نویسنده: کالین ا. رُنان
مترجم: حسن افشار
مترجم: حسن افشار
فیزیک قرن نوزدهم:حرارت و نور
حرارت
در اوان چرخش قرن که کنت رامفرد برای توضیح حرارتی که در موقع ساخت لوله توپ تولید می شد جانب نظریه ارتعاشی را گرفت؛ آزمایش هایی نیز انجام داد تا نتیجه ای کمی را پشتوانه دیدگاه خود سازد. او از استوانه ای فلزی و مته بزرگی که عمداً نوکش را کند کرده بود استفاده کرد و استوانه را به جای مته به وسیله دو اسب با سرعت 34 دور در دقیقه به گردش درآورد. در بعضی دفعات، استوانه را در پارچه ای پشمی بست تا حرارتش را حفظ کند. در دفعاتی دیگر، استوانه را در بشکه ای پر از آب و یخ فرو برد و دید که حرارتش آن قدر هست که می تواند قالب های یخ شناور در آن را ذوب کند یا آب را به جوش آورد. در هر صورت، تولید حرارت پایان ناپذیر به نظر می رسید، و برای او شکی باقی نماند که حرارت نمی تواند سیاری سنجش ناپذیر باشد.پس از پژوهش های رامفرد، نوبت یک فرانسوی به نام سادی کارنو رسید که موضوع را فراتر برد. کارنو که پسر بزرگ یکی از شخصیت های برجسته جمهوری اول فرانسه بود، ماشین هایی را که حرارت را به نیروی مکانیکی تبدیل می کنند مورد تحلیل موشکافانه قرار داد و توجه خود را به ویژه معطوف اتلاف انرژی و گرمای ماشین بخار کرد. مطالعه دقیقی بود که به کارنو اجازه داد نشان دهد که هر موتوری را، از هر نوع که باشد، می توان به سه جزء متشکله تقسیم کرد: هر موتور دارای یک منبع حرارت است(این منبع در ماشین بخار همان کوره است)؛ دیگر، دارای ماده ای برای انتقال حرارت موسوم به ماده کار است(آب و بخار در ماشین بخار)، و سرانجام دارای یک گیرنده حرارت(این در ماشین بخار محفظه تراکم است). در گذار از منبع تا گیرنده، حرارت از دمای بالا به دمای پایین می رود و کار انجام می گیرد. با نتیجه گیری از این تحلیل، کارنو مدعی شد که در یک موتور کامل که نه گرمایی به محیط داده می شود و نه اصطکاکی وجود دارد، هیچ «کالریک»یا گرمایی از دست نمی رود(او هنوز از نظریه سیال سنجش ناپذیر استفاده می کرد). کار مکانیکی که موتور انجام می دهد حاصل افت دماست نه مصرف کالریک. مخلص کلام، نظر کارنو این بود که حرارت نه تولید می شود و نه از بین می رود؛ فقط از یک جسم به جسم دیگر می رود(در موتور از منبع به گیرنده می رود). پس در موتور ایده آل باید امکان پذیر باشد ـ دست کم در نظر ـ که کالریک از گیرنده به منبع برگردد و همه چیز به همان صورت درآید که در آغاز کار بود. به گفته دیگر، چرخه حرارت نظراً برگشت پذیر است؛ گرچه یقیناً در عمل چنین نیست. کارنو این نتایج را در سال 1824 انتشار داد و پژوهش های خود را دنبال می کرد، ولی بدبختانه در اثر شیوع وبا در سال 1832 در سن کم سی و شش سالگی رخت از جهان بربست. کار او ناتمام بود؛ و باز از بدبختی، نوشته های او پس از مرگش تا حدود نیم قرن پیدا نشد و انتشار نیافت. کارنو سرانجام، به این نتیجه رسیده بود که «حرارت چیزی نیست مگر قوه محرکه؛ یا بهتر، حرکتی که تغییر شکل داده است». او داشت کم کم بنیادهای نظریه حرکتی (ارتعاشی) حرارت را به وجود می آورد. او همچنین عنوان کرد که کل قوه محرکه در عالم ثابت است. در واقع یادداشت های او حاوی عمده کار زیربنایی آن چیزی است که بعدها قانون اولیه «ترمودینامیک» نام گرفت و ما به زودی از آن سخن خواهیم گفت.
صحنه بعد، در داستان پیدایش نظریه نوین حرارت، صحنه پژوهش های سه مرد به نام های جیمز جول(1)، لرد کلوین و رودولف کلازیوس است.
جول(1818-1889) زندگی کاری خود را در آبجوسازی پدرش در سالفرد در نزدیکی منچستر آغاز کرد. بعدها نزد دالتن درس خواند و سپس به آزمایش در مورد ساختمان گازها پرداخت. او کاری را که گاز در هنگام انبساط انجام می دهد و حرارتی را که در هنگام تراکم آن تولید می شود مطالعه کرد. (این هر دو مثالی از رابطه میان کار مکانیکی و حرارت بود)او در سال 1847 آزمایشی را شرح داد که اکنون بسیار شهرت دارد. یک چرخ پارویی در آب قرار دارد؛ کاری که برای گرداندن چرخ انجام می گیرد و تغییر دمایی که در آب رخ می دهد اندازه گیری می شود. با این آزمایش می شد دقیقاً تعیین کرد که چه اندازه کار برای تولید مقدار معینی حرارت لازم است؛ یا به تعبیر امروزی، معادل مکانیکی حرارت چقدر است.
نتایج کار جول مورد توجه ویلیام تامسن قرار گرفت که بعدها به لرد کلوین معروف شد. او در سال 1824 در بلفاست ایرلند شمالی به دنیا آمد. پنج ساله بود که تصاحب کرسی استادی ریاضیات دانشگاه گلاسگو به پدرش پیشنهاد شد و خانواده به گلاسگو عزیمت کرد. کلوین خود در گلاسگو و کیمبریج آموزش فیزیک و ریاضیات دید و در سال 1846 در بیست و دو سالگی، بدون آن که از نفوذ پدرش استفاده کند، به کرسی استادی فیزیک در گلاسگو دست یافت. نیم قرن بعد را کلوین در همان جا ماند. او که ریاضیدان و فیزیکدان تیزهوشی بود، شم کاری و مالی تیزی هم داشت.
کلوین در کشیدن نخستین سیم تلگراف دو سوی اقیانوس اطلس در سال 1866 شرکت داشت و علاوه بر آن اصلاحات با ارزشی در طرح و دقت قطب نمای مغناطیسی انجام داد. برای این کار، او نخست مفتخر به دریافت لقب سلحشوری شد و سپس به مقام لردی دست یافت و نام کلوین را از رودخانه ای گرفت که دانشگاه گلاسگو در کنارش قرار دارد.
کلوین کوشید کار جول را با قوانین ریاضی مناسب توضیح دهد، ولی بی درنگ دریافت که برای فرموله کردن قوانین احتیاج به مقیاس مطلقی برای دما دارد نه یک مقیاس اختیاری که فقط مبتنی بر نقطه انجماد و ذوب آب یا مایع دیگری باشد. کلوین به کار منتشر شده کارنو در مورد چرخه حرارت روی آورد و دریافت که کار مکانیکی، که یک موتور کامل بی اصطکاک انجام می دهد؛ فقط به مقدار حرارت یا کالریک (در این مرحله کلوین هنوز حرارت را سیالی سنجش ناپذیر می دانست) و دمای منبع حرارت و گیرنده بستگی دارد. بنابراین او کوشید مقیاسی برای دما بیابد که در آن واحد حرارت و مقدار کار مکانیکی، همیشه در هر جای مقیاس که اختلاف دما پیش می آید، یکی باشد. به عبارت دیگر، دماهای واقعی هر چقدر که باشد، این دو عامل برابر بماند. چنین مقیاسی مستقل از ماده کار ـ آب، الکل، جیوه یا هر چیز دیگر ـ یا مستقل از جسمی که در آن تبادل گرما رخ می داد در می آمد. برای نیل به این هدف، کلوین می بایست همه ابهامات را در مورد رابطه دقیق میان حرارتی که در آزمایش جول تولید می شد و کالریکی که کارنو از آن سخن گفته بود برطرف می کرد.
در این مرحله است که رودولف کلازیوس، فیزیکدان آلمانی، پا به صحنه می گذارد. کلازیوس در سال 1822 در کسلین پروس به دنیا آمد. پدرش یک معلم روحانی بود. کلازیوس در دانشگاه برلین تحصیل کرد و در سال 1850 با نوشتن مقاله ای پیرامون نظریه حرارت شهرتی به هم رساند. او پس از احیای کار منتشر شده کارنو با ماشین بخار، پی برد که کارنو از این لحاظ در اشتباه بوده است که فکر می کرده کار موتور تنها با افت دمای کالریک آن انجام می گیرد. کلازیوس قبول داشت که کالریک را نمی توان از بین برد، اما می گفت آن را می توان به چیز دیگری تبدیل کرد. مثالی که می زد این بود که کالریک در موتور به کار مکانیکی بدل می گردد. همین او را به سوی فرموله کردن دو قانون برای بیان رابطه جریان حرارت با کار مکانیکی سوق داد ـ دو قانون اول ترمودینامیک. اولی مشعر بر این بود که در هر سیستم بسته(مثلاً ماشین بخار) مقدار کل انرژی ثابت است. قانون دوم عبارت از این بود که گرما به خودی خود نمی تواند از جسم سرد به جسم گرم برود؛ برای این کار، یک علت خارجی باید وارد عمل گردد. این قانون دوم اغلب به این صورت عنوان می شد که انتروپی همواره افزایش می یابد، و انتروپی(از تروپه یونانی به معنی تغییر شکل) میزان انرژی دسترس ناپذیر است.
کار کلازیوس نشان داد که «کالریک» کارنو همان «حرارت» جول است. اینک کلوین سرنخی را که لازم داشت به دست آورده بود. مقدار گرمای اخذ شده از منبع و مقدار گرمای جذب شده توسط گیرنده یا «چاهک گرما»بستگی دارد به اختلاف دمای میان منبع و چاهک، صرف نظر از این که دمای آن ها در کجای مقیاس دما قرار دارد. آنچه توسط چاهک گرما جذب نمی گردد، به کار مکانیکی تبدیل می شود. به علاوه اگر دمای چاهک «صفردرجه» باشد و همین طور بماند، هیچ گرمایی از منبع نمی گیرد؛ بنابراین کل انرژی می ماند برای آن که به کار مکانیکی تبدیل شود. آنتروپی هم صفر است زیرا انرژی می ماند برای آن که به کار مکانیکی تبدیل شود. آنتروپی هم صفر است زیرا انرژی دسترس ناپذیری وجود نخواهد داشت. کلوین برای راحتی کار، در مقیاس «مطلق» خود، نقطه انجماد آب را صفر درجه و نقطه جوش آب را 100 درجه گرفت. در نتیجه«صفر مطلق» او برابر 273/1 ـ درجه سانتیگراد، معادل 459/7 ـ درجه فار نهایت، در آمد.
این صفر مطلق مقیاس کلوین به خاطر ساختمان اتم ها در عمل قابل حصول نیست، اما خود کلوین این را نمی دانست؛ ولی نکته این نیست. آنچه اهمیت دارد این است که کار کلازیوس و کلوین روشن ساخت که گرما سیال بی وزن مرموزی نیست بلکه شکلی از انرژی است. کار مکانیکی نیز به همین سان. همچنین جای شک باقی نماند که هیچ شکلی از انرژی را نمی توان نابود کرد؛ فقط می توان به شکل دیگری تبدیل کرد. این منجر به مطرح شدن اصلی معروف به اصل بقای انرژی شد. این اصل را پیش از آن نیز در سال 1847 فیزیکدانی آلمانی به نام هرمان فون هلم هولتس بیان کرده بود، ولی کلازیوس و کلوین به آن معنی عمیق تری بخشیدند.
برق
اگر حرارت در آغاز قرن نوزدهم سیالی سنجش ناپذیر تصور می شد، تنها موجود فیزیکی نبود که چنین درکی در موردش وجود داشت. همین تصور در مورد برق نیز وجود داشت. در سال 1800 سوال عمده هنوز این بود که آیا برق فقط یک سیال است یا دو سیال. ولی در این مورد نیز، با پژوهش گسترده تر و عمیق تر، تصویر عوض شد. کار دیوی و دیگران بر روی فعل و انفعالات شیمیایی داخل باتری ها سرنخ هایی به دست داد. قرائن بیشتر را مطالعات مربوط به چگونگی عبور برق از سیم فراهم آورد. هنری کاوندیش آزمایش هایی در مورد هدایت برق انجام داده ولی نتایج کار خود را انتشار نداده بود؛ اما دیوی تحقیقات خود را به آگاهی دیگران رسانید و نشان داد که اگر از سیم فلزی استفاده شود(نه از نخ پنبه ای یا ابریشمی که در آزمایش های الکتریسیته ساکن قرن گذشته به کار می رفت) خصوصیات هدایتی بستگی پیدا می کند به قطر سیم و نوع فلزی که جنس سیم را تشکیل می دهد. این در سال 1821 بود؛ ولی تا چهار سال بعد، رابطه دقیقی میان نیرو و مقدار برق جاری در هدایت پیدا نشد. در این زمان یک معلم آلمانی به نام گیورک اُهم با استفاده از سیم هایی با ضخامت یکسان ولی طول متفاوت آزمایش هایی انجام داد و با ترازوی پیچشی کولن اندازه گیری هایی کرد. او دریافت که مقاومت سیم مستقل از مقدار برق جاری در آن (یعنی جریان) است؛ ولی به این بسنده نکرد و به پژوهش ادامه داد؛ و در سال های 1826 و 1827 نظریه ای برای توضیح یافته های خود ارائه کرد. اهم به این نتیجه رسید که برق در سیم از یک ذره به ذره دیگر انتقال می یابد(حرکت کالریک، سیال حرارت نیز این چنین گمان می شد)و حساب کرد که این حرکت باید ناشی از یک تنش یا پتانسیل الکتریکی باشد، همچنان که اختلاف پتانسیل الکتریکی (2)نام گرفت و واحد ولت را از نام ولتا برای ما به جا گذاشت. نام اُهم روی واحد مقاومت نهاده شد.در همان ایام که اهم سرگرم کار بود، دو فیزیکدان دیگر نیز مشغول انجام پژوهش های مهمی در همین زمینه بودند. یکی از آنان فیزیکدانی دانمارکی و یک «استاد خارق العاده» در دانشگاه کپنهاگ بود به نام هانس کریستیان اُرستید؛ و دیگری فیزیکدان، ریاضیدان و شیمیدانی فرانسوی به نام آندره ماری آمپر. ارستید به دلایل فلسفی معتقد بود که باید رابطه ای بین برق و مغناطیس وجود داشته باشد؛ و توانست به طور تجربی ثابت کند که در هنگام عبور جریان برق، از سیم، یک میدان مغناطیسی در ارتباط با آن پدید می آید. این در سال 1820 بود. بعد از آن، بین سال های 1821 و 1825، آمپر کل رابطه میان جریان برق و اثرش بر آهنربا و نیز اثر عکس آن یعنی تأثیر آهنربا بر جریان برق را پیگیری کرد. این پژوهش او را به این نتیجه رساند که آهنربا از «مولکول» های مغناطیسی تشکیل شده که در هر یک از آن ها جریانی الی الابد در گردش است. این نظر، که یافته های تجربی بسیاری را به یکدیگر گره زد، اهمیت فوق العاده ای داشت.
اینک صحنه برای رشته تحولات تازه در الکترومغناطیس آماده بود؛ و خوشبختانه درست در همین زمان«مؤسسه سلطنتی» فیزیکدانی با شم تجربی قوی داشت که توانست کل موضوع را فراتر برد. این مرد، دستیار هامفری دیوی، مایکل فارادی بود که ما در بحث الکتروشیمی دیدار کوتاهی با وی داشتیم. فارادی در سال 1791 در نیوینگتن(3)(که اکنون جز لندن است) به دنیا آمد. او فقط تحصیلات مقدماتی را گذراند و در سیزده سالگی، برای کمک به خرج خانواده، نزد کتاب فروشی به نام آقای ریباو(4) به کار روزنامه فروشی و امربری پرداخت. از سال بعد نزد ریباو شروع به یادگیری صحافی کرد؛ و در عرض هفت سال، مهارتی یافت که بعدها وقتی دانشمندی تجربی شد فراوان به کارش آمد. در همین کتاب فروشی بود که فارادی به کتاب های علمی دسترسی پیدا کرد. کتاب ها او را شیفته خود ساختند، و از قضای روزگار، این دلبستگی به علم مورد توجه یکی از مشتریان ریباو قرار گرفت که کارت هایی برای شرکت در چند جلسه سخنرانی دیوی در «مؤسسه سلطنتی» در اختیارش گذاشت. فارادی از این جلسات فراوان بهره برد. یادداشت های بسیار برداشت و بعد آن ها را با نهایت دقت پاکنویس کرد. در اکتبر همان سال، دیوی در اثر یک انفجار در آزمایشگاه موقتاً بینایی خود را از دست داد؛ و فارادی به عنوان منشی به او توصیه شد. هنگامی که دیوی بینایی خود را به دست آورد. فارادی یادداشت ها را برای او فرستاد. در نتیجه در فوریه سال بعد، وقتی دیوی یکی از دستیاران آزمایشگاهی خود را به خاطر شرکت در یک مشاجره اخراج کرد، جای او را به فارادی پیشنهاد کرد. فارادی و دیوی با هم خوب کنار آمدند و وقتی دیوی در اواخر تابستان به اتفاق همسرش به مسافرت دور اروپا رفت فارادی را هم با خود برد. دو سال بعد فارادی عهده دار نظارت بر استفاده از دستگاه ها شد. در سال 1825 به مدیریت آزمایشگاه رسید و در سال 1833 استاد شیمی شد.
در مقام مدیریت آزمایشگاه بود که فارادی نخستین بار تمام توجه خود را بر مسئله الکترومغناطیس متمرکز ساخت و شروع به اخذ نتایجی کرد که بر صنعت و علم اثرات دامنه داری داشت. او در آغاز استدلال کرد که اگر، چنانچه آمپر نشان داده بود، عبور جریان برق از سیم دارای اثرات مغناطیسی باشد، عکس آن نیز باید صدق کند؛ یعنی اثر مغناطیسی باید جریان برق تولید کند. برای آزمودن این به طور تجربی، او یک حلقه آهنی برداشت و دور آن دو سیم پیچ مجزا ایجاد کرد. یک سیم پیچ به باتری وصل می شد و دیگری به یک «گالوانومتر»(ابزاری حساس برای نشان دادن جریان های الکتریکی ضعیف). فارادی دید که وقتی جریان باتری را قطع و وصل می کند، برق در سیم دیگر موقتاً جریان می یابد. طبعاً این ناشی از اثرات مغناطیسی جریان اول بود. آزمایش دیگری، با استفاده از سیم پیچی به دور یک میله آهنی و دو آهنربای میله ای، به وضوح نشان داد که آهنرباها به تنهایی می توانند القا کننده جریان باشند. (این را فارادی «تبدیل مستقیم مغناطیس به برق »خواند. ) کار نظری تخیل او درست از آب درآمده بود. آزمایش های دیگری به دنبال آمد و او دریافت که سیم پیچ، در لحظه ای که جریان قطع می شود یا وصل می گردد، در خود تولید جریان برق می کند. این پدیده «خودالقایی»نام گرفت.
این آزمایش ها، در عمل، انواع نتایج را به دنبال آورد: پیدایش موتورهای برقی و مولد برق و در پی آن، قطارهای برقی، ترامواها، سیستم برق رسانی عمومی، تلگراف برقی و نیز تلفن که توسط الگزندر گرهم بل اختراع شد. این آزمایش ها همچنین مسئله ای نظری را مطرح کردند که تازه نبود اما در پرتو آن ها جدیت بیشتری یافته بود. این مسئله عبارت از این بود که برق و مغناطیس چگونه از ورای فضای خالی بر یکدیگر اثر می گذارند. این در واقع مسئله عمل از راه دور بود. فارادی خود از مفهوم سودمند و پربازده «میدان» استفاده کرد. او فرض کرد که نیروی مغناطیسی در امتداد خطوطی عمل می کند که هر چه به هم نزدیک تر باشند، میدان مغناطیسی قوی تر است. به علاوه نتیجه گرفت که این خطوط همواره میل به کوتاه شدن، در صورت امکان، و راندن یکدیگر دارند. این توضیحات، نتایج آزمایش های او را توجیه می کردند.
در سال 1837 فارادی مفهوم متشابه خطوط نیروی الکتریکی را مطرح ساخت و سال بعد به جایی رسید که نظریه ای برای الکتریسیته ارائه کرد: ذرات ماده مرکب از نیروهایی است که در طرح های پیچیده ای قرار گرفته اند؛ خواص ذرات را همین طرح ها تعیین می کنند؛ اما طرح ها وقتی تحت فشار نیرویی مانند نیروی برق قرار می گیرند در هم می ریزند. فارادی سپس از این نظریه برای توضیح پدیده رعد و برق، الکتریسیته ساکن و الکتروشیمی استفاده کرد. اما این نظریه ای نبود که به مذاق اهل علم خوش آید. خود فارادی آن را با تردید بسیار مطرح کرد. ولی وقتی با کار تجربی عالی او همراه شد، به همه اجزای پراکنده ای که پیش تر با مطالعه برق به دست آمده بود انسجامی عالی بخشید. جریانات ولتایی، برق حاصل در دستگاه های اصطکاکی، برق آسمان، برق القایی، اثرات الکترومغناطیسی، الکتریسیته حیوانی(از قماش موجود در بدن ماهی برقدار) و حتی الکتریسیته حرارتی (برق ناشی از حرارت دیدن دو فلز متصل ولی ناهمجنس) نشان داده شد که همه از یک نوع الکتریسیته است. همچنان که خود فارادی عنوان کرد:«برق، هر چه باشد، ماهیتش یکسان است».
بحث الکتریسیته و مفهوم خطوط نیرو، فارادی گفته بود که شاید فضا با این خطوط پر می شود و شاید نور و گرمای تابشی ارتعاشاتی هستند که با این خطوط انتقال می یابند. ولی این نظر اگر می خواست بیش از یک فکر جالب باشد، باید با تحلیل ریاضی عمیق، دقت می یافت. مردی که آستین بالا زد، یک اسکاتلندی به نام جیمز کلارک مکسول (1831 ـ 1879)بود. او در سن بیست و چهار سالگی استاد فلسفه طبیعی کالج مارشال در ابردین شد و سپس در کالج کینگ لندن به مقام استادی دست یافت. در سال 1865 در سن کم سی و چهار سالگی از کار دانشگاهی معمول کناره گرفت و در ملک شخصیش در جنوب غربی اسکاتلند به کار پرداخت. اثر معروف خود رساله برق و مغناطیس را نیز در همین جا به نگارش درآورد. این متن مهم در سال 1873 منتشر شد که مکسول دوباره به دانشگاه بازگشته و در سال 1871 نخستین استاد فیزیک تجربی دانشگاه کیمبریج شده بود. آزمایشگاه معروف کاوندیش را او در این دانشگاه به راه انداخت و توسعه داد.
مکسول در زندگی کوتاهش دستاوردهای زیادی داشت. در ریاضیات از جمله ثابت کرد که حلقه های دور سیاره زحل نمی تواند یکپارچه باشد بلکه باید از بی نهایت ذره کوچک تشکیل شده باشد. در نورشناسی، او عدسی«چشم ماهی»(5) را اختراع کرد و در زمینه دید رنگی تحقیقاتی انجام داد. او همچنین به شناخت نظری گازهای نادر کمک کرد. اما بیشترین اهمیت را کار وی در زمینه برق و مغناطیس داشت.
علاقه مکسول به این موضوع، هم ناشی از ملاقات ها و مکاتبات او با فارادی بود و هم به خاطر کاری که کلوین در سال 1842 در دوره تحصیلات زیر لیسانس خود در دانشگاه کیمبریج انجام داده بود. کلوین بار الکتریکی تولید شده در جسمی به وسیله موتور برق را با نحوه پخش حرارت در یک جسم گرم بی حدود و ثغور(چون حد و مرز داشتن جسم، کار را بسیار پیچیده می کرد)مقایسه کرده بود. علت این مقایسه توسط کلوین این بود که یک روش ریاضی، مناسب آن، موجود بود. شگفتا که جواب های ریاضی این مسئله الکتریکی همه یکی در آمد. مکسول گفت که کار کلوین «فکر عمل الکتریکی انجام گرفته توسط رسانه ای پیوسته را وارد علم ریاضی کرد». و این فکر را قبلاً فارادی مطرح ساخته بود، اما پیش تر هرگز روی جزییات ریاضی آن کار نشده بود. کلوین دوباره در سال 1846 در این باره مطلبی نوشت و کار را کمی جلوتر برد. او از این نظر رایج در آن زمان استفاده کرد که فضا سراسر انباشته از اثیری است که، گرچه قابل توزین یا اندازه گیری نیست، اما به عنوان حامل اثرات الکتریکی و مغناطیسی است با فشارهایی که در جسم جامد تحت فشار یافت می شود مقایسه کرد. این تمرین خوبی در مطالعه این نکته بود که اثیر چگونه می تواند اثرات مختلف را از نقطه ای به نقطه دیگر انتقال دهد. این نکته را مکسول با خلاقیتی فوق العاده و نهایت مهارت ریاضی مورد بررسی قرار داد.
مکسول بررسی را در سال 1855 آغاز کرد. در ابتدا کوشید توضیح ریاضی درستی برای خطوط نیروی پیرامون آهنربا یعنی همان میدان مغناطیسی فاردی بیابد. یک سال بعد، آمادگی آن را داشت که مقاله ای انتشار دهد و در آن بکوشد همه یافته های تجربی فارادی در زمینه الکترومغناطیس را با استفاده از روش هایی مشابه روش های موفق کلوین به یکدیگر ارتباط دهد. ولی این تازه قدم اول بود؛ باید کار بیشتری انجام می شد. مکسول تا پنج سال بعد به هدف دست نیافت؛ ولی در سال 1861، او توانست جریان های الکتریکی، بارهای الکتریکی و نیروی مغناطیسی را در یک طرح جامع بگنجاند. او وجود اثیر را نیز مسلم فرض کرد تا بتواند توضیح دهد که چرا جریان های الکتریکی و میدان های مغناطیسی مربوط به آن ها همیشه در عمل متقابل با یکدیگر قرار دارند. طرح او، که با همه جزییات ریاضیش در سال 1864 انتشار یافت، گام بلندی در جهت شناخت برق و اثرات الکتریکی مغناطیسی بود. اما بیش از این، نتایج ریاضیش پیامدهای شگفت انگیزی داشت. معادلاتی که مکسول برای تبیین رفتار جریان الکتریکی و میدان مغناطیسی مربوطه اش پیدا کرده بود، از هر لحاظ شبیه معادلاتی بود که پیش تر برای تبیین رفتار امواج نور به دست آمده بود(نظریه موجی نور تا این زمان دیگر مقبول افتاده بود). پس مکسول نشان داد که نور باید نوعی موج الکترومغناطیسی باشد؛ و بالعکس، امواج الکترومغناطیسی نیز باید دارای بازتاب، شکست و همه اثرات دیگر امواج نور باشد. به علاوه، کار او نشان داد که امواجی کوتاه تر و بلندتر از امواج نور نیز باید وجود داشته باشد. از قضا در سال 1888، نه سال پس از مرگ مکسول، امواج الکترومغناطیسی بلند نیز کشف شد. این امواج که به وسیله هاینریش هرتس، استاد فیزیک در کارلسروهه، تولید شد قابل رؤیت نبود اما با طرق الکتریکی قابل تشخیص بود، همچنین قابل انتقال و انعکاس بود. هرتس امواج رادیویی را کشف کرده بود؛ اما به زودی معلوم شد که این فقط یکی از پیامدهای کار مکسول بوده است.
نور
نظریه نیوتن در مورد نور، که آن را سیلی از ذرات می نمود، تا آغاز قرن نوزدهم میداندار بود. در این زمان توماس یانگ موجد برخورد تازه ای شد. یانگ که در سا ل1773 در میلورتن(6)واقع در سامرست متولد شده بود فرزند بانکدار و حریر فروشی کوئیکر بود. او از سنین کم به علم دلبستگی داشت. استعداد فراگیری زبان نیز داشت، که بعدها او را نخستین فردی ساخت که توانست خط هیروگلیف مصری را بخواند و ترجمه کند. در دهه 1790 یانگ در ادینبور و، لندن و گوتینگن پزشکی خواند. پس از دریافت دکترای خود در طب عمومی، برای ادامه تحصیل به کیمبریج رفت. در سال 1800 از داییش خانه ای خوب و ثروتی کوچک به ارث برد و در لندن مقیم شد.سپس یانگ به طبابت روی آورد، ولی توفیق چندانی نیافت. از قضا کنت رامفرد در جستجوی استادی برای درس فلسفه طبیعی در «مؤسسه سلطنتی» بود؛ و یانگ با علایق گسترده ای نامزد مطلوبی به نظر می رسید؛ چه به لحاظ اجتماعی و چه از لحاظ علمی. این کرسی را او در سال 1801 تصاحب کرد؛ ولی روش تدریسش، برخلاف روش واضح و قابل فهم همکارش هامفری دیوی، برای نوع دانشجویان «مؤسسه سلطنتی»، بیش از حد مبهم و فنی بود. از این رو در سال 1803 او ناچار به استعفا شد. از این پس یانگ اوقات خود را به نوشتن، پژوهش و خدمت در مشاغل عمومی بی حقوق گذراند. همچنین مدتی در مقام دبیر خارجی «جامعه سلطنتی» کار کرد که آن هم منصبی افتخاری بود.
کار یانگ بر روی ماهیت نور از علاقه اش به مسئله دید انسان سرچشمه می گرفت. او از سال 1793 به بعد مقالات بسیاری در مورد آنچه اکنون به نور شناسی تن کارشناختی موسوم است به رشته تحریر درآورد. او کشف کرد که چشم چگونه به تصاویر وضوح می بخشد. مطالعاتی نیز در مورد دید رنگی انجام داد. نظرات او درباره ماهیت نور از سال 1800 به بعد در خلاصه مذاکرات فلسفی به چاپ رسید. یانگ در آغاز نشان داد که اگر نور، یک اختلال موجی باشد، می تواند بر پاره ای از مشکلات ناشی از نظریه ذره ای نور غالب آید. برای نمونه یانگ پرسید که اگر نور ناشی از ذرات پرتاب شده از جسم باشد، چرا باید همیشه چه نور جرقه سنگ چخماق باشد و چه نور شدید خورشید با یک سرعت حرکت کند. پس آیا سرعت نور نباید بسته به شرایط مولد نور باشد؟ از سوی دیگر، اگر نور سیلی از ذرات است، چرا فقط قسمتی از آن در عدسی می شکند و فقط قسمتی باز می تابد؟ بی شک نیوتن نظریه «حملات ساده»خود در مورد شکست و بازتابش نور را وابسته به نحوه ارتعاش ذرات در هنگام صدور دانسته بود؛ اما چنانکه یانگ خاطر نشان ساخت، این به نظریه ارتعاشی نور خیلی نزدیک می شد.
البته یانگ خود را به انتقاد از نظریه ذره ای محدود نکرد. او قطعاً نقش مثبتی نیز داشت. یانگ فرض کرد که فضا مالامال از اثیری نورانی است و نور اختلالی موجی در این اثیر است؛ و دید که با این فرض می تواند که هر رنگ ناشی از امواجی با طول موج مخصوص است، می شد پدیده «حلقه های نیوتن» را به آسانی توضیح داد. (این حلقه های رنگی موقعی دیده می شود که عدسی محدب با سطحی کاملاً صاف مثل سطح شیشه مماس می شود. )یانگ با تشبیه به امواج دریا(گرچه در نظریه خود از امواج طولی یا تراکمی استفاده می کرد) اظهار داشت که وقتی امواج به هم می رسند«به طوری که ارتفاع های یکی روی ارتفاع های دیگری می افتد، باید یک سری ارتفاع های بیشتر نتیجه شود؛ ولی اگر ارتفاع یکی با فرورفتگی دیگری توام شد، فرورفتگی باید کاملاً پر شود». در مورد اول نور باعث تشدید نور می شود و در مورد دوم نور باعث حذف نوری با طول موج خاص می گردد. از این قرار، رنگ ناشی از طول موجی از نور است که به این شکل حذف نمی گردد. اما نظریه از این نیز می توانست فراتر رود، زیرا یانگ افزود:«من معتقدم هر وقت دو قطع نور به این صورت با هم مخلوط شود آثار مشابهی بروز می کند. من این را قانون عمومی تداخل نوری می خوانم. »بدین سان هنگامی که دو پرتو نور از یک منبع با هم تلاقی می کنند، پدیده تداخل رخ می دهد و نوارهای متناوب تاریک و روشنی پدید می آید. یانگ این نکته را با یک آزمایش ساده ثابت کرد و شواهدی فراهم آورد که با نظریه ذره ای سابق قابل توضیح نبود ـ یا دست کم به سادگی قابل توضیح نبود.
پدیده پراش نورف یعنی خمش نور در لبه اجسام یا پخش نور پس از عبور از روزنه ای کوچک، را سخت تر می شد توضیح داد. نظریه ذره ای، شکست نور را ناشی از قوه جاذبه ذرات می دانست که در هنگام عبور آن ها از نزدیکی اجسام عمل می کرد؛ ولی این توضیح هر چه بیشتر آزمایش شد، کم تر رضایت بخش می نمود. در سال 1803 یانگ ادعا کرد که پراش ناشی از تداخل در لبه اجسام است ـ این ادعا هنوز مورد قبول فیزیکدانان است ـ ولی توضیح او برای این که این دقیقاً چگونه اتفاق می افتد قانع کننده نبود. اما پراش نیز تنها مانع پیش پای نظریه یانگ نبود. مانع دیگر، شکست مضاعف نور در پاره ای بلورها بود. در سال 1808 لاپلاس مدعی شد که این شکست نور به دو پرتو با نظریه ذره ای و با فرض این که ذرات به دو گروه با سرعت های متفاوت تقسیم می شوند قابل توضیح است. یانگ این نظر را مورد حمله قرار داد ولی به جایی نرسید. در این میان «آکادمی د سیانس» که یانگ وابسته خارجی آن بود، برای کسی که بتواند پدیده مزبور را با نظریه ای ریاضی توضیح دهد جایزه ای تعیین کرد ـ که دو سال بعد، در سال 1810، داده می شد.
اتین لویی مالوس دعوت به مبارزه را پذیرفت. او زمانی در مصر در کنار ناپلئون خدمت کرده و اینک که سال های سی زندگی را می گذراند سرهنگی در رسته مهندسی ارتش بود. در دسامبر 1808، در آغاز پژوهش، او به نکته ای تازه و شگفت انگیز برخورد. نوری که با زاویه معینی از سطحی صیقلی باز می تابید، از بعضی جهات، غیر عادی بود و به نوری می مانست که پس از شکست مضاعف از بلور بیرون می زد. مالوس این اثر را «قطبی شدن»(7)نامید و پی برد که آن را با نظریه ذره ای نور می تواند توضیح دهد؛ اما با نظریه یانگ و امواج طولی قابل توضیح نبود. مالوس جایزه را برد و طرفداران نظریه ذره ای پیروز شدند. اینان گمان می کردند که اکنون می توانند نظریه یانگ را برای همیشه از میدان به در کنند. به توصیه همینان، آکادمی جایزه دیگری، این بار برای توضیح پدیده پراش، تعیین کرد.
جایزه پراش را اگوستن فرنل(8)(1788 ـ 1827) برد. این مهندس جوان ـ او هنوز در سال های بیست زندگی بود ـ جواب هایی یافت که با تعجب حامیان، به سرنگونی نظریه ذره ای می انجامید. در سال 1815 فرنل پژوهشی مشابه پژوهش های یانگ و همچنین آزمایش هایی در مورد پدیده پراش انجام داده بود که نشان می داد پراش، صرف نظر از تیزی یا کندی لبه جسم، رخ می دهد. چه طبق فرضیه یانگ و چه نظریه ذره ای، نمی بایست چنین می شد. ولی فرنل، مانند یانگ، پاسخ را در پدیده تداخل یافت؛ گرچه جزییات را متفاوت از یانگ توضیح داد. او با پیروی از هویگنس فرض کرد که هر موج نور منشأ موجک های ثانوی می گردد. سپس مدعی شد که بیشتر این موجک ها در لبه جسم جذب می گردد و فقط اندکی از آن ها فرصت می یابد که موجک های دیگری تولید کند. تداخل همین هاست که ما به صورت پراش نور می بینیم. این توضیح با رفتار مشهود نور، پس از عبور از روزنه های کوچک، نیز سازگار بود.
کار فرنل مورد حمایت فرانسوا آراگو قرار گرفت که از اعضای پرنفوذ آکادمی بود و پس از چندی دبیر مادام العمر آن شد. آراگوفرنل را با یانگ آشنا کرد و این دو با هم به کار پرداختند. در سال هایی که به دنبال آمد، آن ها آزمایش های تازه ای انجام دادند که نظریه ذره ای را غیر قابل دفاع ساخت؛ گرچه پدیده قطبی شدن هنوز مسئله بود. فرنل به فرانسه بازگشت و با آراگوبه کار پرداخت. این دو پس از آزمایش هایی به این نتیجه عجیب رسیدند که دو پرتو نور، که به طور متفاوت قطبی شده باشند، برخلاف انتظار درهم تداخل نمی کنند. سپس آراگوبه دیدار یانگ رفت و موضوع را با او در میان گذاشت. این در سال 1816 بود. سال بعد، یانگ دو نامه برای آراگو فرستاد که از آن پس شهرت بسیار یافت؛ زیرا او مسئله را حل کرده بود و توضیحش عین سادگی بود. او امواج نور را، در اثیر، متقاطع گرفت، مانند امواج دریا که در توضیحات اولیه اش به کار برده بود. اکنون هر نتیجه تجربی را می شد توضیح داد، از جمله رفتار غیر عادی پرتوهای نور قطبی شده را. در همین جا عمر امواج طولی به سر آمد و نظریه ذره ای هم بی اعتبار شد.
مسئله دیگری که در مورد نور در قرن نوزدهم مطرح شد، چیستی طیف بود. نیوتن پیش تر نشان داده بود که نور خورشید مرکب از نور همه رنگ هاست. نفر بعدی که سراغ از طیف گرفت، شیمیدان و تن کارشناسی با علایق گسترده به نام ویلیام و ولستن(9) بود. او در سال 1802 بر آن شد که از چیستی طیف سردر آورد تا بتواند رنگ ها را از هم تفکیک کند. او به این منظور دستگاهی ساخت ـ یک طیف نما ـ که نور خورشید از شکافی باریک وارد آن می شد؛ ولی برخلاف انتظار او، رنگ ها از هم تفکیک نشدند؛ در عوض، طیفی مرکب از تعدادی خط سیاه تشکیل شد. از همین جا ظاهراً و ولستن به موضوع بی علاقه شد، و کاری انجام نگرفت تا دوازده سال بعد که ابزارسازی با واریابی به نام یوزف فون فراونهوفر(10) تصمیم به بررسی طیف نور خورشید گرفت. او در سال های بیست زندگی و مدیر یک کارخانه شیشه سازی بود. قصد فراونهوفر به دست آوردن شناخت بیشتری از قوه تفریق سنگ چخماق و شیشه مخصوص بود که او برای استفاده در تلسکوپ های انکساری بی انحراف رنگ می ساخت؛ ولی نتایجی که او با استفاده از طیف نمایی از نوع طیف نمای وولستن به دست آورد چنان افسونش کرد که تصمیم گرفت 576 خط سیاه نازکی را که می توانست ببیند ترسیم کند. سپس با استفاده از نظریه موجی یانگ ـ فرنل طول موج خطوط تاریک تر را اندازه گرفت و نتیجه کامل را تقدیم آکادمی مونیخ کرد.
وجود خطوط سیاه تا مدتی مرموز بود؛ اما در این میان، تحقیقات طیف نمایانه دیگری در دست انجام بود. بررسی های جان هرشل اخترشناس و دوستش و. ه. فاکس تالبت(11)، که اکنون با کار پیشگامانه خود در زمینه عکاسی به یاد می آید، نشان داد که وقتی به برخی از مواد شیمیایی حرارت داده می شود و شعله آن ها با طیف نما بررسی می گردد، هر عنصر خطوط روشنی مخصوص به خود به نمایش می گذارد. در سال 1826 فاکس تالبت مقاله ای به چاپ رساند که در آن نوشت:«نگاهی به طیف منشوری شعله می تواند نشان دهدکه دارای موادی است که در غیر این صورت تشخیص آن ها نیازمند تجزیه شیمیایی پرزحمتی می بود». او کار را ادامه داد و در سال 1834 پس از استفاده از قدری لیتیوم، که فارادی به او داده بود، و مقداری استرونتیوم، که هر دو با شعله ای قرمز می سوختند؛ نوشت:«منشور فاش می سازد که بین آنها مشخص ترین تمایز قابل تصور وجود دارد». دیگران این کار را دنبال کردند، به ویژه ویلیام الن میلر، استاد شیمی کالج کینگ در لندن، که طیف مواد بسیاری را بررسی کرد و از برخی از آن ها عکس برداشت. با این روش، بررسی تفصیلی تر میسر شد. آزمایش های میلر در سال 1833 نشان داد که اگر نور خورشید در آزمایشگاه از گازهای مختلف عبور داده شود، خطوط سیاه اضافه ای پدید می آید؛ و عموماً به این نتیجه رسیدند که خطوط فراونهوفر احتمالاً ناشی از گازهای خورشید است. این ظاهراً در سال 1855 تصدیق شد. در این سال فیزیکدانی فرانسوی به نام ژان فوکو یک زوج خط نزدیک به هم در طیف فراونهوفر را با یک زوج خط روشن در طیف ناشی از حرارت دیدن سدیم در آزمایشگاه همسان یافت. سپس باور عامه را کلوین استادانه خلاصه کرد و گفت که با گشتن در آزمایشگاه به دنبال خطوط روشنی معادل خطوط سیاه طیف خورشید و ستارگان، شاید بتوان «بخارات» دیگری علاوه بر سدیم نیز در خورشید و ستارگان پیدا کرد.
کل موضوع طیف نمایی، که مهم ترین پیامدها را برای پژوهش آتی داشت، سرانجام به کوشش دو فیزیکدان، بلفور استیوارت(12)در دانشگاه منچستر وگوستاف کیرشهوف در هایدلبرگ، مبنایی دقیق تر یافت. در سال 1858 استیوارت نشان داد که اگر جسمی از خود اشعه ای با طول موج دارد.
همین کشف را کیرشهوف نیز کرد، که در آن روزها سرگرم کار در کنار شیمیدانی به نام روبرت بونزن بود. بونزن مخترع چراغ بونزن(13) بود که دارای شعله ای متراکم و پرحرارت برای استفاده در آزمایشگاه است. او در کسب کرسی استادی فیزیک در هایدلبرگ توسط کیرشهوف مؤثر بود. آن دو با هم یک رشته بررسی های طیف نمایانه دقیق انجام دادند و سرانجام توانستند سه قانون ظاهراً ساده برای انواع طیف هایی که در آزمایشگاه مشاهده می شود استخراج کنند. خطوط روشن در زمینه تاریک، ناشی از گاز ملتهب، و جای خطوط، نشان دهنده ماده شیمیایی موجد آن هاست. طیف پیوسته( مانند طیف خورشید)منبع را جمادی ملتهب یا گازی بسیار متراکم (مانند خورشید) نشان می دهد. خطوط تاریک روی چنین طیفی ناشی از گاز خنک تری است که بین منشأ طیف پیوسته و مشاهده گر واقع شده است. در این حالت نیز جای خطوط نشان دهنده گاز معینی است. در سال 1860 که مسئله جای خطوط حل شده بود، راز خطوط فراونهوفر نیز گشوده شد. پیامدهای این دستاورد، برای تجزیه شیمیایی، بسیار بود؛ زیرا روش طیف نمایی می توانست حتی جزیی ترین رد ماده را نشان دهد. ولی شاید شگفت انگیزترین پیامدهای تجزیه طیف در زمینه اخترشناسی باشد.
پی نوشت ها :
1. درایران معروف به ژول.
2. electromotive force
3. Newington
4. Riebau
5. مشابه عدسی چشم ماهی، با زاویه دید بسیار فراخ.
6. Milverton in somerset
7. polarization
8. fresnel , Augustin
9. Wollaston , william
10. fraunhofer , joseph von
11. Talbot, W. H. Fox
12. Stewart , Balfour
13. Bunsen همچنین معروف به بنسن (به انگلیسی).
