فیزیک پس از آیزاک نیوتن

[RASHA]

پیشرفت‌های علمی پس از نیوتون نمای جدیدی به خود گرفتند. معلوم شد که جهان تحت تأثیر نیروهای طبیعی اداره می‌شود که خیلی ساده‌تر و یکپارچه‌تر از آن چیزی هستند که در زمان نیوتون تصور می‌شد. خود نیوتون در جلد سوم کتاب اپتیک، نظریه‌ای درباره مواد ارائه می‌کند که شامل نورشناسی و شیمی می‌شود: کوچک‌ترین ذرات ماده دارای قوی‌ترین بر هم‌کنش‌ها هستند، آن‌ها ذرات بزرگ‌تر با بر هم‌کنش‌های ضعیف‌تر را تشکیل می‌دهند. خود این ذرات نیز ذرات بزرگ‌تر با بر هم‌کنش‌های ضعیف‌تر را شکل می‌دهند و الی آخر؛ تا این‌که این روند به بزرگ‌ترین ذرات ماده که ترکیبات شیمیایی و ماهیت آن‌ها به ماقبل بستگی دارد ختم می‌شود و این ذرات هستند که جسمی با ابعاد قابل لمس را پدید می‌آورند. او همچنین به نیروهایی که به این ذرات وارد می‌شوند اشاره می‌کند: قبل از این‌که دلیل به وجود آمدن این کنش‌ها را بفهمیم، باید با مشاهده پدیده‌های طبیعی دریابیم که چه چیزهایی یکدیگر را جذب می‌کنند و این جاذبه، تحت چه قوانین یا ویژگی‌هایی رخ می‌دهد. نیروی گرانشی، مغناطیسی و الکتریکی همواره در فواصل محسوس و قابل لمس رخ می‌دهند و بسیاری از این نیرو‌ها نیز در فواصل بسیار کوچک رخ می‌دهند که امکان مشاهده آن‌ها وجود ندارد.
کاملاً مشخص است که نیوتون می‌دانسته به غیر از گرانش، نیروهای دیگری نیز در طبیعت وجود دارند. الکتریسیته ساکن یک موضوع قدیمی بود. افلاطون اشاره کرده بود که وقتی دست خود را به یک پارچه کهربایی می‌کشیم جرقه‌هایی در اثر این سایش در پارچه پدیدار می‌شوند. چینی‌ها به طور طبیعی مغناطیس را در سنگ‌های آهن‌ربا که در رمل و اسطرلاب از آن‌ها استفاده می‌کردند می‌شناختند. ویژگی‌های مغناطیس توسط پزشک دربار ملکه الیزابت، یعنی ویلیام گیلبرت، به تفصیل مورد مطالعه قرار گرفت. نیوتون قبلاً به وجود نیروهایی که به خاطر دامنه اثرگذاری کوتاهشان ناشناخته هستند اشاراتی کرده است. نیروهایی که در قرن بیستم تحت عنوان نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف شناخته شدند. با اختراع باتری الکتریکی توسط الساندرو ولتا[1] در اوایل قرن نوزدهم، امکان آنجام آزمایش‌های دقیق کمیتی روی الکتریسیته و مغناطیس فراهم شد و خیلی زود معلوم شد که این دو پدیده کاملاً از هم جدا نیستند.پیشرفت‌های علمی پس از نیوتون نمای جدیدی به خود گرفتند. معلوم شد که جهان تحت تأثیر نیروهای طبیعی اداره می‌شود که خیلی ساده‌تر و یکپارچه‌تر از آن چیزی هستند که در زمان نیوتون تصور می‌شد. کاملاً مشخص است که نیوتون می‌دانسته به غیر از گرانش، نیروهای دیگری نیز در طبیعت وجود دارند. نیوتون قبلاً به وجود نیروهایی که به خاطر دامنه اثرگذاری کوتاهشان ناشناخته هستند اشاراتی کرده است. نیروهایی که در قرن بیستم تحت عنوان نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف شناخته شدند.
در ابتدا هانس کریستیان اورستد[2] در کپنهاگ متوجه شد که یک آهن‌ربا و یک سیم که جریان الکتریکی را منتقل می‌کند، نیروهایی را بر یکدیگر اعمال می‌کنند. آندره ماری آمپر[3] در پاریس با دانستن این مطلب متوجه شد که سیم‌هایی که جریان الکتریکی را حمل می‌کنند نیز نیرویی بر یکدیگر وارد می‌کنند. آمپر نتیجه گرفت که این پدیده‌های مختلف در اصل یکی هستند. نیرویی که بر یک تکه آهن مغناطیده وارد می‌گردد حاصل جریان الکتریکی است که درون آهن وجود دارد. همانند موضوع گرانش، جریان‌های الکتریکی و مغناطیسی که نیروهایی را به یکدیگر وارد می‌کنند، با مفهوم «میدان» جایگزین شدند که در این مورد میدان مغناطیسی است. آهن‌ربا و سیم حامل جریان الکتریکی با میدان مغناطیسی به وجود آمده در هر نقطه مرتبط‌اند و این میدان مغناطیسی نیرویی را به هر آهن‌ربا یا سیم حامل جریان الکتریکی در مجاورت مجاورت خود اعمال می‌کند.
مایکل فارادی[4] نیروی مغناطیسی تولید شده توسط یک جریان الکتریکی را به خطوط میدان مغناطیسی در اطراف سیم نسبت می‌دهد. او همچنین جرقه‌های ناشی از مالش پارچه کهربایی را به میدان الکتریکی مربوط دانست و آن را به شکل خطوط تابشی ناشی از بار الکتریکی موجود در کهربا توضیح داد. از همه مهم‌تر، فارادی در دهه 1830 نشان داد که رابـ ـطه‌ای میان میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی وجود دارد، یک میدان مغناطیسی که در اثر جریان الکتریکی در یک سیم‌پیچ به وجود می‌آید، میدان الکتریکی را به وجود می‌آورد که می‌تواند جریان الکتریکی را به یک سیم دیگر منتقل کند. امروزه از این پدیده برای تولید برق در نیروگاه‌ها استفاده می‌شود.
یکپارچگی نهایی میان الکتریسیته و مغناطیس، چند دهه بعد، توسط جیمز کلارک ماکسول[5] صورت گرفت. ماکسول به میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به عنوان نیروهای تنشی در محیط نگاه کرد و مفاهیم مربوط به مغناطیس و الکتریسیته را در قالب معادلات مربوط به میدان و نرخ تبدیل شدن آن‌ها به یکدیگر ارائه کرد. آن‌چه که ماکسول به این بحث اضافه کرد این بود که همان‌طور که تغییر در میدان مغناطیسی باعث به وجود آمدن یک میدان الکتریکی می‌شود، تغییر در میدان الکتریکی نیز یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند. مفاهیم بنیادی نظریه ماکسول نیز به رسم آن‌چه در فیزیک رخ می‌دهد، مورد قبول واقع نشد ولی معادلات او همچنان باقی ماند و حتی روی تیشرت دانشجویان فیزیک نقش بست. ولی نظریه ماکسول یک نتیجه مطلوب به همراه داشت. از آن‌جا که ارتعاش‌های مغناطیسی، ارتعاش‌های الکتریکی را به وجود می‌آورد و برعکس، می‌توان تصور کرد که یک ارتعاش خودکار متشکل از میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی در اتر وجود داشته باشد. ماکسول در سال 1862 متوجه شد که این ارتعاش الکترومغناطیسی با سرعتی که طبق محاسبات او با سرعت نور برابر است منتشر می‌شود. طبیعی بود که ماکسول به این نتیجه برسد که نور چیزی جز نوسانات خودبه‌خودی میدان‌های الکترومغناطیسی نیست. فرکانس نور مرئی به قدری زیاد است که نمی‌توان آن را توسط مدارهای الکتریکی معمولی به وجود آورد. ولی هاینریش هرتز[6] در دهه 1880 توانست با کمک معادلات ماکسول، امواجی را تولید کند: این امواج، امواج رادیویی بودند که تنها اختلافشان با نور مرئی، فرکانس پایین‌ترشان بود؛ بنابراین الکتریسیته و مغناطیس نه تنها با یکدیگر بلکه با فیزیک نور، نیز یکپارچه بودند. با کمک الکتریسیته و مغناطیس، درک و فهم ماهیت ماده از طریق انجام محاسبات کمیتی آغاز شد.

دانلود رمان و کتاب های جدید