راهنما · ۱۲ مهر ۱۴۰۵
راهنمای برق، مغناطیس و فیزیک نوین
از بار الکتریکی و قانون اهم تا معادلات ماکسول، کوانتوم، شکافت هسته‌ای و بوزون هیگز: چگونه فیزیک نوین از دل برق و نور برخاست.
برق، مغناطیس و فیزیک نوین در نگاه اول سه دنیای جدا به نظر می‌رسند، اما یک رشتهٔ مشترک دارند: بار الکتریکی و نور. این راهنما از شمارش بارها و جریان‌های ساده شروع میکند، به تصویر یکپارچهٔ ماکسول می‌رسد و بعد نشان میدهد چگونه همین نور و بار در قرن بیستم به مکانیک کوانتومی و فیزیک هسته‌ای انجامید.
بار الکتریکی از کجا می‌آید؟
بار الکتریکی ویژگی بنیادی ماده است که دو نوع دارد، مثبت و منفی، و بارهای هم‌نام همدیگر را می‌رانند و ناهم‌نام همدیگر را می‌ربایند. حامل اصلی بار منفی در اتم‌ها الکترون است که جی. جی. تامسون در سال ۱۸۹۷ کشف کرد و بار آن حدود ۱٫۶ در ده به توان منفی ۱۹ کولن است. جابه‌جایی سادهٔ همین بارها بین دو جسم، پدیدهٔ آشنای الکتریسیتهٔ ساکن را می‌سازد: جرقهٔ پوشاک پشمی، چسبیدن بادکنک به دیوار، و در مقیاسی بزرگ، آذرخش.
جریان، ولتاژ و مدار چگونه با هم کار می‌کنند؟
وقتی بارها به‌طور منظم جابه‌جا شوند، جریان الکتریکی پدید می‌آید که با آمپر سنجیده میشود. چیزی که بار را به حرکت وامی‌دارد ولتاژ است، یعنی اختلاف پتانسیل میان دو نقطه، همان‌طور که اختلاف ارتفاع آب را در لوله به جریان می‌اندازد. این دو کمیت با مقاومت در قانون اهم به هم می‌پیوندند:
جریان تنها در حلقه‌ای بسته می‌گردد، و این حلقه مدار الکتریکی نام دارد: منبع، سیم، بار مصرف‌کننده و کلید. اتصال سری و موازی رفتار متفاوتی دارند؛ در مدار سری جریان یکسان و ولتاژ تقسیم میشود، در مدار موازی برعکس. خازن قطعه‌ای است که بار را در میان دو صفحه ذخیره میکند و آن را سریع‌تر از باتری تخلیه میکند، پس در فلاش دوربین و فیلتر منبع تغذیه حضور دارد.
آهنربا و میدان مغناطیسی چه نسبتی با برق دارند؟
برق و مغناطیس دو روی یک سکه‌اند: بار متحرک میدان مغناطیسی می‌سازد، و میدان مغناطیسی متغیر جریان برمی‌انگیزد. آهنربا دو قطب دارد که هرگز تنها دیده نمی‌شوند و میدان مغناطیسی آن را با خطوط میدان از قطبی به قطب دیگر تصویر می‌کنیم. ریزترین منشأ مغناطیس مواد، چرخش و حرکت الکترون‌هاست. زمین هم آهنربایی غول‌پیکر است و میدانش ما را از باد خورشیدی می‌پوشاند.
مایکل فارادی در ۱۸۳۱ کشف کرد که تغییر شار مغناطیسی در یک پیچه ولتاژ ایجاد میکند. القای الکترومغناطیسی پایهٔ ژنراتور و ترانسفورمر است و بیشتر برق جهان، از سد تا نیروگاه حرارتی، با چرخاندن پیچه در میدان مغناطیسی تولید میشود.
ماکسول این‌ها را چگونه یکی کرد؟
جیمز کلرک ماکسول در دههٔ ۱۸۶۰ قوانین الکتریسیته و مغناطیس را یکپارچه کرد، و این قوانین امروز در چهار معادله خلاصه می‌شوند. معادلات ماکسول پیش‌بینی کردند که میدان‌های متغیر الکتریکی و مغناطیسی می‌توانند به صورت موج در فضا پخش شوند و سرعت این موج را همان سرعت نور به دست آوردند. نتیجه روشن بود: نور خود یک موج الکترومغناطیسی است. رادیو، مایکروویو، فرابنفش و پرتو ایکس همه همین پدیده‌اند با طول موج‌های متفاوت.
موادی با رفتار شگفت‌انگیز
دو فناوری قرن بیستم بر همین پایه ایستاده‌اند. ابررسانا ماده‌ای است که زیر دمای بحرانی مقاومتش کاملاً صفر میشود و میدان مغناطیسی را از خود بیرون می‌راند؛ هایکه کامرلینگ اونس در ۱۹۱۱ آن را در جیوه نزدیک ۴ کلوین دید و امروز در دستگاه‌های ام‌آرآی و آهنرباهای شتاب‌دهنده به کار میرود. ترانزیستور که در ۱۹۴۷ در آزمایشگاه‌های بل ساخته شد، کلیدی نیمه‌رسانا است که با سیگنال کوچک جریان بزرگی را کنترل میکند و واحد پایهٔ همهٔ رایانه‌هاست.
چرا فیزیک کلاسیک کافی نبود؟
مکانیک و الکترومغناطیس کلاسیک در دو جا شکست خوردند: تابش جسم سیاه و اثر نور بر فلز. ماکس پلانک در ۱۹۰۰ برای حل مسئلهٔ نخست فرض کرد انرژی در بستههای گسسته مبادله میشود و ثابت پلانک را معرفی کرد، با مقداری حدود ۶٫۶۳ در ده به توان منفی ۳۴ ژول‌ثانیه. اثر فوتوالکتریک را هم اینشتین در ۱۹۰۵ با فرض اینکه نور از بسته‌هایی به نام فوتون ساخته شده است توضیح داد: الکترون فقط وقتی از فلز بیرون می‌افتد که بسامد نور از حدی بیشتر باشد، و زیاد کردن شدت نور در بسامد پایین کمکی نمی‌کند. همین فرض جایزهٔ نوبل ۱۹۲۱ او شد.
نیلز بور در ۱۹۱۳ با همین ایده الکترون را در مدارهای مجاز دور هسته قرار داد و مدل اتمی بور خطوط طیفی هیدروژن را توضیح داد، هرچند مدل برای اتم‌های بزرگ‌تر کارآمد نبود. در ۱۹۲۴ لویی دوبروی پیشنهاد کرد ذره‌ها هم موجی‌اند و آزمایش‌ها این را تأیید کردند. دوگانگی موج و ذره بنیاد این نگاه است: الکترون و فوتون هر دو در بعضی آزمایش‌ها موج و در بعضی ذره‌اند، و در آزمایش دو شکاف الگوی تداخل می‌سازند حتی وقتی یک‌به‌یک فرستاده شوند.
فیزیک کوانتومی چه پیامدهایی دارد؟
معنی این دوگانگی را گربهٔ شرودینگر در ۱۹۳۵ به شکل آزمایش فکری نشان داد: اگر سامانه‌ای کوانتومی در برهم‌نهی دو حالت باشد، تا زمان اندازه‌گیری هیچ حالتی قطعی نیست؛ شرودینگر این را برای نقد برداشت‌های ناکامل از نظریه مطرح کرد، نه برای اینکه واقعاً گربه‌ای نیمه‌زنده بسازد. هسته هم قوانین خودش را دارد. شکافت هسته‌ای در ۱۹۳۸ توسط هان و اشتراسمان کشف شد و لیزه مایتنر و فریش آن را تعبیر کردند: هستهٔ سنگین اورانیوم ۲۳۵ با جذب نوترون به دو قطعه می‌شکند، انرژی عظیمی آزاد میکند و نوترون‌هایی که یک واکنش زنجیره‌ای می‌سازند.
در سوی دیگر مقیاس، فیزیک ذرات می‌پرسد جهان از چه ساخته شده است. بوزون هیگز ذره‌ای است که وجودش از ۱۹۶۴ پیش‌بینی شده بود و جرم ذرات بنیادی را توضیح میدهد، و برخورددهندهٔ بزرگ هادرونی در سرن، حلقه‌ای به محیط ۲۷ کیلومتر در نزدیکی ژنو، آن را در ۲۰۱۲ پیدا کرد. اگر می‌خواهید تصویر کلی ذره‌های شناخته‌شده را ببینید، مدخل مدل استاندارد را بخوانید.
پرسش‌های رایج
### جریان الکتریکی چرا از قطب منفی به مثبت میرود؟
الکترونها که حامل بار منفیاند از قطب منفی به مثبت میروند. اما قرارداد تاریخی جریان را در جهت حرکت بار مثبت فرض میکند، یعنی از مثبت به منفی.
### تفاوت ولتاژ و جریان چیست؟
ولتاژ نیروی محرک بارها بین دو نقطه است و جریان شمار بار عبوری در ثانیه است. در یک مدار با مقاومت ثابت، افزایش ولتاژ جریان را به همان نسبت زیاد میکند.
### اثر فوتوالکتریک چرا مهم است؟
اثر فوتوالکتریک اثبات کرد نور به شکل بستههای انرژی جذب میشود. این یافته به پیدایش مکانیک کوانتومی کمک کرد و امروز در سلولهای خورشیدی و حسگرهای دوربین به کار میرود.
### بوزون هیگز را چرا ذرهٔ خدا مینامند؟
این لقب را رسانهها رواج دادند و بیشتر فیزیکدانان آن را نمیپسندند. ذرهٔ هیگز به سازوکاری مربوط است که به ذرات بنیادی جرم میدهد.
### ابررسانا در زندگی روزمره کجا دیده میشود؟
بیشتر ابررساناها هنوز به دمای بسیار پایین نیاز دارند، پس در دستگاه‌های ام‌آرآی و شتاب‌دهنده‌ها به کار میروند و نه در وسایل خانگی. یافتن ابررسانایی در دمای اتاق همچنان یک هدف پژوهشی است.