فيزيك كلاسيك؛ تاريخ جهان فيزيك پيش از كوانتوم

فيزيك علم طبيعت است. بشريت از روزي كه پا به جهان نهاده با پديده‌هاي طبيعي درگير بوده است و از همان زمان اولين سرچشمه‌هاي توليد اقيانوسي بزرگ به نام فيزيك ايجاد شد. براي شناختن علم بيش از هر چيز مي‌توانيم آن را چون موجودي زنده تصور كنيم، موجودي كه در طول زمان از تركيب اجزايي معين ابتدا شكل ساده، جنيني به خود مي‌گيرد و سپس طي مراحلي متولد مي‌شود و رشد مي‌كند. اجزاي تشكيل‌دهنده حالت جنيني علم، پاسخ‌هاي كمابيش درستي بوده‌اند، كه ذهن انسان كنجكاو براي چراها و چگونگي‌هاي جهان پيرامون خود مي‌بافته است. مي‌توان گفت كه نخستين مراحل تشكيل اين حالت جنيني در يونان قديم از ميراث تمدن‌هاي مصر و بين النهرين صورت گرفته است و پس از پرورش در بطن تاريخ تحولات زندگي انسان، در اواخر قرن شانزدهم و اوايل قرن هفدهم به‌صورت آنچه كه امروز علم مي‌ناميم متولد شده است. اين علم ويژگي‌هايي دارد كه آن را از حالت جنيني و نيز از ديگر دانستني‌هاي انسان متمايز مي‌كند. مهم‌ترين ويژگي علم امروزي آن است، كه بر پايه مشاهده و آزمايش استوار است و نظام‌هاي گوناگون آن با يكديگر ارتباط منطقي دارند.

فناوري عبارت است از دانش متخصصد علم در كار استفاده از طبيعت و ساختن وسايلي كه سبب تغيير محيط و كنترل نيروهاي طبيعي مي‌شود. فناوري با علم كاملا درهم بافته است. اكتشافات پي‌درپي موجب اختراع و ساختن وسايل تازه مي‌شود و هر اختراع به نوبه‌ي خود اكتشافات بيشتر را ممكن مي‌سازد. علم به شناخت چگونگي پديده‌هاي طبيعي و علل آن‌ها مي‌پردازد و فناوري از اين شناخت استفاده مي‌كند و با اختراع و ساختن ابزارهاي تازه، آن پديده‌ها را تحت كنترل آدمي در مي‌آورد. با استفاده از مطالعات علمي درباره نور و خواص عدسي‌ها، تلسكوپ ساخته شد و اين پيشرفتي در زمينه فناوري بود. به ياري تلسكوپ حوزه ديد آدمي گسترش يافت و انسان توانست اهله زهره را ببيند و به اين ترتيب تلسكوپ، اصول هيئت كوپرنيكي را تأييد كرد و ناتواني هيئت بطلميوسي را در زمينه تبيين ساختمان منظومه شمسي نشان داد.

متفكران قديم با ديدي كنجكاوانه به پيرامون خود مي‌نگريستند، ولي براي توضيح وقايع و حل معماهايي كه با آن‌ها برخورد مي‌كردند، تنها به انديشيدن اكتفا مي‌كردند و از اين راه به انديشه متخصصينها و نتايجي دست مي‌يافتند. اينان در بيشتر موارد براي تحقيق درستي انديشه متخصصين خود به آزمايش متكي نبودند، بنابراين با كارهاي عملي آشنايي چنداني نداشتند و در جريان تكامل اجتماعي انسان، نطفه‌ي «علم محض» يعني طلب علم به خاطر علم بسته شد. پديد آمدن علم محض در قرن پنجم پيش ميلاد را معجزه يونان خوانده‌اند، در آن دوران انديشه‌هاي رياضي علاوه‌بر آن كه روش‌هايي براي اندازه‌گيري و محاسبات در اختيار مي‌گذاشت بلكه به‌صورت دانشي قياسي در آمد.

فيزيك از واژه يوناني physikos به‌معني طبيعي و physis به‌معني طبيعت گرفته شده است.در نتيجه فيزيك علم طبيعت است و به عبارتي در عرصه علم پديده‌هاي طبيعي را مطالعه مي‌كند. ماده و انرژي اولين مفاهيمي بودند، كه بشر با آن‌ها برخورد كرد و به‌دنبال ايجاد دركي عميق و دقيق‌تر از آن بود، بنابراين علم فيزيك رفتار و اثر متقابل ماده و انرژي را مطالعه مي‌كند. مفاهيم بنيادي پديده‌هاي طبيعي تحت عنوان قوانين فيزيك مطرح مي‌شوند. اين قوانين توسط علوم رياضي فرمول‌بندي مي‌شوند به طوري‌كه قوانين فيزيك و روابط رياضي با هم در توافق بوده و مكمل هم هستند، در عمل مي‌توان رياضي را زبان فيزيك ناميد، شما پديده‌هاي مختلف را مي‌بينيد و درك مي‌كنيد، اما هنگامي كه مي‌خواهيد آن‌ها را بيان كنيد، نياز به يك زبان مشترك براي بيان كردن داريد، آن زبان رياضي است.

از روزگاران باستان مردم سعي مي‌كردند رفتار ماده را بفهمند و در جست‌وجوي پاسخ سوالاتي نظير؛ چرا مواد مختلف خواص متفاوت دارند، چرا برخي مواد سنگين‌ترند و... بودند. همچنين نحوه‌ي تشكيل زمين، جهان و رفتار اجرام آسماني مانند ماه و خورشيد براي همه معما بود. پيش از ارسطو تحقيقاتي كه مربوط‌به فيزيك مي‌شد، بيشتر در زمينه نجوم صورت گرفته بود. علت اين بود كه بعضي از مسائل نجوم، معين و محدود بود و به آساني از مسائل فيزيك قابل تفكيك بودند. دربرابر سوالات مطرح شده گاه خرافات ايجاد و گاه انديشه متخصصينيه‌هايي پيشنهاد مي‌شد، كه غالب آن‌ها نادرست بود. اين تئوري‌ها اغلب برگرفته ازعبارت‌هاي فلسفي بودند و هرگز به وسيله تجربه و آزمايش محك نمي‌خوردند. بعضي مواقع نيز جواب‌هايي داده مي‌شد كه به‌صورت اجمالي و با تقريب، كافي به‌انديشه متخصصين مي رسيد.

در مقاله‌ي مكانيك كلاسيك انديشه متخصصينيه‌ و انديشه متخصصينات ارسطو را راجع به موضوع حركت مطالعه و بيان كرديم. در قرن ۱۷، گاليله براي اولين‌بار به منظور قانوني كردن تئوري‌هاي فيزيك، از آزمايش استفاده كرد، امري كه به‌شدت مخالفت كليساها و افراد مذهبي آن زمان را بر انگيخت و چيزي نمانده‌ بود كه اين مرد بزرگ جانش را از دست بدهد. گاليه انديشه متخصصينيه‌ها را فرمول‌بندي كرد و چندين نتيجه از ديناميك و اينرسي را با موفقيت آزمايش كرد.

با سقوط امپراطوري روم در اواسط قرن پنجم ميلادي، تمدن در اروپاي غربي به سطح بسيار پاييني رسيد. تعليم و تربيت تقريباً از بين رفت و تنها راهبان كاتوليك و معدود افراد غير روحاني با فرهنگ و دانش يوناني و لاتين ارتباط نزديك داشتند. در اين دوران دانش باستان توسط دانشمندان اسلامي محفوظ ماند، دانشمندان اسلامي ضمن آن‌كه دانش يوناني را حفظ كردند، اندوخته‌هاي علمي ايران باستان، چين و هند را را نيز جمع آوري كرده و خود نيز به باروري آن كوشيدند. خلفاي بغداد به حاميان علم بدل گشتند و انديشمندان برجسته‌اي را به دربار خود فراخواندند. آثار هندي و يوناني از جمله آثار برهمگويت و اصول اقليدسي و مجسطي به عربي ترجمه شد. در اين عصر دانشمندان زيادي به نوشتن آثاري در زمينه‌ي رياضيات و نجوم پرداختند، كه مشهورترين آن‌ها محمد ابن موسي الخوارزمي بود. خوارزمي رساله‌اي در جبر و جزوه رايگاني درباره ارقام هندي نوشت كه بعدها در قرن دوازدهم به زبان لاتين ترجمه شد و تاثير زيادي بر اروپا گذاشت. ابوالوفا بوزجاني كتب بطلميوس را ترجمه و تشريح كرد و نقد و تفسيري بر جزوه رايگان ديوفانتس نوشت. اصيل‌ترين و بديع ترين اثر جبري حل معادله درجه سوم توسط خيام به‌وجود آمد. وي اصلاحيه دقيقي نيز براي تقويم انجام داد. خواجه نصيرالدين‌طوسي اولين اثر در باب مثلثات مسطحه و كروي را نوشت و كار پيش‌تر خيام را با شرح و تصيحيحاتي منتشر و تكميل كرد. اثر او به‌حدي قوي بود، كه ساكري كارش را در هندسه نااقليدسي با يادداشتي از نوشته هاي او در باب توازي شروع كرد. نوشته هاي خواجه نصيرالدين توسط جان واليس در آكسفورد تدريس شد.

ابن هيثم كه در غرب به الهازن شناخته مي‌شود، بزرگ‌ترين فيزيكدان مسلمان شناخته شده است. وي رساله‌اي در باب نور نوشت و ذره‌بين را كشف كرد. به نسبت زاويه تابش و زاويه انكسار پي برد و اصول تاريك‌خانه را شرح داد و در مورد قسمت‌هاي مختلف چشم مباحثه كرد. رساله‌ي نور ابن هيثم نفوذ زيادي در اروپا گذاشت. كارهاي وي توسط كمال الدين فارسي پيگيري شد.

ارتباط غرب با جوامع اسلامي به‌خصوص به‌دليل تبادلات اقتصادي كه باهم داشتند، موجب توجه آنان به آثار علمي انديشمندان اسلامي شد. در اين دوره مسير برعكسي آغاز شد، از آنجا كه بسياري از آثار نجومي يونان باستان از بين رفته بود و فقط ترجمه عربي آن باقي مانده بود به لاتين ترجمه شدند. در اين دوره بود كه تعداد زيادي از اصطلاحات عربي به زبان‌هاي اروپايي راه پيدا كرد. در حدود سال ۹۵۰ ميلادي ژربر متولد شد، وي در مدارس مسلمانان اسپانيا درس خواند و با يادگيري نسبي زبان عربي در پي گسترش و يادگيري آن به جامعه خويش برآمد. ژربر مورد سوء ظن معاصرانش قرار گرفت و متهم شد كه روح خود را به شيطان فروخته است. بااين‌حال ژربر به تدريج در كليسا ترقي كرد و سرانجام در سال ۹۹۹ به مقام پاپ انتخاب شد. با انتخاب شدن او به‌عنوان پاپ، آثار كلاسيك علوم يوناني و اسلامي به سرعت وارد اروپاي غربي شدند

در حدود ۱۱۲۰ ميلادي يك راهب انگليسي به نام آدلارد باثي كه در اسپانيا درس خوانده بود، خود را در جامه‌ي يك طلبه در آورد و به بخشي از دانش كه شديداً مورد حفاظت بود، دسترسي پيدا كرد. وي اصول اقليدس و جدول‌هاي خوارزمي را به لاتين ترجمه كرد. بدين ترتيب قرن دوازدهم ميلادي به قرن ترجمه آثار و فرهنگ و دانش اسلامي بدل گشت. كوشاترين مترجم اين عصر گراردوي كرمونايي بود كه بالغ بر ۹۰ اثر عربي را به لاتين ترجمه كرد. مجسطي، اصول اقليدس و جبر خوارزمي از جمله آثار ترجمه شده او بودند.

در حدود سال ۱۲۵۰ ميلادي، اكوايناس اساس استدلال و منطق ارسطو را به‌كار برد. وي براساس اصول ارسطويي سيستم توميسم را بنياد نهاد، كه در حال حاضر نيز پايه الهيات كليساي كاتوليك رومي است. ديگران نيز به‌زودي از احياي انديشه‌هاي يوناني در زمينه‌هاي دنيوي استفاده كردند و به تدريج انديشه‌هاي ارسطو چيزي بيشتر از يك دانش شد و حالتي مقدس‌گونه به خود گرفت. ايجاد شدن حالت مقدس مآبانه به تدريج اعتراض خردمندان را برانگيخت، اما به‌دليل جو غالب آن زمان اكثر آنان جرئت علني كردن اعتراضات خود را نداشتند، در اين زمان بود كه كوپرنيك جزوه رايگان خود را منتشر  و انديشه متخصصينيه‌ي انقلابي خود را بيان كرد كه در آن يكي از بديهيات اختر شناسي آن زمان، يعني دستگاه زمين مركزي منظومه شمسي رد شد. او بيان كرد كه زمين در مركز كائنات قرار ندارد، بلكه اين خورشيد است كه در مركز منظومه شمسي است و ساير سيارات از جمله زمين به دور آن در حال گردشند. كار كوپرنيك به‌حدي با ارزش بود، كه از به‌عنوان ايجادكننده‌ي سنگ بناي رنسانس ياد مي‌كنند.

رنسانس به معناي قبول نداشتن كليسا و عقايد آن و بازگشت به يونان و روم باستان است. در يونان و روم باستان اصالت با انسان بوده است. رنسانس در سال‌هاي ۱۳۰۰ ميلادي از ايتاليا آغاز شد و در طول سه قرن در سراسر اروپا انتشار يافت. به‌ندرت در دوره‌اي چنين كوتاه ازانديشه متخصصين تاريخي، رخدادهاي گوناگوني به وقوع مي‌پيوندد؛ حال آن‌كه اين قرن‌ها سرشار از تغييرات اساسي و فعاليت‌هاي بزرگ است. جهان امروزي نتيجه‌ي همين فعاليت‌هاست، زيرا رنسانس پايه‌هاي اقتصادي، سياسي، هنري و علمي تمدن‌هاي كنونيِ غرب را بنا نهاد. دانش و هنر پيشرفت‌هاي عظيمي در ايتالياي سده‌ي ۱۵ و ۱۶ ميلادي به‌وجود آوردند. اين احياي فرهنگي به «رُنِسانس» (يعني «نوزايش») مشهور شده‌است. دانشمندان، سرايندگان و فيلسوفاني ظهور كردند، كه با الهام گرفتن از ميراث روم و يونان، با ديدگاني تازه‌تر به جهان مي‌نگريستند. نقاش‌ها به مطالعه‌ي كالبد انسان پرداختند و اعضاي بدن انسان را به شيوه‌ي واقع‌گرايانه‌اي نقاشي مي‌كردند. فرمانروايان، ساختِ ساختمان‌ها و كارهاي بزرگ هنري را سفارش دادند. اين عقايد تازه به‌سرعت در سراسر اروپا گسترش يافت. بدين ترتيب علم فيزيك نيز پيشرفت شاياني داشت و به زيرشاخه‌هايي نظير مكانيك، الكترومغناطيس و ترموديناميك تقسيم شد و در هر ممباحثه به يافته‌هاي فراوان و نويني دست يافت.

فيزيك از مشاهدات ساخته مي‌شود. هيچ انديشه متخصصينيه‌ي فيزيكي نمي‌تواند موفقيت‌آميز باشد، مگر آن‌كه با مشاهدات تأييد شود و انديشه متخصصينيه‌اي كه قويا با مشاهدات حمايت شود را نمي توان انكار كرد. براي ما اين مطالب حقايقي بديهي است. اما در اوايل قرن هفدهم اين درس‌ها هنوز آموخته نشده بود. كسي كه نخستين بار اين آموزه را مطرح كرد كه مشاهدات در علم، عاملي اساسي است و درجه‌ي اهميت بالايي دارد، گاليلئو گاليلي (گاليله) بود.

گاليله ابتدا به مطالعه حركت اجسام زميني، پاندول‌ها، گلوله‌هاي در حال سقوط آزاد و پرتابه‌ها پرداخت. او مشاهداتش را به زبان رياضي تناسب‌ها خلاصه و داده‌هاي آزمايشي‌اش را به‌صورت ايده‌آل شده بزرگي برون‌يابي مي‌كرد، كه امروزه آن را اصل اينرسي (لختي) مي‌ناميم. اين اصل به ما مي‌گويد، كه يك جسم پرتاب شده در امتداد يك سطح بي‌نهايت بدون اصطكاك، حركتش را براي هميشه، با سرعت ثابت، ادامه مي‌دهد. مشاهدات او آغاز علم حركت بود كه امروزه آن را مكانيك مي‌ناميم.

گاليله آسمان شب و روز را نيز با تلسكوپي كه تازه اختراع شده بود، مشاهده كرد. او توانست اهله زهره، كوه‌هاي ماه، لكه‌هاي خورشيدي و قمرهاي مشتري را با تلسكوپ ببيند. اين مشاهدات سماوي مبناي يك مكانيك سماوي شد، كه در آن خورشيد در مركز جهان جاي مي‌گرفت. آموزه‌ي كليسا به گونه ديگري بود، آن‌ها زمين را مركز عالم مي‌دانستند و تقدس خاصي براي اين موضوع قائل بودند. تعارض بين تلسكوپ گاليله و جزمت كليسا براي گاليله ادبار آفرين بود، اما درنهايت تلسكوپ فائق آمد و داستان شورانگيز اين برخورد، مهم‌ترين درس را به گاليله آموخت.

گاليله در سال ۱۶۴۲ چشم از جهان فرو بست و در همان سال، بزرگ‌ترين جانشين او، آيزاك نيوتون چشم به جهان گشود. نيوتون از مباني گاليله براساس مفاهيم جرم، اندازه حركت و نيرو و سه قانون حركت، يك سيستم مكانيكي ساخت. نيوتون همچنين يك زبان رياضي؛ روش فلوكسيون، كه بسيار نزديك به حسابان ديفرانسيل و انتگرال امروز ماست براي بيان سيستم مكانيكي‌اش، اختراع كرد. اما در يك پيچ و خم تاريخي بسيار عجيب، خود او به ندرت اين زبان رياضي را به كار گرفت. مكانيك نيوتون اهميت جهاني داشت و هنوز هم دارد. اين مكانيك براي توضيح حركت اجسام زميني و فراتر از آن براي سيارات، ستارگان و كهكشان‌ها به كار مي‌آيد. يك مفهوم وحدت بخش بزرگ، انديشه متخصصينيه‌ي گرانش جهاني نيوتون است. براساس اين مفهوم همه اجسام كوچك، بزرگ و نجومي (به استثناي چند مورد نامتعارف) با نيرويي كه از يك قانون ساده عكس مجذور پيروي مي‌كند، يكديگر را جذب مي‌كنند. گاليله و نيوتون بنيانگذاران فيزيك جديدند. آنان قواعد بازي و اين عقيده راسخ ماندگار را به ما اهدا كردند، كه جهان فيزيكي فهم‌پذير و قابل درك است.

اكنون تاريخ ما از مكانيك، علم حركت، به ترموديناميك، علم گرما باز مي‌گردد. انديشه متخصصينيه‌ي گرما تا اواخر قرن هجدهم، گرما را سيالي بي وزن به نام «كالريك» مي‌دانست، به‌صورت يك علم كمي ظاهر نشد. شباهت اين سيال را به‌صورت جريان ظاهري گرما از دمايي بالا به دمايي پايين تصور مي‌كردند. مهندسان قرن هجدهم مي‌دانستند كه يك ماشين حرارتي چنان‌چه اجزاي آن ماهرانه طراحي شده باشند، با استفاده از اين جريان گرمايي مي‌تواند برون‌داد كار مفيدي توليد كند.

فرض اساسي انديشه متخصصينيه كالريك اين بود كه گرما پايستار است، يعني تباهي ناپذير و خلق ناشدني است. اين فرض براي پيش‌گامان انديشه متخصصينيه گرمايي، از جمله سعدي كارنو، كه مطالعات او شين حرارتي آغاز داستان ما از ترموديناميك است، به خوبي كارآمد بود. اما در سال‌هاي ۱۸۴۰ رابرت ماير، جيمز ژول، هرمان هلمهلتز و ديگران اين فرض پايستاري گرما را به نقد كشيدند. انتقاد آنان انديشه متخصصينيه‌ي كالريك را از ميان برد، اما براي ايجاد يك انديشه متخصصينيه‌ي جديد كافي نبود. وظيفه ساختن علم گرمايي جديد كه سرانجام ترموديناميك ناميده شد، در سال‌هاي ۱۸۵۰ به دامان ويليام تامسنه و رودولف كلازيوس افتاد. يكي از اجزاي اساسي انديشه متخصصينيه آنان، اين مفهوم بود كه هر سيستمي يك خاصيت ذاتي دارد. تامسن اين خاصيت را انرژي ناميد و بر اين باور بود كه انرژي تا حدي با حركت كاتورهاي مولكولهاي سيستم مربوط است. او نتوانست اين تعبير مولكولي را بهبود بخشد، زيرا در اواسط قرن نوزدهم ساختار، رفتار و حتي وجود مولكول‌ها مباحثه‌انگيز و مورد اختلاف بود. اما او به اين دريافت رسيد كه انرژي سيستم پايستار است، نه گرماي آن. او اين استنتاج را در معادله‌ي ديفرانسيلي ساده‌اي بيان كرد.

در ترموديناميك جديد، انرژي، شريكي همتراز به نام آنتروپي دارد. كلازيوس مفهوم انتروپي را ارائه و نام‌گذاري كرد، اما درباره تشخيص اهميت بنيادي آن مردد بود. او در يك معادله ديفرانسيلي ساده ديگر نشان داد كه چگونه آنتروپي با گرما و دما مربوط مي‌شود و رسما قانوني را بيان كرد، كه امروزه به‌عنوان قانون دوم ترموديناميك مشهور است. با اين بيان كه؛ در سيستم منزوي، آنتروپي به يك مقدار حداكثر افزايش مي‌يابد. اما ترديد داشت كه از اين پيش‌تر برود. اين حالت ترديد، بار ديگر ناشي از اعتبار فرضيه‌ي مولكولي بود.

ترموديناميك نيز نيوتون خودش را داشت و آن فرد ويلارد گيبس بود. در جايي كه كلازيوس ترديد داشت، گيبس مردد نبود. گيبس به مشاركت انرژي- آنتروپي واقف بود و به آن مفهوم ظرفيت شيميايي را افزود، كه در مطالعه‌ي تغيير شيميايي بسيار سودمند است. او بدون گرفتن راهنمايي زياد از نتايج آزمايشي كه معدودي از آن‌ها در دسترس بود. طرح خود را در مورد فهرست طويلي از پديده‌هاي متفاوت به كار گرفت. شاهكار گيبس طولاني بود، اما او نوشته‌اي فشرده‌، به‌عنوان رساله‌اي درباره ترموديناميك، در سال ۱۸۷۰ منتشر كرد.

رساله گيبس چشم اندازهاي انديشه متخصصيني بسيار فراتر از انديشه متخصصينيه گرما را كه كلازيوس و تامسن در جستجوي آن بودند، گشود. وقتي پيام‌هاي متعدد گيبس فهميده (يا كشف مجدد) شد، قلمرو جديدي پديد آمد. يكي از كاوشگران اين قلمرو والتر نرنست بود. او در جريان تحقيق انديشه متخصصينيه‌اي بود براي ميل تركيب شيميايي، يعني نيرويي كه واكنش شيميايي را به راه مي اندازد. وي از راه غير مستقيم در قلمرو فيزيك و شيمي دماي پايين به انديشه متخصصينيه مطلوب خود دست يافت.

اكنون براي ادامه دادن داستان بايد يك فلش بك بزنيم و بار ديگر به قرن ۱۹ باز گرديم.(توسعه و پيشرفت ترموديناميك را كارنو در سال‌هاي ۱۸۲۰  آغاز و نرنست در سال‌هاي ۱۹۳۰ به پايان رساند) اكنون بار ديگر به سال‌هاي ۱۸۲۰ و ۱۸۳۰ بازمي‌گرديم، با همان چشم انداز علمي كه الهام بخش علم ترموديناميك بود و موضوع روز آن، ممباحثه مرموز و كنجكاوانه فرايندهاي تبديل است. براي دانشمندان اوايل قرن نوزدهم آشكار بود كه بسياري از آثار تبديل‌پذير مانند؛ آثار گرمايي، مكانيكي، شيميايي، الكتريكي و مغناطيسي مستلزم اصولي وحدت بخش و يگانه‌اند. ترموديناميك ابتدا بر آثار گرمايي و مكانيكي متمركز شد و از آن‌ها مفاهيم انرژي، آنتروپي و سه قانون بزرگ فيزيكي را استخراج كرد. سرانجام در پايان قرن نوزدهم، ترموديناميك‌دانان به اين كشف دست يافتند كه زبان علم آنان همه‌ي آثار بزرگ مقياس، يا درواقع كل جهان را در بر مي‌گيرد.

فارادي بزرگ‌ترين آزمايشگر قرن نوزدهم بود، او با مهارت عالي‌اش در آزمايشگاه و همچنين با انديشه متخصصينيه‌ي انقلابي‌اش تبديل به يك الگو شده بود. او باور داشت كه آثار مغناطيسي، الكتريكي و الكترومغناطيسي در فضا، در امتداد خطوط نيرويي كه جمعا به‌عنوان يك ميدان تعريف مي‌شوند، مي‌گذرند. وقتي چنين ميداني ايجاد شود، مي‌تواند در همه جا حتي در فضاي خالي وجود داشته باشد. معاصران فارادي به آزمايش‌هاي او باور داشتند، اما انديشه متخصصينيه او را كه اساسا مخالف نوعي نيوتونيسم شايع در آن زمان بود، نمي‌پذيرفتند.

اما دو جوان مخالف انديشه متخصصين عامه، كه مشتاقانه معتقد به مفهوم ميدان بودند به او پيوستند. يكي از آن دو، ويليام تامسن و ديگري جواني اسكاتلندي، به نام جيمز كلرك ماكسول بود، كه بعدها بزرگ‌ترين انديشه متخصصينيه پرداز قرن نوزدهم شد. تامسن يك انديشه متخصصينيه‌ي رياضي محدود از خطوط نيروي الكتريكي فارادي را باب كرد. ماكسول بسيار پيش‌تر رفت. در طي يك دوره تقريبا دو دهه، او بناي انديشه متخصصينيه‌اي عظيمي را ايجاد كرد كه آغاز آن با مفهوم ميدان فارادي بود. اين انديشه متخصصينيه شامل مجموعه‌اي از معادلات ديفرانسيلي براي مؤلفه‌هاي الكتريكي و مغناطيسي ميدان و منابع آن‌ها بود، كه در چند خط اين انديشه متخصصينيه از همه‌ي پديده‌هاي الكتريكي، مغناطيسي و الكترومغناطيسي مطالبي به‌طور متراكم، از جمله اثبات آزمايشي ماهيت الكترومغناطيسي نور به وسيله فارادي آورده شده بود.

حوزه و سودمندي معادلات ماكسول بسيار وسيع است. تعبير فيزيكي اين معادلات طي سال‌ها تغيير كرده است. امروزه ما منشا ميدان الكتريكي را در بارهاي الكتريكي و ميدان مغناطيسي را در جريان‌هاي الكتريكي مي‌دانيم. ماكسول بار الكتريكي را به‌عنوان محصولي از ميدان در انديشه متخصصين مي‌گرفت و فقط مي‌توانست يك ارتباط غير مستقيم بين ميدان مغناطيسي و جريان‌هاي الكتريكي ببيند. اما خود معادلات در يك مقياس كيهاني معتبر است. معادلات ترموديناميك ماكسول، مانند قانون‌هاي ديناميك و گرانش جهاني نيوتون، وسعتي دارد كه تا زواياي جهان امتداد مي‌يابد

در سه بخش نخستين مباحث؛ مكانيك، ترموديناميك و الكترومغناطيس مطالعه شد، كه مي‌توان آن‌ها را با عنوان وسيع‌تر «ماكرو فيزيك» - يعني فيزيك اجسام با اندازه معمولي يا بزرگ‌تر، گروه بندي كرد. در اين زيرشاخه به قلمرو بسيار متفاوت «ميكروفيزيك» مي‌پردازيم، كه در اينجا به‌معني فيزيك مولكول‌ها، اتم‌ها و ذرات زير اتمي به كار برده مي‌شود. ميكروفيزيك به جز ممباحثه مكانيك آماري موضوع مورد مباحثه زيرشاخه‌هايي نظير مكانيك كوانتومي، فيزيك هسته‌اي و فيزيك ذرات است. مولكول‌ها و اتم‌هايي كه آن‌ها را در بر دارند بسيار كوچك‌اند، از لحاظ تعداد، اتم‌ها به‌طور باورنكردني زياد و حركت آن‌ها آشفته و بي‌نظم است و جدا كردن و مطالعه‌ي انفرادي آن‌ها بسيار دشوار است. اما جمعيت آن‌ها را مانند جمعيت انسان‌ها، مي‌توان با روش‌هاي آماري توصيف كرد. طرح كلي اين روش‌ها تمركز بر ميانگين است نه بر رفتار فردي.

شركت بيمه، ميانگين مدت زندگي براي يك جمعيت مذكر شهري با درآمد معين را محاسبه مي‌كند. فيزيكدان نيز ميانگين انرژي براي جمعي از مولكول‌هاي گاز، كه حجم معيني در فشار معين را اشغال كرده است جست‌وجو مي‌كند. اين روش براي امور شركت بيمه به قدر كافي مفيد و سودآور است، اما سوددهي آن براي فيزيكدانان بيشتر است، زيرا كثرت مولكول‌ها بسيار بيشتر و پيشگويي درباره ويژگي‌هاي ميانگين آن‌ها دقيق‌تر از پيشگويي درباره نفوس انساني است. با تعيين مقدار انرژي، با مقدار ميانگيني از بعضي خواص مكانيكي ديگر مولكول‌ها، فيزيكدانان آنچه را كه گيبس مكانيك آماري مي‌ناميد، به كار مي‌گيرند.

لودويك بولتزمن بزرگ مردي بود، كه مهم‌ترين مقالات درباره مكانيك آماري را در سال‌هاي ۱۸۷۰ نوشت. براي بولتزمن، مفهوم آنتروپي مفيدترين مباحثه‌ها در مكانيك آماري بود. او يك مبناي مولكولي براي قانون دوم ترموديناميك يافت و با الحاق آنتروپي به بي‌نظمي مفهوم آنتروپي را دست‌يافتني كرد. بولتزمن اساس كار خود را بر مباني كارهاي ماكسول كه او به نوبه خود از كلازيوس الهام گرفته بود، بنا نهاد. در اواخر سال‌هاي ۱۸۵۰ كلازيوس نشان داد، چگونه مقادير ميانگين براي سرعت‌هاي مولكولي و مسافت‌هاي طي شده مولكول‌ها بين برخورد با مولكول‌هاي ديگر، محاسبه مي‌شود. او تشخيص داده بود كه مولكول‌هاي كثيري از آن‌ها سرعت‌هاي متفاوتي دارند، كه توزيع آن‌ها بيشتر يا كمتر از ميانگينشان است، اما دانش آمار فيزيكي او راهي براي تعيين اين توزيع نيافت. ماكسول در دو مقاله‌اي كه در سال‌هاي ۱۸۵۸ و ۱۸۶۶ نوشت، قانون توزيع مولكولي نامعلوم را معين كرد و آن را به راه‌هاي متفاوت براي انديشه متخصصينيه‌ي رفتار گازها به كار گرفت. امتداد توسعه‌ي مكانيك آماري از كلازيوس به ماكسول و سپس به بولتزمن و سرانجام تا گيبس ادامه يافت. رساله استادانه‌‌اي كه گيبس در سال ۱۹۰۱ منتشر كرد، ساختاري رسمي به مكانيك آماري داد، كه امروزه هنوز همان ساختار را دارد، حتي پس از مداخله آشوبناكي كه انديشه متخصصينيه كوانتوم فراهم آورد.

براي اعتقاد به مكانيك آماري، شخص بايد به وجود مولكول‌ها باور داشته باشد. در آغاز قرن بيست و يكم ترغيب به اين باور لاخبار تخصصيي نداشت، اما در قرن نوزدهم بولتزمن مخالفان جدي و سرسختي داشت، كه نمي توانستند واقعيت مولكول‌ها را بپذيرند. بولتزمن مشتاقانه رقبايش را دوستانه يا غيردوستانه به مناظره مي‌كشيد اما آن‌ها پايدارتر ماندند. سپس آلبرت اينشتين مناظره را پذيرفت و نشان داد كه چگونه مولكولها واقعي و رؤيت پذيرند.

گفتيم كه مكانيك، الكترومغناطيس و ترموديناميك شالوده‌هاي فيزيك كلاسيك را تشكيل مي‌دهند. در پايان قرن نوزدهم به انديشه متخصصين مي‌رسيد كه فيزيك كلاسيك به پايان خود نزديك شده است و تمام پديده‌هاي فيزيكي را يا حتي تمام پديده‌هاي طبيعي را با به متخصصدن از قوانين اين سه علم و با كمك گرفتن از رياضيات مي‌توان تبيين كرد. با مكانيك مي‌توان، رفتار يك ذره يا دستگاهي از ذرات را تحت تاثير هر نوع نيرويي به دقت مطالعه كرد. گستره و شمول اين قوانين چنان بود كه هم جورج تامپسون مي‌توانست نسبت بار به جرم را براي الكترون‌ها يا اشعه‌ي كاتودي به‌دست آورد و هم جان كوچ آدامز مي‌توانست وجود و موقعيت دقيق و جرم سياره‌اي ناشناخته مثل نپتون را تنها با مطالعه اختلالات مداري اورانوس به درستي پيشگويي كنند. مكانيك را هم به اين روش مي‌شد، براي طراحي دقيق سازوكار تمام ماشين‌ها و ادوات مكانيكي كه در صنعت استفاده مي‌شد، به كار برد. دوره‌ي پنج جلدي «مكانيك سماوي» لاپلاس در حوالي سال‌هاي ۱۸۰۰ انتشار يافت، كه در آن مكانيك تحليلي براي مطالعه حركات سيارات و انواع اختلال‌ها و جذر و مدهاي آن‌ها به كار مي‌رفت و همچنين دوره‌ي سه جلدي فليكس كلاين كه فقط به مطالعه‌ي ديناميك جسم صلبي مثل فرفره مي‌پرداخت، نشان‌دهنده اين بود كه مكانيك نيوتني يك و نيم قرن پس از نيوتن و به كمك كارهاي اويلر، لاگرانژ، هاميلتون، لاپلاس و ديگران به قدرت و شكوهي بي‌مانند رسيده بود.

الكتريسته و مغناطيس نيز وضعيتي مشابه داشتند، هم در فهم طبيعت و هم در متخصصد صنعتي. فارادي نه‌تنها توانسته بود، الكتريسته و مغناطيس را به هم پيوند بزند، بلكه ماكسول توانسته بود اين دو را به همراه نور و امواج الكترومغناطيسي در يك دستگاه منسجم رياضي متحد كند. دستگاهي كه با دقت بي‌مانند براي توضيح تمام پديده‌هاي الكترومغناطيسي و نوري از درون اتم گرفته تا ستارگان به كار مي‌رفت. هرگاه با سيستم‌هاي بسيار بزرگ و بس ذره‌اي سرو كار داشتيم مي ‌توان از مكانيك آماري و پيشگويي‌هاي آماري آن كه براي مقاصد آزمايشگاهي و عملي كاملا كفايت مي‌كرد، استفاده كرد. براي مطالعه پديده‌هاي ديگر مثل سيالات، اجسام الاستيك و نظاير آن تنها كافي بود كه قوانين و روابط اين انديشه متخصصينيه‌هاي بنيادي را به طرز مناسب به‌كار ببريم

در اواخر قرن نوزدهم و اوايل قرن بيستم به‌تدريج رخنه‌هايي در اين بناي عظيم پيدا شد. براي برطرف كردن اين رخنه‌ها و ترك‌ها بود كه مشاهده و مطالعه‌ي دقيق سرانجام نشان داد، كه در وراي اين ساختمان پهناور يك دنياي كاملا نو و شگفت‌آور به نام دنياي كوانتومي وجود دارد و اين جهان جديد تا دور دست‌ها گسترده است. امروزه براي ما بسيار دشوار است كه جسارتي را كه كاشفان اين دنياي نو به خرج داده‌اند تا اين سرزمين را با رازها و قوانين شگفتش به ما بشناسانند، درك كنيم. شگفتي‌هاي اين دنياي نو تنها در پديده‌هاي آن كه از دسترس حواس و شهود ما دورند نيست، بلكه بيش از هر چيز اين كيفيت رازآميز ناشي از آن است كه، براي درك آن بايد هم يك زبان كاملا جديد و انتزاعي به كار ببريم و هم در بسياري از مفاهيم بنيادي و فلسفي خود حتي آن‌ها كه فراگيرتر از حوزه فيزيك هستند، نظير عليت، قطعيت، آزادي و اختيار تجديد انديشه متخصصين كنيم.

در سال‌هاي ظهور قرن جديد ميلادي، كاستي‌هايي رفته رفته در حال پديدار شدن بودند، كه پيروزي انديشه متخصصينيات ماكسول را كمرنگ‌تر و كمرنگ‌تر جلوه و باعث بروز تدريجي نگراني‌هايي شدند. به‌طور مثال آزمايش مايكلسون-مورلي در باب سرعت نور و زاويه‌ي حركت زمين در اتر ناموفق بود. انديشه متخصصين هندريك لورنتز مبني بر اينكه اتر قابليت فشرده‌سازي ماده را داشته كه ممكن است به نامرئي شدن آن منتهي شود، خود اشكالاتي را ايجاد مي‌كرد، چرا كه يك الكترون فشرده كه توسط جوزف جان تامسون بريتانيايي در سال ۱۸۹۷ آشكارسازي گرديده بود ناپايدار قلمداد مي‌شد. از سوي ديگر، اقسام تشعشع‌هاي غير منتظره‌ي ديگري نيز توسط آزمايشگران در حال كشف شدن بود. اين در حالي بود كه فيزيك كلاسيك هيچگونه توجيه و تفسير دقيقي براي توصيف پديده‌ي ناپايداري و واپاشي هسته نداشت.

همچين فاجعه‌ي فرابنفش يا فاجعه ريلي جينز اشاره به نتيجه‌اي دارد كه ناشي از اصول فيزيك كلاسيك تقسيم مساوي انرژي و تابش نوسانگرهاي باردار براي توضيح تابش جسم سياه در طول موج‌هاي كوتاه است. تابع توزيعي كه بر اين اصول پايه‌گذاري شده بنام قانون رايلي-جينز متناسب با معكوس توان چهارم طول موج() نمي‌تواند در محدوده فركانس‌هاي پايين تابش جسم سياه را به درستي توضيح دهد و از منحني واگرا مي‌شود از آنجا كه اين تابع بر مبناي اصول پذيرفته شده و اساسي فيزيك كلاسيك طرح شده بود و اينكه هنوز در آن زمان اصول كوانتوم فيزيك تدوين نشده بود اين نتيجه ضربه‌ي سختي بر شالوده فيزيك كلاسيك بود كه موجب زير سؤال بردن اصول بديهي فيزيك كلاسيك گرديد.

مرگ يك فيزيكدان روزي است، كه قدرت تحليل خود را از دست بدهد! بنابراين پس از وارد شدن ضرباتي اساسي بر پيكره‌ي فيزيك كلاسيك، فيزيكدانان در پي طراحي و ايجاد جهاني جديد، به نام جهان كوانتومي برآمدند، تا بار ديگر بتوانند با تفكر و استفاده از قدرت منطق و رياضيات، توانايي تجزيه تحليل كردن و ارائه تفسير از پديده‌هاي فيزيكي را به دست آورند.