فیزیک کلاسیک، به واسطه کارهای نیوتون در “مکانیک” و معادلات مشهور ماکسول در “الکترومغناطیس” و همچنین قوانین کپلر برای “مکانیک سماوی”، به خوبی شناخته شده است. تمامی این کارها تا قبل از قرن بیستم و در آغاز با قوانین مشهور کپلر در قرن هفدهم، به انجام رسیده است. یک مرحله ای بین فیزیک کلاسیک و فیزیک مدرن وجود دارد که نه کاملا به فیزیک کلاسیک و نه کاملا به فیزیک مدرن تعلق دارد. این مرحله “مکانیک آماری” است و تعریف جدیدی برای دما ارائه می دهد و “قوانین ترمودینامیک” را از نقطه نظر آماری بازآرایی می کند.
فیزیک مدرن پس از کشف اتم و مطالعه رفتار آن آغاز گردید. اگر ما بخواهیم فیزیک مدرن را تنها به دو بخش عمده تقسیم کنیم، باید از “مکانیک کوانتومی” و “نسبیت” نام ببریم.
مکانیک کوانتومی با کارهای بوهر و ماکس پلانک آغاز گردید و با کارهای دی بروگلی، شرودینگر، پاولی، دیراک و دیگران ادامه یافت. در زمان ماکس پلانک، این موضوع که نور مرعی یک موج الکترومغناطیسی است، توسط ماکسول کشف شده بود. نظریه ماکس پلانک اینست که هر موج الکترومغناطیس دارای یک انرژی است که با فرکانس آن، توسط یک ثابت، مرتبط است (E=hf)، که در این فرمول f فرکانس موج و h ثابت پلانک است.
بوهر در نظر گرفت که الکترون هایی که به دور هسته می چرخند، تنها می توانند شعاع های معینی داشته باشند (فرمول مشهور بوهر برای شعاع الکترون) و هر شعاعی دارای یک سطح انرژی است. این فرضیه، به نوعی آغاز تفکر کوانتومی بود. این فرضیه می گوید که شعاع الکترون یک تابع پیوسته نیست و هر مقداری نمی تواند باشد و به مقادیر با سطح انرژی مختلفی کوانتیزه (یا گسسته) می گردد، اما بوهر در فرضیه اش و بدست آوردن شعاع اتمی از مفاهیم و فرمول های مکانیک کوانتومی استفاده ای نکرده بود. شروع رسمی مکانیک کوانتومی با در نظر گیری الکترون و پروتون و سایر ذرات بنیادی به عنوان یک موج آغاز گردید و فرمول بندی آن توسط “اروین شرودینگر” انجام شد. معادله شرودینگر، تقریبا مهمترین معادله مکانیک کوانتومی است و باید برای وضعیت های متفاوت حل شود. با مطالعه مدل اتم هیدروژن و حل معادله شرودینگر برای اتم هیدروژن، ایده های زیادی از رفتار اتم ها دریافت می کنیم، اما باید در نظر داشته باشیم که حل معادله شرودینگر برای اتم های دارای بیشتر از یک الکترون، اصلا ساده نیست. با در نظر گرفتن قوانین بقای تکانه (خطی و زاویه ای) و در نظر گرفتن اسپین الکترون، ما ۴ عدد کوانتومی برای هر ذره بنیادی (این بار الکترون ها) بدست می آوریم. قانون پاولی می گوید که هیچ دو ذره بنیادی (از جنس فرمیون و این بار الکترون)، نمی تواند عدد کوانتومی یکسانی داشته باشد. ما باید این را هم ذکر کنیم که ذرات بنیادی به دو دسته کلی “فرمیون” ها و “بوسون” ها تقسیم بندی می شوند. فرمیون ها ذراتی هستند که می توانند دارای عدد اسپین کسری باشند. مثلا اسپین الکترون ۱/۲ است. بوسون ها ذراتی هستند که تنها می توانند اعداد صحیح (۰، ۱، ۲، …) برای اسپین خود داشته باشند. مثلا اسپین فوتون برابر ۱ است.
دومین ایده ی بزرگ فیزیک مدرن، تئوری نسبیت است. انیشتین دریافت که سرعت نور در همه شرایط و در تمامی مختصات های غیر اینرسی (محور مختصات متحرک بدون شتاب)، ثابت است. این فرضیه، نسبیت خاص است و در متغیرهای ماکروسکوپیک زندگی روزانه مانند سرعت و شتاب و … اشیاء، تاثیر آن قابل ملاحظه نیست. اما زمانیکه ما به سرعت هایی نزدیک به سرعت نور می رسیم، مانند سرعت حرکت الکترون ها در اتم، باید تمامی معادلات حرکت مکانیک نیوتونی را با معادل نسبیتی آن جایگزین کنیم. پس از کشف تئوری نسبیت خاص، انیشتین به ارائه تئوری نسبیت عام پرداخت که یک معادله اصلاح شده برای نیروهای گرانشی بین اجرام است.
یک چالشی بین برخی از آزمایش ها در اوایل قرن ۲۰ام وجود داشت که با تئوری موجی برای نور قابل توصیف نبود. همانطور که مکانیک کوانتوم پیشنهاد می دهد، هر ذره ای مانند یک موج حرکت می کند و دارای یک معادله حرکت موجی است. اما برخی از پدیده ها مانند “اثر فوتوالکتریک”، خواص متفاوتی از نور به عنوان یک موج الکترومغناطیس ارائه کرد. اثر فوتوالکتریک نشان داد که وقتی ما فلز را توسط نور بمباران می کنیم (مثلا ورق نازک طلا)، با افزایش شدت نور قادر به استخراج الکترون از فلز نخواهیم بود. اگر نور یک موج باشد، انتظار می رود با افزایش شدت آن، باید بتوانیم الکترون را از اتم های فلز جدا کنیم. اما آزمایش ها نشان داد که الکترون ها تنها زمانی توسط یک موج الکترومغناطیس (مثلا نور)، از اتم جدا می شود که فرکانس موج الکترومغناطیس، از یک فرکانس مشخص، بالاتر باشد و هیچ ربطی به شدت موج الکترومغناطیس ندارد. انیشتین فرض کرد که نور از یک ذراتی به نام “فوتون” که دارای حرکت موجی هستند و حامل انرژی می باشند، تشکیل شده است. انیشتین جایزه نوبل فیزیک ۱۹۲۱ را برای کشف رفتار دوگانه (رفتار ذره ای – موجی) نور (و در حالت کلی موج الکترومغناطیس)، که توصیف کننده پدیده فوتوالکتریک است، دریافت کرد.
اگر شما دانشجوی مهندسی هستید، تنها با مفاهیم فیزیک کلاسیک آشنایی پیدا خواهید کرد، در صورتیکه فیزیک مدرن اختصاصا برای رشته فیزیک (و رشته های مرتبط با فیزیک مانند مهندسی نانو)، تدریس می شود. مطالبی که من در این مقاله ارائه کردم، دروس کلاسیک دوره لیسانس فیزیک است. مسائل حل نشده ای در فیزیک هست که هرچه شما مطالعات خود را به سمت دروس تحصیلات تکمیلی ادامه می دهید، درباره این مسائل بیشتر آشنایی پیدا خواهید کرد.
