نویسنده: زهرا طاهری اخوان
هنگامی که "سر ایزاک نیوتن" به دلیل شیوع یک بیماری همه گیر در 66- 1655 از دانشگاه کمبریج گریخت، باز هم از ادامه فعالیتش دست برنداشت. وی بر این باور بود که تازه فرصت خوبی برای آزمایش هایش به دست آورده است. در نتیجه با تلاشهایی که در طی این دوره انجام داد، توانست مبنای بسیاری از قوانین علمی خود را کشف کند که در دهه های بعدی آنها را به چاپ هم رساند، برای نمونه، معادلات نیوتن شتاب و حرکت را به دقت توصیف می کنند. توسط قانون گرانش عمومی نیوتن، گرانش در روی زمین و افزون بر آن در منظومه شمسی به روشی مختصر و ریاضی گونه توضیح داده می شود. همچنین، از نظر او، نیروها قادر به ایجاد تغییر در حرکت و قابل محاسبه و اندازه گیری می باشند.
این قوانین که ما مجموعه آنها را فیزیک نیوتن می نامیم، بیش از دویست سال قوانین اصلی و حاکم بر علم فیزیک بود، تا آنکه در قرن بیستم، طی تحقیقات پیشرفته تر و خلاقانه تری که توسط محققان و پژوهشگران به وسیله ابزارهای جدید صورت گرفت، نتایجی به دست آمد که برخی از آنها با قوانین فیزیک نیوتن همخوانی نداشت. به همین دلیل، برخی بر این باورند که تحقیقات پیشرفته تر و نتایج حاصل از آن، موجب شکست فیزیک نیوتن و روی کار آمدن فیزیک جدید (فیزیک مدرن) گردیده است. از میان موضوعات جدیدی که همراه با پیشرفت علم به آنها نیز توجه بیشتر و علمی تری شد، ذرات بسیار ریز درون یک اتم است. فیزیک هسته ای، شاخه ای از علم فیزیک است که خواص و رفتار بخش مرکزی یا هسته اتم را بررسی می کند. فیزیکدانان برای کاوش بیشتر در ماهیت ماده، شتاب دهنده های بسیار بزرگی اختراع کردند که قادر بود تا ذرات را با سرعت نور به پایین در یک مسیر پرتاب کند. در این برخورد میان ذرات پر سرعت انرژی به وجود می آید. فیزیک ذره تلاش می کند تا این ذرات را دسته بندی کند و ضمن بیان ویژگی های آنها، به شرح نیروهایی که در برخورد به یکدیگر وارد می کنند، بپردازد.
اثر حاضر، با تمرکز بر فیزیک هسته ای و مباحث مرتبط با آن، موضوعاتی را معرفی و به خواننده ارائه می کند که هر یک به تنهایی می تواند سر منشأیی برای تحقیقات آتی قرار گیرند. همچنین، این کتاب با حجم مختصر و مطالب مفیدی که در بردارد، اثری ارزشمند و جامع است که پدیده های اطراف را از جنبه خاصی مورد بررسی قرار داده و این نوع رویکرد در نوع نگاه خواننده به جهان پیرامونش خواسته یا ناخواسته تأثیرگذار است.
کتاب ذرات و جهان هستی، شامل پنج فصل اصلی است:
فصل نخست، فیزیک هسته ای: پرتوزایی (رادیواکتیویته) سلاح ها و راکتورها نام دارد. در این فصل به مسائلی مانند هسته اتم، پرتوزایی، بمب اتمی، E=mc2، انرژی، پزشکی و فضاپیمای هسته ای، توجه شده است. تمرکز بر فیزیک هسته ای و کشف ایده های جدید آن تاکنون موجب پیشرفت های زیادی شده است. از جمله: تعیین مواد باستانی به روش پرتوزا، ساخت راکتورهای انرژی هسته ای که مدار زیادی برق تولید می کنند و بمب های هسته ای. شیمی دان جوان، جورج د هوشی، با کشف روش ردیابی پرتوزا در اوایل قرن بیستم توانست به ایده های جدیدی در فیزیک هسته ای نایل شود و از آن تاریخ به بعد، کشف او به منزله روشی رایج شناخته شد. پرتوزایی به معنای گسیل تابش است که تبدیل یک هسته اتم با عنوان واپاشی پرتوزا را به همراه دارد. البته، تا سال 1911 که فیزیکدان نیولند- انگلیسی به نام ارنست رادرفورد (1937- 1871) هسته اتم را کشف کرد، چنین نبود. اگر بخواهیم تفسیر درستی از آزمایش رادرفورد ارائه دهیم باید بگوییم که بر اساس آن، اتم ها در داخل خود، هسته کوچکی دارند که بار آن مثبت است. بیشتر ذرات آلفا با اندکی انحراف از میان اتم ها می گذشتند، اما تعدادی از آنها در برگشت به جسمی سخت برخورد می کردند. بدین ترتیب بود که تصویر جدیدی از اتم شکل گرفت. بدین معنا که اتم ها از هسته کوچکی که بار مثبت دارد با دسته ای از الکترون های با بار منفی احاطه شده و این بارهای مثبت و منفی یکدیگر را خنثی می کنند و اتم هایی با بار الکتریکی خنثی به وجود می آیند.
چند سال بعد از این آزمایش، رادرفورد بار مثبت را پروتون نامید که 836 ،1 برابر الکترون بیشتر جرم دارند. در ادامه همین راه بود که در سال 1932 سر جیمز چدویک، نوترون را کشف و جرم را تعیین کرد. بدین ترتیب، کشف شد که پروتون ها و نوترون ها در درون هسته جای می گیرند و با دسته ای از الکترون احاطه می شوند.
پرسش قابل توجه در این بحث این است که اگر قائل باشیم بارهای مخالف پروتون ها و الکترون ها یکدیگر را جذب و در مقابل بارهای یکسان یکدیگر را دفع می کنند، پس، چگونه پروتون ها قادرند که به صورت محکم بسته به یکدیگر در هسته وجود داشته باشند؟ بنابراین باید نتیجه گرفت که نیروی دیگری در این زمینه وجود دارد که بر پروتون ها اثرگذار است و آن نیروی هسته ای قوی یا اغلب نیروی قوی نامیده می شود که در هسته بین پروتون ها و نوترون ها پیوند برقرار می کند. این نیرو قادر است پروتون های آزاد که خود به خود در کنار یکدیگر قرار نمی گیرند را به یکدیگر متصل کند.
هسته هایی که ترکیب نوترون ها و پروتون هایشان پایدار نیست دست خوش واپاشی می شوند. این گونه هسته ها به طور ذاتی ناپایدار بوده و با گذشت زمان تغییر نموده و به هسته های جدیدی تبدیل می شوند. به این فرآیند شکاف هسته ای می گویند که ضمن تبدیل به هسته یا هسته هایی کوچک تر و پایدارتر پرتوهای پر انرژی به اطراف پراکنده می شود. چنین هسته ای را پرتوزا یا رادیواکتیو می گویند. ناپایداری هسته می تواند به دلیل فزونی نوترون ها، پروتون ها و یا هر دو باشد.
پرتوزایی در شرایطی به وقوع می پیوندد که هسته اتم متلاشی می شود این فرایند، معمولاً یک پرتو یون ساز با مقدار بالایی انرژی کار مایه پدید می آورد. گاهی این انرژی را می توان به صورت نیروی هسته ای مهار کرد یا می تواند به وسیله آلودگی پرتوزایی در زیست بوم رها شود که بسیار مخاطره آمیز خواهد بود.
دو عامل است که مقدار پرتوزایی در یک ماده را تعیین می کنند: یکی تعداد اتمهای پرتوزا و دیگری نوع خاص از ایزوتوپ پرتوزا. همچنین، مشخصه مهم آهنگ واپاشی ایزوتوپ پرتوزا این است که ثابت است و بر اساس مکان و شرایط یا هر عامل دیگر تغییر نمی کند. با این وجود، گاهی تنها قادریم تا مقدار اولیه ماده پرتوزا را به صورت حدودی تخمین بزنیم. اما برای ایزوتوپ هایی که در روی زمین یافت می شوند مانند اورانیوم و توریم، نسبتها و آهنگ های واپاشی معلوم آنها قابل اندازه گیری هستند و در نتیجه عمر سنگ هایی که این عناصر در آنها وجود دارند نیز تخمین زده می شود. پرتوزایی به غیر از تعیین عمر اجسام کاربردهای دیگری هم دارد. برای مثال در برخی از "آشکارسازی های دود" که ابزاری برای تشخیص خطر آتش سوزی و وجود دود در هوا هستند، از مقدار بسیار کمی پرتوزایی برای یونیزه کردن هوا استفاده می شود که ایزوتوپ های به کار رفته در آن معمولاً آمریکیم 241 است. عملکرد این دستگاه به گونه ای است که بر اثر تابش، الکترون ها از اتم جدا می شود و در نتیجه یون های دارای بارالکتریکی تشکیل می گردند. این یون ها موجب می شوند تا آشکارساز دود جریان الکتریکی را از طریق نمونه ای از هوا بگذارند. یون ها به جای حمل جریان به هر یک از ذرات دود موجود در هوا برخورد می کنند، اما هنگامی که جریان کاهش می یابد آشکارساز هشدار می دهد.
راکتورهای هسته ای که از تجهیزات تولید برق به شمار می روند، انرژی خود را از هسته اتمشان تأمین می کنند. به این ترتیب که راکتورهای هسته ای با شکافتن آهسته و دائمی ایزوتوپ های پرتوزای ناپایدار، برق را ایجاد می کنند. هدف راکتور از شکافت، ایجاد یک واکنش هسته ای خود کفاست تا از طریق آن نوترون های کافی ایجاد شود. حال، اگر هر اتم اورانیوم که در معرض شکاف قرار دارد به طور متوسط یک نوترون ایجاد کنند که باید به وسیله اتم اورانیوم دیگری جذب و بعداً تقسیم شود، فرآیندی خودکفا روی داده است. همچنین، فرآیندی که کمتر از یک نوترون در هر رویداد شکاف تولید می کند، سرانجام نابود خواهد شد. از این رو تأکید می شود که تعداد نوترونهای لازم، «یک» است، نه بیشتر و نه کمتر. (1)
پزشکی هسته ای (2) شاخه ای از فیزیک پزشکی و پرتونگاری مولکولی، است که از خواص هسته ای مواد، مثل رادیوایزوتوپ ها، برای تشخیص و درمان بیماری ها استفاده می کند. داروسازی هسته ای نیز به این شاخه از علوم پایه پزشکی کمک می کند. این اصطلاح گاه به تزریق مواد پرتوزا در بدن محدود می شود. این ویژگی پزشکی هسته ای در این است که توانایی ارائه دادن اطلاعات تصویری از فرایندها و عملکردهای متابولیکی بدن را دارد، در صورتی که دیگر مدالیته های تصویربرداری پزشکی، همانند قطع نگاری رایانه ای و MRI، عموماً اطلاعات ساختاری و آناتومیکال تولید می کنند.
پرکاربردترین رادیوایزوتوپ در پزشکی هسته ای تکنیتیوم- 99m است. از مدالیته های پر استفاده در پزشکی هسته ای می توان مقطع نگاری با نشر پوزیترون و مقطع نگاری رایانه ای تک فوتونی SPTECT را نام برد. در حالت تلقینی نیز سیستم های پت- سی تی و اسکپت- سی تی بسیار پر مصرفند.
امروزه سرطان یکی از مهمترین دلایلی است که منجر به مرگ بیمار می شود. تقریباً بیشتر بیماران سرطانی شکلی از تابش درمانی را دریافت می کنند. زیرا روش مناسبی برای درمان غده های توپر (توده های با رشد طبیعی)، مانند سرطانهای رایج مغز و ریه می باشد. مقدار تابش لازم به محل قرار گیری توده و سطح پیشرفت بیماری بستگی دارد. البته چنین نیست که همه تابش های به کار رفته در این روشها از منابع پرتوزا آمده باشند. برای مثال، پرتوهای X و گامای ایجاد شده به وسیله شتاب دهنده های ذره معمولاً به صورت خود ذرات مانند الکترون، پروتون و نوترون به کار گرفته می شوند.
فصل دوم با عنون مکانیک کوانتمی، بر نیروها و حرکتهای ذرات کوچک، دوگانگی موج- ذره، میکروسکوپ الکترونی، حدود دانش، رایانه های و دورفرستی کوانتومی تمرکز دارد.
کوانتوم از لحاظ لغوی به معنی «بسته» یا «دانه» است و مکانیک کوانتومی شاخه ای بنیادی از فیزیک نظری است که در مقیاس اتمی و زیر اتمی به جای مکانیک کلاسیک و الکترومغناطیس کلاسیک به کار می رود و بنیادی تر از مکانیک نیوتنی و الکترومغناطیس کلاسیک است، زیرا در مقیاس های اتمی و زیراتمی که این نظریه ها با شکست مواجه می شوند، می تواند با دقت زیادی بسیاری از پدیده ها را توصیف کند. بنابراین، می توان به صراحت بیان کرد که مکانیک کوانتومی و نسبیت عام پایه های فیزیک هستند.
مکانیک کوانتومی که به عنوان نظریه کوانتومی نیز شناخته شده است، شامل نظریه ای دربارهُ ماده، تابش الکترومغناطیسی و برهمکنش میان ماده و تابش است.
در ساختار مکانیک کوانتومی، حالت هر سیستم در هر لحظه، به وسیله یک تابع موج مختلط توصیف می شود (که در مورد الکترون های یک اتم گاهی به آن اُربیتال می گوید). با این ابزار ریاضی می توان احتمال نتایج مختلف در آزمایش ها را پیش بینی کرد. مثلاً با آن می توان احتمال یافتن الکترون را در ناحیه خاصی در اطراف هسته در یک زمان مشخص محاسبه کرد. برخلاف مکانیک کلاسیک، که نمی توان هم زمان کمیت های مزدوج، مانند مکان و تکانه را با هر دقتی تخمین زد. مثلاً می توان گفت که الکترون در ناحیه مشخصی از فضا است، ولی مکان دقیق آن را نمی توان معلوم کرد. البته معنی این حرف این نیست که الکترون در تمام این ناحیه پخش شده است. الکترون در یک ناحیه از فضا یا هست و یا نیست. این ناتوانی در تعیین مکان الکترون را اصل عدم قطعیت هایزنبرگ به طور ریاضی بیان می کند. (3)
پدیده دیگری که منجر به پیدایش مکانیک کوانتومی شد، امواج مغناطیسی مانند نور بودند. ماکس پلانک در سال 1900 هنگام مطالعه بر روی تابش جسم سیاه کشف کرد که انرژی این امواج را می توان به شکل بسته های کوچکی در نظر گرفت. آلبرت اینشتین، از همین فکر بهره برد و نشان داد که امواجی مثل نور را می توان با ذره ای به نام فوتون که انرژی اش به بسامدش بستگی دارد توصیف کرد. این نظریه ها به دیدگاهی به نام دوگانگی موج- ذره بین ذرات زیراتمی و امواج الکترومغناطیسی منجر شد که در آن ذرات نه موج و نه ذره بودند، بلکه ویژگی های هر دو را از خود بروز می دادند.(4)
بر همین اساس، می توان گفت که دوگانگی موج- ذره تابش الکترومغناطیسی نتیجه عجیب و مبهمی از مکانیک کوانتمی است. اما پس از آنکه در 1923 فیزیکدان فرانسوی لوئیس دو بروگلی پی برد که دوگانگی موج- ذره فقط برای نور به کار نمی رود، مکانیک کوانتمی عجیب تر هم شد.
از سویی همگان این مسئله را پذیرفته بودند که مکانیک کوانتومی برخلاف فیزیک کلاسیک، حرکت و رفتار ذرات اتمی را به درستی توصیف می کند؛ اما نقطه اختلاف در این پرسش بود که آیا ماهیت تصادفی مکانیک کوانتومی محدودیتی است که به وسیله فیزیک اعمال می شود و باید در انتظار کشف نظریه بهتری ماند؟
در دهه 1970، فیزیکدان آمریکایی به نام ریچارد فاینمن رایانه ای قوی را مجسم کرد که در آن از حالتهای نامعین در پردازش اطلاعات استفاده می شود. در حقیقت، رایانه کوانتومی ماشینی است که از پدیده ها و قوانین مکانیک کوانتوم مانند برهم نهی (5) و در هم تنیدگی (6) برای انجام محاسباتش استفاده می کند ایده اصلی که در پس رایانه های کوانتومی نهفته این است که می توان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره سازی و انجام عملیات روی داده ها استفاده کرد. یک مدل تئوریک و انتزاعی از این ماشین ها، ماشین تورینگ کوانتومی (7) است که کامپیوتر کوانتومی جهانی (8) نیز نامیده می شود.
متأسفانه تاکنون رایانه های کوانتمی کاملاً عملی به وجود نیامده اند. یکی از بزرگترین مشکلات این است که حالت های نامعین هنگام اندازه گیری به هم می ریزند. طراحان این نوع رایانه ها باید خواندن و نوشتن داده ها و چگونگی تأثیر آنها بر پردازش اطلاعات را در نظر بگیرند. البته محاسبات کوانتمی هنوز در آغاز راه است و تحقیقات و مطالعات در این زمینه همچنان ادامه دارد. اما همگان بر این باورند که اگر رایانه های کوانتومی در مقیاس بزرگ ساخته شوند، قادرند تا مسائل خاصی مانند الگوریتم شُور (9)، را بسیار سریع حل کنند. البته نباید تصور کرد که این رایانه ها می توانند همهُ توابع را محاسبه کنند. زیرا توابعی که توسط رایانه های معمولی قابل محاسبه نیستند، توسط رایانه های کوانتومی نیز همین گونه خواهند بود.
از دیگر موضوعات شایان توجه در فصل دوم کتاب، میکروسکوپ الکترونی است. فیزیکدان مجارستانی لئو زیلارد میکروسکوپ الکترونی را برای نخستین بار اختراع و ثبت کرد. اما پس از روی و در سال 1931، ارنست رسکا و ماکس نول نمونه میکروسکوپ الکترونی را با قدرت 400 برابر بزرگنمایی ساختند. نخستین تلاش عملی برای ساخت میکروسکوپ الکترونی در سال 1938، در دانشگاه تورنتو، به دست الی فرانکلین بورتون و دانشجویان سیسیل، جیمز هیلر، و آلبرت پرباس انجام گرفت و اولین سری تجاری میکروسکوپ انتقال الکترونی در سال 1939 محصول زیمنس بود.
میکروسکوپ الکترونی روبشی یا SME نوعی میکروسکوپ الکترونی است که قابلیت عکس برداری از سطوح با بزرگنمایی 10 تا 100000 برابر با قدرت تفکیکی در حد 3 تا 100 نانومتر (بسته به نوع نمونه) را دارد. تلاشهای آغازین در توسعه میکروسکوپ الکترونی روبشی مربوط به سال 1935 است که نول و همکارانش در آلمان پژوهش هایی در زمینه پدیده های الکترونیک نوری انجام دادند و اَردِن در سال 1938 با اضافه کردن پیچه های جاروب کننده به یک میکروسکوپ الکترونی عبوری توانست میکروسکوپ الکترونی عبوری- روبشی بسازد. میکروسکوپ الکترونی روبشی بر اساس نحوه تولید باریکه الکترونی در آن به دو نوع Field Emission و Thermoionic Emission تقسیم بندی می شود که نوع Fe- SEM دارای بزرگنمایی و حد تفکیک بسیار بالایی بوده و تصاویری با بزرگنمایی 700 هزار برابر را با آن می توان به دست آورد.
در بیشتر سالهای قرن بیستم، دانشمندان از میکروسکوپهای الکترونی برای شناسایی و مطالعه ویروسهای مسبب بیماریهای خاص مانند آنفلونزا و فلج اطفال استفاده کردند و با وجود پیشرفتهای علمی در قرن جدید هنوز هم در مطالعه زیرساخت های سلولها ایفای نقش می کنند. زیرا بیشتر ویروسها قطری تقریباً 0/000004 اینچ (100nm) را دارند و عامل بسیاری از بیماریهای کشنده انسانی محسوب می شوند. امروزه با استفاده از میکروسکوپهای الکترونی زیست شناسان قادر شده اند تا این ویروسها را بهتر و راحت تر مطالعه و شناسایی کند و مراحل درمان بیمار را با سرعت و دقت بیشتری طی کنند. (10)
عنوان فصل سوم، فیزیک ذرات بنیادین است که در هشت عنوان فرعی تدوین یافته است. شتاب دهنده های ذره، سیکوترون، همه مواد از چه ساخته می شوند؟، پادماده، نابودی ماده- پادماده، عکس برداری از بدن با پادماه، پیشرانی فضاپیما با پادماده، مدل معیار ذرات بنیادی و برهمکنش های آنها عناوین این فصول می باشد. بررسی این که ماده از چه چیزی ساخته شده است؟ موضوع اصلی فیزیک ذرات بنیادی است. در این شاخه از فیزیک به بررسی ماده در بنیادی ترین حالت ممکن یعنی کوچکترین اجزا تشکیل دهنده که به ذرات بنیادی معروف هستند پرداخته می شود. آشکارسازهای ذرات قادرند تا ذرات مورد بررسی در این شاخه نمایان سازد. این ذرات را به صورت مستقیم نمی توان آزمایش کرد و برای بررسی آزمایشگاهی بر روی آن ها از اثرات آن ها استفاده می شود. بسیاری از اثرات پیش بینی شده در این نظریات در انرژی های بالا رخ می دهد؛ از این رو به این شاخه فیزیک انرژی های بالا نیز گفته می شود.
فیزیکدانان ذرات را بر مبنای جرم مشخص می کنند. سبک ترین ذرات مانند الکترونها، پوزیترونها و موئنها به رده ای به نام لپتون تعلق دارند و سنگینترین ذرات پروتون ها، باریون ها می باشند. از ویژگی های ذره، بار داشتن آن است. بنجامین فرنکلین دانشمند و سیاستمدار آمریکایی دریافت که بارهای ذره به دو صورت مثبت و منفی وجود دارند. پروتون ها مثبت و الکترون ها منفی هستند. البته ذراتی به نام نوترون هم وجود دارند که هیچ فعالیت الکتریکی ندارند و خنثی می باشند. تعیین نوع بار ذره از طریق مشاهده برهم کنش آن با آهن ربا کار ساده ای است. بسیاری از این ذرات به عنوان ذرات اولیه یا بنیادی یا پایه ای ترین واحدهای ماده یاد می کنند.
هر ذره دارای جرم، اسپین، مقدار بار الکتریکی و خواصی است. پوزیترون پاذره الکترون و پاد پروتون پاذره پروتون است. البته باید خاطر نشان کرد که پاد نوترون ها مانند نوترون ها از نظر الکتریکی خنثی هستند اما از نظر خواص مغناطیسی، مخالف نوترون ها می باشند. پوزیترون ها، پادپروتونها، پانوترون ها و پادذره های دیگر، همگی در رده پادماده قرار می گیرند. (11)
به دلایلی که خیلی واضح نیست، بین ماده و پادماده در عالم اطراف ما عدم تقارن بزرگی وجود دارد. پادماده ها عمر کوتاهی دارند. زیرا با برخورد با ماده های موجود در اطراف ما نابود می شوند و از طریق این نابودی انرژی به اندازه هم ارزی جرم و انرژی آزاد می شود. این آزادی انرژی بیشتر به صورت امواج الکترومغناطیسی و پرتوی گاما صورت می پذیرد. پادماده، موثرترین روش شناخته شده به دست آوردن انرژی است و تا صد در صد جرم به انرژی تبدیل می شود. همچنین، پادماده در عکس برداری از بدن، پزشکی و پژوهش درباره مغز کاربرد مهمی دارد.
فصل چهارم، نسبیت نام دارد در آن به مباحثی مانند فرض های آلبرت اینشتین، اتساع زمان و انقباض طول، معادلات نسبیت خاص، پارادوکس دوقلوها (پارادوکس ساعت)، گرانی و نظریه نسبیت عام و سیاه چاله ها توجه شده است.
اینشتین در فرضیه ای به نام اصل نسبیت بیان کرد که قوانین فیزیک برای همه چارچوب های مبنای متحرک در یک سرعت ثابت یکسانند. نسبیت خاص نظریه ای در باب اصول نسبیت و حرکت در چهارچوب های لخت است که در سال 1905 میلادی توسط آلبرت اینشتین مطرح شد. نسبیت خاص درک فیزیکی ما را از شماری از پدیده های اطراف خود که پیش از آن توسط نسبیت نیوتن و معادلات گالیله بررسی می شدند تغییر داد. تأثیر نسبیت خاص هنگام بررسی اجسام در حال حرکت با سرعت های بسیار زیاد (نزدیک به سرعت نور) قابل ملاحظه است.
شایان ذکر است که آثار نسبیت خاص بسیار غیر عادی است و در فعالیت های روزمره پیش نمی آید و تبدیلات لورنتس که اساس نظریه نسبیت خاص می باشند، در سرعت های بسیار کم نسبت به نور، نتایج یکسانی را با معادلات گالیله (که اساس نسبیت نیوتونی هستند) به دست می دهند.
نظریه نسبیت عام در سال 1915 توسط اینشتین مطرح شد که در حقیقت تعمیمی برنظریه نسبیت خاص است. در نسبیت عام، فضا- زمان توسط هندسه ریمانی و گرانش به عنوان یک عامل هندسی بررسی می شود.
معادله اصلی نسبیت عام عبارت است از:
در نوشتن معادله، بالا فرض شده واحدهای طول و زمان طوری اختیار شده اند که c سرعت نوبرابر با یک باشد.
در این معادله:
فصل پنجم با عنوان کیهان شناسی در چهار بخش مهبانگ، ابرنواخترها، تپ اختر و اختروش، نظریه هم چیز و سرانجام جهان هستی تدوین یافته است.
مطالعه تکوین و تکامل کیهان بر عهده شاخه ای از علم فیزیک با عنوان کیهان شناسی قرار دارد. در این علم سعی بر این است تا با اعمال قوانین فیزیکی بر کیهان که به صورت یک منظومه بسته فیزیکی در نظر گرفته می شود، تحول آن به صورت روابط ریاضی استخراج شود. کیهان شناسی دانش بررسی ساختار کلان و تاریخ کیهان است. این دانش به ویژه به جستارهای مربوط به خاستگاه جهان می پردازد.
برای بررسی کیهان اصولی را به نام کیهان شناسی فرض می کنند:
1. جهان همگن است.
2. جهان همسانگر است.
3. هیچ نقطه ای در جهان برنقاط دیگر ارجح نیست.
درباره این که جهان چگونه و در چه شرایطی آغاز شده، تاکنون نظریات مختلفی ارائه شده است که مهبانگ، بیگ بنگ یا انفجار بزرگ یکی از مشهورترین این نظریات می باشد. Big Bang، یک نظریه مشهور علمی است که بر طبق آن، جهان فعلی ما از ذره بسیار کوچک تر از کوچک ترین ذرات بنیادی به وجود آمده و به دلیل این تکینگی جهان مانند یک بادکنک منفجر شد و از این ذره کلیه بنیادی به وجود آمدند. سپس این ذرات شروع به دور شدن از مرکز کردند و حاصل این امر ایجاد میلیاردها کهکشان و از جمله کهکشان راه شیری است. البته نیروی جاذبه نیز در این انسباط تأثیر دارد.
نواختر از دیگر موضوعات مندرج در فصل پنجم کتاب است. نواختر ستاره ای است که درخشندگی آن افزایش می یابد. اما ابرنواَختر انفجاری ستاره ای است که پر انرژی تر از یک نواَختر می باشد. هنگامی که تمام سوخت هسته ای یک ستاره با جرم بیشتر از حد چاندراسخار 1/44 جرم خورشیدی به پایان برسد، نیروی گرانش برتری یافته و ستاره شروع به انقباض می کند. در این حالت، به دلیل عدم وجود فشار کافی داخلی، ستاره شروع به فروریزش می کند، برای وقوع یک انفجار ابرنواختری سرعت فروریزش باید بسیار زیاد باشد. فشار روی هسته ستاره سبب فشردگی آن می شود و در نتیجه، الکترون ها و پروتون های مجزا ترکیب شده و نوترون ها را به وجود می آورند؛ زیرا در آن فشار شدید تنها نوترون ها می توانند وجود داشته باشند. سرانجام بخش بیرونی ستاره منفجر شده و تبدیل به سحابی ابرنواختری می شود. ابرنواختر سال 1054 به عنوان منشأ سحابی خرچنگ در صورت فلکی گاو توسط ادوین هابل معرفی شده است. مانند دو ابرنواختر سال 1006 و 1181 این ابرنواختر نیز توسط ستاره شناسی از مشرق زمین ثبت شده بود. ستاره شناسانی از چین، شبه جزیره کره، جغرافیای اسلام و اروپا، در ثبت این ابرنواخترها سهم داشته اند. نشانه هایی از ابرنواختر سال 1054 در نقاشی هایی در قاره آمریکا به چشم می خورند.
آخرین نکته مطرح شده در کتاب، درباره نظریه های وحدت بزرگ است. مؤلف بر این باور است که متحد و مربوط کردن قوانین و نظریه های فیزیک با یکدیگر کار بسیار مطلوبی است زیرا از پیچیدگی های فیزیک می کند و این مسئله مدت زیادی جزء اهداف اصلی فیزیکدانان بوده است. برای مثال در قرن هفدهم، نیوتن افتادن سیب و مدار زمین را با ایده قانون عمومی گرانش توضیح داد و در 1860 مسکول الکتریسته و مغناطیس را به صورت یک نظریه واحد الکترومغناطیس در آورد. فیزیکدانان امروزی نیز سعی در وحدت بخشیدن به الکترومغناطیس، نیروی ضعیف و نیروی قوی در یک نظریه واحد به نام نظریه وحدت بزرگ دارند. بر اساس این نظریه، بیشتر نیروها در آغاز جهان هستی با یکدیگر وحدت داشتند، اما پس از چندی در اثر شرایط دمایی از یکدیگر جدا شدند. (12) اما، نظریه های وحدت بزرگ همیشه هم رضایتبخش نیستند؛ زیرا از اثبات این ادعا که در آغاز جهان تنها یک نیروهُ مرکب از الکترومغناطیس، گرانش و نیروهای قوی و ضعیف وجود دارند، عاجزند. همچنین، با وجود پیشرفت های اخیر هنوز هم نظریه همه چیز، با مانع مهمی مواجه است. این که مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت عام با هم سازگار نیستن دو در نسبیت عام جایی برای برخی از مهمترین مبانی مکانیک کوانتومی مانند اصل عدم قطعیت هایزنبرگ وجود ندارد و یا این مورد که مکانیک کوانتومی با احتمالات سر و کار دارد در حالی که نظریه نسبیت چنین نیست.
اما سرانجام جهان هستی واقعاً چه خواهد بود؟ به اعتقاد مؤلف جهان هستی یا به انبساط ادامه خواهد دارد و یا نه و حتی ممکن است روزی فرا برسد که به جای انبساط، انقباض را آغاز کند. البته امروز با مشاهدات به دست آمده از تلسکوپ های قدرتمندی مانند تلسکوپ هوایی هابل و ماهواره هایی که برای آشکارسازی اجرام دور و اندازه گیری تابش زمینه کیهانی به هوا پرتاب شدند می توان دریافت که در حال حاضر جهان هستی نه انبساط ثابت دارد و نه کند، بلکه انبساط آن در حال تسریع است. البته به دلیل دانش محدود انسان و گسترده بودن رازهای جهان، بسیاری از مسائل کیهان شناختی هنوز هم در حالت مرموز و ناشناخته ای به سر می برند و شاید سالها و حتی قرنها بد بشر بتواند به کشف گوشه ای از این اسرار و ابعاد وسیع دست یابد. پس از نتیجه گیری، در انتهای این کتاب واحدهای SI و تبدیل ها، واژه نامه انگلیسی- فارسی، فرهنگ اصطلاحات، مطالبی از دیگر وب سایت ها، جدول تناوبی عناصر، عناصر شیمیایی و نمایه درج گردیده است.
این قوانین که ما مجموعه آنها را فیزیک نیوتن می نامیم، بیش از دویست سال قوانین اصلی و حاکم بر علم فیزیک بود، تا آنکه در قرن بیستم، طی تحقیقات پیشرفته تر و خلاقانه تری که توسط محققان و پژوهشگران به وسیله ابزارهای جدید صورت گرفت، نتایجی به دست آمد که برخی از آنها با قوانین فیزیک نیوتن همخوانی نداشت. به همین دلیل، برخی بر این باورند که تحقیقات پیشرفته تر و نتایج حاصل از آن، موجب شکست فیزیک نیوتن و روی کار آمدن فیزیک جدید (فیزیک مدرن) گردیده است. از میان موضوعات جدیدی که همراه با پیشرفت علم به آنها نیز توجه بیشتر و علمی تری شد، ذرات بسیار ریز درون یک اتم است. فیزیک هسته ای، شاخه ای از علم فیزیک است که خواص و رفتار بخش مرکزی یا هسته اتم را بررسی می کند. فیزیکدانان برای کاوش بیشتر در ماهیت ماده، شتاب دهنده های بسیار بزرگی اختراع کردند که قادر بود تا ذرات را با سرعت نور به پایین در یک مسیر پرتاب کند. در این برخورد میان ذرات پر سرعت انرژی به وجود می آید. فیزیک ذره تلاش می کند تا این ذرات را دسته بندی کند و ضمن بیان ویژگی های آنها، به شرح نیروهایی که در برخورد به یکدیگر وارد می کنند، بپردازد.
اثر حاضر، با تمرکز بر فیزیک هسته ای و مباحث مرتبط با آن، موضوعاتی را معرفی و به خواننده ارائه می کند که هر یک به تنهایی می تواند سر منشأیی برای تحقیقات آتی قرار گیرند. همچنین، این کتاب با حجم مختصر و مطالب مفیدی که در بردارد، اثری ارزشمند و جامع است که پدیده های اطراف را از جنبه خاصی مورد بررسی قرار داده و این نوع رویکرد در نوع نگاه خواننده به جهان پیرامونش خواسته یا ناخواسته تأثیرگذار است.
کتاب ذرات و جهان هستی، شامل پنج فصل اصلی است:
چند سال بعد از این آزمایش، رادرفورد بار مثبت را پروتون نامید که 836 ،1 برابر الکترون بیشتر جرم دارند. در ادامه همین راه بود که در سال 1932 سر جیمز چدویک، نوترون را کشف و جرم را تعیین کرد. بدین ترتیب، کشف شد که پروتون ها و نوترون ها در درون هسته جای می گیرند و با دسته ای از الکترون احاطه می شوند.
پرسش قابل توجه در این بحث این است که اگر قائل باشیم بارهای مخالف پروتون ها و الکترون ها یکدیگر را جذب و در مقابل بارهای یکسان یکدیگر را دفع می کنند، پس، چگونه پروتون ها قادرند که به صورت محکم بسته به یکدیگر در هسته وجود داشته باشند؟ بنابراین باید نتیجه گرفت که نیروی دیگری در این زمینه وجود دارد که بر پروتون ها اثرگذار است و آن نیروی هسته ای قوی یا اغلب نیروی قوی نامیده می شود که در هسته بین پروتون ها و نوترون ها پیوند برقرار می کند. این نیرو قادر است پروتون های آزاد که خود به خود در کنار یکدیگر قرار نمی گیرند را به یکدیگر متصل کند.
هسته هایی که ترکیب نوترون ها و پروتون هایشان پایدار نیست دست خوش واپاشی می شوند. این گونه هسته ها به طور ذاتی ناپایدار بوده و با گذشت زمان تغییر نموده و به هسته های جدیدی تبدیل می شوند. به این فرآیند شکاف هسته ای می گویند که ضمن تبدیل به هسته یا هسته هایی کوچک تر و پایدارتر پرتوهای پر انرژی به اطراف پراکنده می شود. چنین هسته ای را پرتوزا یا رادیواکتیو می گویند. ناپایداری هسته می تواند به دلیل فزونی نوترون ها، پروتون ها و یا هر دو باشد.
پرتوزایی در شرایطی به وقوع می پیوندد که هسته اتم متلاشی می شود این فرایند، معمولاً یک پرتو یون ساز با مقدار بالایی انرژی کار مایه پدید می آورد. گاهی این انرژی را می توان به صورت نیروی هسته ای مهار کرد یا می تواند به وسیله آلودگی پرتوزایی در زیست بوم رها شود که بسیار مخاطره آمیز خواهد بود.
دو عامل است که مقدار پرتوزایی در یک ماده را تعیین می کنند: یکی تعداد اتمهای پرتوزا و دیگری نوع خاص از ایزوتوپ پرتوزا. همچنین، مشخصه مهم آهنگ واپاشی ایزوتوپ پرتوزا این است که ثابت است و بر اساس مکان و شرایط یا هر عامل دیگر تغییر نمی کند. با این وجود، گاهی تنها قادریم تا مقدار اولیه ماده پرتوزا را به صورت حدودی تخمین بزنیم. اما برای ایزوتوپ هایی که در روی زمین یافت می شوند مانند اورانیوم و توریم، نسبتها و آهنگ های واپاشی معلوم آنها قابل اندازه گیری هستند و در نتیجه عمر سنگ هایی که این عناصر در آنها وجود دارند نیز تخمین زده می شود. پرتوزایی به غیر از تعیین عمر اجسام کاربردهای دیگری هم دارد. برای مثال در برخی از "آشکارسازی های دود" که ابزاری برای تشخیص خطر آتش سوزی و وجود دود در هوا هستند، از مقدار بسیار کمی پرتوزایی برای یونیزه کردن هوا استفاده می شود که ایزوتوپ های به کار رفته در آن معمولاً آمریکیم 241 است. عملکرد این دستگاه به گونه ای است که بر اثر تابش، الکترون ها از اتم جدا می شود و در نتیجه یون های دارای بارالکتریکی تشکیل می گردند. این یون ها موجب می شوند تا آشکارساز دود جریان الکتریکی را از طریق نمونه ای از هوا بگذارند. یون ها به جای حمل جریان به هر یک از ذرات دود موجود در هوا برخورد می کنند، اما هنگامی که جریان کاهش می یابد آشکارساز هشدار می دهد.
راکتورهای هسته ای که از تجهیزات تولید برق به شمار می روند، انرژی خود را از هسته اتمشان تأمین می کنند. به این ترتیب که راکتورهای هسته ای با شکافتن آهسته و دائمی ایزوتوپ های پرتوزای ناپایدار، برق را ایجاد می کنند. هدف راکتور از شکافت، ایجاد یک واکنش هسته ای خود کفاست تا از طریق آن نوترون های کافی ایجاد شود. حال، اگر هر اتم اورانیوم که در معرض شکاف قرار دارد به طور متوسط یک نوترون ایجاد کنند که باید به وسیله اتم اورانیوم دیگری جذب و بعداً تقسیم شود، فرآیندی خودکفا روی داده است. همچنین، فرآیندی که کمتر از یک نوترون در هر رویداد شکاف تولید می کند، سرانجام نابود خواهد شد. از این رو تأکید می شود که تعداد نوترونهای لازم، «یک» است، نه بیشتر و نه کمتر. (1)
پزشکی هسته ای (2) شاخه ای از فیزیک پزشکی و پرتونگاری مولکولی، است که از خواص هسته ای مواد، مثل رادیوایزوتوپ ها، برای تشخیص و درمان بیماری ها استفاده می کند. داروسازی هسته ای نیز به این شاخه از علوم پایه پزشکی کمک می کند. این اصطلاح گاه به تزریق مواد پرتوزا در بدن محدود می شود. این ویژگی پزشکی هسته ای در این است که توانایی ارائه دادن اطلاعات تصویری از فرایندها و عملکردهای متابولیکی بدن را دارد، در صورتی که دیگر مدالیته های تصویربرداری پزشکی، همانند قطع نگاری رایانه ای و MRI، عموماً اطلاعات ساختاری و آناتومیکال تولید می کنند.
پرکاربردترین رادیوایزوتوپ در پزشکی هسته ای تکنیتیوم- 99m است. از مدالیته های پر استفاده در پزشکی هسته ای می توان مقطع نگاری با نشر پوزیترون و مقطع نگاری رایانه ای تک فوتونی SPTECT را نام برد. در حالت تلقینی نیز سیستم های پت- سی تی و اسکپت- سی تی بسیار پر مصرفند.
امروزه سرطان یکی از مهمترین دلایلی است که منجر به مرگ بیمار می شود. تقریباً بیشتر بیماران سرطانی شکلی از تابش درمانی را دریافت می کنند. زیرا روش مناسبی برای درمان غده های توپر (توده های با رشد طبیعی)، مانند سرطانهای رایج مغز و ریه می باشد. مقدار تابش لازم به محل قرار گیری توده و سطح پیشرفت بیماری بستگی دارد. البته چنین نیست که همه تابش های به کار رفته در این روشها از منابع پرتوزا آمده باشند. برای مثال، پرتوهای X و گامای ایجاد شده به وسیله شتاب دهنده های ذره معمولاً به صورت خود ذرات مانند الکترون، پروتون و نوترون به کار گرفته می شوند.
فصل دوم با عنون مکانیک کوانتمی، بر نیروها و حرکتهای ذرات کوچک، دوگانگی موج- ذره، میکروسکوپ الکترونی، حدود دانش، رایانه های و دورفرستی کوانتومی تمرکز دارد.
مکانیک کوانتومی که به عنوان نظریه کوانتومی نیز شناخته شده است، شامل نظریه ای دربارهُ ماده، تابش الکترومغناطیسی و برهمکنش میان ماده و تابش است.
در ساختار مکانیک کوانتومی، حالت هر سیستم در هر لحظه، به وسیله یک تابع موج مختلط توصیف می شود (که در مورد الکترون های یک اتم گاهی به آن اُربیتال می گوید). با این ابزار ریاضی می توان احتمال نتایج مختلف در آزمایش ها را پیش بینی کرد. مثلاً با آن می توان احتمال یافتن الکترون را در ناحیه خاصی در اطراف هسته در یک زمان مشخص محاسبه کرد. برخلاف مکانیک کلاسیک، که نمی توان هم زمان کمیت های مزدوج، مانند مکان و تکانه را با هر دقتی تخمین زد. مثلاً می توان گفت که الکترون در ناحیه مشخصی از فضا است، ولی مکان دقیق آن را نمی توان معلوم کرد. البته معنی این حرف این نیست که الکترون در تمام این ناحیه پخش شده است. الکترون در یک ناحیه از فضا یا هست و یا نیست. این ناتوانی در تعیین مکان الکترون را اصل عدم قطعیت هایزنبرگ به طور ریاضی بیان می کند. (3)
پدیده دیگری که منجر به پیدایش مکانیک کوانتومی شد، امواج مغناطیسی مانند نور بودند. ماکس پلانک در سال 1900 هنگام مطالعه بر روی تابش جسم سیاه کشف کرد که انرژی این امواج را می توان به شکل بسته های کوچکی در نظر گرفت. آلبرت اینشتین، از همین فکر بهره برد و نشان داد که امواجی مثل نور را می توان با ذره ای به نام فوتون که انرژی اش به بسامدش بستگی دارد توصیف کرد. این نظریه ها به دیدگاهی به نام دوگانگی موج- ذره بین ذرات زیراتمی و امواج الکترومغناطیسی منجر شد که در آن ذرات نه موج و نه ذره بودند، بلکه ویژگی های هر دو را از خود بروز می دادند.(4)
بر همین اساس، می توان گفت که دوگانگی موج- ذره تابش الکترومغناطیسی نتیجه عجیب و مبهمی از مکانیک کوانتمی است. اما پس از آنکه در 1923 فیزیکدان فرانسوی لوئیس دو بروگلی پی برد که دوگانگی موج- ذره فقط برای نور به کار نمی رود، مکانیک کوانتمی عجیب تر هم شد.
از سویی همگان این مسئله را پذیرفته بودند که مکانیک کوانتومی برخلاف فیزیک کلاسیک، حرکت و رفتار ذرات اتمی را به درستی توصیف می کند؛ اما نقطه اختلاف در این پرسش بود که آیا ماهیت تصادفی مکانیک کوانتومی محدودیتی است که به وسیله فیزیک اعمال می شود و باید در انتظار کشف نظریه بهتری ماند؟
در دهه 1970، فیزیکدان آمریکایی به نام ریچارد فاینمن رایانه ای قوی را مجسم کرد که در آن از حالتهای نامعین در پردازش اطلاعات استفاده می شود. در حقیقت، رایانه کوانتومی ماشینی است که از پدیده ها و قوانین مکانیک کوانتوم مانند برهم نهی (5) و در هم تنیدگی (6) برای انجام محاسباتش استفاده می کند ایده اصلی که در پس رایانه های کوانتومی نهفته این است که می توان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره سازی و انجام عملیات روی داده ها استفاده کرد. یک مدل تئوریک و انتزاعی از این ماشین ها، ماشین تورینگ کوانتومی (7) است که کامپیوتر کوانتومی جهانی (8) نیز نامیده می شود.
از دیگر موضوعات شایان توجه در فصل دوم کتاب، میکروسکوپ الکترونی است. فیزیکدان مجارستانی لئو زیلارد میکروسکوپ الکترونی را برای نخستین بار اختراع و ثبت کرد. اما پس از روی و در سال 1931، ارنست رسکا و ماکس نول نمونه میکروسکوپ الکترونی را با قدرت 400 برابر بزرگنمایی ساختند. نخستین تلاش عملی برای ساخت میکروسکوپ الکترونی در سال 1938، در دانشگاه تورنتو، به دست الی فرانکلین بورتون و دانشجویان سیسیل، جیمز هیلر، و آلبرت پرباس انجام گرفت و اولین سری تجاری میکروسکوپ انتقال الکترونی در سال 1939 محصول زیمنس بود.
میکروسکوپ الکترونی روبشی یا SME نوعی میکروسکوپ الکترونی است که قابلیت عکس برداری از سطوح با بزرگنمایی 10 تا 100000 برابر با قدرت تفکیکی در حد 3 تا 100 نانومتر (بسته به نوع نمونه) را دارد. تلاشهای آغازین در توسعه میکروسکوپ الکترونی روبشی مربوط به سال 1935 است که نول و همکارانش در آلمان پژوهش هایی در زمینه پدیده های الکترونیک نوری انجام دادند و اَردِن در سال 1938 با اضافه کردن پیچه های جاروب کننده به یک میکروسکوپ الکترونی عبوری توانست میکروسکوپ الکترونی عبوری- روبشی بسازد. میکروسکوپ الکترونی روبشی بر اساس نحوه تولید باریکه الکترونی در آن به دو نوع Field Emission و Thermoionic Emission تقسیم بندی می شود که نوع Fe- SEM دارای بزرگنمایی و حد تفکیک بسیار بالایی بوده و تصاویری با بزرگنمایی 700 هزار برابر را با آن می توان به دست آورد.
در بیشتر سالهای قرن بیستم، دانشمندان از میکروسکوپهای الکترونی برای شناسایی و مطالعه ویروسهای مسبب بیماریهای خاص مانند آنفلونزا و فلج اطفال استفاده کردند و با وجود پیشرفتهای علمی در قرن جدید هنوز هم در مطالعه زیرساخت های سلولها ایفای نقش می کنند. زیرا بیشتر ویروسها قطری تقریباً 0/000004 اینچ (100nm) را دارند و عامل بسیاری از بیماریهای کشنده انسانی محسوب می شوند. امروزه با استفاده از میکروسکوپهای الکترونی زیست شناسان قادر شده اند تا این ویروسها را بهتر و راحت تر مطالعه و شناسایی کند و مراحل درمان بیمار را با سرعت و دقت بیشتری طی کنند. (10)
عنوان فصل سوم، فیزیک ذرات بنیادین است که در هشت عنوان فرعی تدوین یافته است. شتاب دهنده های ذره، سیکوترون، همه مواد از چه ساخته می شوند؟، پادماده، نابودی ماده- پادماده، عکس برداری از بدن با پادماه، پیشرانی فضاپیما با پادماده، مدل معیار ذرات بنیادی و برهمکنش های آنها عناوین این فصول می باشد. بررسی این که ماده از چه چیزی ساخته شده است؟ موضوع اصلی فیزیک ذرات بنیادی است. در این شاخه از فیزیک به بررسی ماده در بنیادی ترین حالت ممکن یعنی کوچکترین اجزا تشکیل دهنده که به ذرات بنیادی معروف هستند پرداخته می شود. آشکارسازهای ذرات قادرند تا ذرات مورد بررسی در این شاخه نمایان سازد. این ذرات را به صورت مستقیم نمی توان آزمایش کرد و برای بررسی آزمایشگاهی بر روی آن ها از اثرات آن ها استفاده می شود. بسیاری از اثرات پیش بینی شده در این نظریات در انرژی های بالا رخ می دهد؛ از این رو به این شاخه فیزیک انرژی های بالا نیز گفته می شود.
فیزیکدانان ذرات را بر مبنای جرم مشخص می کنند. سبک ترین ذرات مانند الکترونها، پوزیترونها و موئنها به رده ای به نام لپتون تعلق دارند و سنگینترین ذرات پروتون ها، باریون ها می باشند. از ویژگی های ذره، بار داشتن آن است. بنجامین فرنکلین دانشمند و سیاستمدار آمریکایی دریافت که بارهای ذره به دو صورت مثبت و منفی وجود دارند. پروتون ها مثبت و الکترون ها منفی هستند. البته ذراتی به نام نوترون هم وجود دارند که هیچ فعالیت الکتریکی ندارند و خنثی می باشند. تعیین نوع بار ذره از طریق مشاهده برهم کنش آن با آهن ربا کار ساده ای است. بسیاری از این ذرات به عنوان ذرات اولیه یا بنیادی یا پایه ای ترین واحدهای ماده یاد می کنند.
به دلایلی که خیلی واضح نیست، بین ماده و پادماده در عالم اطراف ما عدم تقارن بزرگی وجود دارد. پادماده ها عمر کوتاهی دارند. زیرا با برخورد با ماده های موجود در اطراف ما نابود می شوند و از طریق این نابودی انرژی به اندازه هم ارزی جرم و انرژی آزاد می شود. این آزادی انرژی بیشتر به صورت امواج الکترومغناطیسی و پرتوی گاما صورت می پذیرد. پادماده، موثرترین روش شناخته شده به دست آوردن انرژی است و تا صد در صد جرم به انرژی تبدیل می شود. همچنین، پادماده در عکس برداری از بدن، پزشکی و پژوهش درباره مغز کاربرد مهمی دارد.
فصل چهارم، نسبیت نام دارد در آن به مباحثی مانند فرض های آلبرت اینشتین، اتساع زمان و انقباض طول، معادلات نسبیت خاص، پارادوکس دوقلوها (پارادوکس ساعت)، گرانی و نظریه نسبیت عام و سیاه چاله ها توجه شده است.
اینشتین در فرضیه ای به نام اصل نسبیت بیان کرد که قوانین فیزیک برای همه چارچوب های مبنای متحرک در یک سرعت ثابت یکسانند. نسبیت خاص نظریه ای در باب اصول نسبیت و حرکت در چهارچوب های لخت است که در سال 1905 میلادی توسط آلبرت اینشتین مطرح شد. نسبیت خاص درک فیزیکی ما را از شماری از پدیده های اطراف خود که پیش از آن توسط نسبیت نیوتن و معادلات گالیله بررسی می شدند تغییر داد. تأثیر نسبیت خاص هنگام بررسی اجسام در حال حرکت با سرعت های بسیار زیاد (نزدیک به سرعت نور) قابل ملاحظه است.
نظریه نسبیت عام در سال 1915 توسط اینشتین مطرح شد که در حقیقت تعمیمی برنظریه نسبیت خاص است. در نسبیت عام، فضا- زمان توسط هندسه ریمانی و گرانش به عنوان یک عامل هندسی بررسی می شود.
معادله اصلی نسبیت عام عبارت است از:
در این معادله:
مطالعه تکوین و تکامل کیهان بر عهده شاخه ای از علم فیزیک با عنوان کیهان شناسی قرار دارد. در این علم سعی بر این است تا با اعمال قوانین فیزیکی بر کیهان که به صورت یک منظومه بسته فیزیکی در نظر گرفته می شود، تحول آن به صورت روابط ریاضی استخراج شود. کیهان شناسی دانش بررسی ساختار کلان و تاریخ کیهان است. این دانش به ویژه به جستارهای مربوط به خاستگاه جهان می پردازد.
1. جهان همگن است.
2. جهان همسانگر است.
3. هیچ نقطه ای در جهان برنقاط دیگر ارجح نیست.
درباره این که جهان چگونه و در چه شرایطی آغاز شده، تاکنون نظریات مختلفی ارائه شده است که مهبانگ، بیگ بنگ یا انفجار بزرگ یکی از مشهورترین این نظریات می باشد. Big Bang، یک نظریه مشهور علمی است که بر طبق آن، جهان فعلی ما از ذره بسیار کوچک تر از کوچک ترین ذرات بنیادی به وجود آمده و به دلیل این تکینگی جهان مانند یک بادکنک منفجر شد و از این ذره کلیه بنیادی به وجود آمدند. سپس این ذرات شروع به دور شدن از مرکز کردند و حاصل این امر ایجاد میلیاردها کهکشان و از جمله کهکشان راه شیری است. البته نیروی جاذبه نیز در این انسباط تأثیر دارد.
نواختر از دیگر موضوعات مندرج در فصل پنجم کتاب است. نواختر ستاره ای است که درخشندگی آن افزایش می یابد. اما ابرنواَختر انفجاری ستاره ای است که پر انرژی تر از یک نواَختر می باشد. هنگامی که تمام سوخت هسته ای یک ستاره با جرم بیشتر از حد چاندراسخار 1/44 جرم خورشیدی به پایان برسد، نیروی گرانش برتری یافته و ستاره شروع به انقباض می کند. در این حالت، به دلیل عدم وجود فشار کافی داخلی، ستاره شروع به فروریزش می کند، برای وقوع یک انفجار ابرنواختری سرعت فروریزش باید بسیار زیاد باشد. فشار روی هسته ستاره سبب فشردگی آن می شود و در نتیجه، الکترون ها و پروتون های مجزا ترکیب شده و نوترون ها را به وجود می آورند؛ زیرا در آن فشار شدید تنها نوترون ها می توانند وجود داشته باشند. سرانجام بخش بیرونی ستاره منفجر شده و تبدیل به سحابی ابرنواختری می شود. ابرنواختر سال 1054 به عنوان منشأ سحابی خرچنگ در صورت فلکی گاو توسط ادوین هابل معرفی شده است. مانند دو ابرنواختر سال 1006 و 1181 این ابرنواختر نیز توسط ستاره شناسی از مشرق زمین ثبت شده بود. ستاره شناسانی از چین، شبه جزیره کره، جغرافیای اسلام و اروپا، در ثبت این ابرنواخترها سهم داشته اند. نشانه هایی از ابرنواختر سال 1054 در نقاشی هایی در قاره آمریکا به چشم می خورند.
اما سرانجام جهان هستی واقعاً چه خواهد بود؟ به اعتقاد مؤلف جهان هستی یا به انبساط ادامه خواهد دارد و یا نه و حتی ممکن است روزی فرا برسد که به جای انبساط، انقباض را آغاز کند. البته امروز با مشاهدات به دست آمده از تلسکوپ های قدرتمندی مانند تلسکوپ هوایی هابل و ماهواره هایی که برای آشکارسازی اجرام دور و اندازه گیری تابش زمینه کیهانی به هوا پرتاب شدند می توان دریافت که در حال حاضر جهان هستی نه انبساط ثابت دارد و نه کند، بلکه انبساط آن در حال تسریع است. البته به دلیل دانش محدود انسان و گسترده بودن رازهای جهان، بسیاری از مسائل کیهان شناختی هنوز هم در حالت مرموز و ناشناخته ای به سر می برند و شاید سالها و حتی قرنها بد بشر بتواند به کشف گوشه ای از این اسرار و ابعاد وسیع دست یابد. پس از نتیجه گیری، در انتهای این کتاب واحدهای SI و تبدیل ها، واژه نامه انگلیسی- فارسی، فرهنگ اصطلاحات، مطالبی از دیگر وب سایت ها، جدول تناوبی عناصر، عناصر شیمیایی و نمایه درج گردیده است.
پی نوشت ها :
1. ذرات و جهان هستی، صص 34- 35.
2. Nuclear Medicine.
3. http:// fa.wikipedia. org/ مکانیک کوانتم
4. ذرات و جهان هستی، ص 63.
5. Superposition.
6. Entanglement.
7. Quantum Turing Machine.
8. Universal Quantum Computer.
9. Shor, s Algorithm.
10. ذرات و جهان هستی، ص 69.
11. همان، ص 100.
12. همان، ص 160.
