پمپ حرارتی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

پرش به: ناوبری، جستجو

گرمایش و سرمایش زمین‌منبع

پمپ حرارتی وسیله ای که عمل انتقال انرژی از نقطه مبدا (کم دما) به نقطه مقصد که دارای دمای بیشتر می باشد را انجام میدهد.عمل انتقال به کمک انرژی حرارتی زیاد نقطه با دما بالاتر یا انرژی مکانیکی انجام میپذیرد. تفاوت بین پمپ حرارتی و دستگاهای تهویه مطلوب مرسوم، این است که پمپ حرارتی قابلیت انتقال حرارت برای سرمایش و گرمایش را دارد.پمپ حرارتی می تواند مانند سیستم های چیلر یا سیستم های تبخیری تولید سرما کنند که این عمل باچرخه سرمایش (مانند یخچال مقدور میباشد).در مناطق سردسیر استفاده از پمپ حرارتی بیشتر برای گرمایش میباشد. پمپ‌های حرارتی زمین گرما (GSHP)دستگاه‌های مرکزیی هستند که گرما را از عمق زمین استخراج میکنند.و از زمین در زمستان به عنوان منبع تامین گرماو در تابستان دفع گرمااستفاده میکنند. در اصل این روش یکی از روش‌های بهینه گرما و سرما می‌باشد که در صرفه جویی در هزینه‌های گرما و سرما کمک شایان می باشد و در صورت اینکه با سلول های خورشیدی ترکیب شود سیستم زمین‌خورشید به وجود می آید و از مزایای این سیستم بهره‌وری بالاتر می باشد.

گرمایش و سرمایش زمین‌منبع

پمپ حرارتی در مقاله‌های مهندسی انرژی برای جلوگیری از اشتباه با نام نیروگاه‌های زمین گرما از عنوان‌های زیر استفاده میکنند.

• geoexchange  انتقال دهنده به زمین
• earth-coupled همبستر با زمین
• earth energy  انرژی زمین
• water-source heat pumps پمپ حرارتی با استفاده از مایعات گرم

در زمان نیاز به گرما پمپ حرارتی زمین منبع در واقع از انرژی هسته مرکزی زمین و همچنین انرژی جذب شده پوسته زمین از تابش خورشید استفاده میکند ولی در تابستان از این منابع برای دفع گرما و تولید سرما استفاده میکند.

برج خنک‌کننده

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

پرش به: ناوبری، جستجو

برج خنك كن ( با جـريان هواي متقاطع )

برای دیگر کاربردها، برج (ابهام‌زدایی) را ببینید.

برج خنک کننده یا برج خنک کن (به انگلیسی: Cooling tower)‏دستگاهی است که برای خنک سازی آبی که در فرآیندهای سردسازی سیستمهای تهویه مطبوع، نیروگاهها، پالایشگاهها و دیگر واحدهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، به کار می‌رود .

محتویات  [نهفتن]  ۱ اجزا ۲ جنس ساختاری ۳ دسته بندی ۳.۱ ۱-نیروی محرک جریان هوا ۳.۱.۱ برج خنک‌کن فن‌دار(مکانیکی) ۳.۱.۲ برج خنک کن بدون فن (طبیعی) ۳.۲ ۲-مکانیسم انتقال حرارت ۳.۲.۱ برج خنک کن مرطوب ۳.۲.۲ برج خنک کن خشک ۳.۲.۳ برج خنک کن خشک-مرطوب ۳.۳ ۳-نحوه برخورد جریان‌های آب و هوا ۳.۳.۱ برج خنک کن با جریان هوای متقاطع ۳.۳.۲ برج خنک کن با جریان هوای مخالف ۴ اساس کار ۵ محل نصب ۶ مشکلات برج خنک کن‌ها ۷ منابع

اجزا [ویرایش]

اجزا مهم برج خنک کن‌ها عبارتند از:

۱-فن

فن‌ها نقش مهمی در خنک سازی دارند و از نوع فن محوری یا فن گریز از مرکز می‌باشند.

۲-پکینگ ها

برای افزایش تبادل حرارتی بین جریان آب و هوا در داخل برج خنک کن از پکینگ‌ها استفاده می‌گردد که با افزایش سطح تماس جریان آب با هوا و همچنین کاهش سرعت جریان آب، در خنک سازی جریان آب نقش موثری دارند.پکینگ‌ها بصورت شبکه‌ای بوده و در دو نوع غشایی(Film Packing) و اسپلاش (Splash Packing)در برج خنک کن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

۳-حوضچه یا باسین

در قسمت زیرین برج خنک کن قرار دارد و آب خنک شده در آن جمع آوری شده و به سمت سیستم‌های سردسازی هدایت می‌شود.

۴-قطره گیرها

تیغه‌های قطره گیر برای جلوگیری از پخش ذرات آب و ممانعت از خروج آنها به محیط بیرون از برج خنک کن بکار می‌روند.

جنس ساختاری [ویرایش]

برج خنک کن‌ها معمولاً به سه صورت فلزی، فایبر گلاسی و بتنی ساخته می‌شوند .

دسته بندی [ویرایش]

برج خنک کن‌ها را با توجه به موارد زیر می‌توان دسته بندی کرد.البته باید توجه داشت که یک برج خنک کن می‌تواند ترکیبی از هر کدام از دسته‌های زیر باشد و این دسته بندی صرفا برای نشان دادن وضعیت عملکرد برج خنک کن‌ها در حالات زیر می‌باشد:

۱-نیروی محرک جریان هوا [ویرایش]

تصویر یک برج خنک کن فن دار

برج خنک کن‌ها از لحاظ اینکه نیروی جریان دهنده هوا طبیعی یا مکانیکی باشد به دو دسته تقسیم می‌شوند.

برج خنک‌کن فن‌دار(مکانیکی) [ویرایش]

در برجهای فن‌دار یک یا چند فن وظیفه به جریان در آوردن هوا را در داخل برج خنک کن دارند . در این نوع تا زمانی که فن روشن است جریان هوا بین محیط داخل برج و بیرون برقرار است همچنین نسبت به برجهای بدون فن فضای کمتری را اشغال می‌کنند.اما مهمترین عیب این نوع صدا و لرزشی است که فن یا فن‌ها ایجاد می‌کنند.

برج خنک کن بدون فن (طبیعی) [ویرایش]

در برجهای بدون فن جریان هوا بصورت طبیعی ما بین برج و محیط بیرون جابجا می‌شود .از جمله مزایا این دسته می‌توان به مصرف کمتر انرژی الکتریکی، صدای کم، قطعات متحرک کمتر و عدم پاشیدن آب به فضای اطراف و از معایب آن می‌توان به راندمان پایین تر و هزینه بیشتر جهت ساخت آن، اشاره کرد.

۲-مکانیسم انتقال حرارت [ویرایش]

از نظر شیوه‌های انتقال حرارتی به سه دسته تقسیم می‌شوند.

برج خنک کن مرطوب [ویرایش]

در برج خنک کن‌های مرطوب (Wet-Cooling Tower)آب گرم از بالای برج با عبور از پکینگ‌ها و برخورد با جریان هوای تازه که از محیط بیرون توسط فن و یا بصورت طبیعی وارد برج می‌شود ضمن تبادل حرارتی و خنک شدن در پایین برج ته نشین می‌شود.مهمترین عیب این سیستم پاشیدن ذرات آب به اطرف و همچنین تبخیر بیش از حد آب می‌باشد.

برج خنک کن خشک [ویرایش]

در مناطقی که بعلت عدم وجود آب کافی باید از اتلاف آب و تبخیر بیشتر جلوگیری نمود از برج خنک کن‌های خشک(Dry-Cooling Tower) استفاده می‌گردد . در این دسته، آب گرم بجای عبور از پکینگ‌ها از لوله‌های پره دار که با هوای سرد در تماس می‌باشند عبور کرده و خنک می‌گردد.از معایب این سیستم کاهش راندمان با افزایش دمای محیط اطراف می‌باشد.

برج خنک کن خشک-مرطوب [ویرایش]

این نوع، ترکیبی از برج خنک کن‌های خشک و مرطوب بوده و برای کاهش عوارض و معایب دو سیستم فوق بکار می‌رود.برج خنک کن‌های خشک-مرطوب(Dry-Wet Cooling Tower) دارای دو مسیر هوا بصورت موازی و دو مسیرآب بصورت سری می‌باشند.آب گرم ابتدا وارد لوله‌های پره دار و سپس وارد پکینگ‌ها می‌شود و در طول این مسیر با هوای سرد تبادل حرارتی داشته و آب سرد در پایین برج جمع می‌گردد.

۳-نحوه برخورد جریان‌های آب و هوا [ویرایش]

برج خنک کن‌ها بر مبنای جهت برخورد جریان‌های آب گرم با هوای سرد به دو دسته تقسیم می‌شوند .

برج خنک کن با جریان هوای متقاطع [ویرایش]

دراین حالت هوایی که از محیط بیرون وارد برج می‌شود بصورت متقاطع با جریان آب برخورد می‌کند .( مطابق شکل )

برج خنک کن با جریان هوای مخالف [ویرایش]

در این حالت جریان هوا بصورت مخالف با جریان آب برخورد می‌کند.( مطابق شکل )

اساس کار [ویرایش]

اساس کار تمام برج خنک کن‌ها بر مبنای ایجاد سطح تماس بیشتر بین جریان آب گرم و هوای سرد و در نتیجه تبادل حرارتی بین این دو می‌باشد.عموما در برج خنک کن‌ها آب گرم توسط لوله‌هایی به بالای برج منتقل شده و در آنجا یا بصورت طبیعی و یا با آبفشانهایی به سمت پایین برج به جریان می‌افتد که در طول این مسیر با توجه به نوع برج به شیوه‌های مختلف با جریان هوای سرد برخورد می‌کند .

محل نصب [ویرایش]

محل نصب برج خنک کن باید بگونه‌ای باشد که مانعی در اطراف آن برای ورود جریان هوای تازه به داخل برج وجود نداشته باشد همچنین در صورت استفاده از چندین برج در کنار هم باید تدبیری اندیشه شود که هوای گرم خروجی از برجها مستقیما وارد همدیگر نشده تا باعث کاهش راندمان و عدم کارایی برج شوند.

اگر بتوان برج خنک کن را در فضای باز با جریان هوای آزاد قرار داد در حصول یک بازده مناسب از برج مشکلی وجود نخواهد داشت اما چنانچه قرار باشد برج در داخل ساختمان و محصور بین دیوارها نصب شود موارد زیر بایستی مورد توجه قرار گیرد :

1) باید فضای کافی و بدون مانع مزاحم در اطراف برج وجود داشته باشد تا هوای لازم به برج برسد

2) هوای گرم خروجی از برج باید به گونه ای تخلیه شود که امکان بازگشت و گردش مجدد آن به برج وجود نداشته باشد زیرا گردش مجدد چنین هوایی در برج دمای مرطوب هوای ورودی به برج را افزایش می دهد و باعث گرم ماندن آب در خروج از برج می شود

گردش مجدد هوا به داخل برج هنگامی مورد توجه قرار می گیرد که چند برج در مجاورت هم باشند

تعیین محل نصب برج به عوامل دیگری هم بستگی دارد از قبیل استحکام محل نصب , تجهیزات اضافی برای تقویت آن , هزینه فراهم کردن تجهیزات اضافی برای برج و مسائل مربوط به معماری ساختمان و …

مشکلات برج خنک کن‌ها [ویرایش]

عمده‌ترین مشکلات بوجود آمده برای یک برج خنک کن عبارتند : خوردگی قطعات داخلی برج، رشد جلبک‌ها و باکتریهای بیولوژیکی و همچنین تشکیل رسوب در قسمتهای مختلف برج .

منابع [ویرایش]

انجمن مهندسان تاسیسات ایران

پایگاه علوم و تحقیقات صنعت تاسیسات

مکانیک کوانتوم

مکانیک کوانتوم
دوگانگی موج و ذره
آشنایی واژه‌نامه · تاریخچه
پیش‌زمینه[نمایش]
مفاهیم بنیادی[نمایش]
آزمایش‌ها[نمایش]
فرمول‌بندی[نمایش]
معادلات[نمایش]
تفسیرها[نمایش]
عناوین پیشرفته[نمایش]
دانشمندان[نمایش]
ن • ب • و

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.

مکانیک کوانتومی که به عنوان نظریه کوانتومی نیز شناخته شده است، شامل نظریه ای درباره ماده، تابش الکترومغناطیسی و برهمکنش میان ماده و تابش است.^[۱]

آشنایی

واژهٔ کوانتوم (به معنی «بسته» یا «دانه») در مکانیک کوانتومی از اینجا می‌آید که این نظریه به بعضی از کمیت‌های فیزیکی (مانند انرژی یک اتم در حال سکون) تحت شرایط خاص، مقدارهای گسسته‌ای نسبت می‌دهد. پایه‌های مکانیک کوانتومی در نیمهٔ اول قرن بیستم به وسیلهٔ ورنر هایزنبرگ، ماکس پلانک، لویی دوبروی، نیلس بور، اروین شرودینگر، ماکس بورن، جان فون نویمان، پاول دیراک، ولفگانگ پاولی و دیگران ساخته شد. بعضی از جنبه‌های بنیادی این نظریه هنوز هم در حال پیشرفت است.

در حوالی ابتدای قرن بیستم، کشفیات و تجربه های زیادی نشان میدادند که در مقیاس اتمی نظریه‌های کلاسیک نمی‌توانند توصیف کاملی از پدیده ها ارائه دهند. وجود همین نارسایی ها موجب نخستین ایده ها و ابداع ها در مسیر ایجاد نظریه کوانتومی شدند. بعنوان یکی از مثال های بسیار مشهور اگر قرار بود مکانیک نیوتنی و الکترومغناطیس کلاسیک بر رفتار یک اتم حاکم باشند، الکترون‌ها بایستی به سرعت به سمت هسته اتم حرکت کرده و بر روی آن سقوط می کردند و در نتیجه اتم ها ناپایدار میشدند. ولی در دنیای واقعی الکترون‌ها در نواحی خاصی دور اتم‌ها باقی می‌مانند و چنین سقوطی مشاهده نمیشود. تلاش اولیه برای حل این تناقض توسط نیلس بور با پیشنهاد فرضیه اش دایر بر وجود مدارهای مانا رخ داد، که موفقیت هایی هم در توصیف طیف اتم هیدروژن داشت.

پدیدهٔ دیگری که در این مسیر جلب توجه میکرد، مطالعه رفتار امواج الکترومغناطیسی مانند نور در برهمکنش با ماده بودند. ماکس پلانک در سال ۱۹۰۰ هنگام مطالعه بر روی تابش جسم سیاه پیشنهاد کرد که برای توصیف صحیح مساله تابش جسم سیاه، می توان انرژی این امواج را به شکل بسته‌های کوچکی (کوانتا یا کوانتوم) در نظر گرفت. آلبرت اینشتین از این فکر بهره برد و نشان داد که امواجی مثل نور را می‌توان با ذره‌ای به نام فوتون که انرژی‌اش به بسامدش موج بستگی دارد توصیف کرد. در ادامه، با نظریه دوبروی دایر بر امکان توصیف حرکت ذرات بوسیله امواج، این نظریه‌ها به دیدگاهی به نام دوگانگی موج-ذره برای ذرات و امواج الکترومغناطیسی منجر شدند که برطبق آن، ذرات هر دوی رفتارهای موجی و ذره ای را از خود نشان می دهند.

تلاش ها برای تبیین تناقضات و ایجاد رهیافت های جدید، منجر به تکوین ساختار جدیدی موسوم به مکانیک کوانتومی شد که توسط دو فرمولبندی جداگانه (که بعدا معلوم شد هم ارزند) موسوم به مکانیک ماتریسی (عمدتا توسط هایزنبرگ) و مکانیک موجی (بیشتر توسط شرودینگر) توصیف می شد. بعنوان مثال، ایده ی توصیف ذرات با امواج، مولد ابداع مفهوم بسته های موجِ همبسته ذرات شد. به نوبۀ خود، تلاش برای یافتن معادلات حاکم بر تحول زمانی این بسته های موج به معادله موج یا معادله شرودینگر منتهی شد.

در تعبیری که توصیف شرودینگر از مکانیک کوانتومی بدست می دهد، حالت هر سیستم فیزیکی در هر لحظه به وسیلهٔ یک تابع موج مختلط توصیف می‌شود . چون تابع موج یک کمیت مختلط است، خود مستقیما مبین یک کمیت فیزیکی نیست، اما با استفاده از این تابع می‌توان احتمال بدست آمدن مقادیر مختلف حاصل از اندازه گیری یک کمیت فیزیکی را پیش‌بینی کرد. در حقیقت این احتمال با ضریبی از مربع قدرمطلق تابع موج (که کمیت اخیر حقیقی است) برابر است. بعنوان مثال از کاربرد این تابع احتمال، با آن می‌توان احتمال یافتن الکترون در ناحیهٔ خاصی در اطراف هسته در یک زمان مشخص؛ یا احتمال بدست آمدن مقدار خاصی برای کمیت تکانه زاویه ای سیستم را محاسبه کرد. یا مثلا به کمک تابع موج و توزیع احتمال بدست آمده از آن، می توان محتملترین مکان (یا مکان های) حضور یک ذره در فضا را یافت (که در مورد الکترون‌های یک اتم گاهی به آن اُربیتال می‌گویند). البته معنی این حرف این نیست که الکترون در تمام ناحیه ناحیه پخش شده‌است، و الکترون در یک ناحیه از فضا یا هست و یا نیست.

در مکانیک کلاسیک پیش بینی تحول زمانی مقادیر کمیت ها و اندازه گیری مقادیر کمیت ها در نظریه با هر دقت دلخواه ممکن است و تنها محدودیت موجود، خطای متعارف آزمایش و آزمایشگر، یا فقدان داده های اولیه کافی است. اما در مکانیک کوانتومی فرآیند اندازه گیری یک محدودیت ذاتی بهمراه خود دارد. در واقع نمی‌توان برخی کمیت ها (کمیت‌های مزدوج) را هم‌زمان و با هر دقت دلخواه اندازه گیری کرد؛ مانند مکان و تکانه. اندازه گیری دقیقتر هریک از این کمیت ها، منجر به از دست رفتن هرچه بیشتر داده های مربوط به کمیت دیگر می شود. این مفهوم که به اصل عدم قطعیت هایزنبرگ مشهور است، از مفاهیم بسیار مهم در مکانیک کوانتومی بوده و با مفهوم بنیادین "تاثیر فرآیند اندازه گیری بر حالت سیستم" که از ابداعات اختصاصی مکانیک کوانتومی (دربرابر مکانیک کلاسیک است) همبسته است.

توصیف مکانیک کوانتومی از رفتار سامانه‌های فیزیکی اهمیت زیادی دارد، و بسیاری از شاخه‌های دیگر فیزیک و شیمی از مکانیک کوانتومی به عنوان چهارچوب خود استفاده می‌کنند؛ مانند فیزیک ماده چگال، فیزیک حالت جامد، فیزیک اتمی، فیزیک مولکولی، شیمی محاسباتی، شیمی کوانتومی، فیزیک ذرات بنیادی، و فیزیک هسته‌ای. مکانیک کوانتومی علاوه بر این که دنیای ذرات بسیار ریز را توصیف می‌کند، برای توضیح برخی از پدیده‌های بزرگ‌مقیاس (ماکروسکوپیک) هم کاربرد دارد، مانند ابررسانایی و ابرشارگی. همچین کاربردهای وسیعی در حوزه فناوری های کاربردی ، بر مفاهیم و دستاوردهای مکانیک کوانتومی استوار هستند.

مکانیک کوانتومی و فیزیک کلاسیک

نمایش دوگانگی موج-ذره با یک بسته موج فوتونی

اثرات و پدیده‌هایی که در مکانیک کوانتومی و نسبیت پیش‌بینی می‌شوند، فقط برای اجسام بسیار ریز یا در سرعت‌های بسیار بالا آشکار می‌شوند. تقربیاً همهٔ پدیده‌هایی که انسان در زندگی روزمره با آن‌ها سروکار دارد به طور کاملاً دقیقی توسط فیزیک نیوتنی قابل پیش‌ بینی است.

در مقادیر بسیار کم ماده، یا در انرژی‌های بسیار پایین، مکانیک کوانتومی اثرهایی را پیش‌بینی می‌کند که فیزیک کلاسیک از پیش‌بینی آن ناتوان است. ولی اگر مقدار ماده یا سطح انرژی را افزایش دهیم، به حدی می‌رسیم که می‌توانیم قوانین فیزیک کلاسیک را بدون این که خطای قابل ملاحظه‌ای مرتکب شده باشیم، برای توصیف پدیده‌ها به کار ببریم. به این «حد» که در آن قوانین فیزیک کلاسیک (که معمولاً ساده‌تر هستند) می‌توانند به جای مکانیک کوانتومی پدیده‌ها را به درستی توصیف کنند، حد کلاسیک گفته می‌شود.

کوشش برای نظریهٔ وحدت‌یافته

وقتی می‌خواهیم مکانیک کوانتومی را با نظریهٔ نسبیت عام (که توصیف‌گر فضا-زمان در حضور گرانش است) ترکیب کنیم، به ناسازگاری‌هایی برمی‌خوریم که این کار را ناممکن می‌کند. حل این ناسازگاری‌ها هدف بزرگ فیزیکدانان قرن بیستم و بیست‌ویکم است. فیزیکدانان بزرگی همچون استیون هاوکینگ در راه رسیدن به نظریهٔ وحدت‌یافتهٔ نهایی تلاش می‌کنند؛ نظریه‌ای که نه تنها مدل‌های مختلف فیزیک زیراتمی را یکی کند، بلکه چهار نیروی بنیادی طبیعت -نیروی قوی، نیروی ضعیف، الکترومغناطیس و گرانش- را نیز به شکل جلوه‌های مختلفی از یک نیرو یا پدیده نشان دهد.

مکانیک کوانتومی و زیست‌شناسی

تحقیقات چند موسسه در آمریکا و هلند نشان داده است که بسیاری از فرایندهای زیستی از مکانیک کوانتومی بهره می‌برند. قبلا تصور می‌شد فتوسنتز گیاهان فرایندی بر پایه بیوشیمی است اما تحقیقات پروفسور فلمینگ و همکارانش در دانشگاه برکلی و دانشگاه واشنگتن در سنت لوییس به کشف یک مرحله کلیدی از فرآیند فوتوسنتز منجر شده که بر مکانیک کوانتومی استوار است. همچنین پژوهشهای کریستوفر آلتمن، پژوهشگری از موسسه دانش نانوی کاولی در هلند، حاکی از آن است که نحوه کارکرد سلولهای عصبی خصوصا در مغز که تا مدتها فرایندی بر پایه فعالیتهای الکتریکی و بیوشیمی پنداشته می‌شد و محل بحث ساختارگرایان و ماتریالیستها و زیستشناسها بود، شامل سیستمهای کوانتومی بسیاری است. این پژوهشها نشان می‌دهد که سلول عصبی یک حلزون دریایی می‌تواند از نیروهای کوانتومی برای پردازش اطلاعات استفاده کند. در انسان نیز، فیزیک کوانتومی احتمالا در فرآیند تفکر دخیل است.

فیزیک

نمونه‌های متفاوت از پدیده‌های فیزیکی

فیزیک (به زبان یونانی φύσις، طبیعت و φυσικῆ، دانش طبیعت) علم مطالعهٔ خواص طبیعت است. این علم را عموما علم ماده(Matter)و حرکت و رفتار آن در فضا و زمان با در نظر گرفتن مفاهیمی همچون انرژی، اندازه حرکت، نیرو و بسیاری از عوامل دیگر می‌دانند که این ماده(Matter)می تواند از ذرات زیر اتمی گرفته تا کهکشان‌ها و اجرام بسیار بزرگ آسمانی باشد. این علم از مفاهیمی مانند انرژی، نیرو، جرم، بار الکتریکی،جریان الکتریکی،میدان الکتریکی،الکترومغناطیس، فضا، زمان، اتم، نورشناسی استفاده می‌کند. اگر بطور وسیع تر سخن بگوییم، هدف اصلی علم فیزیک بررسی و تحلیل طبیعت است و همواره این علم در پی آن است که رفتار طبیعت را در شرایط گوناگون درک و پیش بینی کند.

فیزیک یکی از قدیمی ترین رشته‌های دانشگاهی است و شاید قدیمی ترین مبحث آن را بتوان نجوم و اخترشناسی نامید. مدارکی وجود دارد که نشان می‌دهد هزاران سال پیش از میلاد مسیح، اقوامی همچون سامری‌ها و همچنین اقوامی در مصر باستان و اطراف ایندوس، تحقیقات و درک اندکی از حرکت خورشید، ماه و ستارگان داشته‌اند. ^[۱]

ساعت آفتابی- استوایی یونانی، در Alexandria on the Oxus، آی خانم امروزی در شمال افغانستان، قرن دوم تا سوم قبل از میلاد مسیح

تاریخچه

از دوران باستان، انسان‌ها سعی می‌کردند که رفتار طبیعت را درک و پیش بینی کنند. در ابتدا این گونه پرسش‌ها در مورد طبیعت و رفتار آن، در قلمرو فلسفه دسته بندی می‌شد. به همین دلیل است که در نوشته‌های فیلسوفان باستان همچون ارسطو ،افلاطون و بطلمیوس و... نوشته‌های بسیاری در مورد رفتارهای طبیعت، مخصوصا حرکت ستارگان و خورشید می‌بینیم. در بعضی از این نوشته‌ها، مواردی وجود داشت که بررسی پدیده‌های آسمانی را با افسانه‌ها و اعتقادات مردمان آن دوره از تاریخ، آمیخته می‌کرد و علی رغم پیش بینی‌های درست، نمی‌توانست باعث متقاعد شدن آیندگان شود. البته در این دوران فیلسوفانی همچون تالس هم بودند که تمامی تلاش خود را برای دور ماندن از دلایل ماورالطبیعه می‌کردند. به خاطر همین تلاش‌ها در بسیاری از منابع تاریخی به تالس لقب نخستین چهرهٔ علم را داده‌اند. یکی کارهای مهم وی در حوزه ستاره شناسی، پیش بینی خورشیدگرفتگی در سال ۵۸۵ قبل از میلاد مسیح است.

آیزاک نیوتن (۱۶۴۳–۱۷۲۷)

نسخه‌ای از کتاب پرینسیپیا با دست خط آیزاک نیوتن

از همین دوره بود که شاخه‌ای از فلسفه جدا شد که نام آن را فلسفه طبیعی نهادند و سالیان طولانی ادامه یافت. تا حدودا در قرن هفدهم میلادی که دوباره با حضور چهره‌های بزرگ و برجسته‌ای همچون آیزاک نیوتن و گوتفرید لایبنیتس می‌رفت که دوباره تحولی عظیم در علم و نحوه نگرش به آن مخصوصا در ریاضیات و فیزیک ایجاد شود. با چاپ شدن کتاب نیوتن در سال ۱۶۸۷ با نام
THE PRINCIPIA- Mathematical Principles of Natural Philosophy (همانطور که پیداست همچنان از عبارت فلسفه طبیعی در عنوان آن استفاده شده) تقریبا این نوع نگرش به فیزیک و ریاضیات به پایان راه خود رسید و نیوتن و همکاران وی در قرن هفدهم میلادی، نحوه نگرشی نو به طبیعت را بنیان گذاری کردند که امروزه به فیزیک کلاسیک معروف است. البته ذکر این نکته الزامی است که این جنبش، قبل از قرن هفدهم، با تلاش دانشمندانی چون گالیلئو گالیله، نیکلاس کوپرنیک و یوهان کپلر آغاز شده بود و در زمان نیوتن به اوج خود رسید.
پس از قرن هفدهم، فیزیک و ریاضیات با سرعت قابل توجهی توسعه یافتند و دانشمندان زیادی در شاخه‌های مختلف این دو علم، توانستند پاسخ بسیاری از پرسش‌های خود را بیابند. این روند تا قرن نوزدهم ادامه داشت. جامعه فیزیکدانان در قرن نوزدهم، عموما گمان می‌کردند که با کشفیات جیمز کلرک ماکسول در حوزه الکترومغناطیس و معادله بندی چگونگی ایجاد شدن میدان الکتریکی و مغناطیسی، توسط بارها و جریان‌های الکتریکی، فیزیک به نقطه تکامل خود رسیده و دیگر هیچ پدیده طبیعی وجود ندارد که نتوانند آن را توجیه و پیش بینی کنند. اما در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم بود که پدیده‌هایی توسط برخی از فیزیک دانان مشاهده شد که با علم فیزیک آن زمان قابل توضیح نبود و یا اگر توضیحی ارائه می‌شد، در آن تناقض‌هایی وجود داشت. در این زمان بود که فیزیک دانان تقریبا به دو دسته تقسیم شدند. دسته‌ای سردمدار پایه گذاری فیزیکی جدید که در آن اشکالات و کاستی‌های فیزیک کلاسیک جبران شده باشد، بودند و دسته‌ای سر سختانه در مقابل هر گونه تغییر مقاومت می‌کردند و می‌کوشیدند که پدیده‌های جدید را با همان فیزیک کلاسیک (یا نیوتنی) توضیح دهند. سر انجام ماکس پلانک بر پایه تلاش‌های دانشمندان قبل خود همچون رابرت هوک، کریستیان هویگنس، توماس یانگ و لئونارد اویلر توانست نظریه مکانیک کوانتومی را ارائه دهد و همین طور آلبرت اینشتین توانست نظریه نسبیت را ارائه و با موفقیت از آن دفاع کند. در همین سال‌ها بود که فیزیک دانان پذیرفتند، با وجود اینکه فیزیک کلاسیک در حوزه مورد بحث خود (که عموما پدیده‌هایی آزمایش پذیر بودند)خالی از هرگونه خطا است، امــــا نیاز به ایجاد شاخه‌ای جدید در علم فیزیک با نام فیزیک نوین است. پس از آلبرت اینشتین، تئوری مکانیک کوانتومی و همچنین فیزیک اتمی با تلاش دانشمندان بزرگی چون ورنر کارل هایزنبرگ، اروین شرودینگر، ولفگانگ پائولی و پل دیراک هر روز کامل تر شد و این تکامل روز افزون علم فیزیک، تا به امروز در ده‌ها گرایش و شاخه ادامه دارد.

پرتره رسمی اینشتین در سال ۱۹۲۱، بعد از دریافت جایزه نوبل فیزیک

ورنر هایزنبرگ، برنده جایره نوبل فیزیک در سال ۱۹۳۲، از تاثیر گذارترین افراد در توسعه فیزیک اتمی

^[۲]

نظریه‌های اصلی

در علم فیزیک، ما با سامانه‌های بسیار متفاوتی سرو کار داریم، اما نظریه‌های اصلی که در هسته علم فیزیک قرار دارند، توسط همه فیزیک دانان مورد استفاده قرار می‌گیرند. در فیزیک کلاسیک، ما با نظریه‌هایی سروکار داریم که حرکت اشیا که ابعاد و سرعت‌هایی که قابل تصور و عموما آزمایش پذیرند را، پیش بینی و تحلیل می‌کنند. زمانی که صحبت از ابعاد قابل تصور برای عموم مردم می‌شود، منظور از ابعادی فرا اتمی و فرا ملکولی شروع می‌شود و تا ابعاد سیارات را در بر می‌گیردو سرعت قابل تصور، عموما سرعتی کمتر از سرعت نور است. اما هنگامی که سیستم‌های مورد بررسی ما، ابعادی فراتر از حد تصور ما به خود می‌گیرند، مثل منظومه‌ها، کهکشان‌ها و دیگر سیستم‌های عظیم ستاره‌ای و آسمانی و یا ابعادی بسیار کوچک، مثل ابعادی زیر اتمی و حتی کوچکتر، فیزیک و مکانیک کلاسیک از خود ضعف نشان می‌دهد و دیگر قدرت پیش بینی و درک صحیح واقعیات را ندارد. به همین دلیل تئوری‌هایی که اینگونه سیستم‌ها را تحلیل می‌کنند، در حوزه فیزیک جدید صورت بندی می‌شود.
البته کاملا بدیهی است، این تعاریفی که در اینجا ارائه می‌شود کاملا شکلی عمومی دارند و در علم فیزیک، مرز واضحی میان فیزیک کلاسیک و فیزیک جدید به هیج وجه وجود ندارد. به صورتی که برخی از فیزیک دانان، فیزیک جدید را شکل تکامل یافته و تصحیح شده فیزیک کلاسیک می‌دانند، اما برخی از فیزیک دانان که مهمترین آنها ورنر کارل هایزنبرگ بوده‌است، همان طور که در کتاب خود جــــز و کـــل می‌گوید، فیزیک کلاسیک یک معقوله کاملا جدا، فرمول بندی شده، بدون ایراد و کامل است امــا در حوزه سیستم‌های مورد بررسی خودش و نمی‌توان فیزیک جدید را شکل تکامل یافته فیزیک کلاسیک دانست.

هدف اصلی علم فیزیک توصیف تمام پدیده‌های طبیعی قابل مشاهده و غیر قابل مشاهده برای بشر، توسط مدل‌های ریاضی (به اصطلاح کمی کردن طبیعت)است. تا قبل از قرن بیستم، با دسته بندی پدیده‌های قابل مشاهده تا آن روز، فرض بر این بود که طبیعت از ذرات مادی تشکیل شده‌است و تمام پدیده‌ها به واسطهٔ دو نوع برهمکنش بین ذرات (برهمکنش‌های گرانشی و الکترومغناطیسی) رخ می‌دهند. برای توصیف این پدیده‌ها نظریه‌های زیر به تدریج شکل گرفته و تکامل یافتند:

• مکانیک کلاسیک (توصیف رفتار اجسامی که اندازه‌ای معمولی دارند و با سرعتی معمولی در حال حرکتند)
• الکترومغناطیس(توصیف رفتار مواد و اجسام دارای بار الکتریکی)
• ترمودینامیک و مکانیک آماری (توصیف پدیده‌های مرتبط با گرما بر حسب کمیت‌های ماکروسکوپی و یا میکروسکوپی)

به مجموع این نظریه‌ها فیزیک کلاسیک گفته می‌شود.

در ابتدای قرن بیستم پدیده‌هایی مشاهده شدند که توسط این نظریه‌ها قابل توصیف نبودند. بعد از پیشرفتهای بسیار بنیادین در ربع اول قرن بیستم، نظریه‌های فیزیکی با نظریه‌های کاملتری که این پدیده‌ها را نیز توصیف می‌کردند جایگزین گشتند. مهم‌ترین تغییر، تشکیل دو دینامیک متفاوت برای اجسام کوچک و اجسام بزرگ است. چون دینامیک اجسام بزرگ از لحاظ ساختاری و مفاهیم به دینامیک قبلی نزدیکی زیادی دارد(بر خلاف دینامیک اجسام ریز که ساختاری کاملاً متفاوت دارد) نظریه‌ها به دو دسته دینامیک کلاسیک اصلاح شده(با شالوده مکانیک نیوتنی) و کوانتمی تقسیم شدند.
نظریه‌های دیگری درفیزیک مدرن به تدریج شکل گرفتن که عبارت اند از:

• نسبیت عام (برهمکنش گرانشی و دینامیک اجسام بزرگ)
• مکانیک کوانتمی (دینامیک اجسام ریز)
• مکانیک آماری (حرکت آماری ذرات بر پایه دینامیک کوانتمی)
• الکترودینامیک کلاسیک (برهمکنش الکترومغناطیسی و نسبیت خاص)

نموداری ابتدایی، که قلمروهای اصلی فیزیک را به صورت ساده نشان می‌دهد

بعدها با پیدا شدن دو برهمکنش دیگر (برهمکنش هسته‌ای قوی و برهمکنش هسته‌ای ضعیف) برای فرمولبندی آنها هم اقدام شد و از نسبیت خاص برای تمام نظریه‌ها استفاده شد و کل نظریه‌ها عبارت شدند از:

۱- نسبیت عام

۲-مکانیک آماری

3- الکترودینامیک کوانتومی QED (برهمکنش الکترومغناطیسی و دینامیک کوانتومی)

4-کرومودینامیک کوانتومی QCD (برهمکنش هسته‌ای قوی و دینامیک کوانتومی)

۵-نظریه ضعیف کوانتومی (برهمکنش هسته‌ای ضعیف و دینامیک کوانتمی بعداً با تلفیق با الکترودینامیک نظریه الکترو ضعیف کوانتومی را ساخت)

تمام این نظریه‌ها به جز نسبیت عام از دینامیک کوانتومی استفاده می‌کنند. به مجموعه‌ای ازQED وQCD ونظریه ضعیف اصطلاحآ مدل استاندارد ذرات بنیادی گفته می‌شود. امروزه بسیاری از فیزیکدانان به دنبال متحد کردن چهار برهمکنش (نظریه وحدت بزرگ) می‌باشند که مشکل اصلی وارد کردن گرانش و استفاده از دینامیک کوانتومی برای گرانش می‌باشد. نظریه‌های گرانش کوانتومی و به خصوص نظریه ریسمان از نمونه‌های این تلاشها است. همچنین بیشتر نظریه‌های جدید از مفهومی به نام میدان استفاده می‌کنند که به نظریه‌های میدان مشهور هستند.

کنفرانس سلوی در سال ۱۹۲۷

گرایش‌های گوناگون فیزیک

جدول زیر بسیاری از زمینه‌ها و زیرزمینه‌های فیزیک به همراه نظریه‌های مربوط و مفاهیم به کار رفته در آنها را در بر می‌گیرد.