مقاله های اینشتین و فیزیک نوین

از میان مجموعه مقاله های اینشتین مقاله ای كه او در سال ۱۹۰۵ عرضه كرد، اثر مهمی در پیشرفت علم داشته است. در آن مقاله پدیده فوتوالكتریك را شرح می دهد و با استفاده از نظریه كوانتوم پلانك نظریه فوتونی نور را بیان می كند. بر طبق این نظریه نور مانند انرژی های دیگر حالت كوانتومی دارد. كوانتوم نور را كه فوتون می نامیم مقدار مشخص انرژی است كه اندازه آن، E، از رابطهhv = Eبه دست می آید كه v بسامد موج و h ثابت پلانك است.
بنابر این نظریه هر چه بسامد نور بیشتر یا طول موج آن كمتر باشد، انرژی فوتون بیشتر است. چنانچه این فوتون ها در مسیر حركت خود به الكترون هایی برخورد كنند، جذب الكترون می شوند و انرژی الكترون را بالا می برند و در نتیجه الكترون می تواند از میدانی كه در آن قرار گرفته است، آزاد و خارج شود. اینشتین به مناسبت توضیح پدیده فوتوالكتریك جایزه نوبل سال ۱۹۲۱ فیزیك را دریافت كرد. نظریه فوتونی او نه فقط نور بلكه سراسر طیف موج های الكترومغناطیسی از موج های گاما تا موج های بسیار بلند را دربرمی گیرد و توضیح می دهد.
موضوع دومین مقاله اینشتین حركت براونی بود. در سال ۱۸۲۷ رابرت براون (۱۸۵۸- ۱۷۷۳) گیاه شناس و پزشك انگلیسی حركت مداوم معلق دو مایع را مشاهده كرد و متوجه شد كه این ذره ها با قطری حدود یك میكرون پیوسته به این سو و آن سو حركت می كنند. اینشتین همین آزمایش را در مقاله ای با استفاده از نظریه جنبشی ذره ها تعبیر و تفسیر كرد و از روی آن عدد آوودگادرو را به دست آورد.
اینشتین نظریه نسبیت خاص را در مقاله سوم معرفی كرد. در این مقاله بود كه مفاهیم اساسی طبیعت موجی فضا، حجم، زمان و حركت به طور كامل تغییر كرد. اینشتین ضمن مطالعه های خود توانست مسئله سرعت نور را كه از مدت ها پیش تعجب دانشمندان را برانگیخته بود، حل وفصل كند. او نظریه خود را براساس دو اصل زیر قرار داد:
۱) سرعت نور در جهان ثابت است
۲) قانون های طبیعت برای ناظرین مختلف كه یكنواخت حركت می كنند یكسان است.
اینشتین نشان داد كه اگر ثابت نبودن سرعت نور را بپذیریم، نتیجه های شگفت انگیزی به بار می آید. برای مثل هر چه سرعت حركت جسمی بیش تر شود، طول آن كوتاه تر و جرمش بیشتر می شود. نتیجه دیگر آنكه به زمان مطلق و فضای مطلق به شكلی كه پیشینیان تصور می كردند نمی توان قائل شد و زمان و فضا را جدا و مستقل از یكدیگر نمی توان در نظر گرفت. دنیای مادی یك فضا و زمان چهاربعدی است. جرم یك جسم نیز ثابت نیست و با تغییر سرعت تغییر می كند به طوری كه می توان جرم را نوعی انرژی متراكم در نظر گرفت و یا انرژی را جرم پراكنده دانست. اینشتین با بیان نظریه نسبیت خاص، قانون بقای ماده لاوازیه و اصل بقای انرژی مایر را به اصل بقای مجموع ماده و انرژی درآورد و رابطه معروف جرم و انرژی را به دست آورد. اینشتین در سال ۱۹۱۶ نظریه نسبیت عام را تنظیم و اعلام كرد. در این نظریه نه تنها حركت با سرعت ثابت و مسیر مستقیم، بلكه هر نوع حركتی در نظر گرفته شده بود. در بسیاری موارد دلیل آنكه سرعت و مسیر حركت هر متحركی تغییر می كند، وجود نیروی جاذبه است. بنابراین در نظریه نسبیت عام باید نیروی جاذبه در نظر گرفته شود. اینشتین یك رشته معادله تنظیم كرد كه نشان می داد اگر در هیچ جا ماند و نیروی جاذبه وجود نداشته باشد، جسم متحرك مسیر مستقیمی را طی می كند و اگر ماده وجود داشته باشد فضای پیرامون جسم متحرك دگرگون شده، جسم مسیر منحنی را طی می كند. نظریه نسبیت عام نشان می دهد كه این منحنی ها چگونه باید باشند و این به طور كامل با آن چه در نظریه جاذبه نیوتن پیش بینی شده بود، تطبیق نمی كرد. برای مثال بر طبق نظریه اینشتین مسیر نور تحت تاثیر میدان جاذبه قوی تغییر می كند. در صورتی كه از قانون های نیوتن چنین نتیجه ای به دست نمی آمد. كسوف سال ۱۹۱۹ نظریه اینشتین را ثابت كرد. در سال ۱۹۶۹ دو سفینه پژوهشی كه به سمت مریخ فرستاده شدند، اثر خورشید بر مسیر موج های رادیویی را مورد مطالعه و مشاهده قرار دادند.
● ایران و سال جهانی فیزیك
سال جهانی فیزیك فرصت مناسبی است تا در ایران به نقد آموزش علوم و پژوهش های علمی بپردازیم و مشخص كنیم آیا راه و روشی را كه از زمان بنیانگذاری دارالفنون تاكنون برگزیده ایم درست و بجا بوده و توانسته است بستری مناسب برای فعالیت های علمی و پژوهشی به وجود آورد. آیا با همه سرمایه گذاری های مادی و معنوی توانسته ایم جامعه ایرانی را به حالتی برسانیم كه به علم باور داشته باشند، علمی بیندیشند، بتوانند تولیدكننده علم باشند و بدانند كه برای رساندن جامعه به خودكفایی و توسعه پایدار، كاری مداوم و جدی و همگانی لازم است.
گرچه نمی توان منكر تلاش های صمیمانه افراد و سازمان های مؤثر در آموزش علوم جدید در ایران شد لیكن در این مدت نتوانسته ایم به سطح مورد انتظار جامعه برسیم، ولی توانسته ایم پایه های اولیه را طرح ریزی و شروع به سازندگی كنیم. این كار از یك سو از دبستان ها و از سوی دیگر از دانشگاه ها آغاز شده است. در دبستان ها فعالیت آموزش علوم با طرح جدیدی كه هم اكنون در مدرسه ها اجرا می شود، آغاز شد. كودكان را به مشاهده مستقیم طبیعت و كارگروهی برانگیخته اند و به جای آنكه فقط دانستنی ها را به ذهن آنها منتقل كنند، معلمان، كودكان را به مشاهده طبیعت، جمع آوری اطلاعات، طبقه بندی و حتی طراحی آزمایش، فرضیه سازی و نتیجه گیری تشویق می كنند و همه اینها مقدمه ای است برای آنكه كودكان با روش علمی آشنا شوند.
در دانشگاه ها تحقیقات سازمان یافته آغاز شده است. پروژه های تحقیقاتی گرچه در ابتدا حالت تقلیدی و كتابخانه ای داشت، كم كم به مرحله علمی نزدیك می شود و امید است، تحقیقات به معنای واقعی در كشور آموزش داده شود و جریان یابد.
اكنون مشكل بزرگ در برنامه دبیرستان ها وجود دارد. دانش آموزان به جای آموختن روش حل مسئله به حفظ كردن پاسخ ها می پردازند تا آنها را تحویل آزمون ها و كنكور دانشگاه دهند و به مدرك های بالاتر دست یابند. با توجه به آنكه مخاطبان سال جهانی فیزیك، دانش آموزان نیز هستند می توان امیدوار بود كه با نیروهای مخلصی كه در میان معلمان وجود دارد و نیز تشویق هایی كه از طرف سازمان ها صورت می گیرد و كارگاه های علمی كه از سوی كشورهای پیشرفته صنعتی در كشور تشكیل و اجرا می شود، به هدف های مورد نظر دست یافت و روش علمی را در فعالیت های آموزشی و پژوهشی یاد گرفت و به كار برد.
نویسنده این نوشته تاكنون شاهد همایش ها و جلسه های متعددی بوده كه از سوی دبیران فیزیك و انجمن های علمی تشكیل شده و دانش آموزان و دبیران به تهیه و عرضه مقاله های علمی و تولید نرم افزارهای كامپیوتری و نیز ابزارهای آزمایشگاهی و كارگاهی دست زده اند. همه این كارها به علاقه مندان این كشور امید می دهد كه جامعه علمی ما در حال بیدار شدن است. بیدارگران پرتلاش و پر امید به بیدار كردن خواب آلودگان مشغولند. گرچه برخی از سازمان ها و افراد هنوز در كار متوقف كردن جریان علمی در كشور هستند، اما در جامعه نه تنها زنگ ها بلكه ناقوس های بیداری به صدا درآمده و هیچ فردی را فرصت و مهلت خوابیدن نمی دهد.
● روزی كه اینشتین رمق فكر كردن نداشت
اینشتین در نوجوانی علاقه چندانی به تحصیل نداشت. پدرش از خواندن گزارش هایی كه آموزگاران درباره پسرش می فرستادند، رنج می برد. گزارش ها حاكی از آن بودند كه آلبرت شاگردی كندذهن، غیرمعاشرتی و گوشه گیر است. در مدرسه او را «بابای كندذهنی» لقب داده بودند. او در ۱۵ سالگی ترك تحصیل كرد، در حالی كه بعدها به خاطر تحقیقاتش جایزه نوبل گرفت!
شاید شما نیز این جملات را خوانده یا شنیده باشید و شاید این پرسش نیز ذهن شما را به خود مشغول كرده باشد كه چگونه ممكن است شاگردی كه از تحصیل و مدرسه فراری بوده است، برنده جایزه نوبل و به عقیده برخی از دانشمندان، بزرگ ترین دانشمندی شود كه تاكنون چشم به جهان گشوده است؟
با مطالعه دقیق تر زندگی این شاگرد دیروز، پاسخ مناسبی برای این پرسش پیدا خواهیم كرد. آلبرت بچه آرامی بود و والدینش فكر می كردند كه كندذهن است. او خیلی دیر زبان باز كرد، اما وقتی به حرف آمد، مثل بچه های دیگر «من من» نمی كرد و كلمه ها را در ذهنش می ساخت. وقتی به سن چهار سالگی پاگذاشت، با بیلچه سر خواهر كوچكش را شكست و با این كار ثابت كرد كه اگر بخواهد، می تواند بچه ناآرامی باشد!
پدر و مادر آلبرت به بچه های كوچك خود استقلال می دادند. آنان آلبرت چهارساله را تشویق می كردند كه راهش را در خیابان های حومه مونیخ پیدا كند. در پنج سالگی او را به مدرسه كاتولیك ها فرستادند. آن مدرسه با شیوه ای قدیمی اداره می شد. آموزش از طریق تكرار بود. همه چیز با نظمی خشك تحمیل می شد و هیچ اشتباهی بی تنبیه نمی ماند و آلبرت از هر چیزی كه حالت زور و اجبار و جنبه اطاعت مطلق داشته باشد، متنفر بود. اغلب كسانی كه درباره تنفر اینشتین از مدرسه، معلم و تحصیل نوشته اند، به نوع مدرسه، شیوه تدریس معلم و مطالبی كه این دانش آموز باید فرا می گرفت، كمتر اشاره كرده اند. بازخوانی یك واقعه مهم در زندگی اینشتین ما را با مدرسه محل تحصیل او آشناتر می كند: روزی آلبرت مریض بود و در خانه استراحت می كرد. پدرش به او قطب نمای كوچكی داد تا سرگرم باشد. اینشتین شیفته قطب نما شد. او قطب نما را به هر طرف كه می چرخاند، عقربه جهت شمال را نشان می داد. آلبرت كوچولو به جای این كه مثل سایر بچه ها آن را بشكند و یا خراب كند، ساعت ها و روزها و هفته ها و ماه ها به نیروی اسرارآمیزی فكر می كرد كه باعث حركت عقربه قطب نما می شود. عموی آلبرت به او گفت كه در فضا نیروی نادیدنی (مغناطیس) وجود دارد كه عقربه را جابه جا می كند. این كشف تاثیر عمیق و ماندگاری بر او گذاشت. در آن زمان، این پرسش برای آلبرت مطرح شد كه چرا در مدرسه، چیز جالب و هیجان انگیزی مثل قطب نما به دانش آموزان نشان نمی دهند؟! از آن به بعد، تصمیم گرفت خودش چیزها را بررسی كند و به مطالعه آزاد مشغول شود. اینشتین ده ساله بود كه در دبیرستان «لویت پولت» ثبت نام كرد. در آن موقع، علاقه بسیاری به ریاضی پیدا كرده بود. این علاقه را عمویش اكوب و یك دانشجوی جوان پزشكی به نام ماكس تالمود در وی ایجاد كرده بودند. تالمود هر پنجشنبه به خانه آنان می آمد و درباره آخرین موضوعات علمی با آلبرت حرف می زد. عمویش نیز او را با جبر آشنا كرده بود. اینشتین در دوازده سالگی از تالمود كتابی درباره هندسه هدیه گرفت.
او بعدها آن كتاب را مهم ترین عامل دانشمند شدن خود عنوان كرد. با این كه آلبرت در خانه چنین علاقه ای به ریاضیات و فیزیك نشان می داد، در دبیرستان چندان درخششی نداشت. او در نظام خشك و كسل كننده دبیرستان، علاقه اش را به علوم از دست می داد و نمراتش كمتر و كمتر می شدند. بیشتر معلمانش معتقد بودند كه او وقتش را تلف می كند و چیزی یاد نمی گیرد. هرچند اینشتین به قصد این درس می خواند كه معلم شود نه فیزیكدان، اما از معلمان خود دل خوشی نداشت و از زورگویی آنان و حفظ كردن درس های دبیرستان، دل پرخونی داشت. از این رو، خود را به مریضی زد و با این حیله، مدتی از دبیرستان فرار كرد! چون معلم ها نیز از او دل خوشی نداشتند، شرایط را برای اخراج او از مدرسه فراهم كردند. اینشتین بعدها در این باره گفت: «فشاری كه برای از بر كردن مطالب امتحانی بر من وارد می آمد، چنان بود كه بعد از گذراندن هر امتحان تا یك سال تمام، رمق فكر كردن به ساده ترین مسئله علمی را نداشتم!» اینشتین بعدها مجبور شد در دبیرستان دیگری دیپلم خود را بگیرد و سرانجام با هزار بدبختی گواهینامه معلمی را دریافت كند.
بعد از آن، مدتی معلم فیزیك در یك مدرسه فنی شد، اما چون روش های خشك تدریس را نمی پسندید، پیشنهادهایی در مورد تدریس به رئیس مدرسه داد كه پذیرفته نشدند و به این ترتیب بهانه اخراج خود را فراهم كرد.اینشتین پس از این واقعه، زندگی دانشجویی را برگزید و پس از فارغ التحصیلی، در اداره ثبت اختراعات به كار مشغول شد. او از كار كردن در این اداره راضی بود. عیب دستگاه های تازه اختراع شده را پیدا می كرد و در ساعت اداری، وقت كافی داشت تا به فیزیك فكر كند. در همین اداره بود كه مقاله های متعددی نوشت و در مجلات معتبر منتشر كرد. جالب این كه دانشمند بزرگ كه با فرضیات خود انقلابی در جهان دانش به پا كرد، در شرایطی كار می كرد كه برای هر دانشمند دیگری غیرممكن بود! او نه با فیزیكدان حرفه ای تماس داشت و نه به كتاب ها و مجلات علمی مورد نیاز دسترسی داشت. در فیزیك فقط به خود متكی بود و كس دیگری را نداشت كه به او تكیه كند! اكتشافات او چنان خلاف عرف بودند كه به نظر فیزیكدانان حرفه ای، با شغلی كه او به عنوان یك كارمند جزء در دفتر ثبت اختراعات داشت، سازگار نبودند.

برگرفته از كتاب اینشتین در ۹۰ دقیقه - جان و مری گریبین /ترجمه پریسا همایون روز .
به نقل از سی پی اچ تئوری

منبع : شبکه فیزیکی هوپا