مکانیک کوانتومی شاخه‌ای بنیادی از فیزیک نظری است که با پدیده های فیزیکی در مقیاس میکروسکوپی سرو کار دارد. دراین مقیاس، کُنِش های فیزیکی در حد و اندازه های ثابت پلانک هستند. بنیادی ترین تفاوت مکانیک کوانتومی با مکانیک کلاسیک در قلمرو کوانتومی است که به ذرات در اندازه های اتمی و زیراتمی می پردازد. مکانیک کوانتومی بنیادی‌تر از مکانیک نیوتنی و الکترومغناطیس کلاسیک است، زیرا در مقیاس‌های اتمی و زیراتمی که این نظریه‌ها با شکست مواجه می‌شوند، می‌تواند با دقت زیادی بسیاری از پدیده‌ها را توصیف کند. مکانیک کوانتومی به همراه نسبیت عام پایه‌های فیزیک جدید را تشکیل می‌دهند.

اصل عدم قطعیت (به انگلیسی: Uncertainty principle) در مکانیک کوانتومی را ورنر هایزنبرگ، فیزیکدان آلمانی، در سال ۱۹۲۶ فرمول‌بندی کرد.

در فیزیک کوانتومی، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، اظهار می‌دارد که جفت‌های مشخصی از خواص فیزیکی، مانند مکان و تکانه، نمی‌تواند با دقتی دلخواه معلوم گردد. به عبارت دیگر، افزایش دقت در کمیت یکی از آن خواص مترادف با کاهش دقت در کمیت خاصیت دیگر است. این عبارت به دو روش گوناگون تفسیر شده‌است. بنا بر دیدگاه هایزنبرگ، غیر ممکن است که همزمان سرعت و مکان الکترون یا هر ذرهٔ دیگری با دقت یا قطعیت دلخواه معین شود. بنا بر دیدگاه گروه دوم، که افرادی چون بالنتین در آن قرار دارند، این عبارت راجع به محدودیت دانشمندان در اندازه‌گیری کمیت‌های خاصی از سیستم نیست، بلکه امری است راجع به طبیعت و ذات خود سیستم چنان که معادلات مکانیک کوانتومی شرح می‌دهد. در مکانیک کوانتوم، یک ذره به وسیلهٔ بستهٔ موج شرح داده می‌شود. اگر اندازه‌گیری مکان ذره مد نظر باشد، طبق معادلات، ذره می‌تواند در هر مکانی که دامنهٔ موج صفر نیست، وجود داشته باشد و این به معنی عدم قطعیت مکان ذره است. برای به دست آوردن مکان دقیق ذره، این بستهٔ موج باید تا حد ممکن «فشرده» شود، که یعنی، ذره باید از تعداد زیادی موج سینوسی که به یکدیگر اضافه شده‌اند (بر روی هم جمع شده‌اند) ساخته شود. از طرف دیگر، تکانهٔ ذره متناسب با طول موج یکی از این امواج سینوسی است، اما می‌تواند هر کدام از آن‌ها باشد. بنا بر این هر چقدر که مکان ذره –به واسطهٔ جمع شدن تعداد بیشتری موج- با دقت بیشتری اندازه‌گیری شود، تکانه با دقت کمتری معین می‌شود (و بر عکس). تنها ذره‌ای که مکان دقیق دارد، ذرهٔ متمرکز در یک نقطه است، که چنین موجی طول موج نامعین دارد (و بنا بر این تکانهٔ نامعین دارد). از طرف دیگر تنها موجی که طول موج معین دارد، نوسان منظم تناوبی بی‌پایان در فضا است که هیچ مکان معینی ندارد. در نتیجه در مکانیک کوانتومی، حالتی نمی‌تواند وجود داشته باشد که ذره را با مکان و تکانه معین شرح دهد. اصل عدم قطعیت را می‌توان بر حسب عمل اندازه‌گیری، که شامل فروپاشی تابع موج نیز می‌شود، بازگویی کرد. هنگامی که مکان اندازه‌گیری می‌شود، تابع موج به یک برامدگی با پهنای بسیار کم فروپاشیده می‌شود، و تکانهٔ تابع موج کاملاً پخش می‌شود. تکانهٔ ذره به مقداری متناسب با دقتِ اندازه‌گیری مکان، در عدم قطعیت باقی می‌ماند. مقداری باقی‌ماندهٔ عدم قطعیت نمی‌تواند از حدی که اصل عدم قطعیت مشخص کرده است، کمتر شود، و مهم نیست که فرایند و تکنیک اندازه‌گیری چیست. این بدین معنی است که اصل عدم قطعیت مربوط به اثر مشاهده‌گر است. اصل عدم قطعیت کمترین مقدار ممکن در آشفتگی تکانه، در حین اندازه‌گیری مکان، و بر عکس، را معین می‌کند. بیان ریاضی اصل عدم قطعیت این است که هر حالت کوانتومی این خاصیت را دارد که ریشه متوسط مربعِ (RMS) انحرافات از مقدار متوسط مکان (موقعیت) (انحراف استاندارد توزیع X):

ضرب در RMS انحرافات تکانه از مقدار متوسطش (انحراف استاندارد P):

هیچگاه نمی‌تواند از کسر ثابتی از ثابت پلانک کوچکتر باشد:

هر عمل اندازه‌گیری با دقت حالت کوانتومی را تقلیل داده و منجر به افزایش انحراف استاندارد تکانه به مقداری بزرگتر از می‌شود.

مهندسی الکترونیک (به انگلیسی: Electronic engineering) یکی از شاخه‌های مهندسی است که از دانش علمی رفتار و اثر الکترون‌ها استفاده نموده و به توسعه قطعات، دستگاه‌ها، سیستم‌ها، یا تجهیزاتی می‌پردازد که انرژی الکتریکی یکی از فاکتورهای آنهاست؛ همانند لامپهای خلاء، ترانزیستورها، مدارهای مجتمع و مدارهای چاپی. این واژه به شاخه‌ی وسیعی از مهندسی اشاره دارد که زیرشاخه‌های بسیاری را در بر می‌گیرد. شامل رشته‌هایی که با توان، مهندسی ابزار دقیق، مخابرات، ، و بسیاری دیگر در ارتباطند[۱]. این واژه همچنین بخش بزرگی از دوره‌های تحصیلی مهندسی برق را که در بیشتر دانشگاه‌های اروپایی تدریس می‌شود را شامل می‌شود. اگرچه در آمریکا، مهندسی برق شامل تمام شاخه‌های آن از جمله الکترونیک است. انجمن مهندسان برق و الکترونیک آمریکا یکی از مهم‌ترین و موثرترین سازمانهای این رشته‌های مهندسی به شمار می‌رود.

اغلب شما آلبرت اينشتين را می شناسید. او کسی بود که تئوری نسبیت را به ما ارائه داد. عده زیادی از بزرگان علم او را به عنوان نابغه ای بی همتا و بزرگترین دانشمند جهان می خوانند. بسیاری از نظریات و تحقیقات اينشتين باعث ایجاد تغییرات اساسی در روند پیشرفت علم  در جهان شده و تاثیرات  پایداری به ارمغان داشت. خدمات او در راستای علم قابل ستایش است.

اما بر خلاف همیشه  اینبار قصد داریم از جنبه ای دیگر به اينشتين بنگریم. زندگی او! حقایق مخفی درباره زندگی باهوش ترین نابغه دنیا . او چگونه بود؟ در زندگی و برخورد بادیگران چطور بود؟ آیا می دانید که اينشتين با یک سر بزرگ به دنیا آمده! طوری که مادرش تصور می کرد وی ناقص است؟! و یا اینکه قبل از ازدواج فرزندی داشته؟

مهندسی اپتیک ولیزر: اپتیک شاخه ای از علم فیزیک است که به مطالعه رفتار و خواص نور مرئی، مادون قرمز و فرابنفش می پردازد و دربسیاری از علوم (ستاره شناسی، مهندسی، پزشکی، عکاسی و...)کاربرد دارد. لیزر نیز به دلیل خواص متمایزش نقش بسيار مهمي در افزايش توليدات صنعتي، گسترش ارتباطات و پيشرفت صنعت چاپ و پزشکی دارد. در رشته مهندسی اپتیک و لیزر دانشجویان با انواع لیزر و اپتیک و کاربردهای آنها، اسپکتروسکوپی لیزری(اندازه گیری طول موج و فرکانس)، فن آوری ساخت قطعات اپتیکی و...آشنا می شوند و قادر به طراحی و ساخت تجهیزات اپتیکی و لیزری مورد نیاز در زمینه های مختلف باشند.

ژئوفیزیک یا فیزیک زمین از شاخه‌های اصلی علوم زمین است، که به مطالعهٔ کمّی خواص مختلف فیزیکی زمین با روشهای لرزه ای، مغناطیسی، گرانشی و الکتریکی می‌پردازد. با استفاده از این نتایج کمی می‌توان به مطالعهٔ خصوصیت‌های فیزیکی و رفتار پوسته و در برخی موارد جبه و هسته زمین پرداخت. لذا می‌توان این علم را پلی بین فیزیک و زمین‌شناسی دانست که از تکنیک‌ها وتئوری‌های ریاضیات و علوم کامپیوتر می‌باشد ^[۱] .

این علم ولی امروزه همچنین شامل فیزیکِ اوزون (اوزونوگرافی) و فیزیک اتمسفر ( مترولوژی) نیز می‌شود. به عبارتی ژئوفیزیک به پدیده‌های طبیعی و همچنین رفتار زمین و اطرافش می‌پردازد. ژئوفیزیک به دو شاخه اصلی تقسیم می‌شود: ‍ژئوفیزیک محض و ژئوفیزیک کاربردی. هر کدام از این شاخه‌ها به زیرشاخه‌های دیگری مرتبط می‌شوند. به‌عنوان مثال لرزه شناسی جزو شاخه‌های کاربردی این رشته‌است.

سیاه‌چاله ناحیه‌ای از فضا-زمان است که جرم در آن فشرده شده است.^[۱] وجود سیاه‌چاله‌ها در نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین پیش بینی می‌شود. این نظریه پیش بینی می‌کند که یک جرم به اندازه کافی فشرده می‌تواند سبب تغییر شکل و خمیدگی فضا-زمان وتشکیل سیاهچاله شود. پیرامون سیاهچاله رویه‌ای ریاضی به نام افق رویداد تعریف می‌شود که هیچ چیزی پس از عبور از آن نمی‌تواند به بیرون برگردد و نقطه بدون بازگشت است. صفت «سیاه» در نام سیاه‌چاله به این دلیل است که همه نوری که به افق رویداد آن راه می‌یابد را به دام می‌اندازد که این دقیقاً مانند مفهوم جسم سیاه در ترمودینامیک می‌باشد.^[۲] مکانیک کوانتوم پیش‌بینی می‌کند که آفاق رویداد مانند یک جسم سیاه با دمای متناهی از خود تابش‌های گرمایی گسیل می‌کنند. این دما با جرم سیاهچاله نسبت وارونه دارد و از این روی مشاهده این تابش برای سیاهچاله‌های ستاره‌ای و بزرگتر دشوار است.

ترمودینامیک (به انگلیسی: Thermodynamics) شاخه ای از علوم طبیعی است که به بحث راجع به گرما و نسبت آن با انرژی و کار می پردازد. ترمودینامیک متغیرهای دما، انرژی داخلی، آنتروپی و فشار ) را برای توصیف حالت مواد تعریف و چگونگی ارتباط آن ها و قوانین حاکم بر آن ها را بیان می نماید. ترمودینامیک رفتار میانگینی از تعداد زیادی از ذرات مکانیک آماری نیز می توان بدست آورد.

ترمودینامیک موضوع بخش گسترده ای از علم و مهندسی است - همانند : موتور، گذار فاز، واکنش های شیمیایی، پدیده های انتقال و حتی سیاه چاله ها- . محاسبات ترمودینامیکی برای زمینه های فیزیک، شیمی، مهندسی شیمی، مهندسی هوافضا، مهندسی مکانیک، زیست شناسی یاخته، مهندسی پزشکی، دانش مواد و حتی اقتصاد لازم است.

به ادامه ی مطلب بروید

منظومهٔ شمسی، منظومهٔ خورشیدی یا سامانهٔ خورشیدی (به انگلیسی: Solar System)‏ سامانه‌ای متشکل از یک ستاره به نام خورشید و اجرام آسمانی است که در مدارهایی پیرامون آن می‌گردند.

 وُستوک (به روسی: Восток)‏ به معنای شرق، نام خانواده‌ای از فضاپیماهای مدارگَرد است که در چارچوب برنامه سفر انسان به فضا در شوروی طراحی و ساخته شدند. طراحان این فضاپیما سرگئی کارالیوف و کریم کریموف بودند.

در ماموریت وستوک که درسال 1958 تا 1963 در شوروی انجام می شد هر فضاپیما یک سرنشین را به فضا می برد اهداف این برنامه بسیار شبیه به برنامه مرکوری بود و دانشمندان روس هم به جمع آوری داده هایی درباره انجام عملیات در گرانش صفر می پرداخند.افزون بر این روس ها به بررسی مربوط به ملاقات های فضایی و مربوط به دنبال کردن بیش از یک فضاپیما در آن واحد پرداختند.

فیزیک کلاسیک، به کلیهً، اصول و نظریه‌های فیزیکی تا قبل از پیدایش نظریه کوانتومی گفته می‌شود. بخش‌های اصلی در این مبحث از فیزیک، عبارت هستند از:

• مکانیک کلاسیک
  • قوانین حرکت نیوتن
• الکترومغناطیس کلاسیک (معادله‌های ماکسول)
• ترمودینامیک کلاسیک

اصولا برای هر نظریه کلاسیک یک نظریه، یا به عبارتی یک مفهوم معادل کوانتومی نیز وجود دارد.

مبحث مکانیک آماری، در فیزیک کلاسیک و کوانتومی با یک اسم خوانده می‌شود. از این رو برای تفاوت گذاری در هر دو نظریه فیزیکی در این مبحث، از نامهای آمار کلاسیک و آمار کوانتومی استفاده می‌شود.

تا فردا منتظر مطالبی در مورد فیزیک باشید.

اطلاعات اولیه

جاذبه بین مولکولی

دربرخی از

ترکیبات هیدروژن‌دار

بطور غیرعادی قوی است. این جاذبه در ترکیباتی مشاهده می‌شود که درآنها بین هیدروژن و

عناصری

که اندازه کوچک و

الکترونگاتیویته

زیاد دارند، پیوند هیدروژنی وجود دارد. پیوند هیدروژنی نه تنها بین مولکولهای یک نوع ماده ، بلکه بین مولکولهای دو ماده متفاوت که توانایی تشکیل پیوند هیدروژنی را دارند نیز برقرار می‌شود.

نحوه تشکیل پیوند هیدروژنی

پیوند هیدروژنی بر اثر جاذبه اتم هیدروژن اندک مثبت موجود در یک مولکول و اتم بسیار الکترونگاتیو

موجود در مولکول دیگر (یا در محل دیگر همان مولکول اگر مولکول به قدر کافی بزرگ باشد که بتواند روی خود خم شود) تولید می‌گردد. جا به جا شدن یک

جفت الکترون

به سمت عنصر بسیار الکترونگاتیو نیتروژن ، اکسیژن یا فلوئور موجب می‌شود که این اتمها دارای بار منفی جزئی شوند.

در این صورت پیوند هیدروژنی پلی است میان دو

اتم

شدیدا الکترونگاتیو با یک اتم هیدروژن که از طرفی بطور

کووالانسی

با یکی از اتمهای الکترونگاتیو و از طرف دیگر بطور

الکترواستاتیکی

(جاذبه مثبت به منفی) با اتم الکترونگاتیو دیگر پیوند یافته است. استحکام پیوند هیدروژنی

یک‌دهم

تا

یک‌پنجاهم

قدرت یک

پیوند کوالانسی

متوسط است.

شرایط تشکیل پیوند هیدروژنی

• بالا بودن الکترونگاتیوی اتمهای متصل به هیدروژن: برهمین اساس است که فلوئور (الکترونگاتیوترین عنصر) ، قویترین پیوند هیدروژنی و اکسیژن (الکترونگاتیوتر از نیتروژن) ، پیوند هیدروژنی قویتری درمقایسه با نیتروژن تشکیل می‌دهد. همچنین بار مثبت زیاد بر روی اتم هیدروژن ، زوج الکترون مولکول دیگر را بشدت جذب می‌کند و کوچک بودن اندازه اتم هیدروژن سبب می‌شود که ملکول دوم بتواند به آن نزدیک شود.
   
• کوچک بودن اتمهای متصل به هیدروژن : پیوند هیدروژنی واقعا مؤثر فقط در ترکیبات فلوئور ، اکسیژن و نیتروژن تشکیل می‌شود. با وجود اینکه دو اتم نیتروژن و کلر ، الکترونگاتیوی برابر دارند، چون اتم کلر از اتم نیتروژن بزرگتر است بر خلاف نیتروژن ، کلر پیوند هیدروژنی ضعیفی تشکیل می‌دهد.

توجیه خواص غیرعادی برخی از مواد

وجود خواص غیرعادی برخی از مواد در حالت

جامد

یا

مایع

از جمله بالا بودن دماهای ذوب و جوش ، نشان می‌دهد که نیروهای جاذبه بین مولکولی در آنها به اندازه‌ای زیاد است که نمی‌توان آن را به تأثیرهای متقابل ضعیف بین مولکولی نسبت داد. آشناترین این نوع مواد ، فلوئورید هیدروژن ، آب و آمونیاک است که بسیاری از خواص آنها از جمله دماهای جوش و ذوب آنها از دماهای جوش و ذوب ترکیبهای مشابه خود ، برای مثال

بطور غیرمنتظره‌ای بالاتر است.

شاید تصور شود که علت این وضعیت غیر عادی ، قطبیت به نسبت زیاد این مولکولهاست. البته تا اندازه‌ای همین طور است. اما بررسی دقیق این پدیده غیر عادی نشان می‌دهد که باید نیروی جاذبه قویتر از نیروهای جاذبه دوقطبی _ دوقطبی بین مولکولهای آنها برقرار باشد.

اگر به ساختار الکترونی مولکولهای

توجه شود، می‌توان به موردهای مشترک بین آنها پی برد. این وجه اشتراک ، وجود دست کم یک پیوند کوالانسی با اتم هیدروژن و یک

اوربیتال هیبریدی ناپیوندی

دو الکترونی اتم مرکزی بسیار الکترونگاتیو در هر یک از آنهاست.

اتمهای

الکترونگاتیوی بالایی دارند با هیدروژن پیوند کوالانسی بشدت قطبی بوجود می‌آورند، بطوری که هیدروژن به میزان قابل توجهی خصلت یک

پروتون

را پیدا می‌کند. جفت الکترون ناپیوندی و قابل واگذاری روی اتم الکترونگاتیو H ، این امکان را پدید می‌آورد که اتم هیدروژن در نقش پل ، اتم‌های الکترونگاتیو دو

مولکول

را به یکدیگر متصل کند و نیروی جاذبه‌ بین مولکولی بوجود می‌آید که به پیوند هیدروژنی مرسوم است.

خواص ترکیبات دارای پیوند کووالانسی

ترکیباتی که مولکولهای آنها از طریق پیوند هیدروژنی به همدیگر پیوسته‌اند، علاوه بر دارا بودن

نقاط جوش

بالا ، بطور غیرعادی در دمای بالا

ذوب

می‌شوند و

آنتالپی تبخیر

،

آنتالپی ذوب

و

گرانروی

آنها زیاد است.

علت شناور بودن یخ

یخ

روی آب شناور می‌ماند، زیرا به هنگام

انجماد

، منبسط می‌شود. سبب این انبساط پیوند هیدروژنی میان مولکول‌های خمیده آب است ساختار خمیده یا زاویه‌ای مولکول آب ناشی از آرایش چهار وجهی چهار جفت الکترون در

لایه ظرفیت

یک اتم است. ساختار زاویه‌ای

مولکول آب

و پیوند هیدروژنی میان مولکولهای آب به آن معنی است که هر مولکول آب می‌تواند حداکثر با چهار مولکول آب دیگر پیوند هیدروژنی داشته باشد.

پس آب مایع را می‌توان به صورت خوشه‌هایی از مولکولهای آب تصورکرد، خوشه‌هایی که با پیوند هیدروژنی از مولکولهای آب ساخته شده‌اند و دائم در حال حرکتند. شمار مولکولها در هر خوشه و سرعت حرکت خوشه‌ها به

دما

بستگی دارد. با سرد شدن آب ، مجموعه‌هایی از مولکولهای آب که بسرعت در حرکت‌اند، کند می‌شوند و در نقطه انجماد به یکدیگر قلاب شده ساختمان سه بعدی منبسط شده‌ای را بوجود می‌آورند. این ساختمان گسترده‌تر موجب می‌شود که تراکم یخ کمتر از آب باشد.

ذوب شدن یخ در حدود 15% انرژی پیوند‌های هیدروژنی را می‌شکند و این امر سبب فرو ریختن ساختار می‌شود. در نتیجه مایعی متراکم حاصل می گردد.

چرا نقطه جوش آب بالا است؟

خاصیت عجیب دیگر آب ، نقطه جوش نسبتا زیاد آن است. تقریبا تمام ترکیبات هیدروژن‌دار مجاور اکسیژن و اعضای خانواده آن یعنی

در دمای اتاق به حالت گازی هستند. اما آب مایع است. برای آنکه یک مولکول به حالت

بخار

در آید، باید انرژی جذب کند تا بتواند خود را از قید مولکولهای دیگر آزاد کند. چون آب مایع با پیوند هیدروژنی به صورت خوشه‌هایی از مولکول‌ها در می‌آید، برای شکسته شدن پیوند‌های هیدروژنی آن ، انرژی زیادی لازم است.

اما همه پیوندهای هیدروژنی شکسته نمی‌شوند و خوشه‌هایی از مولکولهای آب حتی در نزدیکی 1000 درجه سانتیگراد هنوز وجود دارند. وقتی آب گرم می‌شود، آشفتگی گرمایی پیوند هیدروژنی را می‌گسلد تا آنکه در

بخار آب

، فقط جزء کوچکی از شمار پیوندهای هیدروژنی موجود در آب مایع یا جامد باقی می‌ماند. اگر پیوند محکم میان مولکولی از قبیل پیوند هیدروژنی وجود نداشته باشد، مواد معمولا بنا به

جرم مولکولی

خود به جوش می‌آیند.

جرم‌های مولکولی بزرگتر برای جوش آمدن به دمای زیادتری نیازمندند. عمدتا به این دلیل که

ابرهای الکترونی

بزرگتر آسانتر و پیچیده می‌شوند و این امر ، منجر به

نیروهای لاندن

بین مولکولی قویتر می‌شود.

کاربردهای پیوند هیدروژنی

پیوندهای هیدروژنی در بسیاری از مواد یافت می‌شوند. پدیده‌هایی از قبیل چسبناک شدن آب‌نبات سفت ، دیرتر خشک شدن الیاف

پنبه‌ای

از الیاف

نایلونی‌

، نرم شدن

پوست

با نایلون ، ناهنجارهای ظاهری در ماهیت آب ، همگی ناشی از همین پیوندهای هیدروژنی است.

ti This artist's conception shows a nearly invisible ring around Saturn — the largest of the giant planet's many rings. It was discovered by NASA's Spitzer Space Telescope. Image credit: NASA/JPL-Caltech/Keck
› Full image and caption
› Related animation PASADENA, Calif. -- NASA's Spitzer Space Telescope has discovered an enormous ring around Saturn -- by far the largest of the giant planet's many rings.

The new belt lies at the far reaches of the Saturnian system, with an orbit tilted 27 degrees from the main ring plane. The bulk of its material starts about six million kilometers (3.7 million miles) away from the planet and extends outward roughly another 12 million kilometers (7.4 million miles). One of Saturn's farthest moons, Phoebe, circles within the newfound ring, and is likely the source of its material.

Saturn's newest halo is thick, too -- its vertical height is about 20 times the diameter of the planet. It would take about one billion Earths stacked together to fill the ring.

"This is one supersized ring," said Anne Verbiscer, an astronomer at the University of Virginia, Charlottesville. "If you could see the ring, it would span the width of two full moons' worth of sky, one on either side of Saturn." Verbiscer; Douglas Hamilton of the University of Maryland, College Park; and Michael Skrutskie, of the University of Virginia, Charlottesville, are authors of a paper about the discovery to be published online tomorrow by the journal Nature.

This picture shows a slice of Saturn's largest ring, as seen in infrared light by NASA's Spitzer Space Telescope. Image credit: NASA/JPL-Caltech/Univ. of Virginia
› Full image and caption An artist's concept of the newfound ring is online at http://www.nasa.gov/mission_pages/spitzer/multimedia/spitzer-20091007a.html .

The ring itself is tenuous, made up of a thin array of ice and dust particles. Spitzer's infrared eyes were able to spot the glow of the band's cool dust. The telescope, launched in 2003, is currently 107 million kilometers (66 million miles) from Earth in orbit around the sun.

The discovery may help solve an age-old riddle of one of Saturn's moons. Iapetus has a strange appearance -- one side is bright and the other is really dark, in a pattern that resembles the yin-yang symbol. The astronomer Giovanni Cassini first spotted the moon in 1671, and years later figured out it has a dark side, now named Cassini Regio in his honor. A stunning picture of Iapetus taken by NASA's Cassini spacecraft is online at http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA08384 .

Saturn's newest addition could explain how Cassini Regio came to be. The ring is circling in the same direction as Phoebe, while Iapetus, the other rings and most of Saturn's moons are all going the opposite way. According to the scientists, some of the dark and dusty material from the outer ring moves inward toward Iapetus, slamming the icy moon like bugs on a windshield.

"Astronomers have long suspected that there is a connection between Saturn's outer moon Phoebe and the dark material on Iapetus," said Hamilton. "This new ring provides convincing evidence of that relationship."

This diagram illustrates the extent of the largest ring around Saturn, discovered by NASA's Spitzer Space Telescope. The ring is huge, and far from the gas planet and the rest of its majestic rings. Image credit: NASA/JPL-Caltech
› Full image and caption Verbiscer and her colleagues used Spitzer's longer-wavelength infrared camera, called the multiband imaging photometer, to scan through a patch of sky far from Saturn and a bit inside Phoebe's orbit. The astronomers had a hunch that Phoebe might be circling around in a belt of dust kicked up from its minor collisions with comets -- a process similar to that around stars with dusty disks of planetary debris. Sure enough, when the scientists took a first look at their Spitzer data, a band of dust jumped out.

The ring would be difficult to see with visible-light telescopes. Its particles are diffuse and may even extend beyond the bulk of the ring material all the way in to Saturn and all the way out to interplanetary space. The relatively small numbers of particles in the ring wouldn't reflect much visible light, especially out at Saturn where sunlight is weak.

"The particles are so far apart that if you were to stand in the ring, you wouldn't even know it," said Verbiscer.

Spitzer was able to sense the glow of the cool dust, which is only about 80 Kelvin (minus 316 degrees Fahrenheit). Cool objects shine with infrared, or thermal radiation; for example, even a cup of ice cream is blazing with infrared light. "By focusing on the glow of the ring's cool dust, Spitzer made it easy to find," said Verbiscer.

These observations were made before Spitzer ran out of coolant in May and began its "warm" mission.

This diagram highlights a slice of Saturn's largest ring. The ring (red band in inset photo) was discovered by NASA's Spitzer Space Telescope, which detected infrared light, or heat, from the dusty ring material. Spitzer viewed the ring edge-on from its Earth-trailing orbit around the sun. Hubble image credit: NASA/ESA/STScI/AURA
› Full image and caption NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif., manages the Spitzer Space Telescope mission for NASA's Science Mission Directorate, Washington. Science operations are conducted at the Spitzer Science Center at the California Institute of Technology, also in Pasadena. Caltech manages JPL for NASA. The multiband imaging photometer for Spitzer was built by Ball Aerospace Corporation, Boulder, Colo., and the University of Arizona, Tucson. Its principal investigator is George Rieke of the University of Arizona.

 

فیزیک کوانتوم چیست؟

 

 

 

نیلز بور (۱۹۶۲-۱۸۸۵)، از بنیانگذاران فیزیک کوانتوم، در مورد چیزی که بنیان گذارده است، جمله ای دارد به این مضمون که:
"اگر کسی بگوید فیزیک کوانتوم را فهمیده، پس چیزی نفهمیده است."
ما هم در اینجا می خواهیم چیزی را برایتان توضیح دهیم که قرار است نفهمید!

 

تقسیم ماده:

بیایید از یک رشته‌ی دراز ماکارونی پخته شروع کنیم. اگر این رشته‌ی ماکارونی را نصف کنیم، بعد نصف آن را هم نصف کنیم، بعد نصفِ نصف آن را هم نصف کنیم و... شاید آخر سر به چیزی برسیم ــ البته اگر چیزی بماند! ــ که به آن مولکولِ ماکارونی می‌توان گفت؛ یعنی کوچکترین جزئی که هنوز ماکارونی است. حال اگر تقسیم کردن را باز هم ادامه بدهیم، حاصل کار خواص ماکارونی را نخواهد داشت، بلکه ممکن است در اثر ادامه‌ی تقسیم، به مولکول‌های کربن یا هیدروژن یا... بربخوریم. این وسط، چیزی که به درد ما می خورد ــ یعنی به دردِ نفهمیدن کوانتوم! ــ این است که دست آخر، به اجزای گسسته ای به نام مولکول یا اتم می رسیم.
این پرسش از ساختار ماده که «آجرک ساختمانی ماده چیست؟»، پرسشی قدیمی و البته بنیادی است. ما به آن، به کمک فیزیک کلاسیک، چنین پاسخ گفته ایم: "ساختار ماده، ذره ای و گسسته است"؛ این یعنی نظریه‌ی مولکولی.

تقسیم انرژی:
بیایید ایده‌ی تقیسم کردن را در مورد چیزهای عجیب تری به کار ببریم، یا فکر کنیم که می توان به کار برد یا نه. مثلاً در مورد صدا. البته منظورم این نیست که داخل یک قوطی جیغ بکشیم و در آن را ببندیم و سعی کنیم جیغ خود را نصف ـ نصف بیرون بدهیم.
صوت یک موج مکانیکی است که می تواند در جامدات، مایعات و گازها منتشر شود. چشمه های صوت معمولاً سیستم های مرتعش هستند. ساده ترین این سیستم ها، تار مرتعش است، که در حنجره ی انسان هم از آن استفاده شده است. به‌راحتی(!) و بر اساس مکانیک کلاسیک می توان نشان داد که بسیاری از کمیت های مربوط به یک تار کشیده مرتعش، از جمله فرکانس، انرژی، توان و... گسسته (کوانتیده) هستند. گسسته بودن در مکانیک موجی، پدیده ای آشنا و طبیعی است (برای مطالعه‌ی بیشتر می توانید به فصل‌های ۱۹ و ۲۰ «فیزیک هالیدی» مراجعه کنید). امواج صوتی هم مثال دیگری از کمیت های گسسته (کوانتیده) در فیزیک کلاسیک هستند. مفهوم موج در مکانیک کوانتومی و فیزیک مدرن جایگاه بسیار ویژه و مهمی دارد که جلوتر به آن می رسیم و یکی از مفاهیم کلیدی در مکانیک کوانتوم است.
پس گسسته بودن یک مفهوم کوانتومی نیست. این تصور که فیزیک کوانتومی مساوی است با گسسته شدن کمیت های فیزیکی، همه‌ی مفهوم کوانتوم را در بر ندارد؛ کمیت های گسسته در فیزیک کلاسیک هم وجود دارند. بنابراین، هنوز با ایده‌ی تقسیم کردن و سعی برای تقسیم کردن چیزها می‌توانیم لذت ببریم!

مولکول نور:
خوب! تا اینجا داشتیم سعی می کردیم توضیح دهیم که مکانیک کوانتومی چه چیزی نیست. حالا می رسیم به شروع ماجرا:
فرض کنید به جای رشته‌ی ماکارونی، بخواهیم یک باریکه‌ی نور را به طور مداوم تقسیم کنیم. آیا فکر می کنید که دست آخر به چیزی مثل «مولکول نور» (یا آنچه امروز فوتون می‌نامیم) برسیم؟ چشمه های نور معمولاً از جنس ماده هستند. یعنی تقریباً همه‌ی نورهایی که دور و بر ما هستند از ماده تابش می‌کنند. ماده هم که ساختار ذره ای ـ اتمی دارد. بنابراین، باید ببینیم اتم ها چگونه تابش می کنند یا می توانند تابش کنند؟

تابش الکترون:
در سال ۱۹۱۱، رادرفورد (۹۴۷-۱۸۷۱) نشان داد که اتم ها، مثل میوه‌ها، دارای هسته‌ی مرکزی هستند. هسته بار مثبت دارد و الکترون‌ها به دور هسته می چرخند. اما الکترون های در حال چرخش، شتاب دارند و بر مبنای اصول الکترومغناطیس، «ذره‌ی بادارِ شتابدار باید تابش کند» و در نتیجه انرژی از دست بدهد و در یک مدار مارپیچی به سمت هسته سقوط کند. این سرنوشتی بود که مکانیک کلاسیک برای تمام الکترونها پیش ‌بینی می‌کند. طیف تابشی اتمها، بر خلاف فرضیات فیزیک کلاسیک گسسته است. به عبارت دیگر ، نوارهایی روشن و تاریک در طیف تابشی دیده می‌شوند.
اگر الکترونها به این توصیه عمل می‌کردند، همه‌‌ مواد (از جمله ما انسانها) باید از خود اشعه تابش می‌کردند (و همانطور که می‌دانید اشعه برای سلامتی بسیار خطرناک است)، ولی می‌بینیم از تابشی که باید با حرکت مارپیچی الکترون به دور هسته حاصل شود اثری نیست و طیف نوری تابش ‌شده از اتمها بجای اینکه در اثر حرکت مارپیچی و سقوط الکترون پیوسته باشد، یک طیف خطی گسسته است؛ مثل برچسبهای رمزینه‌ای (barcode) که روی اجناس فروشگاهها می‌زنند.
یعنی یک اتم خاص ، نه تنها در اثر تابش فرو نمی‌ریزد، بلکه نوری هم که از خود تابش می‌کند، رنگهای یا فرکانسهای گسسته و معینی دارد. گسسته بودن طیف تابشی اتمها از جمله علامت سؤالهای ناجور در مقابل فیزیک کلاسیک و فیزیکدانان دهه‌‌ی 1890 بود

 

فاجعه‌ی فرابنفش:
برگردیم سر تقسیم کردن نور.
ماکسول (۱۸۷۹-۱۸۳۱) نور را به صورت یک موج الکترومغناطیس در نظر گرفته بود. از این رو، همه فکر می کردند نور یک پدیده‌ی موجی است و ایده‌ی «مولکولِ نور»، در اواخر قرن نوزدهم، یک لطیفه‌ی اینترنتی یا SMS کاملاً بامزه و خلاقانه محسوب می شد. به هر حال، دست سرنوشت یک علامت سؤال ناجور هم برای ماهیت موجی نور در آستین داشت که به «فاجعه‌ی فرابنفش» مشهور شد:
یک محفظه‌ی بسته و تخلیه‌شده را که روزنه‌ی کوچکی در دیواره‌ی آن وجود دارد، در کوره ای با دمای یکنواخت قرار دهید و آن‌قدر صبر کنید تا آنکه تمام اجزا به دمای یکسان (تعادل گرمایی) برسند.
در دمای به اندازه‌ی کافی بالا، نور مرئی از روزنه‌ی محفظه خارج می‌شود، مثل سرخ و سفید شدن آهن گداخته در آتش آهنگری.
در تعادل گرمایی، این محفظه دارای انرژی تابشی‌ای است که آن را در تعادل تابشی - گرمایی با دیواره ها نگه می‌دارد. به چنین محفظه‌ای «جسم سیاه» می‌گوییم. یعنی اگر روزنه به اندازه‌ی کافی کوچک باشد و پرتو نوری وارد محفظه شود، گیر می‌افتد و نمی‌تواند بیرون بیاید.
نمودار انرژی تابشی در واحد حجم محفظه، برحسب رابطه رایلی- جینز در فیزیک کلاسیک و رابطه پیشنهادی پلانک

فرض کنید میزان انرژی تابشی در واحد حجمِ محفظه (یا چگالی انرژی تابشی) در هر لحظه U باشد.
سؤال: چه کسری از این انرژی تابشی که به شکل امواج نوری است، طول موجی بین ۵۴۶ (طول موج نور زرد) تا ۵۷۸ نانومتر (طول موج نور سبز) دارند؟
جوابِ فیزیک کلاسیک به این سؤال برای بعضی از طول موج‌ها بسیار بزرگ است! یعنی در یک محفظه‌ی روزنه دار که حتماً انرژی محدودی وجود دارد، مقدار انرژی در برخی طول موج‌ها به سمت بی نهایت می‌رود. این حالت برای طول موج‌های فرابنفش شدیدتر هم می‌شود.

 

 رفتار موجی ـ ذره‌ای:
در سال ۱۹۰۱ ماکس پلانک (Max Planck: ۱۹۴۷-۱۸۵۸) اولین گام را به سوی مولکول نور برداشت و با استفاده از ایده‌ی تقسیم نور، جواب جانانه ای به این سؤال داد. او فرض کرد که انرژی تابشی در هر بسامد v ــ بخوانید نُو ــ به صورت مضرب صحیحی از h است که در آن h یک ثابت طبیعی ــ معروف به «ثابت پلانک» ــ است. یعنی فرض کرد که انرژی تابشی در بسامد از «بسته های کوچکی با انرژی h» تشکیل شده است. یعنی اینکه انرژی نورانی، «گسسته» و «بسته ـ بسته» است. البته گسسته بودن انرژی به تنهایی در فیزیک کلاسیک حرف ناجوری نبود‌ (همان‌طور که قبل‌تر در مورد امواج صوتی دیدیم)، بلکه آنچه گیج‌کننده بود و آشفتگی را بیشتر می‌کرد، ماهیت «موجی ـ ذره‌ای» نور بود. این تصور که چیزی ــ مثلاً همین نور ــ هم بتواند رفتاری مثل رفتار «موج» داشته باشد و هم رفتاری مثل «ذره»، به طرز تفکر جدیدی در علم محتاج بود.

 

ذره چیست؟ ذره عبارت است از جرم (یا انرژیِ) متمرکز با مکان و سرعت معلوم.

موج چیست؟ موج یعنی انرژی گسترده شده با بسامد و طول موج. ذرات مختلف می‌توانند با هم برخورد کنند، اما امواج با هم برخورد نمی‌کنند، بلکه تداخل می‌کنند . نور قرار است هم موج باشد هم ذره! یعنی دو چیز کاملاً متفاوت.