فیزیک کلاسیک؛ تاریخ جهان فیزیک پیش از کوانتوم

فیزیک علم طبیعت است. بشریت از روزی که پا به جهان نهاده با پدیده‌های طبیعی درگیر بوده است و از همان زمان اولین سرچشمه‌های تولید اقیانوسی بزرگ به نام فیزیک ایجاد شد. برای شناختن علم بیش از هر چیز می‌توانیم آن را چون موجودی زنده تصور کنیم، موجودی که در طول زمان از ترکیب اجزایی معین ابتدا شکل ساده، جنینی به خود می‌گیرد و سپس طی مراحلی متولد می‌شود و رشد می‌کند. اجزای تشکیل دهنده حالت جنینی علم، پاسخ‌های کمابیش درستی بوده‌اند، که ذهن انسان کنجکاو برای چراها و چگونگی‌های جهان پیرامون خود می‌بافته است. می‌توان گفت که نخستین مراحل تشکیل این حالت جنینی در یونان قدیم از میراث تمدن‌های مصر و بین النهرین صورت گرفته است و پس از پرورش در بطن تاریخ تحولات زندگی انسان، در اواخر قرن شانزدهم و اوایل قرن هفدهم به صورت آنچه که امروز علم می‌نامیم متولد شده است. این علم ویژگی‌هایی دارد که آن را از حالت جنینی و نیز از دیگر دانستنی‌های انسان متمایز می‌کند. مهم‌ترین ویژگی علم امروزی آن است، که بر پایه مشاهده و آزمایش استوار است و نظام‌های گوناگون آن با یکدیگر ارتباط منطقی دارند.

فناوری عبارت است از دانش کاربرد علم در کار استفاده از طبیعت و ساختن وسایلی که سبب تغییر محیط و کنترل نیروهای طبیعی می شود. فناوری با علم کاملا درهم بافته است. اکتشافات پی‌درپی موجب اختراع و ساختن وسایل تازه می‌شود و هر اختراع به نوبه‌ی خود اکتشافات بیشتر را ممکن می‌سازد. علم به شناخت چگونگی پدیده‌های طبیعی و علل آن‌ها می‌پردازد و فناوری از این شناخت استفاده می‌کند و با اختراع و ساختن ابزارهای تازه، آن پدیده‌ها را تحت کنترل آدمی در می‌آورد. با استفاده از مطالعات علمی درباره نور و خواص عدسی‌ها، تلسكوپ ساخته شد و این پیشرفتی در زمینه فناوری بود. به یاری تلسکوپ حوزه دید آدمی گسترش یافت و انسان توانست اهله زهره را ببیند و به این ترتیب تلسکوپ، اصول هیئت کوپرنیکی را تأیید کرد و ناتوانی هیئت بطلمیوسی را در زمینه تبیین ساختمان منظومه شمسی نشان داد.

متفکران قدیم با دیدی کنجکاوانه به پیرامون خود می‌نگریستند، ولی برای توضیح وقایع و حل معماهایی که با آن‌ها برخورد می‌کردند، تنها به اندیشیدن اکتفا می‌کردند و از این راه به نظرها و نتایجی دست می‌یافتند. اینان در بیشتر موارد برای تحقیق درستی نظر خود به آزمایش متکی نبودند، بنابراین با کارهای عملی آشنایی چندانی نداشتند و در جریان تکامل اجتماعی انسان، نطفه‌ی «علم محض» یعنی طلب علم به خاطر علم بسته شد. پدید آمدن علم محض در قرن پنجم پیش میلاد را معجزه يونان خوانده‌اند، در آن دوران اندیشه‌های ریاضی علاوه بر آن که روش‌هایی برای اندازه‌گیری و محاسبات در اختیار می‌گذاشت بلکه به صورت دانشی قیاسی در آمد.

فیزیک از واژه یونانی physikos به معنی طبیعی و physis به معنی طبیعت گرفته شده است.در نتیجه فیزیک علم طبیعت است و به عبارتی در عرصه علم پدیده‌های طبیعی را بررسی می‌کند. ماده و انرژی اولین مفاهیمی بودند، که بشر با آن‌ها برخورد کرد و به دنبال ایجاد درکی عمیق و دقیق‌تر از آن بود، بنابراین علم فیزیک رفتار و اثر متقابل ماده و انرژی را مطالعه می‌کند. مفاهیم بنیادی پدیده‌های طبیعی تحت عنوان قوانین فیزیک مطرح می‌شوند. این قوانین توسط علوم ریاضی فرمول‌بندی می‌شوند به طوری‌که قوانین فیزیک و روابط ریاضی با هم در توافق بوده و مکمل هم هستند، در عمل می‌توان ریاضی را زبان فیزیک نامید، شما پدیده‌های مختلف را می‌بینید و درک می‌کنید، اما هنگامی که می‌خواهید آن‌ها را بیان کنید، نیاز به یک زبان مشترک برای بیان کردن دارید، آن زبان ریاضی است.

از روزگاران باستان مردم سعی می‌کردند رفتار ماده را بفهمند و در جست‌وجوی پاسخ سوالاتی نظیر؛ چرا مواد مختلف خواص متفاوت دارند، چرا برخی مواد سنگین‌ترند و… بودند. همچنین نحوه‌ی تشکیل زمین، جهان و رفتار اجرام آسمانی مانند ماه و خورشید برای همه معما بود. پیش از ارسطو تحقیقاتی که مربوط به فیزیک می‌شد، بیشتر در زمینه نجوم صورت گرفته بود. علت این بود که بعضی از مسائل نجوم، معین و محدود بود و به آسانی از مسائل فیزیک قابل تفکیک بودند. در برابر سوالات مطرح شده گاه خرافات ایجاد و گاه نظریه‌هایی پیشنهاد می‌شد، که غالب آن‌ها نادرست بود. این تئوری‌ها اغلب برگرفته ازعبارت‌های فلسفی بودند و هرگز به وسیله تجربه و آزمایش محک نمی‌خوردند. بعضی مواقع نیز جواب‌هایی داده می‌شد که به صورت اجمالی و با تقریب، کافی به‌نظر می رسید.

در مقاله‌ی مکانیک کلاسیک نظریه‌ و دیدگاه ارسطو را راجع به موضوع حرکت بررسی و بیان کردیم. در قرن ۱۷، گالیله برای اولین بار به منظور قانونی کردن تئوری‌های فیزیک، از آزمایش استفاده کرد، امری که به شدت مخالفت کلیساها و افراد مذهبی آن زمان را بر انگیخت و چیزی نمانده‌ بود که این مرد بزرگ جانش را از دست بدهد. گالیه نظریه‌ها را فرمول‌بندی کرد و چندین نتیجه از دینامیک و اینرسی را با موفقیت آزمایش کرد.

داستان پر پیچ و خم علم

عصر تاریکی

با سقوط امپراطوری روم در اواسط قرن پنجم میلادی، تمدن در اروپای غربی به سطح بسیار پایینی رسید. تعلیم و تربیت تقریباً از بین رفت و تنها راهبان کاتولیک و معدود افراد غیر روحانی با فرهنگ و دانش یونانی و لاتین ارتباط نزدیک داشتند. در این دوران دانش باستان توسط دانشمندان اسلامی محفوظ ماند، دانشمندان اسلامی ضمن آن‌که دانش یونانی را حفظ کردند، اندوخته‌های علمی ایران باستان، چین و هند را را نیز جمع آوری نموده و خود نیز به باروری آن کوشیدند. خلفای بغداد به حامیان علم بدل گشتند و اندیشمندان برجسته‌ای را به دربار خود فراخواندند. آثار هندی و یونانی از جمله آثار برهمگویت و اصول اقلیدسی و مجسطی به عربی ترجمه شد. در این عصر دانشمندان زیادی به نوشتن آثاری در زمینه‌ی ریاضیات و نجوم پرداختند، که مشهورترین آنها محمد ابن موسی الخوارزمی بود. خوارزمی رساله‌ای در جبر و کتابی درباره ارقام هندی نوشت که بعدها در قرن دوازدهم به زبان لاتین ترجمه شد و تاثیر زیادی بر اروپا گذاشت. ابوالوفا بوزجانی کتب بطلمیوس را ترجمه و تشریح کرد و نقد و تفسیری بر کتاب دیوفانتس نوشت. اصیل‌ترین و بدیع ترین اثر جبری حل معادله درجه سوم توسط خیام به‌وجود آمد. وی اصلاحیه دقیقی نیز برای تقویم انجام داد. خواجه نصیرالدین‌طوسی اولین اثر در باب مثلثات مسطحه و کروی را نوشت و کار پیشتر خیام را با شرح و تصیحیحاتی منتشر و تکمیل کرد. اثر او به حدی قوی بود، که ساکری کارش را در هندسه نااقلیدسی با یادداشتی از نوشته های او در باب توازی شروع کرد. نوشته های خواجه نصیرالدین توسط جان والیس در آکسفورد تدریس شد.

ابن هیثم که در غرب به الهازن شناخته می شود، بزرگترین فیزیکدان مسلمان شناخته شده است. وی رساله‌ای در باب نور نوشت و ذره‌بین را کشف کرد. به نسبت زاویه تابش و زاویه انکسار پی برد و اصول تاریک‌خانه را شرح داد و در مورد قسمت‌های مختلف چشم بحث کرد. رساله‌ی نور ابن هیثم نفوذ زیادی در اروپا گذاشت. کارهای وی توسط کمال الدین فارسی پیگیری شد.

انتقال علم و رخ دادن رنسانس

ارتباط غرب با جوامع اسلامی به‌خصوص به دلیل تبادلات اقتصادی که باهم داشتند، موجب توجه آنان به آثار علمی اندیشمندان اسلامی شد. در این دوره مسیر برعکسی آغاز شد، از آن جا که بسیاری از آثار نجومی یونان باستان از بین رفته بود و فقط ترجمه عربی آن باقی مانده بود به لاتین ترجمه شدند. در این دوره بود که تعداد زیادی از اصطلاحات عربی به زبان‌های اروپایی راه پیدا کرد. در حدود سال ۹۵۰ میلادی ژربر متولد شد، وی در مدارس مسلمانان اسپانیا درس خواند و با یادگیری نسبی زبان عربی در پی گسترش و آموزش آن به جامعه خویش برآمد. ژربر مورد سوء ظن معاصرانش قرار گرفت و متهم شد که روح خود را به شیطان فروخته است. با این حال ژربر به تدریج در کلیسا ترقی کرد و سرانجام در سال ۹۹۹ به مقام پاپ انتخاب شد. با انتخاب شدن او به عنوان پاپ، آثار کلاسیک علوم یونانی و اسلامی به سرعت وارد اروپای غربی شدند

در حدود ۱۱۲۰ میلادی یک راهب انگلیسی به نام آدلارد باثی که در اسپانیا درس خوانده بود، خود را در جامه‌ی یک طلبه در آورد و به بخشی از دانش که شدیداً مورد حفاظت بود، دسترسی پیدا کرد. وی اصول اقلیدس و جدول‌های خوارزمی را به لاتین ترجمه کرد. بدین ترتیب قرن دوازدهم میلادی به قرن ترجمه آثار و فرهنگ و دانش اسلامی بدل گشت. کوشاترین مترجم این عصر گراردوی کرمونایی بود که بالغ بر ۹۰ اثر عربی را به لاتین ترجمه کرد. مجسطی، اصول اقلیدس و جبر خوارزمی از جمله آثار ترجمه شده او بودند.

در حدود سال ۱۲۵۰ میلادی، اکوایناس اساس استدلال و منطق ارسطو را به‌کار برد. وی بر اساس اصول ارسطویی سیستم تومیسم را بنیاد نهاد، که در حال حاضر نیز پایه الهیات کلیسای کاتولیک رومی است. دیگران نیز به زودی از احیای اندیشه‌های یونانی در زمینه‌های دنیوی استفاده کردند و به تدریج اندیشه‌های ارسطو چیزی بیشتر از یک دانش شد و حالتی مقدس‌گونه به خود گرفت. ایجاد شدن حالت مقدس مآبانه به تدریج اعتراض خردمندان را برانگیخت، اما به دلیل جو غالب آن زمان اکثر آنان جرئت علنی کردن اعتراضات خود را نداشتند، در این زمان بود که کوپرنیک کتاب خود را منتشر  و نظریه‌ی انقلابی خود را بیان کرد که در آن یکی از بدیهیات اختر شناسی آن زمان، یعنی دستگاه زمین مرکزی منظومه شمسی رد شد. او بیان کرد که زمین در مرکز کائنات قرار ندارد، بلکه این خورشید است که در مرکز منظومه شمسی است و سایر سیارات از جمله زمین به دور آن در حال گردشند. کار کوپرنیک به حدی با ارزش بود، که از به عنوان ایجادکننده‌ی سنگ بنای رنسانس یاد می‌کنند.

رنسانس به معنای قبول نداشتن کلیسا و عقاید آن و بازگشت به یونان و روم باستان است. در یونان و روم باستان اصالت با انسان بوده است. رنسانس در سال‌های ۱۳۰۰ میلادی از ایتالیا آغاز شد و در طول سه قرن در سراسر اروپا انتشار یافت. به‌ندرت در دوره‌ای چنین کوتاه ازنظر تاریخی، رخدادهای گوناگونی به وقوع می‌پیوندد؛ حال آن‌که این قرن‌ها سرشار از تغییرات اساسی و فعالیت‌های بزرگ است. جهان امروزی نتیجه‌ی همین فعالیت‌هاست، زیرا رنسانس پایه‌های اقتصادی، سیاسی، هنری و علمی تمدن‌های کنونیِ غرب را بنا نهاد. دانش و هنر پیشرفت‌های عظیمی در ایتالیای سده‌ی ۱۵ و ۱۶ میلادی به‌وجود آوردند. این احیای فرهنگی به «رُنِسانس» (یعنی «نوزایش») مشهور شده‌است. دانشمندان، سرایندگان و فیلسوفانی ظهور کردند، که با الهام گرفتن از میراث روم و یونان، با دیدگانی تازه‌تر به جهان می‌نگریستند. نقاش‌ها به مطالعه‌ی کالبد انسان پرداختند و اعضای بدن انسان را به شیوه‌ی واقع‌گرایانه‌ای نقاشی می‌کردند. فرمانروایان، ساختِ ساختمان‌ها و کارهای بزرگ هنری را سفارش دادند. این عقاید تازه به‌سرعت در سراسر اروپا گسترش یافت. بدین ترتیب علم فیزیک نیز پیشرفت شایانی داشت و به زیرشاخه‌هایی نظیر مکانیک، الکترومغناطیس و ترمودینامیکتقسیم شد و در هر مبحث به یافته‌های فراوان و نوینی دست یافت.

مکانیک

فیزیک از مشاهدات ساخته می‌شود. هیچ نظریه‌ی فیزیکی نمی‌تواند موفقیت‌آمیز باشد، مگر آن‌که با مشاهدات تایید شود و نظریه‌ای که قويا با مشاهدات حمایت شود را نمی توان انکار کرد. برای ما این مطالب حقایقی بدیهی است. اما در اوایل قرن هفدهم این درس‌ها هنوز آموخته نشده بود. کسی که نخستین بار این آموزه را مطرح کرد که مشاهدات در علم، عاملی اساسی است و درجه‌ی اهمیت بالایی دارد، گالیلئو گالیلی (گالیله) بود.

گالیله ابتدا به مطالعه حرکت اجسام زمینی، پاندول‌ها، گلوله‌های در حال سقوط آزاد و پرتابه‌ها پرداخت. او مشاهداتش را به زبان ریاضی تناسب‌ها خلاصه و داده‌های آزمایشی‌اش را به صورت ایده‌آل شده بزرگی برون‌یابی می‌کرد، که امروزه آن را اصل اینرسی (لختی) می‌نامیم. این اصل به ما می‌گوید، که یک جسم پرتاب شده در امتداد یک سطح بی‌نهایت بدون اصطکاک، حرکتش را برای همیشه، با سرعت ثابت، ادامه می‌دهد. مشاهدات او آغاز علم حرکت بود که امروزه آن را مکانیک می‌نامیم.

گالیله آسمان شب و روز را نیز با تلسکوپی که تازه اختراع شده بود، مشاهده کرد. او توانست اهله زهره، کوه‌های ماه، لکه‌های خورشیدی و قمرهای مشتری را با تلسکوپ ببیند. این مشاهدات سماوی مبنای یک مکانیک سماوی شد، که در آن خورشید در مرکز جهان جای می‌گرفت. آموزه‌ی کلیسا به گونه دیگری بود، آن‌ها زمین را مرکز عالم می‌دانستند و تقدس خاصی برای این موضوع قائل بودند. تعارض بين تلسکوپ گالیله و جزمت کلیسا برای گالیله ادبار آفرین بود، اما در نهایت تلسکوپ فائق آمد و داستان شورانگیز این برخورد، مهمترین درس را به گالیله آموخت.

گالیله در سال ۱۶۴۲ چشم از جهان فرو بست و در همان سال، بزرگترین جانشین او، آیزاک نیوتون چشم به جهان گشود. نیوتون از مبانی گالیله براساس مفاهیم جرم، اندازه حرکت و نیرو و سه قانون حرکت، یک سیستم مکانیکی ساخت. نیوتون همچنین یک زبان ریاضی؛ روش فلوکسیون، که بسیار نزدیک به حسابان دیفرانسیل و انتگرال امروز ماست برای بیان سیستم مکانیکی‌اش، اختراع کرد. اما در یک پیچ و خم تاریخی بسیار عجیب، خود او به ندرت این زبان ریاضی را به کار گرفت. مکانیک نیوتون اهمیت جهانی داشت و هنوز هم دارد. این مکانیک برای توضیح حرکت اجسام زمینی و فراتر از آن برای سیارات، ستارگان و کهکشان‌ها به کار می‌آید. یک مفهوم وحدت بخش بزرگ، نظریه‌ی گرانش جهانی نیوتون است. بر اساس این مفهوم همه اجسام کوچک، بزرگ و نجومی (به استثنای چند مورد نامتعارف) با نیرویی که از یک قانون ساده عکس مجذور پیروی می‌کند، یکدیگر را جذب می‌کنند. گالیله و نیوتون بنیانگذاران فیزیک جدیدند. آنان قواعد بازی و این عقیده راسخ ماندگار را به ما اهدا کردند، که جهان فیزیکی فهم‌پذیر و قابل درک است.

ترمودینامیک

اکنون تاریخ ما از مکانیک، علم حرکت، به ترمودینامیک، علم گرما باز می‌گردد. نظریه‌ی گرما تا اواخر قرن هجدهم، گرما را سیالی بی وزن به نام «کالریک» می‌دانست، به صورت یک علم کمی ظاهر نشد. شباهت این سیال را به صورت جریان ظاهری گرما از دمایی بالا به دمایی پایین تصور می‌کردند. مهندسان قرن هجدهم می‌دانستند که یک ماشین حرارتی چنان‌چه اجزای آن ماهرانه طراحی شده باشند، با استفاده از این جریان گرمایی می تواند برون‌داد کار مفیدی تولید کند.

فرض اساسی نظریه کالریک این بود که گرما پایستار است، یعنی تباهی ناپذیر و خلق ناشدنی است. این فرض برای پیشگامان نظریه گرمایی، از جمله سعدی کارنو، که مطالعات او درباره ماشین حرارتی آغاز داستان ما از ترمودینامیک است، به خوبی کارآمد بود. اما در سالهای ۱۸۴۰ رابرت مایر، جیمز ژول، هرمان هلمهلتز و دیگران این فرض پایستاری گرما را به نقد کشیدند. انتقاد آنان نظريه‌ی کالریک را از میان برد، اما برای ایجاد یک نظریه‌ی جدید کافی نبود. وظیفه ساختن علم گرمایی جدید که سرانجام ترمودینامیک نامیده شد، در سالهای ۱۸۵۰ به دامان ویلیام تامسنه و رودولف کلازیوس افتاد. یکی از اجزای اساسی نظریه آنان، این مفهوم بود که هر سیستمی یک خاصیت ذاتی دارد. تامسن این خاصیت را انرژی نامید و بر این باور بود که انرژی تا حدی با حرکت کاتورهای مولکولهای سیستم مربوط است. او نتوانست این تعبیر مولکولی را بهبود بخشد، زیرا در اواسط قرن نوزدهم ساختار، رفتار و حتی وجود مولکول‌ها بحث‌انگیز و مورد اختلاف بود. اما او به این دریافت رسید که انرژی سیستم پایستار است، نه گرمای آن. او این استنتاج را در معادله‌ی دیفرانسیلی ساده‌ای بیان کرد.

در ترمودینامیک جدید، انرژی، شریکی همتراز به نام آنتروپی دارد. کلازیوس مفهوم انتروپی را ارائه و نامگذاری کرد، اما درباره تشخیص اهمیت بنیادی آن مردد بود. او در یک معادله دیفرانسیلی ساده دیگر نشان داد که چگونه آنتروپی با گرما و دما مربوط می‌شود و رسما قانونی را بیان کرد، که امروزه به عنوان قانون دوم ترمودینامیک مشهور است. با این بیان که؛ در سیستم منزوی، آنتروپی به یک مقدار ماکزیمم افزایش می‌یابد. اما تردید داشت که از این پیشتر برود. این حالت تردید، بار دیگر ناشی از اعتبار فرضیه‌ی مولکولی بود.

ترمودینامیک نیز نیوتون خودش را داشت و آن فرد ویلارد گیبس بود. در جایی که کلازیوس تردید داشت، گیبس مردد نبود. گیبس به مشارکت انرژی- آنتروپی واقف بود و به آن مفهوم پتانسیل شیمیایی را افزود، که در مطالعه‌ی تغییر شیمیایی بسیار سودمند است. او بدون گرفتن راهنمایی زیاد از نتایج آزمایشی که معدودی از آن‌ها در دسترس بود. طرح خود را در مورد فهرست طویلی از پدیده‌های متفاوت به کار گرفت. شاهکار گیبس طولانی بود، اما او نوشته‌ای فشرده‌، به عنوان رساله‌ای درباره ترمودینامیک، در سال ۱۸۷۰ منتشر کرد.

رساله گیبس چشم اندازهای نظری بسیار فراتر از نظریه گرما را که کلازیوس و تامسن در جستجوی آن بودند، گشود. وقتی پیام‌های متعدد گیبس فهمیده (یا کشف مجدد) شد، قلمرو جدیدی پدید آمد. یکی از کاوشگران این قلمرو والتر نرنست بود. او در جریان تحقیق نظریه‌ای بود برای میل ترکیب شیمیایی، یعنی نیرویی که واکنش شیمیایی را به راه می اندازد. وی از راه غیر مستقیم در قلمرو فیزیک و شیمی دمای پایین به نظریه مطلوب خود دست یافت.

الکترومغناطیس

اکنون برای ادامه دادن داستان باید یک فلش بک بزنیم و بار دیگر به قرن ۱۹ باز گردیم.(توسعه و پیشرفت ترمودینامیک را کارنو در سال‌های ۱۸۲۰  آغاز و نرنست در سال‌های ۱۹۳۰ به پایان رساند) اکنون بار دیگر به سالهای ۱۸۲۰ و ۱۸۳۰ بازمی‌گردیم، با همان چشم انداز علمی که الهام بخش علم ترمودینامیک بود و موضوع روز آن، مبحث مرموز و کنجکاوانه فرایندهای تبدیل است. برای دانشمندان اوایل قرن نوزدهم آشکار بود که بسیاری از آثار تبدیل‌پذیر مانند؛ آثار گرمایی، مکانیکی، شیمیایی، الکتریکی و مغناطیسی مستلزم اصولی وحدت بخش و یگانه‌اند. ترمودینامیک ابتدا بر آثار گرمایی و مکانیکی متمرکز شد و از آن‌ها مفاهیم انرژی، آنتروپی و سه قانون بزرگ فیزیکی را استخراج کرد. سرانجام در پایان قرن نوزدهم، ترمودینامیک‌دانان به این کشف دست یافتند که زبان علم آنان همه‌ی آثار بزرگ مقیاس، یا درواقع کل جهان را در بر می‌گیرد.

در همان زمان وحدت‌های دیگری در حال اکتشاف بود. در سال ۱۸۲۰ اورستد. مشاهده کرد، که یک سیم حامل جریان الکتریکی عقربه مغناطیسی یک قطب‌نمای نزدیک به آن را به حرکت در می‌آورد. یعنی یک اثر الکتریکی، یک اثر مغناطیسی ایجاد می‌کند. همکاران اورستد به این رویداد توجهی نداشتند، اما یک جوان بلندهمت، یک دستیار آزمایشگاهی، در مؤسسه سلطنتی لندن به‌نام مایکل فارادی تحت تأثیر این رویداد قرار گرفت. فارادی در یک رشته آزمایش‌هایی که به طور درخشانی طراحی شده بود، آثار مغناطیسی بسیار بیشتری را کشف کرد، از جمله آن‌ها اکتشافاتی است که سنگ بنای موتورها و مولدهای الکتریکی امروزی محسوب می‌شود. در یکی از آخرین و مشکل‌ترین این آزمایش‌ها، فارادی کشف حیرت‌انگیزی کرد و آن این بود که نور قطبیده تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد. او با این مشاهده، نور را در حوزه پدیده‌های الکترومغناطیسی آورد.

فارادی بزرگترین آزمایشگر قرن نوزدهم بود، او با مهارت عالی‌اش در آزمایشگاه و همچنین با نظريه‌ی انقلابی‌اش تبدیل به یک الگو شده بود. او باور داشت که آثار مغناطیسی، الکتریکی و الکترومغناطیسی در فضا، در امتداد خطوط نیرویی که جمعا به عنوان یک میدان تعریف می‌شوند، می‌گذرند. وقتی چنین میدانی ایجاد شود، می‌تواند در همه جا حتی در فضای خالی وجود داشته باشد. معاصران فارادی به آزمایش‌های او باور داشتند، اما نظریه او را که اساسا مخالف نوعی نیوتونیسم شایع در آن زمان بود، نمی‌پذیرفتند.

اما دو جوان مخالف نظر عامه، که مشتاقانه معتقد به مفهوم میدان بودند به او پیوستند. یکی از آن دو، ویلیام تامسن و دیگری جوانی اسکاتلندی، به نام جیمز کلرک ماکسول بود، که بعدها بزرگترین نظریه پرداز قرن نوزدهم شد. تامسن یک نظریه‌ی ریاضی محدود از خطوط نیروی الکتریکی فارادی را باب کرد. ماکسول بسیار پیشتر رفت. در طی یک دوره تقریبا دو دهه، او بنای نظریه‌ای عظیمی را ایجاد کرد که آغاز آن با مفهوم میدان فارادی بود. این نظریه شامل مجموعه‌ای از معادلات دیفرانسیلی برای مؤلفه‌های الکتریکی و مغناطیسی میدان و منابع آن‌ها بود، که در چند خط این نظریه از همه‌ی پدیده‌های الکتریکی، مغناطیسی و الکترومغناطیسی مطالبی به طور متراکم، از جمله اثبات آزمایشی ماهیت الکترومغناطیسی نور به وسیله فارادی آورده شده بود.

حوزه و سودمندی معادلات ماکسول بسیار وسیع است. تعبیر فیزیکی این معادلات طی سال‌ها تغییر کرده است. امروزه ما منشا میدان الکتریکی را در بارهای الکتریکی و میدان مغناطیسی را در جریان‌های الکتریکی می‌دانیم. ماکسول بار الکتریکی را به عنوان محصولی از میدان در نظر می‌گرفت و فقط می‌توانست یک ارتباط غیر مستقیم بین میدان مغناطیسی و جریان‌های الکتریکی ببیند. اما خود معادلات در یک مقیاس کیهانی معتبر است. معادلات ترمودینامیک ماکسول، مانند قانون‌های دینامیک و گرانش جهانی نیوتون، وسعتی دارد که تا زوایای جهان امتداد می‌یابد

مکانیک آماری

در سه بخش نخستین مباحث؛ مکانیک، ترمودینامیک و الکترومغناطیس بررسی شد، که می‌توان آن‌ها را با عنوان وسیع‌تر «ماکرو فیزیک» – یعنی فیزیک اجسام با اندازه معمولی یا بزرگ‌تر، گروه بندی کرد. در این زیرشاخه به قلمرو بسیار متفاوت «میکروفیزیک» می‌پردازیم، که در اینجا به معنی فیزیک مولکول‌ها، اتم‌ها و ذرات زیر اتمی به کار برده می‌شود. میکروفیزیک به جز مبحث مکانیک آماری موضوع مورد بحث زیرشاخه‌هایی نظیر مکانیک کوانتومی، فیزیک هسته‌ای و فیزیک ذرات است. مولکول‌ها و اتم‌هایی که آن‌ها را در بر دارند بسیار کوچک‌اند، از لحاظ تعداد، اتم‌ها به طور باورنکردنی زیاد و حرکت آن‌ها آشفته و بی‌نظم است و جدا کردن و مطالعه‌ی انفرادی آن‌ها بسیار دشوار است. اما جمعیت آن‌ها را مانند جمعیت انسان‌ها، می‌توان با روش‌های آماری توصیف کرد. طرح کلی این روش‌ها تمرکز بر میانگین است نه بر رفتار فردی.

شرکت بیمه، میانگین مدت زندگی برای یک جمعیت مذکر شهری با درآمد معین را محاسبه می‌کند. فیزیکدان نیز میانگین انرژی برای جمعی از مولکول‌های گاز، که حجم معینی در فشار معین را اشغال کرده است جستجو می‌کند. این روش برای امور شرکت بیمه به قدر کافی مفید و سودآور است، اما سوددهی آن برای فیزیکدانان بیشتر است، زیرا کثرت مولکول‌ها بسیار بیشتر و پیشگویی درباره ویژگی‌های میانگین آن‌ها دقیق‌تر از پیشگویی درباره نفوس انسانی است. با تعیین مقدار انرژی، با مقدار میانگینی از بعضی خواص مکانیکی دیگر مولکول‌ها، فیزیکدانان آنچه را که گیبس مکانیک آماری می‌نامید، به کار می‌گیرند.

لودویک بولتزمن بزرگ مردی بود، که مهمترین مقالات درباره مکانیک آماری را در سالهای ۱۸۷۰ نوشت. برای بولتزمن، مفهوم آنتروپی مفیدترین بحث‌ها در مکانیک آماری بود. او یک مبنای مولکولی برای قانون دوم ترمودینامیک یافت و با الحاق آنتروپی به بی‌نظمی مفهوم آنتروپی را دست‌یافتنی کرد. بولتزمن اساس کار خود را بر مبانی کارهای ماکسول که او به نوبه خود از کلازیوس الهام گرفته بود، بنا نهاد. در اواخر سال‌های ۱۸۵۰ کلازیوس نشان داد، چگونه مقادیر میانگین برای سرعت‌های مولکولی و مسافت‌های طی شده مولکول‌ها بين برخورد با مولکول‌های دیگر، محاسبه می‌شود. او تشخیص داده بود که مولکول‌های کثیری از آن‌ها سرعت‌های متفاوتی دارند، که توزیع آن‌ها بیشتر یا کمتر از میانگینشان است، اما دانش آمار فیزیکی او راهی برای تعیین این توزیع نیافت. ماکسول در دو مقاله‌ای که در سال‌های ۱۸۵۸ و ۱۸۶۶ نوشت، قانون توزیع مولکولی نامعلوم را معین کرد و آن را به راه‌های متفاوت برای نظریه‌ی رفتار گازها به کار گرفت. امتداد توسعه‌ی مکانیک آماری از کلازیوس به ماکسول و سپس به بولتزمن و سرانجام تا گیبس ادامه یافت. رساله استادانه‌‌ای که گیبس در سال ۱۹۰۱ منتشر کرد، ساختاری رسمی به مکانیک آماری داد، که امروزه هنوز همان ساختار را دارد، حتی پس از مداخله آشوبناکی که نظریه کوانتوم فراهم آورد.

برای اعتقاد به مکانیک آماری، شخص باید به وجود مولکول‌ها باور داشته باشد. در آغاز قرن بیست و یکم ترغیب به این باور لزومی نداشت، اما در قرن نوزدهم بولتزمن مخالفان جدی و سرسختی داشت، که نمی توانستند واقعیت مولکول‌ها را بپذیرند. بولتزمن مشتاقانه رقبایش را دوستانه یا غیردوستانه به مناظره می‌کشید اما آنها پایدارتر ماندند. سپس آلبرت اینشتین مناظره را پذیرفت و نشان داد که چگونه مولکولها واقعی و رؤیت پذیرند.

عاقبت فیزیک کلاسیک

گفتیم که مکانیک، الکترومغناطیس و ترمودینامیک شالوده‌های فیزیک کلاسیک را تشکیل می‌دهند. در پایان قرن نوزدهم به نظر می‌رسید که فیزیک کلاسیک به پایان خود نزدیک شده است و تمام پدیده‌های فیزیکی را یا حتی تمام پدیده‌های طبیعی را با به کاربردن از قوانین این سه علم و با کمک گرفتن از ریاضیات می‌توان تبیین کرد. با مکانیک می‌توان، رفتار یک ذره یا دستگاهی از ذرات را تحت تاثیر هر نوع نیرویی به دقت مطالعه کرد. گستره و شمول این قوانین چنان بود که هم جورج تامپسون می‌توانست نسبت بار به جرم را برای الکترون‌ها یا اشعه‌ی کاتودی به‌دست آورد و هم جان کوچ آدامز می‌توانست وجود و موقعیت دقیق و جرم سیاره‌ای ناشناخته مثل نپتون را تنها با مطالعه اختلالات مداری اورانوس به درستی پیشگویی کنند. مکانیک را هم به این روش می‌شد، برای طراحی دقیق سازوکار تمام ماشین‌ها و ادوات مکانیکی که در صنعت استفاده می‌شد، به کار برد. دوره‌ی پنج جلدی «مکانیک سماوی» لاپلاس در حوالی سال‌های ۱۸۰۰ انتشار یافت، که در آن مکانیک تحلیلی برای مطالعه حرکات سیارات و انواع اختلال‌ها و جذر و مدهای آن‌ها به کار می‌رفت و هم چنین دوره‌ی سه جلدی فلیکس کلاین که فقط به مطالعه‌ی دینامیک جسم صلبی مثل فرفره می‌پرداخت، نشان دهنده این بود که مکانیک نیوتنی یک و نیم قرن پس از نیوتن و به کمک کارهای اویلر، لاگرانژ، هامیلتون، لاپلاس و دیگران به قدرت و شکوهی بی‌مانند رسیده بود.

الکتریسته و مغناطیس نیز وضعیتی مشابه داشتند، هم در فهم طبیعت و هم در کاربرد صنعتی. فارادی نه تنها توانسته بود، الکتریسته و مغناطیس را به هم پیوند بزند، بلکه ماکسول توانسته بود این دو را به همراه نور و امواج الکترومغناطیسی در یک دستگاه منسجم ریاضی متحد کند. دستگاهی که با دقت بی‌مانند برای توضیح تمام پدیده‌های الکترومغناطیسی و نوری از درون اتم گرفته تا ستارگان به کار می‌رفت. هرگاه با سیستم‌های بسیار بزرگ و بس ذره‌ای سرو کار داشتیم می ‌توان از مکانیک آماری و پیشگویی‌های آماری آن که برای مقاصد آزمایشگاهی و عملی کاملا کفایت می‌کرد، استفاده کرد. برای بررسی پدیده‌های دیگر مثل سیالات، اجسام الاستیک و نظایر آن تنها کافی بود که قوانین و روابط این نظریه‌های بنیادی را به طرز مناسب به‌کار ببریم

در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم به‌تدریج رخنه‌هایی در این بنای عظیم پیدا شد. برای برطرف کردن این رخنه‌ها و ترک‌ها بود که مشاهده و مطالعه‌ی دقیق سرانجام نشان داد، که در ورای این ساختمان پهناور یک دنیای کاملا نو و شگفت‌آور به نام دنیای کوانتومی وجود دارد و این جهان جدید تا دور دست‌ها گسترده است. امروزه برای ما بسیار دشوار است که جسارتی را که کاشفان این دنیای نو به خرج داده‌اند تا این سرزمین را با رازها و قوانین شگفتش به ما بشناسانند، درک کنیم. شگفتی‌های این دنیای نو تنها در پدیده‌های آن که از دسترس حواس و شهود ما دورند نیست، بلکه بیش از هر چیز این کیفیت رازآمیز ناشی از آن است که، برای درک آن می‌بایست هم یک زبان کاملا جدید و انتزاعی به کار ببریم و هم در بسیاری از مفاهیم بنیادی و فلسفی خود حتی آن‌ها که فراگیرتر از حوزه فیزیک هستند، نظیر علیت، قطعیت، آزادی و اختیار تجدید نظر کنیم.

آغاز فیزیک نوین

در سالهای ظهور قرن جدید میلادی، کاستی‌هایی رفته رفته در حال پدیدار شدن بودند، که پیروزی نظریات ماکسول را کمرنگ‌تر و کمرنگ‌تر جلوه و باعث بروز تدریجی نگرانی‌هایی شدند. به‌طور مثال آزمایش مایکلسون-مورلی در باب سرعت نور و زاویه‌ی حرکت زمین در اتر ناموفق بود. نظر هندریک لورنتز مبنی بر اینکه اتر قابلیت فشرده‌سازی ماده را داشته که ممکن است به نامرئی شدن آن منتهی شود، خود مشکلاتی را ایجاد می‌کرد، چرا که یک الکترون فشرده که توسط جوزف جان تامسون بریتانیایی در سال ۱۸۹۷ آشکارسازی گردیده بود ناپایدار قلمداد می‌شد. از سوی دیگر، اقسام تشعشع‌های غیر منتظره‌ی دیگری نیز توسط آزمایشگران در حال کشف شدن بود. این در حالی بود که فیزیک کلاسیک هیچگونه توجیه و تفسیر دقیقی برای توصیف پدیده‌ی ناپایداری و واپاشی هسته نداشت.

همچین فاجعه‌ی فرابنفش یا فاجعه ریلی جینز اشاره به نتیجه‌ای دارد که ناشی از اصول فیزیک کلاسیک تقسیم مساوی انرژی و تابش نوسانگرهای باردار برای توضیح تابش جسم سیاه در طول موج‌های کوتاه است. تابع توزیعی که بر این اصول پایه‌گذاری شده بنام قانون رایلی-جینز متناسب با معکوس توان چهارم طول موج() نمی‌تواند در محدوده فرکانس‌های پایین تابش جسم سیاه را به درستی توضیح دهد و از منحنی واگرا می‌شود از آنجا که این تابع بر مبنای اصول پذیرفته شده و اساسی فیزیک کلاسیک طرح شده بود و اینکه هنوز در آن زمان اصول کوانتوم فیزیک تدوین نشده بود این نتیجه ضربه‌ی سختی بر شالوده فیزیک کلاسیک بود که موجب زیر سؤال بردن اصول بدیهی فیزیک کلاسیک گردید.

مرگ یک فیزیکدان روزی است، که قدرت تحلیل خود را از دست بدهد! بنابراین پس از وارد شدن ضرباتی اساسی بر پیکره‌ی فیزیک کلاسیک، فیزیکدانان در پی طراحی و ایجاد جهانی جدید، به نام جهان کوانتومی برآمدند، تا بار دیگر بتوانند با تفکر و استفاده از قدرت منطق و ریاضیات، توانایی تجزیه تحلیل کردن و ارائه تفسیر از پدیده‌های فیزیکی را به دست آورند.