برخورد فیزیکی با زندگی

صبح زود است و من هنوز در رخت‌خواب گرم خود خوابیده‌ام. پرتوهای بی‌جان نور خورشید که از لابه‌لای پرده وارد اتاق شده‌اند، نوید شروع یک روز تازه را می‌دهند. ساعت 6 صبح است و هشدار (آلارم) گوشی هوشمندم که شب گذشته تنظیم کرده بودم، به صدا در می‌آید و آوایی را که از قبل در تراشه حافظه گوشی ذخیره شده بود، را می‌شنوم.

به سختی چشمانم را باز می‌کنم. با فشردن دکمه «snooz»، هشدار گوشی را موقتاً خاموش می‌کنم. وسوسه می‌شوم کمی دیگر بخوابم. چشمانم ناخودآگاه بسته می‌شوند، اما دلهره‌ام بابت دیرنرسیدن به مدرسه نمی‌گذارد که به خواب بروم. دل کندن از رخت‌خواب گرم و نرم هم عجیب سخت است.

هم‌زمان فکر می‌کنم چقدر خوب شده است که با پیشرفت فناوری، ساعت‌های زنگ‌دار قدیمی جایشان را به هشدارهای هوشمند داده‌ا‌ند. ساعت‌های زنگ‌دار قدیمی فنرهایی داشتند که وقتی عقربه‌های ساعت به ساعت تنظیم‌شده می‌رسیدند، اهرمی حرکت می‌کرد و فنر فشرده شده‌ای را آزاد می‌ساخت. ‌ این فنر یک ضربه‌زن را میان دو پوسته فلزی به نوسان در می‌آورد و صدای گوش‌خراشی تولید می‌کرد. اما حالا در هشدار گوشی هوشمندم، از بلور «پیزوالکتریک» استفاده شده است.

در ساعت‌های زنگ‌دار قدیمی، منشأ نیروی فنرها کشیده یا فشرده‌شدن است که با مواد پیزوالکتریک در گوشی‌های هوشمند یکسان است. اما زمان‌سنج‌های الکترونیکی گوشی هوشمند از نوسانگری خاص و بسیار دقیق‌تر از فنر استفاده می‌کنند؛ یعنی بلور «کوارتز». جامدی که از واحدهای مولکولی «دی اکسید سیلیسیم»، یعنی ترکیب شیمیایی شن، ساخته شده است. زمانی که این بلور در یک جهت فشرده می‌شود، بارهای الکتریکی واحدهای مولکولی به خط می‌شوند و میدان الکتریکی خالصی در طول جامد به وجود می‌آورند. به این نوع اثر پیزوالکتریک می‌گویند.

«پیزو» در زبان یونانی به معنای «فشردن» است و ماده پیزوالکتریک جامدی است که فشرده‌شدن آن باعث ایجاد ولتاژ می‌شود. اما فقط وقتی برای زمان‌سنجی از بلور پیزوالکتریک می‌توان استفاده کرد که فرایند به طور معکوس انجام شود. یعنی ولتاژی در جامد اعمال و در نتیجه سطح بلور فشرده شود. ولتاژ نقش نیروی خارجی را دارد. اگر قطع شود، بلور منبسط می‌شود و با بسامد طبیعی خود شروع به نوسان می‌کند که بسامد این نوسان به اندازه و شکل هندسی بلور بستگی دارد. در اثر نوسان بلور کوارتز، ولتاژی با همین بسامد طبیعی تولید می‌شود که از آن می‌توان برای حفظ ارتعاش بلور استفاده کرد.

تراشه‌ها، مانند زمان‌سنج‌های دیجیتال و هوشمند، بسامد بالای بلور کوارتز را به یک چرخه در ثانیه تقلیل می‌دهند. وقتی که زمان تنظیم‌شده فرا می‌رسد، یک سیگنال ولتاژ به تراشه‌ای دیگر ارسال می‌شود. این تراشه دوم در گوشی من موجب پخش آوایی می‌شود که از پیش تعیین کرده‌ام. هشدار گوشی تنها یکی از قابلیت‌های زمان‌سنجی در گوشی‌های هوشمند است؛ چرا که هر دستورالعملی که توسط گوشی‌های هوشمند اجرا می‌شود، عملیاتی است که زمان در آن دخالت دارد.

نور بی‌جان خورشید که روشنایی کمی به اتاقم داده است، از یک روز ابری خبر می‌دهد. اما همین نور باعث شده است که من با بازکردن چشمانم، گوشی هوشمندم را ببینم و هشدار را خاموش کنم.

در واقع قدرت دید هر انسانی و حتی هر موجود زنده‌ای، نتیجه یک برهم کنش پیچیده بین نور، چشم‌ها و مغز است. به این دلیل می‌توانیم پیرامونمان را ببینیم که نور ساطع‌شده از جسم‌ها می‌توانند از فضا بگذرند و به چشم‌های ما برسند. پس از آن نیز، سیگنال‌هایی از چشم به مغز ما فرستاده می‌شوند و مغز این اطلاعات را رمزگشایی می‌کند تا بتوانیم ظاهر، موقعیت و حرکت جسمی را ببینیم که به آن نگاه می‌کنیم. تمام این برهم‌کنش‌های پیچیده در اثر نور و بازتاب آن اتفاق می‌افتد. در حالی که اگر فضا تاریک باشد، چون نوری نیست که از جسم‌ها به سمت چشم ما منعکس شود و مغز ما آن‌را رمزگشایی کند، پس ما چیزی را نمی‌بینیم.

اگر دقیق‌تر بگویم، جسم‌هایی که ما می‌بینیم به دو دسته منیر و غیرمنیر تقسیم می‌شوند. جسم‌های منیر خود منبع تولید نور هستند و جسم‌های غیرمنیر نور تابیده‌شده به خود را به چشم ما انعکاس می‌دهند تا آن‌ها را ببینیم. بدون نور جسم‌های منیر، هیچ جسم غیرمنیری قابل رؤیت نیست. پس یکی از شرط‌های اصلی اینکه بتوانیم پیرامونمان را ببینیم، این است که به جسم‌ها نور بتابد و نور به سمت چشم ما بازتابش شود. در هر بازتابش، زاویه تابش (زاویه بین شعاع نوری که به جسم می‌تابد و خط عمود) با زاویه بازتابش (زاویه بین شعاع نوری که از روی جسم برمی‌گردد و خط عمود) برابر است. در بازتابش منظم که باعث دیدن ما می‌شود، تمام زاویه‌های تابش و بازتابش با هم برابرند.

از رخت‌خواب بلند می‌شوم و روی پاهایم می‌ایستم. به سمت دراتاق می‌روم و با فشار کمی روی دستگیره در و چرخاندن آن به سمت پایین،  در را باز می‌کنم. به این فکر می‌کنم که درِ اتاق اهرمی است که بین تکیه‌گاه ( لولا) و محل اعمال نیرو (دستگیره) قرار می‌گیرد. هرچه فاصله بین نیروی مقاوم و تکیه‌گاه کمتر باشد، نیروی کمتری برای حرکت‌دادن جسم (درِ اتاق) مصرف می‌شود. اهرم‌ها انجام کار را با افزایش نیروی محرک و تغییر جهت این نیرو آسان‌تر می‌کنند. البته که اجزای اهرم همواره با یک ترکیب ثابت و مشخص قرار ندارند و اجزای آن در تعادل‌های متفاوت روی اهرم قرار می‌گیرند.

دست و صورتم را می‌شویم. می‌اندیشم که حتی شیر آب هم یک اهرم است.

به سمت آشپزخانه می‌روم و کلید برق را با انگشتم می‌زنم. لامپ در کسری از ثانیه روشن می‌شود. فکر می‌کنم در نیروگاه‌های برق، پیچه‌های سیمی میان قطب‌های آهن‌رباهای بزرگ چرخانده می‌شوند و با بهره‌گیری از خاصیت الکترومغناطیس و چرخاندن پیچه‌ها میان قطب‌های یک آهن‌ربا، ولتاژ موجود در کلید و پریز برق را تولید می‌کنند. ولتاژ تولیدشده توسط نیروگاه به نرمی از مقدار مثبت به منفی و دوباره برعکس تغییر می‌کند و موجی را تشکیل می‌دهد. این فرایند طبیعی نحوه تولید الکتریسیته است. (به همین دلیل برق مصرفی ما AC یا جریان متناوب است، چون دائماً از مقدار مثبت به منفی می‌رود و به صورت موجی عمل می‌کند.)

یاد «قانون فارادی» در فیزیک می‌افتم که می‌گوید چگونه یک میدان مغناطیسی متغیر، ولتاژ و جریان برق تولید می‌کند. با چرخش پیچه، مقدار میدان مغناطیسی گذرکننده از درون منطقه دایره‌ای شکل پیچه تغییر می‌کند و ولتاژی به وجود می‌آید که باعث ایجاد جریان در پیچه می‌شود. حال زمانی که سطح پیچه به سمت آهن‌ربا قرار دارد، بیشتر میدان مغناطیسی از درون آن عبور می‌کند. اما با چرخش 90 درجه پیچه، میدان زیادی از سطح پیچه عبور نمی‌کند. در نهایت چرخش پیچه با سرعت یکنواخت ولتاژی متغیر را که به نرمی تغییر می‌کند، نتیجه می‌دهد. سپس برای انتقال توان الکتریکی تا مکان‌های مصرفی باید از ولتاژهای بالا و جریان‌های کم استفاده کنند تا اتلاف توان در خط‌های انتقال کاهش یابد. در نتیجه از مبدل‌های کاهنده و افزاینده استفاده می‌شود.

این جریان الکتریکی شامل تعداد بی‌شماری الکترون‌های آزاد است. وقتی من کلید برق را می‌زنم، بخشی از آن الکترون‌های آزاد از مولد انرژی می‌گیرند و این انرژی سریعاً به الکترون‌های دیگر انتقال می‌یابد و خیلی سریع لامپ روشن می‌شود.

سیم کتری برقی و «نان برشته‌کن» (توستر) را به پریزهای آشپزخانه می‌زنم تا صبحانه را آماده کنم.

در کتری برقی دماسنج نواری دوفلزه‌ای به نام «ترموستات» وجود دارد که با افزایش یا کاهش دما خم می‌شود. این خم‌شدگی طوری است که هنگام گرم‌شدن، تیغه دارای ضریب انبساط بیشتر، کمان خارجی و تیغه دیگر، کمان داخلی را تشکیل می‌دهد. ترموستات کلیدی الکتریکی است که در آن قطع و وصل جریان با استفاده از حسگرهای گرمایی انجام می‌شود. این حسگرها غالباً نوارهای دو فلزه هستند.

عبور جریان الکتریکی از کتری برقی باعث گرم‌شدن نوار دوفلزه می‌شود. وقتی دمای نوار به حد معینی برسد، بر اثر خم‌شدن آن، جریان قطع و کتری برقی خاموش می‌شود. با خاموش‌شدن کتری، دمای تیغه کاهش می‌یابد و نوار دوباره به وضعیت قبلی خود برمی‌گردد. به این ترتیب وقتی که نوار سرد می‌شود، جریان دوباره وصل و کتری برقی روشن می‌شود . تمام این مرحله‌ها در کمتر از پنج  دقیقه انجام می‌شوند و آب جوش برای دم‌کردن یک چای داغ آماده می‌شود.

سراغ نان می‌روم. نان را دو تکه می‌کنم و در نان‌برشته‌کن می‌گذارم و اهرم دستگاه را پایین می‌کشم. در واقع با حرکت‌دادن اهرم، مداری را می‌بندم که اجازه عبور جریان برق را از سیم‌های مجاور نان می‌دهد. در کمتر از یک دقیقه، سیم‌ها داغ می‌شوند و نان نیز کم‌کم گرم می‌شود. اما برای گرم‌شدن نان اول باید انرژی الکتریکی به انرژی گرمایی تبدیل شود که توام با قوانین ترمودینامیک، مکانیک کوانتوم و الکترومغناطیس است.

قانون اول ترمودینامیک می‌گوید: در همه سامانه‌های بسته، مقدار «کار کل» و «گرما» همواره ثابت است. زمانی که مدار بسته می‌شود، مقاومت الکتریکی سیم‌ها باعث تبدیل انرژی الکتریکی به گرمایی می‌شود. سیم‌های فلزی که رساناهای خوب الکتریسیته هستند، بی‌نهایت الکترون آزاد دارند. آرایش و برهم‌کنش‌های دقیق اتم‌ها در جامدات تابع قوانین مکانیک کوانتوم است که رسانا یا عایق‌بودن را مشخص می‌کند.

سیم‌های نان‌برشته‌کن از جنس آلیاژی به نام «نیکروم» هستند (یعنی ترکیب فلزهای نیکل و کروم). نیکروم  رسانای خیلی خوبی نیست، ولی در حد خودش بالاخره رساناست. ترکیب این دو فلز باهم، با وجود همه عیب‌هایی که دارد، باعث ایجاد مقاومت الکتریکی مناسبی می‌شود که سازوکار اصلی نان‌برشته‌کن و گرم‌کردن نان را تشکیل می‌دهد. در واقع، مقاومت سیم موجب انتقال انرژی جنبشی به اتم‌ها می‌شود و آن‌ها را مرتعش می‌کند. در فضای بسته نان‌برشته‌کن، گرمایش از طریق تابش از نوع فروسرخ انجام می‌شود.

وقتی سطح نان به دمای مشخصی برسد، قندها و نشاسته‌های آن دچار تغییرات شیمیایی می‌شوند که باعث قهوه‌ای‌شدن نان یا به اصطلاح برشته ‌(تست) شدن آن می‌شود. طی این تغییرات طعم و بافت آن تغییر می‌کند. برای آنکه دمای زیاد و تغییرات شیمیایی نان باعث سوختن نان نشود، نان‌برشته‌کن به زمان‌سنج یا حسگر دما مجهز است تا به موقع مدار را باز کند.

کره را از یخچال در می‌آوردم. اهرم نان‌برشته‌کن بالا می‌آید و این یعنی نان برشته برای صرف یک صبحانه عالی آماده شده است. به لطف فناوری، دیگر برای جوش‌آمدن آب دقیقه‌های زیادی را صبر نمی‌کنم و همیشه هم بوی نان داغ در خانه‌ام به راه است. صبحانه‌ام را که تمام می‌کنم،  ظرف‌ها را در سینک ظرف‌شویی و کره را در یخچال می‌گذارم.

به عملکرد یخچال فکر می‌کنم که کاملاً پیرو «قانون دوم ترمودینامیک» است و به ما می‌گوید که با استفاده از کار معین، گرما را از منبعی با دمای پایین به منبعی با دمای بالا انتقال می‌دهیم. در واقع یخچال خانگی ما توسط کمپرسور کار انجام می‌دهد و گرما از منبع با دمای پایین را از هوا و خوراکی‌های درون یخچال می‌گیرد (QL) و به گرمای منبع با دمای بالا، یعنی هوای بیرون یخچال می‌دهد(QH). هر  یخچال یک  «ضریب عملکردی» دارد؛ یعنی ضریبی که با کمترین کار ممکن بیشترین گرما را از منبع دمای پایین بگیرد. هرچه ضریب عملکرد یخچال بیشتر باشد، استفاده به صرفه‌تری می‌توان از آن کرد. مثلاً ضریب عملکرد یخچال خانه ما 5 است.

یخچال‌های خانگی متشکل‌اند از: چگالنده؛ پیچه‌های سرمایش؛ کمپرسور و شیر خفقانشی. کمپرسور با انجام کار W، گاز را از محفظه تبخیر به چگالنده منتقل می‌کند و دما و فشار آن‌ را بالا می‌برد. در این مرحله، گازی که دمای آن از دمای منبع «دمابالا» (اتاق) بیشتر شده است، گرمای(QH)را به این منبع می‌دهد و خود مایع می‌شود و به مخزن مایع می‌رود. هنگامی که این مایع پرفشار از شیر خفقانشی می‌گذرد، به‌شدت سرد می‌شود؛ به طوری که از منبع دما پایین (هوا، غذا و یخ) هم سردتر می‌شود و گرمای (QL) را می‌گیرد. بدین ترتیب مایع در محفظه تبخیر به بخار تبدیل می‌شود و این چرخه در یخچال‌های خانگی دائماً در حال تکرار است.

به سمت اتاقم می‌روم تا لباس بپوشم و به سرکار بروم. امروز اولین روز کاری‌ام به عنوان معلم در این مدرسه است. باید نشانی را هم پیدا کنم. پس سریع‌تر لباس می‌پوشم و به خودم عطر می‌زنم. بوی خوش عطر که به مشامم می‌رسد، یاد «پدیده پخش» یا «حرکت براونی» در فیزیک می افتم. ذرات عطر با مولکول‌های هوای اتاق که حرکت نامنظم و کاتوره‌ای دارند، برخورد می‌کنند و در مسیرهای متفاوت به حرکت درمی‌آیند و پدیده پخش اتفاق می‌افتد و ما می‌توانیم بو را حس کنیم.

کیفم را برمی‌دارم و در پارکینگ به سمت خودرو می‌روم. با ریموت (کلید الکتریکی) در خودرو را باز می‌کنم و داخل آن می‌نشینم. کمربند ایمنی را می‌بندم و استارت می‌زنم. خودرو روشن می‌شود. با کلید الکتریکی (ریموت) دیگری دروازه حیاط را باز می‌کنم. دروازه حسگری دارد که کلید الکتریکی مرا می‌شناسد و در را باز می‌کند.

خودروها ماشین‌هایی برای تبدیل انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی هستند. خودروهای بنزینی (مانند خودروی من) انرژی پتانسیل را که به شکل شیمیایی در مولکول‌های بنزین ذخیره شده‌اند، به انرژی جنبشی تبدیل می‌کنند.

دوباره یاد قوانین ترمودینامیک می‌افتم. موتور خودروهای بنزینی از چند «سیلندر» تشکیل شده است که پیستون‌ها داخل سیلندرهای آن حرکت می‌کنند. این حرکت از طریق «شاتون» و «میل لنگ» به حرکت چرخشی چرخ‌ها تبدیل می‌شود و خودرو حرکت می‌کند. به این ترتیب، بخشی از انرژی حاصل از سوخت سبب حرکت می‌شود، اما بخش دیگر انرژی از طریق رادیاتور (که موتور را سرد می‌کند) و اگزوز خودرو به هوا می‌رود و در واقع ‌خرج می‌شود.

گوشی هوشمندم را با «بلوتوث» به «هندزفری» متصل می‌کنم تا موسیقی گوش بدهم. گوشی‌های هوشمند برای پخش موسیقی باید در حافظه خود کد‌های عددی را بخوانند، الگویی از ولتاژها تولید و به امواج صوتی تبدیل کنند و برای شنیده‌شدن صدا باید ارتعاش‌هایی در فضا (هوا / گوش) به وجود آورند.

پس من چطور صدا را می‌شنوم؟ در هندزفری غشای ارتعاش‌کننده نزدیک گوش قرار می‌گیرد. در سامانه استریو، غشای بلندگو در مرکز یک مخروط قرار دارد که دهانه مخروط رو به بیرون است و ارتعاش‌های غشا را تقویت می‌کند. بلندگوی گوشی هوشمند درون پوسته آن قرار دارد. در نتیجه کیفیت و حجم صدای موسیقی پخش شده از آن تا حدودی پایین است.

هوا نیمه‌ابری با آفتابی ‌کم‌رمق است. یک‌دفعه رعد و برق شدیدی می‌زند و باران شروع به باریدن می‌کند. می‌اندیشم پدیده  رعد و برق به آسانی با قوانین الکتریسیته در فیزیک بررسی می‌شود. وقتی آسمان پوشیده از ابر است، ابرها به علت مالش با هوا یا القای الکتریکی باردار می‌شوند. در اثر این فرایند، ابرها دارای بار مثبت یا منفی خواهند شد. در این حالت قسمت پایین ابر دارای بار منفی است و قسمت بالای آن بار مثبت دارد. اگر دو ابر چنان به هم نزدیک شوند که قسمت‌های دارای بارناهمنام نزدیک هم قرار گیرند، به دلیل اختلاف پتانسیل خیلی بالا، امکان تخلیه الکتریکی بین دو ابر وجود دارد. این تخلیه در «شارش ناگهانی بارهای الکتریکی»  با تولید صدا و مقدار کمی گرما همراه است.

نرم‌افزار «سامانه موقعیت‌یاب جهانی» (جی‌پی‌اس) گوشی‌ام را روشن می‌کنم و در «گوگل مپ» نشانی مدرسه را تایپ می‌کنم. هنوز وقت دارم و دیر نشده است. باران بی‌امان می‌بارد.

به راستی این قوانین فیزیکی را چه کسی در این جهان قرار داده است؟