دید کلی

در هر نقطه‌ای در نزدیکی سطح زمین ، عقربه مغناطیسی آویزان از رشته یا واقع روی یک نقطه به ترتیب خاصی سمت گیری می‌کند (تقریبا در جهت شمال به جنوب). این واقعیت مهم به این معنا است که زمین میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند، مطالعه میدان مغناطیسی زمین برای مقاصد عملی و علمی از اهمیتی اساسی برخودار است.

از زمانهای قدیم ، قطب نماها ، یعنی وسایلی بر اساس استفاده از میدان مغناطیسی زمین برای سمت گیری نسبت به چهار جهت اصلی ، بکار گرفته می‌شدند. قطب نمای مرسوم شامل یک عقره مغناطیسی و یک صفحه مدرج است و در جهت یابیها کاربرد وسیعی دارد.

از میدان مغناطیسی زمین چه استفاده‌هایی می‌شود؟

در دریانوردی و هوانوردی جدید ، دیگر قطب نمای مغناطیسی تنها وسیله‌ای برای سمت گیری و تعیین مسیر کشتی یا هواپیما نیست. برای این منظور وسایل دیگری نیز وجود دارد. با وجود این ، از اهمیت قطب نمای مغناطیسی به هیچ وجه کاسته نشده است. تمام کشتیها و هواپیماهای امروزی به قطب نمای مغناطیسی مجهزند. زمین شناسان ، شکارچیان و مسافران نیز از قطب نما خیلی استفاده می‌کنند. وجود میدان مغناطیسی زمین انجام پاره‌ای از بررسیهای مهم دیگر را میسر ساخته است. از آن جمله می‌توان از روشهای اکتشاف و مطالعه ذخایر آهن نام برد.

قطبهای مغناطیسی زمین

مغناطیس زمین
پیرامون زمین را میدان مغناطیسی که ماینوتسفر یا مغناطو کره نامیده می‌شود احاطه نموده است. باید توجه داشت که نقاط به هم رسیدن خطوط میدان مغناطیسی روی سطح زمین قرار ندارد، بلکه قدری از آن پایینتر هستند. همچنین قطبهای مغناطیسی زمین با قطبهای جغرافیایی آن منطبق نیستند. محور میدان مغناطیسی زمین ، یعنی خط مستقیمی که از هر دو قطب مغناطیسی می‌گذرد، از مرکز زمین نمی‌گذرد و از اینرو قطر زمین نیست. مغناطو کره توسط دو عامل مشخص می‌شود: انحراف مغناطیسی و شیب مغناطیسی.

انحراف مغناطیسی عبارت است از زاویه انحراف عقربه مغناطیسی از نصف النهار جغرافیایی مورد نظر. خطوط واصل نقاط دارای انحراف مغناطیسی مساوی که خطوط هم گوشه نام دارند، در جنوب و شمال قطبین مغناطیسی که مخالف قطبین جغرافیایی است، همگرا می شود. برخی از محققان ، عدم تطابق قطبهای مغناطیسی و جغرافیایی را به توزیع نایکنواخت خشکی و آب در زمین توجیه می‌نمایند.

شیب مغناطیسی عبارت است از زاویه میان عقربه مغناطیسی نسبت به افق (در نیمکره شمالی سر شمالی عقربه و در نیمکره جنوبی عقربه به افق متمایل می شود). ضمن حرکت از استوا به سوی قطبین ، شیب مغناطیس افزایش می یابد. خط واصل نقاط دارای شیب صفر استوای مغناطیسی نام دارد . استوای مغناطیسی ، استوای جغرافیایی را در دو نقطه، یکی با 169˚ طول شرقی و دیگری با ˚23 طول غربی به جنوب و در نیمکره شرقی به شمال منحرف می گردد. در قطبین مغناطیسی شیب به ˚90 می رسد.

مغناطش خود بخودی مواد در میدان مغناطیسی زمین

از مغناطش خودبخودی مواد در میدان مغناطیسی زمین استفاده‌های زیادی می‌شود. از جمله در ساخت مینهای مغناطیسی است که در عمق معینی زیر سطح آب قرار می‌دهند و با عبور کشتی از بالای آنها منفجر می‌شود. ساز و کاری که باعث صعود مین به سطح و انفجار آن می‌شود وقتی عمل می‌کند که عقربه مغناطیسی که می‌تواند حول میله‌ای افقی بچرخد، بر اثر میدان مغناطیسی کشتی که از بالای مین می گذرد، بتواند بگردد. معلوم شده است که کشتی همیشه خودبخود آهنربا می‌شود. برای محافظت در مقابل مینهای مغناطیسی دو روش بکار می‌برند:

مین روبی

این روش عبارت است از حمل مغناطیس نیرومندی که با طنابهای سیمی از هواپیمای در حال پرواز در ارتفاع کم در منطقه مین گذاری شده آویزان می‌شود. گاهی کابل سیمی دایره شکلی را بطور شناور روی آب قرار می‌دهند و جریانی از آن می‌گذرانند. بر اثر میدان مغناطیسی یا جریان ، ساز و کار مینها عمل می‌کند و بدون هیچ خسارتی منفجر می‌شوند.

خنثی سازی میدان مغناطیسی کشتی

این روش به این ترتیب است که حلقه هایی از سیم عایق بندی شده را به کشتی وصل می‌کنند و جریانی را از آنها می‌گذرانند، بطوری که میدان مغناطیسی این جریان مساوی و در خلاف جهت میدان مغناطیسی کشتی (که یک مغناطیس دائمی است) باشد. وقتی که این میدانها باهم ترکیب شوند، همدیگر را خنثی می‌کند و کشتی بدون اینکه ساز و کار مین را به کار اندازد از روی آن می‌گذرد.

آنچه باید بدانیم

·         از مدتها پیش (قرن شانزدهم) معلوم شده است که شبکه پنجره قائم به مرور زمان آهنربا می‌شود.

·         یکی از اولین پژوهشگران میدان مغناطیسی زمین ، گیلبرت (Gilbert) آزمایش زیر را در کتاب خود شرح داده است. اگر شخصی به یک میله آهنی که از شمال به جنوب قرار گرفته است با چکش بکوبد، میله آهنربا می‌شود.

·         در تدارک پرواز به قطب شمال ، بیشترین توجه به سمت گیری هواپیما در نزدیکی قطب مبذول می‌شود، زیرا قطبهای مغناطیسی معمولی در این فاصله به کلی از کار کردن باز می‌ماند و عملا بدون استفاده هستند.

تاریخچه

علم مغناطیس از این مشاهده که برخی سنگها (ماگنتیت) تکه‌های آهن را جذب می کردند سرچشمه گرفت. واژه مغناطیس از ماگنزیا یا واقع در آسیای صغیر ، یعنی محلی که این سنگها در آن پیدا شد، گرفته شده است. زمین به عنوان آهنربای دائمی بزرگ است که اثر جهت دهنده آن بر روی عقربه قطبهای آهنربا ، از زمانهای قدیم شناخته شده است. در سال 1820 اورستد کشف کرد که جریان الکتریکی در سیم نیز می‌تواند اثرهای مغناطیسی تولید کند، یعنی می‌تواند سمت گیری عقربه قطب نما را تغییر دهد.

در سال 1878 رولاند (H.A.Rowland) در دانشگاه جان هاپکینز متوجه شد که یک جسم باردار در حال حرکت (که آزمایش او ، یک قرص باردار در حال دوران سریع) نیز منشاأ اثرهای مغناطیسی است. در واقع معلوم نیست که بار متحرک هم ارز جریان الکتریکی در سیم باشد. جهت مطالعه زندگینامه علمی رولاند فیزیکدان برجسته آمریکایی به کتاب زیر مراجعه شود:

Phusics by John D.Miller,Physics

Today , July 1976Rowland،s البته دو علم الکتریسیته و مغناطیس تا سال 1820 به موازات هم تکامل می یافت اما کشف بنیادی اورستد و سایر دانشمندان سبب شد که الکترومغناطیس به عنوان یک علم واحد مطرح شود. برای تشدید اثر مغناطیسی جریان الکتریکی در سیم می‌توان را به شکل پیچه‌ای با دورهای زیاد در آورد و در آن یک هسته آهنی قرار داد. این کار را می‌توان با یک آهنربای الکتریکی بزرگ ، از نوعی که معمولا در پژوهشگاههای برای کارهای پژوهشی مربوط به مغناطیس بکار می‌رود، انجام داد.

تولد میدان مغناطیسی

دومین میدانی که در مبحث الکترومغناطیس ظاهر می شود، میدان مغناطیسی است. این میدانها و به عبارت دقیقتر آثار این میدانها از زمانهای بسیار قدیم ، یعنی از همان وقتی که آثار مغناطیسهای طبیعی سنگ آهنربا (Fe₃O₄ یا اکسید آهن III) برای اولین بار مشاهده شد، شناخته شده‌اند. خواص شمال و جنوب یابی این ماده تاثیر مهمی بر دریانوردی و اکتشاف گذاشت با وجود این، جز در این مورد مغناطیس پدیده ای بود که کم مورد استفاده قرار می گرفت و کمتر نیز شناخته شده بود، تا اینکه در اوایل قرن نوزدهم اورستد دریافت که جریان الکتریکی میدان مغناطیسی تولید می‌کند.

این کار تواأم با کارهای بعدی گاؤس ، هنری . فاراده و دیگران نشان دادند که این شراکت واقعی بین میدانهای الکتریکی و مغناطیسی وجود دارد و این دو توأم تحت عنوان میدان الکترومغناطیسی حضور دارند. به عبارتی این میدانها به طرز جدایی ناپذیری در هم آمیخته شده‌اند.

حوزه عمل و گسترش میدان مغناطیسی

تلاش مردان عمل به توسعه ماشینهای الکتریکی ، وسایل مخابراتی و رایانه‌ها منجر شد. این وسایل که پدیده مغناطیسی در آنها دخیل است نقش بسیار مهمی در زندگی روزمره ایفا می‌کنند. با گسترش و سریع علوم از اعتبار این علوم اولیه کاسته نمی‌شود و همیشه سازگاری خود را با کشفیات جدید حفظ می‌کند.

مغناطیسهای طبیعی و مصنوعی

·         بعضی از سنگهای آهن یاد شده در طبیعت خاصیت جذب اشیای آهنی کوچک ، مانند براده‌ها یا میخهای مجاور خود را دارند. اگر تکه‌ای از چنین سنگی را از ریسمانی بیاویزیم ، خودش را طوری قرار می‌دهد که راستایش از شمال به جنوب باشد، تکه‌های چنین سنگهایی به آهنربا یا مغناطیس معروف است.

·         یک تکه آهن یا فولاد با قرار گرفتن رد مجاورت آهنربا ، آهنربا یا مغناطیده می‌شود، یعنی توانایی جذب اشیای آهنی را کسب می‌کند. خواص مغناطیسی این تکه آهن یا فولاد هر چه به آهنربا نزدیکتر باشد، قویتر است. وقتی که تکه‌ای از آهن و آهنربا با یکدیگر تماس پیدا کنند ، مغناطش یا آهنربا شدگی به مقدار ماکزیمم (میخ آهنی که به آهنربا نزدیک شود خاصیت آهنربایی پیدا می‌کند و براده‌های آهنربا را جذب می‌کند) می‌باشد.

·         هنگامی که آهنربا دور شود، تکه آهن یا فولاد که توسط آهنربا شده‌اند بخش زیادی از خواص مغناطیسی بدست آورده را از دست می‌دهند، ولی باز هم تا حدی آهنربا می‌مانند. از اینرو به آهنربای مصنوعی تبدیل می‌شوند و همان خواص آهنربای طبیعی را دارد. این پدیده را می‌توان با آزمایش ساده‌ای به اثبات رسانید. خاصیت آهنربایی که به هنگام تماس تکه آهن با آ‌هنربا پیدا می‌شود بر خلاف مغناطش بازمانده که با دور شدن آهن ربا باقی می‌ماند، مغناطش موقت نامیده می‌شود. آزمایشهایی از این نوع نشان می‌دهد که مغناطش بازمانده خیلی ضعیفتر از مغناطش موقت است، مثلا در آهن نرم فقط کسر کوچکی از آن است.

·         هم مغناطش موقت و هم مغناطش بازمانده برای درجات مختلف آهن و فولاد متفاوت است. مغناطش موقت آهن نرم و آهن تابکاری شده از آهن نرم و فولاد تابکاری نشده به مقدار زیادی قویتر است. بر عکس مانده مغناطش فولاد ، به ویژه درجاتی از آن که شامل مثلا آمیزه کبالت است، خیلی قویتر از مغناطش باز مانده در آهن نرم است. در نتیجه ، اگر دو میله یکسان ، یکی ساخته شده از آهن نرم و دیگری از فولاد را اختیار کنیم و آنها را در مجاورت آهنربای یکسانی قرار دهیم ، میله آهن نرم قویتر از فولاد آهنربا می‌شود.

ولی اگر آهنربا را دور کنیم، میله آهن نرم تقریبا بطور کلی مغناطیده می‌شود، در حالیکه میله فولاد مقدار قابل توجهی از خاصیت آهنربایی اولیه خود را حفظ می کند. در نتیجه ، آهنربای دائمی از میله فولادی از میله آهنی خیلی قویتر است. به این دلیل آهنرباهای دائمی را از درجات خاصی از فولاد درست می‌کنند نه از آهن.

·         آهنرباهای مصنوعی که بطور ساده با قرار دادن تکه‌ای فولاد در نزدیکی یک آهنربا یا با تماس با آن بدست آمده نسبتا ضعیف هستند. آهنرباهای قویتر را با مالیدن تیغه فولادی با آهنربا در یک جهت بدست می‌آورند. البته در این حالت نیز آهنرباهایی که بدست می‌آید که از آهنربایی که مغناطش به توسط آن انجام شده است، ضعیفتر است. هر نوع ضربه یا تکانی در طول مغناطش عمل را آسانتر می‌کند. برعکس تماس دادن آهنربای دائمی با تغییر ناگهانی و زیاد دمای آن ممکن است باعث وامغناطش آن شود.

·         وامغناطش بازمانده نه تنها به ماده بلکه به شکل جسمی که آهنربا می‌شود نیز بستگی دارد. میله‌های نسبتا کوتاه و کلفت از آهن نرم بعد از دور شدن آهنربا تقریبا به کلی خاصیت آهنربایی را از دست می‌دهند. با وجود این ، اگر همین آهن را برای ساختن سیمی به طول 300 تا 500 برابر قطر آن بکار بریم، این سیم (ناپیچیده) خاصیت مغناطیسی خود را به مقدار زیادی حفظ خواهد کرد.

آنچه باید بدانیم

·         یک آهنربای قائم ، گوی آهنی را از فاصله‌ای جذب می‌کند که نیروی جاذبه آن نیروی گرانشی را خنثی کند و گوی می‌تواند بدون تکیه گاه در هوا آویزان بماند. اگر گوی را اندکی از وضع تعادل بالا یا پایین ببریم به ترتیب به آهنربا می‌چسبد و یا می‌افتد، یعنی گوی آهنی در چنین شرایطی تعادل ناپایدار دارد.

·         مکعبی از آهن که روی تکیه گاهی از شیشه هموار قرار دارد توسط آهنربایی که آن نیز روی همین تکیه گاه است جذب می‌شود. مکعب روی شیشه می‌لغزد، چون نیروی جاذبه مغناطیسی وابستگی به فاصله بین جسم و آهنربا دارد، با کاهش این فاصله نیرو زیاد شده و شتاب می‌یابد. به عبارتی حرکت نمی‌تواند حرکتی یکنواختی باشد و این حرکت ، حرکتی شتابدار با شتاب تند شونده می‌باشد.

اصطلاحات مغناطیسی

همانگونه که فضای اطراف یک میله باردار را به عنوان محل میدان الکتریکی تعریف کردیم، فضای اطراف یک آهنربا یا یک رسانای حامل جریان را نیز به عنوان میدان مغناطیسی تعریف می‌کنیم. بردار اصلی میدان مغناطیسی B را القای مغناطیسی می‌نامیم. در صورتی که عنوان شدت میدان مغناطیسی برای بردار B مناسبتر است. همانطوری که میدان الکتریکی را با خطوط نیرو نمایش می‌دهیم، القای مغناطیسی را می‌توانیم با خطوط القا نمایش دهیم. بردار میدان مغناطیسی همانند بردار میدان الکتریکی بصورت زیر با خطوط القای خود ارتباط پیدا می‌کنند:

·         مماس بر هر خط القا در هر نقطه ، راستای B در آن نقطه را بدست می‌دهد.

·         خطوط القا طوری رسم می‌شود که تعداد آنها در واحد سطح مقطع (عمود بر خطوط ) با بزرگی B متناسب باشد. هر جا که خطها به هم نزدیک باشند B بزرگ و هر جا که از هم دور باشند B کوچک است، که B نشان دهنده میدان مغناطیسی می‌باشد.

فيزيك فضا و اتمسفر

انسان كنجكاو همواره در جريان پيشرفت علوم مختلف از فضاي بالاي سر خود غافل نبوده ‌است. و تلاش فوق‌العاده زيادي را جهت گشودن اسرار آن انجام داده‌است. انواع ماهواره‌هاي فضايي ، سفينه‌هاي فضايي ، تلسكوپهاي گوناگون از جمله ابزار و وسايلي هستند كه در اين راستا توسط انسان ايجاد شده‌اند.

فيزيك فضا يكي از اين شاخه‌هاي علم فيزيك است كه تا اندازه‌اي پاسخگوي هزاران سوال موجود در ذهن بشر در مورد فضا مي‌باشد. بخشي از فيزيك فضا كه در آن اجرام آسماني مورد مطالعه قرار مي‌گيرد، مكانيك سماوي است. در اين بخش نيروهاي موثر بر حركت اجسامي نظير سيارات ، ماهواره‌ها و پروپهاي مصنوعي مورد مطالعه قرار مي‌گيرد.

قوانين كپلر

در سال 1619 ، كپلر در مورد حركت سيارات سه قانون اساسي خود را با استفاده از مشاهدات تيكو براهه بيان كرد. قوانين كپلر كه پايه و اساس قوانين نيوتن و مكانيك كلاسيك براي حركت سيارات است، عبارتند از :

- حركت سيارات به ‌دور خورشيد در يك مدار بيضوي انجام مي‌گيرد كه خورشيد در يكي از كانونهاي آن بيضي قرار دارد.

- مدار يك سياره به ‌دور خورشيد ، سطحي را تشكيل مي‌دهد كه اين سطح جاروب شده توسط خط واصل بين سياره و خورشيد با زمان حركت سياره نسبت مستقيم دارد.

- نسبت بين مربع دوره تناوب گردش هر سياره و مكعب نصف محور بزرگ مدار بيضوي ، در مورد هر سياره منظومه شمسي عدد يكساني است.

فيزيك اتمسفر

فيزيك فضا يك علم بسيار جديد است. با وجود اين يك تكنولوژي مهم سبب حل بسياري از ناشناخته‌هاي قبلي بوده ‌است. محيط ، فضايي از اندركنش‌هاي زيادي مانند نيروي گرانشي ، ماگنتواستاتيك ، الكترواستاتيك ، الكترومغناطيس و ... ، نسبت به زمان تغييرات مهمي را نشان مي‌دهد كه طبيعت تركيب و توزيع ماده ، دماي گاز بين ستاره‌اي را تغيير مي‌دهد.

در فيزيك اتمسفر پارامترهاي مهم معين در هر نقطه از اتمسفر مانند فشار ، چگالي ، دما ، ميدان مغناطيسي زمين ، ميدان الكتريكي ، تابش الكترومغناطيسي موجود در اتمسفر ، ذرات باردار و شهاب سنگها مورد مطالعه قرار مي‌گيرند.

برهمكنش نور خورشيد با اتمسفر

انرژي تابش خورشيدي در مسير فاصله خورشيد تا زمين در اثر برخورد با گازهاي موجود در اتمسفر زمين در فرايندهاي مختلفي شركت مي‌كند. در اثر اين فرايندها قسمت اعظمي از تابش خورشيدي كه براي انسان و موجودات زنده زيان ‌آور است، جذب مي‌گردند. تعدادي از اين پديده‌هاي برهمكنشي عبارتنداز :

- جذب تابش در اتمسفر :

در اتمسفر زمين عناصري مانند اوزن ، اكسيژن ، ازت ، هليوم ، گاز كربنيك ، هيدروژن و گازهاي ديگر وجود دارد. همچنين مي‌دانيم كه امواج الكترومغناطيسي از ذراتي به‌ نام فوتون تشكيل شده‌اند. اين فوتونها بعد از گسيل از خورشيد توسط عناصر موجود در جو زمين تحت فرايندهاي مختلف مانند پديده فوتوالكتريك ، اثر كامپتون و ... جذب مي‌شوند.

-پديده يونش :

در اثر برهمكنش فوتون با گازهاي موجود در جو زمين ، اين گازها يونيزه مي‌شوند. اتمهاي يونيزه دوباره در اثر برخورد با الكترونهاي موجود در اتمسفر در فرايند تركيب مجدد شركت مي‌كنند. اين فرايندها همچنين در جو زمين انجام مي‌شوند. يكي از نتايج اين فرايندها ايجاد پلاسما در اتمسفر مي‌باشد.

تابش فيزيك امواج كوتاه خورشيدي

اكنون تكنولوژي پژوهشهاي فضايي توسعه يافته ‌است و اطلاعات غير مستقيم تابش خورشيدي كه موجب يونش مي‌شوند، به حد كافي مورد مطالعه قرار گرفته است. اطلاعات اوليه حاصل از پرتاب موشكها ، اشعه ايكس تابشي ناشي از خورشيد ، ، خطوط طيفي ليمن ذره آلفا را نتيجه داده ‌است. با دستگاههاي مجهزتر مي‌توان طيف فيزيك امواج كوتاه خورشيد را عكسبرداري كرد و اثر فوتوالكتريكي را با موشكها مشاهده كرد.

پديده‌هاي بارز فيزيك فضا

-فروغ آسماني :

آسمان شب سياه كاملا تاريك نيست. ستارگان ، سيارات ، نور منطقه البروجي و ماه هر كدام سطح زمين را روشن مي‌كنند. در عرضهاي بالاتر شعله‌هاي شفق و سوسوزدن در سراسر آسمان وجود دارد و اين پديده‌ها بر حسب اقتضا در عرضهاي متوسط زمين ظاهر مي‌شوند. اتمسفر سياره در پي اين اثرات تابش مي‌كند، كه اين تابش را فروغ آسماني مي‌گويند.

- شفق قطبي :

در عرض‌هاي بالاي زمين ، آسمان شب گاهي به صورت ناگهاني و به شكل متحرك روشن مي‌شود كه اين درخشش‌ها را شفق قطبي مي‌گويند. اين درخشش‌ها شفاف هستند و مي‌توان ستارگان را از داخل آنها مشاهده كرد. اغلب درخشندگي آنها به اندازه‌اي است كه با نور آنها مي‌توان نوشته‌اي را مطالعه كرد. معمولا در هر شب روشن مي‌توان شفق قطبي شمالي و شفق قطبي جنوبي را در آسمان مشاهده كرد.

- طوفان مغناطيسي :

اغلب در ميدان مغناطيسي زمين يك تغيير ناگهاني ظاهر مي‌گردد كه اين آشفتگي مغناطيسي به ‌عنوان طوفان مغناطيسي معروف است. فراواني ظهور اين طوفان به صورت مستقيم به دوره يازده ساله فعاليت خورشيدي مربوط است. با وجود اين زماني كه يك شعله بزرگ خورشيدي ظاهر مي‌شود، يك طوفان مغناطيسي با يك يا دو روز تاخير شروع مي‌شود.

- كمربندهاي تشعشعي زمين :

در مورد پديده‌هاي مربوطه به ذرات باردار موجود در جو زمين نظريه‌هاي گوناگوني به‌وسيله دانشمندان مختلف ارائه شده‌است. از جمله اين افراد مي‌توان به اشتورمر (Stormer) و بيركلند (Birkeland) اشاره ‌كرد كه بيشتر عمر خود را صرف مطالعه و مشاهدات شفق قطبي كردند. وان آلن و گروه پژوهشگر او با هدف مطالعه اشعه كيهاني كنتورهايي از نوع كايگرمولر را در ماهواره‌هاي خود تعبيه كردند. آنان توانستند مناطق تشعشعي از ذرات باردار را كه در ميدان مغناطيسي زمين به‌دام افتاده بودند، نشان دهند. اين مناطق به كمربندهاي تشعشعي وان آلن معروف شدند.

ارتباط فيزيك فضا با شاخه‌هاي ديگر فيزيك

شاخه‌هاي مختلف علم فيزيك را مي‌توان مانند دانه‌هاي يك زنجير تصور كرد كه به صورت محكم به يكديگر پيوند خورده‌اند، با اين تفاوت كه در برخي موارد مرز موجود ميان اين دانه‌ها به اندازه‌اي پيچيده است كه به راحتي نمي‌توان آن را تشخيص داد. به ‌عنوان مثال فضاي بالاي سرمان توسط علوم مختلف فيزيك مانند نجوم ، كيهان شناسي ، اختر فيزيك ، مكانيك سماوي ، فيزيك هوا فضا ، فيزيك محيط زيست ، فيزيك نظري ، فيزيك مواد ، فيزيك هسته‌اي و ... مورد مطالعه قرار مي‌گيرد. طبيعت امواج الكترومغناطيسي كه خورشيد به عنوان يك چشمه عظيم توليد اين فيزيك امواج است، در فيزيك امواج و فيزيك راديو بررسي مي‌شود. هر كدام از اين علوم ، فضا را از ديدگاه خاصي مورد توجه قرار مي‌دهد.

ارتباط فيزيك فضا با علوم ديگر

تنها شاخه‌هاي مختلف علم فيزيك نيست كه با فيزيك فضا ارتباط ناگسستني دارند، بلكه علوم ديگر مانند زمين شناسي ، شيمي ، رياضيات ، هوا فضا ، زيست شناسي و ... نيز به نوعي با فيزيك فضا در ارتباط هستند. به عنوان مثال ماهيت گازهاي تشكيل‌دهنده اتمسفر در علم شيمي به تفضيل مورد تجزيه و تحليل قرار مي‌گيرد.

آينده فيزيك فضا

يكي از مزايا و يا به بيان ديگر معايب علم بشري اين است كه همواره ناقص بوده و روز به روز در حال پيشرفت و تكامل است. عيب بودن از اين لحاظ كه ناقص است و مزيت بودن از اين لحاظ كه اين نقص ، انسان را به تحرك و تحقيق وادار مي‌كند و همين امر موجب پيشرفت در علوم مختلف مي‌شود. فيزيك فضا نيز از اين پيشرفت و ترقي مستثني نمي‌باشد. شايد روزگاري تمام اطلاعات بشر از فضا محدود به چند نظريه و يا پيشگويي بود، اما امروزه با فرستادن انواع سفينه‌هاي فضايي و ماهواره‌ها به فضا ، اطلاعات بسيار درست و دقيقي از فضا در اختيار انسان قرار مي‌گيرد.

فيزيك ذرات بنيادي

فيزيك شتابدهنده

فيزيك محاسباتي

فيزيك پزشكي

فيزيك پزشكي (Medical Physics)

فيزيك پزشكي به معني كاربرد فيزيك در حرفه پزشكي است، مانند راديوگرافي ، سونوگرافي ، بينايي‌سنجي و غيره. چون بيوفيزيك به معني فيزيك حيات است، فيزيك پزشكي درباره فيزيك حيات بشر بحث مي‌كند. مانند گردش خون ، آناتومي گوش ، آناتومي چشم و غيره. از طرفي بكارگيري اصول و قوانين اين گروههاي علمي در طرح‌ريزي و يا ساختن يك سيستم ، به ترتيب مهندسي پزشكي و بيومهندسي ناميده مي‌شود.

تاسيس دوره‌هاي آموزشي مهندسي پزشكي و بيومهندسي از ضروريات يك جامعه پشرفته است. از طرف ديگر ، آموزش فيزيك و بيوفيزيك پزشكي ، مقدم بر آموزش تكنولوژي و يا مهندسي پزشكي است. به عبارت ديگر ، مي‌توان چنين بيان كرد كه فيزيك پزشكي ، ابزاري بسيار قوي و قدرتمند است كه مي‌تواند در اختيار پزشكان و مهندسان پزشكي قرار گيرد. در واقع در ساير رشته‌هاي مهندسي نيز تقريبا همين شرايط حاكم است. به‌عنوان مثال ، در فيزيك الكترونيك ساختار قطعات الكترونيكي به ‌دقت مورد بررسي قرار مي‌گيرد. حال آنكه در مهندسي الكترونيك بيشتر كاربرد اين قطعات مورد تاكيد قرار مي‌گيرد.

ضرورت آشنايي با فيزيك پزشكي

امروزه به ‌واسطه پيشرفت سريع تكنولوژي و افزايش روزافزون دستگاهها در بيمارستانها و كلينيكها نه تنها وجود هزاران مهندس پزشكي در جامعه ما مورد نياز است، بلكه پزشكان و پيراپزشكان بايد در زمينه نگهداري از دستگاهها نيز توانا باشند و لازمه اين امر نيز آشنايي با فيزيك پزشكي است.

عواقب بي‌‌توجهي به فيزيك پزشكي

بي‌توجهي به اصول فيزيكي حاكم بر كار تشخيص و درمان ، باعث تشديد بيماري ، اتلاف وقت و سرمايه ملي و بالاخره اتلاف جان بيماران خواهدشد. به ‌عنوان مثال ، مي‌توان از بي‌دقتي در اندازه‌گيري مواد راديواكتيو مصرفي در بخش پزشكي هسته‌اي ياد كرد كه گاهي باعث نمايش نادرست تصوير ارگان مورد آزمايش مي‌شود. اگر بخواهيم تمام ناهماهنگيها و گرفتاري‌هاي حاصل از ناآگاهي از فيزيك پزشكي را بيان كنيم، شايد چندين مقاله نيز كفايت نكند.

فوايد آشنايي پزشكان و پيراپزشكان با فيزيك پزشكي

براي انجام صحيح كارهاي تشخيصي و درماني و جلوگيري از آسيبهاي وارده به بيماران و حفظ و حراست دستگاهها ، بايد به فيزيك مربوطه تسلط داشته‌ باشيم. بدين معني كه همه فارغ‌التحصيلان رشته‌هاي پزشكي و پيراپزشكي بايد به اصول فيزيك پزشكي آشنايي كافي پيدا كنند، تا به نگهداري از دستگاهها و انجام صحيح كار با آنها توانايي داشته ‌باشند. در اين صورت نه‌ تنها احتياج ما به مهندسي پزشكي بصورت روزافزون احساس نمي‌شود، بلكه از آسيب‌ديدن دستگاهها و خريد دستگاههاي ناخواسته جلوگيري خواهد شد.

چگونه فيزيك پزشكي بخوانيم؟

فيزيك پزشكي يكي از گرايشهاي فيزيك در مقطع كارشناسي ارشد مي‌باشد. به ‌بيان ديگر ، دانشجويان رشته فيزيك بعد از اخذ مدرك كارشناسي در اين رشته ، مي‌توانند بعد از امتحان ورودي وارد رشته فيزيك پزشكي شده و مدرك فوق ليسانس خود را در اين رشته اخذ نمايند. البته لازم به ذكر است كه در كشور ما ، در مقايسه با ساير گرايش‌هاي رشته فيزيك كه در بيشتر دانشگاهها ارائه مي‌گردد، گرايش فيزيك پزشكي در تعداد كمي از دانشگاهها وجود دارد.

ارتباط فيزيك پزشكي با ساير علوم

مي‌توان گفت كه رشته فيزيك تقريبا با بيشتر شاخه‌هاي علوم ارتباط دارد. رابطه فيزيك با پزشكي نيز از طريق فيزيك پزشكي برقرار مي‌شود. به ‌بيان ديگر ، فيزيك پزشكي مانند پلي است كه بين شاخه‌هاي مختلف فيزيك و پزشكي وجود دارد. به ‌عنوان مثال ، فيزيك پزشكي با گرايش‌هاي ليزر و فيزيك هسته‌اي ارتباط تنگاتنگ دارد.

آينده فيزيك پزشكي

با توجه به كاربردي كه علوم در بهينه‌سازي زندگي بشر دارد، توجه انديشمندان و نخبگان دنيا به پيشرفت و ترقي شاخه‌هاي مختلف علمي معطوف شده است. لذا در حال حاضر شاهد پيشرفت وسيع تكنولوژي هستيم. هر روز وسايل جديد و پيشرفته‌تري ساخته مي‌شوند كه نسبت به وسايل قبلي از كارايي بيشتري برخوردار هستند. بوجود آمدن وسايل پيشرفته و استفاده از آنها نيازمند تربيت افراد متخصص در اين زمينه است.

به بيان ديگر ، هر روز وسايل مختلف پيشرفته‌اي در علم پزشكي بوجود مي‌آيند. مثلا چاقوي ليزري ، چاقوي پلاسمايي و ... چند نمونه از اين موارد فوق‌العاده زياد هستند. اما براي استفاده بهينه از اين وسايل و جلوگيري از صدمات جانبي آنها كه جان بيماراني را كه بوسيله اين ابزار مورد درمان قرار مي‌گيرند، وجود متخصصين فيزيك پزشكي ، امري اجتناب ناپذير است. بنابراين بايد در اين زمينه سرمايه‌گذاري بيشتري انجام شده و نسبت به تربيت چنين افرادي اقدام شود، تا ما نيز در آينده بتوانيم از اين حيث به خودكفايي برسيم و شاهد هيچگونه آسيبي ناشي از استفاده نادرست اين ابزارها نباشيم.

سرعتي بالاتر از سرعت نور

حقيقت شفق قطبي

شفق قطبي چيست و چگونه تشكيل مي شود؟

نيروهاي لورنتس كه موجب انحراف مسير الكترونها در ميدان هاي مغناطيسي مي شود در بسياري از پديده هاي طبيعي تجلي مي يابند و فقط با ياري گرفتن از اين نيروها توضيح آنها ممكن است. يكي از تماشايي ترين و با شكوهترين پديده ها از اين نوع شفق قطبي است، كه مشخصه عرض هاي جغرافيايي بالا , نزديكي هاي شمال يا جنوب مدار قطبي است. پديده شگفت آور و زيبايي كه در طول شب قطبي طولاني در آسمان ديده مي شود.

آسمان تابان مي شود و نقش هايي با رنگها و شكل هاي گوناگون ديده مي شود. گاهي داراي شكل كمان يكنواخت ، ساكن يا تپنده است و گاهي عبارت است از شمار زيادي پرتو با طول موج هاي متفاوت ، كه مانند پرده ها و نوارها بازي مي كنند و پيچ و تاب مي خورند. رنگ تاباني از سبز مايل به زرد به سرخ و بنفش مايل به خاكستري تغيير مي كند. طبيعت و منشا شفق هاي قطبي زمان درازي به كلي پوشيده مانده بود. تا اينكه به تازگي براي اين راز توضيح رضايت بخشي پيدا شد.

ارتفاع شفق هاي قطبي

قبل از همه , دانشمندان موفق شدند ارتفاعي را كه شفق هاي قطبي ظاهر مي شوند، تعيين كنند. به اين منظور از يك تاباني از دو نقطه به فاصله چند ده كيلومتر از يكديگر عكس گرفتند. به كمك چنين عكس هايي ثابت كردند كه شفق هاي قطبي در ارتفاع 80 تا 100 كيلومتري بالاي زمين (بيشتر اوقات در ارتفاع 100 كيلومتر) ظاهر مي شوند. به اين ترتيب دريافتند كه شفق هاي قطبي تاباني گازهاي رقيق موجود در جو زمين هستند، كه تا اندازه اي به تاباني در لامپ هاي تخليه گاز شبيه مي باشند.

دوره تناوب ظهور شفق هاي قطبي

رابطه جالب بين شفق هاي قطبي و پديده هاي ديگر روشن است. شفق هاي قطبي با دوره هاي متفاوت مشاهده مي شوند. اختلاف دوره هاي شفق قطبي بعضي اوقات به چندين سال مي رسد. مشاهدات چندين ساله آشكار ساخته اند كه دوره هاي زيادي ماكزيمم شفق هاي قطبي به طور مرتب در 11.5 سال تكرار مي شوند . در طول اين مدت ، شماره شفق هاي قطبي نخست سال به سال كاهش مي يابد و سپس شروع مي كند به زياد شدن تا مقدار آن در 11.5 سال از نو به ماكزيمم مي رسد.

ساير پديده هاي زيباي جوي

مشاهده سطح خورشيد ، از خيلي پيش ، وجود لكه هاي تار و نامنظمي را روي قرص آن آشكار ساخته اند كه اغلب شكل و جايشان عوض مي شود، معلوم شده است كه تعداد و مساحت كل اين لكه ها از سالي به سال ديگر ، نه به طور كاتوره اي بلكه با همان دوره 11.5 سال , تغيير مي كنند . در اين فرايند , ماكزيمم لكه هاي خورشيدي ، يا فعاليت خورشيدي ماكزيمم ، همزمان با شفق قطبي ماكزيمم عارض مي شوند و نابودي آنها نيز با هم هماهنگ مي باشد.

تعداد توفان هاي مغناطيسي به ماكزيمم خود مي رسد. در سالهاي اخير رابطه مشابهي بين فعاليت خورشيدي (تعداد لكه هاي خورشيدي) و شرايط انتشار امواج راديويي در لايه هاي بالاي جو اثبات شده است. بنابراين مساله ، علاوه بر معناي نظري محض ، اهميت عملي نيز پيدا كرده است.

فرضيه بيركلند در مورد لكه هاي خورشيدي

بيركلند (B.Birkeland ) دانشمند نروژي با مقايسه نتايج اخير اين فرضيه را مطرح كرد كه لكه هاي خورشيدي ناحيه هايي هستند كه آنها باريكه هاي ذرات باردار (الكترونها) به داخل فضاي اطراف گسيل مي شوند. اين ذرات با رسيدن به لايه هاي بالاي جو زمين ، از طريق برخوردهاي الكترون در اين لايه ها ، مشابه تخليه گاز در لوله ، گازها را به تاباني وا مي دارند. اين الكترون ها همچنين روي ميدان مغناطيسي زمين و شرايط انفجار امواج راديويي مجاور زمين اثر مي گذارند.

يك پرسش و يك پاسخ

اگر نظريه بيركلند درست باشد، چرا شفق هاي قطبي در عرض هاي بالا ، يعني در نواحي نزديك به قطب ها مشاهده مي شوند؟ در صورتيكه مي دانيم پرتوهاي خورشيد تمام سطح زمين را روشن مي كنند. پاسخ اين پرسش را استرمر (Stermer) ، دانشمند نروژي ديگر پيدا كرد. ذرات باردار گسيل شده از خورشيد به جو زمين مي رسند و به درون ميدان مغناطيسي آن نفوذ مي كنند. در آنجا نيروي لورنتس بر آنها اثر مي كند. و آنها را از مسير اوليه خود منحرف مي سازد.

استرمر محاسبات رياضي پيچيده اي انجام داد و مسير اين الكترون ها را در ميدان مغناطيسي زمين حساب كرد. او نشان داد كه ذرات باردار منحرف شده توسط ميدان مغناطيسي زمين ، به يقين فقط به نواحي قطبي كره زمين وارد مي شوند.

كاربرد ويژه نيروي لورنتس

اين نظريه كه در انحراف ذرات باردار در ميدان مغناطيسي زمين نيروي لورنتس را به حساب مي گيرد، با شمار زيادي از نتايج آزمايشگاهي به خوبي همخواني دارد و در حال حاضر پذيرش همگاني يافته است. هر چند به تازگي براي توضيح كمي تمامي اين ديدگاه دشواريهايي بروز كرده است.

سرعت نور، چالش ها و نظريه ها

مقدمه

نور و مسائل مربوط به آن همواره يکي از مباحث مهم و مورد توجه فيزيکدانان بوده و هست. نحستين تلاش هاي علمي در اين زمينه از زمان گاليله آغاز شد. وي به اتفاق همکارش براي اندازه گيري سرعت نور اقدام کردند. روش کار به اين طريق بود که همکار گاليله در حاليکه فانوسي در دست داشت بالاي تپه اي ايستاده بود و گاليله بالاي تپه اي ديگر. هر دو با خود فانوسي داشتند که روي آن را پوشانده بودند. دستيار وي به مجرد آنکه نور گاليله را مي ديد، با برداشتن پرده از روي فانوس خود به گاليله علامت مي داد. گاليله اين آزمايش را با فواصل بيشتر و بيشتر تکرار کرد، اما نتوانست اختلاف زماني بين برداشتن پرده از روي فانوس خود و دستيارش به دست آورد و سرانجام گفت که سرعت نور خيلي زياد است .

نخستين بار سرعت نور در سال 1676 توسط رومر (Romer) با استفاده از ماه گرفتگي محاسبه شد و معلوم گشت که سرعت نور نيز محدود است. عددي را که رومر به دست آورد 215 هزار کيلومتر بر ثانيه بود. اين عدد آنقدر بزرگ بود که معاصران وي آن را باور نمي کردند در سال 1726 برادلي با استفاده از تغيير وضعيت ستارگان نسبت به زمين سرعت نور را محاسبه کرد و عدد سيصد هزار کيلومتر بر ثانيه را به دست آورد.

نخستين بار فيزيو با ستفاده از روش غير نجومي و اصلاح روش گاليله سرعت نور را اندازه گيري کرد و مقدار آن را سيصد و سيزده هزار کيلومتر بر ثانيه به دست آورد. تمام اين نتايج به صورت تجربي به دست آمده بود و از پشتوانه ي نظري بي نصيب بود و استناد به اين اندازه گيري نمي توانست به يک نتيجه ي جهان شمول برسد. به عنوان نمونه آيا اندازه ي سرعت هاي به دست آمده زميني و سماوي بايد يکسان باشد يا خير؟

در دهه ي 1860 کلارک ماکسول با استفاده از قوانين الکترومغناطيس که خود معادلات آن را نوشته بود ديدگاهي کلي و جهان شمول در مورد سرعت امواج الکترومغناطيسي که نور بخش کوچکي از آن بود، ارائه کرد.

امواج الکترومغناطيسي

امواج الکترومغناطيسي که بطور نظري در سال 1864 توسط معادلات کلارک ماکسول پيشگويي شد، نشان داد که سرعت انتشار اين امواج در خلاء از رابطه ي زير به دست مي آيد:

همچنانکه رابطه ي بالا نشان مي دهد، سرعت نور (امواج الکترومغناطيسي) در خلاء ثابت است. اما سرعت ثابت امواج الکترمغناطيسي بايستي نسبت به يک دستگاه مقايسه مي شد، و اين دستگاه همان دستگاه اتر بود. يعني اتر ساکن مطلق فرض مي شد و تمام اجسام نسبت به آن در حرکت بودند و سرعت امواج الکترومغناطيسي و در حالت خاص سرعت نور نسبت به اتر ثابت بود. اين نظريه در حالي شکل گرفت که نسبيت گاليله اي نيز معتبر و بي نقص تصور مي شد. بنابراين اگر سرعت نور نسبت به يک دستگاه لخت c باشد و دستگاه با سرعت v نسبت به اتر در حرکت باشد، در آنصورت سرعت نور نسبت به اتر w برابر خواهد شد با :

w=c+v

چنانچه نور در جهت مخالف دستگاه حرکت کند، آنگاه خواهيم داشت :

w=c-v

بر اين اساس ماکسول به فکر محاسبه سرعت حرکت منظومه ي شمسي نسبت به اتر افتاد. وي در سال 1879 طي نامه اي که براي تاد در آمريکا نوشت، طرحي را براي اندازه گيري سرعت حرکت منظومه ي شمسي نسبت به اتر پيشنهاد کرد. يک آمريکايي به نام مايکلسون اين طرح را دنبال کرد و براي انجام آزمايش تداخل سنجي نيز ساخت و در سال 1880 آزمايش کرد.

آنچه ازآزمايش مايکلسون به دست آمد بسيار گيج و ناراحت کننده بود. اولين فکري که قوت گرفت اين بود که بايد اشکال از معادلات ماکسول باشد که تنها بيست سال از عمر آن مي گذشت. يعني بايد آنها را طوري تغيير داد تا با نسبيت گاليله اي سازگار باشد. اما آزمايش فيزو و ساير نتايج حاصل از حرکت نور و امواج الکترومغناطيسي آنها را تاييد مي کرد.

هر تلاشي که براي توجيه علت شکست نتيجه ي آزمايش مايکلسون انجام مي دادند، با شکست رو به رو مي شد. در اين ميان دو نظريه از بقيه حالب تر به نظر مي رسيد.

يکي کشش اتري که به موجب آن جارجوب اتر بطور موضعي به کليه ي اجسام با جرم محدود متصل است. اين نظريه هيچ اصلاحي را در قوانين نيوتن، نسبيت گاليله اي و معادلات ماکسول لازم نمي دانست. اما اين نظري با کجراهي نور ستارگان ناسازگار بود.

نظريه دوم نظريه گسيلي بود که طبق آن معادله هاي ماکسول را بايد طوري اصلاح مي کردند که سرعت نور با سرعت چشمه ي صادر کننده بستگي داشته باشد. اين نظريه نيز با نور واصل از ستارگان دوتايي ناسازگار بود.

در اين اثنا انيشتين نظريه ي انقلابي نسبيت را ارائه کرد. مسئله نسبي بودن سرعت ، از نظر انيشتين ، تا جاييکه به اعتبار اصل نسبيت مربوط مي شد به اتر و حرکت سوقي ربطي نداشت. طبق اصل نسبيت : قوانين طبيعت در تمام چارچوب هاي مرجع لخت يکسان اند. انيشتين پس از مطرح کردن اصل نسبيت ، به دو اصل موضوع بنيادي زير پرداخت:

1- قوانين فيزيکي در تمام دستگاه هاي لخت يکسان است.

2 - سرعت نور در خلاء ، در هر چارچوب لختي که اندازه گيري مي شود با صرفه نظر از حرکت منبع نور ، معادل c است.

اصل موضوعي دوم انيشتين ، در واقع انديشه مکانيکي نيوتني و سينماتيکي گاليله اي را رد مي کند . طبق اصول سينماتيک ، اگر دو جسم متحرک با سرعت ثابت ، در حال حرکت به سمت يکديگر باشند ، سرعت هر يک از آن ها در نقطه بر خورد ، برابر با مجموع سرعتشان است.

اما درنسبيت انيشتين اينگونه نيست . اگر در نقطه اي نوري را گسيل کنيم ، ناظر ساکن و ناظر متحرک که با سرعت v در حال حرکت به سمت منبع است ، سرعت نور را c محاسبه مي کنند.

نسبيت علاوه بر آنکه بخوبي توانست علت شکست نتيجه ي آزمايش مايکلسون را توجيه کند، از تمام آزمايش هاي مربوط به آن نيز با موفقيت بيرون آمد. علاوه بر آن به نتايج گرانقدري رسيد که همه ي انديشه بشريت را تحت ناثير قرار داد.

همجنانکه که در بالا بيان شد، ثابت بودن سرعت نور به عنوان يک اصل موضوع مطرح شده است. اصول موضوع در هر زمينه ي علمي داراي اين ويژگي هستند که اعتبار خود را تا زمانيکه با مورد نقض رو به رو نشده اند، حفظ مي کنند و به محض مواجه با يک تناقض از اعتبار ساقط مي شوند. ار آن جاييکه فيزيک يک دانش تجربي است، الزاماً بايستي ابطال اصولش نيز بر پايه تجربه باشد.

علاوه بر مشاهدات تجربي که مي تواند اصول موضوعي را به چالش بکشد، سازگاري اين اصول با ساير نظريه هايي که قادر به توجيه پديده هاي فيزيکي هستند نيز از اهميت خاصي برخور دار است. تجارب کيهاني دهه ي 1970 به بعد اصل ثابت بودن سرعت نور را با مشکل جدي مواجه ساخته است که در زير به برخي از آنها اشاره مي شود.

سرعت نور ثابت نيست

تئوري جديدي كه دانشمندان استراليايي مطرح كرده‌اند و سرعت نور را ثابت نمي‌دانند مهمترين تئوري فيزيك نوين يعني نسبيت انيشتين را از اريكه قدرت به پايين مي‌‌كشد.

تيم فيزيك‌دانان دانشگاه مك كواري سيدني در استراليا به رياست پال ديويز Paul Davies احتمال آن كه سرعت نور طي ميلياردها سال كندتر شده باشد را مطرح ساخته‌اند. در اين صورت فيزيكدانان بايد در مورد بسيار از فرضيه‌ها و تئوريهاي پايه بويژه در مورد قوانين حاكم بر عالم تجديد نظر كنند. ديويز در مصاحبه با رويتر گفت: «معني اين تئوري جديد آن است كه بايد از خير تئوري نسبيت و فرمول E=mc2 و اين جور چيزها بگذريم البته نه به اين معني كه كتابها را در اين مورد دور بيندازيم؛ هميشه تحولات علمي تئوريهاي قديمي‌تر را در خود هضم مي‌‌كند‌».

نتايج تحقيقات اين تيم در مجله نيچر Nature به چاپ رسيده است. جان وب اختر شناس دانشگاه نيوساوث ويلز با ارائه تئوري خود براساس شواهدي كه به دست آمده است ادعا مي‌‌كند كه سرعت نور مي‌‌تواند ثابت نباشد، كه اين موضوع معماي لاينحلي را پيش روي فيزيكدانان و اخترشناسان قرار داده است. براساس يافته‌هاي وب، نوري كه از كوثر- Quasar شي‌ء شبيه به ستاره در آسمان - در طي دوازده ميليارد سال سفر خود تا رسيدن به زمين فوتونهايي از سحابي بين ستاره‌اي دريافت كرده است كه با فوتونهايي كه تاكنون مي‌‌شناختيم تفاوت دارد.

ديويز در توضيح يافته‌هاي وب مي‌‌گويد: مشاهدات وب به معني آن است كه ساختار اتمهايي كه از نور كوثر ساطع مي‌‌شود تفاوت بسيار جزيي اما با اهميت ساختار اتمهاي انسان دارد. دليل اين تفاوت فقط مي‌‌تواند از دو چيز ناشي شود: يا بخاطر سرعت نور و يا بخاطر تخليه الكتروني (Electron Charge).

از سويي دو قانون در قوانين فيزيك كيهاني مطرح است كه سالهاست مورد پرسش قرار گرفته است. براساس اين دو قانون نه تخليه الكتروني و نه سرعت نور قابل تغيير نيستند. اما بايد براي مشاهدات وب توضيحي داد: يا اين مشاهدات اشتباه است و يا يكي از دو قانون ثبات سرعت نور و يا تخليه الكتروني قابل تكيه نيست. تيم ديويز بنا را براين گذاشتند كه مشاهدات وب درست بوده و يكي از اين دو قانون ممكن است آنطور كه تصور مي‌‌شد غيرقابل تغيير نباشد.

به اين ترتيب اين تيم به مطالعه سياه چاله‌ها روي آوردند. سياه چاله‌ها توده‌هاي عظيم و اسرارآميزي هستند كه ماده را مي‌‌بلعند و حتي نور نيز از چنگال اين مكنده در امان نيست. اگر قرار باشد به قانون دوم ترموديناميك- كه خود يك دگماتيسم ديگر در فيزيك است- اعتقاد داشته باشيم در اين صورت تغيير در قانون ثبات تخليه الكتروني قانون دوم ترموديناميك را در هم خواهد ريخت به همين دليل يك گزينه باقي ماند و آن بررسي امكان متغير بودن سرعت نور است.

گرچه هنوز مطالعات به اندازه كافي نيست و مشاهدات وب از نور كوثر براي درهم ريختن تئوري‌هاي موجود كافي نيست اما مطالعه در اين زمينه از چندي پيش آغاز شده است. ا ز جمله مي‌‌توان به مقاله‌هايي كه در مجله Physical Review Letters منتشر شده مراجعه كرد و گرچه بسياري از وفاداران به تئوريهاي موجود سعي دارند مشاهدات وب و ديويز را اشتباه مشاهده‌اي و اشتباه محاسباتي و آماري جلوه دهند، اما بحثي كه در اين زمينه آغاز شده است روز به روز دامنه‌دارتر مي‌‌شود و به همان اندازه‌اي كه خود كيهان سئوالات لاينحل باقي گذاشته مشاهدات اخير نيز بسياري از تئوريها را به چالش كشانده است.

در اين وضعيت بايد روشن شود به چه چيزهايي از تئوري گذشته مي‌‌توان تكيه كرد و بايد ديد تئوريهاي جديد از عهده پاسخگويي به بسياري از پرسشها بر مي‌‌آيند يا خير. در واقع از نظر ديويز همان بلايي كه تئوري نسبيت انيشتين و فيزيك كوانتوم بر فيزيك قرن نوزدهم وارد آورد حالا خود شاهد آن خواهد بود كه تئوريهاي جديد پايه و اساس اين تئوريها را متزلزل خواهد كرد. حداقل دستاورد اين مشاهدات اين است كه در بررسي ساختار كيهان و اين كه از كجا نشأت گرفته و به كجا تكامل پيدا مي‌‌كند يك گام رو به جلو برداشته شده است.

تئوري نسبيت مي‌‌گويد كه سرعت هيچ چيز از نور فراتر نمي‌رود (سرعت نور در خلأ، تقريباً000ر300 كيلومتر در ثانيه است). آرزوي انسان فراتر رفتن از اين سرعت است و اين آرزوها در فيلمهايي مثل "Star Trek" انعكاس يافته‌اند. حتي اگر انسان ابزاري بسازد كه بتواند با سرعت نور حركت كند براي عبور از كهكشان راه شيري يكصدهزار سال وقت لازم است.

كوارك در طبيعت

آشكارسازي ذرات

حفاظت در برابر مواد پرتوزا

خواص اشعه راديواكتيو

عناصر راديواكتيو معمولا سه نوع ذره يا اشعه از خود صادر مي‌كنند كه شامل ذره آلفا ، ذره بتا و اشعه گاما است. با قرار دادن اشعه راديواكتيو تحت تاثير ميدان مغناطيسي متوجه شده‌اند كه ذره آلفا داراي بار مثبت ، بتا داراي بار منفي و اشعه گاما بدون بار است.

خواص ذره آلفا

جنس ذره آلفا ، هسته اتم هليوم است كه از دو نوترون و دو پروتون تشكيل يافته است. جرم آن حدود 4 برابر جرم پروتون و بار الكتريكي آن 2+ و علامت اختصاري آن (4,2)He است. برد ذره آلفا به عنصر مادر ، انرژي اوليه و جنس محيط بستگي دارد. مثلا برد ذره آلفا صادره از راديوم در هوا تقريبا 4.8 سانتيمتر مي‌باشد. ذره آلفا به علت داشتن 2 بار مثبت هنگامي كه از نزديكي يك اتم عبور مي كند، ممكن است تحت تاثير ميدان الكتروستاتيكي خود ، الكترون مدار خارجي آن اتم را خارج سازد و يا به عبارت ديگر اتم را يونيزه كند. همچنين ذره آلفا قادر است محل الكترون را تغيير دهد، يعني الكترون تحت تاثير ميدان الكتريكي ذره آلفا از مدار پايين تري به مدار بالاتر صعود مي‌كند و در نتيجه اتم به حالت برانگيخته در مي‌آيد. قابليت نفوذ ذره آلفا بسيار كم است.

خواص ذره بتا

جنس ذره بتاي منفي ، از جنس الكترون مي‌باشد، بار الكتريكي آن 1- و علامت آن بتاي منفي است. برد ذره بتا در هوا در حدود چند سانتيمتر تا حدود يك متر است. البته برد اين ذره نيز به انرژي اوليه (عنصر مادر) و جنس محيط بستگي دارد. برخلاف ذره آلفا ، ذره بتا از نظر حفاظت يك خطر خارجي محسوب مي‌شود. خاصيت يون سازي اين ذره به مراتب كمتر از ذره آلفا است، يعني بطور متوسط در حدود 100 مرتبه كمتر از ذره آلفا مي‌باشد. ذره بتا مي‌تواند در اتمها ايجاد برانگيختگي كند، ولي اين خاصيت نيز در ذره بتا، به مراتب كمتر از ذره آلفا است. قدرت نفوذ ذره بتا بطور متوسط 100 برابر بيشتر از ذره آلفا است. طيف ذره بتا تك انرژي نيست، بلكه يك طيف پيوسته است كه تمام مقادير انرژي از 0 تا انرژي ماكزيمم را دارا مي‌باشد. اين ذره همان پوزتيرون است كه ضد ماده الكترون مي‌باشد. جرم آن با جرم الكترون برابر بوده و داراي باري مخالف با بار الكترون است و علامت اختصاري آن حرف بتاي مثبت است.

خواص اشعه گاما

جنس اشعه گاما از جنس امواج الكترومغناطيسي مي‌باشد، يعني از جنس نور است. ولي با طول موج بسيار كوتاه كه طول موج آن از 1 تا 0.01 آنگستروم تغيير مي‌كند. جرم آن در مقياس اتمي صفر ، سرعت آن برابر سرعت نور ، بار الكتريكي آن صفر و علامت اختصاري آن حرف گاما مي‌باشد. انرژي اشعه گاما از 10 كيلو الكترون ولت تا 10 مگا الكترون ولت تغيير مي‌كند. برد آنها بسيار زياد است. مثلا در هوا چندين متر است. خاصيت ايجاد يونيزاسيون و برانگيختگي در اشعه گاما نيز وجود دارد. ولي به مراتب كمتر از ذرات آلفا و بتا است. مثلا اگر قدرت يونيزاسيون متوسط اشعه گاما را يك فرض كنيم، قدرت يونيزاسيون متوسط ذره بتا 100 و ذره آلفا 104 خواهد بود. قدرت نفوذ اين اشعه به مراتب بيشتر از ذرات بتا و آلفا است. طيف انرژي اشعه گاما ، همانند ذرات آلفا تك انرژي است. يعني تمام فوتونهاي گاماي حاصل از يك عنصر راديواكتيو داراي انرژي يكساني هستند.

زمان صفر

ستاره دنباله دار

ستاره نوتروني

هنگامي كه ستاره پر جرمي به شكل ابر نواختر منفجر مي شود، شايد هسته اش سالم بماند. اگر هسته بين 4/1 تا 3 جرم خورشيدي باشد، جاذبه آن را فراتر از مرحله كوتوله سفيد متراكم مي كند تا اين كه پروتونها و الكترونها براي تشكيل نوترونها به يكديگر فشرده شوند. اين نوع شيء سماوي ستاره نوتروني ناميده مي شود. وقتي كه قطر ستاره اي 10 كيلومتر (6مايل) باشد، انقباضش متوقف مي شود. برخي از ستارگان نوتروني در زمين به شكل تپنده شناسايي مي شوند كه با چرخش خود، 2 نوع اشعه منتشر مي كنند.

براي اين كه تصور بهتري از يك ستاره نوتروني در ذهنتان بوجود بيايد.. مي توانيد فرض كنيد كه تمام جرم خورشيد در مكاني به وسعت يك شهر جا داده شده است. يعني مي توان گفت يك قاشق از ستاره نوتروني يك ميليارد تن جرم دارد.

اين ستارگان هنگام انفجار برخي از ابرنواخترها بوجود مي آيند. پس از انفجار يك ابرنواختر ممكن است به خاطر فشار بسيار زياد حاصل از رمبش مواد پخش شده ساختار اتمي همه ي عناصر شيميايي شكسته شود و تنها اجزاي بنيادي بر جاي بمانند.

اكثر دانشمندان عقيده دارند كه جاذبه و فشار بسيار زياد باعث فشرده شدن پروتونها و الكترونها به درون يكديگر مي شوند كه خود سبب به وجود آمدن توده هاي متراكم نوتروني خواهد شد. عده كمي نيز معتقدند كه فشردگي پروتونها و الكترونها بسيار بيش از اينهاست و اين باعث مي شود كه تنها كوارك ها باقي بمانند. و اين ستاره كواركي متشكل از كواركهاي بالا و پايين (Up & down quarks)و نوع ديگري از كوارك كه از بقيه سنگين تر است خواهد بود كه اين كوارك تا كنون در هيچ ماده اي كشف نشده است.

از آنجا كه اطلاعات در مورد ستارگان نوتروني اندك است در سالهاي اخير تحقيقات زيادي بر روي اين دسته از ستارگان انجام شده است.

در اواخر سال 2002 ميلادي.. يك تيم تحقيقاتي وابسته به ناسا به سرپرستي خانم J. Cotton مطالعاتي را در مورد يك ستاره نوتروني به همراه يك ستاره همدم به نام 0748676 EXOا نجام داد. اين گروه براي مطالعه ي اين ستاره دو تايي كه در فاصله ي 30000 سال نوري از زمين قرار دارد.. از يك ماهواره مجهز به اشعه ايكس بهره برد.( اين ماهواره متعلق به آزانس فضايي اروپاست و XMMX- ray Multi Mirror نيوتن نام دارد)

هدف اين تحقيق تعيين ساختار ستاره نوتروني با استفاده از تأثيرات جاذبه ي زياد ستاره بر روي نور بود.

با توجه به نظريه ي نسبيت عام نوري كه از يك ميدان جاذبه ي زياد عبور كند.. مقداري از انرژي خود را از دست مي دهد. اين كاهش انرژي به صورت افزايش طول موج نور نمود پيدا مي كنند. به اين پديده انتقال به قرمز مي گويند.

اين گروه براي اولين بار انتقال به قرمز نور گذرنده از اتمسفر بسيار بسيار نازك يك ستاره نوتروني را اندازه گيري كردند. جاذبه ي عظيم ستاره نوتروني باعث انتقال به قرمز نور مي شود كه ميزان آن به مقدارجرم ستاره و شعاع آن بستگي دارد. تعيين مقادير جرم و شعاع ستاره مي تواند محققان را در يافتن فشار دروني ستاره ياري كند. با آگاهي از فشار دروني ستاره منجمان مي توانند حدس بزنند كه داخل ستاره نوتروني فقط متشكل از نوترونهاست يا ذرات ناشناخته ي ديگر را نيز شامل مي شود.

اين گروه تحقيقاتي پس از انجام مطالعات و آزمايشات خود دريافتند كه اين ستاره تنها بايد از نوترون تشكيل شده باشد. و در حقيقت طبق مدلهاي كواركي ذره ديگري جز نوترون در آن وجود ندارد.

درحين اين مطالعه و براي بررسي تغييرات طيف پرتوهاي ايكس يك منبع پرقدرت اشعه ايكس لازم بود. انفجارهاي هسته اي (Thermonuclear Blasts)كه بر اثر جذب ستاره همدم توسط ستاره نوتروني ايجاد مي شود.. همان منبع مورد نياز براي توليد اشعه ي ايكس بود. (ستاره نوتروني به سبب جرم زياد و به طبع آن.. جاذبه ي قوي.. مواد ستاره همدم را به سوي خود جذب مي كرد.) طيف پرتوهاي X توليد شده.. پس از عبور از جو بسيار كم ستاره نوتروني كه از اتم هاي آهن فوق يونيزه شده تشكيل شده بود توسط ماهواره XMM-نيوتن مورد بررسي قرار گرفتند.

نكته ي قابل توجه اين است كه در آزمايشهاي قبلي كه توسط گروه ديگري انجام شده بود تحقيقات بر روي ستاره اي متمركز بود كه ميدان مغناطيسي بزرگي داشت و چون ميدان مغناطيسي نيز بر روي طيف نور تأثير گذار است تشخيص اثر نيروي جاذبه ي ستاره بر روي طيف نور به طور دقيق امكان پذير نبود. ولي ستاره موردنظر در پروژه بعدي (كه آن را توضيح داديم) داراي ميدان مغناطيسي ضعيفي بود كه اثر آن از اثر نيروي جاذبه قابل تشخيص بود.

زندگي يك ستاره

جالب است بدانيد كه ستارگان هم مانند موجودات زنده متولد مي‌شوند، زندگي مي‌كنند و سپس مي‌ميرند، ولي طول زندگي آنها بسيار طولاني است. متاسفانه عمر كوتاه انسانها كفاف نمي‌دهد تا بتوانند زندگي يك ستاره را در مراحل مختلف شاهد باشند. با اين حال اخترشناسان اين مراحل را براي ما مشخص مي‌كنند.

در طول زندگي انسان ، ستارگان بيشمار راه شيري عملا بدون تغيير به نظر مي‌رسند. گاهي يك نواختر (ستاره‌اي كه بطور ناگهاني و انفجاري مقاديري عظيم انرژي از خود آزاد مي‌كند) ، ناگهان ظاهر آشناي يك صورت فلكي را به مدت چند هفته عوض مي‌كند و دوباره كم نورتر مي‌شود. منظره زيبايي كه يك ابرنواختر در آسمان پديد مي‌آورد، بسيار نادر است. ستارگان نيز در نهايت تغيير مي‌كنند و هيچ كدام تا ابد پايدار نمي‌مانند. ستاره ، هنگامي كه انبار عظيم سوخت هسته‌اي آن به پايان برسد، مي‌ميرد. ستارگان بسيار جوان هنوز در ميان گازهايي كه از آن شكل مي‌گيرند، پنهان هستند.

ستاره بعد از تولد

بعد از آنكه ستاره شكل مي‌گيرد (تولد ستاره)، بلافاصله حياتي پايدار بدست مي‌آورد. در همين زمان واكنشهاي هسته‌اي در داخلي‌ترين هسته ستاره ، هيدروژن را به هليوم تبديل مي‌كند و انرژي آزاد مي‌گردد. سرانجام همه هيدروژن درون آن به مصرف مي‌رسد. بعد از اين ، تغييراتي در لايه‌هاي دروني ستاره آغاز مي‌شود. در حالي كه واكنشهاي جديدي از هليوم شروع مي‌شوند، لايه‌هاي بيروني باد مي‌كنند تا ستاره را به اندازه غول برسانند.

در اثر تغييرات زياد ، ستاره به مرحله متغير بودن مي‌رسد. در نهايت هيچ منبع ممكن براي آزادسازي انرژي باقي نمي‌ماند. ستارگان كوچكتر در اثر انقباض به كوتوله‌هاي سفيد تبديل مي‌شوند. ستارگان سنگين‌تر به‌صورت ابرنواختر منفجر مي‌شوند. ماده بيرون ريخته از يك ابرنواختر ، بخشي از گاز بين ستاره‌اي را تشكيل مي‌دهد كه زادگاه ستارگان جديد است.

سحابي سياره‌اي

ستارگان در يكي از آخرين مراحل زندگي خود ، قبل از آن كه به كوتوله سفيد تبديل شوند، منظره بسيار زيبايي در آسمان بوجود مي‌آورند. اين مرحله سبب پيدايش سحابي‌هاي سياره‌اي مي‌شود. يك سحابي سياره‌اي هنگامي تشكيل مي‌شود كه ستاره مركزي آن ، لايه‌اي به بيرون پرتاب كند. لايه گاز همانند حلقه‌اي از دود منبسط مي‌شود.

تأثير نيروي گرانش بر زندگي ستارگان

سراسر زندگي ستاره به يك ميدان نبرد شبيه است. نيروي گرانش سعي دارد كه ستاره را منقبض كند، ولي با مقاومت فشار رو به بيرون ستاره مواجه مي‌گردد. سرانجام ستاره تحليل مي‌رود و گرانش ، كنترل را بدست مي‌گيرد. در اين حالت ستاره شكل كاملا متفاوت با ستاره‌اي معمولي و سالم به خود مي‌گيرد.

مراحل مختلف زندگي ستاره

تشكيل كوتوله سفيد

نيروي گرانش يك نيروي جاذبه است، لذا ذرات ماده در اثر اين نيرو به هم نزديكتر مي‌شوند. همچنين چون نيروي گرانش با جرم ذرات نسبت مستقيم دارد و نيز چون جرم ستاره فوق‌العاده زياد است، لذا جاذبه گرانشي درون آن بسيار شديد خواهد بود. به عنوان مثال در اعماق خورشيد فشار در فاصله يك دهمي سطح تا هسته ، تقريبا يك ميليون بار بيشتر از فشار جو در سطح زمين است. در اين فاصله فشار تا هزار ميليون بار بيشتر از فشار جو زمين صعود مي‌كند. اين فشار با مقاومت گازهاي داغ درون خورشيد مواجه مي‌شود. اين گاز توسط كوره هسته‌اي گرم نگه داشته مي‌شود.

هنگامي كه آتش هسته‌اي رو به كاهش مي‌گذارد، گاز داغ درون ستاره سرد مي‌شود. بنابراين نيروي گرانش غالب مي‌شود. آنچه در اين مرحله روي مي‌دهد، به جرم ستاره بستگي دارد. ستاره‌اي رو به مرگ مانند خورشيد ، درهم فرو مي‌ريزد تا به اندازه زمين برسد. در اين روند هيچ انفجار واقعي و قابل توجه رخ نمي‌دهد. ستاره فقط به توده‌اي از خاكستر راديواكتيو تنزل پيدا مي‌كند و به آرامي سوسو مي‌زند. در اين حالت ستاره به يك كوتوله سفيد تبديل مي‌شود. يك فنجان از ماده آن يك صد تن وزن دارد.

تشكيل ستاره نوتروني

اگر جرم ستاره‌اي بيشتر از خورشيد باشد، فشار فرو ريزش مرحله كوتوله سفيد را نيز پشت سر مي‌گذارد و متوقف نمي‌شود. فرايند فرو ريزش تا جايي كه قطر ستاره به حدود ده كيلومتر برسد، ادامه پيدا مي‌كند. در اين نقطه ، ستاره گلوله‌اي چگال از ذرات هسته‌اي است كه آن را ستاره نوتروني مي‌نامند. يك فنجان از ماده آن ، يك ميليون ميليون تن وزن دارد.

تشكيل تپ اختر

برخي از ستارگان نوتروني به سرعت مي‌چرخند و در هر بار چرخش ، تابشهايي در محدوده امواج راديويي گسيل مي‌كنند. اينگونه ستارگان نوتروني ، تپ اختر ناميده مي‌شوند.

تشكيل ابرنواختر

يك ستاره نوتروني بدون وقوع يك انفجار شديد اوليه شكل نمي‌گيرد. ستاره رو به مرگ ، ممكن است در چند ثانيه آخر حيات خود ، به صورت يك ابرنواختر شعله‌ور شود. درخشش آن چند روز از تمام كهكشانها پيشي مي‌گيرد. از بخش مركزي ابرنواختر ، يك ستاره نوتروني تشكيل مي‌شود.

تشكيل سياهچاله‌ها

يك ستاره رو به مرگ ، مثلا با جرمي 10 برابر جرم خورشيد چنان زير بار گرانش توليد شده قرار مي‌گيرد كه هيچ نيرويي نمي‌تواند در برابر فرو ريزش آن مقاومت كند. وقتي كه چنين ستاره‌اي منقبض مي‌شود و به اندازه‌اي در حدود دو كيلومتر مي‌رسد، گرانش به حدي زياد مي‌شود كه سرعت گريز از سطح آن به بيشتر از سرعت نور مي‌رسد.

از موشك گرفته تا ذرات نور و علائم راديويي ، هيچ يك نمي‌توانند از سطح آن بگريزند. اين گرانش به قدري نيرومند است كه همه چيز را به طرف خود مي‌كشد. ما فقط مي‌دانيم كه در اين حالت ، ستاره به يك سياهچاله تبديل مي‌شود. سياهچاله‌ها را نمي‌توان ديد، چون نور نمي‌تواند از سطح آن بگريزد.

عقايد انسانها در مورد ستارگان

از يك نظر زماني هر يك از ما درون ستارگان بوده است و از ديدگاه ديگر ، هر كس روزگاري در فضاي خالي و گسترده بين ستارگان جاي داشته است. بالاخره اگر براي جهان آغازي در نظر گرفته شود، زماني هر يك از ما در آن آغاز حضور داشته است. به اين معني كه هر مولكول بدن ما ، داراي موادي است كه روزگاري در مركز داغ و پر فشار يك ستاره جاي داشته‌اند. در اين نقاط بود كه آهن موجود در سلولهاي قرمز خون ، شكل گرفته است.