«لذت فیزیک»، نخستین ماهنامه عمومی فیزیک

در نخستین شماره این مجله که با هدف آموزش مفاهیم فیزیکی و ترویج این دانش پایه با زبانی ساده و فارغ از فرمول‌ها و روابط پیچیده منتشر شده، مطالب و مقالات مختلفی با عنوان «نور، رازی که هنوز سر به مهر است»، «آنچه برای نیوتنی فکر کردن نیاز داریم»، «هواپیما چگونه پرواز می‌کند»، «فیزیک فوتبال»، «مکانیک حرکت ماهی‌ها» و «آزمایشی ساده مربوط به لختی» و ... درج شده است.

در بخشی از مقاله‌ «فیزیک فوتبال» آمده است: «فوتبال، مردمی‌ترین ورزش جهان است اما علیرغم آن،‌ توجه به جنبه‌های علمی بازی اندک است. برای نمونه گلف و کریکت مورد توجه بیشتری قرار گرفته‌اند؛ اما برای یک فیزیکدان، مکانیک و آئرودینامیک فوتبال پهنه وسیعی از سوالات جالب را فراهم می‌آورد.

هنگامی که موضوع فیزیک فوتبال پیش می‌آید، اغلب صحبت بر سر خط سیر منحنی توپ فوتبال است؛ برای مثال در طول برگزاری جام جهانی 1974 بینندگان تلویزیون از مشاهده ضربه موزی شکل غیر منتظره بازیکن برزیلی روبرتو ریولینو به شگفت آمدند. از آن هنگام توانایی منحرف کردن مسیر توپ به عنوان یکی از مهارت‌های بازی به حساب می‌آید؛ اما بینندگان هرگز از مشاهده یک ضربه ماهرانه قوس دار خسته نمی‌شوند.

در سال 1997 طرفداران فوتبال در سراسر دنیا با مشاهده شوت قوس دار کاملا ویژه‌ای که توسط یک بازیکن برزیلی دیگر روبرتو کارلوس در بازی مقابل فرانسه نواخته شد، هیپنوتیزم شدند. ضربه او که یک شوت آزاد از فاصله 30 متری دروازه حریف بود قبل از آنکه قوس برداشته و در گوشه دروازه فرانسه فرود آید، دیوار دفاعی آنها را با فاصله حداقل 1 متر دور زد.

بیشتر فیزیکدانان می‌دانند که خط سیر منحنی توپ به دلیل «اثر مگنوس» است، اما تا حدی در تشریح آن نامطمئن بوده و توضیحات ساده‌ای که انتشار می‌یابد، اغلب گمراه کننده است.

قبل از در نظر گرفتن مسیر منحنی توپ اجازه دهید با مساله ساده‌تری یعنی جهش توپ شروع کنیم؛ این موضوع باز هم به طور ضمنی به جام جهانی اشاره دارد. چه کسی می‌تواند گل سوم و بحث برانگیز گئوف هورست را در پیروزی 4 بر 2 انگلستان در مقابل آلمان غربی در جام جهانی 1966 فراموش کند؟ شوت هورست از روی تیرک عمودی به داخل گل و سپس به بیرون پرید و در نهایت توسط یک مدافع آلمانی برگشت داده شد. چگونه چنین چیزی ممکن است اتفاق بیافتد؟ ....»

نخستین شماره ماهنامه «لذت فیزیک» به صاحب‌امتیازی و مدیرمسوولی امیر راد و با همکاری زهرا اشرفی میلانی، آرش کرامتی، هومن شهبازی و دکتر قربان ولییی منتشر شده است.

علاقمندان می‌توانند برای ارتباط با این نشریه با شماره تلفکس 88672727 یا به نشانی پست الکترونیکی [e-mail] تماس بگیرند.

سیاه چاله ها در قرآن

خداوند در قرآن فرموده اند:

یکی از معجزات علمی که در قرآن آمده است، در مورد سیاه چاله ها می باشد.

خداوند با اشاره به مشخصات خاصی، در آیه زیر به سیاه چاله ها اشاره می کنند.

این مشخصات عبارتند از:

۱) آن ها ستارگانی در حال حرکت هستند.

۲) آن ها پنهان هستند.

۳) آن ها ستارگانی جارو کننده هستند.

اجازه بدهید قبل از اینکه ببینیم اخترفیزیک دان ها در مورد سیاه چاله ها چه می گویند، به آیه زیر از قرآن کریم اشاره کنیم.

خداوند در قرآن فرموده اند:

{ فَلا أُقْسِمُ بِالْخُنَّسِ*الْجَوَارِ الْکُنَّس* وَاللَّیْلِ إِذَا عَسْعَسَ * وَالصُّبْحِ إِذَا تَنَفَّسَ * إِنَّهُ لَقَوْلُ رَسُولٍ کَرِیمٍ}[التکویر:۱۵-۱۹]

به راستی سوگند به اختران بازآینده نمی خورم. ۱۶. آن روندگان نهان شونده. ۱۷. و به شب چون تاریک شود. ۱۸. و به سپیده چون بدمد. ۱۹. که این سخن فرستاده ای است بزرگوار(جبرئیل).

به خوبی امروزه مشخص شده است که ستارگان در طول عمر خود دچار تحول می شوند تا آنکه بمیرند. یکی از انواع مرگ ستارگان، تبدیل شدن به سیاه چاله است.

خداوند در قرآن می فرمایند:

{وَلا تَدْعُ مَعَ اللَّهِ إِلَهًا آخَرَ لا إِلَهَ إِلا هُوَ کُلُّ شَیْءٍ هَالِکٌ إِلا وَجْهَهُ لَهُ الْحُکْمُ وَإِلَیْهِ تُرْجَعُونَ}[القصص:۸۸]

با خداوند، معبود دیگری را نخوانید. خدایی نیست جز او، هرچیزی نابود می شود مگر ذات او. فرمان مخصوص اوست، به سوی او بازگردانده می شوید.

در طول دوره زندگی ستارگان، آن ها موجودیت خود را تغییر می دهند. این تغییر میلیون ها سال طول می کشد. یکی از آن ها تبدیل شدن به سیاه چاله است که چهره ای ترسناک دارد.

● انواع سیاه چاله ها کدامند؟

دانشمندان سه نوع سیاه چاله را کشف کرده اند:کوچک، متوسط و بزرگ.

۱) نوع کوچک یا کم جرم یا نوع اختری یا کهکشانی

این نوع از سیاه چاله ها از ستارگانی تشکیل می شوندکه جرمشان ۱۰۰برابر جرم خورشید ما است.

وقتی که انرژی چنین ستاره ای تمام می شود، پوسته خارجی خود را پرتاب می کند و هسته خود را که هنوز ۱۵برابر خوررشید ما است را نگه می دارد.

دانشمندان عقیده دارند که کهکشان راه شیری ما دارای ده ها هزار از این سیاه چاله ها است بنابراین به آن سیاه چاله کهکشانی می گویند.

۲) سیاه چاله های متوسط.

۳) سیاه چاله های بسیار سنگین.

در مرکز کهکشان ها قرار دارند. بعضی از دانشمندان عقیده دارند که بیشتر کهکشان ها که کهکشان ما هم جزوی از آن است، دارای سیاه چاله ای در مرکز خود است.

در ستارگان سنگین دو فرایند مهم پیوسته رخ می دهد. یکی جوش هسته ای است( که هیدروژن را از مرکز ستاره به بیرون می فرستد و دیگری جاذبه (که تمامی هیدروژن را به طرفی که آمده بود می کشد). این دو روند یکدیگر را خنثی می کنند تا اینکه هیدروژن ستاره سوخته شود و در این موقع جاذبه غلبه می کند.

وقتی که جاذبه غلبه کرد، ستاره ناپایدار می شود و منفجر می گردد. وقتی که شروع به منفجر شدن کرد، دیگر متوقف نمی شود و ستاره ( و در نهایت اتم هایش) به داخل خود فرو می ریزند و منجر به تشکیل سیاه چاله می شود.( Hewitt ۱۸۶).

این تصویر که به کمک اشعه ایکس گرفته شده است نشان دهنده سیاهچاله ای است که در حال بلعیدن ستاره ای می باشد.

سیاهچاله بسیار سنگین سیاهچاله ای است که جرم آن بین ۱۰۵تا ۱۰۱۰برابر جرم خورشید است. امروزه این عقیده وجود دارد که اگر همه کهکشان ها سیاهچاله ای از این نوع نداشته باشند، تعداد زیادی از آن ها که کهکشان راه شیری نیز جزئی از آن است، در مرکز خود چنین سیاه چاله ای را دارند. این سیاه چاله ها دارای خصوصیات عجیبی هستند که آن ها را از همنوعان خود متمایز می کند.

● چرا سیاهچاله ها سیاه می باشند؟

یک موشک برای آنکه سطح زمین را ترک کند باید سریعتر از ۲۵۰۰۰ مایل در ساعت ( ۷مایل در ثانیه) حرکت کند. به این سرعت، سرعت فرار از زمین می گویند. اگر راکت سرعتی کم تر از این مقدار داشته باشد، توسط جاذبه به زمین بر می گردد. سرعت فرار از یک سیاه چاله بیش از ۱۸۶۰۰۰مایل در ساعت است پس اگر بخواهیم از آن فرار کنیم، باید سرعتی بیش از این مقدار داشته باشیم. سرعت نور ۱۸۶۰۰۰مایل در ساعت است بنابراین نمی تواند از سیاهچاله ها فرار کند پس این سیاهچاله ها به رنگ سیاه هستند.(به عبارت بهتردیده نمی شوند. مترجم)

ستاره شناسان به کمک اشعه ایکس و تلسکوپ های رادیویی توانسته اند سیاه چاله قدیمی را که در اطراف کهکشان راه شیری است کشف کنند. این سیاه چاله که دارای مسیری نامتقارن است در حال بلعیدن ستاره ای می باشد.

اعتقاد بر این است که این سیاه چاله باقی مانده یک ستاره بسیار بزرگ است که میلیاردها سال پیش زندگی می کرده و از خانه خود به بیرون پرتاب شده و سرگردان در حال حرکت می باشد.

بسیاری از ستارگان منظومه شمسی ما در یک صفحه نازکی به نام صفحه کهکشانی هستند. اگرچه خوشه های گردی نیز وجود دارند که هرکدام دارای صدها هزار ستاره قدیمی هستند و به دور مرکز کهکشان در حرکت می باشند و در مسیری می باشند که از صفحه کهکشانی به دور می باشند.

بنابراین زمانی که یک ستاره تمام سوختش به مصرف رسید در خود فرو می ریزد و در نهایت به سیاه چاله ای تبدیل می شود که دارای چگالی بی نهایت و حجم بسیار ناچیز است و میدان مغناطیسی بسیار قوی دارد.

خداوند در قرآن به این حقیقت مرگ ستارگان( که به خاطر پایان سوختشان است اشاره می کنند) در آن جا که می گویند:

{ وَإِذَا النُّجُومُ انْکَدَرَتْ} آنگه که ستارگان به سیاهی می گرایند.

● آیا تمامی ستارگان به سیاه چاله تبدیل می شوند؟

تمامی ستارگان به سیاه چاله تبدیل نمی شوند. ستاره ای که جرمش کم تر از ۱.۴بار بزرگتر از خورشید باشد، به کوتوله سفید تبدیل می شود. ستاره ای که ۱.۴ تا ۳برابر خورشید جرم داشته باشد تبدیل به ستاره نوترونی می شود. تنها ستارگانی که جرمشان بیش از ۳برابر خورشید باشد به سیاهچاله تبدیل می شوند.

سیاه چاله ها آن قدر جرمشان زیاد است که نور نمی تواند از آن ها عبور کند و چون چیزی سریع تر از نور نمی تواند حرکت کند، هیچ چیز از سیاهچاله نمی تواند بیرون بیاید.

خداوند به این موارد قسم یاد می کنند تا تائید کنند که قرآن از طرف پروردگار نازل شده است. به آیات ۱۵تا ۱۹سوره تکویر که در بالا آمده است نگاهی دوباره بیاندازید.

این نوع تاکید که در این آیات به کار رفته است و خداوند با قسم از آن ها یاد کرده، به خاطر اهمیت سیاهچاله ها است که در واقع ستارگان مرده در حال حرکتی می باشند و نوری از خود تولید نمی کنند و هرچه سرراهشان باشد می بلعند. قرآن مجید از آن ها به "پاک کنندگان" یاد می کند که در تطابق کامل با عملکرد آن ها از لحاظ علمی است.

دانشمندی غیر مسلمان که نام سیاهچاله را برای این پدیده گذاشته است، بسیار مناسب این نام را انتخاب کرده است. اگرچه او هرگز قرآن نخوانده است ولی همان نامی را بر آن ها نهاده که قرآن با آن نام آن ها را خوانده است. این نشان دهنده آن است که قرآن تا چه حدی به حقایق علمی که امروزه کشف می شود نزدیک است. این دانشمند این چنین تاین پدیده را تعریف کرده " آنچنان نیروی جاذبه ای دارند که مانند یک جاروبرقی نامرئی کیهانی هستند و آن چنان مواد اطراف خود را جذب می کنند که حتی نور نیز نمی تواند ازآن بیرون بیاید".

کلمه قرآنی خُنَّسِ در آیه ۱۵سوره تکویر را در عربی می توان به جاروبرقی ترجمه کرد.

زمانی که سیاه چاله ها از لحاظ علمی تعریف شدند، دقت قرآن مجید در تعریف آن ها تنها در سه کلمه بیشتر مشخص می شود.

قرآن سیاه چاله ها را با خصوصیات زیر تعریف می کند:

۱) آن ها در حال حرکت می باشند. (همان گونه که علم می گوید.)

۲) آن ها وقتی شناسایی شدند، دارای حجاب می باشند. همان طور که علم می گوید نور نیز نمی تواند از آن ها عبور کند.

۳) آن ها همه چیز را می بلعند.

منبع: بانک مقالات علمی

شیمی کوانتومی

دید کلی

شیمی کوانتومی ، دانش کاربرد مکانیک کوانتومی در مسایل مربوط به شیمی است. اثر شیمی کوانتومی ، در شاخه‌های وابسته به شیمی قابل لمس است. مثلا :
* علمای شیمی فیزیک ، مکانیک کوانتومی را (به کمک مکانیک آماری) در محاسبات مربوط به خواص ترمودینامیکی (مانند آنتروپی و ظرفیت حرارتی) گازها ، در تفسیر طیفهای مولکولی به منظور تائید تجربه خواص مولکولی (مانند طولها و زوایای پیوندی) ، در محاسبات نظری خواص مولکولی ، برای محاسبه خواص حالات گذار واکنشهای شیمیایی به منظور برآورد ثابتهای سرعت واکنش ، برای فهم نیروهای بین مولکولی و بالاخره برای بررسی ماهیت پیوند در جامدات بکار می‌برند.
* علمای شیمی آلی از مکانیک کوانتومی ،‌ برای برآورد پایداریهای نسبی مولکولها ، محاسبه خواص واسطه‌های واکنش ، بررسی ساز و کار واکنشهای شیمیایی ، پیش بینی میزان ترکیبات و تحلیل طیفهای NMR استفاده می‌کنند.
* علمای شیمی تجزیه از مکانیک کوانتومی برای تفسیر شدت و فرکانسهای خطوط طیفی استفاده می‌کنند.
* علمای شیمی معدنی از نظریه میدان لیگاند که یک روش تقریبی مکانیک کوانتومی است، در توضیح خواص یونهای مرکب فلزات واسطه سود می‌برند.

فرضیه پلانک ، سرآغاز مکانیک کوانتومی

در سال 1900، "ماکس پلانک" ، نظریه‌ای ابداع کرد که با منحنی‌های تجربی تابش جسم سیاه ، مطابقتی عالی از خود ارائه داد. فرض او این بود که اتمهای جسم سیاه ( ماده‌ای که تمام نورهای تابیده به آن را جذب کند ) ، تنها قادرند نورهایی را گسیل سازند که مقادیر انرژی آنها توسط رابطه hv داده می‌شود. در رابطه ، v فرکانس تابش و h ، ثابت تناسب است که به ثابت پلانک معروف است. با قبول مقدار ، منحنی‌هایی بدست می‌آیند که با منحنی‌های تجربی جسم سیاه کاملا مطابقت دارند. کار پلانک سرآغاز مکانیک کوانتومی بود.
به دنبال پلانک ، "انیشتین" نیز مشاهدات مزبور را بر اساس اندیشه تشکیل نور از اجزایی ذره گونه تشریح کرد که آنها را فوتون نامید که انرژی هر یک از آنها برابر است با:

احتمال و مکانیک کوانتومی

موضوع احتمال ، یک نقش اساسی را در مکانیک کوانتومی ایفا می‌کند. در مکانیک کوانتومی ، سروکار ما با احتمالاتی است که با متغیر پیوسته‌ای مانند مختصه x درگیرند. صحبت از احتمال پیدا شدن یک ذره در یک نقطه خاص مانند x = 0.5000 حاوی چندان معنایی نیست، زیرا تعداد نقطه‌ها در روی محور x نامتناهی ، ولی تعداد در اندازه گیریهای ما به هر حال متناهی است و از این رو ، احتمال وصول با دقت به 0.5000 بی‌نهایت کم خواهد بود.
این است که به جای آن از احتمال یافتن ذره در یک فاصله کوتاه از محور x ، واقع بین x+dx , x صحبت می‌شود که در آن dx یک طول بینهایت کوچک است. طبیعتا احتمال فوق متناسب با فاصله کوچک dx بوده و و برای نواحی مختلف محور x متغیر خواهد بود. بنابراین احتمال اینکه ذره در فاصله مابین x و x+dx پیدا شود، مساوی g(x)dx است که در اینجا (g(x بیانگر نحوه تغییرات احتمال روی محور x است. تابع (g(x چون برابر مقدار احتمال در واحد طول است، لذا چگالی احتمال نامیده می‌شود.
چون احتمالات ، اعداد حقیقی و غیر منفی‌اند، لذا (g(x باید یک تابع حقیقی باشد که همه جا غیر منفی است. تابع موج می‌تواند هر مقدار منفی و یا مقادیر مختلط را به خود بگیرد و از این نظر به عنوان یک چگالی احتمال محسوب نمی‌شود. مکانیک کوانتومی به عنوان یک اصل می‌پذیرد که چگالی احتمال برابر است.

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ

اندیشه "بوهر" مبنی بر اینکه هر الکترون در اتم ، تنها می‌تواند کمیتهای معین انرژی را دارا باشد، گام مهمی در رشد و تکوین نظریه اتمی بود (مدل اتمی بوهر). نظریه بوهر برای توجیه طیف اتم هیدروژن ، مدلی رضایت بخش ارائه کرد، اما تلاش برای بسط نظریه به منظور تشریح طیف اتمهای دارای بیش از یک الکترون ناموفق بود. دلیل این مشکل به زودی آشکار شد.
در نگرش بوهر ، الکترون به عنوان ذره‌ای باردار متحرک ، در نظر گرفته می‌شود. برای پیش بینی دقیق مسیر یک جسم متحرک ، دانستن مکان و سرعت جسم در هر لحظه معین ضروری است. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ (1926) نشان می‌دهد که تعیین دقیق مکان و اندازه حرکت جسمی به کوچکی الکترون ناممکن است. هرچه تلاش کنیم که یکی از این کمیتها را دقیقتر تعیین کنیم، از دقت کمیت دیگر ، نامطمئن‌تر هستیم.
مشاهده اشیا با دریافت انعکاس پرتوهای نوری که برای روشن کردن آنها بکار رفته است، امکان‌پذیر است. برای تعیین موقعیت جسمی به کوچکی یک الکترون ، تابشی با طول موج به غایت کوتاه مورد نیاز است. چنین تابشی ،‌ طبعا فرکانس بسیار بالایی خواهد داشت و بسیار پرانرژی خواهد بود. وقتی این تابش به الکترون برخورد کند، سبب تغییر تندی و جهت حرکت آن می‌شود. از این رو هر گونه تلاش برای تعیین موقعیت الکترون ، اندازه حرکت آن را به شدت تغییر می‌دهد. فوتونهایی که طول موج بلندتر دارند، کم انرژی‌ترند و تاثیر کمتری بر اندازه حرکت الکترون می‌گذارند، ولی به علت بلندی طول موجشان ، نخواهند توانست موقعیت دقیق الکترون را نشان دهند.
از این رو ، این دو نوع عدم قطعیت با هم مرتبطند. به گفته هایزنبرگ ، حاصلضرب عدم قطعیت در مورد یک شیء ، و عدم قطعیت در اندازه حرکت آن ، ، برابر یا بزرگتر از حاصل بخش ثابت پلانک ، h و 4π است:

عدم قطعیت در اندازه گیری ، برای اشیایی به کوچکی الکترون بسیار مهم است، در حالی که برای اشیا با اندازه معمولی بی‌اهمیت است.

معادله شرودینگر

اصل عدم قطبیت هایزنبرگ نشان می‌دهد که هر نوع کوشش در راه جامعتر و دقیق کردن مدل بوهر ، بی‌نتیجه است، زیرا تعیین دقیق مسیر الکترون در یک اتم ناممکن است. از سوی دیگر ، "شرودینگر" ، رابطه دوبروی را برای تدوین معادله‌ای بکار برد که الکترون را برحسب خصلت موجی آن توصیف می‌کند.
معادله شرودینگر پایه مکانیک موجی است. معادله برحسب یک تابع موجی برای الکترون نوشته می‌شود. وقتی معادله برای الکترون در اتم هیدروژن حل می‌شود، یک سلسله تابع موجی بدست می‌آید. هر تابع موجی به یک حالت معین انرژی برای الکترون مربوط است و ناحیه‌ای در اطراف هسته را توضیح می‌دهد که در آن ،‌ امکان یافتن الکترون وجود دارد. تابع موجی یک الکترون آنچه را که یک اوربیتال نامیده می‌شود، توضیح می‌دهد.
شدت هر موج ، با مجذور دامنه آن متناسب است. تابع موجی ، ، تابع دامنه است. مقدار برای یک حجم کوچک در هر موقعیتی در فضا ، متناسب با چگالی بار الکترونی در آن حجم است.
می‌توان تصور کرد که بار الکترون به سبب حرکت سریع الکترون به صورت ابر باردار در فضای دور هسته گسترده شده است. این ابر در برخی نواحی غلیظتر از نواحی دیگر است. احتمال یافتن الکترون در هر ناحیه معین متناسب با چگالی ابر الکترونی در آن ناحیه است. این احتمال در ناحیه‌ای که ابر الکترونی غلیظتر است، بیشتر خواهد بود. این تفسیر کوششی برای توصیف مسیر الکترون ، به عمل نمی‌آورند، بلکه فقط پیش بینی می‌کند که احتمال یافتن الکترون در کجا بیشتر است.
منبع:http://atwis.com