زیبا ترین آزمایش های تاریخ

[mim-shimi 25686]

اگر چه دانشمندان تاکنون توانسته‌اند اجزاي تشکيل‌دهنده ذره‌هاي زير اتمي را در شتاب‌دهنده‌ها از يک‌ديگر جدا کنند، و فعاليت ستارگان دور دست را تجزيه و تحليل کنند، اما هنوز هم آزمايش‌هايي توجه دانشمندان را به خود جلب مي‌کند که ميليون‌ها دلار هزينه را در برداشته و جريان بزرگي از اطلاعات ايجاد مي‌کند؛ آزمايش‌هايي که پردازش آن‌ها توسط ابررايانه‌ها ماه‌ها به طول مي‌انجامد. بسياري از اين گروه‌هاي پژوهشي توسعه پيدا کرده‌اند و براي انجام فعاليت با هم مشارکت مي‌کنند.

اما بايد اذعان کرد که مفاهيم علمي به ذهن‌هاي منحصر به فردي که خود را درگير کشف رازو رمزهاي جهان کرده‌اند، راه مي‌يابد. هنگامي که رابرت پي.کريس، از گروه فلسفه دانشگاه ايالتي نيويورک واقع در استوني بروک ومورخ آزمايشگاه ملي بروکهان از فيزيکدانان خواست که زيباترين آزمايش‌هاي کل تاريخ را نام ببرند، مشخص شد که ده نفر نخست بيش‌تر به طور انفرادي کار کرده‌اند و دستياري نداشتند.

اغلب آزمايش‌هايي که درشماره‌ي September 2002‌ مجله‌ي دنياي فيزيک (Physics World) فهرست شده‌اند را مي‌توان روي يک ميزکار معمولي انجام داد و به ابزارهاي محاسبه‌اي پيشرفته‌تر ازخط‌کش و ماشين حساب نياز ندارند. چيزي که در همه‌ي اين آزمايش‌ها مشترک است، همان چيزي است که دانشمندان از آن به عنوان "زيبايي" نام مي‌برند؛ يعني، سادگي منطقي دستگاه‌هاي مورد استفاده و سادگي منطقي تجزيه و تحليل. به عبارت ديگر، پيچيدگي ودشواري پديده‌ها، به طور موقت به کناري گذاشته مي‌شود و نکته تازه اي از راز ورمزهاي طبيعت کشف مي‌شود.

فهرست چاپ شده در اين مجله به ترتيب عموميت آن رتبه‌بندي شده است. در رتبه‌ي نخست، آزمايشي قرار دارد که به وضوح ماهيت کوانتومي جهان فيزيکي را نشان مي‌دهد. اين موارد بارديگر به ترتيب دوره زماني مرتب شده‌اند که نتيجه آن هم اکنون پيش روي شماست. اين فهرست نگرش جالبي از تاريخ دو هزارساله‌ي اکتشاف را پيش روي ما مي‌گذارد:

1) اراتوستن: اندازه گيري محيط زمين

در ظهر انقلاب تابستاني در يکي از شهرهاي مصر ،که امروزه آسوان ناميده مي شود، خورشيدمستقيم مي‌تابد: اجسام هيچ سايه‌اي ندارند و نور خورشيد تا انتهاي يک چاه عميق نفوذ مي‌کند.

اراتوستن که کتابدار کتابخانه‌ي اسکندريه در قرن سوم پيش از ميلاد بود، هنگامي که اين مطلب را خواند، دريافت که اطلاعات لازم براي محاسبه‌ي محيط زمين را در اختيار دارد. وي همان روز و همان ساعتي که در بالا گفته شد، آزمايشي ترتيب داد و مشاهده کرد که پرتوهاي خورشيد در اسکندريه تا حدودي مايل بوده و حدود هفت درجه از خط عمود انحراف دارد.

حالا ديگر فقط محاسبه‌هاي هندسي باقي مانده بود. فرض کنيد زمين گرد است، در اين صورت محيط دايره آن 360 درجه است. با اين تفسير اگر دو شهر از يکديگر 7 درجه دور باشند، مي‌توان گفت به اندازه هفت سيصد و شصتم يا يک پنجاهم يک دايره کامل از هم فاصله دارند. با اندازه گيري فاصله دو شهر، مشخص شد که اين دو 5 هزار استاديوم (واحد طول برابر با حدود185 متر) از يکديگر دورند. اراتوستن نتيجه گرفت که محيط زمين 50 برابر اين فاصله يعني 250 هزار استا ديوم است. از آن‌جا که دانشمندان در مورد طول واقعي يک استاديوم يوناني اختلاف نظر دارند، غير ممکن است بتوانيم دقت اين اندازه گيري را تعيين کنيم. اما بر پايه‌ي برخي از محاسبه‌ها گفته مي‌شود خطاي اين اندازه گيري حدود 5 درصد است (رتبه‌ي7)

2) گاليله : آزمايش چيزهاي در حال سقوط

تا حدود سال هاي 1500 ميلادي، مردم فکر مي کردند چيزهاي سنگين سريع‌تر از اجسام سبک سقوط مي‌کنند. هر چه باشد، اين سخن ارسطو است. اين که يک دانشمند يونان باستان توانسته بود، همچنان سلطه خود را حفظ کند، بيانگر اين است که علم طي قرون وسطي چقدر تنزل کرده بود.

گاليلئو گاليله که استاد کرسي رياضيات در دانشگاه پيزا بود ، آن قدر جسارت داشت که دانش پذيرفته شده را با چالش روبه‌رو کند. اين داستان از جمله ماجراهاي معروف تاريخ علم است: گفته مي شود وي دو چيز با وزن‌هاي مختلف را از بالاي برج کج (پيزا در ايتاليا) شهر رها کرد و نشان داد که آن چيزها در يک زمان به زمين مي‌رسند. به چالش طلبيدن باورهاي ارسطو ممکن بود براي گاليله به قيمت از دست دادن شغلش تمام شود، اما وي با اين کار نشان داد که داور نهايي در موضوع‌هاي علمي، رويدادهاي طبيعي است نه اعتبارافراد. (رتبه‌ي 2)

3) گاليله:آزمايش سقوط توپ ها از سطح شيبدار

گاليله به بازپيرايي باورهاي خود در مورد چيزهاي در حال حرکت ادامه داد. وي يک تخته که حدود 6 متر طول و 25 سانتي متر عرض داشت را انتخاب کرد و شياري را در مرکز آن طوري حفر کرد که تا جايي که امکان دارد، صاف و مستقيم باشد. وي سطح را شيبدار کرد وتوپ‌هاي برنجي را درون اين شيارها غلتاند وزمان سقوط را با يک ساعت آبي اندازه‌گيري کرد. ساعت آبي يک مخزن بزرگ آب بود که آبش از لوله‌هاي نازک به يک ظرف منتقل مي شد. وي پس از هر بار آزمايش و رها کردن توپ ميزان آب تخليه شده را وزن مي‌کرد.

گاليله به وزن کردن مقدار آب تخليه شده، زمان را اندازه گرفت و آن را با مسافتي که گلوله طي کرده بود، مقايسه مي‌کرد. ارسطو پيش بيني کرده بود که سرعت گلوله هاي غلتان ثابت است: اگرمدت زمان حرکت را دو برابر کنيد، مسافت طي شده دو برابر مي شود. اما گاليله نشان داد که مسافت طي شده با مجذور زمان متناسب است: اگر مدت زمان حرکت را دو برابر کنيد، مسافت طي شده چهار برابر مي شود. علت آن نيز اين است که توپ در اثر جاذبه گرانشي مرتبا شتاب مي گيرد. (رتبه‌ي 8)

4) نيوتون : تجزيه‌ي نور خورشيد با منشور

اسحاق نيوتن در همان سالي که گاليله در گذشت، متولد شد. وي در سال 1665 ميلادي از ترينيتي کالج کمبريج فارغ التحصيل شد. سپس، دو سال خانه نشين شد تا بيماري طاعون را که همه‌گير شده بود، از سر بگذراند. وي از اين که خانه نشين بود، چندان ناراضي نبود؛ چرا که مشغول فعاليت هاي علمي بود.

در آن سال‌ها اين تفکر رايج بود که نور سفيد خالص‌ترين نوع نور است (باز هم باورهاي ارسطو) و بنابراين نورهاي رنگي، تغيير شکل يافته‌ي نورهاي سفيد هستند. نيوتن براي آزمايش اين نظريه، دسته‌اي از پرتو‌هاي خورشيد را به منشور تاباند و نشان داد که خورشيد به طيفي از رنگ‌ها تجزيه مي‌شود.

البته مردم ، رنگين کمان را در آسمان مشاهده مي‌کردند اما از تفسير صحيح آن ناتوان بودند. نيوتن توانست به درستي نتيجه‌گيري کند که رنگ‌هاي قرمز، نارنجي ،زرد ،سبز، آبي، نيلي، بنفش و رنگ هاي بين اين‌ها، تشکيل دهنده نور سفيد هستند. نور سفيد در نگاه اول بسيار ساده به نظر مي رسيد، اما پس از نگاه دقيق‌تر مشخص شد که نور سفيد تلفيقي زيبا از نور هاي گوناگون است. (رتبه‌ي 4)

5) کاونديش :آزمايش ترازوي پيچشي

يکي ديگر از فعاليت‌هاي نيوتن پيشنهاد نظريه‌ي گرانشي بود که بيان مي‌کرد قدرت نيروي گرانش بين دو جسم با مجذور جرم‌هايش افزايش و به نسبت مجذور فاصله‌ي بين آن دو کاهش مي‌يابد(F= G.m1.m2 / R2). اما اين پرسش باقي بود که قدرت اين نيروي گرانشي چقدر است؟

در پايان دهه‌ي اول قرن هجدهم، هنري کاونديش تصميم گرفت به اين پرسش پاسخ دهد. وي يک ميله‌ي چوبي را که حدود دو متر طول داشت، انتخاب کرد و سپس يک گلوله‌ي کوچک فلزي به هر طرف اين ميله‌ي چوبي وصل کرد تا شبيه يک دمبل شود. سپس آن را با سيمي آويزان کرد. پس از آن دو گلوله سربي را که حدود 160 کيلوگرم جرم داشتند، به توپ‌هاي کوچک دو سر ميله‌ي چوبي نزديک کرد تا نيروي گرانشي لازم براي جذب کردن آن‌ها ايجاد شود. گلوله‌ها حرکت کردند و در نتيجه سيم تاب برداشت.

کاونديش با وصل کردن يک قلم کوچک در دو طرف ميله توانست ميزان جابه‌جايي ناچيز گلوله‌ها را اندازه بگيرد. وي براي محافظت دستگاه، از جريان هوا، آن را ، که ترازوي پيچشي ناميده مي‌شود ، درون اتاقکي قرار داد و با يک تلسکوپ ميزان جابه‌جايي را خواند. وي با اين دستگاه توانست مقداري را که به ثابت گرانشي معروف است، با دقت بسيار زيادي اندازه‌گيري کند و با استفاده از ثابت گرانشي، چگالي و جرم زمين را به دست آورد. اراستوتن توانست محيط زمين را اندازه بگيرد اما کاونديش جرم زمين را به دست آورد: x6/10240 . (رتبه‌ي6)

6) يانگ: آزمايش تداخل نور

باورهاي نيوتن همواره درست نبود. پس از استدلال مختلف به اين نتيجه رسيد که نور تنها از ذره‌هايي تشکيل شده است و نه از موج.

در سال 1803 توماس يانگ پزشک و فيزيک‌دان انگليسي تصميم گرفت اين نظريه را بيازمايد. وي سوراخي را در پرده‌ي پنجره ايجاد کرد و آن را با يک مقوا که به وسيله سوزن شکاف کوچکي در آن ايجاد کرده بود، پوشاند. سپس، نوري را که از اين شکاف مي‌گذشت، با استفاده از يک آينه منحرف کرد. در مرحله‌ي بعد، ورقه‌ي نازکي از کاغذ انتخاب کرد که فقط يک سي‌ام اينچ (حدود يک ميلي‌متر) ضخامت داشت و آن را به طور دقيق در مسير عبور نور قرار داد تا پرتو نور را به دو قسمت تقسيم کند. نتيجه‌ي اين آزمايش طرحي از نوارهاي متناوب روشن و تاريک بود

اين پديده را فقط با فرض اين که پرتوهاي نور همانند موج رفتار مي‌کنند، مي‌توان تفسير کرد. نوارهاي روشن وقتي مشاهده مي‌شوند که دو قله موج با يک‌ديگر هم‌پوشاني و يکديگر را تقويت کنند، اما نوارهاي سياه وقتي ايجاد مي‌شوند که يک قله موج با موج مخالف آن ترکيب شود و يک‌ديگر را خنثي کنند.

اين آزمايش سال‌هاي بعد با استفاده از يک مقوا که در آن دو شکاف براي تقسيم نور به دو پرتو ايجاد شده بود، تکرار شد و به همين دليل به آزمايش شکاف دوگانه نيز مشهور است. اين آزمايش بعدها به معياري براي تعيين حرکت شبه موجي تبديل شد: حقيقتي که يک قرن بعد، هنگامي که نظريه‌ي کوانتوم آغاز شد اهميت بيش از اندازه‌اي يافت.(رتبه‌ي 5)

7) فوکو: چرخش کره زمين

فوکو در سال 1851 در پاريس آزمايش بسيار مشهوري را به انجام رساند که پس از گذشت ساليان متمادي، چند سال گذشته در قطب جنوب دوباره تکرارشد. اين دانشمندان آونگي را در قطب جنوب نصب کرد و به تماشاي حرکت اين آونگ پرداختند. جين برنارد فوکو دانشمند فرانسوي يک گلوله آهني 30 کيلوگرمي را به انتهاي يک مفتول متصل و از سقف کليسايي آويزان کرد و آن را به حرکت درآورد تا به سمت عقب وجلو حرکت کند. سپس براي آن که نحوه‌ي حرکت اين آونگ به خوبي مشخص شود، قلمي را به انتهاي گلوله‌اي که روي بستري از شن‌هاي نرم و مرطوب در حال نوسان بود، قرار داد.

تماشاچيان در کمال شگفتي مشاهده کردندکه آونگ به طرز غير قابل توجيهي در حال چرخش است يعني مسير حرکت رفت و برگشتي آن در هر تناوب با تناوب قبلي متفاوت است. اما واقعيت امر اين است که اين کف کليسا بود که به آرامي حرکت مي‌کرد و به اين ترتيب فوکو توانست با قانع‌کننده‌ترين روش ممکن نشان دهد که زمين حول محور خود در حال گردش است.

در عرض جغرافيايي پاريس، آونگ طي هر 30 ساعت يک چرخش کامل را در جهت عقربه‌هاي ساعت انجام مي‌دهد؛ در نيمکره جنوبي همين آونگ خلاف جهت عقربه‌هاي ساعت به حرکت درمي‌آيد و در نهايت روي خط استوا حرکت در اصل چرخشي نبود. همان طور که دانشمندان عصر جديد نشان دادند زمان تناوب حرکت چرخشي پاندول در قطب جنوب برابر 24 ساعت است. (رتبه‌ي 10)

8) ميليکان: آزمايش قطره‌ي روغن

از دوران باستان دانشمندان الکتريسيته را مورد بررسي قرار داده بودند؛ پديده پيچيده‌اي که هنگام رعد و برق از آسمان نازل مي‌شد، يا با کشيدن شانه به موها مي‌توانستند به راحتي آن را ايجاد کنند. در سال 1897 فيزيک‌دان انگليسي جي.جي.تامسون اثبات کرد که الکتريسيته از ذره‌هايي که داراي بار منفي هستند، يعني الکترون‌ها، به وجود مي‌آيد. ( آزمايشي که در واقع بايستي يکي از موردهاي اين فهرست باشد) و کار اندازه‌گيري بار اين ذره‌ها در سال 1909 به رابرت ميليکان، دانشمند آمريکايي، محول شد.

وي با استفاده از يک عطرپاش، قطره‌هاي ريز روغن را به درون اتاق کوچک شفافي اسپري کرد. در بالا و پايين اين اتاق کوچک صفحه‌‍‌هاي فلزي قرار داشتند که به باتري متصل بودند و در نتيجه يکي از صفحه‌ها مثبت و صفحه ديگر منفي بود. از آن‌جا که اين قطره‌ها هنگام عبور در هوا داراي مقدار جزيي بار الکتريکي مي‌شد، مي‌توان سرعت سقوط اين قطره‌ها را با تغيير ولتاژ صفحه‌هاي فلزي تنظيم کرد.

هنگامي که نيروي الکتريکي به طور دقيق با نيروي گرانشي برابر شود، قطره‌هاي روغن همانند ستارگان درخشان در پس زمينه تاريک به نظر مي رسند و در هوا معلق مي‌مانند. ميليکان اين قطره‌ها را يکي پس از ديگري مورد ملاحظه قرار داد، ولتاژ صفحه را تغيير داد و به مشاهده‌ي تأثير آن پرداخت. وي پس از انجام آزمايش‌هاي متعدد به اين نتيجه رسيد که بار الکتريکي يک مقدار مشخص و ثابت دارد. کوچک‌ترين بار اين قطره‌ها چيزي نيست به جز بار يک الکترون منفرد.( رتبه 3)

9) رادرفورد: کشف هسته

در سال 1911 که ارنست رادرفورد در دانشگاه منچستر سرگرم آزمايش در مورد راديواکتيويته بود، گمان مي‌رفت که اتم‌ها از گلوله‌هاي نرم و باردار مثبتي تشکيل شده‌اند که توسط ذره‌هايي با بار منفي احاطه مي‌شوند؛ مدل کيک کشمشي. اما هنگامي که وي و دستيارانش ذره‌هاي باردار مثبت کوچکي را که ذره‌ي آلفا ناميده مي‌شدند، به صفحه نازکي از طلا تاباندند، در شگفتي تمام مشاهده کردند که درصد اندکي از اين پرتوها به سمت عقب برگشتند. به عبارت ديگر اين ذره‌ها پس از برخورد با اتم‌ها کمانه کرده‌اند.

رادرفورد نتيجه گرفت اتم‌هاي واقعي چندان هم نرم نيستند. قسمت اصلي جرم اين اتم‌ها بايد در مرکز اتم‌ها، که امروزه هسته اتم مي‌ناميم، قرارداشته باشد و الکترون‌ها اين هسته‌ها را احاطه کرده‌اند. با وجود تغييرهايي که نظريه‌ي کوانتوم در آن ايجاد کرد، اين تصوير از اتم‌ها هنوز هم به قوت خود باقي است. (رتبه‌ي 9)

10) کلاوس جانسون: تداخل يک الکترون منفرده گفته‌هاي نيوتن و نه يانگ هيچ کدام در مورد ماهيت نور به طور کامل صحيح نبود. هر چند که به سادگي نمي‌توان گفت نور از ذره تشکيل شده است. خاصيت‌هاي آن را فقط با استفاده از ماهيت موجي نيز نمي‌توان به طور کامل تشريح کرد.

طي 5 سال اول قرن بيستم ماکس پلانک و آلبرت اينشتين نشان دادند که نور در بسته‌هايي که فوتون نام دارد، جذب و نشر مي‌شود. اما آزمايش‌هايي براي تعيين ماهيت دقيق نور هم‌چنان ادامه داشت. بعدها تئوري کوانتوم متولد شد و طي چند دهه توسعه يافت و توانست دو نظريه‌ي پيشين را با يک‌ديگر آشتي داده و نشان دهد که هر دو مي‌توانند صحيح باشند: فوتون‌ها و ساير ذره‌هاي زيراتمي (همانند الکترون‌ها، پروتون‌هاو ...) دو چهره از خود بروز مي‌دهند که مکمل يکديگرند؛ بنابراين به گفته‌ي يک فيزيک‌دان در دسته Wavices قرار مي‌گيرند.

فيزيک‌دانان براي شرح دادن اين مطلب اغلب از يک آزمايش نظري شناخته شده استفاده مي‌کنند . آن‌ها ابزارهاي آزمايش شکاف دوگانه يانگ را به کار مي‌برند، اما به جاي آن که نور معمولي به کار ببرند از پرتو الکترون استفاده مي‌کنند. براساس قانون‌هاي مکانيک کوانتوم، جريان ذره‌ها به دو پرتو تفکيک مي‌شوند، پرتوهاي کوچک‌تر با يکديگر تداخل مي‌کنند و همان الگوي آشناي نوارهاي متناوب تاريک و روشن را که توسط نور ايجاد شده بود، از خود نشان مي‌دهند. يعني ذره‌ها همانند موج عمل مي‌کنند.

براساس مقاله‌اي که در فيزيکس‌ورلد منتشر شد و توسط پيتر راجرز سردبير مجله نگاشته شده است تا سال 1961 هيچ کس اين آزمايش را در عمل به انجام نرساند تا اين که کلاوس جانسون در اين سال موفق به انجام اين آزمايش شد . در آن هنگام هيچ‌کس از نتايج به دست آمده چندان شگفت‌زده نشد و نتيجه‌هاي به دست آمده همانند بسياري از موردهاي ديگر بدون آن که نامي از کسي در ميان باشد به دنياي علم وارد شد. (رتبه‌ي 1)