اثر فوتوالکتریک

اثر فوتوالکتریک

اثر فوتوالکتریک (به انگلیسی: Photoelectric effect) پدیده‌ای است الکتروکوانتومی که در آن الکترون، بعد از جذب انرژی یک پرتوی الکترومغناطیسی مانند پرتوی ایکس و یا انوار مرئی، از ماده گسیل می‌شود.

اثر فوتوالکتریک
علم فیزیک – اثر فوتوالکتریک

این پدیده همچنین به اثر هرتز معروف است و این به خاطر کشفش توسط هاینریش هرتز است (هرچند امروزه این لفظ بلااستفاده می‌باشد). اثر فوتوالکتریک با فوتون‌هایی با انرژی پایین در حدود چند الکترون‌ولت مشاهده می‌شود. اگر فوتون به اندازهٔ کافی انرژی بالا داشته باشد (در حد چند کیلو الکترون‌ولت) پدیدهٔ دیگری به نام Compton scattering و اگر انرژی آن در حد چند مگا الکترون‌ولت باشد پدیدهٔ دیگری به نام Pair production رخ می‌دهد. مطالعهٔ پدیدهٔ فوتوالکتریک منجر به گام‌های مهمی در درک حقیقت کوانتومی نور شد.

این اثر یکی از بخش‌های مهم فیزیک است که در سال ۱۹۲۱ آلبرت اینشتین به خاطر آن جایزه نوبل فیزیک گرفت.

تاریخچه

اثر فوتوالکتریک توسط هاینریش هرتز در سال ۱۸۸۷ در جریان آزمایش‌هایی کشف شد که هدف عمده آنها تأئید پیشگویی‌های نظری ماکسول در مورد وجود امواج الکترومغناطیسی حاصل از جریان‌های الکتریکی نوسانی بود. اثر فوتوالکتریک پدیده‌ای است الکتروکوانتومی که در آن الکترون، بعد از جذب انرژی یک پرتوی الکترومغناطیسی مانند پرتوی ایکس و یا انوار مرئی، از ماده گسیل می‌شود. ما در این متن لفظ فوتوالکترون را به این الکترون گسیل شده اطلاق می‌کنیم.

مشاهدات اولیه

در ۱۸۳۹، الکساندر ادموند بکرل پدیدهٔ فوتوالکتریک را در یک الکترود مشاهده کرد، الکترودی که در داخل یک محلول شیمیایی یونی قرار داشت و محلول در معرض نور قرار گرفته بود. در ۱۸۷۳ میلادی اسمیت فهمید که سلنیوم یک مادهٔ نور-هادی است. ماده‌ای که مقاومت الکتریکی ان با شدت روشنایی تغییر می‌کند.

دهانهٔ جرقهٔ هرتز (hert’s spark gap)

در ۱۸۸۷ هاینریش هرتز، پدیدهٔ فوتوالکتریک و تولید و دریافت امواج الکترومغناطیسی را مشاهده کرد. او این مشاهدات را در مجلهٔ annalen der physik منتشر کرد. دستگاه گیرندهٔ امواج الکترومغناطیسی که او ساخته بود از یک سیم پیچ و دو گوی کوچک که در فاصلهٔ بسیار کمی از هم قرار داشتند تشکیل شده بود. زمانی که نوسانات الکترومغناطیسی در سیم پیچ باعث به وجود آمدن جریان الکتریکی در مدار گیرنده می‌شدند، آنگاه سیم پیچ که هر یک از دو سیم آن به یکی از این گوی‌ها متصل بود، این گوی‌ها را به طور متناوب دارای اختلاف پتانسیل الکتریکی می‌کرد و در نتیجه این بارهای الکتریکی شارج شده در گوی‌ها، در هوا تخلیه الکتریکی می‌شد (و این با ایجاد جرقه قابل دید بود) و آنگاه بود که هرتز می‌فهمید دستگاه گیرنده در حال دریافت امواج الکترومغناطیسی است. ما این گوی‌ها را دهانه جرقه می‌نامیم. او دستگاه گیرنده را در جعبه‌ای تاریک قرار داد تا جرقه‌ها را بهتر ببیند. به هر حال او متوجه شد که وقتی در جعبه بین گیرنده و فرستنده یک دیوارهٔ شیشه‌ای قرار می‌دهیم، ماکزیمم طول جرقه کاهش می‌یابد. و این بدان خاطر است که اگر شیشه قرار نداشت دوگوی پرتوی فرابنفش تولید شده در گیرنده را جذب می‌کردند و انرژی آن الکترون را در پرش از سطح گوی‌ها یاری می‌کرد. وقتی شیشه برداشته شد طول جرقه باید افزایش پیدا می‌کرد. او هیچ کاهشی را در طول جرقه مشاهده نکرد وقتی به جای شیشه، کوارتز را قرار داد. و این بدان خاطر است که کواتز نمی‌تواند از عبور امواج فرابنفش جلوگیری کند حال آنکه شیشه دارای چنین خاصیتی است. هرتز ماه‌ها تحقیق را به پایان رساند و نتایجی که به دست آورده بود را گزارش کرد. اما او تحقیق روی این پدیده را بیش از این ادامه نداد و نه حتی تلاشی نکرد تا بفهمد که این پدیده از کجا آمده.

جی. جی. تامسون:الکترون

در سال ۱۸۹۹، تامسون روی پرتوی فرابنفش در لامپ تولید پرتوی ایکس تحقیق می‌کرد. متاثر از کارهای جیمز کلارک ماکسول تامسون دریافت که پرتوهای کاتدی از ذرات دارای بار منفی تشکیل شده‌اند که بعدها این ذرات الکترون نام گذاری شد اما تامسون آنها را کورپوسل(corpuscles) می‌خواند. در این تحقیق تامسون دو صفحهٔ فلزی (الکترود) را در یک لولهٔ خلاء قرار داد و آن را تحت تابش فرکانس بالا قرار داد. تامسون فکر می‌کرد که میدان الکترومغناطیسی در حال نوسان اتم را نیز مجبور به نوسان می‌سازد و بعد از رسیدن به یک دامنه خاص که توسط تشدید نوسان اتم به آن می‌رسیم، اتم یک کورپوسل زیر اتمی از خود گسیل می‌دارد و میزان آن جریان را تامسون اندازه می‌گرفت. مقدار این جریان با رنگ و شدت تابش متغیر بود. در شدت تابش بالاتر و یا فرکانس‌های بالا جریان هم بیشتر می‌شد.

نیروی موجی

220px PhotoelectricEffect%28Tesla%29 - اثر فوتوالکتریک
 
یک موتور فوتو الکترونیک US685957 که اشعه روی یک رسانای عایق‌دار تابیده می‌شود که به یک خازن متصل است. خازن شارژ الکتریکی می‌کند

نیکلا تسلا پدیدهٔ فوتوالکتریک را در سال ۱۹۰۱ توصیف کرد. او این پرتوها را به عنوان نوسان اتر با طول موجی کوچک که اتمسفر را یونیزه می‌کرد در نظر گرفت. در پنجم نوامبر ۱۹۰۱ او گواهینامه ثبت اختراعی را از اداره ثبت اختراعات آمریکا(US Patent) دزیافت کرد که شارژ و دشارژ یک رسانای فلزی را با این پرتوها توسط نیروی موجی توصیف می‌کرد. تسلا از این پدیده برای شارژ الکتریکی یک خازن توسط یک رسانا استفاده کرد. این وسیله به یک موتور پله‌ای که توسط جریان متناوب فوتوالکتریک کار می‌کند و توسط تسلا به ثبت رسیده را نشان می‌دهد.
در حقیقت یک صفحهٔ فلزی صیقلی که تحت تابش انرژی موجی قرار دارد (مانند نور خورشید) دارای بار مثبتی خواهد شد اگر الکترون گسیل کرده باشد. وقتی صفحه دارای بار مثبت می‌شود، خازن نیز تحت تاثیر میدان الکتریکی ایم بار مثبت دارای بار منفی می‌گردد و بنابراین جریانی در دو سر خازن به وجود می‌آید.

مشاهدات ون لنارد

در ۱۹۰۲، فیلییپ آنتوان ون لنارد، مشاهده کرد که انرژی الکترون را می‌توان با تغییر فرکانس نور ورودی تغییر داد. او از یک لامپ قدرتمند قوسی استفاده کرد، چیزی که او را قادر می‌کرد تا تغییرات شدید در شدت تابش را مورد بررسی قرار دهد و به اندازهٔ کافی نیرو داشت تا بتواند روی تغییرات پتاسیل و در نتیجه تغییرات فرکانس نور را مورد بررسی قرار دهد. آزمایش او به طور مستقیم پتانسیل الکتریکی را اندازه می‌گرف و نه انرژی جنبشی الکترون را. او رابطهٔ انرژی الکترون را با ماکزیمم ولتاژ قطع به دست آورد. او همچنین فهمید که ماکزیمم انرژی جنبشی الکترون با فرکانس نور مرتبط است. برای مثال افزایش فرکانس پرتوی ورودی، افزایش ماکزیمم انرژی جنبشی محاسبه شده برای الکترون تحت عمل آزادسازی را نتیجه می‌دهد-پرتوی فرابنفش نیاز به پتانسیل قطع بیشتری نیاز دارد تا جریان را در مدار از کار بیندازد تا نور آبی. اما نتیجهٔ مشاهدات ون لنارد به خاطر سختی انجام آزمایش کیفی بود نه کمی زیرا آزمایش باید روی یک صفحه فلزی بسیار صیقلی انجام می‌شد تا اینکه نتایج قدری دقیق تر گردند، اما آن در چند دقیقه اکسید می‌شد حتی در خلاء جزئی که او ایجاد کرده بود. جریانی که توسط الکترون گسیل شده از سطح به دست می‌آمد نیز به شدت نور مربوط می‌شد. با دو برابر شدت تابش دو برابر الکترون گسیل می‌شد اما ون لنارد چیزی از فوتون نمی‌دانست.

اینشتین: نور کوانتومی

توصیفات ریاضی البرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ میلادی، از اینکه چگونه اثر فوتوالکتریک به‌وسیلهٔ جذب کوانتوم نور (چیزی که بعدها فوتون نام گرفت) پدید می‌آید، در مقاله‌ای با عنوان «دیدگاه ابتکاری در باب تولید و تبدیل نور» ارائه شد. این مقاله توصیف ساده‌ای را از کوانتوم نور یا همان فوتون بیان می‌کرد و نشان داد که چگونه این پدیده را به عنوان اثر فوتوالکتریک توصیف کنیم. توصیف سادهٔ او بر این حساب که جذب یک کوانتوم منفرد از نور بود، توانست خصوصیات این پدیده و فرکانس آستانه را توجیه کند. تفسیر انیشتین از پدیدهٔ فوتوالکتریک برای او جایزهٔ نوبل را در سال ۱۹۲۱ به ارمغان آورد.

ایدهٔ کوانتومی بودن نور با قوانین منتشر شدهٔ ماکس پلانک از تابش جسم سیاه آغاز شد («در باب قانون توزیع انرژی در یک طیف عادی»،annalen der physik ۴(۱۹۰۱)) که با درست فرض کردن اینکه نوسان‌های هرتز فقط می‌توانستند در انرژی E که با فرکانس f مرتبط است موجود باشند، توسط فرمولE = hf. با درست فرض کردن اینکه نور حقیقتاً از بسته‌های جدای انرژی تشکیل شده، انیشتین معادلات پدیدهٔ فوتوالکتریک را نوشت که با آزمایش‌ها مطابق بودند (معادلات توضیح می‌دادند که چرا انرژی یک الکترون فقط به فرکانس پرتوی ورودی مرتبط بود و نه به شدت تابش، یک منبع فرکانس پایین هیچ فوتونی با انرژی کافی از خود گسیل نمی‌کرد تا یک الکترون را از جای بکند). این یک گام نظری بزرگ بود و حقیقت کوانتومی نور بسیار مستحکم بوده و هست. ایدهٔ کوانتومی بودن نور با تئوری موجی نور که نظریه‌های ماکسول را دنبال می‌کرد در تضاد بود. نظریه‌های ماکسول که فرض بخش پذیری (قابلیت تقسیم شدن) بینهایت انرژی در یک سیستم فیزیکی را اثبات می‌کرد. حتی بعد از آزمایش‌های که نشان داد معادلات انیشتین برای پدیدهٔ فوتوالکتریک صحیح بودند، استحکام نظریهٔ کوانتومی بودن نور افزایش یافت، و این از وقتی بود که معادلات انیشتین معادلات ماکسول را نقض کرد، معادلاتی در آن هنگام دیگر به طور کامل درست فرض شده بود .
کارهای انیشتین پیش بینی کرد که انرژی یک الکترون جداشدهٔ منفرد با فرکانس پرتوی ورودی یک رابطهٔ خطی دارد، یعنی با افزایش یکی دیگری هم افزایش می‌یابد، شاید به طور شگفت آوری که تا آن هنگام هنوز تجربه نشده بود. در سال ۱۹۰۵ تمامی این مفاهیم درک شد اما نه از طریق آزمایش. تا اینکه در سال ۱۹۱۵ رابرت اندروو میلیکان نشان داد که انیشتین درست می‌گفت.

الکترون در سوال «ذره‌ای یا موجی؟

اثر فوتوالکتریک به پیش برد مفهوم طبیعت دوگانه نور، که نور امواج و ذرات را در شرایط متفاوت نشان می‌دهد، کمک بسزایی کرد. این پدیده از طریق توصیف کلاسیک نور به عنوان موج غیر قابل درک بود، زیرا که انرژی الکترون گسیل شده به شدت تابش بستگی نداشت. این تئوری کلاسیک پیش بینی کرده بود که الکترون می‌تواند در طول یک زمان مشخص انرژی دریافتی را انباشته کرده و بعد گسیل شود. برای اینطور تئوری‌های کلاسیک که در یک شرط پیش پرشده کار می‌کند لازم به سماجت روی خود ماده می‌باشد. ایدهٔ پیش پرشدگی در کتاب میلیکان (الکترون مثبت و منفی) و در کتاب کامپتون و آلیسون (پرتوی ایکس در تئوری و آزمایش) بحث شده‌است.

موارد استفاده فوتو دیودها و فوتو ترانزیستورها

سلول‌های خورشیدی که برای تولید انرژی خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند و دیودهای حساس به نور، هرکدام به نوعی از پدیدهٔ فوتوالکتریک استفاده می‌کنند، اما نه با الکترونی که از ماده جدا بشود. در نیم هادی‌ها، نور حتی با انرژی پایین، مانند انوار مرئی می‌توانند الکترون‌ها را از نوار ظرفیت جدا کرده و آنها را به نوار رسانش با انرژی بالاتر انتقال دهند، جایی آنها با تحت کنترل بودن می‌توانند در یک ولتاژ متناسب با گاف انرژی جریان الکتریکی نولید کنند.

سنسورهای تصویر

دوربین‌های تلویزیونی در اوایل دورهٔ ظهور تلویزیون از پدیدهٔ فوتوالکتریک استفاده می‌کردند. انواع دوربین‌ها از مواد هادی حساس به نور استفاده می‌کنند.

حساسه‌های سیلیکونی تصویر یا همان تراشه‌های CCD که به طور بسیار زیاد در دوربین‌های موبایل استفاده می‌شود بر پایه نوعی از اثر فوتوالکتریک طراحی شده که در آن فوتون، الکترون را از نوار ظرفیت خارج می‌کند که در داخل خود سیستم جای دارد و نه در خارج آن، یعنی هیچ الکترونی از سیستم خارج نمی‌گردد.

الکتروسکوپ برگه طلا

420px Gold leaf electroscope diagram.svg - اثر فوتوالکتریک
علم فیزیک – اثر فوتوالکتریک
 
الکتروسکوپ برگه طلا

این الکتروسکوپ برای تشخیص الکتریسیته ساکن طراحی شده، بار الکتریکی قرار داده شده روی کلاهک، روی میله و برگه پخش می‌شود، و چون هردو بارهای هم نام دارند، میله و برگه هر دو یکدیگر را می‌رانند. و این باعث دور شدن برگه از میله می‌شود. الکتروسکوپ یک وسیلهٔ مهم برای توجیه پدیدهٔ فوتوالکتریک می‌باشد. بیایید فرض کنیم که الکتروسکوپ با بار منفی بار دار شده‌است. و ما می‌توانیم بگوییم که یک به هم خوردگی تعادل بار روی میله موجود است (زیرا می‌دانیم که قبل از این میله خنثی بوده و جسم خنثی هم دارای تعادل بار مثبت و منفی می‌باشد و برای همین هم خنثی است). اما اگر ما نوری با فرکانس بالا روی کلاهک آن بتابانیم، بار منفی از بین می‌رود و برگه به سر جای خور بر می‌گردد و در کنار میله قرار می‌گیرد. و این بدان خاطر می‌باشد که فرکانس پرتو از فرکان آستانهٔ کلاهک بالاتر است و فوتونی که روی سطح فلز فرود می‌آید به اندازهٔ کافی انرژی دارد تا الکترون را از سطح کلاهک جدا کند و بار منفی آن را کاهش دهد. این می‌تواند الکتروسکوپ باردار منفی را بی بار کرده و آن را با بار مثبت شارژ کند. اما اگر پرتوی ورودی فرکانسی پایین‌تر از فرکانس آستانهٔ کلاهک داشته باشد، الکتروسکوپ هیچگاه بار منفی خود را از دست نمی‌دهد و مهم نیست که چه مقدار از زمان نور به کلاهک بتابد.

فضاپیماها

اثر فوتوالکتریک باعث بار دار شدن فضاپیمایی می‌شود که در فضا در معرض نور خورشید قرار دارد و این فضا پیما را با بار مثبت شارژ می‌کند. و این می‌تواند تا ده‌ها ولت انباشته شود. و می‌تواند یک مشکل بزرگ باشد زیرا که قسمت‌های دیگر فضاپیما که در سایه قرار دارد تا چند هزار ولت دارای پتانسیل الکتریکی می‌شود و همچنین دارای بار منفی است. و این برهم خوردگی توازن بار الکتریکی می‌تواند روی قطعات الکترونیکی فضا پیما تخلیه شود و آنها را از کار بیندازد. بار الکتریکی مثبت ساکن تولیدی توسط پدیدهٔ فوتوالکتریک دارای یک محدودیت است، زیرا یک جسم با بار الکتریکی بسیار زیاد الکترون‌ها را سخت تر از دست می‌دهد.

غبار ماه

نوری که از خورشید بر ماه می‌تابد، ذرات غبار سطح ماه را دارای بار الکتریکی می‌کند و ذرات غبار دارای بار حالا همدیگر را دفع می‌کنند و از سطح ماه بالا می‌روند. و این پدیده خود را همانند اتمسفری از غبار آشکار می‌سازد و به صورت لکه‌ای تاریک و یک تابش تاریک بعد از تابش نور خورشید به سطح ماه آشکار می‌شود و قابل دید است.
این پدیده اولین بار در خلال برنامهٔ نقشه برداری در دهه ۶۰ از سطح ماه عکس برداری شد. این گمان می‌رود که کوچکترین ذرهٔ غبار تا کیلومترها از سطح ماه بالا می‌رود و ان ذرات، زمانی که شارژ و دشارژ می‌شوند، روی آتشفشان‌ها حرکت می‌کنند.

ادوات دید در شب

در یک دوربین دید در شب فوتون‌ها به یک صفحهٔ گالیوم آرسنید برخورد می‌کنند و بر اساس پدیدهٔ فوتوالکتریک الکترون‌ها را مجبور به جداشدن از سطح فلز می‌کنند. و این الکترون‌ها بعد از انبوه سازی، به صوری آبشاری روی یک صفحه از فسفر می‌ریزند و آن را روشن می‌کنند.

نظریه

انیشتین در سال ۱۹۰۵ رابطهٔ زیر را پیشنهاد نمود که اکنون تایید شده‌است:

h\nu=W+K \!

که در آن

hثابت پلانک
\nuبسامد موج
Wتابع کار فلز
Kانرژی جنبشی الکترون

به طور خلاصه می‌توان گفت که اگر نوری از امواج الکترومغناطیسی بر سطحی (بویژه) فلزات بتابد از جسم مقداری الکترون خارج خواهد شد که مقدار الکترون‌ها به شدت نور تابیده شده و انرژی الکترون‌ها به طول موج (انرژی فوتونها) بستگی دارد و اگر انرژی فوتون از حد آستانه پایین‌تر بیاید دیگر الکترونی بیرون نخواهد رفت بررسی این مسئله با فیزیک کلاسیک غیرممکن است و به کمترین فرکانسی که اثر فیک روی می‌دهد (الکترون از سطح فلز جدا شود) را فرکانس قطع می‌گویند.

ولتاژ قطع

ولتازقطع ولتاژی است که اگر دو سر الکترود‌ها اعمال شود دیگر پدیده فوتو الکتریک به وجود نمی‌آید. از نظر عددی ولتاژ قطع برابر است با بیشینه انرژی الکترون های گسیل شده(برحسب الکترون ولت)است. یعنی زمانی که انرژی الکترون های گسیل شده ۱۰الکترون ولت باشد ولتاژ قطع۱۰ولت است.

ولتاژ قطع زمانی باعث توقف پدیده فوتو الکتریک می‌شود که نور تابشی به الکترود مثبت برخورد کند.

نتایج آزمایش بر روی اثر فوتوالکتریک

  1. برای یک فلز و فرکانس پرتوی ورودی، آهنگ افزایش تعداد فوتوالکترون‌های گسیل شده رابطهٔ مستقیم با شدت تابش پرتوی ورودی دارد.
  2. برای یک فلز، یک فرکانس مینیمم مشخصی از پرتوی ورودی وجود دارد که پایین‌تر از آن هیچ فوتوالکترونی گسیل نمی‌شود، که ما آن را فرکانس آستانه(فرکانس قطع) می‌نامیم.
  3. در فرکانس‌های بالاتر از فرکانس آستانه، ماکزیمم انرژی جنبشی هر فوتوالکترون گسیل شده به شدت تابش پرتوی ورودی وابسته نیست و البته به فرکانس پرتو بستگی دارد.
  4. شدت نور تاثیری بر ولتاژ قطع ندارد.(ولتاژ قطع توسط بسامد نور مشخص می‌شود.)
  5. فرکانس نور تاثیری بر بیشینه شرت جریان ندارد.(شدت نور تعیین کننده بیشینه شدت جریان است.)
  6. زمان تاخیر بین تابش پرتوی ورودی و گسیل فوتوالکترون خیلی کوچک است، کمتر از ۱۰^-۹ ثانیه.

تابش هاوکینگ

تابش هاوکینگ

تابش هاوکینگ یک پدیده ی نظری است که توسط استیون هاوکینگ بیان شده است.

تابش هاوکینگ چیست؟

با توجه به اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتوم، احتمال هر رویدای همیشه بزرگتر از صفر است. یکی از نتیج منطقی آن این است که ما بپذیریم خلاء “فضای تهی” واقعاً تهی نیست. و فضای تهی از ذرات مجازی انباشته شده است، از ذرات ماده و انرژی و نه کاملاً حقیقی. ذرات مجازی با این که حقیقی نستند، قوانین نشان می دهند که جهان در مقیاس کوانتومی چگونه رفتار می کند. برای مثال آنها برای توضیح کنش فوتون و الکترون لازم هستند.

تابش هاوکینگ
علم فیزیک – تابش هاوکینگ

اگر ما فضا را خلا فرض کنیم، راه درستی نرفته‌ایم. در اینجا می‌خواهیم علت آن را بیابیم. اصل عدم قطعیت به این معنی است که ما هیچ‌گاه نمی‌توانیم با دقت کامل، به طور همزمان، مکان و سرعت یک ذره را بداینم. معنای آن از این هم بیشتر است: ما هرگز نمی‌توانیم کمیت یک میدان (به عنوان مثال: میدان گرانشی یا میدان الکترومغناطیسی) و آهنگ تغییرات آنرا همزمان، با دقت کامل تعیین کنیم. هر قدر کمیت میدان را با دقت بیشتر بدانیم، دقت ما در دانستن آهنگ تغییرات آن کاهش خواهد یافت و بالعکس، همچون الاکلنگ. در نتیجه، شدت یک میدان هیچ وقت به صفر نمی‌رسد. صفر هم از نظر کمیت و هم از نظر آهنگ تغییرات میدان، اندازه‌گیری بسیار دقیقی خواهد بود که اصل عدم قطعیت، آن را مجاز نمی‌داند. نمی‌توان فضای خالی داشت، مگر اینکه تمام میدانها دقیقاً صفر باشند: اگر صفر نباشند، فضای خالی وجود ندارد.

تابش هاوکینگ
علم فیزیک – تابش هاوکینگ

به جای فضای خالی یا خلأ کامل که اغلب ما تصور می‌کنیم در فضا هست، مقدار حداقلی از عدم قطعیت، اندکی ابهام یا نامعلومی به صورتی داریم که نمی‌دانیم مقدار میدان در «فضای خالی» چیست. این افت و خیز در مقدار میدان، این لرزش اندک به سوی جوانب مثبت و منفی صفر را که هرگز صفر نمی‌شود، می‌توان به طریق زیر تصور کرد.

زوجهایی از ذرات ـ زوجهای فوتونها یا گراویتونها ـ مدام ظاهر می‌شوند. دو ذره به صورت یک جفت در می‌آیند و سپس از هم جدا می‌شوند. پس از فاصله زمانی بسیار کوتاه غیرقابل تصوری، آن دو ذره بار دیگر به هم می‌رسند، و یکدیگر را منهدم می‌کنند حیاتی کوتاه ولی پر ماجرا دارند. مکانیک کوانتومی به ما می‌گوید که این واقعه همیشه و همه جا در فضای «خلأ» روی می‌دهد.

ممکن است که اینها ذرات «واقعی» که بتوانیم وجود آنها را با یک آشکارساز ذرات، تشخیص دهیم نباشند، ولی نباید تصور کرد که آنها ذرات خیالی هستند. حتی اگر آنها فقط ذراتی «مجازی» باشند، می‌دانیم آثار آنها را روی ذرات دیگر تشخیص دهیم.

بعضی از این زوجها، زوجهای ذرات ماده یا فرمیونها هستند. در این حالت، یکی از ذرات زوج، پاد‌ذره دیگری است. «پاد ماده» را که در بازیهای خیالی و داستانهای علمی تخیلی با آن آشنا هستیم، صرفاً تخیلی نیست. می‌دانیم که مقدار کل انرژی در جهان، همیشه ثابت و بدون تغییر است. انرژی نمی‌تواند از جایی به طور ناگهانی به جهان وارد شود. چگونه ما می‌توانیم مسأله این زوج تازه به وجود آمده را با این اصل سازگار کنیم؟ این زوجها، با «وام گرفتن» انرژی، به طور بسیار موقتی به وجود آمده‌اند. آنها به هیچ‌وجه دایمی نیستند. یکی از ذرات این زوج انرژی مثبت و دیگری انرژی منفی دارد. تراز انرژی آنها برابر است. به مقدار انرژی که در جهان وجود دارد، چیزی اضافه نشده است.

استیون هاوکینگ استدلال کرد که زوج ذره‌های بسیاری به طور غیر منتظره، در افق رویداد یک سیاهچاله به وجود می‌ایند و از بین می‌روند. بنابر تصور او، ابتدا یک زوج از ذرات مجازی ظاهر می‌شود. قبل از آنکه این زوج به یکدیگر برسند و یکدیگر را منهدم کنند، ذره‌ای که انرژی منفی دارد از افق رویداد عبور کرده، وارد سیاهچاله می‌شود. آیا این بدان معنی است که ذره با انرژی مثبت باید همتای بدبخت خود را، با هدف برخورد و منهدم کردن دنبال کند؟ نه. میدان جاذبه در افق رویداد یک سیاهچاله به قدر کافی قوی است که با ذرات مجازی، حتی با ذرات بدبخت با انرژی منفی کار شگفت‌انگیزی می‌کند: میدان جاذبه می‌تواند آنها را از « مجازی» به « واقعی» تبدیل کند. این تبدیل، تغییر قابل ملاحظه‌ای در زوج به وجود می‌آورد. آنها دیگر مجبور نیستند با یکدیگر برخورد کرده و یکدیگر را منهدم کنند. آنها می‌توانند هر دو مدت بسیار طولانیتری، جدا از هم وجود داشته باشند. البته ذره با انرژی مثبت نیز می‌تواند در سیاهچاله بیفتد، ولی مجبور به چنین کاری نیست. او از مشارکت آزاد است، می‌تواند بگریزد. برای یک مشاهده کننده از دور، به نظر می‌آید که از سیاهچاله بیرون آمده است. در حقیقت این ذره، نه از بیرون،‌بلکه از نزدیک سیاهچاله می‌آید. در این ضمن همتای او انرژی منفی به سیاهچاله وارد کرده است. تابشی که به این ترتیب از سیاهچاله گسیل می‌شود، تابش هاوکینگ نامیده می‌شود. با تابش هاوکینگ، که دومین کشف مشهور او در زمینه سیاهچاله‌ها بود، استیون هاوکینگ نشان داد که اولین کشف مشهور او، قانون دوم دینامیک سیاهچاله (که مساحت افق رویداد هیچ‌گاه نمی‌تواند کاهش یابد)، همیشه استوار نیست. تابش هاوکینگ این معنی را می‌دهد که یک سیاهچاله می‌تواند کوچک شده و در نهایت کاملاً از بین برود، چیزی که یک مفهوم واقعاً اساسی است.

چگونه تابش هاوکینگ یک سیاهچاله را کوچکتر می‌کند؟ سیاهچاله، به تدریج که ذره‌های مجازی را به واقعی تبدیل می‌کند انرژی از دست می‌دهد. اگر هیچ چیز نمی‌تواند از افق رویداد بگریزد، چه‌طور ممکن است چنین چیزی روی بدهد؟ چه‌طور سیاهچاله می‌تواند چیزی از دست بدهد؟ به این سؤال می‌توان پاسخ زیرکانه‌ای داد: زمانی که ذره‌ای با انرژی منفی این انرژی منفی را با خود به سیاهچاله می‌برد، انرژی سیاهچاله را کمتر می‌کند. یعنی منفی « منها» است که مترادف کمتر است.

بدینسان، تابش هاوکینگ از سیاهچاله انرژی می‌رباید. انرژی کمتر، کاهش جرم را به دنبال دارد. معادله اینشتین E = mc2 را به خاطر بیاوریم. در این رابطه، E انرژی، m جرم و c سرعت نور است. هنگامی که انرژی (در یک سوی این رابطه) کاهش می‌یابد (که در مورد سیاهچاله‌ها این‌طور است)، یکی از کمیتهای طرف دیگر باید کمتر شود. چون سرعت نور ثابت است، جرم باید کاهش پیدا کند. بنابر این موقعی که ما می‌گوییم انرژی از سیاهچاله ربوده شده است، مثل این است که جرم از آن ربوده شده است.

به‌خاطر داشته باشیم و به یاد آوریم که نیوتن درباره گرانی چه چیزی به ما آموخت: هر تغییر در جرم جسم، مقدار کشش گرانشی آن را که بر جسم دیگر اعمال می‌کند، تغییر می‌دهد. اگر جرم زمین کمتر شود (جرمش کمتر شود نه آنکه کوچکتر شود) کشش گرانش آن در مدار حرکت ماه کاهش می‌یابد. اگر سیاهچاله جرم از دست بدهد، کشش گرانشی آن در جایی که افق رویداد (شعاع بدون بازگشت) وجود دارد، کاهش می‌یابد. سرعت گریز در این شعاع کمتر از سرعت نور می‌شود. در این حال شعاع افق رویداد کوچکتر از شعاعی می‌شود که در آن سرعت گریز برابر با سرعت نور بوده است. در نتیجه افق رویداد منقبض شده است. این، تنها راه توجیه کوچکتر شدن سیاهچاله است.

اگر تابش هاوکینگ از یک سیاهچاله بزرگ را که در نتیجه رُمبش یک ستاره به وجود آمده است اندازه‌گیری کنیم، ناامید خواهیم شد. دمای سطح سیاهچاله‌ای به این بزرگی، کمتر از یک میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق خواهد بود. هر قدر سیاهچاله بزرگتر باشد، دمای آن کمتر است. استیون هاوکینگ می‌گوید، «سیاهچاله‌ای با جرم ده برابر خورشید، ممکن است چند هزار فوتون در ثانیه گسیل دارد، ولی این فوتونها طول موجی به اندازه سیاهچاله خوهاند داشت و انرژی آنها آنقدر کم خواهد بود که آشکارسازی آنها ممکن نیست». مطلب را می‌توان این‌طور بیان کرد: هرقدر جرم زیادتر باشد، سطح افق رویداد بزرگتر، هرچه سطح افق رویداد بزرگتر باشد، آنتروپی بیشتر است. هرچه آنتروپی بیشتر باشد دمای سطح و آهنگ گسیل کمتر است.

با این حال، هاوکینگ، خیلی زود، در سال ۱۹۷۱ نظر داد که نوع دیگری از سیاهچاله وجود دارد: سیاهچاله‌های خیلی ریز که جالبترین آنها به انداز هسته اتم است. این سیاهچاله‌ها به‌طور قطع منفجر می‌شوند و تابش می‌کنند. به یاد داشته باشیم که هر قدر سیاهچاله کوچکتر باشد، دمای سطح آن بیشتر است. هاوکینگ در مورد این سیاهچاله‌های بسیار ریز می‌گوید: « این سیاهچاله‌ها را به زحمت می‌توان سیاه نامید: آنها در حقیقت داغ و سفیدند.

نمایشگر ویدیو

Error loading this resource
۰۰:۰۰
۰۰:۰۰

در مکانیک کلاسیک سیاه چاله ها سیاه هستند اما در مکانیک کوانتومی سیاه چاله ها تابش می کنند و این چیزی است که نخستین بار هاوکینگ مطرح کرد:

Classically, black holes are black.

Quantum mechanically, black holes radiate, with a radiation known as Hawking radiation, after the British physicist Stephen Hawking who first proposed it.

تابش هاوکینگ یک تابش جسم سیاه است که تابع درجه حرارت آن است که از رابطه زیر تبعیت می کند:

Hawking radiation has a blackbody (Planck) spectrum with a temperature T given by

kT = hbar g / (2 pi c) = hbar c / (4 pi rs)

where k is Boltzmann’s constant, hbar = h / (2 pi) is Planck’s constant divided by 2 pi, and g = G M / rs2 is the surface gravity at the horizon, the Schwarzschild radius rs, of the black hole of mass M. Numerically, the Hawking temperature is T = 4 ?nbsp;10-20 g Kelvin if the gravitational acceleration g is measured in Earth gravities (gees).

The Hawking luminosity L of the black hole is given by the usual Stefan-Boltzmann blackbody formula

L = A sigma T^4

where A = 4 pi rs2 is the surface area of the black hole, and sigma = pi2 k4 / (60 c2 hbar3) is the Stefan-Boltzmann constant. If the Hawking temperature exceeds the rest mass energy of a particle type, then the black hole radiates particles and antiparticles of that type, in addition to photons, and the Hawking luminosity of the black hole rises to

L = A (neff / 2) sigma T^4

where neff is the effective number of relativistic particle types, including the two helicity types (polarizations) of the photon.

– See more at: http://www.hupaa.com/20000000000002538/%D8%AA%D8%A7%D8%A8%D8%B4-%D9%87%D8%A7%D9%88%DA%A9%DB%8C%D9%86%DA%AF#sthash.pzf6Ms4S.dpuf

تابش هاوکینگ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

کشف پدیده جدید در هسته‌ اتم‌های تحت ‌فشار ‌

کشف پدیده جدید در هسته‌ اتم‌های تحت ‌فشار ‌

دانشمندان سال‌ها معتقد بودند که الکترون‌های بخش‌های خارجی اتم‌ها همواره با سرعت بسیار بالا در گردش‌ هبوده و رفتاری آشفته دارند، اما الکترون‌های نزدیک به هسته اتم همیشه در وضعیت پایداری قرار دارند.

1441097541952_0.jpg

به گزارش سرویس علمی ایسنا منطقه خراسان، تیمی بین‌المللی از دانشمندان در بررسی‌های جدید خود دریافتند که با افزایش فشار بر روی هسته عناصر تا دو برابر فشار مرکز زمین، الکترون‌های درونی‌تر اتم واکنش‌های جدیدی را از خود نشان خواهند داد.

دانشمندان برای اثبات نظریه تغییر رفتار الکترون‌های تحت فشار بسیار بالا اقدام به انجام آزمایش بر روی عنصر اوسمیم کردند. شایان ذکر است این عنصر متراکم‌ترین ساختار شناخته شده بر روی زمین بوده و تقریبا به اندازه الماس تراکم‌ناپذیر است.

دانشمندان به منظور مشاهده تغییر رفتار عنصر اوسمیم، آن را تحت فشار دو برابری مرکز زمین یا معادل ۷٫۷ میلیون بار بیشتر از فشار هوا در سطح دریا قرار دادند.

دانشمندان این آزمایش را به کمک دستگاهی با نام diamond anvil cell انجام دادند. به کمک این دستگاه می‌توان اجسام کوچکتر از یک میلیمتر را تا فشار مورد نیاز جهت تولید الماس تحت فشار قرار داد.

محققان دانشگاه بارویت آلمان الماس‌های مصنوعی را تولید کردند که بین دو الماس معمولی و در هر سمت بلور اوسمیوم قابل استفاده بودند. این الماس‌های مصنوعی توانستند محلی را که اوسمیوم در آن جای می‌گرفت را کاهش داده و در نتیجه، فشار را تا حد بیشتری افزایش دهند.

در مشاهدات انجام شده مشخص شد که ساختار شش ضلعی اوسمیم تحت تاثیر فشار تغییر وضعیت نداده، اما الکترون‌های نزدیک به هسته و الکترون‌های بیرونی اتم موسوم به بنیان ترکیب اتمی، رفتار غیر منتظره‌ای از خود نشان دادند.

دانشمندان با بررسی رفتار الکترون‌های نزدیک به هسته اتم دریافتند که این الکترون‌ها تحت فشار بسیار بالا با سایر الکترون‌ها فعل و انفعال انجام می‌دهند. به عبارت دیگر فشار بسیار زیاد باعت تغییر در عملکرد الکترون‌های نزدیک به هسته اتم می‌شود.

پروفسور ایگور ابرکوسیو، محقق اصلی این پروژه اظهار کرد: این پدیده غیرمنتظره نشان داد که ما می‌توانیم در مورد حالت جدید عناصر تحت فشار تحقیقات خود را آغاز کنیم. همچنین طبق یافته‌های این مطالعه سوالات بیشماری در دنیای ناشناخته زیراتمی به وجود آمده است.

این یافته‌ها در مجله نیچر منتشر شده است.

ماده تاریک شبیه ذرات زیراتمی است؟

ماده تاریک شبیه ذرات زیراتمی است؟

یک گروه بین‌المللی از دانشمندان، نظریه جدیدی را ارائه داده‌اند که مدعی است ماده تاریک مانند ذرات زیراتمی عمل می‌کند.

1437656729239_3.jpg

به گزارش سرویس علمی ایسنا، ماده تاریک چیزی است که کهکشان‌ها، ستارگان، منظومه شمسی و بدن انسان را دست نخورده نگه می‌دارد.

اگرچه هنوز هیچکس موفق به مشاهده آن نشده و اغلب به عنوان یک شکل جدید و عجیب از ماده، مانند ذره‌ای که در ابعاد اضافی فضا حرکت کرده یا نسخه کوانتومی آن یعنی ابرتقارن از آن یاد می‌شود.

محققان اکنون نظریه جدیدی را مطرح کرده‌اند که بر اساس آن، ماده تاریک بسیار شبیه پیون‌ها است. پیون‌ها مسئول اتصال هسته اتم به یکدیگر هستند.

هیتوشی موریاما از دانشگاه توکیو اظهار کرد که آن‌ها اینگونه ذرات را پیش از این مشاهده کرده بودند و این که آن‌ها از خواص مشابهی مانند جرم مشابه و تعاملات مشابه برخوردارند.

نظریه جدید پیش‌بینی می‌کند که ماده تاریک به احتمال زیاد درون کهکشان‌ها یا خوشه‌های کهکشانی با خود تعامل کرده و احتمالا توزیعهای جرم پیش‌بینی شده را اصلاح می‌کند.

به گفته اریک کوفلیک، محقق دانشگاه کرنل، این نظریه می‌تواند اختلافات زیاد میان داده‌ها و شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای را حل و فصل کند.

گام بعدی می‌تواند به آزمایش گذاشتن این نظریه با استفاده از تجربیاتی مانند برخورددهنده بزرگ هادرونی و ابزار جدید SuperKEK-B باشد.

جزئیات بیشتر در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.

مفاهیم بنیادی فضا و زمان

مفاهیم بنیادی فضا و زمان

مقدمه

بررسی و شناخت پدیده های فیزیکی و روابط بین آنها بدون توجه به مفاهیم و درک شهودی از فضا و زمان جندان مانوس به نظر نمی رسد. مفهوم و درک فضا و زمان نیز مانند سایر کمیت های فیزیکی روندی پویا دارد و در طول تاریخ دستخوش تغییرات زایدی شده است. بویژه بعد از نسبیت مفاهیم فضا و زمان و درک بشر از آنها دچار تغییر زیادی شده است. البته در اینجا نمی خواهیم مسئله ی فضا-زمان را مورد بررسی قرار دهیم، تنها هدفمان از ارائه ی این فصل این است که زمینه ی آشنایی با نگرش فلسفی و علمی نسبت به فضا و زمان فراهم گردد تا بعد ازبیان نسبیت فضا-زمان مورد بررسی قرار گیرد. همجنین این مطالب قبل از قوانین نیوتن آورده شده است تا زمینه ی مطرح شدن دیدگاه منطقی نیوتن نسبت به فضا و زمان مطلق فراهم گردد.

فضا چیست؟

فضا (Space) واژه‌ای است که در زمینه‌های متعدد و رشته‌های گوناگون از قبیل فلسفه، جامعه‌شناسی، معماری و شهرسازی بطور وسیع استفاده می‌شود. لیکن تکثّر کاربرد واژه فضا به معنی برداشت یکسان از این مفهوم در تمام زمینه‌های فوق نیست، بلکه تعریف فضا از دیدگاه‌های مختلف قابل بررسی است. مطالعات نشان می‌دهد با وجود درک مشترکی که به نظر می‌رسد از این واژه وجود دارد، تقریباً توافق مطلقی در مورد تعریف فضا در مباحث علمی به چشم نمی‌خورد و این واژه از تعدد معنایی نسبتاً بالایی برخوردار است و تعریف مشخص و جامعی وجود ندارد که دربرگیرنده تمامی جنبه‌های این مفهوم باشد. از این رو در این یادداشت به ذکر برخی کلیات در مورد مفهوم فضا بسنده می کنیم ‎.

فضا یک مقوله بسیار عام است. فضا تمام جهان هستی را پر می‌کند و ما را در تمام طول زندگی احاطه کرده‌ است. فضا به محیط زیست اطراف ما احساس راحتی و امنیت می‌بخشد که اهمیت آن در یک زندگی لذت بخش ‎از نور آفتاب و محلی برای آرامش کمتر نیست.

هرکاری که انسان انجام می‌دهد، دارای یک جنبه فضایی نیز است، به عبارتی هر عملی که انجام می‌شود، احتیاج به فضا دارد. دلبستگی بشر به فضا از ریشه‌های عمیقی برخوردار است. این دلبستگی از نیاز انسان به ایجاد ارتباط با سایر انسانها که از طریق زبان ‎های گوناگون صورت می‌پذیرد، سرچشمه می‌گیرد. همچنین بشر خود را با استفاده از فیزیولوژی و تکنولوژی، با اشیاء فیزیکی وفق می‌دهد و از این طریق یک رابطه و تعادل پویا بین انسان و محیط (اشیاء)، علاوه بر ارتباط میان انسانها، بوجود می‌آید. این اشیاء بر‌ اساس یک سری روابط خاص به درونی و بیرونی، دور و نزدیک، منفرد و متحد، پیوسته و گسسته تقسیم شده‌اند. برای اینکه بشر بتواند به تصورات و ذهنیات خود عینیت بخشد، بایستی که این روابط را درک کند و آنها را در قالب یک مفهوم فضایی هماهنگ نماید. لذا فضا بیانگر نوع ویژه‌‌ای از ایجاد ارتباط نیست، بلکه صورتی است جامع و دربرگیرنده هر نوع ایجاد ارتباط، چه میان انسانها و چه میان انسان و محیط.

فضا ماهیتی جیوه مانند دارد که چون نهری سیال، تسخیر و تعریف آن را مشکل می‌نماید. اگر قفس آن به اندازه کافی محکم نباشد، براحتی به بیرون رسوخ می‎ کند و ناپدید می‌شود. فضا می‌تواند چنان نازک و وسیع به نظر آید که احساس وجود بعد از بین برود (برای مثال در دشتهای وسیع، فضا کاملاً بدون بعد به نظر می‌رسد) و یا چنان مملو از وجود سه بعدی باشد که به هر چیزی در حیطه خود مفهومی خاص بخشد.

با اینکه تعریف دقیق و مشخص فضا دشوار و حتی ناممکن است، ولی فضا قابل اندازه‌گیری است. مثلاً می‌گوییم هنوز فضای کافی موجود است یا این فضا پر است. نزدیکترین تعریف این است که فضا را خلائی در نظر بگیریم که می‌تواند شیء را در خود جای دهد و یا از چیزی آکنده شود.

نکته دیگری که در مورد تعریف فضا باید خاطرنشان کرد، این است که همواره بر اساس یک نسبت که چیزی از پیش تعیین شده و ثابت نیست، ارتباطی میان ناظر و فضا وجود دارد. بطوری‌که موقعیت مکانی شخص، فضا را تعریف می‌کند و فضا بنا به نقطه دید وی به صورت‌های مختلف قابل ادراک می‌باشد.

سیر تحول تاریخی مفهوم فضا

فضا مفهومی است که از دیرباز توسط بسیاری از اندیشمندان مورد توجه قرار گرفته و در دوره.

‎های مختلف تاریخی بر اساس رویکردهای اجتماعی و فرهنگی رایج، به شیوه ‎های گوناگون تعریف شده است.

مصری‌ها و هندی‌ها با اینکه نظرات متفاوتی در مورد فضا داشتند اما در این اعتقاد اشتراک داشتند که هیچ مرز مشخصی بین فضای درونی تصور (واقعیت ذهنی) با فضای برونی (واقعیت عینی) وجود ندارد. در واقع فضای درونی و ذهنی رویاها، اساطیر و افسانه‌ها با دنیای واقعی روزمره ترکیب شده بود. آنچه بیش از هر چیز در فضای اساطیری توجه را به خود معطوف می‌کند، جنبه ساختی و نظام یافته فضاست، ولی این فضای نظام یافته مربوط به نوعی صورت اساطیری است که برخاسته از تخیل آفریننده‌ می‌باشد.

در زبان یونانیان باستان، واژه‌ای برای فضا وجود نداشت. آنها بجای فضا از لفظ مابین استفاده می‌کردند. فیلسوفان یونان فضا را شیء بازتاب می‌خواندند. پارمیندز (Parmenides) وقتی که دریافت، فضای به این صورت را نمی‌توان تصور کرد، آن را بدین دلیل که وجود خارجی ندارد، به عنوان حالتی ناپایدار معرفی کرد. لوسیپوس (Leucippos) نیز فضا را اگرچه از نظر جسمانی وجود خارجی ندارد، لیکن حقیقی تلقی نمود.

افلاطون مسئله را بیشتر از دیدگاه تیمائوس (Timaeus) بررسی کرد و از هندسه به عنوان علم الفضاء برداشت نمود، ولی آن را به ارسطو واگذاشت تا تئوری فضا (توپوز) را کامل کند.

از نظر ارسطو فضا مجموعه‌ای از مکان‌هاست. او فضا را به عنوان ظرف تمام اشیاء توصیف می‌نماید. ارسطو فضا را با ظرف قیاس می‌کند و آن را جایی خالی می‌داند که بایستی پیرامون آن بسته باشد تا بتواند وجود داشته باشد و در نتیجه برای آن نهایتی وجود دارد. در حقیقت برای ارسطو فضا محتوای یک ظرف بود.

لوکریتوس (Lucretius) نیز با اتکاء به نظریات ارسطو، از فضا با عنوان خلاء یاد نمود. او می‌گوید: همه کائنات بر دو چیز مبتنی است: اجرام و خلاء، که این اجرام در خلاء مکانی مخصوص به خود را دارا بوده و در آن در حرکت‌اند.

بعدها تئوری‌‎های مربوط به فضا بر اساس هندسه اقلیدسی بیان می‌شد، بطوری‌که مشخصه تفکر یونانیان در مورد فضا در تفکرات اقلیدس یا هندسه اقلیدسی قابل مشاهده است. اقلیدس با جمع آوری کلیه قضایای مربوط به هندسه در میان مصری‌ها، بابلی‌ها و هندوها علم جدید هندسه را پایه‌گذاری نمود که سیستمی مبتنی بر انتزاع ذهنی بود. فضای اقلیدسی فضایی یکسان، همگن و پیوسته بود که در آن هیچ چاله، برآمدگی یا انحنایی وجود نداشت. فضای اقلیدسی، فضایی قابل اندازه‌گیری بود.

با توجه به آنچه گفته شد، در یونان و بطور کلی در عهد باستان دو نوع تعریف برای فضا مبتنی بر دو گرایش فکری قابل بررسی است:

تعریف افلاطونی که فضا را همانند یک هستی ثابت و از بین نرفتنی می‌بیند که هرچه بوجود آید، داخل این فضا جای دارد.

تعریف ارسطویی که فضا را به عنوان Topos یا مکان بیان می‌کند و آن را جزئی از فضای کلی‌تر می‌داند که محدوده آن با محدوده حجمی که آن را در خود جای داده است، تطابق دارد.

تعریف افلاطون موفقیت بیشتری از تعریف ارسطو در طول تاریخ پیدا کرد و در دوره رنسانس با تعاریف نیوتن تکمیل شد و به مفهوم فضای سه‌بعدی و مطلق و متشکل از زمان و کالبدهایی که آن را پر می‌کنند، درآمد جیوردانو برونو (Giordano Bruno) در قرن شانزدهم با استناد به نظریه کپرنیک، نظریه‌هایی در مقابل نظریه ارسطو عنوان کرد. به عقیده او فضا از طریق آنچه در آن قرار دارد (جداره ها)، درک می‌‎شود و به فضای پیرامون یا فضای مابین تبدیل می‌گردد. فضا مجموعه‌ای است از روابط میان اشیاء و ـ آن ‎گونه که ارسطو بیان داشته است ـ حتماً نمی ‎بایست که از همه سمت محصور و همواره نهایتی داشته باشد.

در اواخر قرون وسطی و رنسانس، مجدداً مفهوم فضا بر اساس اصول اقلیدسی شکل گرفت. در عالم هنر، جیوتو نقش مهمی را در تحول مفهوم فضا ایفا کرد، بطوری‌که او با کاربرد پرسپکتیو بر مبنای فضای اقلیدسی، شیوه جدیدی برای سازمان ‎دهی و ارائه فضا ایجاد کرد.

با ظهور دوره رنسانس، فضای سه‌بعدی به عنوان تابعی از پرسپکتیو خطی معرفی گردید که باعث تقویت برخی از مفاهیم فضایی قرون وسطی و حذف برخی دیگر شد. پیروزی این شکل جدید از بیان فضا باعث توجه به وجود اختلاف بین جهان بصری و میدان بصری و بدین ترتیب تمایز بین آنچه بشر از وجود آن آگاه است و آنچه می‌بیند، شد.

در قرون هفدهم و هجدهم، تجربه‌گرایی باروک و رنسانس، مفهوم پویاتری از فضا را بوجود آورد که بسیار پیچیده‌تر و سازماندهی آن مشکل‌تر بود. بعد از رنسانس به تدریج مفاهیم متافیزیکی فضا از مفاهیم مکانی و فیزیکی آن جدا و بیشتر به جنبه‌های متافیزیکی آن توجه شد، ولی برعکس در زمینه‌های علمی، مفهوم مکانی فضا پررنگ‌تر گشت.

دکارت از تأثیرگذارترین اندیشمندان قرن هفدهم، در حدفاصل بین دوران شکوفایی کلیسا از یک‌سو و اعتلای فلسفه اروپا از سویی دیگر، می‌باشد. در نظریات او بر خصوصیت متافیزیکی فضا تأکید شده‌است، ولی در عین حال او با تأکید بر فیزیک و مکانیک، اصل سیستم مختصات راست‌گوشه (دکارتی) را برای قابل شناسایی کردن فاصله‌ها بکار برد که نمودی از فرضیه مهم اقلیدس درباره فضا بود. در روش دکارتی همه سطوح از ارزش یکسانی برخوردارند و اشکال به عنوان قسمت‎هایی از فضای نامتناهی مطرح می‌شوند. تا پیش از دکارت، فضا تنها اهمیت و بعد کیفی داشت و مکان اجسام به کمک اعداد بیان نمی‌شد. نقش عمده او دادن بعد کمی به فضا و مکان بود.

لایب‌نیتز از طرفداران نظریه فضای نسبی بود و اعتقاد داشت، فضا صرفاً نوعی سیستم است که از روابط میان چیزهای بدون حجم و ذهنی تشکیل می‌شود. او فضا را به عنوان نظام اشیای همزیست یا نظام وجود برای تمام اشیایی که همزمان‌اند، می‌دید.

بر خلاف لایب ‎نیتز، نیوتن به فضایی متشکل از نقاط و زمانی متشکل از لحظات باور داشت که وجود این فضا و زمان مستقل از اجسام و حوادثی بود که در آنها قرار می‌گرفتند. در اصل، او قائل به مطلق بودن فضا و زمان (نظریه فضای مطلق) بود. به عقیده نیوتن فضا و زمان اشیایی واقعی و ظرف ‎هایی به گسترش نامتناهی هستند. درون آنها کل توالی رویدادهای طبیعی در جهان، جایگاهی تعریف شده می‌یابند. بدین ترتیب حرکت یا سکون اشیاء در واقع به وقوع می‌پیوندد و به رابطه آنها با تغییرات دیگر اجسام مربوط نمی‌شود.

۱۸۰۰ سال بعد از ارسطو، کانت فضا را به عنوان جنبه‌ای از درک انسانی و متمایز و مستقل از ماده، مورد توجه قرار داد. او جنبه‌های مطلق فضا و زمان در نظریه نیوتن را از مرحله دنیای خارجی تا ذهن انسان گسترش داد و نظریات فلسفی خود را بر اساس آنها پایه‌گذاری کرد. به عقیده کانت، فضا و زمان مسائل مفهومی و شهودی هستند که دقیقاً در ذهن انسان و در ساختار فکری او جای دارند و از ارگان ‎های ادراک محسوب می‌شوند و نمی‌توانند قائم به ذات باشند. فضا مفهومی تجربی و حاصل تجارب بدست آمده در دنیای بیرونی نیست. می‌توانیم صرفاً فضا را از دیدگاه انسان تعریف کنیم. فرای وضعیت ذهنی ما، بازنمودهای فضا به هر شکلی که باشد، معنایی ندارد، چون که نه نشانگر هیچ یک از ویژگی‌ها و مقادیر فضاست و نه نشانی از آنها در رابطه‌شان با یکدیگر. بدین ترتیب و با این دیدگاه آن چه ما اشیای خارجی می‌نامیم، هیچ چیز دیگری جز نمودهای صرف احساس‌های ما نیستند که شکل‌شان فضاست.

در پایان این یادداشت بهتر است به دیدگاه سه تن از فلاسفه معاصر درباره فضا اشاره گردد. هگل به حقیقت فضا و زمان معتقد نبود. در نظر او زمان صرفاً توهمی است که ناشی از عدم توانایی ما در دیدن کل است. در فلسفه برگسون نیز فضا به عنوان مشخصه ماده از قطع جریانی برمی‌خیزد که حقیقت است. برعکس زمان خصوصیت اساسی زندگی یا ذهن است. به عقیده او زمان، زمان ریاضی نیست، بلکه تجمع همگن لحظات است و زمان ریاضی در واقع شکلی از فضاست.

هایدگر یکی دیگر از فیلسوفان معاصر در تبیین واژه فضا (Raum,Rwm) بر این عقیده است که فضا به معنی جایی است که برای جای‌گیری آماده باشد. فضا به چیزی که یک محدوده و افق رهاست، جا می‌دهد. این تعریف از فضا، می‌تواند تا حدودی با مفهوم مادی فضا، فضایی و جایی که هنوز توسط اشیاء فضایی و مکانی صورت تحقق نیافته است، منطبق باشد. با این حال هایدگر این جا بین بعد مادی فضا و بعد صوری فضا تمییز خلط می‌کند. او می‌گوید که فضا در ذات خود همان است که جا از برای آن (for which) ساخته شده است. این تعریف از فضا مستلزم تصوری از فضا است که صورت فضا پیش از این که تحقق یابد، وجود داشته است که برای آن جا ساخته شود. این تصویر از فضا صرفاً آن را انتزاعی می‌سازد. زیرا برای آن که برای فضا پیش از تحقق صوری آنجا بوجود آید، باید آن را صرفاً در ذهن انتزاع کرد.

 

درباره ی زمان

پیش درآمد

زمان، مفهومی چنان آشنا، ملموس، بدیهی، پیش پا افتاده، و عمیق است که نوشتن درباره اش جسارت زیادی را می طلبد. فهم مفهوم زمان، و نقد کردنِ برداشت رایج از این مفهوم، اگر به قدر کافی تداوم یابد، به تلاش برای دستیابی به نگاهی تازه و رویکردی کارآمدتر درباره ی مفاهیمی کلیدی مانند مکان، تغییر، و رخداد منتهی می شود. زمان، مفهومی چنان حاضر و نافذ است که هر پیشنهاد جدیدی برای جور دیگر دیدنِ آن به راهبردهایی رفتاری برای دگرگونی در کردار هم می انجامد. این پیشنهادهای نظری، و آن توصیه های عملیاتی، به طور خاص مهمترین جنبه هایی هستند که به چالش طلبیدن مفهوم زمان را چنین ترسناک می نمایند امیدوارم که این نوشتار، متنی جسورانه باشد که دستیابی به درکی انتقادی از مفهوم زمان را ممکن سازد، و این کار را تا مرزهای استنتاج راهبردهایی رفتاری برای “جور دیگر جریان یافتنِ زمان” دنبال کند. دقت و صحت آن دیدگاه و کارآیی این رهنمودِ رفتاری، تنها زمانی به درستی آشکار می شوند که با محک نقد آشنا شوند. زمانی ریموند ویلیامز رویکردهای اندیشمندان به زمان را در سه رده جای داده بود (سویا، ۱۳۷۸:۱۷۲-۱۹۰ ). از دید او سه نوع برداشت از زمان قابل تصور است.

نخست: برداشت بی طرف که به زمان به عنوان متغیری خنثا و فرعی برای توضیح چیزهایی دیگر نگاه می کند. چنین برداشتی به مدلهای مکانیکی و علمی از زمانِ انتزاعی و ریاضیگونه منتهی می شود. مدلی که نیوتون نخستین بنیانگذار آن محسوب می شود. نگرش بی طرفانه با رویکردی جبرانگارانه از زمان به عنوان توجیهی برای تحلیل علی رخدادها استفاده می کند.

دوم: رویکرد تبارشناسانه، که گویا برای نخستین بار توسط نیچه مورد استفاده واقع شده باشد. این رویکرد، از زمان به عنوان بستری برای توضیح آن که چرا رخدادهایی خاصی به شکلی ویژه رخ دادند، استفاده می کند. این زمان، بر خلاف مفهوم انتزاعی پیش گفته، پویا و سیال است و بسته به ماهیت رخداد و موضوع مورد پژوهش، انعطاف زیادی را از خود نشان می دهد.

سوم: رویکرد خصمانه یا انتقادی: که بر مبنای حمله بر دو نگرش پیش گفته استوار است و هدفش ویران کردن مبانی نظری برداشتی از زمان است که بدیهی پنداشته می شود. این رویکرد به نگرشهای تاریخ مدار و زمان گرا با دیدی انتقادی نگاه می کند و در صحت قوانین تاریخی شک می کند.

امیدوارم که متن کنونی در رده ی سوم بگنجد. رهیافت من در این متن چنین خواهد بود.

نخست، بحث را با آنچه که در مورد زمان می دانیم آغاز می کنم. این دانستن، به شواهدی “سخت” باز می گردد که از مجرای علوم تجربی استخراج شده و تصویری به نسبت دقیق از مفهوم زمان را به دست می دهد. تصویری که با وجود نقطه اتکای مستحکمش در علوم تجربی، معمولا مورد غفلت واقع می شود.

سپس، بر مبنای چارچوب نظری مورد علاقه ام -نظریه ی سیستم های پیچیده- مفهوم زمان را بازسازی می کنم و تفسیری از چگونگی ظهور آن در سیستمها به دست می دهم. پس از آن به بحث اصلی خویش می پردازم. بحثی که بر دلایل مسخ شدگی و دگردیسی مفهوم زمان در سطوح جامعه شناختی و روانشناختی تمرکز دارد. در همین بخش بسیاری از پیش فرضهای مرسوم درباره ی زمان را به چالش خواهم کشید و راهبردهایی را برای رویارویی با زمان به شکلی نو پیشنهاد خواهم کرد.

زمان فیزیکی

در فیزیک، زمان با دو روش متفاوت تعریف می شود:

الف) روش ترمودینامیکی: این روش را برای نخستین بار فیزیکدانانی مانند کلوین و سلسیوس که به مفهوم دما و تبادلات گرمایی علاقمند بودند، بنیان نهادند. اما شکل پخته و امروزین آن را در آثار اندیشمندانی مانند بولتزمان می بینیم.

تعریف ترمودینامیکی زمان، بر الگوهایی از رفتار مبتنی است که در سیستمهای ساده دیده می شود. بخش مهمی از سیستمهایی که در پیرامون ما وجود دارند، نظامهایی ساده هستند که از شمار زیادی از عناصر به نسبت ساده تشکیل یافته اند. عناصری که رفتارشان تقریبا تصادفی به نظر می رسد، اما برآیند رفتارهای سطح خردشان بر مبنای قواعدی کلان پیش بینی پذیر است. بررسی تحولات انرژیایی این سیستمها، ستون فقرات علم ترمودینامیک را تشکیل می دهد. کل ساختمانِ علم ترمودینامیک، بنایی است که بر پایه ی چند شاه ستونِ اصلی تکیه کرده است. این ستونها، قوانین ترمودینامیک خوانده می شوند. قوانین یاد شده، از نظر منطقی بسیار ساده و بدیهی می نمایند. مثلا قانون صفرم ترمودینامیک چنین می گوید که اگر دو سیستمِ آ و ب از نظر حرارتی با هم در تعادل باشند، و دو سیستم ب و پ هم چنین وضعیتی داشته باشند، آنگاه دو سیستم آ و پ هم با هم در تعادل گرمایی خواهند بود. چنان که می بینید، این در واقع بیانی حرارتی از اصل منطقی این همانی است.

دومین قانون ترمودینامیک، چنین می گوید که سیستمهای باز به مرور زمان به سوی بی نظمی (آنتروپی) میل می کنند. این بدان معناست که متغیری ثابت و عام به نام زمان بر رفتار چنین سیستمهایی حاکم است. با یک مثال ساده می توان رابطه ی زمان و آنتروپی را نشان داد فرض کنید در یک اتاق، شیشه ای عطر داشته باشیم و درِ آن را گشوده باشیم. در چنین وضعیتی تراکم مولکولهای عطر در یک نقطه ی خاص از اتاق -درون شیشه- نشانگر وجود شکلی از نظم است. اتاقی که در آن مولکولهای عطر در کنار هم و مولکولهای هوا در کنار هم قرار گرفته اند، اتاقی منظم است و محتوای اطلاعاتی اش از اتاقی که مولکولهای یاد شده به طور نامنظم و درهم برهم قرار گرفته باشند، بیشتر است. قانون دوم ترمودینامیک به ما می گوید که سیستمی باز -مانند شیشه ی عطرِ دارای درِ گشوده- در گذر زمان از حالت منظم اولیه به سوی وضعیت نامنظم دومی پیش خواهد رفت. آنچه که در این میان افزایش می یابد، بی نظمی اتاق است که در ترمودینامیک با عنوان آنتروپی شناخته می شود.

ب) روش تاریخ مدارانه: این روش زمان را بر مبنای سیستمهای پیچیده ای تعریف می کند که امکان انباشت اطلاعات و تجربیات را در خود دارند. در این سیستمها، گذر زمان به کاهش یافتنِ بی نظمی و افزایش نظم منتهی می شود. مثلا وقتی به بدن مجروح یک انسانِ یا بذر یک گیاه نگاه می کنیم، می بینیم که با مرور زمان مقدار نظم درونی این سیستمها زیاد می شود. فرد زخمی بهبود می یابد و بذر به گیاه تبدیل می شود. به این ترتیب به نظر می رسد تعریف تاریخ مدارانه از زمان، با تعریف ترمودینامیکی آن در تضاد باشد.

چنان که می دانیم، مهمترین ویژگی حاکم بر قوانین علوم تجربی مانند فیزیک، ناوردایی یا تقارن است. تقارن بدان معناست که قوانین یاد شده در تمام شرایط قابل تصور صدق می کنند. این بدان معناست که قوانین مزبور بیانگر ماهیت موضوع پژوهش و شیوه ی رفتار آن هستند و به شرایط پیرامونی آن وابسته نمی باشند.

کل قوانین فیزیک، نسبت به همه ی شرایط ناوردا هستند. تنها متغیری که این تقارن در هم می شکند، زمان است و منشا این نقض شدنِ تقارن، قانون دوم ترمودینامیک است. محور زمان، تنها شاخص فیزیکی است که جهت دارد و در مسیر مشخصی جریان می یابد و بسته به این جهت، رفتار سیستمها دگرگون می شود.

برای درک دقیقتر این مفهوم اشاره به مثالی روشنگر است. قانونی مثل F=Ma را در نظر بگیرید.

این قانون بیان می کند که شاخصی مثل نیرو، با دو شاخص دیگر (شتاب و جرم) رابطه دارد. این معادله نسبت به محورهای مکان ناورداست. یعنی اگر به جسمی در جهتی نیرو وارد کنیم، شتاب آن بسته به جرمش -و نه چیزی دیگر- تعیین می شود. اگر به همان جسم در جهت معکوس نیرو وارد کنیم، بار دیگر تنها جرم آن است که شتابش را تعیین می کند. جهت اعمال نیرو و مکانِ ظهور چنین پدیده ای در صحت این معادله تاثیری ندارد. مکان زمینه ای خنثاست که قانون یاد شده همواره در آن صدق می کند. مهم نیست شما در چه جهتی بر جسم نیرو وارد کنید و کجا این کار را انجام دهید، قانون یاد شده در کل کائنات و در تمام جهتهای قابل تصور برای اعمال نیرو، مصداق دارد.

اما قانون دوم ترمودینامیک چنین وضعیتی ندارد. این قانون نسبت به محور زمان ناوردا نیست. اگر سیستم بر محور زمان “پیش برود” یعنی از گذشته به آینده حرکت کند، قانون دوم ترمودینامیک صدق می کند، و اگر جهتی معکوس برای آن فرض شود، اعتبار این قانون از بین می رود. سیستمهای باز تنها در شرایطی که زمان در جهت خاصی حرکت کند، آنتروپی خود را افزایش می دهند.

از این روست که زمان در معادلات فیزیکی به صورت متغیری مستقل وارد می شود و به صورت شاخصی عام عمل می کند که “جهت و ترتیب” رخدادها را نشان می دهد.

مفهوم فیزیکی زمان دو مشکل اساسی دارد :

الف: تعریف ترمودینامیکی و تاریخ مدار از زمان به ظاهر با هم در تعارض هستند. بنابراین تعریف یگانه و فراگیری از زمان وجود ندارد. گویی زمان در سیستمهای بازِ ساده و پیچیده به دو شکل متفاوت تعریف شود.

ب: توضیح این که چرا زمان -به عنوان متغیری عام- اینطور یک طرفه عمل می کند و تنها در جهت خاصی جریان دارد، دشوار است. به بیان دیگر، “پیکان زمان” و حرکت دایمی و ثابتش از گذشته به آینده امری است که نیاز به توضیح و تبیین دارد.

تلاشهای زیادی برای آشتی دادنِ دو تعریف ترمودینامیک و تاریخ مدار از زمان صورت گرفته است. یکی از جالبترینِ این تلاشها، به پیشنهاد دیوید لیزر مربوط می شود. وی معتقد است که مفهوم اطلاعات -مبنای اصلی تعریف مفهوم آنتروپی- در سطوح خرد و میکروسکپی قابل تعریف نیست. به عبارت دیگر، در سطح میکروسکپی، محور زمان متقارن است و تمایزی میان حرکت از گذشته به آینده و از آینده به گذشته وجود ندارد. او از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، برای تایید حرف خود استفاده می کند. این اصل اعلام می کند که تعداد حالات قابل تصور برای یک سیستم فیزیکی متناهی است، و بنابراین توصیف آن با مقداری متناهی از اطلاعات ممکن است. این بدان معناست که اطلاعات در سطح میکروسکپی حدی مشخص دارند و نامتناهی نمی باشند. این اصل در مورد تمام زیرسیستم های کیهان صادق است.

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را می توان به خودِ کیهان هم تعمیم داد. کیهان، با زیرسیستمهایش در یک مورد تفاوت دارد و آن هم بیکران بودنش است. اگر اصل تقارن محض انشتین را بپذیریم، یعنی قبول کنیم که اثرات تصادفی هم در کیهان توزیعی متقارن دارند، به این نتیجه می رسیم که اطلاعات سطح میکروسکپی، اگر در سطح کیهان -یعنی کلیت عالم- نگریسته شوند، عینیت ندارند. چرا که در سطوح خرد، می توان همانندیهایی اطلاعاتی را در میان سیستمهایی تشخیص داد که در سطح کلان متفاوتند یعنی از محتواهای اطلاعاتی متمایزی برخوردارند پیشنهاد لیزر به طور خلاصه آن است که محور زمان را در سطوح میکروسکپی متقارن فرض کنیم. در چنین شرایطی، پیش فرضِ کیهان شناسانی مانند هویل و نارلیکار که اعتقاد دارند جهان از حالت عدم تعادل ترمودینامیکی اولیه (مهبانگ) زاده شده و به سوی چنین تعادلی (مرگ حرارتی) حرکت می کند، قطعیت خود را از دست می دهد. از دید لیزر، چنین تصوری از تکامل عالم، در پیش فرضهایی قدیمی تر ریشه دارد. این پیش فرض آن است که جهان یک سیستم دینامیک بسته است و بنابراین حرکتی که در آن مشاهده می شود، با قانون دوم ترمودینامیک تبیین می شود. از دید لیزر، با توجه به نقض جهت دار بودنِ زمان در سطح میکروسکپی، این حالت که جهان از وضعیتی نامتعادل به سوی تعادل پیش رود، همانقدر محتمل است که وضعیت برعکسِ آن. در واقع لیزر از این مدل اخیر دفاع می کند و معتقد است نقطه ی شروع عالم وضعیتی نزدیک به تعادل ترمودینامیکی بوده و در گذر زمان کیهان از این تعادل دور می شود مشکل دوم، یعنی جهت مند بودنِ زمان، به اشکال متفاوت تبیین شده است. فیزیکدانانی مانند امیل بورل اعتقاد داشتند که بسته نبودنِ سیستمهای فیزیکی، به معنای آن است که هیچ سیستمی از تاثیر عناصر تصادفی و کاتوره ای محیط خود در امان نیست. در نتیجه ی اثر این عوامل، اطلاعات سطحِ خُرد هنگام سازمان دادن نظمهای سطح کلان به طور منظم تلف می شوند و این همان چیزی است که اصل آنتروپیک و جهت دار شدنِ زمان را نتیجه می دهد. برخی دیگر از اندیشمندان -مانند مک ناگارت- اصولا جهتمند بودنِ زمان را نفی کرده اند تاکید مک ناگارت بر مفهومی از زمان است که بر چیده شدن رخدادها در کنار هم -به صورت توالیهایی از قبل و بعد- دلالت دارد. در این تعریف -که خصلتی نیوتونی هم دارد،- زمان “چیزی” است مانند مکان، که همچون ظرفی رخدادها را در بر می گیرد. نقطه ای به نام اکنون بر این محور وجود دارد که رخدادهای قبل و بعدِ آن به گذشته و آینده منسوب می شوند و جایگیری شان نسبت به هم به آنها -و به محور زمان- معنا می بخشد. مک ناگارت معتقد است که دو بیان از این محور زمانی وجود دارد نخست: “سری آ” که بر چیده شدن رخدادها نسبت به مرجعی به نام اکنون مبتنی است. سری آ در صورتی معنا دارد که بتواند بر مبنای صفاتی اصیل و غیر انضمامی رخدادها را نسبت به هم مرتب کند.

دوم: “سری ب” که نظم رخدادها را بر مبنای رابطه ی قبل و بعدشان با یکدیگر می سنجد و مرجع اکنون را نادیده می گیرد.

استدلال او برای رد مفهوم خطی زمان این چنین است:

الف) زمان وجود دارد اگر و فقط اگر سری ب وجود داشته باشد. یعنی زمینه ای از رخدادها و تحولات وجود داشته باشند که با یکدیگر قابل مقایسه باشند.

ب) این امر تنها زمانی امکان پذیر است که چیزی به نام تغییر وجود داشته باشد. یعنی چیزی میان رخدادهای مربوط به زمانهای مختلف تمایز گذارد. (هرچند برخی از نویسندگان مانند شومیکر تصور جهانی فاقد تغییر ولی واجد زمان را ممکن دانسته اند.)

پ) تغییر تنها زمانی ممکن خواهد بود که نوعی سری آ وجود داشته باشد. یعنی وجود زمینه ای از رخدادهای مشابه که نسبت به هم قبل و بعد داشته باشند ولی مرجعی بیرونی برای چیده شدنشان وجود نداشته باشد، بر تفاوت میانشان -یعنی حضور تغییر- دلالت نمی کند.

ت) رخدادهای درون سری آ تنها به یکی از مفاهیم گذشته، حال، یا آینده متصل می شوند. اتصال آنها به بیش از یکی از این مفاهیم، به تناقض منتهی می شود.

ث) در نتیجه، اعتبار محور زمان و مرجعِ اکنون -که سری آ را می ساخت- تنها به زنجیره ای از روابط مفهومی وابسته است که هیچ یک اعتبار کامل ندارند. یعنی در هر برش مشاهداتی، هر رخداد تنها یکی از سه وضعیت یاد شده را به خود می پذیرد. از اینجا بر می آید که سه مفهوم حال، گذشته و آینده خصلتی انضمامی دارند و بنابراین نمی توانند شالوده ی استواری را برای سری آ فراهم کنند .

زمانِ زیست شناختی

سیستم زنده، نظامی است که در زمان و مکان امتداد دارد. در نتیجه برای تنظیم رفتارهای خویش و سازگار شدن با محیط، نیاز به آن دارد تا هر دوی این زمینه ها را بشناسد -یا خلق کند- و برمبنای آن کارکرد غایی خویش -یعنی بقا- را برآورده سازد.

سیستمهای جانوری پیچیده به کمک حس بینایی و شنوایی مکان را درک می کنند. مکان، به شکلی گسترده، بر مبنای رخدادهایی نوپدید و بدیع که در اطراف موجود ظهور می کند، شناسایی و درک می شود.

زمان، بر عکس به شکلی درونی ادراک می شود. سیستم زنده برای فهم زمان بیش از محرکهای بیرونی و تحولات محیطی به دگرگونیهای درونی و متغیرهای داخلی خویش وابسته است دستگاه تشخیص زمان در تمام جانداران از ساختار شیمیایی کمابیش یکسانی پیروی می کند. مبنای تمام این دستگاه ها، چرخه هایی بیوشیمیایی است که می توانند به صورت متناوب و پیاپی تکرار شوند و هر چرخه ی تکرارشان زمانی مشخص دوام می یابد. به این ترتیب، جانداران در سطح بیوشیمیایی به ساعتی درونی مجهز هستند که بر مبنای کنش و واکنشهای شیمیایی و با چرخ دنده هایی مولکولی تیک تاک می کند .

در جانورانِ دارای دستگاه عصبی پیچیده، این دستگاه بسیار تکامل یافته است و Zaitgieber به آلمانی یعنی “زمان سنج” نامیده می شود. در بندپایان، بخشی از عقده ی سری این وظیفه را بر عهده دارد و در مهره داران خونسرد -ماهیان، دوزیستان و خزندگان- غده ی صنوبری این کار را انجام می دهد.

در انسان، مرکز درک زمان هسته ی کوچکی به نام هسته ی بالای چلیپایی (SCN ) است که در هیپوتالاموس، درست در بالای محل برخورد دو عصب بنیایی قرار گرفته است. این هسته تنها از دو هزار نورون تشکیل یافته است. نورونهای مورد نظر، با چرخه های شیمیایی بسته ای، به طور منظم پیامهایی الکتریکی و تکرار شونده را تولید می کنند. این پیامها در شبکه ی پیچیده ی نورونهای این هسته تشدید می شود و با فواصل زمانی ثابتی پیامی عصبی را به سایر ساختارهای مغزی گسیل می دارد. به این ترتیب هسته ی بالای چلیپایی با سرعت ثابتی تیک تاک می کند و زمان درونی مغز را ثبت می نماید.

ساعت درونی به طور دایمی به کمک محرکهای نوری که از چشمها وارد می شوند، خود را تنظیم می کند. به عنوان مثال، شبانه روزِ ساعت درونی، از شبانه روزِ نجومی و بیرونی طولانی تر است. اگر عده ای از مردم در محیطی مانند قعر یک غار که فاقد هر نوع محرک نشانگر زمان است، برای مدتی بمانند، طول شبانه روزشان اندکی افزایش می یابد و در حوالی بیست و پنج ساعت تثبیت می شود. رفتارهای این آزمودنی ها، بر مبنای چرخه هایی ۲۵ ساعته تنظیم می شود و خورد و خوابشان با چنین تناوبی سازمان می یابد.

با این تفاصیل مغزی که روزهایی بیست و پنج ساعته را در درون خود تولید می کند، باید در جهانِ واقعی مرتبا خود را تصحیح کند. این کار به کمک بازخوردهایی که از دستگاه بینایی حاصل می شود، انجام می گیرد.

جانوران بر مبنای این ساعت درونی، چرخه های زیستی خود را تنظیم می کنند. این چرخه ها عبارتند از دوره های روزانه -مثل خواب و بیداری-، ماهانه -مثل دوره ی تخمک گذاری- و سالیانه – مثل زمستان خوابی. این چرخه ها هم به کمک محرکهایی مانند نسبت زمان روز به شب و تغییرات دمای هوا تصحیح می شود.

این چرخه های برونزاد، چنان که می دانیم، خود از رخدادهایی تکراری در ابعاد کیهانی ناشی می شوند. به این ترتیب رشته ای از رخدادهای تکراری درونزاد -شلیکهای عصبی در SCN و برونزاد (گردش زمین به دور خورشید و ماه به دور زمین) پدیده ی زمان را در جانداران خلق می کنند.

در پستانداران، هسته ی بالای چلیپایی از سمت پشت به مغز میانی و سایر هسته های هیپوتالاموسی مرتبط می شوند و آکسون هایشان را از جلو به سپتوم می فرستند. کارکردهای عمده ای که با این هسته در ارتباطند عبارتند از: تنظیم چرخه های خواب و بیداری، تنظیم دمای بدن در ساعات متفاوت شبانه روز و تنظیم دوره های فعالیت و استراحت. طول دو چرخه ی اول ۲۴ ساعت، و طول چرخه ی سوم ۹۰ دقیقه است. ساعت درونی دوره های زمانی را تنظیم می کند، اما دوام کارکردهای زیستی را تعیین نمی کند. این بدان معناست که اگر هسته ی بالای چلیپایی موشی را تخریب کنیم، چرخه های خوب و بیداری اش نظم خود را از دست خواهد داد، اما کل زمانی که در شبانه روز می خوابد تغییری نخواهد کرد. ساعت درونی ساختار بسیار مقاومی است و کارکردش به راحتی در برابر محرکهایی مانند سرما، داروهای عصبی، اختلالات هورمونی و شوک هیپوکسیک مختل نمی شود (Haken & Koepchen,1991). کارکرد ساعت درونی به طور مستقیم به عملکرد ژنها وابسته است. در مگس سرکه و سایر حشرات ژنی به نام Per ایجاد چرخه های پروتئینی ساعت درونی را بر عهده دارد. در کپک نوروسپورا ژنی به نام Frq این نقش را ایفا می کند. در پستانداران عملکرد این سیستم به یک ژن منفرد وابسته نیست، اما جهش یافته هایی مانند Clock در موش و Tau در همستر شناسایی شده اند که چرخه های روزانه ای بلندتر یا کوتاهتر از میزان معمول دارند .

به این ترتیب، می بینیم که زمان در نظامهای زیست شناختی، در واقع شیوه ای از مدیریت روندهای درونی سیستم است که به کمک معیار گرفتنِ رشته ای از رخدادهای تکراری و یکنواخت حاصل می شود. بدن جاندار، به کمک ردیابی یا تولید کردنِ این رخدادهای تکراری، مبنایی برای پردازش اطلاعات به دست می آورد و هماهنگی میان رفتارهای درونی خویش و رخدادهای محیط بیرونی را ممکن می سازد.

در پردازنده ی بسیار پیچیده ای مانند مغز انسان، زمان کارکردی فراتر از تضمین سازگاری با محیط را بر عهده می گیرد. در چنین مغزهایی، حجم کلی پردازش اطلاعات چنان زیاد و شمار کارکردهای درون سیستم به قدری بالاست که زمان، به عنوان ابزاری کلیدی برای هماهنگ کردن ساز و کارهای درونی سیستم نیز مرکزیت می یابد. به این ترتیب، بدنِ جانداری که در نخستین روزهای پیدایش حیات، زمان را بر مبنای چرخه های برونزاد و دگرگونیهای تکراری محیطی می فهمید و از آن برای تطبیق یافتن با دگرگونیهای خارج از مرزهای سیستم خود بهره می برد، ناچار شد برای دستیابی به انسجام رفتاری و اتحاد عملکردی، دستگاهی درونزاد برای ترشح زمان ابداع کند و از آن به عنوان نقطه ی مرجعی برای سازگار کردن زیرسیستمهای خویش با هم استفاده کند. این ماشین درونی ساختِ زمان، همان مرکزی بود که در جریان تکامل مهره داران به هسته ی صنوبری خزندگان و دوزیستان و هسته ی بالای چلیایی در پستانداران منتهی شد. به این شکل زمانی که بیشتر بر متغیرهای بیرونی متکی بود و سازگاری سیستم با محیط را تضمین می کرد، به نظامی خودسازمانده و خودمختار تبدیل شد که وظیفه اش هماهنگ کردن رفتار زیرسیستم های گوناگون در سیستم اصلی بود. اهمیت این کارکرد جدید را می توان با بررسی چند شاهد عصب شناختی درک کرد.

به عنوان مثال، به زیرسیستمهای حسی گوناگون مغز آدمی توجه کنید. مجاری ورود اطلاعات در جانداری مانند انسان به قدری تخصص یافته و پیچیده شده اند که هریک تنها جنبه ای خاص و ویژه از دگرگونیهای محیط بیرونی را ردیابی می کنند و به آن توجه نشان می دهند. به عنوان مثال، سیستم مغز بویایی که از پیاز بویایی آغاز می شود و تا سپتوم و مراکز درک بویایی در بخشهای پیشین مغز گسترش می یابد، تنها به پردازش اطلاعات بویایی توجه دارد. سیستم حسی بینایی که مسیری از شبکیه تا قشر پس سری را در بر می گیرد، تنها به محرکهای نوری کار دارد و مرکز شنوایی هم تنها امواج و ارتعاشات هوا را ثبت و تحلیل می کند. آنچه که ما به عنوان پدیده ها و چیزها در جهان خارج تشخیص می دهیم، در واقع محصولی ساختگی است که از برهم افتادن این ادراکات حسی گوناگون نتیجه می شود. یعنی به عنوان مثال وقتی ما یک دانه ی گیلاس را در دست می گیریم، از راهِ ترکیب کردن محرکهای نوری (رنگ و شکل گیلاس)، پساوایی (نرمی و بافتار خاص آن) و…، پدیده ای به نام گیلاس را استنتاج می کنیم. ترکیب شدنِ حواسی متمایز در قالب یک پدیده ی دارای استمرار، تنها زمانی ممکن می شود که محوری زمانی جایگیری آن پدیده نسبت به پدیدارهای زمینه اش را تعیین کند و دگرگونی های آن پدیدار را هم به عنوان “تحولاتِ آن چیز در زمان” تفسیر نماید.

میکروسکوپ الکترون عبوری

میکروسکوپ الکترون عبوری

چکیده مقاله

در پژوهش‌های مربوط به خواص مواد نانوساختاری میکروسکوپ الکترونی یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین دستگاه‌هایی است که مورد استفاده قرار می‌گیرد. در اغلب مطالعات انجام‌شده روی خواص مواد نانوساختاری برای تعیین اندازه و شکل آنها از میکروسکوپ عبور الکترونی استفاده شده است. این روش اندازه و شکل ذرات را با دقت حدود چند دهم نانومتر به دست می‌دهد که به نوع ماده و دستگاه مورد استفاده بستگی دارد. امروزه در بررسی خواص مواد نانوساختاری از میکروسکوپ عبور الکترونی با وضوح بالا (High-Resolution) استفاده می‌شود. علاوه بر تعیین شکل و اندازه ذرات به وسیله میکروسکوپ عبور الکترونی با استفاده از پراش الکترون و سایر سازوکارهای موجود در برخورد الکترون با ماده برخی ویژگی‌های دیگر مواد نانوساختاری مانند ساختار بلوری، ترکیب شیمیای را می توان بدست آورد.

متن مقاله

مقدمه
خواص مواد نانوساختاری به شکل و اندازه آنها بستگی دارد و از این‌رو مطالعه پیرامون شکل، اندازه و آرایش مواد نانوساختاری از نظر فهم پدیده‌های موجود و درنهایت استفاده از آنها در کاربردهای مختلف ضروری است. روش‌های مختلفی برای تعیین شکل و اندازه ذرات به کار می‌رود که ازجمله آنها می‌توان به میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، طیف‌سنجی عبور نوری، پراش اشعه X و مانند آن اشاره کرد. برخی از این روش‌ها شکل و اندازه ذرات را به طور مستقیم به دست نمی‌دهند. برای مثال در پراش اشعه X اندازه ذرات از رابطه زیر به دست می‌آید:

831115P002 01 - میکروسکوپ الکترون عبوری

 

که رابطه‌ فوق برای تعیین اندازه نانوذرات دقیق نیست و در اندازه‌های پایین دارای خطای قابل ملاحظه‌ای نسبت به مقادیر واقعی است. این روش برای نانوذرات غیربلوری نیز مناسب نیست. از طیف عبور نوری مواد نانوساختاری نیز می‌توان برای تعیین اندازه ذرات استفاده کرد که روش اندازه‌گیری و تعیین قطر ذرات پیچیده می‌باشد و برای برخی از مواد قابل استفاده نیست. باتوجه به مطالب فوق استفاده از روشی برای تعیین اندازه و شکل ذرات بادقت مناسب در حوزه پژوهش‌های مواد نانوساختاری بسیار مهم و مورد نیاز جدی است.
در پژوهش‌های مربوط به خواص مواد نانوساختاری میکروسکوپ الکترونی یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین دستگاه‌هایی است که مورد استفاده قرار می‌گیرد. در اغلب مطالعات انجام‌شده روی خواص مواد نانوساختاری برای تعیین اندازه و شکل آنها از میکروسکوپ عبور الکترونی استفاده شده است. این روش اندازه و شکل ذرات را با دقت حدود چند دهم نانومتر به دست می‌دهد که به نوع ماده و دستگاه مورد استفاده بستگی دارد. امروزه در بررسی خواص مواد نانوساختاری از میکروسکوپ عبور الکترونی با وضوح بالا (High-Resolution) استفاده می‌شود. علاوه بر تعیین شکل و اندازه ذرات به وسیله میکروسکوپ عبور الکترونی با استفاده از پراش الکترون و سایر سازوکارهای موجود در برخورد الکترون با ماده برخی ویژگی‌های دیگر مواد نانوساختاری مانند ساختار بلوری، ترکیب شیمیای را می توان بدست آورد.
برخی از روش‌های مورد استفاده در میکروسکوپ عبور الکترونی برای بررسی ویژگی‌های مواد عبارتند از:
● تصویربرداری (میدان تاریک و میدان روشن)
● پراش الکترون
● پراش الکترون با باریکه واگرا (SAD)
● تصویربرداری Phase-Contrast در (HRTEM)
● تصویربرداری Z-Contrast
● طیف‌نگاری پاشندگی انرژی اشعه X (EDS)
● طیف‌نگاری اتلاف انرژی الکترون (EBLS)
اساس کار میکروسکوپ عبور الکترونی
برخورد الکترون با ماده شامل سازوکارهای مختلفی می‌باشد که از مهم‌ترین آنها می‌توان به برخورد و تولید الکترون ثانویه پس‌پراکندگی و پیش‌پراکندگی تولید اشعه X و الکترون اوژه اشاره کرد. باتوجه به سازوکارهای موجود تحلیل نتایج هریک از این سازوکارها داده‌هایی را در مورد شکل و اندازه، ساختار و ترکیب شیمیایی ماده به دست می‌دهد. ابتدا نحوه اندرکنش الکترون- ماده و تصویربرداری میکروسکوپ عبور الکترونی را بررسی کرده و سپس به سایر روش‌های مورد استفاده ازجمله پراش الکترون و EDS می‌پردازیم.

برهم‌کنش‌های الکترون با اتم و تفنگ الکترونی
پرتو الکترونی به روش‌های مختلفی تولید می‌‌شود که از مهم‌ترین آنها می‌توان به گسیل ترمویونیک ( Thermoionic Emission ) و گسیل میدانی اشاره کرد. برای گسیل ترمویونیک به طور معمول از یک المان داغ استفاده می‌کنند که تا دمای حدود ۲۸۰۰ درجه کلوین گرم می‌شود. جنس المان اغلب از تنگستن یا LaB6 است. مجموعه المان را نسبت به شبکه‌های شتاب‌دهنده در پتانسیل منفی نگه می‌دارند و الکترون‌های تولیدشده در اثر پدیده ترمویونیک در پتانسیل بالا شتاب گرفته و انرژی بالایی کسب می‌کنند.

831115P002 03 - میکروسکوپ الکترون عبوری

شکل۱- اساس گسیل ترمویونیک و تولید باریکه الکترونی

در روش گسیل میدانی از پدیده تونل‌زنی استفاده می‌‌شود. در این حالت با اعمال میدان بالا در سطح فلز و کاهش سد پتانسیل الکترون می‌تواند تونل زده و از سطح فلز خارج شود. در این صورت می‌توان شار بزرگی از الکترون ایجاد کرد. مقدار بار ایجادشده در این پدیده به میدان اعمال‌شده بستگی دارد. برای بدست‌آوردن بهره بالا برای تولید جریان باید از فلزی با نوک بسیار تیز استفاده کرد و برای جلوگیری از اکسیدشدن خلاء خیلی بالا نیز (Ultra High Vacuum) مورد نیاز است. در هر دو حالت الکترون‌های ایجادشده را می‌توان به کمک میدان مغناطیسی (که مجموعه مورد استفاده عدسی مغناطیسی نامیده می‌شود) کانونی کرده و باریکه الکترونی مناسبی تولید کرد. شکل (‌۲) نمونه‌ای از عدسی مغناطیسی مورد استفاده را نشان می‌دهد.  

831115P002 04 - میکروسکوپ الکترون عبوری

شکل (‌۲) نمونه‌ای از عدسی مغناطیسی

در اثر برخورد باریکه الکترونی با ماده پدیده‌های متنوعی روی می‌دهد (شکل ۳) که انواع پراکندگی‌ها (Scattering) را شامل می‌شود که مهمترین آنها عبارتند از:
● پراکندگی الاستیک بدون تغییر انرژی تکانه الکترون تغییر می‌کند.
● پراکندگی غیرالاستیک که الکترون بخشی از انرژی خود را از دست می‌دهد که شامل موارد زیر است:
● پراکندگی ناشی از تولید فوتون (کوانتای ارتعاشی شبکه)
● پراکندگی در اثر برخورد با بار آزاد سطحی در فلزات که پراکندگی پلاسمونی نامیده می‌شود.
● برانگیختگی الکترون والانس
● برانگیختگی الکترون‌های مدار داخلی ماده که در تولید اشعه X مشخصه ماده نقش دارد.
● جذب: در این حالت الکترون در برخوردهای پی در پی تمام انرژی خود را به ماده منتقل می‌کند.

831115P002 05 - میکروسکوپ الکترون عبوری

831115P002 06 - میکروسکوپ الکترون عبوری

شکل (۳) سازوکارهای موجود در برخورد باریکه الکترونی با ماده

در اثر برخورد باریکه الکترونی با ماده الکترون‌های ثانویه تولید می‌شوند. هرچند تفکیک الکترون‌های اولیه کم‌انرژی و الکترون‌های ثانویه عملا‌ً دشوار است. علاوه بر الکترون‌های ثانویه الکترون‌ها پس‌پراکنده‌شده نیز وجود دارند که برای تصویربرداری الکترونی روبشی از آنها استفاده می‌شود. الکترون‌ها در برخورد اولیه با ماده موجب برانگیختگی الکترون‌های ترازهای داخلی ماده می‌شوند. الکترون‌های برانگیخته‌شده به دو صورت به حالت پایه برمی‌گردند که عبارتند از:
تولید الکترون اوژه و تولید اشعه X که با اندازه‌گیری هرکدام از آنها می‌توان برخی از ویژگی‌های ماده را بدست آورد. در صورتی که تراز برانگیخته‌شده ‌تراز خارجی اتم باشد، الکترون با گسیل فوتون می‌تواند به حالت پایه برگردد. شکل (۴) شمایی از سازو کارهای موجود در برانگیختگی ترازهای انرژی در اثر برخورد الکترون را نشان می‌دهد.

831115P002 07 - میکروسکوپ الکترون عبوری

. شکل (۴) شمایی از سازو کارهای موجود در برانگیختگی ترازهای انرژی در اثر برخورد الکترون

درابتدا باریکه الکترونی با انرژی بالا در یک تفنگ الکترون تولید می‌شود. باریکه تولیدشده را می‌توان به راحتی و به وسیله عدسی‌های مغناطیسی به مقدار مناسب کانونی کرد. بعد ازکانونی‌شدن باریکه الکترونی هم‌انرژی برای شروع آزمایش در دسترس است. باریکه الکترونی به نمونه مورد آزمایش که دارای ضخامت بسیار کمی است تابانده می‌شود و سازوکارهایی که پیشتر در مورد آنها صحبت شد، بسته به نوع ماده در ناحیه برخورد وجود خواهد داشت. همان‌گونه که در شکل به‌روشنی مشخص است آشکارسازهایی برای آشکارسازی و جمع‌آوری داده‌های مربوط به هریک از فرآیندهای موجود درنظر گرفته شده است.
شکل (۵) شمایی از اساس کار میکروسکوپ عبور الکترونی و قسمت‌های مختلف آن را نشان می‌دهد.

831115P002 08 - میکروسکوپ الکترون عبوری

شکل ۵- اساس کار میکروسکوپ عبور الکترونی

در بیشتر میکروسکوپها EDS برای آشکارسازی اشعه X تولیدشده، EELS برای آشکارسازی تغییرات انرژی الکترون‌ها درنظر گرفته می شود. سایر آشکارسازها برای تصویربرداری از نمونه مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این دستگاه‌ها امکان آشکارسازی تغییرات پراش در مقطع نمونه و تصویربرداری از منطقه‌های مورد نظر در نمونه نیز وجود دارد.
در حالت تصویربرداری الکترون عبوری روبشی (STEM) باریکه‌ای با قطر ْA20-2 سطح نمونه را جاروب می‌کند. همزمان با روبش سطح نمونه داده‌های مختلف ازجمله اشعه X، الکترون‌های ثانویه و الکترون‌های پس‌پراکنده‌شده جمع‌آوری می شوند. استفاده از حالت روبشی برای تحلیل شیمیایی نمونه نیز قابل استفاده است.

831115P002 09 - میکروسکوپ الکترون عبوری

831115P002 10 - میکروسکوپ الکترون عبوری

شکل۶- شمایی از قسمتهای مختلف و مسیر باریکه الکترونی در میکروسکوپ عبور الکترونی

حالت‌های مختلف تصویربرداری
تصویربرداری به وسیله میکروسکوپ عبور الکترونی در حالت‌های مختلف انجام می‌شود که مهم‌ترین آنها عبارتند از:
● تصویربرداری معمولی
● تصویربرداری میدان تاریک
● تصویربرداری میدان روشن
می‌باشند. در میکروسکوپ‌های عبور الکترونی وضوح بالا علاوه بر حالت‌های فوق از مدهای دیگری نیز برای تصویربرداری استفاده می‌‌شود.
مسیر پرتوها در تصویربرداری معمولی در شکل (۷) آورده شده است. همان‌گونه که مشاهده می‌شود، از تمام پرتوهای عبوری برای ایجاد تصویر استفاده شده است. در این حالت نمی‌توان تصویری با وضوح بالا از نمونه تهیه کرد.

831115P002 11 - میکروسکوپ الکترون عبوری

شکل ۷- مسیر پرتوها در تصویربرداری معمولی

در حالت میدان روشن (Bright-Field) تنها از پرتوهای پراشیده‌نشده برای تهیه تصویر استفاده می‌شود. شکل (۸) پرتوهای مورد استفاده در تصویربرداری در حالت میدان
روشن را نشان می‌دهد.
در این حالت الکترون‌های پراشیده‌ در تولید تصویر دخالتی ندارند و درنهایت وضوح تصویر افزایش می‌یابد. شکل (۹) پرتوهای مورد استفاده در تصویربرداری میدان تاریک را نشان می‌دهد. در این حالت تنها بخشی از پرتوهای پراشیده شده از نمونه برای تصویربرداری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حالت تصویربرداری میدان تاریک اغلب از پرتوهای نشان‌داده شده در شکل (۹) استفاده می‌شود که برخی پرتوها در آن حذف می‌شوند. علاوه بر موارد فوق کنتراست‌های دیگری مانند کنتراست شیمیایی و فاز نیز استفاده کرد. با استفاده از روش‌های مختلف تصویربرداری علاوه بر شکل و اندازه ذرات می‌توان درمورد نابجایی‌ها و عیوب شبکه نیز داده‌هایی بدست آورد. در میکروسکوپ‌های TEM/STEM از روش بررسی هم‌زمان سیگنال‌ها سازوکارهای موجود برای تصویربرداری و انواع دیگر آنالیزهای ممکن استفاده می‌شود.‌‌‌‌‌

831115P002 12 - میکروسکوپ الکترون عبوری

831115P002 13 - میکروسکوپ الکترون عبوری

شکل۸- پرتوهای مورد استفاده در تصویربرداری در حالت میدان روشن

831115P002 14 - میکروسکوپ الکترون عبوری

831115P002 15 - میکروسکوپ الکترون عبوری

شکل۹- پرتوهای مورد استفاده در تصویربرداری میدان تاریک

روش‌های آماده‌سازی نمونه
آماده‌سازی نمونه برای میکروسکوپ عبور الکترونی یکی از مراحلی است که قبل از انجام آزمایش صورت می‌گیرد. با توجه به نوع ماده مورد آزمایش رو‌ش‌های مختلفی برای نمونه‌سازی وجود دارد که مهمترین آنها عبارتند از:
● روش ساده‌ نشاندن مقدار کم ماده از بستر حاوی ذرات
● پولیش الکتریکی شیمیایی و مکانیکی
● سایش اتمی
● استفاده از میکروسکوپ‌های یونی با پرتو کانونی شده (FIB)
● اولترا میکروتومی برش لایه ی نازک از ماده که برای نمونه‌های بیولوژیکی و بافت بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد شکل(۱۰).

831115P002 16 - میکروسکوپ الکترون عبوری

شکل۱۰- دستگاه اولترا میکروتومی برش لایه ی نازک از ماده که برای نمونه‌های بیولوژیکی

در هر یک از این موارد نگهدارنده خاصی مورد نیاز می‌باشد. در اغلب اوقات برای آنالیز ذرات و یا نانوساختارها از توری مسی پوشانده شده با لایه کربنی در حد نانومتر استفاده می‌کنند. در نهایت ضخامت نمونه تهیه شده باید کمتر از یک میکرومتر باشد. شکل (۱۱) نمونه‌هایی از توری مسی پوشانده شده با لایه کربنی را نشان می‌دهد

831115P002 22 - میکروسکوپ الکترون عبوری

شکل۱۱- نمونه‌هایی از توری مسی پوشانده شده با لایه کربنی

پراش الکترونی
باریکه الکترونی در برخورد با نمونه بلوری پراشیده شده و نقش پراش حاوی نقاط روشنی یا دایره‌هایی هم‌مرکز دیده می‌شود که به ساختار بلوری نمونه بستگی دارد. شکل (۱۲) سازوکار ایجاد نقش پراش را نشان می‌دهد که ناشی از پراکنندگی الاستیک الکترون‌ها از اتم‌ها می‌باشد. در اثر پراش امواج الکترونی با یکدیگر تداخل کرده و در صورتی که شرط براگ:

831115P002 18 - میکروسکوپ الکترون عبوری

که D ثابت شبکه بلور و زاویه براگ می‌باشد شکل (۱۲) برقرار باشد امواج الکترونی همدیگر را تقویت کرده و نقاط روشن نقش پراش ایجاد می‌شود. در صورتی که از نمونه‌های بس بلوری استفاده شود. نقش پراش های نقاط روشن به صورت دوایری هم‌مرکز دیده می‌شوند

831115P002 19 - میکروسکوپ الکترون عبوری

شکل ۱۲- سازوکار ایجاد نقش پراش

با استفاده از نقش پراش و به کمک محاسبات و نرم‌افزارهای مناسب می‌توان ساختار نمونه را بدست آورد. برای بدست آوردن ساختار از نقش پراش الگوریتم‌هایی وجود دارد که می‌توان از مرجع [۱] استفاده کرد. شکل (۱۳) نقش پراش نمونه‌ایی از نقش پراش ساختار ده گوشی آلومینیم-نیکل-کبالت را نشان می‌دهد.

831115P002 20 - میکروسکوپ الکترون عبوری

شکل ۱۳- نقش پراش نمونه‌ایی از نقش پراش ساختار ده گوشی آلومینیم-نیکل-کبالت

آنالیز EDS
همانگونه که در بخش‌های قبل اشاره شد در برخورد الکترون با ماده الکترون‌های تراز داخلی برانگیخته شده در فروافت به حالت پایه تولید فوتون اشعهx می‌نمایند. شکل (۱۴) شمایی از این سازوکار و خطوط طیفی را نشان می‌دهد. خطوط طیفی متعددی هستند که به سری‌های K و L و M معروف هستند.

831115P002 21 - میکروسکوپ الکترون عبوری

شکل۱۴- شمایی از سازوکار و خطوط طیفی

831115P002 23 - میکروسکوپ الکترون عبوری

در شکل(۱۵) تصویر میکروسکوپ عبور الکترونی

طول موج اشعه x تولید شده به جنس ماده بستگی دارد و می‌تواند معیار مناسبی برای آنالیز شیمیایی باشد. شدت اشعه x تولید شده با در نظر گرفتن احتمال رخ دادن سازوکار فوق می‌تواند آنالیز کمی‌تری را در دسترسی قرار دهد. آنالیز EDS را در SEM نیز می‌توان انجام داد ولی با توجه به ضخامت بالای نمونه درSEM پرتو الکترونی در قسمت وسیعی از ناحیه مورد نظر نفوذ کرده و مقدار متوسطی را بدست می‌دهد که برای آنالیز ساختارهای ریز مناسب نیست. برای آنالیز، پرتو x ایجاد شده شدت آن اندازه‌گیری می‌شود. در دستگاه‌های پیشرفته‌تر از آنالیز طول موج اشعه x (WDS) استفاده می‌کنند در این حالت با استفاده از بلور تنها به طول موج‌های مشخصی‌از اشعه x تولید شده اجازه عبور و آشکارسازی داده می‌شود. در شکل(۱۵) تصویر میکروسکوپ عبور الکترونی آورده شده است. مراجع.

۱٫ www.matter.org.uk
۲٫ B. Fultz and J.M. Howe, Transmission Electron Microscopy and Electron Diffraction of Materials, Springer, 2001

۱

منبع مقاله :

الکترودینامیک

الکترودینامیک

الکترودینامیک
علم فیزیک – الکترودینامیک

الکترو مغناطیس یکی از شاخه‌های فیزیک است که مباحث مربوط به بارهای الکتریکی ساکن و متحرک ، میدانهای الکتریکی و مغناطیسی را مورد بحث قرار می‌دهد. اما در این بحث بیشتر مفاهیم فیزیکی و توصیف کیفی این پدیده‌ها مورد توجه قرار می‌گیرد. و تا حد امکان از توصیف کمی این موارد که به ریاضیات عالی نیاز دارد، خودداری می‌شود. بنابرابن توصیف کمی پدیده‌های فوق در الکترودینامیک انجام می‌گیرد. می‌توان گفت که الکترو‌دینامیک نسبت به سایر علوم تقریبا یک علم تازه است که در کمتر از یکصد سال اخیر بوجود آمده است.

تاریخچه

هر چند کهربا و مغناطیس طبیعی برای یونانیان شناخته نشده بودند ، با وجود این الکترو‌دینامیک در مقام یک موضع کمی تنها در کمتر از یکصد سال رشد پیدا کرد. آزمایشات قابل ملاحظه کاوندیش در زمینه الکترو استاتیک از ۱۷۷۱ تا ۱۷۷۳ انجام شدند. تحقیقات ماندگار کولن در سال ۱۷۸۵ شروع به چاپ شدند. این کار شروع تحقیق کمی در الکترسیته و مغناطیس را در مقیاس جهانی مشخص کرد. پنجاه سال بعد از آن فارادی مشغول مطاله اثرات نظریه دینامیکی میدان‌های الکترومغناطیسی منتشر کرد. بیست و چهار سال بعد هرتز کشف خود را در مورد امواج الکترومغناطیسی عرضی که با سرعتی مشابه با سرعت نور انتشار می‌یابد به چاپ رسانید و با این کار نظریه ماکسول را در یک وضعیت کاملا آزمایشی قرار داد.

سیر تحولی و رشد

از دهه ۱۹۶۰ یک انقلاب واقعی در درک ما از نیروهای اساسی و اجزا تشکیل دهنده ماده صورت گرفته است.

در دهه ۱۹۹۰ الکترودینامیک کلاسیک در مقابل جبهه‌ای از توصیف وحدت یافته ذرات و بر همکنشهای که به عنوان مدل استاندارد نامیده می‌شود، ساکن مانده بود، مدل استاندارد یک توصیف کوانتوم مکانیکی منسجم از برهمکنشهای الکترومغناطیسی ، ضعیف و قوی بر اساس اجزاء اصلی ، بعضی کوارکها و لپتونها ( که از طریق حاملهای نیرو یعنی فوتونها ، بوزونها ، و گلوئونها ، برهمکنش می‌کنند) ارائه می‌کند. چهار چوب نظریه وحدت یافته از طریق اصول مربوط به ناوردایی پیمانه‌ای الکترومغناطیس (متصل به نیروها و تفاوتهای گسسته خواص ذرات) ایجاد‌ گردید.

از نقطه نظر مدل استاندارد ، الکترودینامیک کلاسیک ، حداکثر و دینامیک کوانتومی است. بنابرین تلاش عظیمی که در اواخر قرن نوزدهم در جهت وحدت موضوعات فیزیک شروع شده سبب ایجاد الکترودینامیک کوانتومی شود و بدین ترتیب الکترودینامیک کلاسیک را متحول ساخت. بنابراین در حالت کلی الکترودینامیک را می‌توان به دو قسمت اصلی تقسیم کرد.

الکترودینامیک کلاسیک

الکترودینامیک با استفاده از مفاهیم بنیادین ریاضیات عالی یک توصیف کمی از مباحث الکترومغناطیسی کلاسیک ارائه می‌کند. الکترومغناطیس کلاسیک در محاسبه میدانهای الکتریکی و مغناطیسی حاصل از توزیعهای معین بار تبحر دارد و توصیف فیزیکی این کمیتها مورد بحث قرار می‌گیرد. اما در مواردی که مرزهای معین وجود داشته باشند. به عنوان مثال اگر بخواهیم میدان و پتانسیل حاصل از یک کره رسانا که نصف آن دارای پتانسیل و نصف دیگرش دارای پتانسیل V1 است ، در یک نقطه معین از فضا تعیین کنیم، باید از شگرد‌های خاص ریاضی که در V1 الکترو دینامیک کلاسیک کاربرد دارد، استفاده کنیم.

همانگونه که الکترومغناطیس به دو قسمت الکتریسیته و ‌مغناطیس تقسیم می‌شود که در قسمت الکترواستاتیک بارهای الکتریکی ساکن و چگالیهای بار مستقل از زمان فرض می‌شوند و در الکترومغناطیس بارهای الکتریکی متحرک بوده و چگالیهای بار می‌توانند تابعیت زمانی نیز داشته باشند. الکترودینامیک کلاسیک نیز به دو بخش تقسیم می‌گردد. مکانیک کلاسیک و الکترودینامیک کلاسیک به عنوان پیشروان درک کنونی ما از پدیده‌ها مفید واقع شوند و هنوز هم نقشهای مهمی را در زندگی علمی و در مرز مربوط به تحقیقات علمی ایفا می‌کنند.

الکترودینامیک کوانتومی

الکترودینامیک کوانتومی ، نتیجه‌ای است از تقارن شکسته شده ، خودی به خودی در یک نظریه که در آن برهمکنشهای ضعیف و الکترومغناطیسی در ابتدا وحدت یافته‌اند و این که حاملهای نیروی مربوط به هر دو بدون جرم هستند . شکست تقارن ، و حامل نیروی الکترومغناطیسی (فوتون) را بدون جرم باقی می‌گذارد همراه ۸۰ الی ۹۰ Gv/c2 را با یک برهمکنش ضعیف هسته‌ای در انرژیهای پایین با برد بسیار کوتاه (۲x10 -18 ) بدست می‌آورند.

الکترودینامیک کلاسیک برای انتقالات کوچک انرژی و اندازه حرکت و تعداد میانگین بزرگ فوتونهای مجازی یا حقیقی حد الکترودینامیک کوانتومی است. علی رغم حضور تعداد نسبتا زیادی از کمیتهای که بایستی از آزمایش بدست آیند، مدل استاندارد وحدت یافته (همراه با نسبیت عام در مقیاسهای بزرگ) توضیعی با دقت بالا از طبیعت را در تمام جنبه‌هایش ارائه می‌دهد. از درون هسته ، تا میکروالکترونیک و میزها و صندلیها و دورترین کهکشانها. بخاطر مبدأها در یک نظریه وحدت یافته ، برد و قدرت برهمکنشهای ضعیف به جفت شدگی الکترومغناطیسی مربوط شدند.

بطور خلاصه می‌توان گفت که در الکترودینامیک کوانتومی با استفاده از مفاهیم آنالیز تانسوری یک میدان برداری (که به تانسور الکترومغناطیسی معروف است ) معرفی می‌شوند ، سپس با تعریف چگالیهای لاگرانژی و هامیلتونی خاص سیستمها مورد بحث قرار می‌گیرند.

سختی الکترودینامیک

همانطوری که اشاره شد، الکترودینامیک جهت توصیف کمی پدیده‌های الکترو مغناطیسی از ریاضیات عالی و روشهای پیچیده ریاضی بهره می‌گیرد. بنابراین افرادی که تمایلی به استفاده از این پیچیدگیها ندارند و آن را دشوار می‌دانند، به الکترو‌دینامیک به دید یک شاخه‌ای از فیزیک که درک آن بسیار سخت است، نگاه می‌کنند. اما امروزه با پیشرفت علوم کامپیوتری و گسترش روشهای عددی ، بسیاری از مسائل الکترودینامیک را می‌توان با استفاده از حلهای عددی مورد تجزیه و تحلیل قرار داد.

الکترودینامیک ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

منبع: رشد

نقل از : هوپا

پایش دقیق‌تر دی‌اکسیدکربن

پایش دقیق‌تر دی‌اکسیدکربن با ماهواره‌ها در محاسبات جدید

چگونگی جذب نورهای رنگی مختلف توسط دی‌اکسیدکربن می‌تواند به اقلیم‌شناسان کمک کند با یک روش محاسباتی جدید به کمک ماهواره‌های فضایی به پایش دی‌اکسیدکربن جو بپردازند.

پایش دقیق‌تر دی‌اکسیدکربن
علم فیزیک – پایش دقیق‌تر دی‌اکسیدکربن

به گزارش سرویس علمی ایسنا منطقه خراسان، تیمی از دانشمندان به رهبری کالج دانشگاهی لندن، محاسبات جدیدی را ایجاد کرده‌اند که می‌تواند به دقت چگونگی جذب نور رنگهای مختلف را با دی‌اکسیدکربن پیش‌بینی کند.

این امر به دانشمندان هواشناسی در بررسی انتشارات گازهای گلخانه به منظور تعبیر بهتر اطلاعات بدست آمده از ماهواره‌ها و ایستگاههای زمینی سنجش دی‌اکسیدکربن کمک خواهد کرد.

به عبارت دیگر، این محاسبات، نظارت بر دی‌اکسیدکربن از فضا را ارتقا خواهد بخشید. چنین سنجش‌هایی در تحقیقات تغییرات آب‌وهوایی از اهمیت بسیاری برخوردارند. با بهبود درک محققان از میزان جذب تشعشعات توسط دی‌اکسیدکربن، عدم اطمینان‌ در مدلسازی تغییرات اقلیمی کاهش می‌یابد و درخصوص این‌که در طول چند دهه‌ آینده زمین چه اندازه در حال گرم شدن است پیش‌بینی‌های درست‌تری به دست دهد.

این تحقیق توسط دانشمندان کالج دانشگاهی لندن، دانشگاه علوم روسیه، موسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا و دانشگاه نیکولاس کوپرنیک لهستان انجام شده و نشان می‌دهد که قوانین پایه‌ای مکانیک کوانتوم چگونه به پیش‌بینی دقیق میزان جذب نورهای مختلف توسط دی‌اکسیدکربن کمک می‌کند.

محققان از محاسبات مبتنی بر معادلات مکانیک کوانتومی برای پیش‌بینی چگونگی جذب نور رنگهای مختلف توسط مولکول گاز دی‌اکسید کربن استفاده کردند. آنها همچنین از رایانه‌های قدرتمند برای انجام این پیش‌بینی‌ها بهره بردند که پس از آن با استفاده از سنجش‌های دقیق بدست آمده با روش بسیار حساس (CRDS) تائید شدند.

اگرچه این معادلات مکانیک کوانتومی از مدتها قبل و پیش از تهیه این محاسبات دقیق وجود داشتند، با این حال، بدون فناوری‌های مدرن امکان استفاده از آنها برای این کار وجود نداشت.

ترکیبی از رایانه‌های مدرن و روشهای بدیع حل مشکل به این معنی است که در حال حاضر دانشمندان می‌توانند از نظریه کوانتوم برای محاسبه قدرت جذب نور در هر طول موج توسط دی‌اکسید کربن استفاده کنند.

این کشف به دانشمندان کمک می‌کند از چگونگی کارکرد دی‌اکسیدکربن در جو مطلع شده و به طور دقیق منابع انتشار این گاز را تشخیص دهند که این امری حیاتی در پیش‌بینی وضعیت آینده زمین است.

پایش دقیق‌تر دی‌اکسیدکربن ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک