#انقلاب_علمی #الکترومغناطیس #اتر #لورنتس #مکانیک_کلاسیک

🟡 انقلاب‌های فیزیک (قسمت ۸) - بخش ۱:

🟢 عمیق‌ترین ناسازگاری فیزیک:
در سیر تاریخی خود به اواخر قرن نوزدهم رسیده‌ایم. جایی که بیشتر فیزیک‌دانان معتقدند که علم فیزیک به آخر خط رسیده است! بیشتر سوالات فیزیک حل شده‌ است و ما به توصیف کاملی از طبیعت رسیده‌ایم. تنها تعدادی مسئله‌ی حل‌نشده باقی‌مانده است. معروف است که شخصی فرزندش را به نزد فیزیکدانی برد و از او درخواست کرد که او را آموزش دهد. آن فیزیکدان توصیه کرد که فرزندت را به این حوزه از علم نیاور، چرا که فیزیک علم مرده‌ای است. دیگر جایی برای پیشرفت ندارد و بسیاری از مسائلش حل شده است.

آن «چند مسئله‌ی حل نشده»، چه بودند؟ بیشتر فیزیکدانان فکر می‌کردند که این مسائل نیز به زودی حل می‌شوند، اما در اشتباه بودند! واقعیت این بود که هر کدام از این مسائل دری بود به دنیایی کاملاً جدید! دنیایی فراتر از فیزیک کلاسیک... در این قسمت با یکی از این مسائل کار داریم.

در قسمت قبل (قسمت ۷)، فرآیند کشف نظریه‌ی الکترومغناطیس ماکسول و ۴ معادله‌ی معروفش را از نظر گذراندیم. این معادلات، توصیف‌کننده‌ی تمام پدیده‌های الکترومغناطیسی، به خصوص امواج الکترومغناطیسی بودند. اما معضلی وجود داشت. معضلی بسیار بنیادی. معادلات ماکسول با نظریه‌ی مکانیک نیوتونی سازگار نبود. به بیان دقیق‌تر، معادلات مکانیک نیوتونی تحت تبدیلات گالیله، ناوردا بودند، ولی معادلات ماکسول تحت این تبدیلات ناوردا نبودند. اجازه دهید کمی ساده‌تر توضیح دهیم...
طبق مکانیک نیوتونی، سرعت یک جسم، که در دستگاهی متحرک قرار دارد، نسبت به ناظر بیرونی، برابر است با سرعت جسم در آن دستگاه به اضافه‌ی سرعت دستگاه. به طور مثال، فرض کنید سوار بر یک اتوبوس هستید و این اتوبوس در حال حرکت با سرعتی ثابت در یک خیابان می‌باشد. حال شما در اتوبوس شروع به حرکت می‌کنید (در جهت حرکت اتوبوس). اگر دوستتان از بیرون (در خیابان) به شما نگاه کند، شما را در حال حرکت با سرعت زیادی می‌بیند. علت اینکه سرعتتان زیادتر شده این است که شما سوار بر اتوبوس متحرک هستید و سرعت اتوبوس به سرعت شما اضافه می‌شود.
به نظر منطقی و عقلانی می‌رسد که همه‌ی اجسام طبیعت اینگونه باشند. ولی معادلات ماکسول، شیئی را در طبیعت پیش‌بینی می‌کنند که از این قاعده مستثنا است. طبق معادلات ماکسول، امواج الکترومغناطیسی‌ای که در دستگاهی متحرک هستند، نسبت به ناظر بیرونی همان سرعتی را دارند که اگر در دستگاهی متحرک نبودند. یعنی سرعت دستگاه، به سرعت این امواج نمی‌افزاید!
این یکی از همان مسائلی بود که پیش آمد و تا سال‌ها ذهن فیزیکدانان مشغول آن بود.

در چنین موقعیتی شما چند راه دارید. یا باید معادلات ماکسول را اصلاح کنید. یا باید مکانیک نیوتونی را اصلاح کنید. یا به نوعی توضیحی بیابید که بتواند این دو نظریه‌ را با هم آشتی دهد. اما، آنقدر شواهد آزمایشگاهی این دو نظریه قوی بود که کمتر کسی جرئت این را به خود می‌داد که سعی در اصلاح این نظریه‌ها داشته باشد.
از طرفی، مسئله‌ی دیگری نیز پیش آمد. از مکانیک نیوتونی می‌دانیم که امواج در واقع وجود خارجی ندارند و همان نوسانات محیط هستند که منتشر می‌شوند. در واقع جابه‌جایی ذرات یک محیط مادی، که به صورت نوسانی و منظم منتشر شود را ما به عنوان موج می‌بینیم. مثلاً موج صوتی، از این دسته است. یا موجی که در یک طناب ایجاد می‌شود. بنابراین ممکن است فکر کنیم که نوسانات چه محیطی باعث ایجاد امواج الکترومغناطیسی می‌شود.
خود ماکسول به نوعی، پاسخ این سوال را با فرضیه‌ای داد. فرضیه‌ی «اتر». از نظر ماکسول،‌ محیطی مادی به نام اتر تمام فضا را پر کرده است و امواج الکترومغناطیسی، نوسانات اتر هستند. حال باید ببینیم که این محیط چه ویژگی‌هایی را باید داشته باشد؟ اولاً چون امواج الکترومغناطیسی عرضی هستند (راستای نوسان‌شان عمود بر راستای انتشارشان است) اتر باید جامد باشد! از طرفی دیگر، چون سرعت امواج الکترومغناطیسی بسیار زیاد است، چگالی اتر باید بسیار بالا باشد. حال سوال این است، این محیط جامد بسیار چگال، چرا هیچ برهم‌کنشی با ما ندارد. چرا ما به راحتی در چنین محیطی حرکت می‌کنیم و آن را حس نمی‌کنیم. این مسئله‌ی دوم بود.

فیزیک‌دانان بسیاری سعی کردند تا با صلح‌دادن مکانیک نیوتونی و الکترومغناطیس ماکسول، پاسخ این سوالات را بدهند. یکی از معروف‌ترین‌ آن‌ها، «هنریک لورنتس» بود. او سعی کرد تبدیلاتی که معادلات ماکسول تحت آن‌ها ناوردا هستند را بیابد. سپس تلاش کرد با ذکر این نکته که زمین در حرکتش درون اتر، اتر را با خودش می‌کشد، توضیح دهد که چرا سرعت امواج الکترومغناطیسی در دستگاه مختصات متحرک تغییر نمی‌کند.

💭 این داستان ادامه دارد...

🖋 نویسنده: مهدی فراهانی

⚛️ کانال تکامل فیزیکی
@physical_evolution