دایره علوم کاربردی و تکنولوژی

فیزیك علم شناختن قانون های عمومی و كلی حاكم بر رفتار ماده و انرژی است. كوشش های پیگیر فیزیكدانان در این راه سبب كشف بسیاری از قانون های اساسی، بیان نظریه ها و آشنایی با بعضی پدیده های طبیعی شده است. هرچند این موفقیت ها در برابر حجم ناشناخته ها، اندك است لیكن تلاش همه جانبه و پرشتاب دانشمندان امید بسیار آفریده كه انسان می تواند رازهای هستی را دریابد. انسان در یكی دو قرن اخیر، با بهره گیری از روش علمی و ابزارهای دقیق توانسته است در هر یك از شاخه های علم، به ویژه فیزیك دنیای روشن و شناخته شده خود را وسعت بخشد. در این مدت با دنیای بی نهایت كوچك ها آشنا شده، به درون اتم راه یافته تا انواع نیروهای بنیادی طبیعت را شناخته، الكترون و ویژگی های آن را دریافته و طیف گسترده امواج الكترومغناطیسی را كشف كرده است. فیزیك كه تا اواخر قرن نوزدهم مباحث مكانیك، گرما، صوت، نور و الكتریسیته را شامل می شد اكنون در اوایل قرن بیست و یكم در اشتراك با سایر علوم (مانند شیمی، زیست شناسی و...) روز به روز گسترده تر و ژرفاتر شده و بیش از ۳۰ موضوع و مبحث مهم را در برگرفته است (دانشنامه فیزیك تعداد شاخه های فیزیك را ۳۳ مورد معرفی كرده است.)
•فناوری
فناوری، چگونگی استفاده از علم، ابزار، راه و روش برای انجام كارها و برآوردن نیازها است. به عبارت دیگر فناوری به كارگیری آگاهی های انسان برای تغییر در محیط به منظور رفع نیازها است. اگر علم را فرآیند شناخت طبیعت تعریف كنیم، فناوری فرآیند انجام كارها خواهد بود.در گذشته مثلاً در كشور ایران تا حدود یك صد سال پیش، زندگی ساده و ابتدایی بود و كارها با ابزارهای ساده و روش های اولیه انجام می شد. كشاورزی، حمل ونقل، تجارت، ساختمان سازی با روش های سنتی و ابزارهایی كه در طول زمان از راه تجربه به دست آمده بود صورت می گرفت. گرچه انسان به برخی از قانون های طبیعی دست یافته بود لیكن علم و عمل كمتر اثر متقابل در یكدیگر داشتند. دانشمندان راه خود را می پیمودند و صنعتگران و ابزاركاران به راه خود می رفتند تا آنكه عصر جدید آغاز شد و تمدنی به وجود آمد كه همه چیز در راه مصالح زندگی انسان و توانایی او به كار گرفته شد. در سال ۱۶۶۳ میلادی «جامعه سلطنتی لندن» تاسیس شد و هدف خود را ارتقای سطح علوم مربوط به امور و پدیده های طبیعی و هنرهای مفید از طریق آزمایش و تجربه به نفع «ابنای بشر» انتخاب كرد. چهار سال بعد فرهنگستان علوم فرانسه در پاریس شكل گرفت و بر مفید واقع شدن علم تاكید فراوان شد. اعضای این فرهنگستان برای هرچه به ثمر رساندن تحقیقات علمی در زندگی انسان، به تلاش پرداخته و از این بابت حقوق دولتی دریافت می كردند.۱در سال ۱۸۵۳ موزه علوم لندن با نام «هیات معتمدین دایره علم و هنر و موزه ملی علم و صنعت» گشایش یافت اما نزدیك تر شدن علم و صنعت سبب شد كه در سال ۱۸۸۲ بخش های مختلف این موسسه در هم ادغام شود و سازمان جدیدی با نام «دایره علوم كاربردی و تكنولوژی» تاسیس شود.
•نقش فیزیك در فناوری
علم، كوشش در جهت دانایی و فناوری تلاشی در جهت توانایی است. این هر دو اثر متقابل در هم داشته اند. دانش سبب شد كه ابزارها و روش ها كامل تر شوند و ابزارها نیز دقت انسان را در اندازه گیری ها و رسیدن به نتایج علمی بیشتر كرده است. اكنون بسیاری از موضوع ها و مباحث فیزیك پیامدهای كاربردی داشته و عملاً در فناوری ها موثر بوده است. فناوری های ارتباطات، فناوری های حمل ونقل (خشكی، دریایی، هوایی و فضایی)،فناوری های تولید (كشاورزی _ صنعتی)، فناوری های استخراج انواع معادن و فناوری های ساختمان و انواع ماشین ها و فناوری های آموزشی وابسته به دانش مكانیك، الكتریسیته، الكترومغناطیس، ترمودینامیك، فیزیك هسته ای، نورشناسی، فیزیك بهداشت، فیزیك پزشكی و... است.
در این مقاله فقط به نقش فیزیك در فناوری های بهداشت و درمان می پردازیم تا مشخص شود چه اندازه فیزیك در تشخیص و درمان بیماری ها و بهداشت محیط موثر است.
•نقش فیزیك در تشخیص بیماری ها
پزشكان برای تشخیص بیماری ها از انواع وسایل ساده مانند دماسنج و فشارسنج، گوشی طبی (استتوسكوپ) تا دستگاه های بسیار پیچیده مانند میكروسكوپ الكترونی، لیزر و هولوگراف كه همه براساس قانون های فیزیك طراحی و ساخته شده استفاده می كنند. در این قسمت به ساختمان و طرز كار برخی از آنها می پردازیم.
• رادیوگرافی و رادیوسكوپی
رادیوگرافی عكسبرداری از بدن با پرتوهای ایكس و رادیوسكوپی مشاهده مستقیم بدن با آن پرتوها است. در عكاسی معمولی از نوری كه از چیزها بازتابش می شود و بر فیلم عكاسی اثر می كند استفاده می شوند در صورتی كه در رادیوگرافی پرتوهایی را كه از بدن می گذرند به كار می برند. پرتوهای ایكس را نخستین بار در سال ۱۸۹۵ میلادی، ویلهلم كنراد رنتیگن استاد فیزیك دانشگاه ورتسبورگ آلمان كشف كرد. این كشف بسیار شگفت انگیز بود و خبر آن با سرعت در روزنامه های جهان منتشر شد. جالب است كه رنتیگن بر روی پرتوهای كاتدی كار می كرد و به طور اتفاقی متوجه شد كه وقتی این پرتوها، كه همان الكترون های سریع هستند به مواد سخت و فلزات سنگین برخورد می كنند پرتوهای ناشناخته ای تولید می شود او این پرتوها را پرتو ایكس به معنی مجهول نامید. پرتوهای ایكس قدرت نفوذ و عبور بسیار زیاد دارند. به آسانی از كاغذ، مقوا، چوب، گوشت و حتی فلزهای سبك مانند آلومینیوم می گذرند، لیكن فلزهای سنگین مانند سرب مانع عبور آنها می شود. اشعه ایكس از استخوان های بدن كه از مواد سنگین تشكیل شده اند عبور نمی كنند در صورتی كه از گوشت بدن به آسانی می گذرند. همین خاصیت سبب شده كه آن را برای عكسبرداری از استخوان های بدن به كار برند و محل شكستگی استخوان ها را مشخص كنند. برای عكسبرداری از روده و معده هم از پرتوهای ایكس استفاده می شود لیكن برای این كار ابتدا به شخص مایعاتی مانند سولفات باریم می خورانند تا پوشش كدری اطراف روده و معده را بپوشاند و سپس رادیوگرافی صورت می دهند. كشف پرتوهای ایكس كه به وسیله رنتیگن عملی شد سرآغاز فعالیت های دانشمندانی مانند تامسون، بور، رادرفورد، ماری كوری، پیركوری، باركلا و بسیاری دیگر شد به طوری كه نه فقط چگونگی تولید، تابش و اثرهای پرتو ایكس و گاما و نور شناخته شد بلكه خود اشعه ایكس یكی از ابزارهای شناخت درون ماده شد و انسان را با جهان بی نهایت كوچك ها آشنا كرد و انرژی عظیم اتمی را در اختیار بشر قرار داد.
پرتوهای ایكس در پزشكی و بهداشت برای پیشگیری، تشخیص و درمان به كار می رود به طوری كه در فناوری های مربوطه یكی از ابزارهای اساسی است.
•سونوگرافی
سونوگرافی عكسبرداری با امواج فراصوت است. فراصوت امواج مكانیكی مانند صوت ۲ است كه بسامد آن بیش از ۲۰ هزار هرتز است. این امواج را می توان با استفاده از نوسانگر پتروالكتریك یا نوسانگر مغناطیسی تولید كرد. خاصیت پیزوالكتریك عبارت است از ایجاد اختلاف پتانسیل الكتریكی در دو طرف یك بلور هنگامی كه آن بلور تحت فشار یا كشش قرار گیرد و نیز انبساط و انقباض آن بلور هنگامی كه تحت تاثیر یك میدان الكتریكی واقع شود. بنابراین هرگاه از یك بلور كوارتز تیغه متوازی السطوحی عمود بر یكی از محورهای بلور تهیه كنیم و این تیغه را میان دو صفحه نازك فولادی قرار دهیم و آن دو صفحه را به اختلاف پتانسیل متناوبی وصل كنیم، تیغه كوارتز با همان بسامد جریان منبسط و منقبض می شود و به ارتعاش درمی آید و در نتیجه امواج فراصوت تولید می كند. پدیده پیزوالكتریك در سال ۱۸۸۰ به وسیله پیركوری كشف شد و از آن علاوه بر تولید امواج فراصوتی، در میكروفن های كریستالی و فندك استفاده می شود. امواج فراصوتی دارای انرژی بسیار زیاد است و می تواند سبب بالا رفتن دمای بافت های بدن انسان، سوختگی و تخریب سلول ها شود. از این امواج در دریانوردی، صنعت و پزشكی استفاده می شود. در پزشكی برای تشخیص، درمان و تحقیقات این امواج را به كار می برند. دستگاهی كه برای عكسبرداری به كار می رود اكوسكوپ۳ یا سونوسكوپ۴ است. اساس كار عكسبرداری با امواج فراصوت بازتابش امواج است در این عمل دستگاه گیرنده و فرستنده موجود است و از بسامدهای میان یك میلیون تا پانزده میلیون هرتز استفاده می كنند. دستگاه مولد ضربه های موجی در زمان های بسیار كوتاه یك تا پنج میلیونیم ثانیه را در حدود ۲۰۰ ضربه در ثانیه می فرستد و این ضربه ها در بدن نفوذ می كند و چنانچه به محیطی برخورد كند كه غلظت آن با محیط قبلی متفاوت باشد پدیده بازتابش روی می دهد و با توجه به غلظت نسبی دو محیط مقداری از انرژی ضربه های فراصوت بازتابش می شود. دستگاه گیرنده این امواج را دریافت می كند و به كمك دستگاه الكترونی و یك اسیلوسكوپ آن را به نقطه یا نقاط نورانی به تصویر تبدیل می كند. عكسبرداری با فراصوت را برای تشخیص بیماری های قلب، چشم، اعصاب، پستان، كبد و لگن انجام می دهند.وسایل الكتروپزشكی
بخشی از وسایل تشخیص بیماری ها، دستگاه هایی هستند كه براساس قانون های مربوط به الكتریسیته و الكترونیك ساخته و به كار گرفته می شوند. نمونه ای از این دستگاه ها عبارتند از الكتروكاردیوگراف، الكتروبیوگراف و الكترو آسفالوگراف. این دستگاه ها می توانند با رسم نمودارهایی وضع سلامت یا بیماری را برای پزشك مشخص كنند. ممكن است این دستگاه ها مجهز به نوسان نگار باشند و در نتیجه نمودارها مستقیماً بر روی یك صفحه تلویزیون مشاهده شود. نمونه این دستگاه ها كاردیوسكوپ است كه معمولاً در اتاق بیمار قرار می گیرد و بر آن منحنی ضربان قلب بیمار مشاهده می شود. در الكتروكاردیوگراف به جای آنكه منحنی ها مستقیماً دیده شود آن منحنی ها (نمودارها) بر روی نواری از كاغذ ثبت و ضبط می شود و پزشك از روی آنها می تواند وضعیت قلب و نوع بیماری را تشخیص دهد.
الكتروآنسفالوگرافی دستگاهی است كه با آن بیماری هایی چون صرع، تومورهای مغزی، ضربه، اعتیاد به دارو و الكل تشخیص داده می شود و كار این دستگاه با استفاده از فعالیت های الكتریكی كه در سطح بدن ظاهر می شود، صورت می گیرد. اندازه گیری ها نشان می دهد كه در قشر مغز تغییرات پتانسیل الكتریكی منظمی انجام می شود. «این پتانسیل های الكتریكی به استثنای حالت بیهوشی عمیق یا قطع جریان خون به مغز همیشه وجود دارند. هنگامی كه قشر مغز خراب شود، این نقش تغییر می كند. با قرار دادن الكترودهای پهن یا الكترودهای سوزنی شكل بر روی پوست سر می توان امواج را از پوست سر به سمت دستگاه ثبات هدایت كرد... این امواج نتیجه پتانسیل های كار نورون های عصبی قشر مغزند كه در سطح مغز ظاهر می شوند ... خاصیت مهم این امواج بسامد آنها است. گستره معمولی این بسامد از یك تا ۶۰ هرتز تغییر می كند... این امواج برحسب بسامد، ولتاژ، محل های تلاقی، شكل امواج و نقش هایی كه دارند، ارزیابی می شوند.»۵
• اسكن (تهیه طرح های سه بعدی از بدن)
در سال های ۷۰-۱۹۶۰ برای تشخیص بیماری ها چهار روش جدید ابداع شد: الف _ گرمانگاری: نخستین روش گرمانگاری بود كه در سال ۱۹۶۲ عرضه شد. می دانیم كه هر جسمی كه دمایش بالاتر از صفر مطلق (۲۷۳- درجه سلسیوس) باشد از خود امواجی تابش می كند كه به نام امواج گرمایی معروف است. از این خاصیت یعنی انتشار امواج گرمایی از بدن انسان استفاده شده و اختلاف دمای قسمتی از بدن را به صورت تصویری رنگی تهیه می كنند. این روش برای تحقیق و بررسی رگ های خونی سطحی بدن مفید است و با آن می توان از وجود تومورها نیز باخبر شد.
ب- توموگرافی: پرتوهای ایكس می توانند از بافت های نرم بگذرند، لیكن میزان جذب یا عبور آنها به غلظت بافت بستگی دارد. چنانچه پرتو ایكس در مسیر خود از غده ای بگذرد، میزان جذب آن نسبت به وضعیتی كه غده وجود نداشته باشد، تفاوت می كند. به كمك كامپیوتر می توانند تصویری را كه از بدن گرفته اند، پردازش كنند و اطلاعات دقیق مربوط به ساختمان بدن و وجود غده را مشخص نمایند. عملی كه با كمك پرتو ایكس و كامپیوتر برای تعیین غده ها صورت می گیرد را توموگرافی می نامند.
پ- هولوگرافی (تمام نگاری): دنیس گابور فیزیكدان نوع جدیدی از عكاسی را در سال ۱۹۴۷ ابداع كرد كه بعداً در موارد گوناگون از جمله در پزشكی از آن استفاده شد. هولوگرافی براساس خواص امواج متكی است و تصویری كه از ریزشیء گرفته می شود، سه بعدی است. در این طریقه تصویری كه از هر عضو بدن گرفته می شود، كاملاً همه قسمت های اطراف آن عضو دیده می شود. برای تهیه عكس سه بعدی معمولاً از پرتوهای لیزر استفاده می شود.
ت- دستگاه تشدید مغناطیسی NMR) ) :اساس این دستگاه بر این خاصیت است كه هسته اتم های خاصی در صورت قرار گرفتن در میدان مغناطیسی امواجی از خود تابش می كنند كه قابل ردیابی است. این پدیده در سال ۱۹۴۰ شناخته شد و كاربرد آن در پزشكی برای نخستین بار در سوئد توسط «اریش اودبلاد»۶ و از دهه ۱۹۵۰ شروع شد.
در سال ۱۹۷۳ در انگلیس از طریق ردیابی تابش تراكم اتم های هیدروژن در بافت های مختلف بدن نخستین تصویر NMR تهیه شد. از سال ۱۹۷۷ به بعد تصویر از مغز نیز به این وسیله گرفته شد.
منابع و مآخذ:
۱- ایزدیان، حبیب الله _ بیوفیزیك، حفاظت در مقابل اشعه _ دانشگاه تهران
۲- ترور آی. ویلیامز _ اختراعات و اكتشافات در قرن بیستم _ ترجمه لاله صاحبی _ انتشارات یگانه - ۱۳۷۵
۳- بلت، فرانك.ج _ فیزیك پایه _ ترجمه: ناصر مقبلی، محمد خرمی _ انتشارات فاطمی.
۴- كارل آرنیو، برندا سی نیو _ فیزیك در خدمت علوم بهداشت _ ترجمه علی اصغر تكالو _ آستان قدس
۵- معتمدی، اسفندیار _ فیزیك زنده _ انتشارات مدرسه
۶- معتمدی، اسفندیار _ ماورای صوت _ انتشارات مدرسه
۷- هشترودی، دكتر محسن _ جهان اندیشه، دانش و هنر _ كتابفروشی دهخدا
۸- هسل هوارد فلیتر _ آشنایی با فیزیك در پرستاری _ ترجمه جهانشاه میرزابیگی، پروین عزالدین زنجانی _ مركز نشر دانشگاهی
پی نوشت ها:
۱- هنرهای مفید: پس از گذشت بیش از سه قرن، بعید به نظر می رسد كه دریابیم آن چهل تن عضو جامعه سلطنتی از كلمه «هنرهای مفید» چه منظوری داشتند كه به تعبیر خود آنان می بایست از كاربرد معلومات علمی الهام می گرفت. البته با رجوع به مباحث اولیه آنان روشن می شود كه آنها مكانیزه كردن روند صنایع را به طور اخص در سر داشتند كه قبلاً شروع شده بود و پیش بینی می شد كه تا آغاز انقلاب صنعتی در یك قرن بعد به طور كامل شكوفا شود. نتیجتاً «هنرهای مفید» را می توان با تكنولوژی آن روز معادل دانست. اختراعات و اكتشافات قرن بیستم صفحه ۱۴
۲- صوت، امواج مكانیكی با بسامد ۲۰ تا ۲۰ هزار هرتز است. امواج كمتر از ۲۰ هرتز را فروصوت و امواج بالاتر از ۲۰ هزار هرتز را فراصوت می نامند.
۳- Echoscope
۴- Sonoscope
۵- فیزیك در پرستاری، تالیف هسل هوارد فلیتر. ترجمه: جهانشاه میرزابیگی و پروین عزالدین زنجانی، مركز نشر دانشگاهی. ص ۳۹۶.
۶- Erich Odeblad

منبع : روزنامه شرق