ماکسول چه کرد؟

آمپر به صورت تجربی رابطه‌ای بین چگالی جریان الکتریکی و میدان مغناطیسی یافته بود. چگالی جریان الکتریکی به صورت نسبت جریان به مساحت سطحی که از آن عبور می‌کند، تعریف می‌شود. اما یک ایراد ریاضیاتی در این رابطه وجود داشت که ماکسول آنرا با افزودن یک جمله به معادله رفع کرد. اما مفهوم این جمله چه بود و چه اهمیتی داشت؟

این جمله‌ی اضافه شده، جریان جابه‌جایی نام دارد و شامل تغییرات میدان الکتریکی در زمان است. معادله‌ی تصحیح شده، نمایانگر اتحادی میان الکتریسیته و مغناطیس بود. یک میدان الکتریکی متغیر با زمان می‌تواند میدانی مغناطیسی ایجاد کند. از طرفی، محاسبات نشان می‌داد که میدان مغناطیسی متغیر با زمان نیز، میدانی الکتریکی تولید می‌کند و این چنین پیوند بین الکتریسیته و مغناطیس تکمیل شد. الکتریسیته و مغناطیس که دو مقوله‌ی جدا از هم پنداشته می‌شدند، توسط این معادلات در هم تنیده شدند.
علاوه بر این، معادلات ماکسول موجی را پیش بینی می‌کرد که سرعتی برابر با سرعت نور داشت. سرعت نور پیش از این به صورت تجربی اندازه‌گیری شده بود و بر این اساس ماکسول نتیجه گرفت که نور باید نوعی موج الکترومغناطیس باشد.
🆔 @Physics3p

در پست «ماکسول چه کرد؟» توضیح دادیم که معادلات ماکسول موجی را پیش بینی می‌کرد که سرعتی برابر با سرعت نور داشت. تا پیش از این، امواج مکانیکی شناخته شده بودند. تمامی این امواج برای منتشر شدن نیاز به محیطی مادی داشتند که نوسانات پیوسته اجزا آن محیط، انرژی موج را منتقل می‌کرد. بنابراین طبیعی بود که ماکسول به دنبال محیطی برای انتشار امواج الکترومغناطیس باشد. او این محیط فرضی را اتر نامید. اتر محیطی بود که نوسانات اجزا آن انرژی امواج الکترومغناطیس را منتقل می‌کرد و کل فضا را پوشانده بود. پس از آن فیزیکدانان تجربی سعی کردند سرعت رانش زمین درون اتر را اندازه‌گیری کنند. اگر اتر واقعاً وجود داشت چارچوبی مطلقاً لَخت بود. با توجه به اینکه چارچوب های لخت برای فیزیکدانان اهمیت خاصی دارد، نیاز بود که مقدار سرعت رانش زمین درون آن مشخص باشد از طرفی این آزمایشات می‌توانست تأییدی بر وجود اتر باشد. از معروفترین آزمایشاتی که با دقت بسیار بالایی در این زمینه انجام شد، آزمایش مایکلسون-مورلی بود. اما نتایج آزمایش فرضیه اتر را تأیید نمی‌کردند. البته فیزیکدانان به همین سادگی اتر را رها نکردند و برای توجیه نتیجه آزمایش مایکلسون-مورلی تلاش خود را کردند. يكی از اين توجيه ها توسط فيتز جرالد مطرح شد: جسم در راستای حركت خود درون اتر منقبض می‌شود. پس از آن لورنتس نظريه جرالد را تكميل كرد. فرضيه ديگری كه مطرح شد، فرضيه كشش اتری بود كه بنا به آن فرض می‌شد اتر همراه اجسامی که درون آن حرکت می‌کنند کشیده می‌شود. تا اينكه اينشتين با اصل ثابت بودن سرعت نور گره را گشود و نظريه‌ای كه به آن نسبيت خاص می‌گويند را پايه ريزی كرد.

🆔 @physics3p

‍ از آنجایی که ساز و کار دنیای فیزیکی از قرارداد های ریاضی ما مستقل هستند، باید بتوان قوانین فیزیک را به شکل ناوردا برای یک دستگاه مختصات عام نوشت. بنابراین لازم است شکل تبدیل کمیت‌های فیزیکی بین دو دستگاه را بدانیم. برای مثال قانون دوم نیوتن در دستگاه دکارتی به صورت F=ma نوشته می‌شود. این معادله در شکل هموردای خود در تصویر آمده است. با توجه به دستگاه مختصاتی که اختیار می‌کنیم، x ها و ضریب کریستوفل که با گاما نشان داده شده است، تعیین می‌شوند. x با بالانویس i مختصه های دستگاه مختصات عام هستند. برای مثال در دستگاه دکارتی این x ها همان مختصه‌های x,y,z هستند یا در دستگاه استوانه‌ای r,θ,z هستند. همچنین F با بالانویس i مولفه‌های نیرو را در راستای x ها نشان می‌دهد.

بدین ترتیب با توجه به نوع تبدیل کمیت‌های فیزیکی را به سه دسته‌ی اسکالر، بردار و تانسور تقسیم می‌کنیم. اسکالر ها کمیت هایی هستند که با تبدیل دستگاه تغییری نمی‌کنند مانند جرم. جرم یک سیب چه در دستگاه S چه در ′S یکسان است. بردار ها به دو دسته‌ی کواریانت و کنترواریانت تقسیم می‌شوند که هرکدام شیوه تبدیل خاص خود را دارند. تانسور ها از ترکیب این بردارهای کواریانت و کنترواریانت ساخته می‌شوند. جالب است بدانید که تانسور ها تا پیش از نسبیت عام صرفاً موجودات ریاضی محض بدون کاربرد بودند. با ظهور نسبیت عام تانسورها به فیزیک وارد شدند و کاربرد گسترده‌ای یافتند. البته ریاضیدانان تانسور ها را به این شکل تعریف نمی‌کنند.
🆔 @Physics3p

نظریه ریسمان به زبان ساده

🆔 @physics3p

هرگاه بخواهیم کوتاهترین مسیر بین دو نقطه را در فضایی مشخص طی کنیم، باید در راستای ژئودوزیک ها حرکت کنیم. ساده ترین مثال این موضوع خط راست است. در فضای اقلیدسی خط راست کوتاهترین مسیر بین دو نقطه را نشان می‌دهد.

برای بدست آوردن معادله ژئودوزیک می‌توان به این صورت عمل کرد:

ابتدا یادآوری کنم که ضرب داخلی دو بردار مانند u و w در فضایی با متریک g با معادله ۱ بدست می‌آید. برای بدست آوردن عنصر طول ds برحسب پارامتر t از ضرب داخلی بردار سرعت استفاده می‌کنیم. (معادله ۲)
با استفاده از حساب وردش ها می‌توان می‌نیمم طول مسیر بین دو نقطه را با کمینه کردن انتگرال ۳ بدست آورد.
پس از استفاده‌ از فرمول اویلر معادله ژئودوزیک حاصل می‌شود. (معادله۴)

🔹 اگر به قانون دوم نیوتن که به صورت هموردا در «این پست» نوشته شده است دقت کنید متوجه خواهید شد در حالتی که نیروهای وارد بر جسمی صفر باشد معادله مسیر آن همان معادله ژئودوزیک است. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت جسم آزاد در راستای ژئودوزیک ها حرکت می‌کند.

🆔 @Physics3p

🔸 طول پلانک

میخواهیم ناحیه بسیار کوچکی از فضا را مشاهده کنیم. برای این کار ذره ای را به عنوان نشانه در این ناحیه قرار می‌دهیم. اما طبق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، هرچه این ناحیه را کوچکتر کنیم ذره با سرعت بیشتری می‌گریزد. بنابراین ذره انرژی بیشتری خواهد داشت. طبق نسبیت عام، انرژی بیشتر به معنای انحنای بیشتر فضازمان است. انرژی زیاد در ناحیه کوچکی از فضا به معنای آن است که فضا آنقدر خمیده خواهد شد که مانند ستاره‌ای در حال فروپاشی به یک سیاهچاله بدل می‌شود.... بنابراین نمی‌توانیم ناحیه‌های فضا را به اندازه دلخواه کوچک در نظر گرفت زیرا در این صورت در سیاهچاله‌ای محو خواهند شد. می‌توان نتیجه گرفت تقسیم پذیری فضا نیز محدودیت دارد. کمتر از مقیاسی مشخص نمی‌توان به چیزی دست یافت.
و اما کمینه این ناحیه از فضا چقدر است؟
این مقدار کمینه را که ماتوی برونشتین محاسبه‌ کرد، طول پلانک می‌نامند و از رابطه درون تصویر محاسبه می‌شود. مقدار آن تقریباً (33–)^10 سانتی متر است.
در این ابعاد است که گرانش کوانتومی خود را نشان می‌دهد.

📚 برگرفته از کتاب روی دیگر حقیقت نوشته کارل روولی

🆔 @Physics3p

‍ 🔹 معادله میدان اینشتین

برای بیان خمیدگی به زبان ریاضی از انتقال یک بردار به شکل موازی در یک حلقه بسته استفاده می‌کنیم. انتقال به صورت موازی یعنی انتقال بدون تغییر جهت و اندازه. مسیر انتقال موازی همان ژئودوزیک ها هستند. با توجه به اینکه تغییرات بردار در مسیر ژئودوزیک مولفه‌ی مماسی ندارد می‌توانیم مطمئن شویم که انتقال به صورت موازی انجام می‌شود.
در یک فضای تخت، هنگامی که برداری به صورت موازی روی یک حلقه بسته حرکت کند، در نهایت بردار اولیه و بردار انتقال یافته بر هم منطبق خواهند شد. اما در یک فضای خمیده چنین اتفاقی نمی‌افتد. هرچه زاویه بین بردار اولیه و انتقال یافته بیشتر باشد، نشان از این است که خمیدگی سطح بیشتر است. بنابراین روش خوبی برای سنجیدن خمیدگی موضعی سطح می‌باشد.
حاصل محاسبات به این روش، موجودی به نام تانسور ریمان است که بیان کننده میزان خمیدگی سطح می‌باشد.
تانسور ریچی که از تانسور ریمان ساخته می‌شود، تانسوری رتبه ۲ است که با ادغام آن، اسکالری به نام اسکالر انحنا بدست می‌آید.
معادله درون تصویر، معادله میدان اینشتین است. طرف چپ معادله به ترتیب تانسور ریچی، اسکالر انحنا و تانسور متریک، و طرف راست عدد ثابتی همراه تانسور انرژی-تکانه قرار دارد.
این معادله دینامیک فضازمان را نشان می‌دهد. در یک سمت معادله ویژگی های هندسی فضا زمان و در سمت دیگر جرم و انرژی.
بعد ها اینشتین به این معادله ثابت کیهانشناسی را اضافه کرد تا از انبساط (یا انقباض) کیهان جلوگیری کند. هرچند این جمله مشکل را برطرف نمی‌کرد. بعدها هابل اثبات کرد که کیهان در حال انبساط است. از این جمله در بعضی مدل های کیهانشناسی استفاده می‌شود.

🆔 @Physics3p

تقارن و ابر تقارن

در فیزیک هنگامی که گفته می شود یک سیستم تقارن دارد که ویژگی های آن، در نتیجه ی برخی از تبدیلات مثل چرخش در فضا و یا تصویر آینه ای خود، بدون تغییر بماند.

برای مثال اگر یک دونات را بچرخانیم به همان شکل اول دیده خواهد شد. اما ابر تقارن نوع دقیق تری از تقارن است که نمی توان آن را با تبدیل معمولی فضا، معادل دانست. یکی از تعابیر مهم ابر تقارن این است که ذرات نیرو و ماده و در نتیجه خود نیرو و ماده،در حقیقت تنها دو شکل مختلف از یک چیز هستند.

این به آن معناست که هر ذره ای از ماده برای مثال کوارک دارای یک همزاد به صورت ذره ای از نیرو می باشد. همین طور هر ذره ی نیرو مثل فوتون، دارای همزادی به صورت ذره ی مادی است. مفهوم ابر تقارن توانست مشکل مقادیر نامتناهی را در مدل استاندارد حل کند.

بنابراین در تئوری ریسمانها تبدیلاتی وجود دارد که طبق آن جای فرمیونها و بوزونها عوض می شود، اما با این تبدیلات نباید معادلات فیزیکی تغییر کنند، مسئله ی ابر تقارن در تئوری ریسمانهاء نقشی بسیار عمده بازی می کند. به این ترتیب که ادعا می شود برای هر ذره ی اتمی، یک ذره ی مشابه به نام ذره ی اس وجود دارد.(S ذره)

مسئله ی تقارن یا ابر تقارن می گوید برای هر ذره ای، ذره ی دیگری وجود دارد که همه چیز آن مانند ذره ی اولی است، به جز اینکه اسپین یا گردش داخلی آن ذره متفاوت است.

این چرخش درونی به نوبه ی خود به دو صورت می باشد، بسته به این که عدد اسپین صحیح باشد یا کسری، یا بوزون است یا فرمیون. برای مثال فوتون و ذره ی هیگز بوزون می باشند، اما الكترون یا کوارک فرمیون هستند.

به عبارتی مهم تر ابر تقارن ارتعاشات کوانتومی را رام می کند. بی نهایت ها حذف می گردند. ابر تقارن در نظریه ی ریسمانها به خوبی جای می گیرد و تمام نتایجی که در انرژی های بالاتر از تئوری ریسمانها گرفته می شود، نشان می دهد که این ابر تقارن بایستی وجود داشته باشد.

اما زمانی که انرژی پایین است، این ابر تقارن شکسته می شود، و هنگامی که ابر تقارن می شکند آن وقت ذراتی که جفت بودند می توانند پس از جدا شدن (شکسته شدن ابر تقارن) دارای جرم های مختلفی شوند. امید است در آزمایش سرن بتوان برای ذرات، جفت ابر تقارنی آنها را پیدا کرد.

🆔️ @physics3p

🔹اصل طرد پاولی و چگالش بوز–اینشتین

در کوانتوم عملگرهایی به نام خلق و فنا وجود دارد که عملگر خلق، یک پیکربندی nذره‌ای را به (n+1)ذره‌ای و عملگر فنا، پیکربندی nذره‌ای را به (n–1)ذره‌ای می‌برد. بنابراین با اعمال n بار عملگر خلق می‌توان پیکربندی‌ با n ذره تولید کرد و برعکس با اعمال متوالی عملگر فنا می‌توان سیستمی از ذرات را به حالت خلأ برد.
دو ذره بنیادی را در نظر بگیرید که در مکان ۱ و ۲ قرار دارند. عملگری به نام P تعریف می‌کنیم که جای این دو ذره را با یکدیگر عوض می‌کند. اگر این عمگر را دو بار اعمال کنیم باید به حالت اولیه برسیم یعنی P²=1 بنابراین برای P دو انتخاب 1 و 1- داریم. P=1 ذراتی را توصیف می‌کند که می‌توانیم بدون ایجاد تغییری جایشان را باهم عوض کنیم. عملگر خلق این ذرات با یکدیگر جابه‌جا می‌شوند (ab=ba). طبق این رابطه، می‌توان بدون هیچ مشکلی این ذرات را در یک نقطه انباشته کرد که به آن چگالش بوز-اینشتین می‌گویند. این رفتار مربوط به بوزون ها یا همان ذرات حامل نیروست. P=-1 مربوط به ذراتی است که عملگرهای خلق آن پادجابه‌جا هستند (ab=-ba). این ذرات را طبق این رابطه نمی‌توان در یک حالت جای داد که مربوط به فرمیون ها یا همان ذرات مادی است که از اصل طرد پاولی پیروی می‌کنند.
اگر این قانون برای فرمیون ها وجود نداشت، هیچ اتم، مولکول و در نهایت هیچ ساختار مادی وجود نداشت.

🆔 @Physics3p

📚 کتاب فیزیک مدرن در ۱۵ دقیقه

نوشته‌ی یوھان ھانسون
مترجم: داریوش شیری
🆔 @Physics3p

با نوشتن قانون دوم نیوتن در مختصات عمومی q(x,y,z) می‌توان معادلات حرکت لاگرانژ را بدست آورد. (معادله۱)
این معادله با می‌نیمم کردن تابع کنش S بدست می‌آید. (معادله۲) که به آن اصل حداقل کنش گفته می‌شود. این معادله ساده کل مکانیک کلاسیک را در بر دارد و علاوه بر ذرات با استفاده از آن می‌توان میدانها را نیز توصیف کرد.
اصل کمترین کنش بیان می‌کند که در بین بینهایت مسیر بین دو نقطه، ذره کلاسیکی مسیری را انتخاب می‌کند که در آن کنش کمینه باشد.
فاینمن با ایده گرفتن از اصل کمترین کنش مکانیک کلاسیک، فرمول‌بندی مکانیک کوانتوم را با انتگرال مسیر انجام داد. جنس احتمالاتی مکانیک کوانتوم موجب می‌شود که تمام مسیرهای بین A و B ممکن باشد و به هرکدام احتمالی اختصاص می‌یابد.
جالب آنکه مسیر کلاسیکی که از اصل کمترین کنش بدست می‌آید، مسیری است که در مکانیک کوانتوم محتمل‌ترین است.

🆔 @Physics3p

تحول زمانی هر کمیت مشاهده پذیر در مکانیک کلاسیک را می‌توان به صورت معادله ۱ نوشت. عبارت {f,H} کروشه پواسون f و هامیلتونی است.
تابع موج، حالت فیزیکی یک سیستم را کاملاً معین می‌کند. یعنی اگر این تابع مشخص باشد می‌توان ویژگی های سیستم را در آن لحظه و لحظات آینده تعیین کرد. بنابراین تحول زمانی تابع موج باید توسط خود تابع در آن لحظه تعیین شود. از طرفی طبق اصل برهمنهی این رابطه باید خطی باشد. (معادله۲) عملگر H را عملگر هامیلتونی می‌نامند (به دلیل آن پی خواهید برد).

می‌توان ثابت کرد که تحول زمانی هر مشاهده پذیر در مکانیک کوانتوم را میتوان به صورت معادله ۳ نوشت. [f,H]=fH–Hf عملگر جابه‌جاگر نام دارد.
احتمالاً شما نیز به یک تناظر زیبا بین عملگر جابه‌جا گر در مکانیک کوانتوم و کروشه پواسون مکانیک کلاسیک پی برده اید و علت آنکه عملگر H را هامیلتونی می‌نامند را متوجه شدید.
رابطه بین کروشه پواسون و عملگر جابه‌جاگر به صورت معادله ۴ است.

🆔 @Physics3p

معادله شرودینگر برای توصیف ذرات در قلمرو نسبیت خاص اعتبار نداشت. زیرا زمان و مکان به صورت متقارن در این معادله حضور نداشتند. مشتق نسبت به زمان از مرتبه یک و نسبت به مکان از مرتبه دو بود. (معادله ۱)
دو راه برای نسبیتی کردن مکانیک کوانتوم وجود داشت یا باید مشتق زمان نیز از مرتبه دو می‌شد یا مشتق مکان از مرتبه یک. علاوه بر این، باید با معادله انرژی-تکانه نسبیتی نیز سازگار می‌بود.
مسیر اول به معادله معروف کلاین گوردون (معادله۲) و مسیر دوم به معادله دیراک (معادله۳) منجر می‌شود.
معادله کلاین گوردون ذرات با اسپین صفر و معادله دیراک ذرات با اسپین 1/2 مانند الکترون و پروتون را توصیف می‌کند.

🆔 @Physics3p

🔸 معادله کلاین-گوردون
🆔 @Physics3p

•طی نوشتاری دیگر به معادله دیراک نیز می‌پردازیم.

🔹 قضیه نوتر
(برای ذرات)

🆔 @Physics3p

• اگر موافق نوشتار قضیه نوتر برای میدانها هستید 👍 کنید.

▫️ اسکالر، بردار و اسپینور

هرکدام از این کمیت‌های فیزیکی طبق قانون تبدیلشان تعریف می‌شوند. اسکالر ها تحت تبدیل بدون تغییر می‌مانند. بردار ها قانون تبدیل خاص خود را دارند. اسپینور ها موجودات دیگری هستند که تبدیلشان با بردار ها متفاوت است و نوع دیگری از کمیت ها را تعریف می‌کنند.
اسپینور ها دو نوع هستند، راست-کایرال و چپ-کایرال. تبدیلات چرخش این دو نوع یکسان است اما بوست (boost) آنها تفاوت اندکی دارد (در حد یک علامت منفی). ترکیب این دو، اسپینور دیراک نام دارد. اسپینور دیراک را به دلیلی مشابه با چهار-بردار های فضازمان تعریف میکنیم. تحت تبدیلات لورنتس مختصه‌های فضا و زمان در هم آمیخته می‌شدند و ما موجودی به نام چهار-بردار که شامل مختصه های فضایی و زمانی میشد تعریف میکردیم. اسپینور های راست-کایرال و چپ-کایرال نیز تحت تبدیلات پاریته در هم آمیخته می‌شوند و اسپینور های دیراک که ترکیب این دو نوع اسپینور است را تعریف میکنیم.

مانند میدانهای اسکالر و برداری، میدانهای اسپینوری نیز تعریف می‌شوند.
🔹 میدانهای اسکالر، کوانتوم های اسکالر یا اسپین-صفر دارند مانند میدان هیگز که کوانتوم آن یعنی ذره هیگز اسپین صفر دارد.
🔸 میدانهای برداری کوانتوم هایی با اسپین ۱ دارند مانند میدان الکترومغناطیس که کوانتوم آن یعنی فوتون ها، اسپین ۱ دارند.
🔹 و در نهایت، میدانهای اسپینوری کوانتوم‌هایی با اسپین ۱/۲ دارند مانند میدان الکترون که کوانتوم های آن اسپین ۱/۲ دارند.

🆔 @Physics3p

🔶 نظریه کالوزا-کلاین

اينشتين پس از نسبيت خاص دنبال نظريه جامعتری بود كه علاوه بر چارچوب های لخت، چارچوب های شتابدار را نيز در بر بگيرد. نتيجه‌ی تلاش ١٠ ساله او نظريه نسبيت عام بود كه گرانش را توصيف میكرد و گرانش عمومی نيوتن حالت خاصی از آن بود. نسبيت عام، گرانش را ناشی از هندسه فضازمان می‌داند. ماده و انرژی موجب خمش فضازمان شده و ما آنرا به شكل نيروی گرانش احساس می‌كنيم.
پس از اين اينشتين تلاش كرد تا الكترومغناطيس را هم اين‌چنين توصيف و گرانش را با آن متحد كند. البته پيش از او فيزيكدان فنلاندی گونار نوردشتروم با اضافه
كردن يک بعد مكانی سعی بر متحد ساختن نيروهای الكترومغناطيسی و گرانش كرده بود. منبع الهام او نسبیت خاص بود، با در نظر گرفتن ساختار ۴بعدی فضازمان، الکتریسیته و مغناطیس که در ۳بعد فضا دو مقوله متفاوت بودند، متحد می‌شوند. نوردشتروم نظريه‌ای ۵بعدی ساخته بود كه اتحاد بين گرانش و الکترومغناطیس را برقرار می‌كرد اما با شكست مواجه شد.
پس از آن در سال ١٩١٩ كالوزا نسبيت عام را در ۵بعد نوشت و معادلات ماكسول را از آن بدست آورد. از نظر كالوزا، عالم استوانه‌ای ۵ بعدی بود و جهان ۴ بعدی ما تصويری روی سطح آن. پس از آن كلاين نيز روی نظريه كالوزا كار كرد و اين ايده را مطرح كرد كه بعد مكانی اضافه در نظريه كالوزا، به شكل يک دايره‌ی بسيار كوچک پيچيده شده است.اين بعد اضافه ويژگی های نيروی الكترومغناطيس را مشخص می‌كرد.

اينشتين نيز كوشيد تا با استفاده از نظريه كالوزا- كلاين نظريه ميدان واحد خود را تكميل كند اما تلاش او بی ثمر ماند. هرچند نظريه كالوزا-كلاين موفق نشد و توصيف صحيحی از طبيعت نداشت اما روش رياضی آن برای فيزيكدانان مفيد بود.

🆔 @Physics3p

🔹 قضیه ارنفست

مقادیر چشم‌داشتی در مکانیک کوانتوم از قوانین مکانیک کلاسیک پیروی می‌کند.

🆔 @Physics3p