جهان ِ ایستاده بر شانه‌های دانشمندی بزرگ

حسن فتاحی

تمام دانش‌های ریاضیاتی بر رابطه میان قانون‌های فیزیکی و قانون‌های اعداد بنیان نهاده شده است
«جیمز کلرک مکسول»
با ورود به سده نوزدهم میلادی، درحالی‌که ایرانیان از قطار شتابان تحولات دانشی نوین جا مانده بودند، در مغرب‌زمین انقلاب دانشی دوم در حال شکفتن بود. دو روند یا به عبارت پرسون‌تر دو فراروند از نزدیک به‌هم‌پیوسته، ویژگی بنیادی این تحول تاریخی در دانش‌های پسارنسانس است؛ یکی «ریاضیاتی‌شدن دانش‌ها» و دیگری «یگانه‌شدن نظری یا تئوریک مفهوم‌ها یا بِگِرت‌ها»‌؛ یعنی سنت‌ها و مفهوم‌هایی که پیش‌تر جدا از هم بودند، در چینش و ترکیب دانشی نوینی به هم پیوستند؛ چیزی که ما امروزه از آن با نام فیزیک یاد می‌کنیم. انقلاب دانشی دوم که شکوفا شد، یعنی همین دو فراروند ریاضیاتی‌شدن و یگانه‌شدن، مجموعه واحدی از قانون‌های کلی و تصویر دانشی منسجم و پرقدرتی را از زمین و گیتی ارائه داد. این تصویر نوین که گاهی از آن به جهان‌بینی کلاسیک یاد می‌کنند، در دهه‌های پسین سده نوزدهم میلادی گویی موجی بزرگ بود که تمام حوزه‌های دانش‌های زاستاری همچون فیزیک و شیمی را در‌بر گرفته و یکپارچه می‌‌کرد. این فراروند آنچنان مهیب بود که برخی از دانشمندان نام‌بردار را به این فکر فرو‌برد که پایان فیزیک نزدیک است. الگوی «ریاضیاتی‌شدن» و نیز «یگانه‌شدن» را در بسیاری از تخصص‌ها و زمینه‌های پژوهشی در دانش سده نوزدهم م. می‌توان دید. پیشرفت‌ها در الکتریسیته و دستاوردهای آن برای مغناطیس و شیمی نمونه‌ای عالی است. بررسی دانشی پدیده‌های الکتریکی در سده هجدهم صرفا الکتریسیته ساکن را دربر می‌گرفت. کشف تصادفی الکتریسیته جاری راه را بر قلمرو پژوهشی جدیدی باز کرد. در آزمایش‌هایی که در دهه 1780 م. روی پاهای قورباغه صورت گرفت، «لوئیجی گالوانی» بر آن نشد تا مرزهای دانش الکتریسیته را گسترش دهد، بلکه تمرکزش را روی «الکتریسیته حیوانی» گذاشت؛ اثری که گویی در بدن حیوان جریان داشت. دیگر هم‌میهن ایتالیایی «گالوانی»، «الساندرو ولتا»، بر اساس کارهای «گالوانی» پیش رفت و به سال 1800 م. پیل یا باتری را اختراع کرد که می‌توانست الکتریسیته جاری تولید کند. در واقع باتری «ولتا» و باتری‌های بزرگ‌تر بعدی که تا همین امروز هم کاربرد دارند، ارتباط عمیق تازه‌ای را میان الکتریسیته و شیمی پدید آوردند. باتری در حقیقت لایه‌های فلز و مقوا در محلول‌های نمک‌پایه بود که بعدتر اسید‌پایه شدند. دیری نگذشت که دانشمندان و در صدر آنها «هامفری دیوی»، به شیوه برقکافت یا همان الکترولیز، عنصرهای جدیدی را همچون سدیم و پتاسیم کشف کردند که در قطب‌های باتری ظاهر می‌شد. بنابراین نظریه الکتریکی ترکیب شیمیایی یا به زبانی ساده‌تر ارتباط عناصر شیمیایی با بارهای الکتریکی، در نخستین دهه‌های سده نوزدهم بر شیمی حاکم شد. اگرچه دانشمندان میان الکتریسیته و مغناطیس نوعی یگانگی را حدس می‌زدند، اما به سال 1820 م. زمانی که در ایران «فتحعلی‌شاه» از سلسله قاجار پادشاه بود و هنوز خبری از نخستین دانشگاه نوین یعنی دارالفنون نبود، «هانس کریستیان اُرستد»، استاد دانمارکی دانش‌های زاستاری که آن زمان درس فلسفه طبیعی نام داشت، اتفاقی این پیوند پرطرفدار را ثابت کرد. او پس از تدریس در کلاس، جای مدار الکتریکی و قطب‌نما را عوض کرد و دریافت اگر سیم حامل الکتریسیته با عقربه قطب‌نما موازی باشد و نه اینکه عمود، در ابتدا و انتهای مدار تأثیر مغناطیسی ایجاد می‌شود. «ارستد» با نشان‌دادن اثر مغناطیسی الکتریسیته جاری که می‌تواند حرکت باشد، از اصلی پرده برداشت که بعدها در موتور برقی به کار رفت. دستاوردهای جدیدی پدیدار شد؛ ازجمله آهن‌ربای برقی و کشش و رانش سیم‌های حامل جریان. این پیشرفت‌ها به کشف القای برقاطیسی یا همان ایجاد برق با آهن‌ربا به دست «مایکل فارادی» بریتانیایی منجر شد. لازم است خوانندگان فارسی‌زبان بدانند تلفظ درست نام «مایکل فارادی»، «فَرَدی» است، اما در زبان فارسی «فارادی» و «فاراده» رایج شده است. «فارادی» با قرار‌دادن آهن‌ربا در میان سیم‌پیچی بسته، جریان برق ایجاد کرد. «فارادی» در سطح فلسفی عمیق‌تری روابط به‌هم‌پیوسته الکتریسیته، مغناطیس و حرکت مکانیکی را ثابت کرد. پس از «فارادی» بود که دانشمندان و فناوران توانستند با دو عامل اولی، به‌آسانی سومی را هم تولید کنند.
اهمیت دستاوردهای «مکسول»
جهان‌بینی کلاسیک نیمه دوم سده نوزدهم م. دست‌کم از دیدگاه دانش‌های زاستاری، نگرشی فراگیر و تصویر یگانه‌ای از جهان طبیعی ارائه داد که از سده‌های میانه و روزگار رونق نگرش ارسطویی -توجه داشته باشید که نام لاتین اَریستاتِل است و تلفظ ارسطو از زبان عربی به زبان فارسی راه یافته است- از دیدگاه تاریخی کم‌مانند بود. یکدستی جهان‌بینی کلاسیکی پیرامون کار دانشمند بلندپیشانی اسکاتلندی، «جیمز کلرک مَکسول» تبلور یافت. «مکسول» در اوج هوشمندی و نبوغ، برداشت‌های کیفی «فارادی» را از میدان برقاطیسی یا همان میدان الکترومغناطیسی، ریاضیاتی کرد. او به جهان فیزیک بیان‌های ریاضی پرسونی بخشید و میدان را به صورت معادله‌های موجی، شهره به معادله‌های چهارگانه «مکسول» توصیف کرد. دو جنبه دستاورد «مکسول» در مهر‌تأیید‌زدن بر جهان‌بینی کلاسیک، اساسی از کار درآمد. نخست، امواج برقاطیسی که دارای تندی محدود و برابر با مقدار ثابت سرعت نور بود که در معادله‌ها و دیسول‌های (فرمول‌های) «مکسول» دیده می‌شود. در واقع وقتی آنچه «مکسول» در دیسول‌هایش به کار برده بود، با سرعت نور یا به عبارت فنی‌تر با سرعت امواج برقاطیسی (الکترومغناطیسی) برابر از کار درآمد، گویی ارتباط عمیقی میان برقاطیسی از راه «فارادی»-«مکسول» و نورشناسی از طریق فرنل را تأیید کرد. دوم آنکه به نظر چنین آمد که معادله‌های «مکسول» دربرگیرنده و متضمن این مفهوم باشد که امواج برقاطیسی در شرایط مناسب می‌تواند تولید و منتقل شود. زمانی که «هاینریش هرتس» (هرتز) وجود این موج‌های الکتریکی را ثابت کرد و ما آنها را موج رادیویی می‌نامیم، معادله‌های «مکسول» و دیدگاه یکپارچه و آنچه بالاتر از آن به‌عنوان دو دستاورد یاد کردیم، یعنی ریاضیاتی‌شدن و یگانه‌شدن، درباره برق، مغناطیس، نور و حرارت تابشی بسیار تأیید‌شده به نظر رسید.
دستاوردهای «مکسول»
بسیاری از فیزیک‌دانان بر این باورند که «مکسول» یکی از مهم‌ترین فیزیک‌دانان تمام ادوار تاریخی انسان خردمند است. دانشمندی ایستاده در میانه «نیوتن» و «اینشتین». او نقس بسزایی در گستره شگفت‌انگیزی از حوزه‌های فیزیک داشت. تحلیل حلقه‌های سیاره کیوان یا زحل، بررسی رفتار گازها، ترمودینامیک و نظریه رنگ‌ها بخش‌هایی از کار اوست. اما بدون هیچ شکی درخشان‌ترین کار او تدوین چهار معادله معروف است؛ معادله‌هایی که نام او را یدک می‌کشند؛ معادله‌هایی که الکتریسیته و مغناطیس را به هم با زبان ریاضیاتی ربط داد. اگرچه این چهار معادله ساده به نظر می‌رسند، ریاضیات خوابیده در دل آنها ساده نیست و از ریاضی نوین پسا‌نیوتن-لایبنیتس بهره می‌گیرد؛ چیزی که امروزه آن را حساب دیفرانسیل و انتگرال یا حسابگان می‌نامیم. برای اطلاع خوانندگان عزیز خوب است یادآور شویم که روی شبکه جهانی یوتیوب درسنامه‌هایی بسیار عالی با عنوان معادله‌های «مکسول» وجود دارد که می‌توانید در صورت آشنایی با حسابگان از آن لذت ببرید. مهم‌ترین کار «مکسول» نشان‌دادن این موضوع بود که دو پدیده الکتریسیته و مغناطیس، در واقع یک پدیده‌اند که به آن برقاطیس یا الکترومغناطیس می‌گوییم. آن دو نمودهای متفاوت یک پدیده‌اند و «مکسول» نظریه واحدی با زبان ریاضی ایجاد کرد. این چهار معادله با یک استثنای مهم قانون‌ها یا اختراع‌های او نیستند؛ آنها پیش‌تر به شکل‌های متفاوت وجود داشتند، اما کار بزرگ «مکسول» گرد‌هم‌آوردن‌ آنها در چارچوب نظریه میدان کامل خوش‌تعریف ریاضیاتی بود. نخستین معادله، قانون گاوس برای الکتریسیته است؛ رابطه میان بارهای الکتریکی با شدت و توزیع میدان‌های الکتریکی ناشی از آنها. معادله دوم قانون گاوس برای مغناطیس است که ساده‌ترین این چهارتا هم به شمار می‌رود. معادله دوم چند نکته مهم را بیان می‌کند؛ نخست اینکه چیزی به نام تک‌قطبی مغناطیسی در طبیعت وجود ندارد. آهن‌ربا همواره دو قطب شمال و جنوب دارد که آن را دوقطبی می‌نامیم؛ برخلاف الکتریسیته که تک‌قطبی‌های الکتریکی را مجاز می‌شمارد. تک‌قطبی ذره بارداری است که بار آن مثبت یا منفی است؛ مثل الکترون با بار منفی و پروتون با بار مثبت. هیچ راهی برای رسیدن به تک‌قطبی مغناطیسی وجود ندارد، اما اگر جسمی را با بار الکتریکی مثلا بار مثبت به دو نیم تقسیم کنید، هر دو تکه می‌توانند بار مثبت داشته باشند. معادله سوم در واقع قانون فارادی است که به زبان ریاضی پرسون بیان شده؛ اینکه چگونه میدان‌های متغیر مغناطیسی، میدان‌های الکتریکی تولید می‌کنند. این معادله در دنیای فناوری مبنای نظری ژنراتورهای الکتریکی را تشکیل می‌دهد. آخرین معادله، قانون آمپر است که مکسول آن را به شیوه‌ها و راه‌های بسیار مهمی اصلاح کرد. بر مبنای قانون نخستین آمپر جریان الکتریکی میدان مغناطیسی تولید می‌کرد. بر مبنای معادله اصلاح‌شده «مکسول»، هر میدان الکتریکی متغیر یک میدان مغناطیسی به وجود می‌آورد. «مکسول» با بازی‌کردن با این چهار معادله، وجود امواج برقاطیسی/الکترومغناطیسی را پیش‌بینی کرد که در فضای تهی حرکت می‌کنند. او توانست اندازه سرعت این امواج را محاسبه کند. نتیجه برایش شگفت‌آور بود؛ سرعت امواج «مکسول» با سرعت نور یکسان بود. او دریافت که خود نور هم باید موج برقاطیسی باشد. این دانشمندان بزرگ، یعنی «آمپر»، «فارادی» و «مکسول» می‌دانستند که در آستانه یک انقلاب بزرگ قرار دارند. نزدیک به یک قرن بود که پژوهشگران می‌کوشیدند ماهیت الکتریسیته را بفهمند، اما اکنون این افراد موفق به کشف‌های بزرگی شده بودند. معادله‌های «مکسول» به خاطر پیامدهای تکان‌دهنده‌شان به سال 1861م. بی‌شک مهم‌ترین دستاورد فیزیک قرن نوزدهم و بدون اغراق کل فیزیک در فاصله بین «نیوتن» و «اینشتین» است.
روی شانه‌های «مکسول»
پس از «مکسول»، فیزیک‌دانان تلاش‌های پرشماری را صرف گسترش نظریه واحدی کردند که هر چهار نیروی بنیادی فیزیک را شامل شود؛ نیروهای گرانش، هسته‌ای ضعیف و هسته‌ای قوی و الکترومغناطیسی. «آلبرت اینشتین» 30 سال پایانی عمر پربار خود را صرف یگانه‌سازی نیروی برقاطیس و گرانش در قالب نظریه میدان واحد کرد که البته هرگز به ثمر ننشست، اما راه را برای پژوهشگران بعدی باز کرد. تلاش برای وحدت‌بخشی به نیروهای بنیادین زاستاری ادامه دارد. به سال 1979 م. سه فیزیک‌دان با نام‌های «شلدون گلاشو»، «استیون واینبرگ» و «عبدالسلامِ» پاکستانی با یگانه‌سازی دو نیروی الکترومغناطیسی و هسته‌ای ضعیف، جایزه نوبل دریافت کردند؛ نیرویی که امروزه با نام الکتروضعیف می‌شناسیم. بسیاری از فیزیک‌دانان تلاش کرده‌اند تا نیروی الکتروضعیف را در چارچوب نظریه وحدت بزرگ موسوم به جی‌یو‌تی، با نیروی هسته‌ای قوی ترکیب کنند. دستیابی به این سطح از یگانه‌سازی موفقیتی خیره‌کننده و همسنگ دستاورد «مکسول» است.
مردی از اسکاتلند
مرد اسکاتلندی داستان ما، «جیمز کلرک مکسول»، عمر کوتاه اما بسیار پرباری داشت. او به تاریخ 13 ژوئن 1831 م. در شهر زیبای ادینبورو که گاهی در فارسی ادینبورگ تلفظ می‌شود، به دنیا آمد و پس از 48 سال به تاریخ 5 نوامبر 1879 در شهر دانشگاهی کمبریج چشم از جهان فروبست. او تحصیلاتش را در دو دانشگاه پرآوازه دیروز و امروز بریتانیا، ادینبورو و کمبریج، به پایان برد. نام «مکسول» در دستاوردهای زیادی از فیزیک به چشم می‌خورد که برخی از آنها عبارت‌اند از: معادله‌های مکسول در مکانیک آماری، توزیع مکسول-بولتزمان، ترمودینامیک سطوح مکسول و بسیار موارد دیگر. «مکسول» در دوره کمتر از نیم‌قرن زندگی‌اش چندین جایزه مهم را کسب کرد و راهنمایی سه دانشجویی را که نامشان در تاریخ دانش بر جای مانده، بر عهده داشت. «مکسول» مردی با پاینبدی به اخلاق اجتماعی و دانشی بود. در زندگی‌اش همسر و والدینش بسیار کمک‌حالش بودند و نقش پررنگی در موفقیت‌هایش داشتند.

ارسال نظر

 

آخرین اخبار