همچنانكه بشر عميق و عميق تر به مطالعه خواص مواد اطراف خود مي پردازد با تعداد بيشتري از مظاهر نيروهاي الكتريكي مواجه مي شود انرژي الكتريكي براي بشر روشهاي گوناگون و دقيقي در حل مسائل مختلف علم و انقلاب تكنولوژيك معاصر به ارمغان آورد.

ساختمان اتم:

هر اتم به صورت سيستم يكي از بارهاي الكتريكي ظاهر مي شود. هسته داراي بار مثبت و الكترون هاي در حال چرخش در اطراف آن داراي بار منفي مي باشد. چون تمركز جرم اتم در هسته اش مي باشد. چنين به نظر مي رسد كه تقريبا تمامي وجود ماده با بار مثبت توام است كه به مقدار زيادي ، خواص دنياي اطراف ما را تعيين مي كند.

اختلاف بين مواد شيميايي مثلا اكسيژن و آهن فقط به واسطه اين واقعيت است كه هسته اتمي اكسيژن محتوي 8 بار مثبت و آهن محتوي 26 بار مثبت بوده و لايه هاي هر اتم داراي همان تعداد الكترون مي باشد بيشتر واكنشهاي شيميايي در طبيعت نتيجه عكس العمل بين الكترونهاي خارجي است كه بطور نسبي بيشترين فاصله را از هسته دارا مي باشند.

براي مدتها تصور مي شد كه الكترون ساده ترين و كوچكترين ذره در جهان است. الكترون هاي تمامي مواد كاملا يكسان و مشابه هم مي باشند. چه در آب يا چوب يا آهن تحت هيچ شرايطي ممكن نيست كه بار الكتريكي مثبت يا منفي كوچكتر از بار مطلق يك الكترون وجود داشته باشد.

قوانين حاكم بر حركت الكترون:

- در طي مطالعات زياد معلوم شده كه قوانين حركتي اثبات شده براي مواد بزرگ را نمي تواند بطور كامل براي الكترونهاي داخل اتم به كار رود. در اجسامي كه يكصد ميليونيم سانتي متر بعد دارند به كلي قوانين متفاوتي مطرح مي شود. در مقايسه با منظومه شمسي يا هر سيستم مكانيكي عظيم الجثه اي كه مي تواند با توجه به سرعت اوليه اش در هر مسيري حركت كند.

- الكترون ها در اتم مجبورند كه فقط در طول مدارهايي حركت كنند كه مربوط به مقادير معين انرژي و همان مغناطيسي آنها مي شود. به طوري كه الكترون نمي تواند مقادير ديگري انرژي را جز مقادير فوق الذكر داشته باشد. طبيعت منفرد و غير متوالي مكان الكترون ها در مدارها يا به طور دقيق تر وجود مقادير دقيقاً معين از انرژي در اتم يكي از خواص اساسي تئوري مكانيك كوانتومي است.

- بر طبق تئوري كوانتومي انتقال يك الكترون از يك مدار به مدار ديگر يعني از يك حالت انرژي به حالت ديگري از انرژي در اتم با جذب يا پخش يك بار انرژي دقيقا معين همراه است. اگر يك حالت معين انرژي بوسيله يك الكترون اشغال شود، الكترون ديگر نمي تواند آن را اشغال نمايد و يك اتم نمي تواند دو الكترون با حالت انرژي يكسان داشته باشد.

- از تمام حالات ممكني كه يك الكترون مي تواند در يك اتم داشته باشد در اولين حالت آن الكترون كمترين مقدار انرژي را داشته در نتيجه به شدت جذب هسته شده و در داخلي ترين مدار الكتروني نزديك به هسته متمركز مي گردد. بنابر اين ، همه الكترونها نمي توانند در يك سطح انرژي متمركز شوند و هر الكترون بعدي سطح انرژي بيشتري را اشغال كرده و بقيه سطوح غيراشغال شده باقي مي مانند. اين قانون كه نشان دهنده پخش الكترون در تمام عناصر به ترتيب افزايش انرژي مي باشد، حالت كوانتومي نام دارد.

- خواص شيميايي يك اتم بستگي به مقدار و ترتيب الكترون ها در مدار الكتروني دارد.

مدار الكتروني عناصر در جدول تناوبي:

- هر دوره تناوب از جدول تناوبي مطابق با شباهتهاي موجود در خواص شيميايي اتمها ساخته شده است. بنابر اين ، خواص شيمايي مثلا تناوب دوم ، نزديك به خواص شيميايي تناوب اول است.

- ترتيب الكترون ها در اتم ليتيوم شبيه اتم سديم است (با سطوح انرژي متفاوت تناوب بعدي). شكل الكتروني مشابهي را براي اتم پتاسيم داريم. در مورد اتمهاي روبيديوم و سزيوم همين شباهت وجود دارد. تمامي اين عناصر متعلق به اولين گروه از جدول تناوبي يعني گروه فلزات قليايي مي باشد.

- براي جداكردن خارجي ترين الكترون ها در اتمي مثلا ليتيوم لازم است كه انرژيي معادل 5.39 الكترون ولت مصرف شود. براي دو الكتروني كه به هسته نزديك تر مي باشند، چون با قدرت بيشتري به وسيله هسته نگهداري مي شوند انرژي اتصال آنها با هسته به ترتيب برابر 75.6ev و 122.4ev مي باشد.

- جريان مستقيمي از الكترون ها (مستقل از نوع اتمهايشان) در يك هادي يا نيمه هادي جريان الكتريسته خوانده مي شود.

انتقالات مجاز الكتروني بين ترازي:

- زماني كه يك اتم از خارج انرژي دريافت مي كند اين انرژي در بسته هاي دقيقا معين كوانتا جذب اتم مي گردد و الكترون ها به مدارهاي دورتر از هسته به سطوح انرژي بالاتر جابه جا مي شوند و جذب بيشتر كوانتاي انرژي به وسيله اتم باعث انتقال بيشتر الكترون از هسته مي گردد. اين حالت كه اتم به صورت تحريك شده در آمده نمي تواند براي مدت طولاني دوام بياورد و با برگشتن الكترون به حالت قبلي اتم نيز به حالت عادي خود بر مي گردد.

- قسمت زيادي از انرژي الكترون تحريك شده به صورت كوانتايي از اشعه الكترومغناطيس پخش مي شود زماني كه اين انتقال الكتروني در خارجي ترين لايه ها انجام گيرد كه انرژي اتصال الكترون به هسته كمترين مقدار است، كوانتاياشعه مادون قرمز ، نورمرئي يا اشعه ماوراي بنفش پخش مي گردد.

- در زماني كه الكترون ها به اربيتالهاي نزديك هسته منتقل شوند (براي مثال پرش به يك يا چند مدار) كوانتاي پر انرژي تري از تشعشعات الكترومغناطيسي «اشعه ايكس محتوي انرژي چند برابر بيشتر از تابش مادون قرمز و ماوراي بنفش) منتشر مي شود.

آيا واقعا ممكن است كه سرعت هاي بالاتر از سرعت نور وجود داشته باشد؟

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.

ابر نور

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.

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.

اگر تاكيون‌ها وجود داشتند؟

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.

دنياي تاكيون ها و دنياي ما

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.

بازگشت به گذشته

گمان مي‌رود چنين جرياني بتواند براي ايجاد ارتباط تلفني با گذشته كمك كند يا ممكن است شخصي خود را به ساعت 11 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.

دنياي ريز ذره‌ها

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.

بيان ريز ذره‌ها بوسيله پديده گرانشي

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.