شکل 1-8 (تصویری از دو کهکشان که در حال حرکت هستند و توسط تلسکوپ فضایی هابل که در مداری به فاصله 500 کیلومتری سطح زمین قرار دارد گرفته شده است)

هدف:

·        کاربرد فیزیک در محدوده ابعاد بزرگ

·        برداشتی از اندازه کیهان

منظومه خورشیدی قسمتی از کهکشان راه شیری است. کهکشان راه شیری یکی از بی شمارترین کهکشان هاست و خود خوشه ای از کهکشان ها به شمار می آید. بزرگ ترین نقشه برداری از کهکشان ها دردانشگاه اکسفورد انگلستان انجام شده است. این نقشه شامل 2 میلیون کهکشان است. فاصله کهکشان های نقشه برداری شده تا 2 میلیارد سال نوری است.

کیهان شناسی عمدتاً بر ساختار بزرگ مقیاس عالم متمرکزاست و درباره منشأ، تکامل و آینده عالم مطالعه کرده و آن را بررسی می کند. برای پاسخ به این پرسش که «عالم چگونه به شکل فعلی درآمده است؟» باید زمان را تا مبدأ آن عقب بکشیم؛ بدین منظور، در سال 1989 ماهواره COBE به فضا پرتاب شد. این ماهواره تابش زمینه بسیار ضعیف کیهان را دریافت می کند. کیهان شناسان معتقدند که این تابش، بازمانده نخستین رویداد در پیدایش عالم است که آن را «مهبانگ» یا «انفجار بزرگ» (Big Bang) می نامند.

آنان بر این باورند که در اثر این انفجار بزرگ، عالم انبساط یافته است و در حال حاضر، آهنگ این انبساط رو به کاهش است. شتاب منفی با شتاب کندشونده سرعت انبساط عالم، به علت وجود جاذبه گرانش است.

رویداد مهبانگ پرانرژی ترین واکنشی بوده که به وقوع پیوسته است. در واقع، زمان با مهبانگ آغاز شده است.

این طور پیشگویی کرده اند که دمای آغازین این رویدادk  10³²بوده که به علت انبساط عالم کاهش یافته است. میتوان اثر سرمایش انبساط را در طول عمر تخمینی عالم محاسبه کرد و به دمایی که برای زمان فعلی پیشگویی شده است، یعنی دمای فوق العاده سرد k 3 رسید. در این دما نیز جسم تابش می کند. این تابش به صورت میکروموجی است. یافتن این تابش، در واقع ، دلیل بر وجود رویداد مهبانگ خواهد بود.

در سال 1965 ، آرنو پنزیاس و رابرت ویلسون اولین کسانی بوده اند که وجود چنین تابش هایی را کشف کرده و به خاطر آن جایزه نوبل را دریافت نموده اند. کاوشگر COBE اختصاصاً برای مشاهده این تابش زمینه به فضا پرتاب شد.

شکل 1-7 (فضاپیمای تحقیقاتی سرنشین دار)

هدف: کاربرد فیزیک در علوم هوا و فضا

استفاده های این ایستگاه فضایی  در جهت پژوهش  و آزمایش های ارزنده ای در زمینه بیولوژی است. این ایستگاه بین المللی فضایی را به صورت قطعه های جدا از هم می سازند و در فضا به یکدیگروصل می کنند. ایستگاه های فضایی به دلیل پرهزینه بودن، با مشارکت کشورهای توسعه یافته از جمله امریکا، روسیه و اروپا ساخته می شود.

شکل 1-6 (ماهواره مخابراتی اینتل ست 4 که در فاصله 36000 کیلومتری سطح زمین قرار گرفته و به دور آن می چرخد)

هدف:

·        کاربرد فیزیک در فناوری ارتباطات

·        ساخت ماهواره ها و نحوه قرار گرفتن آن ها در مدار

ماهواره ی اینتل 4 (Intelsat 4) در مداری قرار دارد که همیشه در بالای یک نقطه از زمین ساکن می ماند (دوره حرکت آن 24 ساعت است). این ماهواره موج های الکترومغناطیسی در محدوده ریزموجی را از ایستگاه های زمینی دریافت کرده و به نقاط دیگر زمین می فرستد. از آن برای انتقال اطلاعات، شبکه اینترنت و شبکه های تلویزیونی بین المللی استفاده می شود. طول آن 8/2 متر و قطر آن 4/2 متر است.

شکل 1-5 (تلسکوپ کک در هاوایی، اخترشناسان به کمک این تلسکوپ قادرند تصاویری واضح تر و دقیقتر از اعماق کیهان به دست آورند)

هدف:

·        کاربرد فیزیک در نجوم

·        ساخت تلسکوپ ها

رصدخانه کک (Keck Observatory) بر بالای مرتفع ترین قله در هاوایی بنا شده است. جو بالای آن تمیز، آرام و خشک است. این رصدخانه شامل دو تلسکوپ، به نام های کک1 و کک2 است. این تلسکوپ ها بزرگ ترین تلسکوپ های بازتابی جهان هستند. تلسکوپ کک 1 در مه سال 1993 و کک 2 در اکتبر سال 1996 مورد بهره برداری قرار گرفتند که توسط انستیتوی تکنولوژی کالیفرنیا، دانشگاه کالیفرنیا و ناسا اداره می شوند. قطر آینه ی هر یک از تلسکوپ ها 10 متر است که از 36 آینه ی شش وجهی ساخته شده است. توان تفکیک آن به حدی است که می تواند شعله ی شمعی را روی کره ی ماه تشخیص دهد.

شکل 1-4 (تصویر تومور و رگ های خونی مغز یک بیمار که به کمک رایانه مدل سازی شده است، این تصویر جراح را قادر می سازد تا پیش از عمل جراحی محل دقیق تومور را مشخص کند و در نتیجه آسیب کمتری به دیگر رگهای خونی بیمار در حین عمل وارد شود)

هدف: کاربرد فیزیک در پزشکی

طرز کار آن براساس روشی به نام واقعیت مجازی (Virtual Reality) است. دراین روش رایانه با استفاده از تصویرهایی که از جهت ها و برش های مختلف از مغز گرفته می شود، تصویری مدل سازی شده از مغز را می سازد.

هدف:کاربرد فیزیک در ساختن تارهای نوری و فناوری ارتباطات

تار نوری از جنس نوعی شیشه است و قطر آن بسیار کمتر از کابل های مسی است. در تار نوری اطلاعات توسط  امواج نوری منتقل شده و در کابل های مسی به وسیله جریان الکتریکی ارسال می شود. مزیت تارهای نوری به قرار زیر است:

1-    ظرفیت انتقال اطلاعات بسیار زیاد است؛ به طوری که یک زوج تار نوری می تواند 300000 ارتباط تلفنی را منتقل کند، در صورتی که یک زوج سیم مسی فقط 2000 ارتباط تلفنی را می تواند انتقال دهد.

2-    میزان اتلاف انرژی در آن ها بسیار کمتر از کابل های مسی است؛ در نتیجه می توان اطلاعات را تا فاصله های بسیار زیادی ارسال کرد.

3-    کیفیت سیگنال ها در هنگام انتقال تغییر نمی کند.

4-    تار نوری سبک تر، کوچک تر و حمل آن راحت تر از کابل مسی است.

5-    در آن ها تداخل اطلاعات صورت نمی گیرد.

6-    چون جنس آن ها از شیشه است ارزان تر تهیه می شوند.

از دیگر کاربردهای تار نوری استفاده در آندوسکوپی برای دیدن داخل بدن است. در این ابزار نور را از یک دسته ی باریک از تارهای شیشه ای بسیار ظریف و قابل انعطاف عبور می دهند و به نقطه مورد نظر درون بدن می تابانند و تصویر حاصل را از طریق دسته ی دیگری از تارها برمی گردانند. این دسته ی دوم تصویرساز ممکن است هزاران تار نوری با ضخامتی در حدود 01/0 میلیمتر داشته باشد که در وضعیت های ثابت چنان مرتب شده اند که تصویر در هم نمی شود، لذا هر تار نوری یک لکه از تصویر را ایجاد می کند.

شکل 1-2 (تصویری از دست انسان که به کمک پرتوهای X گرفته شده است. این تصویر پزشک را قادر می سازد تا محل آسیب دیدگی دست و چگونگی آن را مشخص کند.)

هدف: کاربرد فیزیک در پزشکی

این تصویر با استفاده از پرتوهای X به دست می آید و با استفاده از آن می توان اطلاعات مفیدی از استخوان ها و بافت های بدن به دست آورد. در اثر برخورد الکترون های پرانرژی با یک فلز (هدف)، الکترون ها متوقف می شوند. بخشی از انرژی جنبشی الکترون ها به پرتو X تبدیل می گردد و مابقی باعث افزایش دما در فلز می شود.

کاربرد: برای تصویربرداری از استخوان از پرتوهای X سخت (طول موج کوتاه تر) و برای تصویربرداری از بافت های بدن مانند قلب، ریه و ... از پرتوهای X نرم (طول موج بلندتر) استفاده می شود. در صنعت برای بازبینی جوش اتصال قطعات (مانند لوله های گاز) از پرتوهای X استفاده می گردد.

خطرات پرتوهای X: به طور کلی پرتوهای X برای بدن زیان بارند و به جزدر موارد ضروری نباید از آن استفاده شود.

پیشرفت و تکامل آن: نوع پیشرفته تصویربرداری پرتوهای X، برش نگاری رایانه ای CAT  اسکن نام دارد.

کاربردهای فیزیک

شکل 1-1 (تصویری که به کمک یک میکروسکوپ بسیار پیشرفته از اتم های طلا (نارنجی) بر سطح گرافیت (سبز) گرفته شده است.

هدف:

·        کاربرد فیزیک در ابعاد بسیارکوچک

·      بررسی ساختار بسیار ریز با استفاده از ابزارهایی که بر اساس قانون های فیزیکی طراحی شده اند.

این تصویر با استفاده از میکروسکوپ تونل زنی روبشی (SMT)تهیه شده است.

(Scanning Tunneling Microscope)

در سال 1982 دو فیزیکدان سوئیسی به نام های گرد پینگ و هاینریش روهر این میکروسکوپ را اختراع کردند و جایزه نوبل را دریافت نمودند. اصول کار آن بر مبنای پدیده ی تونل زنی روبشی برای الکترون هاست. با اندازه گیری جریان الکتریکی حاصل از تونل زنی، می توان تصویر شبیه سازی شده از آرایش اتم های ماده را به دست آورد. این میکروسکوپ برای مواد رسانا کاربرد دارد و توان تفکیک آن در حدود ابعاد اتم است (متر).