کشف ماکسول

 یگانگی الکتریسیته و مغناطیس در اواسط دهه 1860، در زمان جنگ داخلی آمریکا صورت گرفت. در حالی که ایالات متحده ی آمریک، در اثر جنگ خانمانسوز دچار آشفتگی شده بودند، در آن سوی اقیالنوس اطلس، دنیای علم نیز دنیای پر آشوب  بزرگی را می گذرانید. آزمایش هایی که در اروپا انجام گرفته بود، بدون هیچ تردیدی نشان می داد که در پاره ای از شرایط، مغناطیس می تواند موجب ایجاد میدان های الکتریکی شود و برعکس.  در طول قرن های متمادی  گمان می رفت که مغناطیس، یعنی نیرویی که سوزن قطب نمای دریانوردان را هنگام هدایت کشتیها به حرکت در می آورد و نیرویی که هرچیز، از صدای رعد وبرق تا ضربه ی ناگهانی را که پس از راه رفتن روی قالی و دست زدن به دست گیره در احساس می کنیم، موجب  می شود،  دونیروی متمایز هستند. امادر اواسط 1800، این جدایی صریح از هم پاشید و دانشمندان متوجه شدند که یک میدان الکتریکی نوسان کننده، می تواند میدان مغناطیسی ایجاد کند و برعکس.                                                                                           این پدیده می تواند به سادگی به نمایش درآید. به عنوان مثال اگر یک میله ی مغناطیسی را در داخل یک سیم پیچ به حرکت رفت و برگشت  در آوریم جریان ضعیف الکتریکی در سیم پیچ ایجاد خواهد شد. بنابر این، یک میدان مغناطیسی متغیر، میدان الکتریکی، ایجاد کرده است. به طرز مشابه ای می توانیم این نمایش را با عبور دادن جریان الکتریکی داخل یک سیم پیچ و ایحاد میدان مغناطیسی در اطراف سیم پیچ، به صورت معکوس درآوریم. در این حالت، یک میدان  الکتریکی  متغیر، میدان مغناطیسی  ایجاد کرده  است.                                                 همین اصل، ایجاد میدان مغناطیسی توسط میدان الکتریکی متغیر، موجب می شود که ما در خانه های خود برق داشته باشیم. در 1860، این پدیده هنوز درست شناخته نشده بود. یک فیزیک دان ناشناس اسکاتلندی در دانشگاه کمبریج به نام جیمز کلارک ماکسول با درکی که در آن زمان حکمفرما بود به مقابله بر خواست و ادعا کرد که الکتریسیته و مغناطیس نیروهای جدا از هم نیستند بلکه دو روی سکه اند. در حقیقت او با پی بردن به این که این موضوع می تواند اسرار مرموزترین پدیده یعنی نور را آشکار سازد به بزرگ ترین اکتشاف قرن دست یافت ماکسول می دانست که میدان های الکتریکی و مغناطیسی می تواند به وسیله ی " میدان های نیرو " که در تمام فضا پخش می شوند، نمایش پیدا کند. این میدان های نیرو را می توان با تعداد بسیار زیادی " پیکان " که به آرامی از یک بار الکتریکی سر چشمه می گیرند، نشان داد. به عنوان مثال میدان نیروی که در میله ای مغناطیسی ایجاد می شود، به صورت یک شبکه ی تار عنکبوتی است که می تواند اشیای فلزی را که در نزدیکی آن قرار دارد جذب کند. اما ماکسول از این پیشتر رفت و استدلال کرد که شاید امکان آن وجود داشته باشدکه میدان های الکتریکی و مغناطیسی به صورت دقیقا هماهنگی، نوسان کرده و موجی را که بدون هیچ کمکی در فضا سیر کند، به وجود آورد این سناریو را در نظر خود مجسم کنید: چه روی خواهد داد اگر یک میدان مغناطیسی نوسان کننده که با میدانی الکتریکی به وجود آمده است، موجب شود که این میدان الکتریکی میدان مغناطیسی دیگری را ایجاد کند که با نوسان های خود باز هم میدان الکتریکی به وجود آورد و .... غیره ؟  آیا سلسله بیانات میدان های اتلکتریکی و مغناطیسی می تواند مانند یک موج حرکت کند؟                                                                                                درست مثل قوانین گرانش نیوتن، جوهر این فکر ساده، قابل نمایش است. به عنوان مثال ، یک خط طولانی از مهره های بازی دومینو را در نظر بگیرید اگر به مهره ی اول یک ضربه وارد کنیم، مهره های دیگر، آبشارگونه، یکی پس از دیگری می افتند.  حلا فرض کنید که این خط، از مهره هایی از دونوع سیاه و سفید به صورت یک در میان تشکیل یافته باشد اگر ما مهره های سیاه را برداریم به طوری که فقط از مهره های سفید تشکیل یابد، در این صورت موجی انتشار نخواهد یافت برای این که موج رونده ای داشته باشیم، به هر دو نوع مهره، مهره ی سفید و مهره ی سیاه نیاز داریم. به طور خلاصه، این تاثیر متقابل مهره های سیاه و سفید است که موجب می شود با تکان خورئن مهره ی اول،‌موجی ازمهره هایی که می افتند،ایجادشود.                    ماکسول به همین ترتیب کشف کردکه این تاثیر بین میدان های مغناطیسی والکتریکی است که موج را بوجود آورده است.او پی بردکه میدان های الکتریکی و مغناطیسی درست مثل مهره های سیاه وسفید دومینو، نمی توانند به تنهایی این حرکت موج گونه را ایجادکنند. تنهایک تاثیرمتقابل ظریف،بین میدان های الکتریکی ومغناطیسی می تواند یک موج به وجود آورد .                   با این وجود ،به نظر بسیاری از فیزیکدانها ، این فکر نامعقول می آمد زیرا بستری بنام " اتر" که باید این امواج را هدایت کند، وجود نداشت . این  میدان ها "بدون بستر مادی " بودندوبدون وجود محیط هدایت کننده ای ، خود پیش می رفتند.                                                   اما ماکسول شخص سرکشی بود.با محاسبات وبکارگیری معادلات خود، او دریافت که می تواند عدد مشخصی برای سرعت این موج پیدا کند. با شگفتی بسیار، او به این نتیجه رسید که این سرعت، سرعت نوراست.نتیجه ی این محاسبات جای گریزی  نمی گذاشت:ٱشکارشدکه نورچیزی غیر از میدان های الکتریکی که به میدان های مغناطیسی تبدیل می شوند. نیست . ماکسول به طور تصادفی دریافت که معادلات او، ماهیت نور رابه صورت یک موج الکترومغناطیسی نشان می دهد.به این ترتیب،اواولین شخصی بود که یک نظریه یگانگی میدان را کشف کرد.                                                                                                این کشف بسیار درخشانی بود واز نظراهمیت در سطح قانون گرانش عمومی که نیوتن موفق به دستیابی به آن شده بود،  می رسید.درسال 1889،ده سال پس از مرگ ماکسول ،هاینریش هرتز به طور تجربی نظریه های ماکسول راتائید کرد.دریک نمایش حیرت انگیز،اوجرقه الکتریکی ایجاد کردو توانست یک موج الکترومغناطیسی به وجود آوردکه بدون اینکه جای شبه ای باشد، در فاصله های دور قابل تشخیص بود همان طور که ماکسول پیش بینی کرده بود، هرتز ثابت کرد که این امواح خود به خود و بدون " اتر" حرکت می کنند. بعدها، آزمایش خام هرتز، به صنعت گسترده ای که آن را " رادیو" می نامیم، توسعه پیدا کرد.                                     با پژوهش های راهگشای ماکسول، نور از زمان به عنوان یک نیروی الکترومغناطیسی شناخته شدکه با نوسان های میدان الکتریکی و مغناطیسی و تبدیل سریع به دیگری، به وجودمی آید. رادار، پرتو های فرابنفش، پرتوهای فروسرخ، رادیو، کهموج، تلویزیون و پرتوهای ایکس چیزی به جز شکل های مختلف موج های الکترومغناطیسی نیستند. ( به عنوان مثال، موقعی که رادیوی خود را روی ایستگاه مثلا 5/99 میزان می کنید، میدان های الکتریکی و مغناطیسی که در این موج رادیو وجود دارند، با آهنگ 5/99 میلیون بار در ثانیه، به یکدیگر تبدیل می شوند.                                                                                                متاسفانه ماکسول خیلی زود، پس از ارایه نظریه خود درگذشت. او به اندازه ی کافی زندگی نکرد تا عجایب آفرینش خود را پی گیری کند. اما یک فیزیکدان با قوه ی درک زیاد، می توانست در دهه ی 1860 متوجه شود که معادلات ماکسول موجب بروز اختلالاتی در فاصله و زمان می شود. معادله های او به علت نحوه ی تشریح مکان و زمان از پایه با نظریات نیوتن متفاوت بودند. از نظر نیوتن، زمان به طور یکنواخت در تمام جهان می تپید. یک ساعت در روی کره ی زمین با همان آهنگی پیش می رفت که یک ساعت در کره ی ماه. اما معادله های ماکسول پیش بینی می کردند که در شرایط خاصی، ساعت ها ممکن است کندتر شود. دانشمندان متوجه این موضوع نشدند که طبق نظریه ماکسول یک ساعت که با یک فضا پیما در حرکت است از ساعتی که در روی زمین قرار دارد، کندتر جلو می رود. در ابتدا این موضوع کاملا بی معنی به نظر می آمد. یکنواختی گذشت زمان یکی از پایه های دستگاه نیوتنی بود. با وجود این، معادله های ماکسول به این انحراف عجیب زمان منتهی می شدند.                                                در طول یک نیم قرن، دانشمندان متوجه ی این پیش بینی عجیب معادله های ماکسول نشدند. بلاخره در سال 1905 یک فیزیکدان این اختلال عمیق مکان و زمان را که از معادله های ماکسول ناشی می شود، درک کرد. این فیزیکدان آلبرت اینشتین بود و نظریه ای که به وجود آورد، نظریه نسبیت خاص نام گذاری شد که مسیر تاریخ بشر را تغییر داد.   

 

                   

ماهیت نظریه ی علمی

 

برای این که ما به طور واضح بدانیم که یک نظریه علمی چیست ، ما دیدگاه خوش باورانه ای را در نظر می گیریم که یک نظریه ی درست، مدلی از جهان را به مشاهداتی که انجام می دهیم، پیوند می  دهد.              نظریه فقط در فکر ما وجود دارد و هیچ واقعیت دیگری ندارد. یک نظریه در صورتی مطلوب و خوب است که دو شرط را برآورده نماید. نظریه باید گروه وسیعی از مشاهدات را به طور دقیق بر پایه ی مدلی که تنها چند عنصر انتخابی داشته باشد توضیح دهد و باید پیشگو ییهای دقیقی در باره ی نتایج مشاهدات آینده انجام دهد.   هر نظریه ی فیزیکی همیشه موقتی است. به این معنا که یک فرضیه است ما هیچ گاه نمی توانیم آن را ثا بت کنیم. اگر هم در بسیاری از موارد نتایج آزمایش ها با نظریه تطبیق کند، هرگز نمی توانیم مطمئن باشیم که بار دیگر نتایج با آن نظریه متضاد نباشد. از طرف دیگر ما می توانیم یک نظریه را با یافتن حتی یک مشاهده که پیشگوییهای نظریه نا سازگار باشد، رد کنیم، همان طور که  « کارل پوپر » فیلسوف علم برآن تاًکید دارد. مشخصه ی یک نظریه ی خوب این واقعیت است که بتوان اصولاًتعدادی از پیشگوییهای آن را با مشاهده رد یا ابطال کرد. هرگاه آزمایش های جدیدی مشاهده شود که با پیشگوییها همساز است نظریه پا بر جا می ماند و اعتماد نسبت به آن افزایش می یابد. اما اگر یک مشاهده ی جدید با نظریه تطبیق نکند باید آن را رها کرد.      در عمل، چیزی که اغلب اتفاق می افتد آن است که که یک نظریه ی جدید که در واقع گسترش نظریه ی قدیمی است، نوآوری می شود. هدف نهایی علم،دست یابی به نظریه ی واحد ی برای تشریح کل جهان است اما رویکردی که بیشتر دانشمندان جهان واقعادنبال می کنند، تقسیم این مسئله به دو قسمت است.  اولاً قوانینی وجود دارد که به ما می گوید جهان چگونه با ما تغییر می کند.                                                                   ثانیاً مسئله وضعیت اولیه ی جهان مطرح می شود. بعضی ها می گویند که علم باید به حل قسمت اول مسئله بپردازد. از دیدگاه آن ها مسئله وضعیت اولیه ی جهان مربوط به متافیزیک و مذهب است. آن ها خواهند گفت که چون خدا قادر مطلق است، می توانسته جهان را در هر وضعیتی که اراده ی اوست شروع کرده باشد.  ممکن است این طور باشد ولی در این صورت خدا هم چنین می توانسته است جهان را به طور کاملاً اختیاری توسعه داده باشد. اما این طور به نظر می رسد که انتخاب خداوند در ساختن جهان آن بود که در تکامل آن بر پایه ی آن یک دسته قوانین به طور منظم صورت گیرد. بنا بر این،فرض این که قوانینی هم وجود دارند که بر حالت اولیه حاکم هستند نیز منطقی به نظر می رسد. این طور پیداست که پایه گذاری نظریه ای که جهان را به طور کامل تشریح کند بسیار مشکل است به جای آن، ما مسئله را به بخشهای مختلف تقسیم و برای هر کدام، یک نظریه ی جزئی نو آوری می کنیم. هر یک از این نظریه ها، دسته خاص محدودی از مشاهدات را تشریح و پیشگویی می کنند، از اثرات کمیت های دیگر چشم پوشی می کنند یا آن ها را با تعدادی از اعداد نمایش می دهند. ممکن است که این رویکرد کاملاً اشتباه باشد. اگر همه چیز در جهان به طور اساسی به همه چیز دیگر بستگی داشته باشد،شایدنزدیک شدن به حل کامل مسئله، با بررسی جدا گانه ی مسائل جزئی آن غیر ممکن باشد. معذلک این مطمئناً راهی است که در گذشته با تکیه به آن پیشرفت کرده ایم. مثال کلاسیک آن، در باره ی نظریه ی گرانی نیوتن است. این نظریه به ما می گوید که نیروی گرانش بین دو جسم، تنها به یک عدد، یعنی جرم ، که به هریک از آن ها وابسته است ارتباط دارد و به اینکه این اجسام از چه ساخته شده اند بستگی ندارد. بنابراین برای اینکه ما مدار خورشید و سیارات را محاسبه کنیم، به نظریه ی مربوط به ساختار و ترکیب آن ها نیاز داریم.                                                                                                                           امروز، دانشمندان جهان را بر پایه ی دو نظریه ی پاره ای، نظریه ی نسبیت عام و نظریه ی مکانیک کوانتومی تشریح می کنند.  این دو نظریه، دستاوردهای بزرگ فکری نیمه ی اول قرن بیستم هستند. نظریه بسبیت عام، نیروی گرانی و ساختار جهان را در مقیاس بزرگ تشریح می کند: ساختارهایی در مقیاس وسعت چند کیلومتر تا میلیون میلیون میلیون میلیون کیلومتر ( 1 با بیست و چهار صفر بعد از آن )، که اندازه ی قابل مشاهده ی جهان است. از سوی دیگر مکانیک کوانتومی با پدیده هایی در مقیاس بی نهایت کوچک مانند یک میلیونیم میلیونیم اینچ ارتباط دارد. اما متاﱠسفانه این طور به نظر می رسد که این دو نظریه با هم سازگار نیستندو هر دو نمی توانند درست باشند. در نیمه ی اول قرن بیستم، فیزیک دانان دامنه ی نظریات خود را از دنیای روزمره ایزاک نیوتن به کوچکترین و بزرگترین حد جهان، در هردو زمینه، گسترش دادند.                 کتاب، جستجو برای دستیابی نظریه ی کوانتومی گرانی یا نظریه ی جدیدی است که بتواند هر دو نظریه را در خود جای دهد. ما هنوز چنین نظریه ای نداریم و ممکن است هنوز را درازی برای دستیابی به آن در پیش داشته باشیم، اما هم اکنون از بسیاری از ویژگی هایی که این نظریه باید دارا باشد،اگاه هستیم.                           اکنون اگر ما باور داشته باشیم که جهان اختیاری نیست و قوانین معینی بر آن حاکم هستند، باید سرانجام نظریه های پاره ای را به صورت یک نظریه یگانه کامل درآوریم که همه چیز را در جهان تشریح کند. اما در کاوش برای یک نظریه یگانه ی کامل، با تناقضی رو به رو می شویم. ایده هایی که به طور خلاصه دز باره ی نظریه های علمی بیان کردیم، بر پایه ی این فرض است که ما موجودات عاقلی هستیم، می توانیم آزادانه به مشاهده ی جهان بپردازیم و هدف ما آن است که با تکیه به آن چه می بینیم به نتایج منطقی دست بیابیم. با چنین برنامه ای می توان عاقلانه فرض کرد که شاید ما بتوانیم هر روز بیشتر به سوی دست رسی به قوانینی که بر جهان ما حاکم است پیشرفت کنیم. اما اگر واقعاّ یک نظریه ی یگانه وجود داشت، این نظریه می توانست نتیجه ی تحقیق مارا برای دست یابی به آن کنترل کند ! وچرابایداین نظریه مشخص کند که ما از روی شواهد به نتیجه ی درستی دست یافته ایم؟ یا به هیچ نتیجه ای دست نیافته ایم؟                                                             تنها پاسخی که ما برای این مسئله داریم بر پایه ی اصل گزینش طبیعی داروین است. ایده ی این اصل آن است که در هر جمعیتی که اندام های تولید مثل خود را دارد، تغییراتی در ماده ی ژنتیکی و پرورشی اشخاص متفاوت به وجود خواهد آمد. این تفاوت ها  مو جب می شوند که بعضی از این افراد بهتر از افراد دیگر بتوانند به نتایج درستی در باره ی دنیایی که آن ها را احاطه کرده است دست یابند و به آن عمل کنند. احتمال بقا و تولید مثل این افراد زیادتر است و به این ترتیباگوی رفتار و اندیشه ی آنها تسلط خواهد یافت مطمئناَ این حقیقت دارد که در گذشته آنچه را که ما هوش و کشف علمی می دانیم،امتیازی برای بقا مهیا کرده است. چیزی که روشن نیست آن است که این روند ادامه داشته باشد:                                                                                 کشفیات علمی ما ممکن است روزی مارا نابود کند و اگر هم این نابودی ما نیانجامد شاید یک نظریه ی یگانه ی کامل تغییر ی در شانس ما برای بقا ایجاد نکند. اما اگر جهان به طور منظم تکامل پیدا کرده باشد می توان انتظار داشت قدرت استدلالی که گزینش طبیعی به ما داده است، خواهد توانست برای جستجوی ما در راستای یک نظریه ی وحدت یافته ی کامل نیز ارزش خود را حفظ کرده باشد ودر نتیجه مارا به نتایج غلط هدایت نکند. از آنجا که نظریه های پاره ای که ما هم اکنون در دست داریم برای انجام همه ی پیشگوییهای دقیق کافی است، بجز حالات حد اکثر، توجیه جستجو برای نظریه ی نهای جهان به دلایل عملی مشکل به نظر می رسد. ( در این جا باید به این نکته اشاره کرد که دلایل مشابه ای می توا نست علیه نسبیت و مکانیک کوانتومی، هردو، به کار گرفته شده باشدو این نظریه ها به هم انرژی هسته ای و هم انقلاب میکرو الکترونیک داده اند.)               بنابر بر این شاید کشف یک نظریه وحدت یافته ی کامل به گونه ی ما کمک نکند. اما از طلوع تمدن به بعد، مردم به این که رویدادهابه هم ناپیوسته غیرقابل توضیه باشند،رضایت نداده اند.ماشدیداًخواستار درک نظم زیر بنای جهان بوده ایم. امروز هنوز آرزو داریم که بدانیم چرا اینجا هستیم و از کجا آمده ایم عمیق ترین میل بشریت به دا نش، توجیه کافی را برای کاوش پیوسته ی ما ایجاب می کند. هدف ما چیزی کمتر از آن نیست که به تشریح کامل جهانی که در آن زندگی می کنیم، دست یابیم

 

 

برای مشاهده ی عکس در اندازه ی بزرگ به آدرس زیر مراجعه کنید.

http://www.pic.iran-forum.ir/images/8861z127ia9778t3nkkq.jpg
http://www.pic.iran-forum.ir/images/u3grr7m7relalk4gw5zl.jpg

منطقه ی ییلاقی رینه

طبیعت پره سر

جهان نیوتون

ایده های کنونی ما در باره ی حرکت اجسام به گالیله و نیوتون باز می گردد. پیش از آن ها، مردم به ارسطومعتقد بودند.اومی گفت که حالت طبیعی یک جسم،سکون است و تنها در اثر نیرو یا تکانه ای حرکت می کند. نتیجه ایده ی او آن بود که یک جسم سنگین تر، سریعتر از یک جسم سبکتر به زمین می افتد زیرا کشش زیادتری نسبت به زمین دارد. سنت ارسطویی همچنین این ایده را تجویز می کرد که انسان می تواند از طریق فکر به تمام قوانین حاکم بر جهان دست یابد:لازم نبود که این قوانین با مشاهدات مورد بازبینی قرار گیرند گفته شده است که گالیله اشتباه بودن عقیده ی ارسطو را با به پایین انداختن وزنه هایی که از بالای برج کج پیزا در ایتالیا نمایش داد. این داستان به احتمال قوی دروغ است گالیله کار مشابه ای انجام داد:او گلوله هایی با وزن های مختلف را بر روی یک سطح شیبدار غلطانید،این وضعیت با پایین افتادن اجسام سنگین به صورت عمودی تشابه دارد اما به علت این که سرعت ها کمترند،آسان تر است. اندازه گیری های گالیله نشان داد که هرجسم ، با هر وزن که باشد، با یک آهنگ سرعت می گیرد. به عنوان مثال، اگر ما گلوله ای را روی سطح شیبدار به ازای هر ده متر، یک متر از ارتفاغش کم می شود رها کنیم، گلوله با هر وزنی که داشته باشد، پس از یک ثانیه، یک متر در ثانیه و پس از دو ثانیه، دومتر در ثانیه سرعت می گیرد. البته یک وزنه ی سربی بیشتر از یک ﭙﹷرسرعت می گیردولی این تنها به آن علت است که یک ﭙﹷر با مقاومت هوا رو به رو می شود. اگر ما دوجسم را که مقاومت هوای زیادی ندارند، مانند دو گلوله ی سربی با وزن های مختلف رها کنیم، آن هخا با یک سرعت می افتند(به زودی ما علت آن را خواهیم دید). David. R. Scott، روی کره ی ماه که در آن مقاومت هوایی برای کند کردن اجسام وجود ندارد، آزمایش وزنه ی سربی و  ﭙﹷررا انجام داد چنانچه انتظار می رفت، دریا فت که هر دودر یک زمان سقوط می کنند.  نیوتون از اندازه گیری های گالیله به عنوان مبنا برای قوانین حرکت خود استفاده کرد. در آزمایشهای گالیله، موقعی که یک جسم روی سطح شیبدار به پایین می غلطید، همیشه یک نیرو ( وزن آن ) بر روی آن تأ ثیر داشت و اثر این نیرو آن بود که سرعت جسم به طور ثابتی افزایش می یافت. این نشان داد که اثر واقعی یک نیرو همیشه آن است که سرعت جسم را تغییر دهد و نه آن طور که قبلاً  تصور می شد، تنها آن را به حرکت درآورد. این از سوی دیگر به آن معنی بود که هرگاه نیرویی بر جسم وارد نیاید، آن جسم با همان سرعت به حرکت خود در راستای یک خط راست، ادامه خواهد داد. این ایده را نخستین بار نیوتون در سال 1687 در کتاب اصول ریاضی یک بیان کرد که به اولین قانون    نیوتون معروف است. این که اگر به جسمی نیرو وارد شود چه روی می دهد،با قانون دوم نیوتون بیان شده است. این قانون می گوید که آن جسم سرعت خود را تغییر می دهد یا شتاب می گیردو این شتاب با نیرویی که بر آن وارد می آید، متناسب است. " به عنوان مثال اگر نیرو دو برابر شود، شتاب هم دوبرابر می شود" هرچه جرم یا مقدار ماده جسم بیشتر باشد، شتاب کمتر خواهد بود.( اگر همان نیرو بر جسمی که دو برابرآن جرم دارد وارد آید، شتاب آن جسم نصف خواهد شد.) یک مثال آشنا مربوط به اتومبیل است: هرقدر قدرت موتور زیادتر باشد، شتاب اتومبیل زیادتر خواهد بود اما هر قدر اتومبیل سنکین تر باشدشتاب آن با همان موتور کمتر خواهد بود. علاوه بر این قوانین حرکت چگونگی تأثیر نیرو برروی اجسام بیان می کند، نظریه گرانش نیوتون تشریح می کند که چگونه می توان شدت نیروی خاصی به نام گرانی تعیین کرد. همان طور که گفتیم، این نظریه اعلام می کند که هر جسم، جسم دیگری را با نیرویی که با جرم هریک از آن ها نسبت مستقیم دارد به سوی خود می کشاند. بنابراین، اگر جرم یکی از دو جسم( مثلاً جرم جسم A ) دوبرابر شود، نیرویی که باعث جذب این دو جسم به یکدیگر می شود نیز دو برابر خواهد شد. این واقعیت را می توان اینطور تشریح کرد که جسم جدید A که دو برابر شده است، در حقیقت از دو جسم با جرم قبلی تشکیل شده است هریک از این اجسام، جسم B را با همان نیرو جذب خواهند کرد. بنابر این جمع نیروی بین اجسام A و B دوبرابر نیروی اولیه خواهد بودو اگر جرم یکی از این دو جسم شش برابر شود یا جزم یکی از آن ها دوبرابر و جرم دیگری سه برابر شود، نیروی جاذبه آن ها شش برابر خواهدشد.

اکنون شما می توانید درک کنید که چرا اجسام با یک آهنگ بر روی زمین می افتد. طبق قانون گرانی نیوتون،این دو اثر یک دیگر را خنثی می کنند و به این ترتیب وزن جسم هرچه باشد، شتاب آن تغییر نخواهد کرد.     قانون گرانی نیوتون همچنین به ما می گوید که هر چه اجسام از یک دیگر دورتر باشند، نیرو کوچکتر خواهد بود. قانون می گوید که جاذبه گرانشی یک ستاره یک چهارم ستاره ی مشابه ای خواهد بود که فاصله اش نصف آن ستاره باشد. این قانون، مدار های زمین، ماه و سیارات را با دقت زیائی پیش گویی می کند. اگر برفرض قانون این بود که جاذبه ی گرانشی یک ستاره سریعتر یا کندتر نسبت به فاصله تغییر پیدا  می کند، مدار سیارات بیضی شکل نمی شد، یا آن ها به صورت حلزونی به سوی خورشید نمی رفتند یا از آن دور نمی شدند تفاوت بزرگ ایده های ارسطو با ایده های گالیله و نیوتون آن است که ارسطو معتقد بود هر جسم که نیرو یا تکانه ای برآن وارد نشود، در حالت سکون است.       او به ویژه فکر می کرد که زمین در حال سکون است. اما پیامد قوانین نیوتون آن است که یک استاندارد سکون یگانه وجود ندارد،به طور مساوی می توان گفت که جسم A در حال سکون و جسم B با سرعت ثابت نسبت به جسم A حرکت می کند،یا جرم B در حال سکون و جسم A نسبت به آن در حال حرکت است. به عنوان مثال، اگر ماه برای یک لحظه ازگردش زمین به دور خورشید صرفنظر کنیم، می توانیم بگوییم که یک قطار با سرعت 90 مایل در ساعت به طرف شمال حرکت می کند، یا قطار در حالت سکون است و زمین با همین سرعت به طرف جنوب در حال حرکت است. اگر ما آزمایش هایی با اجسامی که در قطار حرکت می کنند انجام دهیم، تمام قوانین نیوتون به قوت خود باز باقی هستند. حق با نیوتون است یا با ارسطوو چطور شما می توانید تشخیص دهید؟           

یک آزمون می توان این باشد: تصور کنیم که دریک جعبه جا ی گرفته ایم و نمی دانیم که روی کف یک قطار در حال حرکت قرارگرفته یا در روی زمین صلب است. می دانیم که استاندارد سکون برای ارسطو، زمین است. آیا راهی برای تشخیص این که کدام یک از این دو درست است وجود دارد؟ اگر این طور باشد، شاید ارسطو درست گفته است و بودن در حال سکون در روی زمین، حالت خاصی است. اما اگر آزمایش هایی در یک جعبه در قطار انجام دهیم نتایج آن دقیقاً مانند آزمایش هایی خواهد بود که در جعبه ولی در سکوی قطارکه " بی حرکت"  است انجام گیرد ( به شرط آن که قطار حرکاتی به سوی بالا و پایین و چرخیدن نداشته باشد اگر در قطار پینگ پنگ بازی کنیم، خواهیم دید که حرکات توپ با حرکات توپ پینگ پنگ در روی میز میدان مسابقه، تفاوتی ندارد و اگر شما در جعبه بمانید و بازی در سرعت های متفاوتی مانند صفر، پنجاه و نود کیلومتر در ساعت نسبت به زمین انجام دهید، خواهید دید که رفتار توپ در همه این حالات یکسان است. این طرز رفتار جهان است و ریاضیات قوانین نیوتون بازتابی از آن است: راهی برای تشخیص آن که قطار یا زمین حرکت می کند وجود نداردو مفهوم حرکت تنها در صورتی معنی دارد که اجسام دیگر ارتباط پیدا کند آیا این واقعاً مهم است که حق با نیوتون یا ارسطو است؟ آیا این تنها تفاوت دیدگاه یا فلسفه است یا موضوعی است که برای علم اهمیت دارد؟ در واقع، نبود یک استاندارد متعلق سکون دارای نتایج عمیقی برای فیزیک است: معنی آن است که ما می توانیم تشخیص دهیم که آیا دو رویدادی که در زمان های مختلف روی داده اند، در یک موضع فضایی صورت گرفته است  یا  نه.                                                                                                                                            برای تجسم این موضوع فرض می کنیم که یک نفر در قطار، توپ پینگ پنگ را به طور عمودی به بالا و پایین می اندازد و توپ دو باربه فاصله ی یک ثانیه به نقطه ی مشخصی از میز برخورد می کند. برای آن شخص، مکان اولین و دومین برخورد توپ با میز، فاصله ای برابر صفر دارد. اما برای شخصی که در بیرون قطار ایستاده است، به نطر می رسد که دو برخورد توپ چهل متر با هم فاصله دارند زیرا قطار در مدت یک ثانیه، چهل متر حرکت کرده است. طبق قانون نیوتون، هر دو ناظر حق دارند خود را در حالت سکون بدانند و بنابر این اظهار نظر هر دو قابل پذیرش است. آن طور که ارسطو تصور می کرد، اظهار نظر یکی از آن ها بر دیگری برتری ندارد.مکان های رویدادهای مشاهده شده و فواصلی که بین آن ها وجود دارد، برای شخصی که در قطار است و شخص دیگری که در روی زمین است، متفاوت اند و هیچ دلیلی برای آن که مشاهداتاین یا آن شخص ترجیح داده شود، وجود ارد.  نیوتون در باره ی این فقدان مکان مطلق یا فضای مطلق بسیار نگران بود زیرا این با ایده ی خدای مطلق همساز نبود. در واقع او از پذیرش فقدان فضای مطلق، حتی با وجود این که قوانین او به این نتیجه منتهی می شد، سرباز زد. او از سوی بسیاری از مردم به خاطر این عقیده ی غیر عقلانی به شدت مورد حمله قرارگرفت. مخصوصاً اسقف"George Berkeley" ، فیلسوفی که معتقد بود کلیه ی اجسام مادی و فضا و زمان، توهمی بیش نیست. زمانی که  عقاید برکلی به دکتر جانسون مشهور گفته شد، او انگشت پای خود را به سنگی زد و فریاد کرد: " بدین گونه من آن را رد می کنم".  ارسطو و نیوتون هر دو به زمان مطلق عقیده داشتند. این باور آن ها به این معنی بود که می توان بدون هیچگونه ابهام و تنها با استفاده از یک ساعت خوب، فاصله ی زمانی بین دورویداد را اندازه گرفت و این همساز بودو این چیزی بود که بیشتر مردم آن را به عنوان حس مشترک می پذیرفتند. اما فیزیک قرن بیستم به این نتیجه رسید که آن ها باید عقیده خود را تغییر دهند. همان طور که خواهیم دید، فیزیکدانان قرن بیستم کشف کردند که فاصله ی زمانی بین دو رویداد، مانند مدت زمان بین دو برخورد توپ پینگ پنگ با روی میز، به ناظران بستگی دارد.   آن ها همچنین کشف کردند که زمان، کاملاً جدا و مستقل از فضا نیست. کلید این دست آوردها، بینش جدیدی در باره ی خواص نور بود. ممکن است که این دیدگاه ها با تجربه ی روزمره ی ما همساز نباشد اما با وجود این که برداشت های به ظاهر کبتنی بر حس مشترک ما با چیزهایی مانند سیبها و سیارات که در مقایسه، آهسته حرکت می کنند به نتایج درستی منجر می شود، اما در زمینه ی چیزهایی که نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند، ابداً کارساز نیست.

                                        

فیزیک ذرات بنیادی:

 

مرزبندی که در پایان قرن بیستم در گرایش های فیزیک به وجود آمد برخی از رشته های اصلی آن به صورت فیزیک ذرات بنیادی، فیزیک هسته ای، کیهان شناسی، فیزیک پلاسما، فیزیک اتمی، فیزیک ماده ی چگال می باشد.

فیزیک ذرات بنیادی در اوایل سال های 1950 ، در نتیجه مطالعه ی پرتوهای کیهانی، از فیزیک هسته ای به وجود آمد.پرتوهای کیهانی ذرات بسیار پرانرژی هستند که از فضای بیرونی به جو زمین برخورد می کنند. پس از جنگ جهانی دوم ، فیزیک دانان توانستند منابع مالی لازم برای ساختن شتابگر های ذره ای را ﺘأ مین کنند.آن ها وسیله ای برای شتاب دادن ذرات بنیادی تا انرژی های زیاد هستند.در پایان قرن، توانمندترین ماشین ازاین نوع تواترون درآزمایشگاه فرمی، در 48 کیلومتری غرب شیکاگو،درایلینویزبود.  

در این شتابگر، برخوردهای بین پروتون ها و پادپروتون ها با انرژی کل دوتریلیون الکترون ولت(Tev ) به کمک آشکار سازهایی بر رسی می شودکه آن ها را تیم های متشکل از صدها دانشمند از سراسر جهان ساخته اند. ( یک الکترون ولت مقدار انرژی که یک الکترون در عبور از بدنه ی [ منفی] یک باتری چراغ قوه یک ولتی به پایانه ی باتری [ مثبت ]  می گیرد )

کنسرسیومی متشکل از 11 کشور اروپایی در مرکز اروپا تحقیقات هسته ای ( CERN ) در شمال ژنو در سوئیس کاوه ی توانمندی بعدی در جهان میکروسکوپی به کار می اندازند.

فیزیک دانان اروپایی با همکاری هم یک رشته شتابگر با توان فزاینده را ساخته اند، که در تونلی با پیرامون 27 کیلومتر به اوج می رسد که بخشی از آن زیر کوه های ژورا قراردارد. در این تونل دانشمندان ابتدا ماشینی را ساختند که در آن برخورد رو در روی الکترون ها و همزاد مثبت آن ها، پوزیترون ها، انرژی کل در گستره ی 100 تا 200 بیلیون الکترون ولت ( Gev ) تولید می کرد. اگر چه این انرزی بسیار کمتر از برخورد های پروتون آزمایشگاه فرمی است، اما برخوردهای ذرات در سرن به لحاظ فنی با آن هم ارزند.

علت این امر آن است که الکترون ها ذرات نقطه ای هستند- یعنی، نمی توان آن ها را به ذرات کوچکتر تقسیم کرد-  ودر نتیجه همه ی انرژی آن ها صرف برخورد می شود، در حالی که پروتون ها ذراتی مرکب

و حاوی تعداد زیادی ذره زیر هسته ای چون کوراک ها وگلوئون ها هستند، که همه ی آن در انرژی که فیزیکدان ها تولید کرده اند سهیم می شوند.

با ورود این وسیله ها به قرن بیست ویکم، هم آزمایشگاه فرمی و هم سرن، در همکاری رقابت طلبانه

استادانه ای در گیرند، که هدف آن آشکار سازی ذره ای فرضی موسوم به ذره ی هیگز با میدان هیگز، یا صرفاً " شیٴ" هیگز است. فیزیکدانان نیز بر این باورند که ذره یا میدان هیگز چیزی است که به سایر ذرات بنیادی جرم می دهد. به عبارت دیگر این ذزه علت سنگین بودن اشیا و وجود تعداد زیادی ذره ی بنیادی است. آشکار سازی ذره ی هیگز به دانشمندان کمک خواهد کرد که نه تنها بفهمند که درات چگونه دارای جرم می شوند،بلکه متوحه شوند که چگونه می توان تمام نیروهای بنیادی عالم را وحدت بخشید. آشکار سازی ذره ی هیگز به شتابگری بسیار پرانرژی نیاز دارد.

مورد نوترینو های گمشده:

گرچه فیزیک ذرات بنیادی از فیزیک هسته ای به وجود می آید و ذهن بسیاری از فیزیک دان های مهم را به خود مشغول داشت، اما خود فیزیک هسته ای مسکوت نماند. فیزیک هسته ای این امکان را فراهم آورده است که فرآیند هایی را درک کنیم که باعث فعالیت خورشیدودیگر ستارگان می شودو عناصر شیمیایی، از جمله عناصری که بدن مارا تشکیل می دهند، به وجود می آورند. فیزیک دان های هسته ای همه واکنش هایی که خورشید را درخشان نگه می دارند در آزمایشگاه به نمایش گذاشته اند.

یکی از معماهایی در ورود به قرن بیست و یکم فکر فیزیک دان هارا به خود مشغول کرده مورد نوترینو های کمشده است. طبق نظریه ی استانداردی که واکنش های هسته ای درون خورشید را توصیف می کند، این واکنش ها تعدادی نوترینو گسیل می کنند. در واقع نوترینو ها به اندازه ای زیادند که در هنگام خواندن این جمله، یک میلیون از آن ها از سرشما گذشته است.

اما اگر چه تعداد نوترینو ها بسیار زیاد است، اما آشکارسازی آن ها به علت برهم کنش نادرشان با ماده بسیار دشوار است. برخی فیزیک دان ها نوترینوها را "حقیقتی نه چندان ملموس" توصیف کرده اند، زیرا بار الکتریکی ندارند، شعاع ندارند و جرم شان ناچیز است. آزمایش های استادانه برای اندازه گیری تعداد نوترینو هایی که باید از خورشید گسیل شود در زیر زمین قرار دارند تا سایر ذرات پر انرژی نتوانند اختلالی در آن ها به وجود آورد. متخصصان فیزیک خورشید فکر می کنند که واکنشهایی را که انرژی و تابش خورشید را به وجود می آورد به درستی می فهمند. این موضوع امگان پیش بینی تعداد نوترینو ها را فراهم می سازد. آزمایش ها تا کنون تعداد نوترینو های کمتری را آشکار ساخته اند اما نظریه ی امید بخشی وجود دارد. طبق این نظریه آشکار سازی نوترینو ها از این رو بسیار دشوار است که آنها این قابلیت عجیب را دارند که "نوسان کنند" و از یک نوع نوترینو به نوع دیگر تبدیل شوند. مثلا، نوترینوی موئونی می تواند نوسان کند و به صورت نوترینوی تأو در آید. این نطریه ممکن است در قرن بیست و یکم تأیید شود و این اطمینان را به وجود آوزد که شناخت ما از چگونگی درخشش ستارگان درست است.

 

نور چیست؟

  اگر چه با شناخت دقیق از ویژگی ها و خصوصیات نور توسط دانشمندان فیزیک،ولی مایه ی بسی   شگفتی است که با توجه به پیشرفت ارزنده ای که در علم و فناوری صورت گرفته است، در باره ی نور که همه جا را فرا گرفته،شاید خیلی تعجب خواهید کرد،که اگر بگویم که در دنیای بزرگ ما هنوز جواب  قانع  کننده ای برای کشف حقیقت نور پیدا نشده است.  

 اگر چه دانشمندان علم فیزیک در قرن شانزدهم اطلاعاتی در باره ی تابش و بازتابش و شکست نور کسب کرده بودند، و حتی در آن زمان از عدسی برای ساختن عینک و دوربین و میکروسکوپ استفاده می شد، ولی تا به حال حقیقت نور بطور کامل بر  کسی مسلم نشده است.

 اولین بار دکارت دانشمند فرانسوی، در سال 1635 میلادی قوانین نور را بر اساس سیر مستقیم نور پیدا کرد.  بعد ها نیوتون  دانشمند انگلیسی نظر داد که نور سیلی از ذرات بسیار کوچک که از منبع نور با سرعت خیلی زیاد، مانند گلوله هایی به اطراف پرتاب می شوند. این نظریه هر چند که خیلی از مسائل مربوط به نور را در زمان خود حل کرد، ولی در اولین مراحل از بیان برخی مسائل مربوط به نور عاجز ماند، و نظریه ی دیگری  جانشین آن گردید.

بدین ترتیب که هویگنس فرضیه ی موجی بودن نور را عرضه کرد. بر طبق این نظریه، نور نیز مانند صوت به

صورت امواج کروی، دانشمندان دیگری نظیر یانگ و فرنل نظریه اخیر را تاٴیید کردند.

  بلاخره دانشمند معروف فیزیک اینشتین بر این عقیده شد که نور به صورت ذرات ریزی از منبع روشنایی به  اطراف منتشر می شوند، و هر یک از این ذرات را فوتون نامید، به عقیده اینشتین هر ذره نور مقداری انرژی  همراه خود دارد، و همین انرژی ذزات در پدیده ی فوتوالکتریک به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.

هر چند که ماهیت نور به طور قطعی برای بشر معلوم نشده است، در عوض ویژگی های جالبی از آن مورد بررسی دانشمندان فن قرار گرفته است. مثلاﹰ وقتی پرتوهای نور خورشید که نورمرکبی می باشد از منشور عبور می کنند،مشاهده می شود که به اجزای ساده تشکیل دهنده آن یعنی هفت رنگ قرمز – نارنجی – زرد – سبز – آبی – نیلی و بنفش  تجزیه می شود. البته این هفت رنگ با چشم به طور عادی قابل تشخیص است، در صورتی که با وسایل مخصوص، بیش از صد رنگ در طیف نور خورشیدمی توان مشاهده کرد. نیوتون هم چنین به کمک صفحه معروف خود نشان داد که از ترکیب رنگ های اصلی که در طیف دیده می شود، دوباره رنگ سفید حاصل می گردد.

فیزیک و فوتونیک

در علم فیزیک و و فن آوری مباحثی چون کا ربرد مواد فوتونیکی و بلورهای نوری که ا مروزه برای فیزیک دانان و هم چنین در عرصه ی تکنولوژی ا ز ا همیت به سزای بر خوردار است که در زیر به شرح مختصری از بلورهای نوری و مواد فوتونیکی می پردازم.

 بلورهای نوری :

  در عرصه ی دستگاه های اپتیکی، بلورهای نوری مفاهیم جدیدی دارند. به طوری که این بلورها دارای ساختار تناوبی از دی الکتریک ها   در یک، دو یا سه بعد هستند که این تناوب سبب ایجاد گاف نواری برای امواج الکترو مغناطیسی می شود با انتخاب صحیح پارامترهای بلور، این گاف نواری برای طول موج های مرئی ویا بلندتر، قابل تنظیم ا ست.

  گاف های انرژی سبب می شوند تا از این بلورها،برای اهداف مختلف مثل ساختن آینه ها، موجبرها و میکروکاواک ها استفاده شود .   و تحولی  بزرگ در تکنولوژی ساخت دستگاه های اپتیکی به وجود آورد مانند ساخت موجبرهای با بازده بسیار بالا در ابعاد میکرون،  از این بلورها  ، می توان در تکنولوژی نوری، بخصوص در الکترونیک و مخابرات نوری و در مهندسی نوری مجتمع استفاده کرد و در  مدارهای کامپیوتری را کا ملا با نور کار می کنند ساخت. در یک بلور اتم ها و مولکول ها به طور متناوب در سه بعد چیده شده اند و شبکه ی بلوری هم زمانی بوجود می آید که یک ساختار پایه و کوچک از اتم ها یا مولکول ها، در فضا تکرار شود.

  تکراراتم ها ، یک پتانسیل دوره ای را برای الکترونی که می خواهد از میان شبکه ها عبور کند فراهم می سازد. این اثر با الگوی   ساده " کرونیک – پنی " معرفی می شود.  بلورهای نوری که به واسطه ی چیدمان متناوب از محیط های دی الکتریک ماکروسکوپیک   ساخته می شوند. در این ك، به جای تناوب پتانسیل دوره ای، تناوب ضریب شکست وجود دارد.

  در صورتی که اختلاف شکست به اندازه ی کا فی متفا وت باشد، پراکنندگی در مرزهای مشترک می تواند همان پدیده ها یی را برای   فوتون ایجاد کند. که پتانسیل اتمی برای الکترون ها انجام می داد. به عبارت دیگر تناوب ضریب شکست منجر به ایجاد گاف نواری   در شبکه بلور نوری می شود. که برای مطالعه چگونگی انتشار موج الکترومغناطیسی در یک بلور نوری، می توان از معادلات ماکسول

   و نظریه ی مد های هارمونیک استفاده کرد.    با ظهور بلورهای نوری، تحول وسیعی درعرصه و ساخت قطعات نوری در ابعاد نانو متری ایجاد شد. که از جمله کاربرد آن در آینه های   کامل، موجبر نوری کم اتلاف، میکروکاواک های تشدیدی، هدایت موج از از میان میکرو کا واک ها، انواع فیلترها، جداکننده پرتو،

   محدود کننده های نوری، فیبرهای نوری،طیف سنج نوری تک کاناله و چندکاناله، تولید  ها رمونیک دوم، سوئیچ کردن تمام نوری،  منعکس کننده های براگ، پدیده ی ابر منشوری،پدیده ی خود کانونی، کنترل گسیل خودبه خود، بلورهای نوری قابل تنظیم نام برد.

 آینه های کامل:  

   یک بلور دوبعدی، تمام نوربا باند فرکانسی مشخص را بدون جذب قابل ملاحظه ای منعکس می کند، از این ك می توان در یک    فیلتر band-stop ا ستفاده کرد، یا از آنجا که ساختار باند نواری بلور نوری دوبعدی برای نور با قطبش TE و TM متفاوت    است، آن را به عنوان قطبنده به کار برد، یا از آن به عنوان یک کاواک تشدید گر و یا موجبر، استفاده نمود. برای طراحی یک ساختار انعکاسی، باید هندسه بلورراکه گاف نواری معینی را در فرکانس دلخواه ایجاد می کند، درنظر گرفت. مانند شبکه مثلثی از ستون ها ی

   هوا که دارای گاف نواری متفاوت برای مدهای TE و TM  است و به راحتی با ایجاد حفره هایی در داخل صفحه ی GaAs،  ساخته می شود از آنجا که این نوع ساختار یک گاف نواری را برای محدوده طول موجی مورد نظر ایجاد می کند.پس نور با طول موج  مورد نظر نمی تواند از این ساختار عبور کند، در نتیجه کاملا منعکس می گردد.

 موجبرهای نور با اتلاف کم:

 زمانی که یک ردیف و یا یک ستون از دی الکتریک ها  را در شبکه بلور نوری برداریم، یک موج الکترومغناطیسی با فرکانس f می تواند در میان گاف نواری ساختار بلور نوری هدایت شود ایحاد نقص خطی مانند یک موجبر عمل می کند،این نقص های خطی به واسطه ی  اضافه و یا کم کردن یک لایه ی مشخص از یک ستون دی الکتریک، در امتداد یکی از جهت های بلور نوری ایجاد می شوند. بلورهای  نوری در این نوع از کاربردشان می توانند مانند یک سیم اپتیکی، بکار برده شوند، برای هدایت یک سیگنال نوری بین نقاط مختلف با   قطعات مختلف، بین یک مدار مجتمع نوری و با یک شبکه ارتبا طی ا پتیکی، بکار برده شوند، برای ایجاد چنین کانا لی می توان شعاع   میله های یک ردیف را تا حد یک نقطه، تا جایی که موجود نباشد، کاهش داد.

 میکروکاواک تشدیدگر: 

    یک میکرو کاواک در بلور نوری، به واسطه ی ایجاد یک نقص نقطه ای در شبکه ی واحد، ایجاد می شود.

   نقص نقطه ای را می توان با اضافه یا کم کردن شعاع یکی از میله ها، ایجاد کرد. اگر ماده ی دی الکتریک خارجی به یکی از    سلول های واحد اضافه شود، در آن صورت نقص مانند یک اتم دهنده در نیمه هادی ها، عمل کرده و به تعداد مدهای دهنده، اضافه   می شود، از طرف دیگر، برداشتن مقداری از ماده دی الکتریک، نقص را ماننداتم های پذیرنده در نیمه هادی ها که مد ها را می پذیرند،   می کند. نشان داده شده است که مدهای پذیرنده برای ساختن لیزر یا میکروکاواک رزونانسی، بسیار مناسب است.

   بنابراین با این مکانیزیم می توان، نور را داخل میکروکاواک، به دام انداخت. البته این ساختار، نور را در صفحه ی تناوب محدود می کند.

  برای جلوگیری از فرار نور در جهت سوم می توان شبکه ی نوری را بین دو صفحه ی دی الکتریک با ضریب شکست پائین تر محدود کرد.

  فاکتور کیفیت ( Q )، مقیاسی است که نشان می دهد که در یک کاواک باید چند نوسان رخ دهد،  قبل از آن که موج تضعیف شود.

  فاکتور کیفیت مربوط به مد های کاواک به طور عمده به عمق حفره هایی که بلور نوری را می سازند و همچنین به ضریب شکست ماده   اطراف موجبر، بستگی دارد.  این کاواک ها، زمانی که بخواهیم یک تابش را میان محدوده فرکانسی باریک، کنترل کنیممفید واقع می شوند. با تنظیم شعاع میله ها  می توان فرکانس به دام انداخته را در کاواک تنظیم کرد. این قابلیت تنظیم، یکی از خصوصیات مهم بلورهای نوری می باشد.

 فیلترها:

    وجود یک نقص در مجاورت محل عبور نور، قادر به گیر انداختن یک طول موج مشخص می باشد طبق نتایج به دست آمده، در داخل نقص، تشدید رخ داده و نور در جهت عمود برنور، تابش میشود.

   تابش نور از میان نقص، به فاکتور کیفیت بستگی دارد. اگر نقص درجهت عمود بر بلور، غیرمتقارن باشد، تابش موثری از نور درجهت رو به بالا ایجاد می گرددو اگر اندازه ی نقص را تغییر دهیم، طول موج دیگری ازنور، به دام خواهد افتاد.

     این خصوصیت را Drop Filtering   می گویند. هرگاه جریان مرکبی از داده ها در فرکانس های مختلف F1 و F2، ازطریق یک فیبر نوری خارجی، وارد یک تراشه ی میکرومتری از بلورنوری شدهو توسط یک کانال موجبر هدایت می گردد.

   جریان داده ها در فرکانس F1 و F2، به داخل مدهای نقص جایگزیده، وارد شده وتنها در جهت عمود بر بلور امکان انتشار دارند، که یا توسط فیبر نوری، هدایت می شوند و یا با قرار گرفتن در مجاودت یک موجبر دیگر، به داخل آن کوپل شده و به مسیر دلخواه فرستاده می شوند.

   فیبرهای بلورنوری:

     با ایجاد حفره های هوا در تمام طول دی الکتریک سیلیکا می توان یک بلور نوری به شکل استوانه به طول چندین متر ساخت.

    برای تولید یک فیبر نوری درحین عملیات ساخت، یک نقص با ضریب شکست بالا و یا پائین را در وسط استوانه ایجاد می کنند به گونه ای که، مد فرکانسی خاصی را بتواند انتقال دهد. باید توجه داشت که طول موج هدایت شده، در ابعاد قطر میله های هوا و ثابت شبکه می باشد. به عنوان مثال، فیبر نوری از جنس سیلیکا با ثابت شبکه a=2 میکرو متر، گاف نواری برای طول موج ۵/۱   میکرومتر ایجاد می کند. در فیبرهای بلور نوری که دارای یک نقص با ضریب شکست بالا در وسط استوانه می باشند، علاوه بر   خصوصیت باند نواری، انعکاس کلی هم در هدایت امواج از میان فیبر اهمیت می یابد؛ زیرا اطراف نقص را میله های هوا با ضریب شکست پایین تر احاطه کرده است.

   طیف سنج ماخ – زندر:

    بلورهای نوری باعث کاهش اندازه ی قطعات نوری به طور قابل ملاحظه ای شده است. در ساخت طیف سنج ها از موجبر های بلورنوری با انشعاب Y استفاده می شود. اختلاف راه نوری ایجاد شده بین بازوهای تداخل سنج، یا به واسطه اختلاف طول بازوها است، یا به واسطه ی عامل خارجی دیگری مثل الکترود حرارتی که به منبع تغذیه متصل است و به عنوان مکانیزم سوئیچ کردن استفاده می شود. این امر باعث کاهش سرعت نور در یکی از بازو ها می شود.

 

تابش زمینه ی پرتو های ایکس کیهانی

وقتی شما کلمه ی پرتو ایکس را می شنوید احتمالاً به یاد آخرین مراجعه ی خود به دندان پزشکی می افتید.

اما آیا تا کنون واقعاً توجه کرده اید که پرتو ایکس چیست؟

پرتوایکس، ذره ای انرژی یا فوتونی است که انرژی آن حدود اً هزار برابر انرژی یک ذره ی نور مر ئی است.

از آن جا که طول موج پرتو ایکس از طول موج فوتون نوری به مراتب کوتاه تر و بسامد ( فرکانس – تواتر )   آن از بسامد فوتون نوری به مراتب بیشتراست، بنابراین، پرتو ایکس آنقدر انرژی دارد که بتواند به راختی از دندان ها بگذرد. به سبب آن که پرتو های ایکس حوزه های تابش انرژی بالا را مشخص می سازنداز نظر اختر شناسان مهم هستند. به عبارت دیگر، اجرامی که مقادیر زیادی از پرتو ایکس ساطع می کنند، در واقع انرژی زیادی آزاد می سازند. این امر می تواند به دلایل گوناگون مانند چرخش ماده بر روی یک سیاهچاله، ستاره ی نوترونی یا کوتوله ی سفید رخ دهد. این اجرام منفرد که قابل تشخیص اند، برای مطالعه ی چگونگی توزیع ماده در فضا، هر چه انتشار پرتو ایکس از جسمی مانند ستاره ی نوترونی بیشتر باشد، مقدار ماده ای که بر آن سقوط می کند بیشتر است.

با وجود این، نمی توان گفت که همه ی پرتوهای ایکس از منبع هایی مجزا انتشار می یابند: سرتاسر آسمان را تابش زمینه ی ضعیفی از پرتوهای X پر کرده است. منبع اسرار آمیز این تابش ضعیف سرتاسری چیست؟ این پرسشی برای اختر شناسان است، زیرا تا پیش از سال 1947 جهان پرتو ایکس ناشناخته بود. بر خلاف بخش های رادیویی و مرئی طیف الکترومغناطیسی، پرتو ایکس نمی تواند در جو زمین نفوذ کندو ما برای آشکار ساختن آن ناگزیر باید از جو فراتر رویم. تازمان پیشرفت تکنولوژی فضایی از جنگ جهانی دوم، اختر شنایان راهی برای انجام این کار نداشتند. در سال های اول دهه ی 1960، موشک ها و ماهواره های زیادی برای تحقیقات اختر شناسی و اختر شناسی بر مبنای پرت ایکس مورد استفاده قرار گرفتند، و اختر شناسی پرتوایکسی، که رشته حیاتی برای شناخت جهان است، با جدیت آغاز شد.

آغاز اختر شناسی بر مبنای پرتوایکس به سال های دهه 1940 بر می گردد، یعنی زمانی که تنی چند از دانشمندان، خورشید را به عنوان یک منبع احتمالی تولید پرتو ایکس مورد توجه قرار دادند. اگر خورشید یک منبع پرتو ایکس می بود، دیگر ستارگان نیز باید یک یک منبع می بودند و بنابر این با تابش پرتو ایکس از خود، می توانستند اطلاعات زیادی در باره ی شرایط جاهای دیگر جهان در اختیار ما قرار دهند.

بعد از جنگ جهانی دوم،  ایالات متحده یکی از موشک های آلمانی وی – 2 را، که به غنیمت گرفته شده بودند، برای پژهش پرتو های ایکس گسیل شده از خورشید راهی فضا کرد. تجربه وی – 2 نشان داد که خورشید به راستی یک منبع تولید پرتوی ایکس است. ولی این منبع آنقدر ضعیف بود که تا چند سال تنها تعداد بسیار کمی از دانشمندان علاقمندی بیشتری به مطالعه ی پرتو های ایکس کیهانی نشان دادند. در آن زمان، باور بر این بود که فقط به خاطر آن که خورشید 150 کیلو متر با ما فاصله دارد، پرتو های ایکس آن آشکار می شوند. هیچکس فکر نمی کرد که پرتو های ایکس ستارگان دیگری که در فاصله ی چندین سال نوری قراردارند نیز بتوانند آشکار شوند. ریکردو جیاچونی فیزیکدان ایتالیایی، به هنگام پیوستن به « شرکت پژوهشی علوم و مهندسی آمریکا» در سال های اول دهه ی 1960، به خوبی از این حقیقت آگاه بود. این شرکت، که در شهر کمبریج ماساچوست قرار داشت برای مطالعه ی اثرات ریزش مواد هسته ای بر جو زمین ایجاد شده بود. ام در زمانی که جیا چونی به آن ملحق شد، مدیران شرکت به پژوهش در زمینه های جدید علاقه مند شدند. او در دانشگاه پرینستون، یعنی جایی که به امکان آشکار سازی پرتو های ایکس خورشید علاقه نشان داده بود، بر روی پرتو های ایکس می توانند از محیط میان ستاره ای که کهکسان راه شیری را اشباع می کند نفوذ کنند؛اگر ما بتوانیم این پرتو ها را آشکار کنیم دریچه ای تازه به جهان گشوده خواهد شد. به این ترتیب، فضا را چنان خواهیم دید که پیش از آن هرگز بدان گونه دیده نشده است. جیاچونی و همکارانش آشکار سازی ساختند که می توانست پرتو های ایکس از یک سطح بزرگ بر روی یک صفحه ی کوچک جمع کننده به اندازه ی یک سکه منعکس سازد. هرزمان که یک پرتو ایکس به این صفحه ی جمع کننده برخورد می کرد، علامت الکتریکی تولید می شد که اندازه گیری شدت تابش را تمکان پذیر می ساخت. در دوازدهم ژوئن 1962 این آشکار ساز بر روی یک موشک « آیروبی» قرارداده شد و به فضا پرتاب گردید. و به این ترتیب در صورت فلکی عقرب، بر خلاف تصورات قبلی اشان به منبع قدرتمندی از پرتو ایکس دست یافتند که امروزه عقرب ایکس – یک نامیده می شود. رد یاب آیروبی کشف کرد که جهان ظاهراً  در میان فروزش ضعیف و غیر قابل تشخیص تابش یکنواخت پرتو ایکس، که طبق نشانه های آشکار ساز در هر طرف وجود داشت، جای دارد. دانشمندان دوروش برای تولید پرتو ایکس می دانند، روش اول با یک اتم سنگین حاوی یک الکترون در تراز انرژی پایین شروع می شود، اگر این الکترون به تراز انرژی پایین تر جهش کند، فوتونی با طول موج پرتو ایکس از خود گسیل می کند، چون اتم های سنگین در فضا کمیاب هستند بعید به نظر می رسد که این عامل سبب پدید آمدن پرتوهای ایکس زمینه باشد.روش دوم پیدایش پرتوایکس، تابش ترمزی نامیده می شود، فرض کنید که ما یک ذره با بار مثبت، مثلاًپروتون، و یک الکترون با سرعت زیاد داشته باشیم. اگر الکترون از کنار پرتون عبور کند منحرف می شود. هرگاه یک ذزه ی باردار شتاب بگیرد ( انحراف خود نوعی شتاب است ) از خود تابش گسیل می کند. اگر این  شتاب به اندازه ی کافی زیاد باشد تابش در شکل پرتو های ایکس خواهد بود.

آیا این همان فرایندی است که به ظهور پرتوایکس زمینه منجر می شود؟

چیزی که این فرضیه را تأیید می کند وجود گازی مرکب از ذرات مثبت و منفی، یا به عبارت وجود یک پلاسما است. چون الکترون ها باید به سرعت حرکت کنند، بنابر این پلاسما باید داغ باشد. تاج خورشید چنین پلاسمایی است و از خود پرتو ایکس گسیل می کند. محاسبات نشان می دهد که دمای پلاسما باید در حدود 500 میلیون درجه سانتی گراد باشد. پس مشکل اصلی ما، همین دماست، با وجود این، شواهدی در دست است که نشان می دهندکه پرتو ایکس توسط یک گاز داغ میان کهکشانی گسیل می یابند، این یافته ها از نخستین سه ماهواره ی « رصد خانه اختر شناسی انرژی بالا» HEAO که  در سال های آخر دهه ی 1970 به فضا فرستاده شدند به دست آمد. در یکی از آزمایش ها طیفی از زمینه ی پرتو ایکس به دست آمد که به خوبی با طیف تولید شده توسط گازهای داغ مطابقت داشت. اخیراًدلیل دیگر در تأیید نظریه ی گاز داغ، از تابش های قوی پرتو ایکس، که از خوشه های کهکشان ها گسیل می شوند. این، یا پلاسمای داغ ، در سرتاسر حوشه ها پراکنده است و به نظر می رسد آن هارا احاطه می کند. اگر جهان به اندازه ی کافی ماده داشته باشد، سرانجام از انبساط باز می ایستد و انقباظ و فروریزش آن آغاز می شود؛و اگر ماده ناکافی باشد، جهان برای همیشه انبساط می یابد. مقدار ماده ای که در کهکشان ها می بینیم خیلی کمتر از مقدار ماده مورد نیاز برای تشکیل یک جهان بسته است، اما احتمالاًبیرون از آن ها مقدار زیادی ماده وجود دارد که ما نمی توانیم مستقیماً آن را مشاهده کنیم. این مقدار ماده معمولاً به « جرم گمشده » موسوم است. در اینجاست که حرف از پلاسمای داغ به میان می آید. اگر این پلاسما وجود داشته باشد، سهم قابل ملاحظه ای در حل مسأله « جرم کمشده » خواهد داشت. در واقع، اختر شناسان با تعیین این که چند اتم در واحد حجم پلاسما لازم است تا پرتو تا پرتوایکس به شدتی که مشاهده می کنیم، گسیل شود مقدار پلاسمای «جرم گمشده » را محاسبه کرده اند.نتایج این محاسبات حیرت آوراست: جرم محیط میان کهکشانی تقریباًمعادل جرم گمشده است. اگر پلاسمای داغ بین کهکشا نها وجود داشته باشد، به آن معنا ست که جهان بسته است و تا ابد انساط نخواهد یافت.

این نظریه که تابش پرتو ایکس از یک پلاسمای داغ پراکنده در سرتاسر جهان ناشی می شود، در حقیقت یک تیر با دو نشان است. بر مبنای آن، هم می توان پرتوایکس زمینه و هم جرم گمشده ی جهان را توضیح داد.اما متأسفانه ای نظریه، مشکلات جدی در بردارد، این که انرژی لازم برای گرم گردن گاز تا 500 میلیون درجه از کجا می آید، خود یک مسأله است. حتی اگر این گاز بین کهکشانی هم وجود می داشت، گاز درون و پیرامون خوشه های کهکشانی را به چنان نقطه ای از گرما می رساند که از خوشه جدا می شدند. با وجود این،  چند ین خوشه ها پیدا شده اند که حاوی گاز هستند.

 وقتی که دومین ماهواره از سری HEAO یعنی« رصد خانه ی اینشتین » در سال 19 79 به فضا پرتاب شد، آشکار سازی با خود حمل کرد که1000بار حساس تر از مدل های قبلی بود. ماهواره در مدتی کوتاه، منبع های متعددی از پرتوایکس کشف کرد که بیشتر آن ها کوازار بودند. گرچه ماهیت کوازار ها شناخته شده نیست اما می دانیم که آن ها از اجرام گسیل کننده پرتو های ایکس بسیار پر انرژی هستند و بیشتر شان در مسافتی به مراتب دورتر از کهکشان معمولی قراردارند. بدون در نظر گرفتن این که منبع، کوازار یا گاز داغ باشد، مسأله ی دیگری وجود دارد که به آسانی حل نمی شود. پرتوهای ایکس تراز های انرژی نسبتاً بالایی دارند. احتمالاً پرتوهای ایکس کم انرژی یا « ملایم » هم از این منبع ها گسیل می یابند که موضوع را پیچیده تر می کند. متأ سفانه به خاطر آن که راه شیری خود پرتو های ایکس کم انرژی گسیل می کند، این منبع ها برای ما قابل مشاهده نیستند. این زمینه ی ملایم پرتوایکس توسط ماهواره های HEAO کشف و مشاهده شده است، که بر عکس تابش رسیده از فضاهای دور، دراطراف ما یکنواخت نیست بلکه توزیعی تکه تکه دارند که گاه همراه با « نقاط داغ » است. بیشتر این تابش ملایم احتمالاً از مناظق داغ پلاسمای فضای میان کهکشانی سر چشمه می گیرد. به حاطر وجود پرتو ایکس کم انرژی کهکشان راه شیری، مطالعه ی پرتو ایکس کم انرژی زمینه در کل، مشکل می شود. احتمالاً بعضی از گازهای میان کهکشانی دمای نسبتاً کمتری دارند؛ اگر چنین باشد، ما نمی توانیم آن ها را آشکار کنیم. این دمای پایین ممکن است به طور قابل توجه ای به جرم گمشده مربوط شود. آنچه می دانیم آن است که پرتو ایکس زمینه وجود دارد. شاید از یک ابر گازی میان کهکشانی فوق العاده داغ، یا کوازار ها به دیگر کهکشان های پر انرژی دور دست یا از هر دو سرچشمه می گیرد. هنوز بای چیز های زیادی در مورد اختر شناسی پرتوایکس آموخت. امید آن می رود که با پی گیری این حوزه از مطالعات، نه تنها تابش پرتو ایکس بلکه همچنین اطلاعاتی در مورد آغاز جهان و سرنوشت نهایی آن برما روشن شود.