انتظار می رود بعد از مطالعۀ این بخش بتوانید:

• برای توضیح و پیش بینی رفتار پدیده های طبیعی از مدل های علمی مناسب استفاده کنید.
  
  
  
  
• مشاغل مبتنی بر علم و فناوری مرتبط با فیزیک را شناسایی و توصیف کنید.
  

چیزی که فیزیک را بسیار هیجان انگیز می کند این است که شما را درگیر فکر کردن در مورد نحوۀ عملکرد جهان می کند و این که چرا جهان این گونه رفتار می کند. یک بار از انیشتین پرسیدند که علم چیست، انیشتین در پاسخ گفت: "علم چیزی بیش از پالایش تفکر روزمره نیست." اگر در تعریف انیشتین به جای کلمۀ "علم"، واژۀ "فیزیک" را جایگزین کنید، این پالایش تفکر که انیشتین به آن اشاره می کند، چه خواهد بود؟ فیزیک سعی دارد تا با استفاده از زبان ریاضیات مدل ها و نظریه هایی بسازد که تعاملات بین ماده و انرژی را توضیح دهد و پیش بینی نماید. در فیزیک، جستجوی ماهیت این ارتباطات ما را از ساختار میکروسکوپی اتم به ساختار ابر ماکروسکوپی جهان می برد. با این حال تمامی تلاش ها در فیزیک یک وجه مشترک دارند؛ هدف همۀ آن ها فرموله کردن حقایق اساسی دربارۀ ماهیت جهان است.

چالش شما در این دوره این خواهد بود که یک فرآیند تصمیم گیری برای خود ایجاد کنید که شما را قادر سازد از "تفکر روزمرۀ" انیشتین به "پالایش تفکر روزمره" بروید. این پالایش، فرآیند سیستماتیک جمع آوری داده ها از طریق مشاهده، آزمایش، ساز مان دهی داده ها و نتیجه گیری، اغلب تحقیق علمی نامیده می شود. این رویکرد با فرآیند فرضیه سازی آغاز می شود. یک دانشمند خوب سعی دارد تا شواهدی بیابد که توسط یک مدل پشتیبانی نمی شود. اگر شواهد متناقضی یافت شود، آن مدل ناکافی خواهد بود.

در سراسر این کتاب درسی، شما باورهای اشتباه علمی را خواهید یافت که به صورت هایلایت شده در حاشیه های صفحات نوشته شده اند. ببینید که آیا تفکر فعلی شما شامل برخی از این تصورات غلط علمی می باشد یا خیر. سپس با آزمایش کردن فیزیک در طول این دوره، درک خود را توسعه دهید.

درک کنونی ما از جهان چگونه آغاز شد؟ این پیشرفت، قبل از زمان کنونی ما و در طول قرن ها چگونه بوده است؟ تفکری که ما آن را می شناسیم از ارسطو (Aristotle) آغاز شد.

دو مدل از ارسطو

بیش از \(2300\) سال پیش، دو مدل مرتبط به هم به عنوان مبنایی برای توضیح اینکه چرا اشیاء می افتند و حرکت می کنند، مورد استفاده قرار می گرفت. ارسطو (\(\text{384-328}\) قبل از میلاد) از یکی از این مدل ها برای توضیح حرکت اجسام بر روی زمین و از مدل دیگر برای نشان دادن حرکت ستاره ها و سیاره ها در آسمان استفاده کرد (شکل زیر را ببینید). امروزه این مدل ها را به عنوان بهترین تفسیر حرکت اشیاء در زمین و فضا نمی پذیریم. اما در آن زمان، این دو مدل روش های هوشمندانه ای برای توضیح پدیده ها از منظر مشاهدات ارسطو بودند.

شکل \(1.1\)؛ در کیهان شناسی ارسطو، زمین در مرکز جهان قرار دارد.

ارسطو و حرکت

مدل توضیح حرکت در جهان مبتنی بر دیدگاهی بود که یونیانیان از تفکر ارسطو گرفتند و بسط دادند. ارسطو دیدگاه امپدوکلس (Empedocles) (\(\text{492-435}\) قبل از میلاد) که بیان می داشت همه چیز فقط از چهار عنصر یا جوهر ساخته شده اند، پذیرفت. این چهار عنصر عبارت از خاک، آب، هوا و آتش می باشند. پیش فرض یونانیان بر این بود که تمامی اشیاء بسته به این که جوهر های تشکیل دهندۀ آن ها چه باشند، از قوانین اساسی یکسانی پیروی می کنند. هر جوهر یک جایگاه طبیعی در نظم کیهانی داشت. موقعیت خاک در پایین است، بالای آن آب، سپس هوا و در نهایت آتش قرار دارد. بر اساس این مدل، هر شیئی در کیهان از ترکیبی از مقادیر مختلفی از این چهار عنصر تشکیل شده است. سنگ به وضوح خاک است. هنگامی که سنگی از ارتفاع رها می شود، در تلاش برای بازگشت به جایگاه واقعی کیهانی اش، بسته به ترتیب قرارگیری که اندکی پیش اشاره کردیم، به سمت زمین باز می گردد. آتش بالاترین جوهر است. هنگامی که یک کندۀ چوب می سوزد، آتشی که از سمت خورشید رها شده بود و هم اکنون در دام بود آزاد می گردد و به جای مناسب خودش باز می گردد. بنا بر گفتۀ ارسطو، هر چیزی یا شناور می شود، یا سقوط می کند، یا بالا می رود تا به مکان صحیح خودش در جهان باز گردد. این اعمال به عنوان حرکات طبیعی طبقه بندی می شدند. هنگامی که یک جسم نیرویی را تجربه می کند، می تواند در جهت هایی به جز جهت طبیعی حرکت آن حرکت کند. سنگ را می توان با اعمال نیرویی در جهت دلخواه به صورت افقی یا عمودی حرکت داد. هنگامی که نیرو متوقف می شود، متعاقب آن حرکت نیز متوقف خواهد شد.

مدل توصیف حرکت در آسمان قدری متفاوت بود. ستاره شناسان یونانی می دانستند که دو نوع "ستاره" وجود دارد، ستاره های ثابت و سیارات (یا سرگردان ها)، و همچنین خورشید و ماه. به نظر می رسد این اشیاء مقید به قوانین مشابهی نیستند که در مورد اشیایی که از چهار جوهر اصلی ساخته شده اند، برقرار است. آنها بدون اینکه نیروهایی رویشان وارد شود، در آسمان به صورت افقی حرکت می کنند. یونیانیان آنها را در طبقه بندی جوهر پنجم قرار دادند. تمامی اشیاء موجود در جوهر پنجم، اشیاء کاملی تلقی می شدند. به عنوان مثال ماه را یک کرۀ کامل فرض می کردند. مدل ارسطو فرض می کند که کره های شفاف نامرئی کامل وجود دارند که به عنوان تکیه گاهی برای اجرام سماوی عمل می کنند.

بعدها، هنگامی که بطلمیوس (Ptolemy)(\(\text{87-150}\) بعد از میلاد مسیح) مدل زمین مرکزی خودش را توسعه داد، او از ایدۀ ارسطو به عنوان پایه ای استفاده کرد و آن را بسط داد تا چرخ هایی درون چرخ هایی دیگر قرار بگیرند تا حرکت روبه عقب سیارات را توضیح دهد. یک حرکت صرفاً کروی، تنها می تواند حرکات خورشید و ماه را توضیح دهد.

در فرهنگ های اروپایی، این دو مدل ارسطو به قدر موفق بودند که برای تقریباً \(2000\) سال، مردم بدون هیچ سوالی آنها را پذیرفته بودند. این دو مدل ارسطو، تا زمانی که توسط مدل انقلابی کوپرنیک (Copernicus)(\(\text{1473-1543}\)) و کشف های گالیلئو گالیله (Galileo Galilei)(\(\text{1564-1642}\)) به چالش کشیده شوند، قابل قبول ماندند.

گالیله و تحقیق علمی

در سال \(1609\)، گالیله با استفاده از یک تلسکوپ اولیه (شکل \(\text{1.2}\)) توانست مشاهده کند که سطح ماه پوشیده از کوه ها، دهانه ها، و دره ها می باشد؛ سیارۀ مشتری (Jupiter) چهار قمر دارد؛ سیارۀ زحل دارای حلقه هایی می باشد؛ کهکشان ما (کهکشان راه شیری) دارای تعداد ستاره هایی بسیار بیشتر از آنچه که قبلاً تصور می شد، می باشد؛ ونوس همانند ماه دارای نِمودهای مختلفی (اَهِلِّه قمر) می باشد. گالیله بر اساس مشاهداتش احساس کرد که می تواند درستی یک فرضیۀ انقلابی که پیشتر توسط ستاره شناس لهستانی نیکلاس کوپرنیک (Nicolaus Copernicus) ارائه شده بود را تأیید کند. کوپرنیک معتقد بود که زمین همراه با سایر سیارات منظومۀ شمسی به دور خورشید می چرخند.

شکل \(\text{1.2}\): تلسکوپی که گالیله توانست با آن برای اولین بار قمرهای مشتری و سایر اجرام آسمانی منظومۀ شمسی را مشاهده کند.

کاری که یونانی ها نتوانستند انجام دهند این بود که توضیحاتشان را بر اساس مدل های خود آزمایش کنند. هنگامی که گالیله اجسام در حال سقوط را مشاهده کرد، متوجه شد که به نظر نمی رسد که سرعت سقوط آنها متفاوت باشد. گالیله یک دستگاه خاص ساخت تا به کمک آن سرعت سقوط اجسام را اندازه گیری کند، آزمایش هایی را انجام داد و نتایج را تجزیه و تحلیل کرد. چیزی که او کشف کرد این بود که تمامی اشیاء با سرعت یکسانی سقوط می کنند. چرا یونانی ها موفق به کشف این موضوع نشده بودند؟ بسیار ساده است، مفهوم درست آزمایی مدل ها با آزمایش، چیزی نبود که برای آنها ارزشمند باشد، یا شاید هم به ذهنشان خطور نکرده بود.

از زمان گالیله به بعد، دانشمندان در سراسر جهان مسائل را به شکلی سازمان یافته مورد مطالعه قرار دادند. این روش سازمان یافته شامل انجام مشاهدات، آزمایش های سیستماتیک، و تجزیه و تحلیل دقیق نتایج می باشد. دانشمندان از روی این تجزیه و تحلیل ها نتیجه گیری می کنند و سپس برای اطمینان حاصل کردن از صحت نتایج، آن ها را مورد بررسی های موشکافانۀ بیشتر قرار می دهند.

همین طور که در این دوره پیش می روید، ایده زیر را در مورد نظریه ها (theories)، مدل ها (models)، و مشاهدات (observations) در ذهن داشته باشید. از آن ها برای تحریک تفکر خودتان و پرسش در مورد ایده های فعلی استفاده کنید.

تفکر در مورد علم، فناوری، جامعه و محیط زیست

در اواسط قرن بیستم، به نظر می رسید که پیشرفت علمی با جهشی شگفت انگیز و سریع رو به جلو پیش می رفت. حضور چهره هایی همچون آلبریت انیشتین (Albert Einstein) به طور عام به علم، و به طور خاص به فیزیک، هاله ای تقریباً عرفانی بخشید. اکثر مواقع فیزیک را به چشم یک مطالعۀ خاص و مستقل از دنیای واقعی می نگریستند. برخلاف آن تصور، هم اکنون علم به عنوان بخشی از جهان تلقی می شود و همان مسئولیت ها، حتی بیشتر از آن، را در قبال جهان، مانند هر شکل دیگری از تلاش دارد. هر چیزی که علم انجام می دهد، تأثیری ماندگار بر جهان دارد. بخشی از این دورۀ آموزشی بررسی همزیستی بین علم، فناوری، جامعه و محیط زیست (STSE) می باشد.
برای بسیاری از افراد، علم و فناوری تقریباً یک چیز هستند. هیچ شکی نیست که علم و فناوری ارتباط بسیار تنگاتنگی با یکدیگر دارند. اکتشافات علمی جدید به سرعت توسط فناوری انتخاب می شوند و برعکس این امر نیز پیش می آید. به عنوان مثال، زمانی لیزر یک کشف غیر کاربردی در فیزیک تصور می شد، اما امروزه استفاده از آن بسیار گسترده شده است. لیزر را می توان به عنوان یک مثال کلاسیک از جدایی ناپذیر بودن علم، فناوری، جامعه و محیط زیست دانست. امروزه تقریباً به صورت روزمره از لیزر در زندگی ما استفاده می شود. فناوری به سرعت عملکرد لیزر را بهبود بخشیده است. اسکنرهای بارکد خوان در سوپر مارکت ها، نقشه برداری، ارتباطات، هولوگرافی، برش دهنده های فلزات، جراحی و نشانگرهای لیزری ساده تنها نمونه هایی از نوآوری هایی هستند که فناوری برای لیزر پیدا کرده است. واضح است که تفکیک اهمیت علم و فناوری برای جامعه غیرممکن خواهد بود. شکل های زیر تنها تعدادی از کاربردهای فراوان فیزیک در دنیای امروز را نشان می دهد.

جراحی چشم با لیزر یکی از کاربردهای بسیاری است که فناوری برای لیزر پیدا کرده است.

تحقیقات فیزیک در مورد خواص حرارتی مواد و پیشرفت های فناوری در طراحی سازه ها با یکدیگر ترکیب شده اند تا خانه های کارآمد انرژی تولید شوند. این خانه های کارآمد تقاضای ما برای سوخت های گرمایشی را تا حد زیادی کاهش می دهند.

این گیتار کوچک فقط به اندازۀ یک گلبول قرمز می باشد و با استفاده از فناوری نانو ساخته شده است. این فناوری به دانشمندان کمک می کند تا فرآیندهایی را کشف کنند که توسط آن ها اتم ها و مولکول ها می توانند به صورت جداگانه به عنوان بلوک های سازندۀ زیر میکروسکوپی مورد استفاده قرار گیرند.

نوآوری ها در فناوری منجر شده است که کامپیوترهای بسیار قدرتمند را در فضاهای کوچک تر و کوچک تر جای دهند.

خودروهای هیبریدی که هم با برق و هم با بنزین کار می کنند می توانند تا حد زیادی آلودگی هوا را کاهش دهند. خودروهایی که از مواد کامپوزیت کربن ساخته می شوند نسبت به خودروهای ساخته شده با مواد سنتی، سبک تر و در عین حال مقاوم تر هستند. سیستم های احتراق و کنترل سوخت که توسط کامپیوتر کنترل می شوند، باعث افزایش بهره وری موتور می گردند. تمامی این عوامل به حفظ محیط زیست کمک می کنند.

فناوری تا پیش پا افتاده ترین جنبه های زندگی ما وارد شده است. استفاده از لایه های ریز تفلون بر روی تیغ ها باعث می شود که آن ها به آرامی روی پوست سر بخورند.

غالباً پیشرفت ها دارای تأثیرات مثبت و منفی می باشند. تقاضای روز افزون جامعه بشری برای انرژی و در عین حال محدودیت های موجود، محیط زیست ما را تحت فشار قرار داده است. جامعه در حالی که خواهان انرژی بیشتر و بیشتر است، از علم و فناوری نیز خواستار یافتن منابع جایگرین انرژی می باشد. این امر منجر به توسعۀ فناوری های هسته ای، خورشیدی، بادی، آبی، ژئوترمال (زمین گرمایی)، و سوخت های فسیلی به عنوان منابع انرژی شده است. به نظر می رسد که ارتباط بین جامعه و محیط زیست با علم و فناوری یک شمشیر دو لبه باشد.

تفکر علمی

دانش با مشاهدات و کنجکاوی آغاز می شود. دانشمندان تفکرات خود را با مشاهدات، مدل ها، و نظریه ها به شکلی که در ادامه آمده است، سازماندهی می کنند.

نظریه (Theory)

نظریه مجموعه ای از ایده ها می باشد که توسط دانشمندان زیادی تأیید شده باشند و برای توصیف و پیش بینی یک پدیدۀ طبیعی خاص گرد آوری شده اند. غالباً نظریه های جدید از دل نظریه های قدیمی بیرون می آیند و روش های جدید و بعضاً رادیکالی برای نگاه کردن به حهان ارائه می کنند. یکی از این نمونه ها، که هنوز در فرآیند توسعه می باشد، نظریۀ GUT می باشد، نظریۀ GUT یا نظریۀ یکپارچگی بزرگ (Grand Unified Theory)، توسط محققان در رشته های مختلف فیزیک در حال بررسی و پژوهش می باشد. فیزیکدانان امیدوارند که به کمک نظریۀ GUT بتوانند تمامی پدیده های فیزیکی جهان را با استفاده از مجموعه قوانین مشابهی توصیف کنند.

مدل (Model)

مدل نمایشی از پدیده ها می باشد و می تواند به شکل های مختلفی از جمله فهرستی از قوانین، خطوط مداد بر روی یک تکه کاغذ، یک شیء قابل دستکاری، یا یک فرمول ریاضی ارائه شود. یک مشاهده ممکن است با بیش از یک مدل توضیح داده شود؛ هر چند در بیشتر موارد یکی از این مدل ها از بقیه موثرتر و بهتر است.

مشاهدات (Observations)

مشاهده اطلاعاتی است که با استفاده از یک یا چند حس از حواس پنج گانه جمع آوری می شود. مشاهدات ممکن است توضیحات مختلفی را به همراه داشته باشند، زیرا شرکت کنندگان در یک رویداد اغلب موارد متفاوتی را گزارش می کنند. برای ایجاد یک نظریه، نیاز است که مشاهدات یک پدیدۀ خاص صدها بار تکرار شوند. مشاهدات بر دو نوع هستند. مشاهدات "کیفی" (qualitative)، که چیزی که را با استفاده از کلمات توصیف می کنند: "پر به آرامی بر روی زمین می افتد.". مشاهدات "کمی" (quantitative)، که چیزی را با استفاده از اعداد و واحدهای اندازه گیری توصیف می کنند: "سنگ با سرعت \(2\) متر در ثانیه سقوط کرد."

شکل \(\text{1.4}\): بدون شک در مورد نظریۀ نسبیت خاص (special relativity) انیشتین شنیده اید. بخشی از این نظریه بیان می داد که سرعت نور، \(c\)، تنها چیز ثابت در این جهان است. همۀ اندازه گیری های دیگر، بسته به چارچوب مرجع ناظر، نسبی هستند. فرمول معروف مدل مرتبط با این نظریه \(E = mc^2\) می باشد.

شکل \(\text{1.5}\): این "مدل ورق لاستیکی" (rubber sheet model) معمولاً برای شبیه سازی ایدۀ انیشتین از فضای منحنی استفاده می شود. این مدل نشان می دهد که یک جرم مرکزی می تواند باعث انحنای فضای اطراف آن جرم شود.

شکل \(\text{1.6}\): مشاهدات می توانند کمی یا کیفی باشند. این دوچرخه سوار می تواند سرعتش را با اِعمال مدل ریاضی \(v = \Delta d / \Delta t\)، بر روی داده های قابل مشاهدۀ مسافت و زمان، تعیین کند.

مشاغل مرتبط با فیزیک

همانطور که در بخش مقدماتی این فصل خواندید، دنیای ما، از چرخه های طبیعی آب و هوا گرفته تا ابزارهای ارتباطی پیشرفته، همگی بر اصول اولیۀ فیزیک متکی می باشند. دامنۀ مشاغلی که فیزیک به آنها تبدیل می شود، بسیار وسیع است و یک لیست طولانی را شامل می شود. به عنوان مثال، آیا به تئاتر علاقه دارید؟ آگاهی از نحوۀ عملکرد نور برای تکنیک های پیچیدۀ نورپردازی که امروزه در تئاترها مورد استفاده قرار می گیرند، بسیار مهم است. آیا شما یک موسیقیدان هستید؟ شما می توانید با درک بهتر ماهیت صدا به جلوه های موسیقی بهتری برسید. نمودار زیر را مطالعه کنید تا متوجه فرصت های شغلی فیزیک شوید که از دانش و مهارت هایی که در این دورۀ فیزیک به دست می آورید استفاده می کنند. یک یا چند مورد از مشاغل زیر را در نظر بگیرید که مخصوصاً برای شما جذاب باشند و بر روی الزامات آموزشی برای دست یابی به آن تحقیق کنید. افراد زمانی موفق می شوند و احساس خوشحالی می کنند که در شغلی باشند که واقعاً به آن علاقه مند باشند، نه فقط شغلی که در آن خوب باشند، بنابراین هنگام کشف فرصت های شغلی این موضوع را در ذهن داشته باشید.

برای بزرگنمایی تصویر روی آن کلیک کنید

مرور بخش \(\text{1.1}\)

1. MC فناوری نانو چیست؟ مثال های خاصی از چگونگی تأثیر این فناوری در زندگی روزمرۀ ما بزنید.
   
2. C فیزیک را چگونه تعریف می کنید؟
   
3. K/U چرا دانشمندان از تحقیقات علمی برای بررسی مسائل استفاده می کنند؟
   
4. K/U تفاوت بین نظریه، مدل و مشاهده چیست؟ اهمیت هر کدام در چیست؟
   
5. C تفاوت بین مشاهدات کیفی و مشاهدات کمی را بیان کنید و از هر کدام مثالی بزنید.