آموزش فیزیک

 ممکن است وقتی دانش آموزان با مکانیک کلاسیک و چیزهایی از فیزیک که به دقت اندازه گیری میشوند کار میکنند،خیال کنند جهان در تسخیر ماست.ممکن است به این دلیل که محاسباتمان نتایج و پیشبینی های خوبی ارائه میکنند دچار غرور شوند.تصور کنند واقعا همه چیز را با اطمینان میتوان اندازه گرفت. اما خوب است به دانش آموزان یادآور شویم که با کشف کوانتوم و رسوخ آن به علوم دیگر،تقریبا محال است که بتوان حرف از پیش بینی های دقیق زد.کوانتوم علمی است که به ما میگوید ما با حداکثر توان هم که اندازه گیری کنیم،بیشترین تکنولوژی را هم که به کار ببریم،نهایتا خداوند به ما اجازه ی دانستن بعضی چیزهارا نداده است. البته برخی افراد مثل اینشتین با این دیدگاه مخالف بودند و میگفتند حتما در آینده نظریه ای بهتر از کوانتوم فعلی خواهد آمد و دوباره قطعیت را به علم بر خواهد گرداند.

نکته: بار با اتمسفر تقریبا برابر هستند اما میلیمتر جیوه و تور دقیقا برابر هستند.

فرض کنیم جریان الکترون ها درون سیم، موسوم به جریان الکتریکی، همچون دوندگانی هستند در مسیر مسابقه.

مقاومت الکتریکی به معنای برخورد بین این الکترون ها و ذرات درون سیم است.

انگار که در مسیر دوندگان،انواع مختلف موانع قرار داشته باشد که با دوندگان برخورد کنند.این برخورد ها باعث ایجاد گرما میشود و انرژی هدر میرود.

موانع میتوانند ذرات خود سیم باشند یا ناخالصی های موجود باشند.اگر دما افزایش یابد،مقاومت هم افزایش می یابد.یعنی تحرک موانع افزایش یافته و احتمال برخورد بالا میرود.

همچنین با کاهش دما،مقاومت کمتر میشود.اما این مسئله تا حدی ادامه دارد چون امکان حذف ناخالصی ها وجود ندارد.پس از جایی به بعد با کاهش دما،مقاومت دیگر کاهش نمیابد.

اما موادی وجود دارند که به علل کوانتومی،از یک دمای بحرانی به پایین،هیچ مقاومت الکتریکی از خود نشان نمیدهند و تبدیل به ابررسانا میشوند.

گرما چیست؟

برای ما،پر واضح است که گرما شکلی از انواع انرژی است.مثلا ممکن است انرژی الکتریکی در لامپِ رشته ای،بر اثر مقاومت الکتریکی لامپ،به گرما تبدیل شود.

اما فیزیکدانان از ابتدا نمیدانستند که گرما نوعی از انرژی است.آنان گرما را چیز دیگری می دانستند.بعنوان مثال در قرن هیجدهم میلادی،نظریه کالریک برای توضیح گرما به کار برده میشد.و نظریه کالریک به این معنا بود که هر جسمِ گرم،مقداری از یک سیال نامرئی را در خود دارد که باعث گرمایَش میشود و برای انتقال گرما،باید این سیال جا به جا شود.

البته برخی فیزیکدانان حدس هایی میزدند اما در نهایت آزمایشهای آقای ژول بود که واقعا به ما فهماند که گرما نوعی انرژی است چراکه این آزمایشها ارتباط بین انرژی مکانیکی و گرما را مشخص میکرد.

دما چیست؟

دما یک کمیت آماری است.به این معنا که دما به میانگین انرژی جنبشی ذرات یک جسم بستگی دارد.پس معیار خوبی از انرژی گرمایی سیستم است.

اما در پایان خوب است که یاد آوری شود که میزان انرژی گرمایی به میزان ماده هم بستگی دارد.بعنوان مثال فرض کنیم دو ماده داشته باشیم یکی با هزار مولکول و دیگری با یک میلیون مولکول.وقتی دما در هر دو برابر است،انرژی مولکول ها برابرند.مثلا هر مولکول ایکس ژول انرژی دارد.پس ماده ی دوم انرژی گرمایی اش،هزار برابر بیشتر از اولی خواهد بود چراکه در ماده اول هزار مولکول با انرژی ایکس ژول داریم یعنی هزار ایکس ژول ولی در ماده دوم،یک میلیون ایکس ژول.

نکته: واحد اصلی زاویه،رادیان است.

پس از تبدیل ستاره به غول قرمز و اتمام سوخت اضافی موجود در لایه بیرونی،ستاره خنک شده و به تدریج نیروی جاذبه مجددا غلبه میکند.

اما اینبار آنقدر کوچک میشود که فشار بسیار بالا میرود و یک انفجار ابرنو اختری رخ میدهد که تا سالیان سال میتواند درخششی حتی بیش از کل یک کهکشان داشته باشد.پرتوهایی پر انرژی گسیل میکند و محتویات خارجی ستاره را به دوردست ها پرتاب میکند.مابقی محتویات هم توسط جاذبه، روی خودش میریزد و اگر جرم ستاره اولیه کمتر از یک و نیم برابر جرم خورشید باشد،ستاره ای با نام کوتوله سفید تشکیل میدهند.

کوتوله سفید بعلت عدم وجود سوخت،سرد میشود،کم نور است و چگالی و جاذبه بسیار بالایی دارد چون مواد روی هم فشرده شده اند.بطوری که یک فنجان از محتویات کوتوله سفید، صد تن وزن دارد!

تصویر اول یک انفجار ابرنواختری را نشان میدهد

همانطور که از عکس دوم مشخص است،کوتوله سفید و زمین از لحاظ ابعاد قابل مقایسه هستند.

- تشکیل غول قرمز:  در یک ستاره عادی، تعادلی بین نیروی حاصل از سوختن عناصر (که به سمت خارج میباشد) و نیروی جاذبه (به سمت داخل) وجود دارد.با خنثی شدن این دو نیرو، ستاره نه از هم میپاشد نه روی خودش فرو میریزد. از طرفی میدانیم که در لایه های درونی تر ستاره،فشار و دما بیشتر است.چون وزن لایه های بیرونی هم روی لایه های درونی می افتد و هم فشار و هم دما را بالا میبرد.

پس لایه های درونی،بعلت فشار بیشتر،بهتر عناصر را میسوزانند، پس اگر سوخت لایه درونی تمام شود،هنوز در لایه بیرونی سوخت موجود هست ولی نمیتوانند بسوزند چون فشار کافی نیست. وقتی لایه درونی بعلت نبود سوخت نمیسوزد، سرد میشود پس نیروی جاذبه بر سوختن غلبه پیدا کرده و ستاره کوچک میشود ولی در همین حال، بعلت فشرده شدن، لایه بیرونی شروع به سوختن میکند و ناگهان افزایش شعاع چند برابری پیدا میکند.پس معلوم شد چرا به غول موسوم است اما علت قرمز بودن هم وقتی مشخص میشود که بدانیم این ستاره چون سوخت کمی دارد و دمایی پایین، تابش ساطع شده از آن در محدوده طول موج های سرخ هستند.

شکل بالا  که از سایت ناسا دریافت شده، مقایسه ای از شرایط منظومه شمسی پیش و پس از غول قرمز شدن خورشید است.

همانطور که مشاهده میشود،هم اکنون یعنی در حدود چهار و نیم میلیارد سالگی خورشید، منطقه ی قابل ست در منظومه شمسی، حدود سیاره زمین است. ولی پس از تبدیل خورشید به یک غول قرمز، سیارات نزدیک خورشید به درونش فرو میروند و حتی زمین هم بسیار به خورشید نزدیک خواهد بود و دیگر قابل ست نیست.منطقه ی قابل ست در دوازده و نیم میلیارد سالگی خورشید،نزدیک به سیاره مشتری و زحل خواهد بود.یعنی این سیارگان میتوانند حدود نیم میلیارد سال گرم بمانند.

سری پست های سیاهچاله:

شاید تاکنون اسم سیاهچاله به گوشتان خورده باشد، یا کم و بیش با آن آشنا باشید.در این سری از پست ها، میخواهیم به معرفی سیاهچاله ها بپردازیم.

علت نام گذاری این پدیده های نجومی به سیاهچاله،این است که اولا چاله هستند یعنی همه چیز به درونشان می افتد (بهتر است بگوییم همه چیز را با جاذبه ی بالا به درونشان جذب میکنند).

ثانیا سیاه هستند یعنی نوری از آنان ساطع نمیشود. (البته این سیاه بودن کاملا صد درصدی نیست و استیون هاوکینگ اثبات کرد که تابش هایی هم دارند).

بعدا علت جاذبه ی زیادشان را خواهیم گفت اما علت سیاه بودنشان همین است که جاذبه ی بسیار زیادی دارند و نور به دام این جاذبه می افتد و نمیتواند به ما برسد پس سیاه به نظر میرسد.

مراحل تشکیل و مرگ یک سیاهچاله از قرار زیر میباشد:

اتمام سوخت یک ستاره:

ستاره ها از طریق همجوشی هسته ای، امورات زندگی میگذرانند.

هرچیزی برای بقا، نیاز به منبع انژی دارد.خود انسان هم از طریق تغذیه، انرژی لازم را کسب میکند.

همجوشی هسته ای، یعنی دو هسته سبک تر مثل دو هسته هیدروژن با هم ترکیب میشوند و هسته ی سنگین تری همچون هلیوم بوجود می آورند.اگر هیدروژن تمام بشود،ستاره عنصر سنگین تری را میسوزاند (البته این سوزاندن به هیچ وجه با سوختن شیمیایی قابل مقایسه نیست بلکه یک اصطلاح است).

این روند آنقدر ادامه دارد که ستاره به آهن سوزی میرسد. پس از آهن دیگر زور ستاره به ترکیب آن عناصر نمیرسد یعنی عملا سوخت ستاره تمام میشود و مرگ ستاره آغاز میشود.با این حال،اینکه ستاره تا کدام عنصر پیش برود،بستگی به ویژگی های خود ستاره و فشار درونی و دما و. دارد. ممکن است ستاره ای فقط بتواند هیدروژن بسوزاند و هلیوم را نتواند.

اگر ستاره ای چند برابر سنگین تر از خورشید باشد،حتی از حالت ستاره نوترونی هم بیشتر چگال میشود و به موجودی با جاذبه ای وحشتناک به نام سیاهچاله تبدیل میشود.

سیاهچاله اجازه خروج هیچ چیز حتی نور را هم نمیدهد و همه را در دام جاذبه خودش گیر می اندازد.

افق رویداد سیاهچاله، شعاعی است که اگر چیزی به آن وارد شود، هرگز توان مقابله با ورود به دخول به سیاهچاله را نخواهد داشت.

سال گذشته، افق رویداد یک سیاهچاله توسط تلسکوپ EHT که یک پروژه ی جهانی بود، تصویر برداری شد.

البته این نور دریافتی متعلق به موادی بود که داشتند به داخل سیاهچاله میرفتند و بسیار داغ شدند و تابش داشتند.

هرچند در بالا سعی کردیم، مقداری از ویژگی های فیزیکی سیاهچاله هارا بیان کنیم، اما از لحاظ ریاضیاتی، سیاهچاله ها بسیار پیچیده هستند.آنان بخاطر جرم بسیار زیادشان، انحنایی بینهایت زیاد در ساختار فضازمان ایجاد میکنند و به اصطلاح باعث ایجاد تکینگی میشوند. در آنجا هست که بعلت کوچک بودن ابعاد باید دست به دامان کوانتوم شد در حالی که کوانتوم روی خوشی به گرانش اینشتین نشان نمیدهد و باید تئوری های بهتری همچون ریسمان استفاده شود تا بتوان بیشتر بررسی شان کنیم.در عین حال مطالب ریاضی در سطح دبیرستان و حتی کارشناسی نیستند و اینجا نمیتوانیم مطرحشان کنیم.

سیاهچاله ای که رصد شد

تصویری از یک سیاهچاله در حال بلعیدن.تابش آبی، تابش هاوکینگ و تابش در راستای بالا و پایین جت نام دارند

پس از مرحله ی ابرنواختر، اگر جرم ستاره ی اولیه بیش از یک و نیم برابر جرم خورشید باشد، بجای تبدیل شدن به کوتوله سفید، همچنان ستاره به روی خودش فرو میریزد تا جایی که پروتون و الکترونها با هم ترکیب میشوند و تشکیل نوترون میدهند. فلذا تمام این ستاره از نوترون است.

ستاره های نوترونی بسیار چگال هستند و جرم یک ستاره در ابعادی به قطر یک شهر، جای داده شده است پس بعید نیست که یک قاشق از ستاره نوترونی یک میلیارد تن جرم دارد!

معمولا این ستاره ها با سرعت بسیار زیاد به دور خودشان میچرخند و یک فرکانس برای تابش خود بوجود می آورند،یعنی هر چند مدت، یکبار آن تابش به ما میرسد به همین دلیل به این ستاره ها تپ اختر گفته میشود.

البته این فرکانس بسیار بالاست و آن مدت نرسیدن تابش،خیلی کوتاه.

همچنین انرژی تابشی آنان بسیار زیاد است و میتوانند اشعه ایکس تابش کنند.

ناگفته نماند که خورشید منظومه شمسی، بعلت جرم کم، نمیتواند از مرحله کوتوله سفید عبور کند.

علی رغم بی ارتباطی موضوع وبلاگ با مسائل بهداشتی، تصمیم به این گرفتم که برای مقابله راحت با کرونا به دانش آموزان عزیز و دیگران چند توصیه بکنم.زیرا برخلاف ادعای رسانه ها، اخیرا موارد بسیاری از فوت افراد جوان و بدون بیماری زمینه ای یا ضعف ایمنی پیدا شده که به معنای در خطر بودن همه ماست.در ضمن نداشتن علامت طرف مقابل، به معنای آلوده نبودن نیست چراکه تا دو هفته این بیماری علامتی ندارد!

۱-در خانه بمانید و حتی در صورت عدم تعطیلی مدارس و دانشگاه ها، درس هارا در خانه خودتان مطالعه کنید.جان انسان مهمتر است یا درس؟ (این حرف را کسی میزند که از ابتدای تحصیل عاشق درس بوده و هست! )

۲-به مهمانی نروید!

۳-به هیچ مکان عمومی، من جمله اتوبوس نروید.

به عبارتی راز عدم ابتلا، خود قرنطینگی است.هرچند دولت به فکر مردم نیست و قرنطینه را انجام نمیدهد، بیاییم خودمان این کار را انجام بدهیم.

پس از انفجار،سیاهچاله موادی که بلعیده بود را به بیرون پرت میکند و این مواد به سحابی ها می پیوندند.

سحابی ها از باقیمانده ی سیاهچاله ها یا هرگونه مواد بین ستاره ای تشکیل شده اند.این مواد به مرور به محلی برای تولد یک ستاره ی جدید تبدیل میشوند.چراکه تحت جاذبه ی بینشان،به هم جذب شده و تشکیل ستاره و منظومه ای از سیارات در اطرافش میدهند.

سحابی شکارچی

سیاهچاله ها کاملا سیاه نیستند.یعنی تابش هاوکینگ از آنان ساطع میشود.بر اساس هم ارزی جرم و  انرژی، با تابش، جرمشان کمتر میشود.به اصطلاح تبخیر میشوند.البته میزان تبخیر به جرم سیاهچاله یا همان قدرت جاذبه اش بستگی دارد.

هرچه سیاهچاله سنگین تر باشد، دیرتر تبخیر میشود.تا حدی که برخی از سیاهچاله ها اصلا جرمشان کم نمیشود و تابشی که دریافت میکنند(تابش زمینه ای کیهانی) بیش از تابش خودشان است و جرمشان زیادتر میشود.

اما سیاهچاله های کم جرم تر، هرچه بیشتر تبخیر میشوند، تابش بیشتری پیدا میکنند و در نهایت حیات سیاهچاله به یک انفجار ختم میشود! تمام مواد باقیمانده درونش را به بیرون پرتاب میکند.