خلاصه‌ای از بخش‌های کتاب

مکانیک کوانتوم و گرانش

مباحثی در فیزیک نوین

جیم الخلیلی

ترجمه کامران بزرگزاد ایمانی

فهرست مندرجات.. 2

مقدمه مترجم. 4

درباره این کتاب.. 4

این کتاب مورد استفاده چه کسانی است؟. 4

درباره نویسنده. 5

فیزیک کلاسیک.. 6

طلوع فیزیک نوین. 8

هر آنچه بالا رود، عاقبت باید پایین بیاید. 10

فیزیک ارسطویی. 12

مقدمه مترجم

درباره این کتاب

این کتاب دربردارنده خلاصه‌ای از مباحث دو شاخه عمده فیزیک نوین، یعنی نظریه نسبیت عام و مکانیک کوانتوم است. درواقع این کتاب حاصل ادغام دو اثر جیم الخلیلی در یک کتاب می‌باشد. عنوان این دو کتاب یکی گرانش (Gravity) و دیگری مکانیک کوانتوم (Quantum Mechanics) است. بدلیل اینکه صورت‌بندی این دو کتاب یکی بود، و مطالب آنها نیز کم و بیش به هم مرتبط بودند، می‌شد آنها را در یک کتاب جای داد، و این کاریست که مترجم انجام داده.

مطالب این دو کتاب را می‌توان بصورت کامل‌تر در یکی دیگر از کتاب‌های جیم الخلیلی بنام سیاه‌چاله‌ها و کرم‌چاله‌ها، که آنهم توسط مترجم کتاب حاضر ترجمه شده پیدا کرد. کاری که نویسنده در دو کتاب مذکور انجام داده، فهرست کردن مهمترین موضوعاتی است که در حال حاضر در فیزیک نوین مطرح هستند، و نیز ارائه دادن توضیحات مختصری درباره آنها.

این کتاب مورد استفاده چه کسانی است؟

این کتاب می‌تواند توسط هر کسی که اطلاعاتی در حد فیزیک دبیرستانی داشته باشد خوانده شود و هیچ پیش نیازی ندارد. در آن نه خبری از فرمول‌های ریاضی هست و نه موضوعات فلسفی که غالباً در خیلی از کتاب‌های عامه‌فهم فیزیک کوانتوم یا نسبیت عام مطرح می‌‌شود. هر یک از رئوس این کتاب، حتی بصورت خلاصه و کلی، حداقل می‌توانست 10 صفحه را به خودش اختصاص دهد، و در نتیجه حجم کتاب از 1000 صفحه هم بیشتر می‌شد. ولی نویسنده ترجیح داده به زبانی بسیار ساده توضیحات مختصری درباره این موضوعات و اهمیت آنها ذکر کند. در صورتیکه خواننده می‌خواهد این موضوعات را با جزئیات بیشتری دنبال کند، کتاب پرفروش  سیاه‌چاله‌ها و کرم‌چاله‌ها می‌تواند نقطه شروع خوبی باشد.

 درباره نویسنده

جیم الخلیلی (Jim Al-Khalili) فیزیکدان بریتانیایی عرب‌تبار است. او در سال 1962 در یک خانواده مسیحی در بغداد بدنیا آمد. پدر او  عراقی، و مادرش انگلیسی هستند، و از سال 1979 به بعد در انگلستان اقامت دارد.

الخلیلی یک فیزیکدان نظری است که تخصص اصلی او فیزیک کوانتوم می‌باشد. او از اوایل دهه 1990 در دانشگاه ساری (Surrey) به تدریس فیزیک کوانتوم، و نوشتن کتاب‌های عامه‌فهم در زمینه علم و تکنولوژی و همچنین ساختن برنامه‌های مستند مشغول بوده. او یکی از مطرح‌ترین چهره‌های مستندسازِ علمی در سطح جهان است که تاکنون 20 مستند مختلف برای شبکه‌های تلویزیونی مهم، از جمله BBC و ITV، تهیه و اجرا کرده.

این دومین کتابی است که از الخلیلی ترجمه می‌کنم. کتاب قبلی سیاه‌چاله‌ها وکرم‌چاله‌ها بود، که جزء کتاب‌های پرفروش او بشمار می‌رود و به کیهان‌شناسی و فیزیک نوین اختصاص دارد.

زمستان 1401

کامران بزرگزاد ایمانی

فیزیک کلاسیک

تا انتهای قرن نوزدهم بسیاری از فیزیکدانان عقیده داشتند که در مورد کارکرد جهان و خواص ماده و تابش، حقیقتاً چیز زیادی برای یادگرفتن نمانده.

دو قرن پیش از آن، ایزک نیوتون (Isaac Newton) (1727-1642) با جزئیات مستدلِ ریاضی خطوط چیزی را ترسیم کرد که بعداً به مکانیک نیوتونی (Newtonian mechanics) یا مکانیک کلاسیک معروف شد.  هر دانش‌آموز دبیرستانی، قوانین حرکت و قانون جاذبه عمومی او را یاد می‌گیرد. این قوانین برای محاسبه نیروهایی بکار می‌روند که روی کلیه اشیائی که ما در اطراف خودمان می‌بینیم اعمال می‌شوند. آنها همچنین برای توضیح چگونگی حرکت این اشیاء، از سقوط یک سیب گرفته تا مسیر حرکت سفینه‌های فضایی، بکار می‌روند. کار اصلی نیوتون، به همراه رصدها و آزمایشات دقیقی که پیش از او توسط کسانی مثل گالیله (Galileo) (1642-1564) انجام گرفته بود، چیزی را بنا کرد کرد که غول‌های فیزیک قرن نوزدهم، مانند مایکل فارادی (Michael Faraday) (1867-1791) و جیمز کلارک مکسول (James Clerk Maxwell) (1879-1831) بر آن ایستادند و تصویر فیزیک کلاسیک را کامل کردند.

این کارها، که توسعه آن سه قرن بطول انجامید، هنوز برای ما توصیفی از جهان را فراهم می‌آورد که از اشیاء صُلبی ساخته شده که از مکانیک نیوتونی پیروی می‌کنند. اینها به همراه توصیف مکسول از امواج الکترومغناطیسی، میدان‌ها و تابش‌ها، به خوبی الکتریسیته، مغناطیس، و نور را با هم متحد می‌کند.

بنابراین، در آن زمان بنظر می‌رسید که فیزیک کامل شده. انتظار می‌رفت همه چیزها در جهان بتوانند بطور دقیق توضیح داده شوند، و تنها مسئله، بالا بردن دقت در اینکارها بود. حتی در سال 1894 فیزیکدانی چنین اظهار نظر کرد: ”محتمل بنظر می‌رسد که بیشتر اصول اساسی فیزیک بطور استوار محقق شده.“

ایزک نیوتون (Isaac Newton) (1727-1642).

طلوع فیزیک نوین

در دهه پایانی قرن نوزدهم، یک سری معماهای عجیب و لاینحل در فیزیک پیش آمد که حاکی از این بودند که این علم با یک بحران مواجه شده.

برای مثال، هنوز هیچکس اثباتی ارائه نداده بود که چرا نهایتاً ماده از اتم‌ها  تشکیل شده. بنا به تعریف، اتم کوچکترین جزء سازنده ماده است که غیرقابل تقسیم می‌باشد. بسیاری از فیزیکدانان و شیمی‌دانان، بعنوان یک فرضِ جواب‌گو، شروع به قبول این کرده بودند که اتم‌ها وجود دارند (یک ’نظریه اتمی‘ اولیه)، ولی درواقع از اینکه سرشت یا خواص این اتم‌ها چه هستند، هیچ ایده‌ای نداشتند.

همچنین پدیده‌های گیج کننده‌ای بودند که نمی‌شد آنها را توضیح داد، چیزهایی مثل پدیده فُتوالکتریک (photoelectric effect)، که در آن نوری که به روی الکترودهای فلزی تابیده می‌شود، می‌تواند الکتریسیته تولید کند، و همچنین تابش جسمِ-سیاه (black-body radiation)، یا گرما و نوری که توسط برخی از اجسام غیر-تابنده تابش می‌شود، و الگوهای متمایزِ خطوطِ طیفِ نور که توسط هر یک از عناصر شیمیایی ظاهر می‌شود.

چیزی که به هیجانات می‌افزود سه کشف متوالی بود که در آن زمان به فاصله اندکی از یکدیگر صورت گرفت: اولی کشف اشعه مرموز ایکس در 1895 توسط فیزیکدان آلمانی ویلهلم رونگتن (Wilhelm Röntgen)، و بدنبال آن کشف پدیده عجیب رادیواکتیویته توسط فیزیکدان فرانسوی هنری بِکرل در 1896، که جایزه نوبل را برای او و ماری و پییر کوری به همراه داشت، و نهایتاً کشف اولین ذره بنیادی، یعنی الکترون، در سال 1897 توسط فیزیکدان انگلیسی جی.جی تامپسون.

کشف اشعه ایکس توسط رونگتن به ما اجازه داد تا بتوانیم درون مواد جامد را ببینیم، که در آن زمان شبیه جادو بنظر می‌رسید. در همان زمان ماری کوری با کارهایی که بر روی مواد رادیواکتیو انجام داد، بعنوان اولین زنی که برنده جایزه نوبل شد جایگاه خودش را تثبیت کرد.

هر آنچه بالا رود، عاقبت باید پایین بیاید

01/11/1401

تجربه ما از گرانش، یا حداقل کششِ گرانشی زمین، مثل نفس کشیدن برای ما آشنا است. هر چه باشد، قبل اینکه ما حتی یاد بگیریم که چطور راه برویم، باید از زمین بلند شدن را تجربه کنیم. هر کودکی باید عضلاتش آنقدر قوی شده باشد که بر کشش زمین چیره شود و ابتدا بنشیند، سینه‌خیز برود، بلند شود، و کم کم راه برود. وقتی خوب فکر کنید خواهید دید که حتی مفاهیم اساسی مثل ’بالا‘ و ’ پایین‘، تنها وقتی معنی پیدا می‌کنند که جهتِ کششِ گرانشِ زمین مشخص شود.

بنابراین تعجب‌آور نیست که گرانش اولین نیروی اساسی طبیعت است که دانشمندان سعی داشتند آن را توضیح دهند، و در طول چند هزار سال گذشته، ما در این زمینه راه درازی را طی کرده‌ایم. در بخش‌های بعدی این کتاب، داستان پیشرفت ما در فهم چیستی گرانش، و چگونگی قرار گرفتن آن در قوانین جهان، بطور خلاصه توضیح داده می‌شود.

بنابراین اولین چیزی که باید گفته شود این است که مفهوم گرانش فرای ضرب‌المثل معروف ’هر چه بالا رود، عاقبت باید پایین بیاید ‘ است. خود ما که به سطح سیاره زمین چسبیده‌ایم، گرانش را صرفاً بعنوان نیرویی تجربه می‌کنیم که ما را به سمت زمین می‌کشد، ولی ما بعداً درخواهیم یافت که این نیرو بسیار غنی‌تر از این است. گرانش حقیقتاً یک ’نیرو‘ نیست بلکه چیزی به مراتب بنیادی‌تر است. در واقع گرانش چگونگی شکلِ فضا، و گذشتِ زمان، و بنابراین تاریخ و سرنوشت کلِ عالم، را تعیین می‌کند.

هر آنچه بالا رود، عاقبت باید پایین بیاید.

فیزیک ارسطویی

بدون شک ارسطو بزرگترین متفکر علمی عهد باستان بود. او مردی بود که درباره کلیه وجوه جهانِ طبیعی اظهار نظر می‌کرد. وقتی صحبت بر سر توضیح اینکه چرا یک شیء سقوط می‌کند بود، او می‌گفت دلیلش این است که هر چیزی ’تمایل دارد‘ به سوی مکانِ ’طبیعی‘ خودش حرکت کند. از میان چهار عنصر اصلی که قُدما عقیده داشتند همه چیزهای جهان از آنها ساخته شده (یعنی خاک، آب، هوا، و آتش)، جایگاه طبیعی خاک و آب به مرکز زمین اشاره داشت. درحالی که جایگاه طبیعی هوا ، که سبکتر است، در بالای این دو قرار می‌گیرد، و آتش که از همه سبکتر است در بالای هوا قرار می‌گیرد. البته با معیارهای جدید، این صحبت‌ها به هیچ وجه علمی قلمداد نمی‌شوند.

در قرون وسطا، دانشمندان اسلامی تصویر فیزیک ارسطویی را بهبود بخشیدند. در قرن نهم میلادی محمد ابن موسی[1] اولین کسی بود که پیشنهاد داد اجرام آسمانی مثل ماه از همان قوانین فیزیک تبعیت می‌کنند که اجرام زمینی می‌کنند- که بطور فاحشی برخلاف عقاید آن زمان بود. در کتاب او بنام ’حرکات ستاره‌ای و نیروی جاذبه‘ نشانه‌های روشنی بچشم می‌خورد که نظرات او از لحاظ کیفی تفاوت زیادی با قانون گرانش نیوتون، که هشت قرن بعد مطرح شد، ندارد.

ولی تاثیر علوم یونانی چنان بود که تا وقتی در قرن شانزدهم میلادی در اروپا رنسانس رخ نداده بود، و افرادی مانند کپرنیک و گالیله ظهور نکرده بودند، اندیشه‌های ارسطو هنوز پابرجا بودند.

محمد ابن موسی، (803 –873) منجم قرن نهم.

...........................................

برای ادامه مطالعه این کتاب نسخه کامل PDF آن را تهیه کنید.