متفاوتی، شدت بیشینه را داشته باشد. وین سعی کرد تا رابطه‌ای برای آن بیابد که سرانجام موفق شد و این رابطه‌ امروز معروف است به «قانون جابه‌جایی وین». حال سوال دیگر این بود که شدت تابش گرمایی با دمای جسم چه رابطه‌ای دارد؟ در واقع، می‌توان سوال جامع‌تری مطرح کرد و پرسید که چطور می‌توان تابش گرمایی را، با استفاده از مدل‌های موجود تا آن زمان، توصیف کرد؟ مدل‌های مربوط به این مسئله، یکی «ترمودینامیک» بود و دیگری «الکترومغناطیس». استفان و چند سال بعد بولتزمن توانستند پاسخی برای این سوال بیابند. کار ارزشمند بولتزمن این بود که توانست با استفاده از الکترومغناطیس و ترمودینامیک پاسخی برای این سوال بیابد. شدت کل تابش گرمایی، با توان ۴ دمای جسم رابطه‌ مستقیم دارد. ضریب تناسب هم از ضرب یک عدد بین ۰ و ۱ و ثابت بولتزمن به دست می‌آید. این رابطه امروز معروف است به «قانون استفان-بولتزمن». 💭 این داستان ادامه دارد... 🖋 نویسنده: مهدی فراهانی ⚛️ کانال تکامل فیزیکی @physical_evolution

#انقلاب_علمی #الکترومغناطیس #اتر #لورنتس #مکانیک_کلاسیک 🟡 انقلاب‌های فیزیک (قسمت ۱۷): 🟢 یک ناسازگاری دیگر در فیزیک کلاسیک (تابش جسم سیاه): در قانون استفان-بولتزمن، یک ضریبی وجود دارد که می‌تواند عددی بین ۰ تا ۱ داشته باشد. اگر جسمی بیابیم که این عدد برای آن جسم برابر با ۱ باشد، آن را «جسم سیاه» نامگذاری می‌کنند. چرا که مانند این است که همه‌ی تابش‌های گرمایی فرودی به خودش را جذب می‌کند. از این پس، برای سادگی، مطالعه‌ی خود را محدود به تابش گرمایی از جسم سیاه می‌کنیم. هنوز سوالی مهم وجود دارد. رابطه‌ای بین دمای جسم و شدت کل تابش گرمایی به دست آمد، ولی همانطور که گفتیم تابش گرمایی ساتع شده از جسم، در هر طول موجی وجود دارد. حال سوالی که پیش می‌آید این است که رابطه‌ی بین شدت ناشی از هر طول موج، برای جسمی در دمایی مشخص چیست؟ ابتدا وین از قانون استفان-بولتزمن استفاده کرد و رابطه‌ای بدست آورد. ولی این رابطه، تنها در طول‌ موج‌های کم صادق بود و در طول‌ موج‌های زیاد، با تجربه ناسازگار بود. ریلی تلاش دیگری کرد و با استفاده از الکترومغناطیس، به رابطه‌ای متفاوت رسید. اما رابطه‌ی ریلی نیز فقط در طول موج‌های بلند صادق بود و در طول‌موج‌های کوتاه با تجربه ناسازگار بود. از طرفی، هم رابطه‌ی وین و هم رابطه‌ی ریلی به وضوح بیان می‌کردند که در طول‌موج‌های فرابنفش، شدت تابش گرمایی به بی‌نهایت میل می‌کند. از طرفی تابش گرمایی ناشی از خورشید که حاوی طول‌موج‌های فرابنفش می‌باشد، باید حیات را بر روی کره‌ی زمین نابود می‌کرد. ولی ما هنوز زنده‌ایم! این واقعه به «فاجعه‌ی فرابنفش» معروف شد. این نقطه از تاریخ، یکی دیگر از شکست‌های نظریه‌ی فیزیک کلاسیک بود، که نتوانسته بود تجربه را به درستی توصیف کند. در واقع، اینجا یکی از شکست‌های نظریه‌ی الکترومغناطیس را شاهد هستیم. نظریه‌ای که منجر به نسبیت شد، اکنون خود در باتلاقی دیگر گیر افتاده است. این یعنی، نسبیت قرار نیست توصیف‌کننده‌ی تابش گرمایی باشد، و باید به دنبال نظریه‌ی جدیدی باشیم. این نظریه‌ سال‌های بعد تدوین شد، ولی اولین بذرهای این نظریه در همین بحث‌ها شکل گرفت. این اولین بذرها، توسط یکی از بزرگترین دانشمندان فیزیک کاشته شد، که به گفته‌ی خود، تنها ایمانش باعث شد که سال‌ها برای یافتن پاسخ این سوال وقت صرف کند... 💭 این داستان ادامه دارد... 🖋 نویسنده: مهدی فراهانی ⚛️ کانال تکامل فیزیکی @physical_evolution

#انقلاب_علمی #الکترومغناطیس #اتر #لورنتس #مکانیک_کلاسیک 🟡 انقلاب‌های فیزیک (قسمت ۱۸): 🟢 کوانتوم‌های پلانک (فرضیه‌ی‌ پلانک): ماکس پلانک، یکی از فیزیکدانان شهیر آلمانی، خود را در مقابل مسئله‌ی تابش گرمایی می‌دید که از طرفی تعداد زیادی نظریه‌ی ضد و نقیض برای توصیفش ارائه شده بود و از طرفی هیچ‌کدام از این نظریه‌ها با تجربه سازگار نبود. یافتن پاسخ این سوال، برای او، قریب به ۲۰ سال طول کشید و در تمام این سال‌ها او از خود می‌پرسید که آیا واقعاً این سوال آنقدر اهمیت دارد که من بخش اصلی عمر علمی خود را صرف پاسخ آن می‌کنم. او بعدها گفت که تنها ایمانش باعث شد که او در تمام این سال‌ها ادامه بدهد. ماکس پلانک فرضیه‌ای انقلابی مطرح کرد و در ابتدا بسیار ساده می‌آید، ولی بلافاصله مسئله را حل می‌کند. او فرض کرد که جذب و دفع تابش گرمایی، توسط اجسام، به صورت پیوسته نباشد و به صورت گسسته این کار انجام شود. یعنی امواج الکترومغناطیسی، همچنان یک پیوستاری از میدان‌های الکترومغناطیسی هستند که در فضا منتشر می‌شوند، منتها وقتی می‌خواهند توسط جسمی جذب شوند، یا از جسمی ساتع شوند، به صورت گسسته جذب و دفع شوند. انرژی هر واحد گسسته‌ی این تابش‌ها نیز، رابطه‌ی مستقیم با فرکانس آن تابش دارد و ضریب تناسب این رابطه، بعدها «ثابت پلانک» نامیده شد. همین فرض به نظر ساده، ناگهان مسئله را حل کرد! رابطه‌ای وین و رابطه‌ی ریلی، با این فرض، به یک رابطه‌ی واحد تبدیل شدند و این رابطه‌ی واحد، سازگاری بسیار خوبی با تجربه داشت. مسئله حل شد، اما به چه قیمتی؟ این فرضیه از کجا می‌آید؟ ریشه‌اش چیست؟ آیا می‌توان با فیزیک کلاسیک، این فرضیه را توجیه کرد؟ فرضیه‌ی گسسته‌سازی جذب و دفع امواج الکترومغناطیسی، بعدها «فرضیه‌ی کوانتوم» نام گرفت. کوانتوم، یک واژه‌ی لاتین است، به معنای گسسته. در هیچ‌کجای نظریات کلاسیکی، خبری از کوانتوم‌ها نیست. این نشان‌گر این است که بذر انقلاب جدیدی در فیزیک ریخته شده است و قرار است دنیای جدید خود را به ما بنمایاند. اما داستان هنوز تمام نشده. کوانتوم‌ها از جاهای دیگر فیزیک نیز سربرآوردند. 💭 این داستان ادامه دارد... 🖋 نویسنده: مهدی فراهانی ⚛️ کانال تکامل فیزیکی @physical_evolution

#انقلاب_علمی #الکترومغناطیس #اتر #لورنتس #مکانیک_کلاسیک 🟡 انقلاب‌های فیزیک (قسمت ۱۹): 🟢 فوتون‌های انیشتین: طبق نظریه‌ی الکترومغناطیس، انرژی امواج الکترومغناطیس به شدت این امواج وابسته است. یعنی هرچه شدت بیشتر باشد، طبیعتاً انرژی نیز بیشتر خواهد بود. بنابراین اگر امواج الکترومغناطیسی را به سطح یک فلز بتابانیم، برخورد این امواج با سطح این فلز، باعث می‌شود که الکترون‌های سطحی این فلز کنده شوند. به این پدیده، اثر «فوتوالکتریک» گفته می‌شود. حال اگر این الکترون‌های کنده شده از سطح را در یک میدان الکتریکی شتاب دهیم، تا به قطب دیگری برسند، می‌توانیم با اندازه‌گیری جریان، نرخ تعداد الکترونی که از سطح فلز کنده می‌شود را اندازه‌گیری کنیم. طبیعتاً انتظار داریم، هر چه شدت موج الکترومغناطیسی را بیشتر کنیم، تعداد الکترون‌های کنده‌شده از سطح بیشتر شده، جریان بیشتر شود. اولین بار، این آزمایش توسط هرتز انجام شد. اما نتایج آزمایش بسیار اعجاب‌آور بود، کاملاً برخلاف پیش‌بینی‌ها. هنگامی که موج الکترومغناطیسی، در ناحیه‌ی فروسرخ به سطح فلز تابانده شد، جریان تقریباً صفر بود. هر چه شدت این موج فروسرخ را نیز افزایش دهیم، باز هم تغییری در جریان ایجاد نمی‌شود. ولی به محض اینکه، «فرکانس» موج الکترومغناطیسی را تغییر دهیم، ناگهان جهش عجیبی در افزایش جریان مشاهده می‌شود. مثلاً، موج الکترومغناطیسی در ناحیه‌ی فرابنفش، حتی با شدت بسیار کم، جریان بسیار زیادی ایجاد می‌کند. هرتز مشاهدات خود را گزارش کرد، ولی این مشاهدات کاملاً با نظریه‌ی الکترومغناطیس در تعارض بود. نکته‌ی مهمی که در اینجا وجود دارد این است که این مشاهده، سال‌ها قبل از کشف فرضیه‌ی کوانتوم پلانک انجام شد. بعدها که فرضیه‌ی پلانک مطرح شد، امیدی به توصیف این پدیده با استفاده از کوانتوم‌های پلانک ایجاد شد. چراکه در فرضیه‌ی پلانک، انرژی امواج الکترومغناطیس نیز به فرکانس موج وابسته بود. چیزی که هرتز در آزمایش‌هایش مشاهده کرده بود. توصیف پدیده‌ی فوتوالکتریک را آلبرت انیشتین، یک آلمانی دیگر، بر عهده گرفت. او در سال ۱۹۰۵، فرضیه‌ی پلانک را کمی گسترش داد. او متذکر شد که نه فقط جذب امواج الکترومغناطیسی گسسته است، بلکه ذاتاً این امواج الکترومغناطیسی گسسته هستند. هر واحد موج الکترومغناطیسی، «فوتون» نامیده شد. انیشتین با استفاده از این فرض، توضیحی بسیار ساده برای پدیده‌ی فوتوالکتریک ارائه کرد که با مشاهدات کاملاً سازگار بود. او حتی توانست با استفاده از مدل خود، محاسبه‌ای برای ثابت پلانک ارائه کند. این توضیح ساده، ولی در عین حال انقلابی، یکی از مهم‌ترین کارهای علمی انیشتین، در طول عمرش بود. در نهایت در سال ۱۹۲۱، این کار علمیش، یکی از دلایل اصلی‌ای بود که جایزه نوبل فیزیک را دریافت کند. باز هم کوانتوم‌ها، خود را در جای دیگری از پدیده‌های فیزیکی نشان دادند. اما هنوز بخش اصلی داستان باقی مانده. آجرهای اصلی تشکیل‌دهنده‌ی ماده در طبیعت، که «اتم» نامیده می‌شود، آيا رابطه‌ای با این کوانتوم‌ها دارد؟ 💭 این داستان ادامه دارد... 🖋 نویسنده: مهدی فراهانی ⚛️ کانال تکامل فیزیکی @physical_evolution

#انقلاب_علمی #الکترومغناطیس #اتر #لورنتس #مکانیک_کلاسیک 🟡 انقلاب‌های فیزیک (قسمت ۲۰): 🟢 اتم‌ها چه شکلی هستند؟ درون اتم‌ها چه شکلی است؟ این سوال مهمی بود که سال‌های سال در ذهن فیزیکدانان مطرح بود، بدون اینکه پاسخ مشخصی برای آن داشته باشند. در ابتدا، تامسون سعی کرد که مدلی ارائه کند. او با توجه به اینکه آزمایش‌های زیادی با الکترون‌ها انجام داده بود، با خود فکر کرد که در درون اتم‌ها، این بارهای منفی به صورت جایگزیده وجود دارند و دریاچه‌ای از بارهای مثبت آن‌ها را احاطه کرده است. شاید باریکه‌های الکترون‌های موجود در لامپ پرتو کاتدی، که تامسون بارها با آن آزمایش انجام داده بود، وی را قانع کرد که الکترون‌ها باید ذره‌ای باشند. این مدل، معروف شد به مدل «کیک کشمشی». سال‌های بعد، رادرفورد، سعی کرد تا این فرضیه‌ی تامسون را با آزمایش بسنجد. او ورقه‌ای بسیار نازک از طلا را آماده کرد و این ورقه را با ذرات باردار مثبت، بمباران کرد. سپس به نحوه‌ی پراکندگی این ذرات باردار مثبت توجه کرد. او متوجه شد که تعداد بسیار زیادی از این ذره‌های باردار مثبت، بدون هیچ تغییر جهتی، در ورقه‌های طلا عبور می‌کنند. تعدادی بسیار کمی از این ذرات به صورت عمودی بازخواهند گشت. به نظر شما این مشاهده چه معنی‌ای می‌دهد؟ روشن است که اگر مدل تامسون درست می‌بود و بار مثبت همچون دریاچه‌ای در میان بارهای منفی بود، باید تعداد بسیار زیادی از ذرات باردار مثبت به سمت عقب برمی‌گشتند (به دلیل دافعه‌ی الکتریکی بین بارهای همنام). اینکه تعداد بسیار کمی به عقب باز گشتند، نشان می‌دهد که حجم بسیار کوچکی از اتم را بار مثبت پر کرده است. اینکه تعداد زیادی از این ذرات مثبت از درون این ورقه طلا بدون هیچ تغییر جهتی گذشتند، نشان می‌دهد که حجم عظیمی از اتم‌ها فضای خالی است و همچینن نشان می‌دهد که الکترون‌ها بسیار سبک هستند و نمی‌توانند تأثیر زیادی بر ذرات باردار مثبت بگذارند و جهت‌شان تغییر دهند. به همین ترتیب، تصویری که از فضای درون اتم‌ها داشتیم، ناگهان زیر و رو شد. رادرفورد،‌ نتیجه گرفت که، بارهای مثبت درون اتم‌ها در یک حجم کوچک در هسته‌ی این اتم‌ها جای دارند و ذرات با بار منفی در اطراف این هسته در حال گردش هستند، همچون منظومه‌ی شمسی. ولی همین‌جا اشکالی پیش می‌آيد. طبق نظریه‌ی الکترومغناطیس، ذرات بارداری که در حال حرکت شتابدار هستند، از خود تابش الکترومغناطیسی ساتع می‌کنند و رفته رفته انرژی‌شان کم می‌شود. الکترون‌ها اگر به دور هسته‌ها در گردش باشند، این حرکت شتابدار است و قطعاً باید از خود تابش ساتع کنند. و با از دست دادن انرژی، به هسته‌ی اتم نزدیک و نزدیک‌تر شوند تا سرانجام بر روی هسته سقوط کنند. به این ترتیب، اتم‌های عالم در عرض کمتر از یک ثانیه، باید بر روی فرو می‌پاشیدند! ولی اتم‌ها پایدارند. چطور ممکن است اتم‌ها پایدار باشند. نظریه‌ی الکترومغناطیس به وضوح می‌گوید که نباید پایدار باشند. آیا باز هم باید کوانتوم‌ها به کمک ما بیایند؟ 💭 این داستان ادامه دارد... 🖋 نویسنده: مهدی فراهانی ⚛️ کانال تکامل فیزیکی @physical_evolution

#انقلاب_علمی #الکترومغناطیس #اتر #لورنتس #مکانیک_کلاسیک 🟡 انقلاب‌های فیزیک (قسمت ۲۳): 🟢 معادله‌ی شرودینگر در قسمت پیش، داستان ایده‌ی هایزنبرگ و صورت اولیه‌ی نظریه‌ی مکانیک کوانتومی مطرح شد. اما این تیم ۴ نفره، تشکیل شده از هایزنبرگ و بورن و دیراک و جردن، تنها اشخاصی نبودند که بر روی ایده‌ی کوانتوم‌ها کار می‌کردند. به طور موازی، اروین شرودینگر آلمانی نیز علاقه‌مند بود تا معادله‌ای بیابد که توصیف‌کننده رفتار ذرات درون اتم باشد. او نیز همانند هایزنبرگ، خود را در جزیره‌ای مخفی کرد تا در آرامش و تنهایی بتواند تفکراتش را منظم کند و به نتیجه برساند. او سرانجام در سال ۱۹۲۶ میلادی، موفق به انجام چنین کاری شد. حاصل کار شرودینگر، یکی از مهم‌ترین معادلات تاریخ علم فیزیک شد، که امروز معروف است به معادله‌ی شرودینگر. توصیفی که شرودینگر، از رفتار ذرات کوانتومی داشت و به طور کلی نظریه‌ی او در ظاهر، بسیار با نظریه‌ی هایزنبرگ متفاوت است. در واقع، شرودینگر در تیم دانشمندانی بود که، با توصیف مکانیک کوانتومی به آن صورت که هایزنبرگ و همکارانش داشتند، به شدت مخالف بودند. در ابتدا، او گمان برده بود که توانسته نظریه‌ای کاملا جایگزین نظریه‌ی اصلی ارائه بکند. بعدها، پاول دیراک ریاضی‌دان، نشان داد که به لحاظ ریاضی، نتایج حاصل از نظریه‌ی هایزنبرگ و شرودینگر کاملاً هم‌ارز و یکسان هستند. سپس، با برگرفتن ایده‌های هایزنبرگ و شرودینگر، نظریه‌ای جامع، با پایه‌هایی استوار و اصول موضوعه‌ مستحکم، و البته با ساختار ریاضی منظمی، ارائه کرد که همان نظریه مکانیک کوانتومی است که امروزه دانشجویان در دانشگاه‌ها، آن را می‌آموزند. حاصل کار او، کتابی بسیار ارزشمند با عنوان اصول مکانیک کوانتومی (The Principles of Quantum Mechanics) در سال ۱۹۳۰ بود. 💭 این داستان ادامه دارد... 🖋 نویسنده: مهدی فراهانی ⚛️ کانال تکامل فیزیکی @physical_evolution