فيزيک علم شناختن قانون هاي عمومي و کلي حاکم بر رفتار ماده و انرژي است. کوشش هاي پيگير فيزيکدانان در اين راه سبب کشف بسياري از قانون هاي اساسي، بيان نظريه ها و آشنايي با بعضي پديده هاي طبيعي شده است.



 

هرچند اين موفقيت ها در برابر حجم ناشناخته ها، اندک است ليکن تلاش همه جانبه و پرشتاب دانشمندان اميد بسيار آفريده که انسان مي تواند رازهاي هستي را دريابد. انسان در يکي دو قرن اخير، با بهره گيري از روش علمي و ابزارهاي دقيق توانسته است در هر يک از شاخه هاي علم، به ويژه فيزيک دنياي روشن و شناخته شده خود را وسعت بخشد. در اين مدت با دنياي بي نهايت کوچک ها آشنا شد و به درون اتم راه يافت و انواع نيروهاي بنيادي طبيعت را شناخت، الکترون و ويژگي هاي آن را دريافت و طيف گسترده امواج الکترومغناطيسي را کشف کرد. فيزيک که تا اواخر قرن نوزدهم مباحث مکانيک، گرما، صوت، نور و الکتريسيته را شامل مي شد، اکنون در اوايل قرن بيست و يکم در اشتراک با ديگر علوم (مانند شيمي، زيست شناسي و...) روزبه روز گسترده تر و ژرف تر شده و بيش از 30 موضوع و مبحث مهم را دربر گرفته است (دانشنامه فيزيک تعداد شاخه هاي فيزيک را 33 مورد معرفي کرده است).
فناوري، چگونگي استفاده از علم، ابزار، راه و روش انجام کارها و برآوردن نيازها است. به عبارت ديگر فناوري به کارگيري آگاهي هاي انسان براي تغيير در محيط به منظور رفع نيازها است. اگر علم را فرايند شناخت طبيعت تعريف کنيم، فناوري فرايند انجام کارها خواهد بود. زندگي در گذشته (تا حدود يکصد سال پيش) ساده و ابتدايي بود و کارها با ابزارهاي ساده و روش هاي اوليه انجام مي شد. کشاورزي، حمل ونقل، تجارت، ساختمان سازي با روش هاي سنتي و ابزارهايي که در طول زمان از راه تجربه به دست آمده بود، صورت مي گرفت.
گرچه انسان به برخي از قانون هاي طبيعي دست يافته بود، ليکن علم و عمل کمتر اثر متقابل در يکديگر داشتند. دانشمندان راه خود را مي پيمودند و صنعتگران و ابزارکاران به راه خود مي رفتند تا آنکه عصر جديد آغاز شد و تمدني به وجود آمد که در آن همه چيز در راه مصالح زندگي انسان و توانايي او به کار گرفته شد.
در سال 1663 ميلادي جامعه سلطنتي لندن تاسيس شد و هدف خود را ارتقاي سطح علوم مربوط به امور و پديده هاي طبيعي و هنرهاي مفيد از طريق آزمايش و تجربه به نفع ابناي بشر انتخاب کرد. چهار سال بعد فرهنگستان علوم فرانسه در پاريس شکل گرفت و بر مفيد واقع شدن علم تاکيد فراوان شد. اعضاي اين فرهنگستان براي هرچه بهتر به ثمر رساندن تحقيقات علمي در زندگي انسان، به تلاش پرداخته و از اين بابت حقوق دولتي دريافت مي کردند.
در سال 1853 موزه علوم لندن با نام هيات معتمدين دايره علم و هنر و موزه ملي علم و صنعت گشايش يافت اما نزديک تر شدن علم و صنعت سبب شد در سال 1882 بخش هاي مختلف اين موسسه درهم ادغام شود و سازمان جديدي با نام دايره علوم کاربردي و تکنولوژي تاسيس شود. علم، کوششي براي کسب دانايي و فناوري تلاشي در جهت توانايي است. اين هر دو اثر متقابل درهم داشته اند. دانش سبب شد که ابزارها و روش ها کامل تر شوند و ابزارها نيز دقت انسان را در اندازه گيري ها و رسيدن به نتايج علمي بيشتر کرده است. اکنون بسياري از موضوع ها و مباحث فيزيک پيامدهاي کاربردي داشته و عملاً در فناوري ها موثر بوده است. فناوري هاي ارتباطات، فناوري هاي حمل ونقل (خشکي، دريايي، هوايي و فضايي)، فناوري هاي توليد (کشاورزي- صنعتي)، فناوري هاي استخراج انواع معادن و فناوري هاي ساختمان و انواع ماشين ها و فناوري هاي آموزشي وابسته به دانش مکانيک، الکتريسيته، الکترومغناطيس، ترموديناميک، فيزيک هسته يي، نورشناسي، فيزيک بهداشت، فيزيک پزشکي و... است.

   نقش فيزيک در تشخيص بيماري ها
پزشکان براي تشخيص بيماري ها از انواع وسايل ساده مانند دماسنج و فشارسنج، گوشي طبي (استتوسکوپ) تا دستگاه هاي بسيار پيچيده مانند ميکروسکوپ الکتروني، ليزر و هولوگراف (که همه براساس قانون هاي فيزيک طراحي و ساخته شده است) استفاده مي کنند. در اين قسمت به ساختمان و طرز کار برخي از آنها مي پردازيم.

      +   راديوگرافي و راديوسکوپي
راديوگرافي، عکسبرداري از بدن با پرتوهاي ايکس و راديوسکوپي مشاهده مستقيم بدن با آن پرتوها است. در عکاسي معمولي از نوري که از چيزها بازتابش مي شود و بر فيلم عکاسي اثر مي کند، استفاده مي شود؛ در صورتي که در راديوگرافي پرتوهايي به کار مي برند که از بدن مي گذرند.
پرتوهاي ايکس را نخستين بار، ويلهلم کنراد رنتيگن، استاد فيزيک دانشگاه ورتسبورگ آلمان در سال 1895 ميلادي کشف کرد. اين کشف بسيار شگفت انگيز بود و خبر آن با سرعت در روزنامه هاي جهان منتشر شد. جالب است که رنتيگن بر روي پرتوهاي کاتدي کار مي کرد و به طور اتفاقي متوجه شد که وقتي اين پرتوها که همان الکترون هاي سريع هستند به مواد سخت و فلزات سنگين برخورد مي کنند، پرتوهاي ناشناخته يي توليد مي شود. او اين پرتوها را پرتو ايکس به معني مجهول ناميد. پرتوهاي ايکس قدرت نفوذ و عبور بسيار زيادي دارند. به آساني از کاغذ، مقوا، چوب، گوشت و حتي فلزهاي سبک مانند آلومينيوم مي گذرند، ليکن فلزهاي سنگين مانند سرب مانع عبور آنها مي شود. اشعه ايکس از استخوان هاي بدن که از مواد سنگين تشکيل شده اند عبور نمي کند، در صورتي که از گوشت بدن به آساني مي گذرند. همين خاصيت سبب شده که آن را براي عکسبرداري از استخوان هاي بدن به کار برند و محل شکستگي استخوان ها را مشخص کنند. براي عکسبرداري از روده و معده هم از پرتوهاي ايکس استفاده مي شود، ليکن براي اين کار ابتدا به شخص مايعاتي مانند سولفات باريوم مي خورانند تا پوشش کدري اطراف روده و معده را بپوشاند و سپس راديوگرافي صورت مي دهند . کشف پرتوهاي ايکس به وسيله رنتيگن سرآغاز فعاليت هاي دانشمنداني مانند تامسون، بور، رادرفورد، ماري کوري، پي ير کوري، بارکلا و بسياري ديگر شد، به طوري که نه فقط چگونگي توليد، تابش و اثرهاي پرتو ايکس و گاما و نور شناخته شد، بلکه خود اشعه ايکس نيز يکي از ابزارهاي شناخت درون ماده شد و انسان را با جهان بي نهايت کوچک ها آشنا کرد و انرژي عظيم اتمي را در اختيار بشر قرار داد.
پرتوهاي ايکس در پزشکي و بهداشت براي پيشگيري، تشخيص و درمان به کار مي رود، به طوري که در فناوري هاي مربوطه يکي از ابزارهاي اساسي است.

      +   سونوگرافي
سونوگرافي عکسبرداري با امواج فراصوت است. فراصوت امواج مکانيکي مانند صوت است که بسامد آن بيش از 20 هزار هرتز است. اين امواج را مي توان با استفاده از نوسانگر پيزوالکتريک يا نوسانگر مغناطيسي توليد کرد.
خاصيت پيزوالکتريک عبارت است از ايجاد اختلاف پتانسيل الکتريکي در دو طرف يک بلور هنگامي که آن بلور تحت فشار يا کشش قرار گيرد و نيز انبساط و انقباض آن بلور هنگامي که تحت تاثير يک ميدان الکتريکي واقع شود. بنابراين هرگاه از يک بلور کوارتز تيغه متوازي السطوحي عمود بر يکي از محورهاي بلور تهيه کنيم و اين تيغه را ميان دو صفحه نازک فولادي قرار دهيم و آن دو صفحه را به اختلاف پتانسيل متناوبي وصل کنيم، تيغه کوارتز با همان بسامد جريان، منبسط و منقبض مي شود و به ارتعاش درمي ايد و در نتيجه امواج فراصوت توليد مي کند. پديده پيزوالکتريک در سال 1880 به وسيله پي ير کوري کشف شد و از آن علاوه بر توليد امواج فراصوتي، در ميکروفن هاي کريستالي و فندک استفاده مي شود. امواج فراصوتي داراي انرژي بسيار زياد است و مي تواند سبب بالا رفتن دماي بافت هاي بدن انسان، سوختگي و تخريب سلول ها شود. از اين امواج در دريانوردي، صنعت و پزشکي استفاده مي شود.
در پزشکي اين امواج را براي تشخيص، درمان و تحقيقات به کار مي برند. دستگاهي که براي عکسبرداري به کار مي رود اکوسکوپ يا سونوسکوپ است. اساس کار عکسبرداري با امواج فراصوت بازتابش امواج است. در اين عمل دستگاه گيرنده و فرستنده موجود است و از بسامدهاي ميان يک ميليون تا پانزده ميليون هرتز استفاده مي کنند. دستگاه مولد ضربه هاي موجي در زمان هاي بسيار کوتاه يک تا پنج ميليونوم ثانيه را حدود 200 ضربه در ثانيه مي فرستد و اين ضربه ها در بدن نفوذ مي کند و چنانچه به محيطي برخورد کند که غلظت آن با محيط قبلي متفاوت باشد، پديده بازتابش روي مي دهد و با توجه به غلظت نسبي دو محيط، مقداري از انرژي ضربه هاي فراصوت بازتابش مي شود. دستگاه گيرنده اين امواج را دريافت مي کند و به کمک دستگاه الکتروني و يک اسيلوسکوپ (نوسان نگار) آن را به نقطه يا نقاط نوراني به تصوير تبديل مي کند. عکسبرداري با فراصوت را براي تشخيص بيماري هاي قلب، چشم، اعصاب، پستان، کبد و لگن انجام مي دهند.

   وسايل الکتروپزشکي
بخشي از وسايل تشخيص بيماري ها دستگاه هايي هستند که براساس قانون هاي مربوط به الکتريسيته و الکترونيک ساخته و به کار گرفته مي شوند. نمونه يي از اين دستگاه ها عبارتند از الکتروکارديوگراف، الکتروبيوگراف و الکتروآنسفالوگراف. اين دستگاه ها مي توانند با رسم نمودارهايي وضع سلامت يا بيماري را براي پزشک مشخص کنند. ممکن است اين دستگاه ها مجهز به نوسان نگار باشند و در نتيجه نمودارها مستقيماً بر روي يک صفحه تلويزيون مشاهده شود. نمونه اين دستگاه ها کارديوسکوپ است که معمولاً در اتاق بيمار قرار مي گيرد و بر آن منحني ضربان قلب بيمار مشاهده مي شود. در الکتروکارديوگراف به جاي آنکه منحني ها مستقيماً ديده شود، آن منحني ها (نمودارها) روي نواري از کاغذ ثبت و ضبط مي شود و پزشک از روي آنها مي تواند وضعيت قلب و نوع بيماري را تشخيص دهد. الکتروآنسفالوگرافي دستگاهي است که با آن بيماري هايي چون صرع، تومورهاي مغزي، ضربه، اعتياد به دارو و الکل تشخيص داده مي شود و کار اين دستگاه با استفاده از فعاليت هاي الکتريکي که در سطح بدن ظاهر مي شود، صورت مي گيرد. اندازه گيري ها نشان مي دهد که در قشر مغز، تغييرات پتانسيل الکتريکي منظمي انجام مي شود. اين پتانسيل هاي الکتريکي به استثناي حالت بيهوشي عميق يا قطع جريان خون به مغز، هميشه وجود دارند. هنگامي که قشر مغز خراب شود، اين نقش تغيير مي کند. با قرار دادن الکترودهاي پهن يا الکترودهاي سوزني شکل روي پوست سر مي توان امواج را از پوست سر به سمت دستگاه ثبات هدايت کرد. اين امواج نتيجه پتانسيل هاي کار نورون هاي عصبي قشر مغزند که در سطح مغز ظاهر مي شوند. خاصيت مهم اين امواج بسامد آنها است. گستره معمولي اين بسامد از يک تا ?? هرتز تغيير مي کند. اين امواج برحسب بسامد، ولتاژ، محل هاي تلاقي، شکل امواج و نقش هايي که دارند، ارزيابي مي شوند.

   تهيه طرح هاي سه بعدي از بدن
در سال هاي 1960 تا 1970 براي تشخيص بيماري ها چهار روش جديد ابداع شد؛

      +   گرمانگاري:

نخستين روش گرمانگاري بود که در سال 1962 عرضه شد. مي دانيم که هر جسمي که دمايش بالاتر از صفر مطلق (منهاي 273 درجه سيليسيوس) باشد از خود امواجي تابش مي کند که به نام امواج گرمايي معروف است. از اين خاصيت يعني انتشار امواج گرمايي از بدن انسان استفاده شده و اختلاف دماي قسمتي از بدن را به صورت تصويري رنگي تهيه مي کنند. اين روش براي تحقيق و بررسي رگ هاي خوني سطحي بدن مفيد است و با آن مي توان از وجود تومورها نيز باخبر شد.

      +   توموگرافي:

پرتوهاي ايکس مي توانند از بافت هاي نرم بگذرند، ليکن ميزان جذب يا عبور آنها به غلظت بافت بستگي دارد. چنانچه پرتو ايکس در مسير خود از غده يي بگذرد، ميزان جذب آن نسبت به وضعيتي که غده وجود نداشته باشد، تفاوت مي کند. به کمک کامپيوتر مي توانند تصويري را که از بدن گرفته اند، پردازش و اطلاعات دقيق مربوط به ساختمان بدن و وجود غده را مشخص کنند. عملي که با کمک پرتو ايکس و کامپيوتر براي تعيين غده ها صورت مي گيرد را توموگرافي مي نامند.

      +   هولوگرافي (تمام نگاري):

دنيس گابور فيزيکدان نوع جديدي از عکاسي را در سال 1947 ابداع کرد که بعداً در موارد گوناگون از جمله در پزشکي از آن استفاده شد. هولوگرافي بر خواص امواج متکي است و تصويري که از شيء گرفته مي شود، سه بعدي است. در اين طريقه تصويربرداري که از هر عضو بدن گرفته مي شود، همه قسمت هاي اطراف آن عضو کاملاً ديده مي شود. براي تهيه عکس سه بعدي معمولاً از پرتوهاي ليزر استفاده مي شود.

      +   دستگاه تشديد مغناطيسي (NMR):

 اساس اين دستگاه بر اين خاصيت است که هسته اتم هاي خاصي در صورت قرار گرفتن در ميدان مغناطيسي امواجي از خود تابش مي کنند که قابل رديابي است. اين پديده در سال 1940 شناخته شد و کاربرد آن در پزشکي براي نخستين بار در سوئد توسط اريش اودبلاد و از دهه 1950 شروع شد.
در سال 1973 در انگليس از طريق رديابي تابش تراکم اتم هاي هيدروژن در بافت هاي مختلف بدن نخستين تصوير NMR تهيه شد. از سال 1977 به بعد تصوير از مغز نيز به اين وسيله گرفته شد.