سرشت علم(۱۷): نمونه ی کاربردی – دنیا به نحوی بنیادین از چه ساخته شده؟

پنجشنبه, ۲۹ام شهریور, ۱۳۹۷
اندازه قلم متن

دکتر ریموند رخشانی *

مقاله و فایل صوتی هفدهم:

نمونه ­ی کاربردی[۱] – دنیا به نحوی بنیادین از چه ساخته ­شده[۲]؟

شگفتی های زیر اتمی

همه­ چیز از اَتم ساخته شده است: صَندلی، سَگ، دور‌ترین کهکشان‌ ها در گیتی، انگشتری، خورشید، همه و همه از اتم ساخته شده­ اند.

نُخستین مباحثِ مکتوب درباره ­ی ماده به یونانِ کهن باز می ‌‌گردد.

  • دموکریتوس (۴۶۰ – ۳۷۰ ق.م. ) و استادِ وی لوسیپوس (یا در ترجمه ­ای دیگر لوکیپوس)  نخستین دانشمندانی بوده ­اند که مطرح کردند که همه ­ی مواد از ذراتی‌ تفکیک­ نشدنی‌ یا تجزیه­ نشدنی ‌بنام اتم ساخته شده­ اند. اتم در زبان یونانی[۳] به معنای‌ تفکیک­ ناپذیر، نابُریدنی یا تقسیم­ نشدنی‌ است.
  • آنها مطرح کردند که هر ماده­ای اتم ویژه ­ی خود را دارد. الگوی آنها البته زمخت بوده، توان یا قدرتِ توضیحی نداشت، اما مطرح کرد که هر چیزی از کوچک‌ ترین واحدِ ماده، یعنی‌ اتم ساخته شده­ است.

ارسطو (۳۸۴ – ۳۲۲ ق.م. ) دنیا را متشکل از ۵ عنصر می‌‌دانست که چهارتای آنها یعنی‌ خاک، باد، آتش و آب به گستره­ ی زمین مربوط بودند، و عنصرِ پنجم را که او اثیر[۴]  نامید متعلق به گستره ­ی بی­ نقصِ گیتی بود.

  • به باور او، خصوصیاتِ هر ماده­ ای را می‌‌ توان بر اساسِ میزانِ آن عناصر در آن ماده برشمرد.
  • دیگر اینکه او می‌‌ پنداشت که تغییراتِ مواد را می ‌‌توان با افزایش و کاهش این عناصر تنظیم کرد.

اندیشه­ ی بشرِ خاکی و مباحثِ علمی‌ پیرامون سرشتِ ماده، و پیشرفت در موردِ ساختار بنیادین آن تقریبا حدود ۲۰۰۰ سال گرفتارِ تفکر ارسطویی بود.[۵]

  • کیمیاگرانِ قرون وسطی، آنگونه که ارسطو گفته­ بود که می‌‌ توانند با افزودنِ آتش به سرب انجام دهند، هرگز نتوانستند از سرب طلا بسازند.
  • در حدودِ اوایل قرن ۱۹ میلادی علمِ شیمی‌ شروعِ به شکل­ گیری کرد. شیمی‌ علمِ مطالعه­ ی ترکیبِ مواد با موادی دیگر است و علمِ اینکه چگونه می ‌‌توان ترکیباتی جدید را شکل داد.
  • تاثیر تحولاتِ دوران روشنگری، پذیرفتنِ آزمون و آزمایش[۶] و تجربه در حوزه ­ی علم بود و قبولِ آزمون به کشف و نامگذاری بسیاری عناصر جدید انجامید. پذیرش آزمون ­پذیری به عنوان شاخصه ­ای علمی‌، پایان تفکر ارسطویی بود[۷].
  • تا سال ۱۸۶۹ میلادی قریب به سی ­و ­اندی عنصر در جدولِ متناوبِ عناصر شیمیایی‌ طبقه ­بندی شدند.
  • در حدود سال ۱۹۰۰ فیزیکدان ‌ها ایده ­ی اتم را پذیرفته و به مطالعه­ ی ساختارِ درونی‌ آن پرداختند.

تصویر علمِ مدرن، با بکارگیریِ روش‌هایِ علمی‌ و ابزار‌هایِ فنی‌ شناخت، از اتم‌ها شامل ویژگی ‌های زیر است.

  • اتم‌ها بسیار کوچک ­اند. اگر چیزی نزدیک به ۲۵ تریلیارد (۲۵۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰(اتم در کنار هم قرار گیرند شاید به اندازه ­ی سر سوزنی شوند.[۸]
  • ۹۲ نوع مشخصِ اتم در طبیعت موجود است – که عناصرِ مدرن نامیده شده­ اند.
  • اتم­ ها، آنگونه که تفکرِ کهن می‌‌ پنداشت، تقسیم ­ناپذیر نیستند. آنها سیستم ‌های پیچیده ­ای هستند که ساختار درونی ‌‌شان خصوصیاتِ آنها را تعریف می ‌‌کند.

در سطحِ میکروسکوپی، ماده در یکی‌ از ۴ فاز اصلی‌ بسر می ‌‌برد. این فاز‌ها از آن جهت بدینگونه تقسیم­ شده­ اند که درهم­ کنشِ ذراتِ تشکیل­ دهنده ­ی[۹] هر ماده در آن فاز‌ها متفاوت است.

بیشتر چیزها (مواد) در اطرافِ ما جامد[۱۰] هستند.

  • ذرات در درونِ موادِ جامد بایکدیگر در تماس[۱۱] هستند و نتیجتاً فشردن[۱۲] موادِ جامد ساده نیست.
  • ذرات در موادِ جامد بسختی در موقعیتی ثابت باقی‌ می ‌‌مانند و در جای ثابتِ خود ارتعاش دارند[۱۳].
  • میانگین انرژیِ هر ذرّه در موادِ جامد نسبتا پایین است.

دومین فازِ مواد که با آن آشنا هستیم فازِ مایع یا شاره یا سیال[۱۴]  است.

  • در شاره­ ها یا مایعات هم ذرات با یکدیگر در تماس ­اند و فشردنِ آنها ساده نیست اما با یک تفاوت که ذرات در مایعات قادرند که بر روی هم بلغزند و نتیجتاً مایعات شکل ظرف خود را می‌‌ گیرند.
  • میانگینِ انرژی هر ذرّه ­ای در مایعات از جامدات بیشتر است.

گاز‌ها سومین شکلِ ماده هستند و جوّ یا آتمسفر ساخته شده از گازهاست.

  • ذرات در گاز‌ها با یکدیگر در تماس نیستند و هر یک فضایی خالی‌ بدور خود دارند.
  • ذرات در گاز‌ها از طریقِ برخورد به یکدیگر (مانند توپ ‌های بیلیارد) باهم درهم­ کنش ­اند.
  • میانگین انرژیِ هر ذرّه ­ای در گاز‌ها بالاست.

چهارمین و فراوان‌ترین فازِ ماده در گیتی پلاسما[۱۵] نامیده می ‌‌شود.

  • بخش‌ های تشکیل دهنده­ ی ذرات در چنین فازی از یکدیگر جداشده ­اند و بصورت بخش‌ های سازنده ­ای مثبت و منفی‌  بسر می ‌‌برند[۱۶].
  • ذرات در چنین فازی در فضا‌هایی‌ عظیم بسر می ‌‌برند و درهم ­کنشِ آنها از طریقِ گردش در کنارِ یکدیگر است – یعنی‌ ذراتی سبک و با باری منفی[۱۷] بدور و در کنارِ ذراتی با بار مثبت و سنگین­ تر و آهسته­ تر می‌‌ گردند.
  • میانگین انرژی هر ذرّه ­ای در فازِ پلاسما بسیار بالاست.

هر ماده ­ای کوچک ‌ترین واحدی ذرّه ­ای[۱۸] دارد که خواص یا خصوصیاتِ شیمیایی‌ آن ماده را به نمایش می‌‌ گذارد.

  • اگر آن واحد شامل یک تک ­اتم باشد، آن ماده به عنوان یکی‌ از ۹۲ عنصر طبقه­ بندی می‌‌ شود.
  • اگر آن واحد از پیوندِ ۲ یا بیشتر اتم تشکیل شده باشد ملکول نامیده می‌‌ شود.
  • ملکول‌ ها می‌‌ توانند تشکیل­ شده از ۲ یا بیشتر از اتم‌ هایی یکسان و یا ترکیباتی از اتم‌ های متفاوت باشند.
  • پیوند‌های اتم‌ ها در ملکول ‌ها بوسیله­ ی نیروی الکترومغناطیسی‌ بهم­ نگهداشته می ‌‌شود.

اتم سیستم پیچیده­ ای است که از دو بخش تشکیل شده است.

  • بیش از ۹۹ درصد جرم هر اتمی‌ در هسته­ ی­ مرکزی آن است که باری مثبت دارد و شامل پروتون ‌ها و نوترون­ هاست.
  • الکترون‌ ها در مدار‌هایی‌ بدور هسته ­ی­ مرکزی اتم در گردش هستند و اغلب در شرایط عادی بار منفی‌ آنها با بار مثبت پروتون‌ ها برابر است.
  • نیرو‌های الکترومغناطیسی‌؛ که از طریقِ ذراتِ بدونِ جرمی بنام فوتون ارتباطات خود را برقرار می ‌‌کنند؛ پیکربندی یا طرزِ قرارگیری[۱۹] اتم‌ ها را نگهداری می‌‌ کنند.

هسته­ ی ­مرکزی اتم هم سیستم پیچیده ­ای است که دو بخش تشکیل ­دهنده دارد.

  • پروتون ‌ها[۲۰] باری مثبت دارند؛ و تعدادِ آنها نوعِ اتم )و عدد اتمی(‌ را مشخص می‌‌ کند.
  • نوترون ‌ها[۲۱] که تقریبا جرمی برابر با پروتون‌ ها دارند، خنثی هستند و بارِ الکتریکی‌ (برقی) ندارند؛ اما “چسبی” را فراهم می‌‌کنند که هسته ­ی­ مرکزی اتم را (که بدلیلِ بارِ مثبت پروتون‌ ها دافعه یا ازهم­ گریزنده[۲۲] است) در کنار هم نگه ­می ‌‌دارد.
  • نسبتِ تعداد نوترون‌ها به پروتون‌ها تا حدودی گوناگون است؛ اما در اکثر موارد نزدیک به ۱ به ۱ است.
  • دو نیروی هسته ­ای قوی[۲۳]  و نیروی هسته ­ای ضعیف[۲۴] که بترتیب ذراتی را بنام گلوئون و بوزون منتقل می ‌‌کنند[۲۵]، هسته ­ی مرکزی را بهم ­نگه می‌‌ دارند.

خودِ پروتون‌ ها و نوترون‌ ها هم از ذراتِ ترکیبیِ‌ بنیادین ­تری تشکیل­ شده­ اند که کوآرک[۲۶] نامیده می ‌‌شوند.[۲۷]

  • پروتون‌ ها دربرگیرنده­ ی ذراتی سه ­قلو‌ هستند: ۲ کوآرکِ رو بسوی بالا و ۱ کوآرکِ رو بسوی پایین.[۲۸]
  • نوترون‌ ها هم دربرگیرنده­ ی ذراتی سه ­قلو‌ هستند: ۲ کوآرکِ رو بسوی پایین و ۱ کوآرکِ رو بسوی بالا.

ابزار‌های مدرن امروزی ما تاکنون توانسته ­اند به سطوحِ بسیار عمیقِ ماده وارد شده و ذرات را شناسایی کنند و پژوهش‌ ها کماکان ادامه دارند. وضعیتِ علمی ­ابزاریِ‌ بشر و شناساییِ فعلیِ‌ بشر از اعماقِ ماده در حالِ حاضر صحبت از ۲۴ ذرّه ­ی بنیادین و ۶ ذرّه­ یِ پیام ­آور[۲۹] دارد[۳۰].

  • خانواده­ ی کوآرک‌ ها متشکل از سه نسل تک­ جفتی (دو تایی‌) از کوآرک ­هاست.
  • عضوِ نخستینِ هر جفت هر نسلی، باری معادل با  ۲/۳ + دارد؛ و عضو دومِ آن نسل، باری منفی‌ برابر با  ۱/۳ –  دارد.
  • هر کوآرکی با خود همزادی پادماده یا ضدّماده[۳۱] دارد که بار‌های آن دقیقا ضدّ بار‌هایِ آن کوآرک است؛ و نتیجتاً در جمع ۱۲ کوآرک موجود است.[۳۲]
  • در شرایطِ ابزاری نوین کوآرک ‌ها هرگز به­ نحوی منفرد ردیابی نشده­ اند و همواره بصورتِ همزادی دوتایی‌ (که مِزون[۳۳] نامیده می‌‌ شوند) و یا سه ­تایی‌ (که باریون[۳۴] خوانده می ‌‌شوند) ردیابی شده­ اند.
  • البته معروف ‌ترین مجموعه‌ های کوآرکی، پروتون‌ ها و نوترون‌ ها هستند.

خانواده ­ی دیگر ذرات لپتون[۳۵] نامیده می‌‌ شود . خانواده­ ی لپتون‌ ها هم شاملِ سه نسل است که هر نسلی تشکیل­ شده از ذرّه­ ای بسیار سبک و همراه­ اش که نوترینو[۳۶]  خوانده شده و همچنین ضدّ ذرّه‌ های ­شان[۳۷] است.

  • نسلِ اول لپتون‌ ها شاملِ الکترون، نوترینو (که شبیه الکترون عمل می ‌‌کند) و ۲ ضدّ ذرّه‌ های ‌شان است.
  • نسل دوم و سوم، شامل ذراتِ موئون و تائو است[۳۸] (که هر یک، نوترینو‌یی و ضدّ ذرّه ­ی  خود را دارد.)
  • نتیجتاً خانواده ­ی لپتون‌ ها هم دارای ۱۲ ذرّه­ ی بنیادین است.
  • نوترینو‌ها ذراتی با جرمی بی ­نهایت پایین هستند که از طریقِ نیروی هسته­ ای ضعیف به نحوی بسیار ضعیف با اشکالِ دیگر ماده درهم ­کنش  دارند.

ذراتِ پیام ­آور در ارتباط با هریک از نیرو‌های بنیادینی که درهم­ کنش‌ هایِ ذرات را هدایت یا رسانش می‌‌ کنند تعریف شده ­اند.

  • میانجی نیروی هسته­ ای قوی موئون‌ ها هستند که در هسته ­ی­ مرکزیِ اتم کوآرک‌ ها را در درون پروتون‌ ها و نوترون ‌ها بهم ­نگه­ می‌‌دارند.
  • نیروی هسته­ ای ضعیف که به هسته­ ی­ مرکزی اتم اجازه­ ی واپاشی یا فروکاهی[۳۹] داده و درهم­ کنشِ نوترینو‌ها را میانجی ­گری[۴۰] می ‌‌کند خود به وسیله­ ی۳ بردار میانی ­ای[۴۱] که بوزون نامیده می­ شود، ارتباط برقرار می‌‌ کند.
  • نیروی الکترومغناطیسی‌ بر روی ذراتی که باری مثبت یا منفی‌ دارند از طریقِ فوتون‌ ها تاثیر می ‌‌گذارد.
  • نیرویِ جاذبه بین اجسامی که جرم دارند از طریقِ ذرّه ­ای که گراویتون[۴۲] نامیده شده اثر می ‌‌گذارد.

دانشمندانِ امروزی سیستمِ علمیِ‌ طبقه ­بندی­ شده ­ای را برای تعریفِ خصوصیات اتم‌ ها موردِ استفاده قرار می ‌‌دهند.

  • هر نوعی از اتم (هر عنصری) گونه‌ های متفاوتی دارد که ایزوتوپ[۴۳] خوانده می‌‌ شود.
  • ایزوتوپ‌ ها تنها در تعدادِ نوترون‌ هایی‌ که دارند با یکدیگر متفاوت­ اند.
  • از آنجا که در هم­ کنش‌ هایِ هر اتمی‌ با ذراتِ دیگر، با طرز قرارگیری[۴۴]  الکترون‌ های آن معین می‌‌ شود، همه­ ی ایزوتوپ‌ های هر عنصری از نظر شیمیایی‌ یکسان عمل می‌‌ کنند.
  • تفاوتِ اصلی‌ ایزوتوپ ‌ها در جرمِ آنهاست؛ ایزوتوپ ‌هایی با نوترون‌ های بیشتر، سنگین­ تر هستند؛ و نتیجتاً آهسته ­تر حرکت می ‌‌کنند.
  • بهمین دلیل واکنش‌ هایِ شیمیایی‌ نسبت به ایزوتوپ‌ هایِ سبک ­تر و سریع­ تر تمایل بیشتری دارند و در واکنش‌ های شیمیایی‌ از آنها بیشتر استفاده می ‌‌شود. این بدین مفهوم است که در واکنش‌ های شیمیایی اغلب ایزوتوپ‌ های سبک تر و سریع تر هر عنصری، حضور می ‌‌یابند و سپس ایزوتوپ ‌های سنگین تر آن؛ و به همچنین تا سنگین‌ ترین آنها؛ اگرچه همه ­ی ایزوتوپ‌ های هر عنصری از نظر شیمیایی‌ یکسان عملکرد دارند.

واکنش‌ های اتم‌ ها و بخش‌ های تشکیل­ دهنده­ ی آنها که از قواعد نیرو‌های طبیعت هدایت یا رسانش و سویه می‌‌ گیرند؛ مختصاتِ دنیایِ مادی ما را از نظرِ علمی‌ تعریف می ‌‌کنند.[۴۵]

—————–

[۱]

همانگونه که در دیباچه ی کتاب زیر آمد، در میان بخش‌های به هم مرتبط این کتاب، یاداشت‌ها و نوشته‌هایی‌ با عنوان­های “نمونه‌های کاربردی” قرارگرفته­اند که در بیشتر موارد به جنبه‌های اجرایی و به سرمشق‌های پیاده­سازی و به نمونه‌های کاربردی موضوع‌های علمی‌ می‌‌پردازند.

[۲]

Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.

[۳]

atomos

[۴]

در زبان فارسی (aether) اتر هم ترجمه شده است.

[۵]

چهار آخشیج یا طبع (اخلاط اربعه) سودا و صفرا و خون و بلغم هم، با مجموعه­ی ویژه­ی خصوصیات خشکی و تری و سردی و گرمی‌ هریک، برگرفته و برساخته از همین تفکر کهن جالینوسی و ارسطویی بود. اخلاط اربعه بر اساس عناصر چهارگانه آب و خاک و باد و آتش شکل گرفتند بترتیبی که آب و بلغم (سرد و تر،) خاک و صفرا (سرد و خشک،) باد و خون (گرم و تر،) و آتش و سودا (گرم و خشک) انگاشته می‌‌شدند. علم پزشکی‌ کهن و درمان بیماری‌ها هم برای بیش از دو هزار سال با تنظیم سردی و گرمی‌ و خشکی و تری در بیمار انجام می‌‌شد.

[۶]

Experimentation and test

[۷]

گذار پندار غالب انسان از “فلسفه­باوری” به “علم­باوری” را آغاز دوران مدرن می‌‌نامند که ریشه در قبول تجربه و مشاهده (بجای قیاس) و پذیرش آزمون­پذیری مستقل علمی‌ (بجای تفکر و ذهنی­گرایی) دارد. فیلسوفان دوران پس از این گذار، یکی‌ پس از دیگری، تلاش به پیوند شاخه‌های علم و پیوند نظریه‌های علمی‌ به فلسفه دارند و فلسفه که تا آن زمان دست در دست دین در به انقیادکشیدن اندیشه­ی بشری نقش داشت خود دچار تحول می‌‌شود. از آن زمان تا کنون فلسفه در بیشتر موارد با دگرسانی ارزش­ها و با شکل­گیری دگرگونه­ی معانی و با تفاسیر دگرگونه­ی مفاهیم سر و کار دارد. برای نمونه نگاه کنید به مجموعه­ی مصاحبه­ها:

Guattari, Felix. Chaosophy. Semiotexte Publishers, Los Angeles, 2007. Distributed by MIT Press, 2009.

[۸]

برای دریافت نیاز‌های ابزاری و شناخت ابعاد و مقیاس‌هایی‌ که در این کتاب بدان‌ها پرداخته شده، نگاه کنید به:

http://htwins.net

[۹]

basic constituent particles

[۱۰]

solid

[۱۱]

touching

[۱۲]

compression

[۱۳]

Not rigidly in a fixed position, but vibrating

[۱۴]

liquid

[۱۵]

plasma

[۱۶]

Torn apart, and as negative and positive constituents

[۱۷]

light, negative particles adjacent to slower, positive and heavier particles

[۱۸]

smallest unit particle

[۱۹]

configurations

[۲۰]

protons

[۲۱]

Neutrons providing a Glue

[۲۲]

repulsive

[۲۳]

strong nuclear force and the Gluon

[۲۴]

weak nuclear force and the Boson

[۲۵]

Gluons and bosons

[۲۶]

quarks

[۲۷]

Gell-Mann, Murray. The Quark and the Jaguar: Adventures in the Simple and Complex. New York: Holt Paperbacks, 1995.

[۲۸]

triplet particles with 2 Up Quarks and 1 Down Quark

[۲۹]

messenger particles

[۳۰]

برای دریافت نیاز‌های ابزاری و شناخت ابعاد و مقیاس‌هایی‌ که در این کتاب بدان‌ها پرداخته شده، نگاه کنید به:

http://htwins.net

[۳۱]

antimatter twin

[۳۲]

پسان­تر به نتیجه گیری‌های اخیرتر دانشمندان پیرامون ماده و ضدّ ماده خواهیم پرداخت.

[۳۳]

mesons

[۳۴]

baryons

[۳۵]

leptons

[۳۶]

neutrino

[۳۷]

anti particle

[۳۸]

Muons and tau

[۳۹]

decay

[۴۰]

mediates

[۴۱]

intermediate vectors called Bosons

[۴۲]

graviton

[۴۳]

isotopes

[۴۴]

configurations

[۴۵]

Gamow, G. Mr. Tompkins in Paperback. Cambridge: Cambridge University Press, 1993.

————————————————————–

بخش ۱ این نوشته

بخش ۲ این نوشته

بخش ۳ این نوشته

بخش ۴ این نوشته

بخش ۵ این نوشته

بخش ۶ این نوشته

بخش ۷ این نوشته

بخش ۸ این نوشته

بخش ۹ این نوشته

بخش ۱۰ این نوشته

بخش ۱۱ این نوشته

بخش ۱۲ این نوشته

بخش ۱۳ این نوشته

بخش ۱۴ این نوشته

بخش ۱۵ این نوشته

بخش ۱۶ این نوشته

—————–

* دکتر ریموند رخشانی در باره خودش:

من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی‌ سیستم‌ها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی‌ برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراورده‌های نوین می‌‌باشد. در این سلسله از مقالات و فایل‌های صوتی کوشش می‌‌کنم که علم مدرن را از پایه به دوستان معرفی‌ کنم.


به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید

هنوز نظری اضافه نشده است. شما اولین نظر را بدهید.