فیزیک چیست؟

به گزارش بولتن نیوز به نقل از عصر ایران، همۀ ما می‌دانیم "فیزیک" چیست، ولی با این حال دقیقا نمی‌توانیم بگوییم که فیزیک چیست! تعریف مفاهیم همیشه دشوار است و سرشتی نسبی دارد. بویژه اینکه فیزیک با رشته‌های دیگر علم پیوند دارد و این پیوند گاهی مرزهای این علوم را مخدوش می‌کند.

اما اجمالا می‌توان گفت که ما در علم فیزیک با مطالعۀ جرم، انرژی، نیرو، اتم، فضا، زمان، الکترومغناطیس، نورشناسی و مقولاتی از این دست سر و کار داریم. اما گاه مرزهای فیزیک با سایر رشته‌های علمی چنان در هم می‌روند که معلوم نیست دانشمندان دقیقا در کدام شاخۀ دانش قرار دارند. مثلا در علومی میان‌رشته‌ای، مثل بیوفیزیک یا شیمی کوانتوم، تا حدی با چنین وضعی مواجه‌ایم.

فیزیک قبلا بخشی از "حکمت طبیعی" قلمداد می‌شد ولی از حدود 150 سال قبل به این سو، علم فیزیک تشخص ویژه‌ای پیدا کرده است. مثلا اگر در سدۀ هفدهم میلادی از نیوتن می‌پرسیدید تخصصت چیست، او به شما نمی‌گفت فیزیکدان هستم. احتمالا می‌گفت فلسفۀ طبیعت را از منظر ریاضی بررسی می‌کنم تا قوانین حرکت اجسام در زمین و آسمان را کشف کنم.

در سده‌های هفدهم و هجدهم و نوزدهم میلادی، علوم به تدریج به تدریج از هم تفکیک شدند و در جای امروزین خود قرار گرفتند. با این حال تقسیم‌بندی‌ علوم ماهیت موقت دارند. یعنی ناپایدارند. زیرا با پیشرفت علم، مرزهای رشته‌های علمی نیز جابجا می‌شود.

مثلا امروزه کسی پزشکی را جزو علوم انسانی نمی‌داند. همه معتقدند پزشکی جزو علوم تجربی طبیعی است. اما میشل فوکو معتقد بود پزشکی به انسان‌شناسی بیشتر منتهی می‌شود؛ بنابراین باید آن را جزو علوم تجربی انسانی دانست.

به نظر می‌رسد استدلال فوکو نادرست بود زیرا پزشکی با کبد و کلیه و قلب و سایر اعضای بدن آدمی سر و کار دارد که بخشی از ماده و طبیعت به شمار می‌روند. چه فرقی دارد که شما قلب یک اسب را مطالعه و جراحی کنید یا قلب یک انسان را؟ در این‌جا آنچه اهمیت دارد "قلب" است نه اسب یا انسان.

بگذریم. بحث بر سر فیزیک بود! فیزیک می‌کوشد نحوۀ کار جهان هستی را نشان دهد. برای این کار از مطالعۀ خواص بنیادی ماده آغاز می‌کند. در واقع خواص بنیادی ماده، مبنای توضیح نحوۀ کار طبیعت است. منظور از طبیعت، البته نهایتا کل جهان هستی یا "جهان قابل مشاهده" است.

فیزیک به یک معنا علمی رادیکال است. رادیکال‌ها گام آخر را اول برمی‌دارند. فیزیک هم با بررسی اجزایی که در نهایت همه چیز از آن‌ها ساخته شده، کنه مطلب را نشانه می‌رود. مثلا وقتی فیزیکدانان گرانش را بررسی می‌کردند، در واقع چیزی را بررسی می‌کردند که در کل جهان هستی وجود دارد. و یا وقتی اتم‌ها یا ذرات زیراتمی را بررسی می‌کنند، مشغول بررسی پدیده‌هایی هستند که بنیادهای تمام جهان هستی‌اند.

پرداختن فیزیک به کنه مطلب، موجب تعمیق علوم دیگر نیز شده است. مثلا شیمی اطلاعات زیادی دربارۀ واکنش‌های ترکیب‌های شیمیایی و خواص آن‌ها گرد آورده است؛ ولی این فیزیکدانان بودند که به بررسی سرشت نیروهایی پرداختند که موجب پیوند اتم‌ها در ترکیب‌های شیمیایی است. این مطالعات فیزیکدانان تاثیر عمیقی بر علم شیمی نهاد؛ زیرا خواص شیمیایی را توضیح داد.

هر چه هست، علم فیزیک زندگی ما را دگرگون کرده است. در حوزۀ فناوری، مطالعۀ الکتریسیته و مغناطیس به پیدایش تلگراف و تلفن، رادیو و تلویزیون، موتورها و دینام‌هایی که انتقال نیرو را از نقطه‌ای به نقطه‌ای دیگر میسر می‌کنند و نیز به اختراعات بی‌شمار دیگری منتهی شده است که زندگی ما را نسبت به قبل آسان ساخته‌اند.

این تحولات مستقیما از بررسی خواص بنیادی ماده، یعنی کاری که فیزیک به آن می‌پردازد، حاصل شده است. اینکه امروزه ما نیروگاه‌هایی داریم که منابع عظیم انرژی درون هستۀ اتم را می‌‌گشایند نیز، ناشی از بررسی خواص بنیادی ماده است.

در علم فیزیک چهار نیروی بنیادی شناخته شده وجود دارد که عبارتند از: نیروی گرانش، نیروی الکترومغناطیسی، نیروی هسته‌ای قوی، نیروی هسته‌ای ضعیف.

نیروی بنیادی یعنی نیرویی که به وسیلۀ سایر نیروها قابل توصیف نیست. مثلا برای توضیح گرانش (جاذبه) در عالم، نمی‌توان پای نیروی دیگری را به میان آورد. ساده‌ترین ذرات در جهان، از طریق این نیروهای بنیادی با یکدیگر تعامل دارند. کشف آنچه در کنه ماده از طریق این نیروها و عواملی دیگر می‌گذرد، کار علم فیزیک است.

این دستاوردهای علمی البته تدریجا حاصل شده‌اند. یعنی علم فیزیک دوره‌های گوناگونی داشته و وجه ممیز هر یک از این دوره‌ها، کشفی بسیار مهم بوده که موجب درک عمیق‌تر طبیعت شده و شیوۀ خاصی از تفکر را ایجاد کرده است.

این دوره‌های تاریخی، تقریبا هر کدام با نام یک یا چند فیزیکدان مشهور گره خورده‌اند. اما فراتر از این نام‌ها، نکتۀ مهم این است که هر یک از این دوره‌ها، که مایۀ غنا و تکامل علم فیزیک بوده‌اند، به چیرگی بیشتر انسان بر طبیعت و افزایش رفاه و آسایش در زندگی بشر منتهی شده‌اند.

نخستین دوره یا مرحله، در قرن هفدهم رقم خورد. در آن قرن نیوتن کاری را که گالیله آغاز کرده بود به ثمر رساند و وجود قوانینی مکانیکی را ثابت کرد که توامان بر اجسام زمینی و اجرام آسمانی حاکم‌اند. در واقع نیوتن آسمان و زمین را به هم پیوند داد.

حدود 150 سال پس از کشف نیوتن، یعنی در پایان سدۀ هجدهم میلادی، با کشف الکتریسیته و مغناطیس، دنیای علم فیزیک وسیع‌تر شد. برخی از مورخان علم گفته‌اند اهمیت کشف الکتریسیته، در حد اهمیت کشف قارۀ آمریکا بود.

برخی از فیلسوفان علم هم گفته‌اند جهان مدرن مبتنی بر دو عنصر ذهنی و عینی اساسی است: حق و الکتریسیته. یعنی مدرنیته مبتنی بر "حق" است، مدرنیزاسیون نیز مبتنی بر "الکتریسیته". "حق" را لیبرالیسم کشف کرد، الکتریسیته را علم.

البته این سخن به این معنا نیست که در جهان قدیم کسی حقی نداشت، ولی تولد "انسان محق" محصول لیبرالیسم بود. تا قبل از لیبرالیسم، انسان موجودی "مکلف" بود که باید سرش را پایین می‌انداخت از منابع "اقتدار" اطاعت می‌کرد.

به هر حال اگر علم فیزیک الکتریسیته را کشف نکرده بود و آن را در خدمت بشر قرار نمی‌داد، اصلا مدرنیزاسیونی پدید نمی‌آمد و ما امروزه در جوامع مدرن زندگی نمی‌کردیم. یعنی همچنان باید با اسب مسافرت می‌کردیم و در غیاب رادیو و تلویزیون و اینترنت، از سایر نقاط دنیا بی‌خبر بودیم و وسایل پزشکی پیشرفته‌ای هم نداشتیم و در بی‌برقی، عمر کوتاه‌تری می‌داشتیم!

هر چه بود، در پایان قرن هجدهم، الکتریسیته و مغناطیس شاخۀ اصلی فیزیک شدند. در قرن نوزدهم در پی شناخت عمیق‌تری که نسبت به امواج نور (نورشناسی) و گرما (ترمودینامیک) حاصل شد، مجموعه‌ای علوم پدید آمدد که امروز "فیزیک کلاسیک" نامیده می‌شود.

در پایان قرن نوزدهم میلادی، جوزف جان تامسون الکترون را کشف کرد. تامسون فیزیکدانی انگلیسی بود که در 1856 به دنیا آمد و در 1940 از دنیا رفت. او در سال 1906 جایزۀ نوبل فیزیک را بابت کار بر روی خواص الکتریکی گازها بدست آورد. نکتۀ جالب اینکه، جان تامسون نوبل فیزیک را بابت کشف ذره‌ای بودن الکترون کسب کرد، پسرش جرج پاجت تامسون نیز جایزۀ نوبل فیزیک را به خاطر کشف موج بودن الکترون!

الکترون پدیدۀ رازآمیز و پیچیده‌ای بود که کشفش نتایجی انقلابی در فیزیک به بار آورد. یعنی الکترون در چارچوب "فیزیک کلاسیک" نمی‌گنجید و منجر به پیدایش "فیزیک جدید" شد.

فیزیک جدید در قرن بیستم در دو مسیر متفاوت پیش رفت. این دو مسیر چنان متفاوت بودند که گویی دو نوع علم فیزیک وجود دارد. نقطۀ عزیمت مسیر نخست "فیزیک جدید"، ساختار الکترونی اتم بود، نقطۀ عزیمت مسیر دوم نیز پدیدۀ رادیواکتیویته بود؛ زیرا گونۀ دوم فیزیک جدید به سراغ مرکز اتم یعنی دنیای کوچک هسته رفت.

اتم‌ها ساختاری بیرونی، متشکل از الکترون‌ها، دارند. این ساختار بیرونی منشأ همۀ خواص شیمیایی و مکانیکی اتم‌ها و تعیین‌کنندۀ نیروهایی است که اتم‌ها را به هم پیوند می‌دهند. اما در مرکز اتم، هستۀ مثبت خُردی وجود دارد که رادرفورد در 1911 آن را کشف کرد.

رادرفورد یک ورق طلا را با پرتو آلفا بمباران کرد. طبق نظر جان تامسون باید تمام پرتو یا بازمی‌گشت یا عبور می‌کرد اما رادرفورد دید که بعضی از پرتوها عبور می‌کنند و بعضی از پرتوها به شدت بازمی‌گردند و برخی دیگر با زوایای مختلف از مسیر منحرف می‌شوند. پس او نتیجه گرفت که جرمی بسیار چگال و با بار مثبت (زیرا پرتو آلفا ۲ بار مثبت دارد) و متمرکز در محلی از اتم قرار دارد که بررسی‌های دقیق‌تر این محل را مرکز اتم مشخص نمود نام این محل هسته گذاشته شد.

در واقع پرتوهای آلفا از مرکز یا هستۀ اتم‌های ورق طلا عبور نمی‌کردند. نکتۀ جالب ناشی از کشف رادرفورد این بود که معلوم شد اندازۀ هستۀ اتم ده هزار تا صد هزار برابر کوچک‌تر از اندازۀ خود اتم است ولی با این حال هستۀ اتم 99 درصد جرم اتم را تشکیل می‌دهد. بنابراین هستۀ اتم، جرمی بسیار چگال است و به همین دلیل در درون اتم بسی خبرهاست و شکافتن هستۀ اتم امری خطیر است.

گفتیم که مبنای مسیر نخست فیزیک جدید، ساختار الکترونی اتم بود. این شاخه از فیزیک، بر اساس ساختار الکترونی اتم و واکنش آن با تابش، به توضیح خواص ماده‌ای می‌پردازد که از اتم‌ها ساخته شده است. برای بررسی این قبیل مسائل باید "مکانیک کوانتومی" جدیدی بوجود می‌آمد که ویژگی‌هایش در مکانیک نیوتنی نبود.

پیدایش مکانیک کوانتومی، انقلابی در شیوۀ تفکر دانشمندان پدید آورده است و درک کلاسیک از مفهوم علیت را زیر سوال برده است. دست کم ایده‌هایی نو دربارۀ رابطۀ علت و معلول ایجاد کرده است.

شاخۀ دوم فیزیک جدید نیز، که نقطۀ آغازینش بررسی رادیواکتیویته بوده، به قوانینی می‌پردازد که بر نیروهای پرتوان و منابع عظیم انرژی هسته‌ای حاکم‌اند. نیز این شاخه از فیزیک با انواع گوناگون ذرات عجیبی سر و کار دارد که در پرتو کیهانی یافت.

پرتوهای کیهانی ذرات بارداری هستند که در درون اجرام آسمانی تولید می‌شوند و شتاب می‌گیرند و به فضای کیهان پرتاب می‌شوند. برخی از این ذرات سرگردان در کیهان به زمین می‌رسند و وارد جو زمین می‌شوند.

هر چه بود، بشر مدرن با گونۀ نخست فیزیک جدید موفق شد رفتار ماده را بسیار بهتر از قبل بفهمد. حاصل این فیزیک، انواع وسایل فنی جدید و نیز موادی با خواص تازه بوده است. گونۀ دوم فیزیک جدید نیز راه دستیابی به انرژی هسته‌ای را گشوده است.