تأمين انرژي مورد نياز و حل مشكلات زيست‌محيطي، يكي از مهمترين دغدغه‌هاي بشر در قرن اخير است. اين امر باعث شده است تا همواره در پي يافتن منابع جديد توليد انرژي با حداقل آلودگي­هاي زيست‌محيطي باشيم. اهم گزينه‌هاي مطرح در خصوص منابع جديد انرژي، عبارتند از: انرژي اتمي، انرژي‌هاي تجديدپذير نظير انرژي خورشيدي، انرژي باد، استفاده از پيل ­هاي سوختي و… به رغم پيشرفت­هاي تكنولوژيكي قابل توجه، هنوز هم اين روش­ها فاقد سهم قابل ملاحظه­اي در تأمين انرژي بوده و سوخت‌هاي فسيلي بهترين گزينه مطرح هستند. اين نوع سوخت‌ها بيشترين سهم را در توليد انرژي دارند. نكته قابل توجه در مورد استفاده از سوخت­هاي فسيلي‌، محدوديت منابع و آلودگي­هاي زيست‌محيطي ناشي از مصرف آنهاست. لذا استفاده بهينه از اين منابع به منظور دستيابي به چگالي انرژي بالاتر و كاهش آلودگي­هاي ناشي از به‌كارگيري آنها، بسيار حائز اهميت است. براي دستيابي به اين مهم، بسته به نوع كاربرد سوخت مورد استفاده، روش­هاي مختلفي ارائه شده است. يكي از مهمترين اين روش­ها، تغيير تركيب هواي مورد استفاده است. به‌طوري كه با افزايش غلظت اكسيژن در هواي ورودي، بازده احتراق افزايش يافته و چگالي انرژي مورد استفاده سوخت، افزايش مي­يابد. از سوي ديگر، با توجه به افزايش غلظت اكسيژن ورودي، احتراق كاملتري انجام گرفته و در نتيجه هيدروكربن­هاي نسوخته، ذرات جامد معلق، گاز مونواكسيد كربن و… كاهش مي­يابد. گفتني است كه استفاده از هواي غني شده از اكسيژن، مي­تواند به افزايش ميزان اكسيدهاي نيتروژن بينجامد كه اين آلاينده را نيز مي­توان با اعمال تكنيك­هاي خاص، كاهش داد.

هواي غني شده از اكسيژن را مي­توان با افزودن اكسيژن خالص به هواي معمولي و يا به صورت Onboard از هواي معمولي تهيه كرد. روش اول براي تهيه هواي غني شده از اكسيژن، چندان مناسب نيست زيرا گران بوده و در كاربردهايي نظير بهبود احتراق سيستم­هاي متحرك (خودروها) قابل استفاده نيست. براي توليد اكسيژن غني شده به صورت Onboard دو روش PSAا1 و غشايي وجود دارد. با توجه به مباحثي كه در بخش­هاي بعدي خواهد آمد، روش غشايي بر روش PSA برتري دارد و از اين رو، در سال­هاي اخير تمام توجهات در حوزه جداسازي گازها، به سمت اين روش (غشايي) جلب شده و تحقيقات متعددي در زمينه اين فناوري صورت گرفته است.

نگراني درباره بزرگترين آزمايشگاه دنيا

بزرگ‌ترين شتاب‌دهنده ذرات دنيا (LHC) كه از آن به عنوان بزرگ‌ترين و مجهزترين آزمايشگاه تحقيقاتي جهان نيز ياد مي‌شود از سپتامبر سال گذشته (شهريور 87) حيات خود را آغاز كرد، اما به دليل بروز برخي نواقص فني هم‌اكنون چند ماهي است به خواب رفته، اما با تلاش محققان مركز تحقيقات هسته‌اي اروپا (سرن) كه در ژنو سوئيس واقع شده است بزودي مهياي ادامه كار خود مي‌شود. آنچه كه در ماه‌هاي گذشته و همزمان با از كار افتادن موقتي اين مجموعه عظيم آزمايشگاهي روي داده است از بروز برخي شايعات و نگراني‌هاي مرتبط با آنها درخصوص وضعيت خاموش اين آزمايشگاه و خطرات احتمالي آن براي ساكنان زمين حكايت دارد، اما حقيقت چيز ديگري است.

چرا طرح عظيم LHC براي برخي ساكنان زمين نگراني‌هايي را به همراه داشته است؟ در تشريح اين مسأله و در نهايت رسيدن به جايي كه بتوان با استنادات علمي ‌چنين نگراني‌ها و شايعاتي را رد كرد بايد ابتدا به فرآيندي كه در اين آزمايشگاه زير زميني روي مي‌دهد، پرداخت. در مجموعه عظيم آزمايشگاهي LHC ساختار حلقه‌اي غول پيكري قرار دارد كه در آن ذرات مسافتي بالغ بر 27 كيلومتر را در وضعيت پرتاب طي مي‌كنند. برخورد اين ذرات در سرعت‌هاي بسيار بالا نتايجي در بردارد كه مهم‌ترين آنها كشف اسرار مختلف نهفته در دل مواد و در نتيجه چگونگي پيدايش عالم است.

طرح شتابگر عظيم LHC كه با هزينه 9 ميليارد دلار و به عنوان بزرگ‌ترين و پيچيده‌ترين دستگاهي است كه تاكنون توسط بشر ساخته شده است در زير زمين و در ناحيه مرزي فرانسه و سوئيس قرار دارد. آزمايشاتي كه در اين مركز صورت مي‌گيرد با هدف افزايش دانش بشر نسبت به طبيعت بوده و با مشاركت گروهي متشكل از 7 هزار دانشمند و فيزيكدان و با حضور 80 كشور جهان طراحي شده و از لحاظ عمق و حجم اطلاعات و فعاليت‌هاي علمي ‌بزرگ‌ترين طرح علمي ‌بشر محسوب مي‌شود. در اين مجموعه آزمايشگاهي ريز سياهچاله‌هاي ميكروسكوپي ايجاد مي‌شود كه مربوط به ايجاد انفجاراتي لحظه‌اي اما بزرگ است. در حقيقت دانشمندان تلاش مي‌كنند در طول انجام چنين برخوردها و تشكيل سياهچاله‌هايي از اين دست به نوعي شكل گيري اوليه عالم را شبيه سازي كنند. نكته جالب اينجاست كه آغاز برخي نگراني‌ها و شايعات درخصوص فعاليت LHC از همين جا آغاز مي‌شود. در هفته‌ها و ماه‌هاي اخير افزايش آگاهي مردم درخصوص چگونگي فرآيندهاي برنامه‌ريزي شده براي LHC موجب شده تا برخي انجام آنها را براي ادامه حيات زمين خطرناك عنوان كنند. در گزارش‌هايي آمده است: نگراني برخي مردم جهان بويژه اروپايي‌ها مبني بر آن است كه ايجاد چنين شرايطي اگر از كنترل و برنامه‌ريزي دانشمندان خارج شود مي‌تواند تبعات و نتايج باورنكردني‌اي به همراه داشته باشد تا آنجا كه ديگر اثري از زمين نخواهد بود. از آن گذشته، آغاز فعاليت‌هاي اين طرح با نقص همراه بوده است و از اين‌رو شايد بتوان اين نگراني را نيز قابل توجيه دانست كه با خارج شدن امور از كنترل دانشمندان و فيزيكدانان آنچه نبايد اتفاق افتد روي دهد.

چنين نگراني‌هايي گرچه از بعد تئوري قابل بحث است، اما نكته اصلي اينجاست كه در اين طرح عظيم آزمايشگاهي كه با صرف بودجه‌اي نزديك به 10 ميليارد دلار همراه بوده است، از بالاترين تكنيك‌ها و امكانات كنترلي بهره گرفته شده است تا جاي هيچ گونه نگراني درخصوص تداوم فعاليت‌هاي آن بر جاي نماند. اما اين تنها بخشي از پاسخ دانشمندان طرح LHC به چنين شايعات و نگراني‌هايي است. با دقت به آنچه در اين آزمايشگاه روي داده و خواهد داد اين نكته روشن مي‌شود كه چنين فرآيندهايي هم اكنون و حتي در دوران‌هاي گذشته و همزمان با حيات زمين و ديگر اجرام آسماني به صورت طبيعي در حال رخ دادن بوده است.

از آن گذشته برخورد دهنده‌ هادرون مانند ديگر برخورد دهنده‌ها، پديده طبيعي پرتوهاي كيهاني را تحت شرايط كنترل شده آزمايشگاهي بازسازي كرده و امكان مطالعه دقيق آنها را فراهم خواهد آورد. پرتوهاي كيهاني ذراتي هستند كه خارج از فضاي زمين توليد شده و انرژي برخي از آنها بسيار فراتر از انرژي ايجاد شده در ‌هادرون خواهد بود. طي ميلياردها سال گذشته، طبيعت تعداد زيادي از برخوردهاي مشابه برخورد ‌هادرون را با انرژي بيش از آن در زمين به وجود آورده است و همان‌طور كه قابل مشاهده است زمين همچنان در حال ادامه حيات است. كل جهان هستي در هر ثانيه بيش از 10 ميليون ميليون آزمايش مشابه آزمايش ‌هادرون را به انجام مي‌رساند و احتمال وجود هر نوع خطري با آنچه در سيارات و ستاره‌هاي ديگر مشاهده مي‌شود كاملا متناقض است.

گذشته از اين توضيحات، دانشمندان اين طرح هم‌اكنون خود را براي راه‌اندازي مجدد اين مجموعه عظيم آزمايشگاهي آماده مي‌كنند. بر اساس پيش‌بيني‌هاي صورت گرفته LHC از اواخر ماه سپتامبر و با آزاد كردن نخستين سري از تابش‌هاي پروتوني فعاليت مجدد خود را آغاز خواهد كرد. بي‌شك اين لحظه بشدت مورد توجه دانشمندان و فيزيكداناني قرار دارد كه طي 15 سال گذشته كه برنامه طراحي و ساخت LHC آغاز شده است، همواره به دنبال يافتن پاسخي براي هزاران پرسش علمي ‌و تحقيقاتي خود بوده‌اند. اين مجموعه عظيم آزمايشگاهي فرصت مناسبي در اختيار دانشمندان و فيزيكدانان سراسر جهان قرار مي‌دهد تا بيش از گذشته به درون ساختارهاي اتمي‌ و انرژي نهفته در مواد نفوذ كنند. در حال حاضر در گوشه و كنار جهان سيستم‌هاي برخورد دهنده مشابهي فعاليت دارند، اما آنچه به عنوان نقطه تمايز اين دستگاه و ديگر دستگاه‌ها به شمار مي‌آيد انرژي هنگفتي است كه بر اثر برخورد ذرات با يكديگر در آن آزاد مي‌شود. تاكنون دانشمندان تنها موفق به آزادسازي يك ترا الكترون ولت انرژي در ديگر سيستم‌هاي برخورد ذرات بوده‌اند، اما اكنون برنامه‌ريزي گسترده‌اي براي افزايش اين رقم به 7 ترا الكترون ولت است كه در صورت به حقيقت پيوستن مي‌توان از آن به عنوان يكي از نقاط عطف تاريخ علم ياد كرد. دانشمنداني كه در مجموعه آزمايشگاهي سرن در حال فعاليت شبانه‌روزي هستند اميدوارند از نتايج آزمايش‌هاي خود در سرن گام تازه‌اي در افزايش درك بشر از حوادث مربوط به پس از انفجار بزرگ و پيدايش عالم برداشته و در عين حال با نگاهي به جلو در نظر دارند تا از نتايج مربوط به برخورد ذرات در شتاب‌دهنده راهكارهاي نوين درماني براي بيماري‌هاي مختلف نظير سرطان ارائه كنند. بي‌شك اهميت و عظمتLHC و نتايج ارزشمندي كه براي ساكنان زمين به همراه خواهد داشت در آينده نه چندان دور بيشتر و بيشتر نمود پيدا خواهد كرد.

دونالد اهرنز نويسنده اي است كه در كتاب خود با نام "هواشناسي امروز" از رنگين كمان تحت عنوان يكي از ديدني ترين نورهايي كه مي توان در زمين مشاهده كرد نام برده است. حقيقتاً از ديدگاه سنتي رنگين كمان عبارت از پرتو خورشيدي است كه  به رنگهاي مختلف انتشار مي يابد و  به وسيله قطرات ريز باران به چشم مشاهده كننده بازمي گردد.اصطلاح كمان كه بخشي از كلمه رنگين كمان را تشكيل مي دهد در حقيقت مطلب را به خوبي توضيح مي دهد كه رنگين كمان دسته اي است از رنگهاي خم شده كماني است كه مركز مشتركي دارند.  

خورشيد هنگام پديدار شدن رنگين كمان كجاست؟

طرح اين پرسش براي شروع تفكر فيزيكي پيرامون اين مسئله كه "فرايند تشكيل رنگين كمان چيست" بسيار مناسب است. اغلب مردم هيچ توجهي نمي كنند كه زمان مواجهه با رنگين كمان هميشه خورشيد پشت سرشان قرار دارد. و مركز كمان رنگين كمان دقيقاً در مقابل خورشيد واقع است. البته با ذكر اين نكته كه باران در امتداد رنگين كمان قرار دارد.

چه چيزي سبب ايجاد قوس رنگين كمان مي شود؟

پرسشهايي از اين دست پاسخهاي فيزيكي به خصوصي دارند. ما پديده تشكيل كمان را توسط بارش باران توضيح خواهيم داد. و اين مسئله اي پيرامون مباحث اپتيك است كه نخستين بار به طور شفاف توسط رنه دكارت در سال 1637 ميلادي تشريح گرديد.موضوع جالب تاريخي اينكه مطابق با مطلبي كه در كتاب كارل بايرز "رنگين كمان از افسانه تا رياضيات" شرح داده شده در حقيقت دكارت اين پديده را با در نظر گرفتن گذر نور از يك قطره آب ساده سازي نموده و توانست اين پديده را  شرح دهد . وي مي نويسد: در نظر بگيريد اين كمان نه در آسمان بلكه در هواي نزديك به ما هر كجا كه خورشيد به قطرات باران ميتابد ظاهر گردد. در نتيجه ما قطعاً خواهيم توانست اصل قضيه را دريابيم. من تصميم دارم به سهولت بيان نمايم كه هر كدام از پرتوهاي نور به قطرات فرو ريزنده باران برخورد و از آن عبور نمايد و به چشم ما ميرسد.  بعلاوه با در نظر گرفتن اين موضوع كه قطره باران گرد و كروي است و ساختاري تشكيل يافته دارد و اينكه قطره آب در اندازه هاي بزرگتر و كوچكتر ايجاد مي گردد در اصل پيدايش كمان تفاوتي ايجاد نميشود اگر اين كره كوچك يا بزرگ باشد.من نظري دارم و آن اين است كه مي توان اين مطلب را بهتر بيان نمود. دكارت توضيح داده كه چگونه كره بزرگي ساخته و به پرتوهاي خورشيد گذرنده از آن نگاه كرده است.                                     

وي همچنين نوشته است "من دريافتم اگر پرتو خورشيد بعنوان مثال از بخشي از خورشيد كه در شكل زير با AFZنشان داده شده است عبور كند و چشمان ناظر در نقطهE   قرار داشته باشد زمانيكه در موقعيت دوار BCD واقع هستم  قسمت D قرمز و روشنتر به نظر خواهد رسيد."

و هرچقدر به آن نزديك شوم يا از آن دور  گردم و يا به چپ و راست بروم و يا اينكه به سمت بالا ارتفاع بگيرم همواره خط EM با امتداد خط DE  زاويه 42 درجه خواهد ساخت.

بنابراين ما تصور مي كنيم در امتداد مركز خورشيد و چشمان مان قرار دارد و از اين رو همواره قرمز به نظر خواهد رسيد و به تدريج با بزرگتر شدنDEM  رنگ قرمز محو و ناپديد خواهد شد. 

و به همين ترتيب اگر زاويه را اندكي كوچكتر در نظر بگيريم رنگ قرمز به يكباره ناپديد و محو نخواهد شد بلكه حالت محو تري پيدا خواهد كرد و ديگر آن حالت تشعشع درخشنده را كمتر خواهد داشت. كه به تدريج در پهناهاي مجاور آن رنگهاي زرد آبي و ساير رنگها ظاهر مي شوند.

وقتي مسئله را جزئي تر بررسي كنيم درمي يابيم در قسمتBCDچه چيزي سبب مي گردد نقطه D قرمز به نظر برسد. دريافتم كه پرتوهاي نور خورشيدي كه از  A  به   B   مي رسند در زمان ورود به نقطه B   خم مي شوند.  و براي عبور به نقطه C  جايي كه به نقطهDبازتابيده مي شوند  و در آنجا با عبور از قطره آب باز هم خميده مي شوند .

آنچه گفته شد شكل رنگين كمان را بيان مي كند . براي ساده سازي اين تحليل مسير پرتو تكرنگ را درون يك قطره كروي آب در نظر بگيريد . تصور كنيد نور چگونه داخل قطره كروي آب مي گردد و سپس چگونه توسط سطح خميده داخلي و نيز " آيينه مانند"  قطره آب  بازتابيده مي شود. و در نهايت اينكه چگونه نور به قطره آب وارد و از آن خارج مي گردد.اگر نتايج اين بررسي را به كل قطرات آب باران در آسمان تعميم دهيم مي توانيم علت كماني شكل بودن رنگين كمان را درك نماييم. دياگرام سنتي براي توضيح اين پديده نشان داده شده است. "فيزيك هواشناسي" مسير عبور يك پرتو نور  از  قطره آب در امتدادSA را نمايش مي دهد. به گونه اي كه باريكه نور در نقطه A  وارد مي شود .

به ميزان كمي خميده مي گردد و به داخل قطره آب وارد شده تا نقطه B پيش مي رود.

  زمانيكه به نقطهC بازتابيده مي شود و از قطره آب بيرون آمده اكنون با حالتي منحني و خميده شده در امتداد CE از قطره خارج مي گردد.  زاويه D  ميزان انحراف زاويه اي خروج پرتو نور از امتداد اصلي را نشان مي دهد.

دكارت اين زاويه را براي پرتو نور قرمز در حدود 138 درجه اندازه گيري نموده است. پرتوي كه در اينجا كشيده شده بسيار با اهميت است زيرا كه پرتوي را كه انحراف زاويه كمتري دارد از ميان همه پرتوها در قطره باران نشان مي دهد كه دكارت يا پرتو رنگين كمان ناميده ميشود و بيشتر پرتوهاي خورشيدي مانند آن درست مانند اين پرتو در ميان قطره باران شكسته و بازتابيده ميشوند. بنابراين نور بازتابيده شده پراكنده تر و ضعيف تر خواهد بود مگر آنكه نزديك به اين امتداد پرتو رنگين كماني باشد. اين تمركز پرتوها در نزديكي حداقل انحراف زاويه اي منجر به ظاهر شدن كمان و قوس رنگين كمان مي گردد.خورشيد فوق العاده از ما  دور است  و مي توان تقريب خوبي براي اين مسئله  داشت. با فرض اينكه پرتوهاي خورشيدي دسته پرتوهاي موازي ايجاد مي نمايد كه در قطره آب داخل شده و در درون قطره پخش و بازتابيده مي شود و بار ديگر ه هنگام خروج از قطره آب رفتار مشابهي نشان مي دهد. دكارت در اين باره مي نويسد: قلم به دست گرفتم و محاسبه دقيقي از مسير پرتوهايي كه بر نقاط مختلف قطره كروي باران وارد مي شود براي حساب كردن اينكه چه زوايايي پس از دو پراكندگي و بازتاب به چشم انسان مي رسند انجام دادم. سپس دريافتم پس از يك بازتاب و دو پراكندگي پرتوهاي بيشتري از زاويه 42 و 41 درجه مي توانند به چشم برسند تا اينكه از ساير زوايا .  و هيچ پرتوي از زاويه اي بيش از اين نمي تواند مشاهده شود.عموماً  يك قطره باران كروي است و بنابر اين اثر آن بر نور خورشيد به طور متقارن با يك محور ميان مركز قطره و چشمه نور (در اينجا خورشيد) مي باشد .زيرا اين تقارن در بيان دوبعدي موجود در شكل به خوبي  كفايت مي كند و تصور سه بعدي قطره به دليل تقارن كروي مي تواند با گردش حول محور تقارن صورت پذيرد.اثر تقارن كانوني بر هر قطره در هر كجا كه قطرات باران را مشاهده مي كنيم.

و  با معيار ديدrainbow ray  تعريف مي گردد را در  لكه هاي روشن را پراكنده شده و بازتاب يافته نور خورشيد خواهيم ديد.

بر طبق شكل مشاهده مي كنيم كه پرتو رنگين كمان براي نور قرمز مابين امتداد پرتو خورشيد و خط ديد زاويه 42 درجه مي سازد. بنابراين در زمانيكه قطره باران در خط ديد واقع مي شود با نور پديدار شده چنين زاويه اي را مي سازد روشنايي آن را خواهيم ديد.

كماني از منحني با زاويه 42 درجه به مركز مقابل خورشيد است.  بدين ترتيب رنگين كمان ما منحني را به طور كامل مشاهده نخواهيم كرد زيرا زمين در ميانه راه با آن برخورد مي كند. زماني كه خورشيد نسبت به افق پايين تر قرار دارد ما بخش هاي بيشتري از اين قوس دايره رنگين كمان را مشاهده خواهيم نمود خصوصاً در موقعيت غروب خورشيد كه ما نيم دايره اي از نگين كمان با كمان 42 درجه در بالاي افق مشاهده مي نماييم. زمانيكه خورشيد نسبت به افق در بالاترين قسمت خود واقع است كمان رنگين كمان كوچكتر به نظر خواهد رسيد.

 چه چيزي سبب ايجاد رنگها در رنگين كمان مي شوند؟

 توضيح سنتي رنگين كمان بيان مي داشت كه رنگين كمان متشكل از 7 رنگ قرمز نارنجي زرد سبز آبي نيلي و بنفش مي باشد اما در حقيقت رنگين كمان طيف پيوسته اي از تمامي رنگها را از بنفش تا قرمز در گستره ديد انسان در بر مي گيرد. رنگهاي رنگين كمان ناشي از دو واقعيت اساسي است:

 پرتو خورشيد متشكل از دامنه همه رنگهاي قابل ديد در گستره بينايي انسان مي باشد . رنگهاي نور خورشيد زمانيكه با يكديگر تركيب مي گردند سفيد به نظر مي رسند. اين خاصيت نور خورشيد نخستين بار توسط سر آيزاك نيوتن  در سال 1666 تشريح گرديد. نور رنگهاي مختلف زمانيكه از يك حائل مانند هوا به محيط ديگري مانند آب يا شيشه عبور مي كنند به ميزان متفاوتي انتشار مي يابند. دكارت و ويلبرورد اسنل محاسبه كرده بودن كه نور چگونه زمانيكه از يك محيط به محيط ديگري كه چگالي متفاوتي دارد گذر مي كند خم يا پراكنده مي شود. (مانند گذر نور از هوا به محيط آب) زمانيكه مسير پرتو نور درون قطره آب را براي نورهاي قرمز و آبي بررسي مي كنيم در مي يابيم زاويه انحراف براي اين دو رنگ متفاوت است . زيرا نور آبي بيش از نور قرمز خميده و پراكنده مي شود.

اين موضوع نشان مي دهد زماني كه رنگين كمان و دسته رنگهاي آن  را مشاهده مي كنيم به نوري نگاه كرده ايم  كه از قطرات مختلف آب  پراكنده و بازتابيده شده است. برخي با زاويه 42 درجه ديده مي شوند برخي با زاويه 40 درجه و برخي مابين اين دو زاويه. رنگين كمان متشكل از دو رنگ اغلب پهنايي برابر با 2 درجه دارد (در حدود چهار مرتبه بزرگتر از اندازه زاويه اي ماه كامل) . توجه نماييد كه با وجود اينكه نور آبي بيش از نور قرمز در يك قطره باران پراكنده مي شود ما نور آبي را در قسمت داخلي تر رنگين كمان مشاهده مي نماييم زيرا ما از زاويه ي ديد متفاوت كوچكتر از 40 درجه براي نور آبي نگاه مي كنيم.

چه چيزي سبب ايجاد رنگين كمان دوتايي مي شود؟

بعضي وقتها دو رنگين كمان را همزمان با هم مشاهده مي كنيم. چرا اينگونه است؟ ما مسير پرتو نور از درون قطره آب باران را در زماني كه وارد آن مي شود و درون آن بازتابيده مي شود  پيگيري كرديم . اما تمام انرژي پرتو نور پس از آنكه يكمرتبه بازتابيده شد اتلاف مي شود. بخشي از پرتو نور مجدداً بازتابيده مي شود و از درون قطره آب را پشت سر گذاشته و از آن بيرون مي رود.

رنگين كمان معمولي كه عموماً مشاهده مي كنيم رنگين كمان اصلي و اوليه ناميده مي شود و توسط يك بازتاب داخلي ايجاد مي گردد .  رنگين كمان ثانويه به سبب وجود دو بازتاب داخلي ايجاد شده و پرتو نور با زاويه 50 درجه نسبت به زاويه 42 درجه كمان اوليه قرمز از قطره خارج مي شود. نور آبي اغلب با زاويه 53 درجه پديدار مي شود و اين اثر سبب ظاهر شدن رنگين كمان ثانويه مي شود كه رنگهاي آن در قياس با رنگين كمان اوليه معكوس هستند. ممكن است كه يك پرتو نور بيش از دو مرتبه درون قطره آب بازتابيده شود. و مي توان به همين ترتيب رنگين كمانهاي مرتبه بالاتر را نيز شرح داد. اما در حقيقت اين حالت در شرايط محيطي معمولي رخ نمي دهد.

چرا آسمان درون رنگين كمان روشن تر به نظر مي رسد؟

دقت نماييد كه كنتراستي ميان رنگ آسمان بيرون و درون كمان رنگين كمان وجود دارد.

وقتي كسي انتشار نور خورشيد را در قطره آب بررسي مي نمايد در مي يابد تعداد زيادي پرتو با زاويه هاي كوچكتر از  پرتو رنگين كمان خارج مي شوند. اما اساساً از يك بازتاب داخلي با زاويه اي بزرگتر از اين پرتو نوري وجود ندارد. بنابراين پرتوهاي بسياري از نور در كمان هستند و مقدار كما هم سواي اينها (در زواياي ديگر) وجود دارد.

زيرا اين نور سفيد است كه تركيبي است از همه رنگهاي رنگين كمان. در رنگين كمان نوع دوم پرتو رنگين كمان كوچكترين زاويه را دارد و پرتوهاي بسياري با زاويه هاي بزرگتر از آن ظاهر مي شوند. بنابراين دو كمان تركيب شده و ناحيه اي تيره تر مابين خود ايجاد مي نمايند كه پهناي اسكندر ناميده مي شود. به افتخار اسكنر مقدوني كه اين موضوع را در 1800 سال پيش دريافت.  

كمانهاي اضافي چيستند؟

در برخي از رنگين كمانها  كمانهاي كم نور و كمرنگ فقط داخل و نزذيك بالاي كمان اصلي واقع اند. اين كمانها كمانهاي اضافي ناميده مي شوند كه توط توماس يانگ در سال 1804 از موضوع تداخل نوري پرتوها درون قطره آب استنتاج گرديد.

كار يانگ تاثير عميقي تئوريهاي تبيين كننده ماهيت نور بر جاي نهاد و مطالعات وي پيرامون رنگين كمان پايه و ريشه ي اساسي اين مبحث را تشكيل مي دهد. يانگ نور را چنين تفسير نمود: نور دسته اي از امواج است و زمانيكه دو پرتو در يك مسير در قطرات آب پراكنده شوند   با يكديگر تداخل موجي خواهند نمود.

بسته به اينكه پرتوها چگونه با يكديگر جور مي شوند تداخل مي تواند سازنده باشد (در مواردي كه پرتوها روشنايي ايجاد مي نمايند) و ويرانگر باشند (زمانيكه تداخل پرتوها از ميزان روشنايي مي كاهد). اين پديده به روشني توسط مقاله ناسنزويگ تحت عنوان "تئوري رنگين كمان" توضيح داده شده است. وي مي نويسد:

در زواياي خيلي بسته رنگين كمان دو مسير عبور از ميان قطره آب با هم اندكي تفاوت دارند . بنابر اين دو پرتو با هم تداخل سازنده مي كنند. وقتي زاويه افزايش پيدا مي كند دو پرتو اساساً طولهاي متفاوتي را طي مي كنند. وقتي اين تفاوت برابر با نصف طول موج گرديد تداخل به طور كلي ويرانگر خواهد بود. ودر زواياي بزرگتر بار ديگر يكديگر را تقويت مي كنند. در نتيجه تغييرات نوساني در شدت نور پراكنده شده بوجود خواهد آمد. گروهي از پهناهاي روشنايي و تاريكي.

خالص بودن رنگهاي رنگين كمان به اندازه قطرات باران بستگي دارد. قطرات درشت (در حدود قطرهاي چند ميليمتري) رنگين كمانهاي روشن مي دهند با رنگهاي تفكيك شده و زيبا. قطرات ريز باران (در حدود قطرهاي 0.1 ميليمتر) رنگين كمانهايي با رنگهاي در هم پوشانيده شده ايجاد مي نمايد و اغلب نزديك به رنگ سفيد و شفاف ديده مي شوند. به ياد آوريد تئوري هاي رنگين كمان را  كه قطرات باران را كروي فرض مي كردند.

هرگز يك سايز براي قطرات باران وجود ندارد بلكه قطرات باران متشكل از ابعاد و اندازه هاي گوناگون مي باشند. اين امر منجر به ايجاد رنگين كمان مركب مي شود . عموماً قطرات باران به شعاع 0.5 سانتي متر نمي رسند مگر در اثر برخورد با ساير قطرات. البته گاهي قطرات تا حد چند ميليمتر بزرگتر از آنچه بودند خواهند شد خصوصاً در بارانهاي طوفاني.

بيل ليوينگستون پيشنهاد مي كند: اگر شما به قدر كافي شجاع باشيد در مدت ريزش باران در  طوفان و رعد و برق به بالا نگاه كنيد . ممكن است به چشمان و يا عينك شما آسيب برسد. با اين حال كشنده نيست! شما مشاهده خواهيد نمود كه قطرات باران به هم پيچيده و نوساني فرو مي ريزند.امتداد سطح باران اگر هيچ نيروي ديگري بر آن اثر نكند به صورت كروي فرض مي شود اما زماني كه قطره باران  در هوا سقوط مي كند نيروي كششي سبب تغيير شكل آن مي گردد و آن را به صورت مسطح در مي آورد. ميزان تغيير شكل مي تواند در تونل باد بر روي يك قطره معلق آزمايش و مدلسازي شود.

(Pruppacher and Beard, 1970, and Pruppacher and Pitter, 1971)

قطرات آب با شعاع كمتر از 140 ميكرون كروي باقي مي مانند ولي زمانيكه ابعاد قطره افزايش مي يابد مسطح شدن قطره قابل توجه مي شود. براي قطرات با شعاع نزديك به 140 ميكرون نسبت ارتفاع به عرض 0.85 خواهد بود. اين مسطح شدن براي قطرات بزرگتر بيشتر خواهد بود.

The connection between physics teaching and research at its deepest level can be illuminated by Physics Education Research (PER). For students and scientists alike, what they know and learn about physics is profoundly shaped by the conceptual tools at their command. Physicists employ a miscellaneous assortment of mathematical tools in ways that contribute to a fragmentation of knowledge. We can do better! Research on the design and use of mathematical systems provides a guide for designing a unified mathematical language for the whole of physics that facilitates learning and enhances physical insight. This has produced a comprehensive language called Geometric Algebra, which I introduce with emphasis on how it simplifies and integrates classical and quantum physics. Introducing research-based reform into a conservative physics curriculum is a challenge for the emerging PER community. Join the fun

رابطه بین آموزش و تحقیقات یک موضوع دائمی در دانشگاهها ست، بدون اینکه هیچ فرایندی برای بازنگری این مسئله وجود داشته باشد.تمام جوهره تحقیقات آموزشی فیزیک ( Physics Education Research, PER ) بر روش جدیدی قرار می گیرد که  خود امر آموزش یک موضوع برای تحقیقات ساخته شود. موضوع اصلی در PER تغییر دقت به رابطه بین تحقیقات آموزشی و تحقیقات علمی است. بسیاری اوقات، حوزه تحقیقات PER منحصرا آموزشی است. مسئله تحقیقات این است که چگونه آموزش را مفید تر کرد؟ این دیدگاه PER یک بصیرت با ارزش و نتایج مفیدی را تولید می کند. ولی PER با هر گونه بهبود آموزشی توسط بازسازی محتوای درسی مخالف است. آشکارا یک فهم عمیق در فیزیک نیازمند مقاومت با هر گونه بازسازی آموزشی است. نویسنده در این جا برای نشان دادن ساختار و ماهیت موضوع علمی بحث مدعی می شود که PER و تحقیقات علمی با یکدیگر همپوشانی داشته و سبب تقویت یکدیگر از لحاظ فکری می شوند.

مانند هر تئوری علمی، تئوری آموزشی نیز باید توسط نتایجش تایید شود. این برنامه آموزشی بر روی افراد زیادی امتحان شده و نتایج تجربی داشته است و من ( نویسنده ) فکر می کنم که این نتایج می تواند نظریه من ( نویسنده ) را پشتیبانی کند ولی در این جا نمی توان به این نتایج تجربی پرداخت.

یک شرح مختصر بر تئوری آموزشی مجموعه قدم هایی است برای رسیدن به هدف اصلی ام یعنی: یک نقد سازنده بر زبان ریاضیاتی به کار رفته در فیزیک، با معرفی و جایگزینی یک زبان واحد که در چهل سال گذشته گسترش پیدا کرده است. نام اصلی این زبان جبر هندسی است.( Geometric Algebra, GA)هدف من در این جا این است که بیان کنم GA چگونه مفاهیم فیزیک را ساده و روشن تر می کند و در نتیجه شما را با مفاهیم زیادش برای آموزش فیزیک در همه سطوح قانع کنم. در این جا من با جزییات مناسب شرح می دهم که GA هم برای آموزش و هم برای تحقیقات مفید است و در چاپ مقالات هم می توان از آن بهره برد.

( چکیده مطلب از اول تا این جا: من در حال فکر کردن به این موضوع بودم که چگونه می توان به دانشجویان فیزیک را موثر تر آموخت؟ اطرافیانم به من پیشنهاد دادند که محتوای درسی را تغییر دهیم اما من متوجه شدم این بازنگری مفید نیست و باید کاری بنیادی تر کرد و آن تغییر زبان ریاضیاتی فیزیک به GA است.)

خصوصیات منحصر به فرد این زبان ریاضیاتی (GA) عبارتند از:

1- GA به طور یکپارچه خواص بردارها و اعداد مختلط را جمع می کند تا قادر باشد رفتار فیزیک دو بعدی را مستقل از مختصات بیان کند.

2- GA به طور یکپارچه با استفاده از جبر بردارها تکمیل می شود تا به سادگی قادر به برقراری ارتباط با مقالات استاندارد و روش های ریاضی شود.

3- GA کرل، گرادیان، دیورژانس و دیگر عملگر های برداری را به یک مشتق برداری کاهش می دهد و چهار معادله ماکسول را به یک معادله تبدیل می کند و روش های جدیدی برای حل آن مهیا می کند.

4- فرمول بندی GA برای اسپینورها ( spinor) رفتار چرخشی و دینامیک چرخشی را در مکانیک کلاسیک و کوانتومی بدون مختصات و ماتریس ها آسان می کند.

5-GA یک دیدگاه جدید بر ساختار هندسی مکانیک کوانتومی با اشاره بر تفاسیر هندسی اش بیان به وجود می آورد.         

تمام این موارد به طور یکنواخت به یک زبان مستقل از مختصات کامل برای فیزیک فضا- زمان و نسبیت عام تعمیم داده می شود و در مقاله بعدی توضیح داده خواهد شد.

با نفوذ بيشتر در دنياي ريز ذره‌ها ، اثرات گرانشي بطور قابل توجهي كمتر مي‌شوند. ولي اين مساله تا نقطه معيني صادق است و نقش آنها بطور مشخصي افزايش مي‌يابد. و آنها مانند وضعيتي كه در جهان بزرگ وجود دارد به صورت پديده‌هاي فيزيكي غالب در مي‌آيند. در دنياي ريز ذره‌ها كه وجه مشخصه آن فواصل كوچك است، مقادير انرژي و در نتيجه جرم به اندازه‌اي افزايش مي‌يابد كه از اين نظر دنياي ريز ذره‌ها مشابه پديده‌هاي دنياي بزرگ و فوق‌العاده بزرگ مي‌گردد و دو جهان مانند گذشته يكي مي‌شوند و به همين دليل آنها برخي از قوانين طبيعت مشترك هستند.

سياهچاله‌ها كه نشان‌دهنده چگالي فوق‌العاده زياد ماده هستند، ناحيه ديگري مي‌باشند كه در آن وقايع جهاني و ميكروسكوپيك باهم يكي مي‌شوند. در اينجا پديده گرانشي در هر دو حالت عظيم است كه در حالت اول بصورت هندسه تغيير يافته فضا و در حالت دوم به صورت اثرات مكانيك كوانتومي بيان مي‌شود.

بيان ريز ذره‌ها بوسيله پديده گرانشي

پيشرف جهان كوچك عقايد و تصورات خارق‌العاده‌اي پديد مي‌آورد كه نظريه‌هاي دانش عادي را نقض مي‌كند و آشكارا نشان مي‌دهد. چنين عقيده‌اي كه معلومات امروزي علمي مفاهيم مطلق و غير قابل تغييري هستند، پوچ مي‌باشد. به نظر نمي‌آيد كه هيچگاه پيشرفت فيزيك و اختر فيزيك به انتها برسد.

فرضيه ذرات بنيادي كه همواره وقايع عجيب‌تري را آشكار مي‌سازد. دائما با مفاهيم پيچيده رياضي و ساير مفاهيم پيچيده به‌ وجود مي‌آيد كه با دنيايي كه ما را احاطه كرده هيچ گونه مشابهتي ندراد. بايد گفت كه اين فرضيه روز به روز بيشتر با فرضيه كيهاني آميخته مي‌شود. به عبارت ديگر قوانين طبيعي حاكم بود و نقطه نهايي و متضاد ابعاد جهاني يعني دنياي ريز ذره‌ها و دنياي وقايع كيهاني هيچگاه با يكديگر متناقض نيستند.

دنياي ريز ذره‌ها

گمان مي‌رود چنين جرياني بتواند براي ايجاد ارتباط تلفني با گذشته كمك كند يا ممكن است شخصي خود را به ساعت یازده صبح روز قبل انتقال دهد . چنين چيزي مادامي كه دنياي سرعتهاي كوچك‌تر از سرعت نور با دنياي سرعتهاي بزرگ‌تر از سرعت نور برخورد پيدا كند، تناقض مي‌باشد. اگر فقط محدوده سرعت‌هاي بالاتر از سرعت نور را مورد توجه قرار دهيم، چين تناقضاتي به‌وجود نمي‌آيد. تاكنون هيچ يك از اطلاعات تجربي به دست آمده وجود تاكيون‌ها را به اثبات نرسانيده‌اند.

بازگشت به گذشته

دنياي تاكيون ها هيچ نقطه مشتركي با دنياي ما كه در آن سرعت ها كمتر از سرعت نور است ندارد. سه نوع ذره‌اي كه هم اكنون ذكر آنها به ميان آمد، داراي يك خاصيت مشترك مي‌باشند. ذرات يك گروه تحت هيچ شرايطي نمي توانند به ذرات گروه ديگر تبديل شوند. از سوي ديگر ، فقط بر اساس دانش جديد مي توانيم چنين اظهار نظري را به عمل آوريم. اگر اين مسئله را از ديدگاه اطلاعات علمي كامل‌تري كه هنوز ناشناخته است مورد بررسي قرار دهيم، ممكن است كه كاملا تغيير نمايد. در آن صورت مي توانيم فرض كنيم كه دنياي تاكيون ها با دنياي ما برخورد پيدا مي كند و اين بدان معني است كه فرآيندهايي در طبيعت وجود دارند كه در جهات نامشخص پيش مي روند.

اصل عليت كه بر اساس آن علت هميشه مقدم بر معلول است يك اصل اساسي فيزيكي است. به بيان ديگر ، هيچ رويدادي نمي تواند گذشته را تحت تاثير قرار دهد و موجب تغيير آن چيزي گردد كه اتفاق افتاده است، ولي در دنياي ذراتي كه با سرعت نور و يا بيشتر از آن حركت مي كنند ، اين اصل ممكن است تغيير نمايد و علت و معلول با توجه به چارچوب مرجع جاي خود را عوض كنند.

در فرآيندهايي كه پيام ها با سرعت بيشتر از سرعت نور حركت مي نمايند، تسلسل وقايع (وقايعي كه پيش از وقايع ديگر رخ مي دهند) به انتخاب دستگاه مختصات بستگي پيدا مي كند، در عين حال ، جهت جريان اطلاعات يعني اساس بستگي علت و معلول تغيير نمي نمايد. اين مسئله موجب نقص عليت مي گردد.

دنياي تاكيون ها و دنياي ما

عقايد متفاوتي در اين مورد وجود دارد. اگر تاكيون ها واقعا وجود داشته باشند، چه مي شود؟ در اين صورت آنها نوع سوم ذراتي مي باشند كه براي ما شناخته شده اند. اولين نوع شامل ذراتي است كه هيچگاه به سرعت نور نمي رسند. (يعني تقريبا تمام ذرات بنيادي شناخته شده) ، نوع دوم فوتون‌ها (كوانتاهاي تابش الكترومغناطيسي) و احتمالا نوترينوها مي باشند كه هر دو آنها با سرعت نور منتشر مي شوند. تاكيون ها همواره داراي سرعتي مي باشند كه از سرعت نور بيشتر است.

اگر تاكيون‌ها وجود داشتند؟

در كنار دنيايي با سرعت هاي كمتر از سرعت نور (جهان تارديون ، مشتق از كلمه لاتين تاردوس به معناي آهسته) دنياي ديگري وجود دارد كه سرعت نور در آن از سرعت هاي ديگر كمتر است، نه بيشتر (جهان تاكيون مشتق از لغت يوناني تاخيس به معني سريع مي باشد). دنياي دوم كشف نشده است ، زيرا هيچ نقطه مشتركي با دنياي اول ندارد.

سرعتی بالاتر از سرعت نور

در سالهاي اخير ، تعدادي مقاله تحقيقاتي منتشر شده كه نويسندگان آنها احتمال وجود ذرات ابر نور را كه تا كنون ناميده اند، مورد بررسي قرار داده اند.

واقعيت عجيبي كه در مورد فرضيه ابر نور وجود دارد، آنست كه اين فرضيه ، نظريه نسبيت خاص را نقض نمي كند ، بلكه آن را با دنيايي كه در آن سوي محدوده سرعت نور قرار دارد سازگارتر و هماهنگ تر مي سازد.

ابر نور

بر اساس نظريه نسبيت هيچ فرآيند فيزيكي نمي تواند در سرعت هاي بالاتر از سرعت نور در خلا انجام گيرد. بدون ترديد ، قابل قبول نبودن اين سرعت ها يكي از عجيب ترين فرضيات فيزيك جديد است.
آيا واقعا ممكن است كه سرعت هاي بالاتر از سرعت نور وجود داشته باشد؟

گروه فناوریهای نوین: آلبرت اینشتین در زمان خود معتقد بود در صورتی که زنبورها از صحنه حیات زمین محو شوند انسان تنها 4 سال برای ادامه حیات فرصت خواهد داشت و اکنون زنبورها در شرف نابودی هستند

 تعداد انبوهی از زنبورهای عسل در سراسر جهان در حال نابودی هستند و همین امر باعث گردهمایی دانشمندان به منظور کشف دلیل این نابودی شده است.

اینگونه به نظر می رسد که تنها یک دلیل باعث بروز این فاجعه نشده و نمی شود. بیماری، کمبود غذا، آفت ها و تولید مثل در کنار هم می توانند بر روی جمعیت جهانی این حشرات سودمند تاثیر گذار باشند و حیات آنها را به خطر بیندازند.

یک سوم غذای بشر به دلیل فعالیتهای گرده افشانی زنبورها به این جانداران وابسته است. دو کشور آمریکا و انگلستان اعلام کردند که طی سال گذشته یک سوم از زنبورهای خود را از دست داده اند. دیگر کشورهای اروپایی نیز با فقدان تعداد زیادی از زنبورها مواجه شده اند. برای مثال ایتالیا اعلام کرده است که در سال گذشته نیمی از جمعیت زنبورهای این کشور نابود شده اند. و بر اساس گزارشهای به دست آمده از هند این مرگ و میر راه خود را به آسیا نیز باز کرده است.

اما درحالی که دلایل انفرادی مانند بیماری و آفت می تواند درگیر این واقعه باشند اطلاعات بشر از چگونگی ترکیب این عوامل کشنده با یکدیگر و بروز این فاجعه جهانی بسیار اندک است. چنین بینشی طی چند سال آینده باید شفاف شود و در همین راستا دولت آمریکا، اتحادیه اروپا و دیگر کشورها درحال صرف هزینه های گزاف برای تحقیقات بر روی زنبورها هستند. برای مثال دولت انگلستان با دو برابر کردن بودجه سالانه تحقیقات در این زمینه سالانه 400 هزار پوند را برای تحقیق بر روی زنبورها طی 5 سال آینده اختصاص داده است.

در عین حال اتحادیه ملی زنبور در انگلستان به منظور تهیه نقشه ای جامع از میزان مرگ و میر این حشرات و تحقیق بر روی پراکندگی آنها 2.3 میلیون پوند را به خود اختصاص داده است. به گفته متخصصان صرف چنین هزینه هایی بسیار حیاتی خواهد بود زیرا بدون در نظر گرفتن کل جهان، متخصصان هنوز اطلاعات کافی از دلیل شکل گیری این فاجعه در اروپا را نیز در دست ندارند.

یکی از مهمترین عوامل کشتار زنبورها آفتی است به نام واروآ که از سیبری شیوع یافته و تمامی کشورها به جز استرالیا را تحت تاثیر قرار داده است. آلوده شدن به این آفت به تدریج مقاومت زنبورها را در برابر بیماریهای ویروسی کاهش خواهد داد و مهمتر از آن این آفتها در برابر سمومی که به منظور کنترل آنها تولید شده اند مقاوم شده و از بین نمی روند.

در آمریکا نیز ویروسها منجر به بروز اختلالی به نام اختلال فروپاشی کلونی می شوند. طی این اختلال زنبورهای بالغ کندوهای خود را ترک کرده و ملکه و زنبورهای جوان را تنها باقی می گذارند که این پدیده به مرور باعث مرگ این اعضا از کلونی خواهد شد.

بر اساس گزارش تلگراف، در مقایسه با دیگر عوامل نابودگر زنبورها، تولیدمثل در این حشرات تاثیر قابل توجهی در از بین رفتن آنها داشته است زیرا انتخاب تولید زنبورهایی با قابلیت صرف آرام و اهلی بودن و تولید عسل دیگر قابلیتهای مفید این زنبورها را از بین برده است.

سر تحولی و رشد

قانون بقای بار الکتریکی

خواص بارهای الکتریسیته

تولید الکتریسیته بوسیله مالش

الکتریسیته مثبت و منفی

آزمایش ساده برای تولید الکتریسیته ساکن

مواد الکتریسیته ساکن