آموزش فیزیک مدرن – مرور مفاهیم

فیزیک مدرن چیست؟

تا اواخر قرن ۱۹ قوانین نیوتون بر دنیای مکانیک حکومت می کرد. به عنوان پایه های مکانیک کلاسیک بودند. همچنین تا این زمان تبدیلات گالیله به عنوان بهترین الگو جهت تبدیل مختصات به شمار می رفت. بر اساس این تبدیلات سرعت نور مقداری ثابت می شود ولی با حرکت ناظر تغییر می کند.

تا این که نظریه نسبیت ارائه شد و دنیای فیزیک را متحول ساخت. در این زمان آزمایش های زیادی برای اندازه گیری سرعت نور انجام شد و به این نتیجه رسیدند که سرعت نور مستقل از حرکت چارچوب های مرجع مقداری ثابت است. به این ترتیب فیزیک نوین به صورت رسمی پایه ریزی شد. در حالت کلی می توان گفت که فیزیک نوین در مورد اصول فیزیک قرن بیستم به صورت نسبتاً دقیق و در عین حال در یک سطح بنیادی بحث می کند.

برخلاف آنچه در مکانیک کلاسیک تصور می شد، در فیزیک نوین جرم یک جسم کمیتی تغییر ناپذیر نیست، بلکه با بالا رفتن سرعت افزایش پیدا می کند. بدین ترتیب است که وقتی سرعت یک جسم به سرعت نور نزدیک می شود، جرم آن به سوی بی نهایت میل می کند. پس سرعت نور معرف حدی است که تجاوز از آن را نمی توان انتظار داشت. لازم به یادآوری است که غیر از مورد سرعت های بیشتر از ۱/۰ سرعت نور، این تصحیح جرم محسوس نیست.

از طرفی دیگر، قبول می کنیم که جرم و انرژی می توانند متقابلاً به یکدیگر تبدیل شوند. بدینجهت است که در فروپاشی های اتمی چنان که می دانیم، انرژی قابل ملاحظه ای تبدیلمی شود. مجموع جرم های اجسام حاصل همیشه کمتر از جرم جسم خود شده است. بااستفاده از فرمول آلبرت انیشتین می توان انرژی آزاد شده را محاسبه کرد.

بنابراین، به جای پایستگی جرم در حالت کلاسیک، پایستگی جرم و انرژی قرار می گیرد. بهعبارت دیگر هرگاه جرم تغییر کند آن تغییر به وسیله تغییر انرژی جبران می شود و لذا انرژی و جرم را می توان به یکدیگر تبدیل کرد.

  • پایستگی زمان

بر خلاف فیزیک کلاسیک، در فیزیک نوین زمان یک کمیت ثابت و پایا نیست و بلکه به حرکتچارچوب های مرجع بستگی دارد و با بالا رفتن سرعت طولانی تر می شود. از این مسئله تحت عنوان پدیده اتساع زمان در فیزیک نوین یاد می شود.

پدیده اتساع زمان به مسائل بسیار جالبی مانند پارادوکس دوقلوها منجر می شود. بهعبارت دیگر، اگر دو برادر دو قلو را در نظر بگیرید که در یک لحظه در روی زمین متولدمی شوند، آنگاه یکی از این دو برادر به وسیله ی سفینه ای که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می کند به طرف کره ماه برود، در این صورت بعد از گذشت مدت زمانی، فاصله یسنی که دو برادر از یکدیگر دارند متفاوت خواهد بود.

  • پایستگی فضا

در فیزیک نوین فضا نیز مطلق بودن خود را از دست داده و به یک کمیت نسبی تبدیلمی شود که به سرعت ناظرها بستگی دارد. این پدیده نیز به عنوان انقباض فضا معروف است. رابطه ای که انقباض فضا بر حسب آن بیان می شود، به صورت زیر است.

بر اساس رابطه ی فوق اگر سرعت افزایش پیدا کند، طول کوتاه تر می شود.

  • جرم فوتون

در فیزیک جدید ملاحظه می کنیم جرم بر اساس رابطه ی تغییرمی کند. بنابراین چون فوتون سرعتی برابر با سرعت نور دارد پس طبق این فرمول جرم آن بینهایت خواهد بود.

در فیزیک کلاسیک تکانه با رابطه ی p=mv بیان می شود و چون در فیزیک جدید جرم ثابت نیست و بستگی با سرعت ناظرها دارد. بنابراین تکانه که یک کمیت پایسته در فیزیک کلاسیک است، پایستگی خود را از دستمی دهد. همچنین دیدیم که طبق رابطه آلبرت انیشتین تغییر در جرم یا تغییر در انرژی جبران می شود. بنابراین، به جای کمیت پایسته تکانه فیزیک کلاسیک، در فیزیک نوین کمیت دیگری به نام اندازه حرکت-انرژی معرفی می شود. این کمیت همواره مقداری پایسته خواهد بود که بر اساس رابطه ی زیر بیان می شود:

به طور کلی هدف از فیزیک مدرن این است که:

۱- امکان اندازه گیری مستقیم در قلمروهای بسیار کوچک و با سرعت هایفوق العاده زیاد وجود ندارد.

۲- در این قلمروها دیگر منطق ریاضی معمولی حاکم نیست و باید آن را با منطق نسبیتی جایگزین نمود

۳- جرم می تواند به انرژی تبدیل شود و بر عکس آن هم اتفاق می افتد (هم ارزی جرم و انرژی)

۴- مسئله وحدت نیروها و انفجار بزرگ و نظریه های مربوط به پیدایش عالم هستی چه اندازه برای آدمی با ارزش است

۵- نور به دو صورت موجی و ذره ای وجود دارد و تمام ذرات از خود موج صادرمی کنند.

آنچه مطالعه کردید، توسط جناب آقای سعید ایمانی به عنوان پیاده سازی و برداشت متنی بخش هایی از آموزش «فیزیک مدرن با رویکرد حل مسئله» تهیه شده و جهت استفاده مخاطبین گرامی در فرادرس منتشر می شود.

 

 

 




0 پاسخ

ارسال یک پاسخ

در گفتگو ها شرکت کنید.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *