انقلابی به نام فیزیک مدرن

صد و پنجاه سال اخیری که تاریخ تمدن بشری به خود دیده است از خیلی جهات از تمام بقیه‌ی طول تاریخ بشری متمایز است. در این دوره بیش از تمام تاریخ هزاران سال تمدن بشریت، اختراع و پژوهش و ابداع و اکتشاف داشته‌ایم. انسان بر روی کره‌ی ماه پیاده شد. سفینه‌های فضایی سرنشین‌دار و بی‌سرنشین بی‌شماری توسط انسان برای گردش به دور زمین و ماه و دیگر سیارات و حتی برای عزیمت به خارج از منظومه‌ی به فضا شمسی گسیل شدند. هم‌چنین در همین مدت شاهد دو جنگ بزرگ جهانی و دیگر جنگ‌های منطقه‌ای ویرانگر به وسیله‌ی سلاح‌های کشتار جمعی بودیم. آلودگی نگران کننده‌ی آب و هوای زمین و پدیده‌ی خطرناک گرم شدن زمین در همین دوره و شاید بیشتر بر اثر پیشرفت سریع تکنولوژی اتفاق افتاد. علاوه بر این‌ها این دوره از نظر تحولات حادث در علوم محض و نظری نیز دوره‌ای ویژه می‌باشد. در شاخه‌های مختلف علوم نظریات بدیع و بی‌سابقه‌ای عرضه شد و این روند هم‌چنان نیز ادامه دارد.
شاید مهم‌ترین شاخه‌ای از علم که در این دوره دست‌خوش نظریات انقلابی نظری گردید فیزیک باشد. به مجموعه‌ی این تحولات دگرگون کننده در فیزیک نظری درتاریخ علمِ فیزیک با عنوان فیزیک نوین ‌ارجاع می‌شود. مطالبی که در موضوع فیزیک نوین مورد بررسی قرار می‌گیرد در قلمرو کوچک‌ترین‌ها یا بزرگ‌ترین‌ها یا پرشتاب‌ترین‌ها می‌باشند و در این فیزیک انسان میل دارد بداند قوانین حاکم بر پدیده‌ها و موضوعات فیزیکی در این قلمروها چه تفاوتی با موارد مربوط به قلمروهای معمولی و مأنوس بشری دارد. خصوصیات رفتاری اتم‌ها و ذرات زیر اتمی که دارای سرعت‌های زیادی می‌باشند را می‌توان به زبان ریاضی بیان داشت اما بنا بر فیزیک کوانتومی که شاخه‌ی مهمی از فیزیک نوین است امکان اندازه‌گیری مستقیم در قلمروهایی چنین ریز وجود ندارد، یا بنا بر فیزیک نسبیتی که شاخه‌ی دیگری از فیزیک نوین است در قلمروهای بسیار بزرگ و در سرعت‌های بسیار زیاد، منطق ریاضی معمول دیگر حاکم نیست بلکه منطق نسبیتی باید جایگزین آن گردد. این‌ها همه به نوعی باعث شده است ذهن منطقی انسان و نیروی تخیل و تصور او از درک کامل پدیده‌های مربوط به فیزیک نوین، از جمله آن‌چه به نور و اتم و ساختار کیهان مربوط می‌شود، عاجز بماند. از نظر فیزیک نوین آن‌چه در فیزیک کلاسیک در رابطه با این‌گونه پدیده‌ها وجود دارد الگوها و مدل‌هایی هستند که برای درک مطلب و تقریب ذهنی مفیدند، مثلاً هنگامی که نور به صورت حرکت موجی بیان می‌شود یا هنگامی که اتم به صورت منظومه‌ای متشکل از هسته‌ای سنگین که به گردش الکترون‌ها مانند سیارات در مدارهایی مشخص می‌چرخند بیان می‌شود غالباً در حال استفاده از مدل‌های تقریبی کلاسیکی برای تقریب به ذهنِ واقعیتی بالاتر هستیم، واقعیتی که ذهنِ خو گرفته با دنیای معمول فیزیکی به سختی قادر به درک آن است اما شواهد بر وجود آن حکایت دارند و لاجرم باید در همین ابهام، حقیقت وجودی آن را پذیرا باشیم. از نظر این فیزیک، نور می‌تواند به صورت ذره‌ای عمل کند، ذره‌ای که در حقیقت یک بسته‌ی موج ایستاده است و از این رو خواص موجی نیز از خود نشان می‌دهد. این فیزیک هم‌چنین اثبات می‌کند که وقتی انسان می‌خواهد محل الکترون‌ها در اتم را تعیین کند ناگهان در‌می‌یابد که آنها در همه‌ی مدارهای اتم حضور دارند و در عین حال در هیچ‌یک نیستند. مشابه چنین وضعیتی در فیزیک نسبیتیِ فیزیک مدرن در سیستم‌هایی که دارای سرعت‌های بسیار زیادی نزدیک سرعت حدی نور هستند اتفاق می‌افتد، هنگامی که دیگر دو دو تا چهار تا نمی‌شود یا مثلاً بر اثر انحنای فضا-زمان قوانین هندسه به هم می‌خورد.
فیزیک نسبیت با کار اینشتین در مورد سرعت نور آغاز شد. او برای توجیه برخی پدیده‌های توجیه نشده‌ی تئوری الکترومغناطیس به اتخاذ یک سری فرضیاتی پرداخت که از نظر فیزیک کلاسیک غیر منطقی می‌نمود. اما او بر سبیل این که فرض محال محال نیست این فرضیات را درست انگاشت و بر مبنای آنها به استنتاجاتی ریاضی‌وار دست زد و نتایجی به دست آورد که با استفاده از آنها می‌توانست به پیش‌گویی‌هایی علمی دست زند. طرفه این‌که بسیاری از این پیش‌گویی‌ها در عمل به وقوع پیوست و همین تحقق عملی پیش‌گویی‌ها بود که ناگهان توجه زیادی را معطوف به این نظریه و فرضیات غیر متعارف آن نمود. به زودی با فراگیری تحقیق در این نظریه به ویژه با انجام پیش‌گویی‌های قابل تحقق بیشتر بر مبنای این نظریه، گسترش و مقبولیت آن بیشتر شد. بسیاری از فیزیکدانان به یافتن راه‌هایی پرداختند که بعضی پارادوکس‌های مشهود در این نظریه را توجیه نماید و در این راه به توفیقاتی دست یافتند.
از جمله پیش‌گویی‌های علمی این نظریه این بود که نور ستارگان در عبور از کنار جرم سنگینی مثل خورشید کمی به طرف مرکز خورشید انحراف پیدا می‌کند. این نتیجه‌ای از این استنتاج نسبیتی است که جرم قابل تبدیل به انرژی است و بالعکس. بنابر این هر انرژی‌ای معادل مقداری جرم است و چون نور صورتی از انرژی است پس درواقع مقداری ولو بسیار اندک جرم دارد که می‌تواند توسط جرم عظیمی مثل خورشید تا حد محسوسی جذب و بالتبع به سوی آن کج شود. این پیش‌گوییِ عالی به زودی در جریان یک خورشید گرفتگی کامل توسط منجمین تأیید شد. آنها که موقعیت و یا در واقع نقشه‌ی ستارگان قابل رؤیت اطراف لبه‌ی خورشید را می‌دانستند با وضعیت آنها به هنگام خورشید گرفتگی کامل مقایسه کردند و متوجه شدند که آنها نسبت به موقعیت معمول خود به طرف بیرون از مرکز خورشید شیفت پیدا کرده‌اند، یعنی گویا از خورشید دورتر شده‌اند. البته این‌گونه نیست که این حالت تنها در موقع خورشید گرفتگی به وقوع بپیوندد بلکه همواره در اطراف منظر لبه‌ی خورشید این‌گونه است، منتهی خورشید گرفتگی کامل فرصت مغتنمی برای رصد این ستارگان بود که در حالت‌های دیگر نور شدید خورشید امکان رصد دقیق در این منطقه را نمی‌داد. علت این امر، به وضوح، کج شدن نور ستارگان در حال عبور از کنار خورشید به طرف خورشید است که باعث می‌شود ناظر زمینی آن را در امتداد خط سیر نوری که به چشمش می‌رسد، و در زاویه‌ای بازتر از زاویه‌ی امتداد اصلی نور ستاره قرار دارد، بیانگارد. درست همان استنتاج نسبیتی تبدیل متقابل جرم و انرژی که مبنای این پیش‌گویی تحقق یافته بود چند سال دیرتر مبنای فرایند خطرناک به کار گرفته شده در بمب اتمی شد. در این بمب تبدیل مقداری از ماده در طی واکنش‌هایی زنجیره‌ای به انرژی مقادیر باور نکردنی‌ای از انرژی را در محدوده‌ای کوچک آزاد می‌کند. هم‌چنین، گسترش نسبیت به ویژه در آن‌چه خود اینشتین تحت عنوان نسبیت عمومی عرضه داشت بسیاری از عرصه‌های فیزیک و نجوم و کیهان شناسی را تحت تأثیر خود قرار داد.
از دیگر سو، فیزیک نوین در حال پیش‌روی در دنیای کوچک‌ترین ذرات بود. پس از کارهای شروع کننده‌ی پلانک در این زمینه، که آن هم هم‌چون کار اینشتین با اتخاذ فرض‌های نامتعارف و رسیدن به نتایجی که پدیده‌های مشهود توجیه نشده را توجیه می‌کرد آغاز شد، با سرعت، بسیاری از فیزیکدانان جوان و پرشور جذب آن شدند و به زودی مباحث نظری ریاضی گسترده‌ای در این فیزیک نضج گرفت. حتی خود اینشتین علیرغم آن که چندان با این فیزیک موافقتی نداشت نقش بزرگی در پیشرفت آن ایفا نمود به ویژه هنگامی که ایده‌ی فوتون را به عنوان کوانتای نور یا موج الکترمغناطیسی مطرح نمود که به وسیله‌ی آن مثلاً پدیده‌ی فوتوالکتریک به خوبی توجیه گردید.توفیق عظیم مکانیک کوانتومی این بود که در فرایند تحلیل‌های ریاضی‌وار موجی-ذره‌ای آن و از خلال معادلات ریاضی به دست آمده، تناوب‌های جدول تناوبی عناصر به طریقی ریاضی به دست می‌آمد و گویا این معادلات، این جدول را از نو به همان صورت تجربی نظم می‌دادند و حتی بر مبنای آن، پیش‌گویی‌هایی برای موقعیت عناصر کشف نشده صورت گرفت.‌ مکانیک کوانتومی به سرعت، گسترشی عمقی یافت و تنها به ترازهای الکترونی محدود نماند بلکه هسته و فرایندهای مربوط به آن را نیز در بر گرفت و سپس به سرعت دامنه‌اش به دنیای کوچک‌ترین کوچک‌ها، یعنی کوارک‌ها و گلوئون‌ها که ذرات تشکیل دهنده‌ی هسته هستند کشیده شد. گاهی برخی پیش‌گویی‌های فیزیک کوانتومی به افسانه‌های علمیِ تحقق یافته شبیه می‌شوند مانند مبحث مربوط به ضد ماده یا پادذره. این مبحث دارای پایه‌های نظری و ریاضی مستحکمی در فیزیک کوانتمی است اما از آنجا که زمین ما و منظومه‌ی شمسی ما و خلاصه تا ابعاد وسیعی اطراف ما از ماده به وجود آمده است هیچ ضد ماده یا پاد ذره‌ای ولو این‌که به طور مصنوعی و در آزمایشگاه به مدت بسیار کوتاهی به وجود آورده شود قابل دوام در این دنیای پر از ماده نیست و بلافاصله در واکنش با این همه ماده‌ی اطراف خود مضمحل می‌شود یا به عبارت دقیق‌تر بر طبق فرمول تبدیل ماده به انرژی به انرژی تبدیل می‌شود.
مفاهیم فیزیک کوانتومی بسیار گسترده و همه‌گیر شده‌اند. این گستردگی به فیزیک نسبیتی هم تسری پیدا کرد و تداخل عمیقی بین این دو فیزیک در توجیه بسیاری از پدیده‌های تازه کشف شده در دنیای فیزیک به وجود آمد. با گسترش سریع دانش ذرات بنیادی به ویژه به مدد تکنولوژی‌های رو به پیشرفت دستگاه‌های شتاب دهنده‌ی ذرات گویا دیگر محدوده‌ای برای گسترش فیزیک کوانتومی شناخته شده نیست.
گرچه نسبیت و کوانتوم دو شاخه‌ی عمده‌ی فیزیک نوین هستند که همان‌طور که گفتیم به نحو قابل ملاحظه‌ای در بخش‌هایی در هم دخیل شده‌اند، اما مباحث دیگری نیز در فیزیک نوین وجود دارد از جمله مسأله‌ی وحدت نیروها و نیز مسأله‌ی انفجار بزرگ و نظریه‌های مربوط به پیدایی عالم. ویژگی‌ای که در فیزیک نوین وجود دارد این است که دستِ واردین در این فیزیک برای نظریه‌پردازی‌های جدید کاملاً باز است درست همان‌طور که بنا بر آن‌چه در بالا گفتیم پایه‌های قوام فیزیک نسبیتی و فیزیک کوانتومی بر اتخاذ فرض‌های غیر معمول بود. در فیزیک مدرن بیش و پیش از اهمیت داده شدن به منطقی بودن مفروضات، تطابق هرچه بیشتر نتایج با واقعیات مشهود ملاک مقبولیت نظریه‌ای جدید است.