X
تبلیغات
رایتل

فیزیک از دیروز تا امروز  چاپ

تاریخ : یکشنبه 4 اردیبهشت‌ماه سال 1390 در ساعت 10:35 ق.ظ

فیزیک دوره باستان

نخستین ریشه های فیزیک به دوران باستان باز می گردد یونانیان قوانین و تئوری های اولیه فیزیک را پایه گذاری کرده اند معلومات آنان در فیزیک محدود و تئوریها مبهم بود، یونانیان پایبند استدلال بودند، از اهمیت و اعتبار تجربه و لزوم آن غافل بودند.

فیزیکدانان یونیان قدیم بیشتر به متافیزیک تمایل داشتند زیرا مراکز آموزشی آنان به صورت مدارس فلسفی بود و در این دوره می توان از فیثاغورث، ارسطو، تالس، ارشمیدس و اقلیدس نام برد.

کارهای یونانیان در فیزیک

یونانیان بیش از هر چیز به مکانیک و اپتیک پرداختند اینان قانون اهرم، قاعده بالا بردن اجسام و قوانین بازتاب و شکست نور را شناختند. افول تمدن یونانی تحول فیزیک را دچار یک وقفه طولانی ساخت، بسیاری از قوانین و تئوری ها مبهم، سطحی یا غلط بود و پیشرفت این دانش به نسل های بعد از آنان موکول شد.

جالب توجه است که ملل قدیمی دیگری از قبیل بابلیان و مصریان در توسعه و تکمیل ریاضیات و نجوم سهیم بوده اند اما در پیشرفت علم فیزیک هیچ سهمی نداشتند.

فیثاغورث (حدود 600 سال قبل از میلاد)

پیدا کردن ترتیب تقدم و تاخر زمانی کشفهای افسانه ای دشوار است، کشف فیلسوف یونانی فیثاغورث که در اواسط قرن ششم قبل از میلاد می زیست کاملا مستند  است. فیثاغورث با علم به اینکه اعداد بر جهان حکومت می کنند. به تحقیق در مورد رابطه میان طول تارها در آلات  موسیقی پرداخت که ترکیبات هماهنگی از اصوات تولید می کنند. بدین منظور تاری به کاربرد که طولش بتواند تغییر کند و از طرف وزنه ای آویخته به آن تحت تاثیر کششهای مختلف قرار گیرد با ثابت نگه داشتن وزنه و تغییر دادن طول تارها دریافت که آهنگهای هماهنگ زوج وقتی بدست می آید که طولهای تار به نسبت اعداد ساده باشد. این کشف شاید نخستین بیان ریاضی یک قانون فیزیکی باشد و  نخستین گام در پیدایش آنچه اکنون فیزیک نظری می نامیم به شمار می رود، در اصطلاح امروزی کشف فیلسوف یونانی چنین بیان می شود که فرکانس یک تار معین که تحت تاثیر کشش معینی قرار گیرد با طول تار نسبت عکس دارد.

دموکریتوس (حدود 400 ق. م )

فیلسوف یونانی دیگر که تئوری فیزیکی آن «تئوری بدون هیچ شالوده تجربی» نامیده می شود، این نظریه را بدین صورت بیان کرد «که هر جسم مادی تجمعی از ذره های بیشمار و چنان خردی که چشم آدمی قادر به دیدن آنها نیست» وی این ذرات را اتم که در لفظ یونانی یعنی تقسیم ناپذیر نامید.

تالس

یکی از هفت شخصیت متفکر یونان قدیم به شمار می رفت تالس کشف کرد که اگر کهربا مالش داده شود اجسام سبک را می رباید.

فلسفه ارسطویی

ارسطو یکی از نامداران یونان باستان که از دو نظر شهرت دارد، اول نابغه واقعی بود دوم قیم و سپس مورد حمایت و پشتیبانی اسکندر مقدونی بود ارسطو به سال 384 قبل از میلاد در شهر مستعمره ای استاگیرا در سواحل دریای اژه به دنیا آمد 17 ساله بود که به آتن رفت و به مکتب فلسفی افلاطون پیوست نگرشهای ارسطویی درباره منطق و روانشناسی که مخترع آنها خود اوست و تالیفاتی در باب علوم سیاسی و مسائل گوناگون دارد و این نگرشهای اندیشه انسانی را مدت 2000 سال پس از مرگ خود تحت تاثیر قرارداد شاید مهمترین سهمی که در مبحث علم فیزیک دارد اختراع نام این علم باشد که از کلمه یونانی به معنی طبیعت اقتباس گردیده است. در نوشته های ارسطو در زمینه مکانیک آمده است «آنچه که متحرک است حرکتش یا به حکم طبیعت یا بر اثر نیروی خارجی یا بالاخره اختیاری است.» همچنین او معتقد بود که اجسام سنگین بیش از اجسام سبک به فرود آمدن گرایش دارند، از این رو ارسطو بر این باور بود که اجسام سنگین تندتر سقوط می کنند. ارسطو شاگرد افلاطون و آموزگار اسکندر بزرگ است فلسفه ارسطو از دوران باستان تا قرون وسطی مکانیک ارسطو در دانشگاهها تدریس می گردید.

نقطه ضعف ارسطو در تحقیق پدیده های فیزیکی مربوط به این است که تمایلی به ریاضیات نداشت نظرات وی درباره حرکت اجسام زمینی و اجسام آسمانی شاید بیش از خدمتی که به پیشرفت علم کرده به آن آسیب رسانده باشد. پیدایش مجدد تفکر علمی در دوران رنسانس، مردمانی  مانند گالیله ناچار بودند که برای رهایی از یوغ فلسفه ارسطویی سخت مبارزه کنند.

ارشمیدس (287-212 ق. م)

دانشمند نامدار دیگری از دوران باستان که حدود یک قرن پس از زمان ارسطو می زیست ارشمیدس دانشمند علم مکانیک بود. وی فرزند یک منجم بود و مهارتهایی در ریاضیات داشته است در ریاضیات کشف رابطه حجم کره و استوانه محیطی آن بوده در کتاب معروف خود درباره تعادل سطوح ارشمیدس قوانین اهرم را بیان کرده است و از این قانون تئوری گرانیگاه هر جسم معین را بحث کرده است و توانست مرکز ثقل چند مورد خاص را تعیین کند. او پایه گذار استاتیک است سبک ارشمیدس طویل و تفضیل زیادی دارد شبیه اقلیدس در باب هندسه. دلایل و برهانهای گوناگون در مبحث مکانیک و شاخه های فیزیکی با شکل های هندسی انجام داده و قوانین اساسی تعادل را با فرضیه بیان کرده است. معروفترین کشف ارشمیدس قانون وی درباره کاهش وزن اجسام غوطه ور در یک مایع است، که اصل مشهور او بدین صورت بیان شده است «بر شیء که به طور کامل یا جزیی در شاره فرو رفته است، نیروی رو به بالایی (نیروی ارشمیدس) وارد می شود که با وزن شاره جابجا شده بوسیله شیء برابر و در سوی مخالف است»

در تاریخ علوم پی یرروسو ترجمه حسن صفاری زیر عنوان ارشمیدس اشاره گردیده ... ارشمیدس هیدروستاتیک یا علم تعادل مایعات را به وجود آورد و در افسانه ها مسطور است که وی به منظور دسیسه، شخص دغل و متقلبی این علم را اختراع کرد.

ارشمیدس صاحب اختراعات بسیاری از جمله قرقره، پیچ ارشمیدس، پیچ بی انتها و چگالی سنجی (آرئومتر) است.

اقلیدس (حدود 300 ق. م)

ظاهراً نخستین فردی بوده که امتداد انتشار پرتو بازتابش نور را بررسی کرده است و قوانین بازتابش نور را یافته است در کتاب  اقلیدس در باب اپتیک آمده است. «پرتو تابش، عمود بر سطح جسم و پرتو بازتابش همیشه بر یک سطح قرار می گیرند و زاویه تابش با زاویه بازتابش  همیشه مساوی است»

بطلمیوس (حدود 150 ق.م )

بطلمیوس زاویه شکست را برای هر یک از زاویه های  متفاوت اندازه گرفت و هر یک را در جدولی درج کرد و دریافت که برای هر ردیف می توان یک جدول خاص ترتیب داد لیکن در استخراج قانونی که پایه تنظیم این جدولها باشد توفیق نیافت. کارهای بطلمیوس آخرین سهم بزرگی است که فرهنگ یونانی در توسعه  علم داشته است.

رومیها

رومیها فرهنگ یونانیان را گردآوری کردند ولی بیشتر به کاربرد و موارد استعمال علوم توجه داشتند در نتیجه ریشه علم در میان آنان قوت نگرفت بطوریکه در میان رومیها ریاضیدان، فیزیکدان، نجوم دان پای نگرفت.

2- فیزیک در قرون وسطی

نقش مسلمانان:

با زوال فرهنگ یونانی، تکامل  علم بطور کلی و علم فیزیک، بخصوص به یک حالت رکود مجازی درآمد و این مدت تقریباً هزار سال طول کشید تا اینکه سرانجام امپرطوری عربی در قرن هشتم تمام سرزمینهای جنوبی، دریای مدیترانه را احاطه کردند و از تنگه جبل الطارق تا اسپانیا پیش رفتند اعراب کتابهای بجا مانده از کتابخانه های یونانیان را ترجمه کرده و پرچمدار علم شدند، از قرن دوم تا قرن پنجم هجری (مقارن قرنهای هشتم تا یازدهم میلادی) در رشته فیزیک روی نور بیشتر تکیه می شد و بزرگترین فیزیکدان دنیای اسلام در آن زمان حسن بن هیثم است.

حسن بن هیثم (1035- 965 م. )

حسن بن هیثم معروف به الخازن (نزد اروپائیان) است در زمینه فیزیک حدود 24 کتاب رساله و مقاله دارد که به موضوعاتی همچون نور، انواع آینه های سوزان و چگونگی تشکیل تصویر آن و ... می باشد مهمترین کتاب او در زمینه فیزیک «المناظر» مشهور است این کتاب در اصل به زبان عربی است به لاتین و زبانهای دیگر اروپایی ترجمه شده است و مورد استفاده محققان اروپایی از جمله کپلر بوده است مولف در این کتاب در زمینه های فیزیک به موارد زیر پرداخته است:

1- ارائه نظریه درست و کامل چگونگی دید چشم، تا زمان ابن هیثم دانشمندان فکر می کردند در اثر خروج چیزی از چشم و برخورد آن به اشیا می باشد، او برای اولین بار چگونگی دیدن یا کیفیت ابصار را مطرح کرد.

2- قانون بازتاب در روی سطوح تخت و منحنی شکل که آنرا در روی سطوح غیر مشخص بیان کرد و آنچه به نام دکارت است بدون شک بر گرفته از کتاب وی می باشد.

3- بررسی قوانین شکست نور

4- طریقه و روش به کاربردن عدسی و اصول بزرگنمایی و آینه های کروی و شلجمی

5- بررسی انطباق چشم

6- تشریح ساختمان چشم و بررسی عدسی چشم و چگونگی ایجاد تصویر در شبکیه

7- بیان قانون فرما (نور کوتاهترین مسیر را همواره انتخاب می کند)

8- ارائه مفهوم پرتو و امواج نورانی

9- اندازه گیری زاویه افق مجازی که مربوط به انعکاس نور در روی جو کره زمین می باشد که او آنرا 18 درجه ذکر کرده است.

ابن هیثم در زمینه اختر شناسی آثار مهمی دارد و وی در پژوهشهای نجومی خود از ابزارهای گوناگونی همچون ساعت آبی استفاده می کرد، او در راستای تحقیقات خود موفق به اختراع ذره بین شد.

ابوریحان بیرونی (1053- 973 م.)

وی بیش از 150 کتاب به نگارش در آورده است که 70 مورد کتاب در زمینه نجوم، 20 کتاب در مورد ریاضی و 18 مورد در مورد ادب و مابقی در زمینه  های جغرافیا، فیزیک و زمین شناسی است. فرضیه قوه جاذبه و حرکت وضعی زمین از کارهای مورد تحقیق او می باشد، محاسبه علمی جهت یابی قبله را تعیین کرد، اولین کسی است که فکر تصویر برجسته را ارائه کرده است. درباره کرویت زمین، وزن مخصوص اجسام، آب شیرین و شور تحقیقات ارزنده ای را انجام داده است. نخستین اثر بزرگ بیرونی «آثار الباقیه» است که از تقویم ها، مسائل نجومی و هواشناسی سخن به میان آمده است.

ابوعلی سینا (1037- 980 م.)

ابن سینا در فنون مختلف و متنوعی تالیف بسیاری دارد، آثار او بالغ بر 270 عنوان می شود دائرة المعارف قانون علم پزشکی را بررسی کرده است، مهمترین اثر فلسفی ابن سینا کتاب شفاست که دائره المعارف عظیمی در چهار بخش منطق، طبیعیات (فیزیک)، ریاضیات و مابعد الطبیعه می باشد. مفهومی که ابن سینا از  علم فیزیک دارد «فیزیک را مطالعه اجسام طبیعی و حرکت آن می داند و از اتصال و پیوستگی جسم صحبت کرده است خواص مربوط به جسم طبیعی عبارتند از حرکت و سکون، زمان و مکان، خلا، تقارن و ... است. جسم به خودی خود هیچ حرکتی ندارد حرکت را منحصراً باید ناشی از علت آن دانست حرکت یا از خارج است یا در جسم است.» ابن سینا در مکانیک درباره جرثقیل، علم اوزان و ترازوها، علم ادوات خاص و هیدرولیک به بحث پرداخته است.

در دوره ای که مسلمانان در اوج بسررساندن فرهنگ و معارف اسلامی و علمی خود بودند پیشرفت علم در اروپا کاملا متوقف مانده بود.

در قرن دهم میلادی (مقارن قرن چهارم هجری) علم دوباره در اروپا رونق گرفت. در اوایل قرن سیزدهم میلادی فیزیک در مسیر توسعه و پیشرفت قرار گرفت زیرا اولا در اروپا چند حکومت بوجود آمد که از دانشمندان حمایت می کردند ثانیا دانشگاههایی تاسیس شد دانشگاه اکسفورد و کمبریج انگلستان، دانشگاه من پلیه در فرانسه، دانشگاه پادو در ایتالیا و در قرن چهاردهم دانشگاههای پراگ و وین و غیره.

در این دوره متفکرانی مانند راجربیکن (1294- 1214م) انگلیسی است وی کانون آینه مقعر را پیدا کرد. ساختن آینه های شلجمی را تعلیم داد، اساس کار اتاق تاریک را کشف کرد و درباره تشکیل رنگین کمان نیز نظریه ای دارد و برای نخستین بار شرح کافی درباره علت تشکیل آن داد و نقش قطره های معلق باران را در هوا در تشکیل این پدیده بیان کرد.

در این دوران صنعتگران متعددی بودند که در جهت پیشبرد صنعت، کار می کردند در این عصر بود که آینه های قلع اندود را اختراع کردند، شهرهای بزرگ را با ساعتهایی که در ساختمانها کار گذارده می شد تزئین نمودند. اختراع قرن چهاردهم میلادی عینک (اواخر قرن سیزدهم) بود.

در دوره رنسانس که دوره تجدد ادبی و هنری بود رشته فیزیک فقیر بود در اوایل این دوره لئونارد داوینچی نقاش ایتالیایی (1519- 1452) خاصیت مویئنگی را کشف کرد، مقاومت هوارا مدنظر قرار داد، اهرمها و سطح شیبدار را مطالعه کرد، نیروسنج را اختراع کرد.

مورولیکوس (1575- 1494 م.)

مورولیکوس از اهالی سیسیل ایتالیا به نقش عدسی چشم پی برد و آن را در حکم یک عدسی ساده دانست نه عامل اصلی رویت و نزدیک بینی و پیر چشمی را تقریبا شرح داد و عینکهای اصلاحی آنها را بررسی کرد.

تارتاگلیا ریاضیدان ایتالیایی کیفیت هندسی مسیر پرتابه ها را بررسی کرد و در آن چندان موفق نبود.

ویلیام گیلبرت (1544- 1603م)

یکی از فیزیکدانان پیشگامی بود که پی به وجود میدان مغناطیسی زمین برد وی نشان داد که اگر میله آهنی را در راستای شمال و جنوب قرار دهیم و بر رویش بکوبیم آن میله آهن ربا خواهد شد. همچنین برای اثبات وجود میدان مغناطیسی زمین یک آهنربا را درون کره ای قرار داد نام آن Terrlla (ترلا) که به لاتین به معنای زمین کوچک بود گذاشت و سپس یک قطب نما را بر روی آن حرکت داد که مشاهده نمود اگر قطب نما به موازات سطح ترلا قرار گیرد جهت عقربه مغناطیسی همواره ثابت است،  که نشان می داد عقربه تحت تاثیر میدان مغناطیسی آهن ربای درون کره است.

در واقع کره زمین مانند یک آهن ربای قوی عمل می کند که قطب N آن در جنوب جغرافیایی قرار دارد و قطب S آهن ربای درون زمین در شمال جغرافیایی قرار دارد و بر همین اساس اکتشافات دریانوردی آغاز شد پدیده انحراف مغناطیسی و تغییر آن بر حسب موقعیت جغرافیایی مورد بررسی قرار گرفت که توسط نورمن (1600 - 1576م) محقق انگلیسی بوسیله یک قطب نمای میل یاب که خود آنرا اختراع کرد و پاره ای از خواص ربایش و رانش الکتریکی را مورد بررسی قرا گرفت. از مهمترین عوامل در اشاعه دانش اختراع چاپ در اواسط قرن پانزدهم بوسیله گوتنبرگ بود و یکی از مهمترین کتابهایی که برای اولین بار چاپ شد کتاب گردش افلاک آسمانی که کوپرنیک آنرا نوشت و در آن منظومه جهان نوینی برقرار ساخت که خورشید در مرکز آن قرارداشت.

خلاصه آنکه دوره رنسانس عامل چندان موثری در پیشرفت دانش فیزیک نبود.

3- فیزیک بعد از دوره رنسانس

با آغاز قرن هفدهم میلادی (مطابق با قرنهای دهم و یازدهم هجری) فیزیک شکوفا شد محققان معدود بودند ولی از میان آنها شخصیت های بزرگی برخاستند. اصول کلی وضع و قوانین پایه گذاری شدند. قرن هفدهم در واقع یک دوره طلایی است.

گالیله (1564- 1642م)

فیزیک به سبب پیدایش نابغه ای همچون گالیله در ایتالیا پیشرفت داشت می توان گالیله را بنیان گذار فیزیک دانست  گالیله در ضمن اینکه به مشاهده پدیده ها به عنوان نقطه آغاز اهمیت می داد، روی نقش آزمایش تکیه می کرد و نتایج را با قواعد ریاضی دقیق بیان می کرد، سبب شد تا فیزیک بر پایه های استوار قرار گیرد. کارهای گالیله در اپتیک و نجوم می توان اصلاح دوربین نجومی، کشف ستارگانی که پیشینیان به سبب نداشتن وسیله قادر به رویت آنها نبودند، دفاع از عقیده کوپرنیک درباره منظومه شمسی دانست. مبارزه او برای تثبیت منظومه کوپرنیک خدمت بزرگی به فیزیک را نیز شامل شده است.

سلب اعتبار از فیلسوفان ارسطویی یک گام اساسی،تنزل دادن آنان به رتبه صاحب نظرانی برابر با صاحب نظران دیگر و نشان دادن این نکته که دعوی علیه حرکت زمین به اثبات نرسیده است. او با دلیل و برهان ثابت کرد که زمین حرکت دارد و از ماه پرنورتر است در آن عصر همه فکر می کردند زمین جسم یکتای ثابتی است در مرکز عالم که دور تا دور آن را عناصر آب، هوا و آتش فرا گرفته است، حالا گالیله بیان می کرد که ماه مثل زمین، کوه و دره دارد. او در معرفی منظومه کوپرنیک و کشفیات خود با تلسکوپ مهارت زیادی به خرج داد در ژوئیه 1610 م. متوجه کراتی شد که به نظرش قمرهای زحل آمدند در نیمه دسامبر اهله زهره را کشف کرد، کار محاسبه دوره های گردش قمرهای مشتری را هم با موفقیت چشمگیری انجام داد. در سال 1609 م. گالیله نخستین تلسکوپ را ساخت. گالیله همچنین تحقیقاتی در زمینه 1- کشف تساوی زمانی نوسانهای کوچک آونگ 2- گرانیگاه بعضی از جامدات 3- مطالعه و بررسی ترازوی آبی ارشمیدس 4- دستگاهی برای بالا بردن آب 5- ساختن نوعی پرگار 6- مطالعه و بررسی حرکت پرتابه ها و مسیر پرتابه در خلا را انجام داده است. از آثار و نوشته های اومی توان نامه هایی درباره لکه های خورشیدی (1613 م.)، جزر و مد (1616)، گفتگو درباره دو منظومه بزرگ جهان (1633 م)، مکانیک (1634)، گفتارهایی درباره دوعلم جدید (1638م)، حرکت وضعی، دید و رنگ و عیارسنج اشاره کرد.

گالیله نظریه ای را که به موجب آن خورشید بی حرکت در مرکز عالم قرار گرفته و زمین متحرک است و در عین حال هم به دور خود و هم به دور خورشید می گردد را ارائه داد که در سال 1633 م. حکم دادگاه عالی تفتیش عقاید به وی ابلاغ گردید به موجب این حکم محکوم به مرگ شد و گالیله می بایست از ارتداد خود توبه کند تا حکم محکومیت او به حبس ابد تخفیف داده شود و او چنین کرد با اینکه اعتقاد بر حرکت زمین داشت، بعداً گالیله تبعید گردید گالیله در روزهای پایانی عمرش در ویلای خود مریض و بر اثر عارضه التهاب از هر دو چشم نابینا و خانه نشین شد و در 1642م. فوت کرد و کلیسای رم در قضاوتش نسبت به وی  تخفیفی نداد پیکرش را در گوری ناشناس به  خاک سپردند.

پیدایش آکادمیها

در آغاز قرن هفدهم، فیزیکدانان، بویژه در فرانسه بطور انفرادی کار می کردند. دکارت (1596-1650م)، پاسکال(1623-1662م) و فرما (1601- 1665م) از آن جمله اند بین علاقمندان به علم هیچگونه ارتباط رسمی برقرار نبود برپایه رفع این نقیصه بود که آکادمیها بوجود آمدند. نخستین آنها بر حسب تاریخ تاسیس، آکادمی فلورانس بود که بعدازنه سال منحل شد با انحلال آن دوره طلایی فیزیک در ایتالیا پایان یافت، در انگلیس آکادمی تحت انجمن سلطنتی در لندن پایه گذاری گردید و شخصیت هایی مانند بویل، هوک و نیوتن را می توان  نام برد. در پاریس آکادمی علوم تاسیس  گردید و دانشمندان فرانسوی آن عصر از جمله ماریوت و دانشمندان خارجی از جمله هویگنس از هلند به این آکادمی روی آوردند همه این موسسه های علمی در پیشرفت دانش فیزیکی شرکت کردند.

توریچلی (1608- 1647م.)

از شاگردان گالیله است او با آزمایش نشان داد عامل بالا رفتن مایعات تا بلندیهای مختلف به علت چگالیهای متفاوتشان می باشد ولی ثابت نمی کرد که این عامل فشار هوا است بعدها پاسکال (در قرن هفدهم) از نظریه او استفاده کرد.

مطالعه خلا و گازها

نخستین تلمبه تخلیه هوا توسط اتوفون گریکه بوسیله یک پیستون ساخته شده تلمبه تخلیه هوای گریکه توسط رابرت بویل (1626- 1691م.) فیزیکدان انگلیسی  تکمیل شد و در مطالعات خود درباره خلا پی برد که حجم یک گاز به نسبت عکس فشارش تغییر می کند.

پاسکال (1623- 1662م)

پاسکال در 12 سالگی بسیاری از قضیه های هندسه اقلیدسی را پیش خود اثبات کرد در 16 سالگی قضیه ای از هندسه تصویری را کشف کرد (قضیه پاسکال) در همان سال کتاب «مقاطع مخروطی»  را نوشت در سال 1640 م. نخستین ماشین حساب را ساخت نظریه احتمال را بنیان گذاشت و از نظریه توریچلی استفاده کرد و کشف فشار هوا و «تعادل آب گون ها» و کارهای مهمی در هیدروستاتیک دارد. پاسکال آزمایش فشار هوا را در بالای برج سن ژاک در پاریس انجام داد. نظریه توریچلی: که اگر فشار هوا  علت صعود جیوه در لوله باشد چنانچه تا ارتفاعی بالا رویم فشار کمتر خواهد شد و جیوه در لوله کمتر بالا خواهد رفت.

این برج بعدها به یادگار وی با مجسمه اش تزئین یافت. او نتایج تحقیق خود را در سال 1648 م. منتشر کرد و در سال 1663 م. در یک کتاب ایده فشار اتمسفر را بسط داد به کمک آن طرز کار بسیاری از دستگاهها از مجله تلمبه ها، سرنگ ها، سیفون ها و بارومترها در پیش بینی هوا استفاده شد.

 

هویگنس (1629-1695م.)

به کشف قانون ضربه و ساختن نخستین ساعت آونگی موفق گردید و قدرت دوربین نجومی را بالا برد، حلقه متعلق به زحل را کشف کرد، نخستین بار نور را به صورت امواج متحرک به تصویر در آورد.

نیوتن (1727- 1642م.)

نیوتن کیمیاگر، ریاضیدان، دانشمند و فیلسوفی است در سالی که گالیله در فلورانس از دنیا رفت نیوتن در لینگن شر انگلستان به دنیا آمد. کارهای مهم او تنظیم و تدوین مکانیک کلاسیک یا مکانیک نیوتنی است که در افکار فیزیکدانها و گسترش شاخه های مختلف فیزیک و پدیده ها و مباحث گوناگون فیزیکی را در بر گرفت.

او نخستین کسی است که قواعد طبیعی حاکم بر گردشهای زمینی و آسمانی را کشف کرد. وی همچنین توانست برای اثبات قوانین حرکت سیارات کپلر برهان ریاضی بیابد در جهت بسط قوانین نامبرده او مطرح کرد که مدار اجرام آسمانی (مانند ستارگان دنباله دار) لزوما بیضوی نیست بلکه می تواند هذلولی یا شلجمی نیز باشد.

آثار علمی نیوتن در کتابی به نام «اصول ریاضی حکمت طبیعی» در سال (1687م) به چاپ رسید که در این کتاب قوانین نیوتن درباره حرکت بحث شده و شکل مدارات را به کمک قوانین مکانیک پیش بینی کرد.

نیوتن تحقیقات مربوط به مکانیک وجاذبه ای عمومی را در 44 سالگی و تحقیقات مربوط به  نور را در 65 سالگی منتشر کرد. تحقیقات مهم او در اپتیک شکست نور، تجزیه نور در منشور (1665م.)، ماهیت نور سفید و ترکیب رنگهای نور است و از اختراعات او ساخت تلسکوپ انعکاسی می باشد. او فرضیه موجی هویگنسن را درباره نور رد کرد، از دیدگاه نیوتن نور جریانی از ذرات است که از چشمه نور به بیرون فرستاده می شود. نیوتن قانون جاذبه گرانشی را نیز بیان کرد و با استفاده از این قانون درباره حرکت زمین، برای نخستین بار پدیده «تقدیم اعتدالین» را  توضیح داد. همچنین اثر ماه بر زمین که به صورت جزر و مد ظاهرمی­شود،­شرح­داد و رابطه جرم و وزن را بیان کرد. نیوتن در زمینه ریاضیات مباحث طبقه بندی منحنی ها، روشهای محاسبه و تقویت، در جبر و نظریه اعداد و قضیه بسط دو جمله ایها تحقیقاتی انجام داده است. همچنین در افتخار تکمیل حساب دیفرانسیل با ویلهلم لایب نینتز ریاضیدان آلمانی شریک است.

 

پذیرش مناصب حکومتی و ریاست انجمن سلطنتی

در کنار فعالیت های علمی معمول، نیوتن از مسئولیت های سیاسی نیز رویگردان نبود او در سالهای 1689، 1701، 1702م. به نمایندگی مجلس برگزیده شد در سال 1696م. با فرمان چارلز مونتاگو رئیس خزانه داری انگلیس، نیوتن منصب ناظر ضرابخانه سلطنتی را عهده دار شد و سه سال بعد (1699م) به مدیریت آن سازمان گمارده شد. اگر چه نیوتن چنین مشاغلی را بیشتر برای سرگرمی می پذیرفت ولی گفته اند که در این مقام او وظیفه خود را «با شایستگی تمام» انجام می داد از سال 1703 تا آخر عمر نیوتن رئیس انجمن سلطنتی بریتانیا و همچنین یکی از اعضای فرهنگستان علوم فرانسه بوده او در سال 1705 م از سوی ملکه آن (ملکه انگلستان) به مقام شهسواری مفتخر گردید.

نیوتن در 84 سالگی در لندن در گذشت و در کلیسای وست مینستر او را به خاک سپردند و بر سنگ گور او این جمله نوشته شده است:

«مردگان به خود تبریک بگویید که بزرگمردی به شما پیوست که زندگیش به اعتلای بیشتر نام انسان انجامید.»

تکمیل آثار نیوتن توسط ریاضیدانان قرون هجدهم و نوزدهم منجر به پیدایش شاخه ای از نجوم به نام «مکانیک سماوی» شد.

هوک

فیزیکدان انگلیسی و معاصر با نیوتن می باشد از وی جز یک قانون تجربی که همان نیروی فنر مطلب دیگر به یادگار نمانده است با نیوتن دائما در کشمکش و ستیزه جوئی بود.

آخرین پیشرفتهای قرن هفدهم

ماشین بخار

در قرن هفدهم بهره گیری از نیروی بخار به عنوان نیروی محرکه آغاز شد. دنیس پاین (1647- 1724م.) فرانسوی دیگ فشاری را اختراع کرد که مجهز به دریچه (سوپاپ) اطمینان بود و این مهمترین اختراع پاین است. بالا رفتن یک پیستون توسط بخار آب، بعد خارج شدن بخار برای پایین آمدن پیستون و تکرار مرتب آن و نمونه یک چرخه کامل که فقط سه دقیقه طول می کشید.

سرعت صوت: نخستین اندازه گیری سرعت صوت توسط پی یرگاساندی ریاضیدان و فیلسوف صورت گرفت و سرعت انتشار صوت m/s 442 را بدست آورد. بعدها دانشمندان دیگر سرعت صوت را اندازه گیری کردند و اختلافها به سبب نقص اسبابهای اندازه گیری و از طرف دیگر ناشی از نداشتن عوامل موثر بر سرعت صوت مثل باد و دما و ... بود.

قرن هجدهم میلادی

قرن هجدهم به اندازه قرن پیش برای فیزیک درخشان نبوده است. در سده هجدهم رشد مکانیک همچنان ادامه می یابد پدیده های الکتریسیته نخستین بار در کاخ شاهزادگان به نمایش گذارده می شود.

اویلی- برنولی، لاگرانژ، دالامبر و لاپلاس ریاضیدان در کنار نظریه پردازان، دوستداران فیزیک به مطالعات تجربی که اغلب جنبه کیفی داشتند، پرداختند. فرانکلین کتابفروش و چاپخانه دار، دوفی مباشر کولن، افسر مهندسی ارتش وولتا بودند، پاسکال وگریکه کارشناسانی که در تکمیل اختراعات مانند ماشین بخار، اسبابهای اپتیکی و دماسنج ها کوشیدند.

دستگاه متریک

ایجاد دستگاه (سیستم) متریک از نتایج  مثبت انقلاب کبیر فرانسه است تا آن زمان در تمام زمینه های اندازه گیری واحدهایی به کار می رفت که کلا نامتجانس بودند. یکاهای اساسی بسیار بد انتخاب و تعریف شده بودند، لزوم ایجاد یک دستگاه یکاهای ساده و همسان کاملا احساس می شد و کمیسیونی متشکل از 5 نفر به نامهای بوردا، کندورسه، لاگرانژ، لاپلاس و مونژ تشکیل شد و آنان دستگاه یکاهایی با اجزاء و اضعاف دهدهی بوجود آوردند. ذکر این  نکته ضروری است که انقلاب کبیر فرانسه نتایج منفی و مثبت داشت نتایج منفی اعدام دانشمندانی از جمله لاووازیه و از نتایج مثبت تاسیس چند مدرسه عالی در فرانسه، مدرس پلی تکنیک هنرستان، دانشسرایعالی و غیره می باشد.

نخستین اکتشافها در الکتریسیته

در سال 1729 میلادی دانشمند انگلیسی به نام گری (1670- 1736م.) رسانش (هدایت) الکتریکی را کشف کرد. دوفی (1698-1739م.) دانشمند فرانسوی وجود دو نوع الکتریسیته را کشف کرد و آنها را به نام الکتریسیته شیشه ای و صمغی نامگذاری کرد و قانون اساسی الکتروستاتیک را بیان کرد. فرانکلین (1706- 1790م.) بر  خلاف نظریه دوفی عقیده داشت که یک سیال واحد بطور نهانی در تمام اجسام پخش شده است که ممکن است در آنها انبار شود یا محو گردد. بعدها در سال 1759م. سیمر نظر دوفی را تایید کرد و این نظریه که دو نوع الکتریسیته مثبت و منفی بنا نهاده شد. فرانکلین نخستین دانشمند امریکایی است که در جرگه دانشمندان وارد می شود او کاشف پدیده مهم الکتریسیته جو است و وسیله ای به نام برق گیر را برای حفاظت ساختمانها در برابر آسیبهای ناشی از صاعقه را اختراع کرد.

کشف دیگر همزمان توسط دو محقق ون کلایست آلمانی (1700 - 1748م.) و دیگری موسخن بروک استاد دانشگاه لید صورت گرفت که اساس کار خازن بود اساس کار آزمایش موسخن بروک یک قطعه سیم کلفت برنجی متصل به یک ماشین مولد الکتریسیته را در بطری پر از آب فرو برده و بدین وسیله بدون شک نخستین خازن الکتریکی را ترتیب داده بود، وقتی سیستم را با دست گرفت که از بطری بیرون بیاورد تکان شدیدی احساس کرد بعدا همه جا از تخلیه الکتریکی «بطری لید» صحبت می شود.

کولن و قوانین ربایش و رانش الکتریکی

کولن دانشمند فرانسوی (1736-1806م.) ترازوی پیچشی را برای اندازه گیری نیروهای بسیار کوچک طرح ریزی کرد و بعدا آنرا برای اندازه گیری نیروهای ربایشی و رانش الکتریکی به کار برد و کولن مقالاتی بنیادی در زمینه مکانیک ساختمانی، گسیختگی شاه تیرها، مکانیک خاک و نظریه اصطکاک دارد. در زمینه برق و مغناطیس با نوشته هایی درباره قطب نمای مغناطیسی آغاز شد و در تبیین جزئیات و تعمیم نظریه های نیوتنی به رشته های برق و مغناطیس سهم اساسی داشته است، به مطالعه توزیع سطحی بار در اجسام رسانا پرداخت و نظریه ای درباره مغناطیس بر اساس قطبش مولکولی از جمله کارهای او می باشد و در مقام مباشر آبها و چشمه های سلطنتی و به عنوان مشاور اصلاحات بیمارستانی در زمان ناپلئون، اصلاحات آموزشی خدمات عمومی برجسته ای انجام داد.

ولتا (1827- 1745م)

پیلی که دو قرص فلزی مختلف الجنس را روی هم قرار داد و نمک که نقش رسانای واسطه آنها را از هم جدا کرد با تماس دادن دو سر این پیل شوکی را ایجاد کرد و بدین ترتیب وسیله تولید برق به طور پیوسته را بدست آورد. اختراع پیل ولتا از حوادث بزرگ تاریخ علم فیزیک است این اختراع در قرن هجدهم و دوران حاکمیت الکتروستاتیک و پیشرفت الکتریسیته در قرن نوزدهم را انتظار داشت.

 

4- قرن نوزدهم میلادی

سه دهه اول قرن نوزدهم میلادی دوران پیشرفت روز افزون دانش فیزیک بود در این دوره پژوهشهای الکتریکی و گرمایی در صف مقدم پژوهشها قرار می گیرد ارتباط بین گرما و انرژی (ترمودینامیک) شناخته می شود و نظریه جدید اتمی و اصل بقا انرژی و مرکز ثقل مطرح می گردد، کشف پیل سبب شد که الکتریسیته ناگهان بیش از آنچه انتظار می رفت، پیشرفت کند. اورستد و فاراده به ارتباطهای بین جریان الکتریکی و میدان مغناطیسی پی بردند. هرتز به ایجاد امواج الکترومغناطیس موفق می شود این کشف ها پایه های الکترونیک را تشکیل می دهد و باعث تحول فن مخابرات می گردد ساختن فرستنده های رادیویی و تلویزیونی را ممکن کرده است. اپتیک بخشی از آموزش الکتریسیته می شود نظریه ذره ای نور نیوتن کنار گذارده می شود و فرضیه موجی بودن نور جای آنرا گرفت. یکی از علت های مهم این پیشرفت، توسعه و تحقیق علمی در میان طبقات مردم است بطوریکه محرومترین طبقات نیز می توانستند به مشاغل دانشگاهی دست یابند. از ویژگیهای این دوره توسعه صنعت است انگلستان مثال بارزی از این پیشرفت که به سبب اختراع ماشین بخار در صنایع مربوط به راه آهن و پارچه بافی پیشرفت قابل توجهی وجود داشت، چگونگی تحول علمی را در این دوره مورد بررسی قرار می دهیم.

اپتیک

یانگ و پدیده تداخل (1773- 1829م.)

دانشمند انگلیسی شخصی که در نوجوانی زبانهای لاتینی، فرانسه، ایتالیایی، یونانی حتی عربی و فارسی را فرا گرفت در ضمن تحصیل پزشکی مطالعاتی روی چشم، مخصوصا اثر رنگهای قرمز، سبز و بنفش بر آن انجام داد و درباره مکانیسم صدای انسان نیز مطالعاتی به عمل آورد. یانگ برای نخستین بار اصل خود را در رابطه با تداخل بیان کرد «هر وقت دو قسمت از نوری واحد از راههای مختلف به چشم برسند، خواه امتدادهای آنها دقیقا یکی یا خیلی نزدیک به هم باشند، نور هنگامی به شدیدترین حد می رسد که اختلاف مسیرها مضربی از یک طول معین باشد و شدت نور در حالت میانه قسمتهای متداخل به کمترین حد می رسد و این طول برای نور رنگهای متفاوت مختلف است. یانگ اظهار نظر های خود را در اولین کتابش «دوره ای از دروس حکمت طبیعی و فنون مکانیکی» شرح داده است. در زمینه هیدرولیک و ماشین های هیدرولیک از قبیل تلمبه ها، ماشین های بخار و اسلحه گرم در این کتاب اشاراتی کرده است. او آزمایشهای نیوتن درباره نور را با نظریه موجی نور توجیه کرد.

کشف نور قطبیده (پولاریزه)

ایتین مالوس (1775- 1812م.) موفق به کشف پدیده شکست مضاعف در بلور اسپات دیسلند شد. او در یکی از روزها، ضمن آزمودن یک بلوراسپات دیسلند، از پشت آن به نور خورشید که از پنجره های اتاق منعکس شده بود نگاه می کرد در ضمن این مشاهده پدیده ای جلب توجه کرد یک تصویر از خورشید دید با چرخاندن بلور، تصویر دوم ظاهر شد ولی بزودی تصویری که دیده می شد ناپدید گشت این پدیده بوسیله نور بازتابیده از روی شیشه های پنجره ظاهر می شد و چیزی شبیه به آن با نور مستقیم خورشید بوجود نمی آمد. این مشاهده نشان می داد که اولا بازتابش، خواص نور را تغییر می دهد ثانیا این تغییرات مستقیما ظاهر نمی شود بلکه یک بلور اسپات دیسلند کافی است آنها را آشکار سازد، بدین ترتیب نور قطبیده (پولاریزه) را کشف کرد. فیزیکدانان دیگر از جمله فرانسوا آراگو (1786- 1853م.) قطبش رنگی (پولاریزاسیون کروماتیک) را کشف کرد همعصر او بیو (1774- 1862م.) قطبش چرخی و بروستد (1781- 1868م.) دانشمند انگلیسی زاویه فرودی را که به ازاء آن قطبش بطور کامل صورت می گیرد (پولاریزاسیون در صفحه) را معین کرد همه این کشفیات حالت تجربی بود.

فرنل و نظریه موجی نور (1788- 1828م.)

فرنل مهندس راه و پل سازی فرانسوی با دو آینه معروف به آینه های فرنل نوارهای تداخلی زیبایی بدست آورد و این پدیده ها را بر اساس نظریه موجی شرح داد. این کار سبب شهرت او شد و بعد پدیده پراش (تفرق) نور و آزمایش روی آن بر اساس نظریه موجی نور پرداخت. فرنل برای توجیه این پدیده بیان کرد که ارتعاشات امواج نور در راستای انتشار آنها صورت نمی گیرند بلکه عمود بر راستای انتشارند به عبارت دیگر ارتعاشات نوری عرضی هستند نه طولی، فرنل نظریه کاملی بر پایه محاسبات ریاضی وضع کرد و آزمایشهایی بسیار عالی طرح ریزی نمود، اشکال بزرگ او فرض اتر بود. فرنل فانوسهای دریایی را با اختراع عدسی نرده ای اصلاح کرد.

فرونهوفر (1787- 1826م.)

فرونهوفر آلمانی که سازنده وسایل اپتیکی بود نزدیک به ششصد خط تاریک در طیف خورشید شمارش کرد سپس محققان دیگر نورهای مختلف را با هم مقایسه کردند پی بردند که هر یک از آنها طیف مشخصه خود را دارد بعدها پایه ای برای بنای تجزیه طیفی بشمار رفته است.

اختراع چاپ  عکس

لوئی داگر (1779- 1851م.) نقاش فرانسوی یودید نقره را در عصاره اسطو خودوس حل کرد با این محلول به یک صفحه عکاسی مالیده شد آنرا در انتهای یک اتاقک تاریک قرارداد و زمان لازم برای نور دادن به صفحات 3 تا 4 دقیقه بود اختراع او مورد توجه قرار گرفت.

الکتریسیته

اختراع پیل در سال 1800 میلادی توسط ولتا سبب پیشرفت الکتریسیته شد شکل ساخت پیل به سرعت عوض شد پیشرفت ساخت پیل مدیون آنتوان بکرل (1788-1878م.) فرانسوی است او نخستین پیل دو مایعی (دو الکترولیتی) را ساخت که فسادناپذیر بود (پولاریزه نمی شد) در نتیجه جریان ثابتی می داد. سیبک (1770- 1831م.) دانشمند آلمانی متوجه شد اگر دو محل جوش خوردگی مداری را که از دو رشته سیم فلزی مختلف تشکیل شده است به دو دمای متفاوت ببرند در مدار جریان الکتریکی ضعیفی برقرار می شود این پدیده اندیشه پیل (ترمو- الکتریک) را در ملونی (1798- 1854م.) دانشمند ایتالیایی القا  کرد. پیل ترموالکتریک اسبابی است که اختلاف دما را در گستره بسیار وسیعی اندازه می گیرد.

آمپر (1775- 1836م)

ریاضیدان فرانسوی فرزند ژان ژاک از بزرگترین نویسندگان و مورخان فرانسه است که اصول الکترومغناطیس را کشف کرد او در آغاز قطب نمای استاتیک را اختراع کرد دستگاهی که امکان می داد اثر میدان مغناطیسی زمین بر آن حذف شود در نتیجه اندازه گیری میدان مغناطیسی حاصل از جریان برق آسانتر گردد. تئوری خاصیت آهنربایی را بیان کرد که بنا به این تئوری خاصیت آهنربایی موجود که امروزه خاصیت مغناطیس هر ماده را مربوط به حرکت الکترونها در اتم عناصر سازنده آن ماده می دانند. سپس بر هم کنش های دو سیم  موازی حامل جریان را تعیین کرد. سولنوئید (سیم پیچ) الکتریکی را اختراع کرد و دستور راحتی برای تعیین سوی جریان خطوط میدان مغناطیسی حاصل از عبور جریان بیان کرد، در یک تالیف برجسته در سال 1827م. دستاوردهای الکترومغناطیس را در ترکیبی عرضه کرد و به او لقب «نیوتن الکتریسیته» دادند.

45 سال پس از گذشت این دانشمند یعنی در سال 1881 کنگره بین المللی فیزیکدانها واحد شدت جریان را به افتخار او آمپر نامیدند.

همزمان دوران فعالیت او اورستد (1777- 1815م.) استاد فیزیک دانشگاه کپنهاگ ضمن تدریس عملی الکتریسیته، متوجه شد که عقربه مغناطیسی که بر حسب اتفاق در مجاورت مدار حامل جریان الکتریکی قرار گرفته از راستای اولیه خود منحرف شده است و سوی انحراف عقربه بستگی به جهت جریان و طرز قرار گرفتن سیم حامل جریان نسبت به عقربه مغناطیسی دارد. همچنین گاؤس ریاضیدان و فیزیکدان آلمانی (1777- 1855م.) نظریه های مغناطیسی دارد و اندازه گیری مشخصات مختلف آهنربا را تعیین کرد ویکایی نیز برای خاصیت القای مغناطیسی پیشنهاد کرد که به نام وی نامیده شده است.

اهم فیزیکدان آلمانی (1787- 1854م.) قانون مشهور را عرضه کرد و ژول فیزیکدان انگلیسی (1818- 1889م.) گرمای حاصل از عبور جریان برق در یک رسانا را مطرح کرد.

ساوار (1791- 1841 م.) وبیو به کمک آزمایش چندین نتیجه مهم بدست آورند. ولاپلاس نیروی وارد بر سیم حامل جریان الکتریکی در میدان مغناطیسی را حساب کرد.

فاراده (1791- 1867 م.)

مایکل فاراده کارگر صحافی بود و تحصیلات رسمی منظمی نداشت ولی وی شوق خواندن کتابهای علمی که برای صحافی به کارگاه می آورند را داشت، او مطالعه می کرد بعدها اصل مهم القای الکترومغناطیس را بیان کرد. دو قانون اساسی که به نام او خوانده می شود کشف کرد، قانون اول: جرم ماده ای که در ضمن الکترولیز در روی الکترود جمع می شود متناسب با مقدار جریانی که از الکترولیت می گذرد و قانون دوم: جرم عناصر که به وسیله مقدار معینی جریان تجزیه می شود با وزن اتمی عناصر نسبت مستقیم و با ظرفیت آن نسبت معکوس دارد. فاراده همچنین تأثیر میدان مغناطیس ماده بر نور را کشف کرد، وقتی که نور قطبیده می شود در امتداد خطوط نیروی مغناطیسی انتشار می یابد و سطح نور دهی به اندازه زاویه ای متناسب با شدت میدان مغناطیسی می چرخد، همچنین فاراده مواد را به پارامغناطیس و دیامغناطیس تقسیم بندی کرد که بر اثر واکنش اجسام در برابر نیروی مغناطیس برخی از مواد در طول خطوط مغناطیس قرار می گیرد و به طرف بخشهای قوی تر میدان مغناطیسی کشیده می شوند و برخی از مواد مانند بیسموت در تقاطع با خطوط نیرو قرار می گرفتند و به سوی نواحی ضعیف تر نیروی مغناطیسی حرکت می کردند.

همزمان با او جوزف هانری (1799- 1878 م) پدیده خود القایی را نیز نشان داد.

 

 

ماکسول (1831- 1879 م.)

فیزیکدان انگلیسی نظریه برق، مغناطیس و نور را پایه گذاری کرد اثرهای الکتریکی یا مغناطیسی مانند موج منتشر می شوند و امواج نور و امواج الکترومغناطیسی با یک سرعت (سرعت نور) منتشر می شوند، همچنین طول موج نور، فقط دامنه کوچکی از طیف امواج الکترومغناطیسی را در بر می گیرد و پیش بینی کردکه انواع دیگر امواج الکترومغناطیس با طول موج های دیگر، به زودی کشف خواهد شد، که این یافته ها بوسیله هرتز تایید شد. ماکسول در آزمایش های خود نشان داد در صورتی که یک میدان الکتریکی متغیر وجود داشته باشد به همراه خود یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند.

ماکسول علاوه بر پژوهشهای برق و مغناطیس نظریه جنبشی گازها که به فرمولهای آماری برای توزیع سرعتها در گازی با فشار یکنواخت انجامید و توصیف فرآیندهای عملی فیزیک بوسیله تابعی آماری پدید آمد از خدمات قابل توجه او می باشد.

ماکسول در دو سال آخر عمر خود دو مقاله بسیار قوی در باره فیزیک مولکولی منتشر ساخت کتاب درسی ماکسول به نام نظریه گرما در سال 1870 م. منتشر شد همچنین در سال 1873 کتاب خود را به نام دوره الکتریسیته و مغناطیس منتشر ساخت معادلات ماکسول قوانین الکترومغناطیس را به شکلی که امروزه می شناسیم درآورد معادلات ماکسول همان نقشی را در الکترومغناطیسی دارند که قوانین حرکت و گرانش نیوتن در مکانیک دارا هستند.

هرتز (1857- 1894 م.)

فیزیکدان آلمانی، کاشف امواج رادیویی و پدیده فوتوالکتریک است. هرتز در برابر یک کمان الکتریکی که مقدار زیادی اشعه فوق بنفش تابش می کرد الکتروسکوپ بارداری را قرارداد و مشاهده کرد که وقتی اشعه فوق بنفش به کمان الکتریکی به صفحه فلزی تمیزی که متصل به کلاهک الکتروسکوپ است برخورد کند، الکتروسکوپ بدون بار می شود و اگر در برابر اشعه، تیغه شیشه ای که برای نور فوق بنفش کدر باشد قرار دهیم، الکتروسکوپ تخلیه نمی شود، همچنین نور بسیار شدید قرمز نمی تواند الکترون ها را از صفحه خارج کند، اما نور ضعیف آبی رنگ به خوبی الکتروسکوپ را تخلیه می کند. این پدیده در آن زمان قابل توجیه نبود. هرتز فقط 37 سال زندگی کرد اما با این عمر کوتاه او توانست با ساخت اولین دستگاه نوسان کننده، انرژی الکتریکی را به صورت امواج الکترومغناطیسی در هوا منتشر کند. گیرندة ساده هرتز از یک حلقه سیم تشکیل شده بود که دو انتهایش حدود mm 1 از هم فاصله داشت. او به کمک این دستگاه گیرنده و فرستنده توانست رفتارهای امواج الکترومانیتیک چون بازتابش، تداخل وتفرق را که تئوری ماکسول پیش بینی کرده بود، نشان دهد او با استفاده از گیرنده ای که ساخت طول موج این امواج را اندازه گیری کرد و با ضرب کردن اندازه طول موج در فرکانس امواج، سرعت نور را بدست آورد و یکسان بودن ماهیت این امواج و نور را تایید کرد. دانشمندان فیزیک به پاس خدمات او به علم و تمدن هرتز را به عنوان واحد فرکانس انتخاب کردند تا هر روز بارها از رادیو و تلویزیون این نام شنیده شود.

ماکس پلانک (1858- 1947 م.)

فیزیکدان آلمانی که زیر نظر استادان بزرگی چون هلمولتز و کیرشهف به مطالعه فیزیک پرداخت.

تخصص پلانک در رشته ترمودینامیک بود و پس از مطالعات زیاد به این نتیجه رسید که بین دمای یک جسم و نوری که از آن جسم تابش می شود رابطه ای وجود دارد. پلانک ضمن مطالعه خود بر روی تابش اجسام متوجه شد که بعضی مواقع بین دما و طول موج تابشی از جسم، وضع غیرعادی ایجاد می شود بطوریکه در دمای پایین، یک جسم می تواند نور شدیدی تولید کند. پلانک توانست تابشهای حرارتی اجسام را با بیان یک قانون، توضیح دهد اما برای این توضیح لازم بود که انرژی را کمیتی کوانتایی فرض کند. در آخرین هفته قرن نوزدهم (1900 میلادی) تئوری کوانتمی را بیان کرد بر طبق این تئوری، انرژی نیز مانند بار الکتریکی کمیتی کوانتایی و انتقال آن نیز به صورت بسته های انرژی صورت می گیرد بنابراین امواج الکترومغناطیسی از جمله نور، کمیت های کوانتایی هستند کوچکترین پیشینه انرژی آنها یک فوتون نام دارد.

در سال 1900 پلانک فرضیه کوانتمی خود را برای توجیه رنگ نور صادره از مثلا یک شی فلزی داغ، که می تواند بر حسب دمایش با نور قرمز یا زرد یا سفید بدرخشد، ارائه داد و مدل جدیدی برای اتمهای نوسانی داخل ماده طیف فرکانسی تابش جسم سیاه را به درستی محاسبه کرد پلانک فرض کرد که اتمهای ماده نمی توانند با تمام فرکانس های ممکن نوسان یا ارتعاش بکند که رابطه مشهور خود را بیان کرد و رابطه بین یک کوانتم انرژی و فرکانش تابش (E=hv) و h ضریب ثابت به نام خود وی ثبت شده است.

5 سال بعد اینشتین نظریه پلانک را تکمیل کرد و اثر فوتوالکتریک را توجیه کرد فرضیه های پلانک و اینشیتن مستقیما در تضاد با نظریه موجی نور بود. واقعیتی که تنها یک معیار از معیارهای سنجش میزان اهمیت و عظمت سهم پلانک در پیشبرد دانش فیزیک را به دست می دهد.

در توصیف جهشی که تئوری کوانتمی پلانک به فیزیک داد همین پس که بعد از پیدایش آن دیگر از فیزیک پیش از آن با نام فیزیک کلاسیک نام برده می شود.

ولیکن دانشمندان از این نظریه استقبال نکردند تا آنکه انیشتین که بر روی پدیده فوتوالکتریسیته مطالعه می کرد متوجه نظریه پلانک شد و این نظریه را برای توجیه این پدیده پذیرفت و از آن پس این تئوری از سوی دانشمندان پذیرفته شد و جایزه علمی نوبل سال 1918 نصیب پلانک گردید. کارهای دیگر وی تعیین مقدار بار الکتریکی الکترون با خطای دو درصد و ارزیابی مقدار ضریب بولتزمن بود. پلانک در جمع بالغ بر 215 مقاله علمی و 7 جلد کتاب تالیف و منتشر نمود که کتاب «فلسفه فیزیک» (1959) یکی از آنها می باشد. جسد پلانک در گورستان گوتینگن دفن و قبر او را با سنگ مستطیل شکل ساده ای که تنها نام او را نشان می دهد مشخص ساخته اند در زیر نام او نیز آمده است: h=6.62*10-27erg.sec

رشد شاخه دیگر فیزیک

ترمودینامیک

کارنو (1796- 1832 م.)

کارنو پیشگام در علم ترمودینامیک، ماشین بخاری که بر پایه نظریه کارنو طرح ریزی شده بود با بکار بردن یک منبع گرم و یک منبع سرد و قدرت محرکه ماشین به دماهای این دو منبع بستگی دارد نه به عوامل خارجی و اصل دیگر ترمودینامیک قانون بقای انرژی که نسبت بین کار و گرما به «هم ارزی مکانیکی» برآورده شده است.

نظریه اتمی

رابرت براون گیاه شناس انگلیسی (1773- 1858 م.) گرده های بسیار ریز معلق در آب را با میکروسکوپ قوی نگاه کرد دریافت که گرده ها حرکت بی نظم دائمی ناهماهنگ دارند این حرکات نامنظم را حرکت براونی نامیده شد و شرح و تفسیر ساختار مولکولی ماده و حرکات سریع مولکولهای مایعات و گازها بکار رفتند و یکی از قانع کننده ترین دلایل بر واقعیت حرکت مولکولها به شمار می روند این گونه انحرافهایی از میانگین یا از مقدار متوسط کمیات در حجم کوچکی یا در مدت کوتاهی رخ می دهد «افت و خیز» آن کمیات نامیده اند حرکت براونی غلبه تعداد برخوردها در یک جهت نسبت به تعداد برخوردها در جهت مخالف است بطور واضح فقط وجود حرکات مولکولی نامنظم را آشکار می سازد.

کلوزیوس

نظریه جنبشی گازها که متکی بر روشهای آماری را متحول کرد، گازها را دریایی از ذرات کشسان و در حرکت دائم در نظر گرفت که بطور تصادفی به هم بر می خورند و برخورد آنها با دیواره ظرف مولد فشار گاز بود. او فشار گاز را محاسبه کرد در فشار استاندارد، سرعتهای مولکولی اکسیژن، ازت و هیدروژن را بدست آورد. برای برخوردهای مولکولی، کلوزیوس مفهوم طول برخورد میانگین را بین دو برخورد متوالی (پویش آزاد میانگین) را ارائه داد. کلوزیوس نظریه جنبشی را به حالتهای مختلف و تبخیر یک مایع و تعادل دینامیکی بخار اشباع و مایع اعمال کرد.

آخرین پیشرفت فیزیک این دوره

ژان باتیست فوریه ریاضیدان فرانسوی (1768- 1830 م.) بدون آنکه وارد فرضیه طبیعت گرما شود نخست قانون مقدماتی برای انتشار گرما پیدا کرد او رشته معادلاتی عرضه کرد که به نام وی «سری فوریه» معروفند نظریه ای ریاضی است که درباره انتظار گرما عرضه شده است. معادلات فوریه در صوت شناسی (اکوستیک) نیز موثر واقع شده است.

کشفیات بزرگ در دهه آخر قرن نوزدهم بنیادی را برای حل بعدی مسئله ساختار اتمی، به عنوان سیستمی پیچیده و مرکب از ذرات باردار بر هم کنشی، به نام هسته و الکترونها، بنا نهاد.

پدیده های جدیدی که در اواخر این قرن دانشمندان رو به رو شدند که قوانین شناخته شده در فیزیک از حل آنها عاجز ماند بعضی از این پدیده ها عبارتند از: 1- معمای سرعت نورمایکلسون و مورلی: سرعت نور در امتدادهای متفاوت فضا اندازه گیری کردند و به یک مقدار ثابت c دست یافتند، نتیجه ای که این دو انتظار داشتند طبق قانون ترکیب سرعت ها باید اندازه سرعت میان دو حد سرعت نور و حرکت انتقالی زمین باشد یعنی v  c 2- انفصالی بودن طیف تابشی و جذبی گازها: گازها می توانند طیف خطی و ناپیوسته تابش و یا جذب کنند و دلیل این پدیده در فیزیک کلاسیک روشن نبود 3- تابس مداوم اتم ها: با توجه به فرضیه تابش مداوم اتم ها با پایداری ساختمان آنها مغایر بود بر طبق فیزیک کلاسیک الکترون در اثر تابش می باید به هسته نزدیک شود و روی آن قرار گیرد و در این صورت طیف باید متصل باشد در حالی که آزمایش این  موضوع را تایید نمی کند. 4- تابش جسم سیاه: تابش جسم سیاه به صورت طیف پیوسته و متناسب بودن شدت آن با توان چهارم دمای مطلق جسم، با استفاده از تئوری های موجود قابل توجیه نبود. 5- خاصیت رادیواکتیویته: تابش ذره های آلفا، بتا و گاما و تبدیل یک عنصر به عنصر دیگر با قوانین موجود تشریح نمی شد.

هر وقت علم در جایی که به بن بست برخورد کرده و نتوانستند پدیده ها را با علمی که دارد توجیه کنند علم کاملتر و دقیق تر شده مکانیک کوانتمی هم دقیقا در زمانی که مکانیک کلاسیک نتوانست بعضی از پدیده های طبیعی را توجیه کند شکل گرفت و در واقع مکانیک را کاملتر و جامعتر کرد.

 

5- دوره فیزیک جدید

در آخرین دهه قرن نوزدهم تحول علم فیزیک در دو شاخه متمایز از یکدیگر صورت می گردد شاخه نخست در جهت پژوهش ساختمان ماده که با پیدایش هسته اتم آغاز می شود کشف پدیده های شکافت و هم جوشی هسته های اتمی، توزیع سرعتها، تعداد تصادمهای بین مولکولی با استفاده از روشهای آماری، قانون توزیع یکنواخت انرژی بنا نهاده شد.

در این دوران کشف قوانین اصلی مکانیک کوانتمی، آمار کوانتمی و نظری کوانتمی میدانها را در بر گرفته است. در مکانیک کوانتمی پدیده های ریزساختاری در سطح اتمی و مولکولی کاملا آشکار می شود. این پیشرفت مربوط به دیدگاه ساختار ماده با دو نکته مشخص می شود. اول آنکه، فیزیکدانان با مقیاس های فضای ریز ساختاری سر و کار دارند، ابعاد اتمی cm 8 10 وزیر گروه اتمی به ابعاد cm 13- 10 و انرژیهای فرآیندهای بنیادی از مرتبه الکترون ولت (فرآیندهای نوع واپاشی رادیواکتیو و واکنشهای هسته ای).

دوم آنکه قوانینی که رفتار هر ریز جهانی را انتظام می دهد و با گذشت زمان، تحقیقات به حقایقی دست یافت که فیزیک کلاسیک قدرت تبیین نداشت و این حقایق چشمه تفکرات کوانتمی شد.

تکامل مفاهیم کوانتمی در سالهای اخیر است که از آن تفسیری صحیح ارائه شده است، در ربع قرن اول بیستم این تحول با دو مشی مشخص شد، که یکی توسعه نظریه کوانتمی اتم توسط بوهر و کاربرد اصل تطابق بود و با استفاده از این اصل هایزنبرگ شکل ماتریسی را از مکانیک کوانتمی استنتاج کرد. مشی دیگر تکامل تفکر دو گانگی ذره ای - موجی تابش توسط اینشتین و استفاده از آن برای ذرات ریز ساختاری بود. البته اینشتین تا پایان عمر مکانیک کوانتمی را نمی پذیرد و در مورد بعضی مبانی فیزیک جدید افرادی همانند دوبروی، پلانک در یک جبهه و کسانی مانند شرودینگر، هایزنبرگ، دایراک، بوهر در جبهه دیگر قرار می گیرند. در حقیقت با ارائه اصل عدم قطعیت هایزنبرگ در فیزیک و طرح اشکالات فلسفی، اصل علیت این اختلاف آنان پدید می آید.

مکانیک کوانتوم فقط با احتمالات سر و کار دارد و بیشترین اطلاعاتی که در کوانتوم ما می توانیم بدست آوریم احتمال حالتهای مختلف است و رفتار میکروسکوپی مواد می پردازد.

شاخه دوم از تحول فیزیک در این دوره مربوط به ستارگان و کیهان است گذشته از اینها نظریه نسبیت عام اینشتین، ساختار فضایی و تحول زمانی کیهانی قابل فهم می گردد.

در این دوره هر ساله جوایز نوبل مربوط به رشته فیزیک، شیمی، پزشکی، ادبیات و قهرمانان صلح بنا گردیده است. جایزه فیزیک به کسی یا کسانی تعلق می گیرد که مهمترین کشف یا اختراع را در علم فیزیک انجام داده باشند. و جایزه به اشخاص زنده اعطا می گردد و هیچگاه جایزه ای را به گروهی بیشتر از یک گروه سه نفری داده نمی شود، که در ادامه بحث با فیزیکدانانی که دستاورد علمی مشخصی در رشته فیزیک دارند نیز آشنا می شویم.

رنتگن (1923- 1845م.)

رنتگن پرتوهایی از لکه ای برافروخته بر یک لوله شیشه ای، جایی که باریکه ای از پرتوهای کاتدی (الکترونهایی با سرعت زیاد) به آن برخورد می کنند حاصل می شود و همچنین دریافت که وقتی باریکه پرتو کاتدی قطع می شود، لکه نور بر سطح لوله شیشه ای ناپدید و پرتوهای حاصل از لکه مذکور نیز متوقف می گردد. این کشف به طور تصادفی بود در حقیقت در حین گذرانیدن جریانی با ولتاژ زیاد از درون یک حباب شیشه ای از هوا، متوجه تشعشع ناشناخته ای گردید که نوعی تلالو در پهنه یک پرده کوچک آغشته به پلاتینو سیانور دو باریوم نهاده برمیز آزمایشگاه بوجود آمد، و به تنهایی با فعالیتی دامنه دار، بخش اعظم خواص این «اشعه ایکس» را تعیین کرد و طولی نکشید که کاربرد پرتوهای ایکس در پزشکی آشکار گردید و این خود موضوع پژوهش وسیعی شد، و نخستین جایزه نوبل فیزیک در سال 1901 م. به پاس کشف اشعه ایکس را دریافت کرد.

علاقه او به موضوع گرمای ویژه و سایر خواص مواد بلوری نیز وجود داشت، در 76 سالگی مقاله علمی مفصلی درباره رسانایی الکتریکی بلورهای فلزی منتشر ساخت و حدود 56 مقاله نیز از او منتشر شده است.

بکرل (1908- 1852)

پژوهشهای اولیه بکرال در اپتیک و در ارتباط با زمینه های چرخش صفحه پلاراسیون نور در میدانهای مغناطیسی (پدیده فاراده)، طیف اشعه مادون قرمز، جذب انرژی نورانی توسط بلورها و به ویژه در زمینه بستگی میزان جذب به راستای صفحه پلاریزاسیون نور و امتداد انتشار آن بود.

بکرل بعد از کشف اشعه ایکس آزمایشی را انجام داد با بلورهای سولفات اورنیل پتاسیم با وجودیکه در تاریکی مطلق در کنار یک فیلم عکاسی پیچیده در لفاف قرار داشته اند، توانسته اند ر وی فیلم تصویری از یک شیء خارجی بوجود آورند، بکرل در مر حله بعد با ترکیبات دیگری آزمایش را انجام داد و دریافت تابشهای نافذ از خود گسیل می دارند. با اورانیوم خالص آزمایش کرد و تابشهایی را مشاهده نمود آنچه کشف کرده بود در واقع خاصیت جدید فعالیت تشعشعی با رادیواکتیو عناصر است، در آن زمان ماهیت این تابشها یا ذرات هنوز شناسایی نشده بود. واشعه کشف شده توسط بکرل با نام کلی «تابشهای رادیواکتیوی» معروف گردیدند. هیچ سر و کاری با راههای فیزیکی یا شیمیایی که به وسیله آن اتمها به یکدیگر پیوسته اند قرار ندارد بلکه خاصیتی نهفته در خود اتم است. و جایزه نوبل فیزیک سال 1903 م. را به اتفاق کوری ها به سبب کشف خاصیت رادیواکتیویته خودجوشانه دریافت کرد.

مدتی بعد بکرل نمونه ای از برمور رادیوم، را در معرض تاثیر نیروی یک آهنربای الکتریکی قرار داد و سه نوع ذره یا تابش را شناسایی کرد 1- ذراتی با بار الکتریکی مثبت که از نظر ابعاد به بزرگی یک اتم (امروزه اشعه آلفا) بودند و در میدان آهنربایی منحرف می شدند. 2- ذراتی که در میدان آهنربایی در جهت مخالف با جهت اشعه آلفا منحرف می شوند (ذرات بتا) 3- تابشهایی که به هیچ وجه در میدان آهنربای انحراف پیدا نمی کنند (اشعه گاما) و احتمال داد که این نوع اشعه از جنس امواج الکترومغناطیسی باشد.

پیر کوری (1906- 1859) و ماری کوری (1934- 1867)

پیر کوری در 16 سالگی موفق به اخذ درجه لیسانس گردید. وی برای ادامه تحصیل به دانشگاه سوربن در آنجا در آزمایشگاه فیزیک دستیار آزمایشگاهی بود، و در آن دانشگاه فوق لیسانس فیزیک، خود را دریافت کرد. بعداً مدیریت آزمایشگاه در مدرسه فیزیک و شیمی را بر عهده گرفت. سپس با همسرش ماری کوری در آنجا کارهای آزمایشگاهی انجام دادند.

همچنین ترازوی کوارتزی را به اتفاق برادرش ژاک که کانی شناس بود ساخت، که برق متناسب با وزنه های معلق را تامین می کرد که بعداً توسط کوری ها در جریان مربوط به پرتوزایی مورد استفاده قرار گرفت.

تحقیقات دیگر پیر کوری در مورد مواد فرومغناطیس که با افزایش دما، مغناطیسی آنها کاهش می یابد و در یک دمای مشخص جای خود را به مواد پارامغناطیسی ضعیفی می دهد که به عنوان «نقطه کوری» جسم شناخته می شود، و مواد پارامغناطیسی با دما نسبت عکس دارند که نظریه های جدید مغناطیس را تشکیل می داد. همچنین پیرکوری وسایل اندازه گیری فراوانی را برای کار در مورد پرتوزایی ابداع و تکمیل کرد، او یک نظریه پرداز و آزمایشگر به شمار می رفت و با کشف تشعشات پرتوزایی پیر کوری دریافت که پرتوزایی بر اثر یک ثابت زمانی مشخص است که بطور نمایی کاهش می یابد. این کشف نقطه شروع برای تمام اندازه گیری های نوین از لحاظ تعیین تاریخ و قدمت اشیاء در رشته های باستان شناسی و زمین شناسی بود و معیاری برای اندازه گیری زمان بر اساس پرتوزایی تعیین کرد. وی در حدود 58 مقاله علمی انتشار داد.

ماری کوری

ماری کوری به اتفاق پیرکوری زندگی خویش را یک پارچه وقف پژوهشهای علمی کرده بود. نخستین کار علمی ماری کوری در رابطه با خواص مغناطیسی فولاد بود، و پس از آن با آگاه شدن از کشف بکرل، تحقیق در تشعشات اورانیوم را موضوع پژوهش و تز دکترای خود قرار داد. کوری ها با پی بردن به میزان چند برابر فعالیت تشعشعی سنگ معدن اورانیوم، در مقایسه با اورانیوم خالص، نتیجه گرفتند که سنگ معدن مذکور علاوه بر داشتن اورانیوم در خود، بایستی حاوی یک یا چند عنصر رادیواکتیو فعالتر از آن فلز نیز باشد. آنها به کمک تکنیکهای طیف سنجی، عنصری کشف کردند و پولونیوم نامیدند. و چندی بعد عنصر جدید و رادیواکتیو دیگری یافتند به نام «رادیوم» کار دیگر کوری ها در رابطه با رادیوم شناسایی ماهیت اشعه بتای ساطعه از آن عنصر به عنوان ذراتی با بار الکتریکی منفی بود.

پژوهش روی پدیده های تشعشعی کشف شده توسط بکرل منجر به دریافت جایزه نوبل فیزیک به طور اشتراکی در سال 1903 م. گردید، همچنین ماری کوری جایزه نوبل شیمی 1911 م. کشف عناصر رادیوم و پولونیوم دریافت کرد و برای اولین بار بود که یک دانشمند دو بار این جایزه را گرفت.

خدمت دیگر ماری کوری، همکاری وی با کنگره رادیولوژی سال 1910 م. بروکسل در امر تعیین استاندارد رسمی برای رادیوم مورد احتیاج در پژوهشهای علمی و معالجات طبی بود. در این کنگره بود که واحاد سنجش رادیواکتیویته «کوری» نامگذاری و تعریف شد.

ماری کوری طی جنگ جهانی اول آمبولانس ها را به دستگاه قابل حمل پرتوایکس مجهز نمود، خود وی تا خطوط جبهه آنها را همراهی می کرد و دوره های آموزشی پرتوشناسی برای کارکنان پزشکی ارتش ترتیب داد وروش «کوری درمانی» را بوجود آورد و معیارهایی برای ایمنی کارگران تعیین کرد، تجربه خدمت در جنگ رهنمون او در نوشتن کتابی به نام «رادیولوژی در جنگ» در سال 1920 شد.

 

تامسون (1940- 1856م.)

در شناسایی پرتوهای کاتدی به صورت ذرات، تامسون متکی بر دیدگاه ذره ای پرتوهای کاتدی بود. تامسون نظریه ای ذره ای را در جهات بسیار گسترش داد. او یونش و تخلیه الکتریکی را کشف، مدلهای اتمی را ابداع و حدسهایی درباره ساختار مولکولهای بیان کرد. تامسون در مورد برخی از ذرات کاتودیک میزان انحراف در میدان مغناطیسی و همچنین اثر گرمایی متناظر با انتقال واحد بار الکتریکی را اندازه گرفت. سنجش کمیت اول نسبت e/mV و سنجش کمیت دوم نیز نسبت e/mv2 را بدست داد که با استفاده از این دو، مقادیر e/m و e قابل تعیین گردید. این موضوع سه پیامد مهم در فیزیک داشت 1- امکانات نظری بسیاری که بر اثر تشکیل شدن ماده از الکترونها بوجود آمد، درک شد. 2- الکترونها ذرات بنیادی تشکیل دهنده اتم بودند پس جرم همه عالم باید الکتریکی باشد. 3- کشف و تحقیق درباره رادیواکتیویته به میزان زیاد تجربی بود اندازه گیریهای e/m برای پرتوهای بتا نشان داد که آنها از جنس پرتوهای کاتدی هستند. جایزه نوبل سال 1906 م. به پاس پژوهشهای عملی و نظری در موضوع عبور الکتریسیته از درون گازها به او تعلق گرفت.

تعلیمات تامسون در فیزیک و پژوهش در آن، مکتبی را به وجود آورد که شاگردان آن به زودی به استادی دانشگاه جهان رفتند هفت نفر از تربیت شدگان تامسون به نوبه خود مانند استاد خود برنده جایزه نوبل شدند.

آلبرت انیشتین (1955- 1879)

انیشتین در سال 1905 م. چهار مقاله علمی منتشر کرد اولین مقاله او «دیدگاهی تجربی درباره تولید و انتقال نو» بر طبق نظریه انیشتین، نور، به دلایلی همچون ذراتی مستقل اما فاقد جرم رفتار می کند که بسیار به گاز شبیه اند، نور در این مورد از کوانتا تشکیل شده (که بعدا فوتون نام گرفت)، اما مواقعی است که نور رفتاری موج گونه از خود به نمایش می گذارد و به نحوی رفتار می کند که گویی کاملا از موج تشکیل شده است در حقیقت توضیح پدیده فوتوالکتریک بر مبنای ایده پلانک درباره کوانتیزه بودن انرژی بود.

پدیده فوتوالکتریک مربوط به واکنش نور با فلزاتست و در آن چنانچه انرژی فوتونهای اصابت کننده به فلز در حد کافی باشد الکترونهایی از فلز جدا گشته به اطراف گسیل می گردند. الکترونهایی که بدین ترتیب به خارج از فلز پرتاب می شوند دارای انرژی جنبشی برابر با تفاضل انرژی  دریافت شده از فوتون است، و کار لازم برای گریز از جاذبه بار الکتریکی مثبت یون بر جای نهاده، خود هستند. مقاله انیشتین که بر آن چه مشاهده شده بود، مبتنی بود بر یک نظریه جامع و منسجم (اثر فوتوالکتریک) که سیر نور به شکل کوانتیزه، حرکتی ذره مانند بود که برخلاف امواج، به هیچ واسطه ای برای انتقال به محیط مادی مانند اتر که قبلا نام برده می شد، نیاز نداشت.

نظریه اینشتین درباره نور، در عرضه عمل نقش مهمی در ساخت و توسعه تلویزیون ایفا کرد. اما چشمگیرترین کاربرد آن امروزه در چشم های الکتریکی دیده می شود که به طور خودکار درها را باز می کند. مقاله دوم «شیوه نوین در اندازه گیری اندازه مولکولها» که اندازه گیری مولکول شکر را بدست آورده بود. مقاله سوم «بررسی حرکت ذرات کوچک معلق در مایعی ساکن و بر اساس نظریه جنبشی مولکولی گرما» معادله ای که توضیح دهنده حرکت براونی است، بر طبق نظریه جنبشی مولکولی گرما، مولکولهای نامرئی موجود در مایع، در حرکت اند و هر چه حرارت مایع بالا رود، جنبش مولکولها نیز شدت می گیرد. او با استفاده از مکانیک آماری موفق شد تعداد مولکولهایی موجود در هر مقدار مایعی را تخمین بزند.

در حقیقت هر شیء که درون آب (یا هر مایع و گاز) قرار بگیرد به طور مداوم از سوی مولکولهای موجود در آن مایع یا گاز بمباران می شود. مولکولهای مایع (گاز) به طور تصادفی از هر سو شیء خارجی را بمباران می کنند و شیء خارجی هیچگاه نمی تواند در مایع آرام و قرار بگیرد، وقتی ذره براونی از جایگاه اصلی خود رانده می شود، برخوردهایی دیگر باعث دورتر شدن آن می گردد، تا اینکه در نهایت به موضعی که از آن حرکت را شروع کرده بود، باز گردد.

اینشتین نشان داد که مسافت میانگینی که ذره براونی می پیماید به نسبت جذر زمان طی شده افزایش می یابد. اگر فاصله ای را که ذره در آن مدت زمان می پیماید اندازه گرفته شود، می توان تعداد مولکولهای موجود در آن مایع (گاز) را حساب کرد. خود او تعداد مولکولهای موجود در یک گرم هیدروژن را حساب کرد .

مقاله چهارم وی حاوی نسبیت خاص او بود، نظریه ای در سرعتهای بسیار بالا نزدیک سرعت نور و به تبعات آن می پردازد.

مفهوم نسبیت (یعنی ناظرانی واقع در دستگاه های مختصات و دارای حرکت یکنواخت برای بیان قوانین طبیعت معادلات یکسانی بیان می کنند) را با این فرض آغاز کرد، که سرعت نور در خلا برای کلیه ناظران یا ناظرین مستقر در دستگاه های مختصات مختلف، بدون بستگی داشتن به نوع حرکت این دستگاه ها، ثابت و دارای یک مقدار است. وی با این روش «تبدیل لورنتز» را که معادله ای خاص انتقال متغییرهای مکانی x , y , z (از یک دستگاه به دستگاه مختصات دیگر) بود، بدست آورد و علاوه بر آن نشان داد که t، زمان وقوع یک حادثه، تابع موقعیت مکانی حادثه و دستگاه مختصاتی است که آن حادثه در آن رخ می دهد و برای اثبات اصل بقای انرژی در تئوری خود به این نتیجه رسید که جرم و انرژی طبق فرمول E=mc2 به یکدیگر وابسته و قابل تبدیل هستند. این فرمول با فرض کوانتایی نور بین جرم، انرژی و سرعت نور رابطه ای برقرار می شود، بنا به این فرمول انرژی متراکم است و اگر بتوان به نحوی جرم را به انرژی تبدیل کرد مقدار اندکی جرم، مقدار عظیمی انرژی رها خواهد کرد. با این فرمول می توان توضیح داد که خورشید و ستارگان چگونه توانسته اند طی میلیونها سال چنین مقدار عظیمی از نور و حرارت را از خود ساطع کنند در واقع ماده آنها به نحوی به انرژی تبدیل می شود.

تئوری نسبیت عام او در سال 1916 م. منتشر گردید. نظریه ای که با مقایسه قوانین فیزیکی در دستگاه های شتاب دار (غیرلخت) به تعمیم و تکمیل نظریه نسبیت خاص می پردازد. بنا به این نظریه جهان یک محیط یک پارچه مادی به چهار بعد فضا- زمان است و حضور ماده در آن موجب انحنای فضا و پیدایش گرانش می شود و نظریه گرایش نیوتنی حالت خاصی از آن به حساب می آید.

بر اساس این نظریه اشعه نور ستارگان دیگر در عبور از کنار خورشید بایستی در اثر جاذبه نیرومند آن کره خمیدگی مختصری پیدا می کردند، او نظریه نسبیت عام آن چنان گسترش یافته بود که اجسام متحرک دارای حرکت شتابدار را نیز در بر می گرفت. او گرانش را به عنوان میدان انرژی می نگریست که از خود ماده نشات می گیرد هر چه مقدار ماده بیشتر باشد اثر انرژی گرانشی آن هم بیشتر خواهد بود.

همچنین رابطه ای میان نظریه نسبیت خاص و نسبیت عام پدید آورد و نقاط ابهامی را که تاثیر نور منحنی در فضا و زمان بر جا نهاده بود، رفع می کرد زمان دیگر مطلق نبوده و فضا انحنا داشت یعنی اگر نور به شکل منحنی حرکت کند زمان نمی تواند در خط مستقیم حرکت کند باید در خط منحنی حرکت کند.

زمینه های مختلف پژوهش های او تئوری گرمای ویژه جامدات، نظریه گازها، قوانین تابش، زمان ادامه حالت برانگیختگی واکنشهای فتوشیمیایی و فیزیک هسته ای است شمار مقالات علمی اینشتین در فیزیک نظری به 250 مورد می رسد، در سایر زمینه ها تعداد مقالات از این مقدار نیز بیشتر است.

ارنست رادر فورد (1937- 1871)

از کشور زلاندنو به عنوان پدر فیزیک هسته ای نام برده می شود. ارنست رادفورد به پاس انجام پژوهش در پدیده های تلاشی اتم رادیواکتیو و بررسی در خواص شیمیایی این دسته از مواد جایزه نوبل شیمی سال 1908 را دریافت نمود و نظریه ای مربوط به ساختمان اتم با مدل جدیدی که اتم را هسته دار می داند و با آزمایشی نشان داد که اتمهای ماده خود دارای ساختار درونی هستند که آنها دارای یک هسته متشکل از پروتون می باشد و جانشین مدل قبلی (تامسون) که درون اتم را ابری از بارهای الکتریکی مثبت پراکنده است، عرضه گردید.

بوهر (1962- 1885)

تئوری اتم هسته دار رادرفورد را بسط داد و اولین کسی بود که فرضیه کوانتمی را در مورد اتم به کار برد و تفسیری برای ناپیوسته بودن طیف اتمی ارائه داد. بوهر فرض کرد که الکترونهای داخل یک اتم در شرایط یا حالتهای کوانتمی قرار دارند الکترونها در مدارهایی خاص معینی مجاز هستند در اطراف هسته بچرخند و در هر مدار مجاز، الکترون دارای انرژی ثابتی است. الکترونها تا زمانی که در این مدارهای کوانتمی قرار دارند گفته می شود که در حالت پایدار یا ایستا هستند، در این حالت نمی توانند تابش کنند و یا هیچ مقداری از انرژی خود را گسیل دارند و الکترون در عبور از یک حالت با انرژی بیشتر به یک حالت با انرژی کمتر، انرژی از دست می دهد که انرژی نورانی تابش می کنند و جذب انرژی توسط آنها نیز تنها به مقادیر کوانتیزه و برابر با مضارب صحیحی hv از صورت می گیرد.

در حقیقت، بوهر ناسازگاری مدل کوانتمی خود را با هر تصویر کلاسیکی الکترونهای موجود در اتم تشخیص داد. نظریه کوانتمی پیش بینی های، کمی فوق العاده دقیق از پدیده های اتمی را در اختیار ما می دهد، ولی هر تصویری از عملکرد درونی طبیعت را از ما دریغ می کند. پس از تکمیل آن در نظریه جدید کوانتمی دهه 1920، معنی و مفهومی به جدول تناوبی عناصر شیمیایی داده شد، رفتار عنصر شیمیایی با خارجی ترین الکترونها یا الکترون ظرفیت آنها معین می شود.

علاوه بر پژوهش در رابطه با ساختمان اتم و تابش اتمی او که منجر به دریافت جایزه نوبل فیزیک سال 1922 م. گردید، تحقیقاتی در زمینه نحوه محاسبه نیروی کشش سطحی با استفاده از ارتعاشات قطرات یک باریکه آب است.

همچنین نام بوهر روی دو اصل فیزیکی باقی ماند. «اصل تطابق» (1916 م.) که به موجب آن مدلها یا فرمولهای کوانتم مکانیکی بایستی با میل به ابعاد و کمیتها به سمت مقادیر بزرگ، به سهولت به مفاهیم و فرمولهای مکانیک کلاسیکی تبدیل شود.

اصل دوم «اصل ضرورت وجود مدل تکمیلی» (1923) درباره سیستمهای اتمی در آزمایشگاه، بایستی مدلهای اتمی دیگری نیز وجود داشته باشد، مدل موجی الکترون که مکمل مدل ذره ای آن است مثال از مفهوم اصل مذکور است.

آلبرت اینشتین در مورد بوهر بیان می کند «آنچه بوهر را به عنوان یک اندیشمند علمی تا این حد اعجاب انگیز، جذاب می نماید دید نقادانه و توانایی ذاتی است که وی در استعارات سریع مفاهیم نهفته در شهودات، از خود نشان می دهد.»

بوهر پس از جنگ جهانی دوم به فکر تامین صلح جهانی و کنترل اتمی برآمد و سرانجام در سال 1957 برنده جایزه اتم برای صلح شد.

لوئی دوبروی (1960- 1892)

لوئی دوبروی در سال 1922 و یکسال بیش از آنکه پدیده کامیتون (ممنتم داشتن اشعه ایکس و کوانتیزه بودن مقدار این ممنتم) توضیح داده شود و وجود کوانتایی نور ثابت شود، مقاله ای منتشر ساخت که در آن بدون استفاده از نظریه الکترومانیتیک فرمول یا قانون وین در باره تابشهای حرارتی اجسام، طول موجی که به ازاء آن شدت تابش ماکزیمم است با بالا رفتن درجه حرارت منبع تابش به سمت طول موجهای کوتاهتر انتقال می یابد یعنی: مقدار ثابت )، به اثبات رسیده بود، لوئی دوبروی فوتونهای نور را ذرات یا «اتمهای نوری» با جرم hv/c2 و ممنتم hv/c در نظر گرفته بود. وی سپس مفهوم دوگانگی موج ذره را یکباره تا حدی که ذرات مادی و به ویژه الکترون را نیز در بر گیرد، بسط و تعمیم داد، فرض دوبروی چنین بود که هر ذره مادی مانند الکترون یک گروه موج به نام «امواج وابسته به ماده» به همراه دارد و این امواج از نظر سرعت انتشار مختصرا با یکدیگر متفاوت هستند، دیگر اینکه امواج مذکور در طول مسیر انتشار در فواصل منظمی به یکدیگر ملحق گشته یک جناح موج مشترک را که به تناوب پدیدار و ناپدید می گردد، بوجود می آورند. این سرعت را سرعت «گروه» نام دارد با سرعت امواج به وجود آورنده کاملا متفاوت است. طول موج دوبروی «امواج وابسته به ماده» فاصله بین دو موقعیت مشابه و متوالی موج مذکور در فوق است و از فرمول  محاسبه می شود.

دوبروی ارتباط دوگانگی موج و ذره را به این صورت بیان کرد که ممنتم ذره باعکس طول موج و انرژی ذره با بسامد موج رابطه دارد. وجود این امواج توسط دیویسون و گرمر بصورت تجربی اثبات شد، از طرفی وقتی یک باریکه ای از الکترونها را به بلور نیکل می تابانیم پدیده پراش رخ می دهد که پراش خاصیت امواج است پس ذرات هم خاصیت موجی دارند و به امواجی  که به ذرات نسبت داده می شود امواج مادی می گویند که مجذور دامنه آنها همان احتمال حضور را به ما می دهد.

 

ورنر کارل هایزنبرگ (1976-1901)

هایزنبرگ در سال 1927 م. برای یک ارائه تصویر بهتر از ساختمان اتم، سیستم محاسباتی جدیدی را به نام مکانیک ماتریسی، بر مبنای جبر ماتریسی فرمولبندی کرد. ماتریسهای وی آرایشهایی از اعداد و کمیات بودند که پس از یک سری دستکاریهای مناسب ریاضی، مقادیر فرکانس و شدت خطوط طیفی نور تابشی اتمها را به دست می دادند. و به فاصله کوتاهی شرودینگر نیز نظریه مکانیک موجی خود را انتشار داد هایزنبرگ با بهره گیری از تئوری ماتریسی خود مساله و علت وجود خطوط طیفی یک در میان پرنوروکم نور هیدروژن را، توضیح داد. نتیجه ای که وی گرفت حاکی از وجود دو نوع هیدروژن مولکولی بود: هیدروژن «اورتو» که اسپین های هسته دو اتم آن با یکدیگر موازی و متحدالجهت بودند، و هیدروژن «پارا» که در آن اسپین های مورد اشاره موازی و مختلف الجهت بودند.

بحث انگیزترین پی آمد کار هایزنبرگ از دیدگاه فلسفی، اصلی است که به نام خود او به «اصل عدم قطعیت هایزنبرگ» معروف شده است. به موجب این اصل چنانچه پذیرفته باشیم که موج دوبروی وابسته به هر ذره نماینده آن ذره است، مقادیر x، موقعیت مکانی و mv ممنتم هیچ جسمی را نمی توانیم به طور همزمان دقیق بسنجیم. معنی این بیان این است که به هر نسبتی که سعی در کاهش خطای سنجش یکی از این دو کمیت (مثلا خطای  در سنجش x) بنماییم به همان نسبت خطای ما در سنجش کمیت دیگر (mv  خطای در mv) زیادتر خواهد شد و وضع همیشه به گونه ای است که حاصل ضرب این دو خطا در یکدیگر برابر با یک مقدار ثابت شامل ضریب پلانک است که به صورت فرمول:

 بیان می شود.

نتیجه شگفت انگیز حاصل دو گانگی موجی- ذره ای نور یا دیگر اشکال تابش استفاده کرد. برای مثال فرض کنید که بخواهیم جایگاه یک الکترون در حال حرکت را معین کنیم از آنجا که الکترونها بسیار کوچکند، مشاهده آنها تنها با استفاده از پرتوهای دارای طول موج بسیار کوتاه ممکن است ولی بر اساس نظریه کوانتمی این پرتوها نیز دارای خواص «ذره ای مانند» نظیر ممنتم حرکت می باشند.

توضیح بیشتر اینکه نفس عمل «نگریستن ما به الکترون» خود سبب تغییر ممنتم آن ذره می شود زیرا لازمه دست دادن حس رویت به انسان برخورد فوتونهای نور به الکترون مورد مشاهده و رسیدن بازتاب آن به چشم است و می دانیم که این برخورد ممنتم الکترون را تغییر می دهد. همین مطلب در مورد زمان و انرژی صادق است، هر چه بخواهیم انرژی یک ذره را در مقیاس کوچکتری از زمان اندازه بگیریم میزان عدم قطعیت آن بیشتر خواهد شد. جایزه فیزیک نوبل در سال 1932 م. به سبب ابداع تئوری مکانیک کوانتمی و کشف اشکال مختلف اسپین های هیدروژن که تنها کاربردی از آن تئوری بود، اعطا گردید.

شرودینگر (1961- 1887)

شرودینگر عمیقا تحت تاثیر کار علمی دوبروی درباره امواج وابسته به حرکت ذرات آزاد قرار گرفت و بر آن شد تا با اعمال مفهوم ابداعی وی به ذرات مقید، بهبودی در تئوری اتمی بوهر ایجاد نماید. در مدل ابداعی شرودینگر برای ساختمان اتم، الکترون می توانست در هر مداری که طول محیط آن مضربی صحیحی از طول موج دوبروی آن باشد، واقع گردد. در این مدل به جای الکترون در گردش به دور هسته، موج ایستاده در گرد هسته و وابسته به الکترون، در نظر گرفته می شد. در بافت ریاضی شرودینگر معادله موج را بنا نهاد تئوری که دیراک وبورن کمک چشم گیری به تکامل تئوری موجی شرودینگر کردند و روشن گردید تئوری او و مکانیک ماتریسی هایزنبرگ نظریه هایی معادل با یکدیگر هستند. در سال 1933 م. به اتفاق دیراک به پاس کشف اشکال جدید و ثمربخشی از تئوری اتمی جایزه فیزیک نوبل را دریافت کرد. شرودینگر علاوه بر انتشار تئوری خود در زمینه مکانیک موجی، در زمینه های دیگر از جمله: تئوری گرمای ویژه جامدات، ترمودینامیک آماری، طیف تابشهای اتمی، خواص رادیوم، فضا و زمان و تئوری رنگها مقالاتی پژوهشی منتشر ساخت.

ریچارد فاینمن (1918- 1998 م.)

تئوری وضع شده از طرف او نظریه ای است که خواص و کیفیات ذراتی مانند الکترون، پوزیترون و فوتون و اندرکنشهای محتمل الوقوع بین آنها را شرح می دهد و بر اساس کار خود را بر پروسه جابجایی و انتقال ذرات از مکانی به مکان دیگر، نهاده است نوآوری فاینمن نمایش و اکنشهای بین ذرات بنیادی با دیاگرامهای خاص، نمودارهای دامنه های احتمال را بدون صریح و آشکار یک تصویر موجی یافت. این ابداعات که به دیاگرامهای فاینمن شهرت یافته اند، امروزه به طور وسیع متداول و مورد اقتباس هستند و برنده مشترک جایزه فیزیک نوبل سال 1965 را مشترکا به پاس انجام پژوهش بنیادی در الکترودینامیک کوانتیک دریافت کرد.

فاینمن از نظر آموزشی در پیشبرد میزان آگاهی از ساختمان اتم، توانسته است با روش اصیل و سبک ارائه مطلب هنرمندانه اش در کلاس، نسل بزرگی از دانشجویان و پیروان خود را علاقمند به فیزیک سازد.

چندین جلد کتاب که بر مبنای خطابه های درسی او در فاصله زمانی 1963- 1965 تهیه و منتشر گردیده اند تا به امروز نیز در مقیاس وسیعی مورد استفاده قرار می گیرد.

عبدالسلام (1926- 1996 م.)

عبدالسلام و وینبرگ که مستقل از یکدیگر کار می کردند به فرمول بندی معادلاتی دست یافتند که به «تئوری گیج» شهرت دارد. این تئوری مقیاس یک دستگاه مختصات مرجع را برای مقایسه کردن آن با دستگاه مختصات مرجع کاملا متفاوتی، تغییر می دهد. دو دستگاه مختصات مرجع متفاوت، یکی دستگاه وابسته به نظریه­الکترومغناطیس­و دیگری دستگاه وابسته به واکنشهای ضعیف درون هسته اتم و ناشی­از نیروهای­هسته­ای کوتاه برد بود، از پیش بینی های این دو این بود که در پرتاب الکترون به سمت هسته اتم، پرتابه ها به علت تاثیر نیروهای هسته ای ضعیف، در برگشت از نظر راست گرد یا چپ گرد حرکت اسپینی خود دارای اختلاف قابل ملاحظه ای خواهند بود. این «عدول از قانون زوجیت» در عمل حین آزمایش با دستگاه شتاب دهنده خطی ذرات اتمی در دانشگاه استانفورد مشاهده گردید و یکی از وجوه تئوری وینبرگ- سلام یا تئوری متحد کننده نظریات مربوط به دو نیروی اساسی طبیعت، اعلام گردید.

برنده مشترک فیزیک نوبل سال 1979 م. به پاس سهیم بودن در ابداع و تکمیل تئوری متحد کننده نظریه الکترومغناطیس با نظریه اندرکنشهای هسته ای ضعیف بین ذرات بنیادی، و پیش بینی وجود جریانی به نام جریان خنثی در خلال آن عمل به او اعطا گردید.

عبدالسلام برای سازمان ملل متحد در سمت های زیر کار کرده است: دبیر علمی کنفرانسهای ژنو در باره استفاده های مسالمت آمیز از انرژی اتمی، عضو کمیته مشورتی علوم و تکنولوژی آن سازمان و ریاست آن در سال 1972 م. و ریاست اتحادیه بین المللی فیزیکدانان نظری و عملی بوده است.

فیزیک و سایر علوم

فیزیک و سایر علوم فیزیک جایگاه علمی و عملی خود را یافته و روز به روز پیشرفت می کند مباحث آن گسترده تر می شود تا آنجا که قوانین آن از ریزترین ابعاد اتمی تا وسیعترین ابعاد نجومی را شامل می شود اکنون فیزیک مانند زنجیری محکم با بقیه علوم مرتبط است و هنوز هم به سرعت در حال گسترش و پیشرفت می باشد.فیزیک، دینامیک و ساختار درونی اتم ها را توصیف می کند و از آنجا که همه مواد شامل اتم هستند، پس هر علمی که در ارتباط با ماده باشد، با فیزیک نیز مرتبط خواهد بود علومی نظیر شیمی، زیست شناسی، زمین شناسی، پزشکی، داروسازی، دامپزشکی، رادیولوژی، مهندسی مکانیک، معماری و ...

فیزیک در صنعت، معدن، دریانوردی، هوانوردی و ... نیز کاربرد فراوان دارد اینکه ابزار هر شغلی و هر علمی مبتنی بر استفاده از قوانین و مواد فیزیکی است.

نقش اساسی فیزیک در سایر علوم و رشته ها را نمایان می کند. علاوه بر آن استفاده روزافزون از اشعه لیزر در جراحی ها و دندانپزشکی، رادیوگرافی با اشعه ایکس در رادیولوژی، جوشکاری صنعتی و ... نمونه هایی از کاربردهای بیشمار فیزیک در علوم دیگر می باشد.

آینده علم فیزیک

آینده علم فیزیک در مطالعات و درک ذره های بنیادی نهفته است و در حالی که پیشرفت تجربی در این زمینه کاملا در جریان است در حدود نیم قرن پیش انرژی دارای ساختمان «اتمی» بود و اکنون درباره کوانتیزه بودن انرژی سخن می رود و بحث بر سر این است که چگونه انواع انرژیها را به کوانتم تبدیل کنند.

ماده چگال حالتی جدید از ماده که در زمینه اندازه گیری دقیق و فناوری نانومتری خواهد بود همچنانکه جایزه نوبل سال 2001 را برای کارهای پیشگامانه در زمینه چگالش بوز- اینشتین اعطا شده است پدیده ای که در سال 1924 م. مطرح شد ولی مشاهده تجربی آن در سال 1995 م. به وقوع پیوست. پدیده ای­که­اتم ها تا دمای بسیار نزدیک به صفر مطلق سرد شوند. در این حالت اتم ها انرژی اولیه خود را از دست می دهند و رفتار گروهی از خود نشان می دهند که از برخی جنبه ها مانند اتمی فوق العاده بزرگ است، با این روند رو به رشدی که علم فیزیک در کنار سایر علوم دارد، می توان امیدوار بود که در آینده به چراها و چگونگی های عالم طبیعت پاسخ داده شود و این دنیای فیزیک سکوی پرتاب به عالم متافیزیک باشد.