آزمایش‎هایی که تاریخ‎ساز شدند

شرق/ امروز شايد خيلي از پرسش‎هاي مهم و رايج ده‎ها و صدها سال قبل براي‎مان به بديهيات تبديل شده باشد. پرسش‎هايي که براي رسيدن به پاسخ‎هاي‎شان مسيري عجيب و گاه طولاني را طي کرده‎اند، گاهي با آزمون و خطا و سال‎ها تحقيق توسط دانشمندان مختلف به نتيجه‎اي مشخص رسيدند و گاهي هم با جرقه‎اي ذهني و ناگهاني راه خود را پيدا کرده‎اند. مسير بسياري از آزمايش‎هاي علمي شايد حتي از نتيجه اصلي هم شگفت‎انگيزتر باشد؛ مسيري که در آن نه يک نفر که مردمي به وسعت يک تاريخ نقش داشته و به پيشبردش کمک کرده‌اند. در اين بين آزمايش‏‎هاي علم فيزيک از بابت ابعادشان هميشه جالب توجه هستند، آزمايش‎هايي که هم گستره دنياي زيراتمي را شامل مي‌شود و هم گستره وسيعي مثل آسمان بالاي سرمان را، بعضي‎هاي‎شان در محيط آزمايشگاه با کلي دقت و وسواس و شرايط خاص انجام مي‎شوند و برخي هم در اتاق کوچکي درون خانه دانشمندان به وقوع مي‎پيوندند. آزمايش‎هايي که دنياي فيزيک را به جايي که امروز هست، رسانده‎اند و بدون آنکه بدانيم در گوشه‌گوشه زندگي ما نقشي غيرمستقيم داشته‎اند از درک حرکت چرخشي زمين به دور خودش براي ساخت و طراحي فناوري‎هاي فضايي گرفته تا شناخت دقيق نور و طيف الکترومغناطيسي که کم‎کم در حوزه پزشکي و تشخيص بيماري‎ها راه خودش را باز کرد. در اين پرونده با هم مروري خواهيم داشت بر تعدادي از مهم‌ترين آزمايش‎هاي تاريخ علم فيزيک و روندي که براي کشف پديده‎ها و يافتن پاسخ پرسش‎هاي مهم تا امروز طي شده است.

رفتار عجيب نور در عبور از شکاف‏ها

---

بازار

---

«نيوتن» در رساله‎اي که درباره نور نوشته بود آن را مجموعه‌اي از ذرات توصيف مي‎کرد که از يک منبع نور نشر مي‎شوند. در سال 1803 «توماس يانگ» تصميم گرفت آزمايشي دراين‌باره ترتيب دهد. او سوراخي را در پرده‏اي ايجاد کرد و آن را با يک مقوا پوشاند. سپس روي مقوا را با سوزن کوچکي شکاف داد. در ادامه نوري را که از اين شکاف عبور مي‎کرد با استفاده از يک آينه منحرف کرد. «يانگ» ورقه نازکي را که فقط يک ميلي‌متر ضخامت داشت، به‌طور دقيق در مسير عبور نور قرار داد تا پرتو نور را به دو قسمت تقسيم کند. آنچه مشاهده مي‎شد غيرقابل پيش‎بيني بود: نوارهاي متناوب روشن و تاريک بر پرده نقش بستند؛ نتيجه‎اي که صرفا با موجي‌بودن نور قابل توجيه بود. نوارهاي روشن وقتي ايجاد مي‌شوند که دو قله موج با يکديگر همپوشاني داشته و يکديگر را تقويت کنند و نوارهاي تاريک ماحصل ترکيب يک قله موج با موج مخالف آن است که درنهايت باعث خنثي‌شدن يکديگر مي‏شوند. 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 دو شکاف يانگ نيز مشهور است. حدود يک قرن بعد از آزمايش «يانگ»، ايده‌هاي «ماکس پلانک» و آزمايش مهم «اينشتين» نشان داد که نور هم خاصيت موجي دارد و هم خاصيت ذره‎اي. اين آزمايش‎ها شبيه تکه‎هاي پازل نتايج کار دانشمندان قديمي‎‏تر را کامل مي‎کردند تا اينکه سرانجام همه نتايج در کارهاي نهايي به فيزيک کوانتوم رسيد و انقلابي در فيزيک بر پا کرد.

پرده‌برداري از مقدار بار الکترون‎ها

وقتي موهايتان را شانه مي‎زنيد حتما تجربه‎اش کرده‎ايد، الکتريسيته ساکن! چيزي که امروز برايمان اين‌قدر واضح و بديهي است روزي پرسشي بزرگ در دنياي علم بود. در دوران قديم حتي رعد و برق هم براي مردم و اهالي دانش، پديده‎ شگفت‎انگيزي بود که پاسخ دقيق و درستي برايش وجود نداشت. سال 1879 سال مهمي در تاريخ علم به حساب مي‎آيد چراکه پاسخ اين پرسش‎ها تا حدودي روشن شد. فيزيک‌داني به اسم «جوزف تامسون» اثبات کرد که الکتريسيته از ذراتي داراي بار منفي ايجاد مي‎شود و پس از آن دانشمندان زيادي وقت‎شان را صرف شناخت و بررسي رفتار اين ذرات باردار يا همان الکترون‎ها کردند. يکي از آزمايش‎هايي که در اين حوزه انجام شد آزمايش جالب قطره روغن بود که به اندازه‎گيري بار اکترون‎ها منجر شد. «رابرت ميليکان» فيزيک‌دان آمريکايي بود که حوالي سال 1909 اين آزمايش مهم و جذاب را انجام داد و برخلاف تصور خيلي‎ها که فکر مي‎کنند براي محاسبه بار الکتريکي الکترون‎ها احتمالا از ابزارهاي خاص و پيچيده‎اي استفاده شده، «ميليکان» اين کار را با روشي کاملا ساده و البته مملو از خلاقيت انجام داد. او به کمک يک عطرپاش، قطره‎هاي ريز روغن را به درون يک اتاق اسپري کرد. در بالا و پايين اين اتاق کوچک صفحه‎هاي فلزي قرار داد که به باتري متصل بودند و در نتيجه يکي از صفحه‎ها داراي بار مثبت و صفحه ديگر منفي بود. وقتي قطره‎هاي روغن در حال عبور از هواي بين اين دو صفحه بودند داراي بار الکتريکي مي‎شدند و اين امکان فراهم مي‎شد تا «ميليکان» با تغييردادن ولتاژ صفحه‎هاي فلزي، سرعت سقوط قطره‎ها را پيدا کند. طبق قوانين فيزيک زماني که نيروهاي وارد بر يک جسم با هم برابر باشند آن جسم در حال تعادل قرار مي‎گيرد. به قطره روغن در شرايط آزمايش دو نيرو وارد مي‌شود، يکي نيروي گرانش که به سمت پايين است و ديگري نيروي الکتريکي که آن را به سمت صفحه فلزي مي‎کشاند. زماني‎که نيروي الکتريکي به‌طور دقيق با نيروي گرانشي برابر شود، قطره‎هاي روغن در هوا کاملا معلق باقي مي‌مانند. «ميليکان» ولتاژ را تغيير داد و شرايط قطره‎ها را بررسي کرد و بعد از چندبار آزمايش به اين نتيجه رسيد که بار الکتريکي يک مقدار مشخص و ثابت دارد و اتفاق اعجاب‎انگيز اين بود که کوچک‎ترين بار اين قطره‎ها همان مقدار بار الکتريکي الکترون‎هاست.

ردپاي چرخش زمين در حرکت يک آونگ
شايد نام پاندول فوکو به گوشتان خورده باشد، آزمايشي متفاوت که نتايج عجيب و تأمل‌برانگيزي در پي داشت. سال 1851 پاريس ميزبان اتفاق مهمي در تاريخ علم شد، آزمايشي تأثيرگذار که در اوايل قرن 21 در قطب جنوب دوباره تکرار شد. «جين برنارد فوکو»، دانشمند فرانسوي، ابزارهايش را به يک کليساي بزرگ برد تا در آنجا آزمايشش را انجام دهد. او يک گلوله آهني 30کيلوگرمي را با يک مفتول از سقف کليسا آويزان کرد و به اين ترتيب يک آونگ ساخت. سپس يک قلم را به انتهاي گلوله وصل کرد و زير محل نوسان را ظرفي بزرگ از شن و ماسه قرار داد تا با هر حرکت رفت و برگشتي گلوله ردي از آن روي ماسه‎ها به جا بماند، اما چرخش آونگ و نوع حرکتش براي حضار شوک‎آور بود. همه حيران و متعجب به مسيرهاي حرکت آونگ چشم دوخته بودند، مسيري که در هر تناوب با مسير قبلي تفاوت داشت. چيزي شبيه يک شعبده‎بازي در حال وقوع بود. بعد از مدتي تحقيق و بررسي «فوکو» نشان داد که اين کف کليساست که به‌دليل حرکت زمين به دور محور خودش در حال جابه‎جايي است. نتايج تکميل‏کننده اين آزمايش نشان مي‌داد که در عرض جغرافيايي پاريس، آونگ در هر 30 ساعت يک چرخش کامل را در جهت عقربه‎هاي ساعت انجام مي‎داد؛ در نيم‌کره جنوبي همين آونگ خلاف جهت عقربه‎هاي ساعت حرکت مي‎کرد و در نهايت روي خط استوا حرکت در اصل چرخشي نبود. بعدها اين آزمايش در قطب جنوب هم انجام شد و زمان تناوب چرخشي آونگ برابر 24 ساعت به دست آمد.

يافتن دقيق مقدار ثابت گرانش
«نيوتن» در توضيح گرانش نشان داده بود که قدرت جاذبه بين دو جسم با حاصل‌ضرب دو جرم نسبت مستقيم و با مجذور فاصله آنها نسبت معکوس دارد، اما اين سؤال پيش آمد که قدرت جاذبه گرانشي چقدر است؟ در سال 1798 «هنري کاونديش»، دانشمند انگليسي، يک ترازوي پيچشي بسيار حساس ساخت که بعدها در آزمايشي جالب از آن استفاده شد. اين وسيله متشکل از يک ميله افقي به طول دو متر با دو گلوله کوچک سربي در دو انتها بود (شبيه يک دمبل) و از وسط توسط سيم پيچشي آويزان بود. دو گلوله سربي را که حدود 160 کيلوگرم جرم داشتند، به توپ‎هاي کوچک دو سر ميله چوبي نزديک کرد تا نيروي گرانشي لازم براي جذب‌کردن آنها ايجاد شود. گلوله‎ها حرکت کردند و در نتيجه سيم، تاب برداشت. در واقع نيروي جاذبه بين گلوله‎ها سيم را در يک جهت مي‎پيچاند و اين نيرو با نيروي پيچشي سيم به تعادل مي‏رسيد. در آزمايش ديگر، نيروي لازم براي پيچش سيم، با اندازه‌گيري نوسان آزاد ميله حول محور سيم، به‌ دست مي‌آمد. «کاونديش» براي اينکه بتواند مقدار جاذبه گرانشي زمين را حساب کند، اين آزمايش را طراحي کرد و با اتصال يک قلم کوچک در دو طرف ميله، توانست ميزان جابه‌جايي ناچيز گلوله‌ها را اندازه بگيرد. او ترازوي پيچشي‏اش را درون محفظه‎اي قرار داد تا از جريان هوا دور بماند و در نهايت توانست با کمک اين آزمايش، مقدار جاذبه را با دقت بسيار زيادي به دست بياورد. سپس با داشتن اين مقدار چگالي و جرم زمين را هم محاسبه کرد.

کشف هسته اتم

دانشگاه منچستر در سال 1911 ميزبان دانشمندي اثرگذار بود. فيزيک‌داني به نام «ارنست رادرفورد» مدت‎ها در حال آزمايش روي مواد راديواکتيو بود. تا آن زمان تصور بر اين بود که اتم شبيه يک کيک کشمشي (مدل اتمي تامسون) است؛ به اين شکل که بارهاي مثبت همان مواد کيک هستند و بارهاي منفي هم مثل کشمش‎ها در کل کيک پراکنده شده‎اند. «رادفورد» آزمايشي طراحي کرد تا نظريه استاد خود يعني «جوزف تامسون» را بررسي کند. او و دستيارانش ذرات باردار مثبتي را به سمت ورقه‏اي از جنس طلا تاباندند و در کمال شگفتي مشاهده کردند که بيشتر ذرات باردار از ورقه طلا عبور مي‏کنند. البته تعداد زيادي از ذرات باردار با زاويه کمي از مسير اوليه منحرف شدند و «رادرفورد» نتيجه گرفت که يک ميدان الکتريکي قوي در اتم برقرار است و در نهايت، تعداد بسيار اندکي از ذره‌هاي آلفا با زاويه بيش از 90 درجه از مسير اوليه انحراف پيدا کردند که از ديدگاه «رادرفورد» مي‎توانست به اين معنا باشد که اتم طلا هسته بسيار کوچک و سنگيني دارد و به اين ترتيب مدل اتم هسته‏دار خود را ارائه داد. اين نتيجه باعث شد مدل اتمي تامسون که اتم را مجموعه‌اي از بار مثبت و چندين بار منفي پراکنده مي‎دانست، مردود اعلام شود و مدل جديدي از اتم شناخته شود؛ مدلي که طبق آزمايش فضاي خالي قابل توجهي داشت. با وجود تغييرهايي که نظريه کوانتوم در آن ايجاد کرد، اين تصوير از اتم‏ها هنوز هم به قوت خود باقي است.

نورهاي رنگي از دل نور سفيد بيرون مي‌آيند
سالي که «گاليله»، فيزيک‌دان شهير ايتاليايي درگذشت، پسري با جثه بسيار کوچک در انگليس به دنيا آمد. او «ايزاک نيوتن» بود. زماني که «نيوتن» از کالج کمبريج فارغ‌التحصيل شد، بيماري طاعون دنيا را پر کرده بود و او مجبور بود در قرنطينه خانگي بماند و کتاب بخواند و به آزمايش بپردازد. در همين اثنا بود که «نيوتن» به اين فکر افتاد که نور سفيد چه ويژگي‏هايي دارد؟ آنچه از صحبت‎هاي «ارسطو» به جا مانده بود نشان مي‎داد که نورهاي رنگي تغييرشکل‌يافته نور سفيد هستند. «ايزاک» به فکر آزمايش اين ماجرا افتاد. او نور سفيد خورشيد را به يک وجه منشور شيشه‎اي با قاعده مثلثي تاباند و ديد پرتوهاي خارج‌شده از سمت ديگر منشور به هفت رنگ تقسيم شدند. مردم سال‎ها رنگين‎کمان را در آسمان ديده بودند، اما هيچ‌وقت تفسير درستي از نور سفيد و ارتباطش با هفت رنگ‌ رنگين‌کمان نداشتند. «نيوتن» از آنچه ديد يک نتيجه‎گيري علمي و دقيق ارائه داد و گفت رنگ‎هاي قرمز، نارنجي و... تا رنگ بنفش، تشکيل‌دهنده نور سفيد هستند. او علت واقعي تجزيه‌شدن نور را تفاوت در ضريب شکست نورهاي رنگي مختلف اعلام کرد و از آنجا فصل تازه‎اي درباره بررسي نور و خواصش آغاز شد.

ماجراي کتابداري که اهل محاسبه بود
«اراتوستن» کتابداري در کتابخانه اسکندريه بود که زمان‎هاي زيادي از روز را مشغول خواندن کتاب‎هاي مختلف مي‎شد. او در يکي از کتاب‎ها با چنين محتوايي روبه‎رو شد: «در يک ظهر داغ تابستاني در منطقه‎اي از کشور مصر که امروزه اسوان ناميده مي‎شود خورشيد مستقيم مي‎تابد طوري که اجسام هيچ سايه‎اي ندارند و نور خورشيد تا انتهاي يک چاه عميق نفوذ مي‎کند». «اراتوستن» به فکر افتاد که با نکته‎اي که درباره سايه اشيا متوجه شده احتمالا مي‎تواند اطلاعات جالبي درباره ابعاد زمين به دست بياورد. مدتي بعد فهميد تمام اطلاعات مورد نياز براي محاسبه محيط زمين را در اختيار دارد. او با کاشتن يک چوب ساده در زمين در هنگام ظهر مشاهده کرد که پرتوهاي خورشيد در اسکندريه تا حدودي مايل بوده و حدود هفت درجه از خط عمود انحراف دارد. «اراتوستن» هندسه مي‎دانست و به خاطر داشت که محيط دايره 360 درجه است. اگر زمين را گرد در نظر مي‎گرفت و با توجه به آزمايشي که انجام داده بود اختلاف فاز شهر خودش يعني اسکندريه و اسوان را هم هفت درجه در نظر مي‎گرفت مي‎توانست بگويد که اين دو شهر به اندازه هفت سيصدوشصتم يا يک‌پنجاهم دايره‏اي کامل از هم فاصله دارند. پس محيط زمين مي‎بايست 50 برابر فاصله اسکندريه تا اسوان باشد. به اين شکل محيط زمين به دست آمد و پس از آن «اراتوستن» قطر زمين را محاسبه کرد که فقط ۱۵۰ کيلومتر با ميزان فعلي تفاوت دارد. در ادامه او موفق شد محيط زمين را هم به دست بياورد.

پَر زودتر به زمين مي‎رسد يا سنگ؟

«گاليلئو گاليله» دانشمند ايتاليايي سال‎هاي زيادي از زندگي‎اش را وقف تحقيق درباره ويژگي‎هاي نور، حرکت اجسام و گرانش کرد، اما در اين ميان يکي از آزمايش‎هايش مدت‎ها محل بحث و مجادله محققان و مردم بود. «گاليله» يک سؤال طرح و سعي کرد با آزمايشي ساده پاسخش را پيدا کند؛ اجسام سنگين‎تر سريع‎تر سقوط مي‌کنند يا اجسام سبک‎تر؟ اين سؤال را «ارسطو» سال‎ها قبل از «گاليله» اين‌طور پاسخ داده بود که هرچه اجسام سنگين‎تر باشند سريع‌تر سقوط مي‎کنند چون وزن در پايين‌افتادن‎شان تأثير دارد. در قرن شانزدهم در ايتاليا يعني درست زماني که «گاليله» آزمايش خودش را انجام داد هنوز مردم به عقايد «ارسطو» و نظرياتي که در زمان يونان باستان رايج بود، باور داشتند. «گاليله» براي کشف واقعيت به برج پيزا رفت و چند توپ با وزن‎هاي مختلف را همراه خودش برد، وقتي توپ‎ها را از برچ پايين انداخت مشاهده کرد که هر دو هم‎زمان به سطح زمين رسيدند و اين چيزي بود خلاف ادعاي «ارسطو» و باور مردم. او اين آزمايش را با اجسام مختلف مانند گلوله، توپ و تفنگ و مواد متفاوتي همچون، طلا، نقره و چوب تکرار کرد و همواره به يک نتيجه جالب رسيد: همه اجرام چه سبک و چه سنگين، از هر جنسي که باشند، با هم به زمين مي‎رسند. بنابراين «گاليله» توانست يک قانون مهم را کشف کند: شتاب گرانش بر هر جسمي با هر جرم، چگالي و از هر ماده‎اي که باشد، يکسان خواهد بود. به گفته او يک پر آهسته‎تر از سنگ به زمين برخورد مي‎کند چون مقاومت هوا با سقوط آن باعث کندشدن پر مي‌شود. چندين سال بعد در آزمايشگاه‎ها محفظه خلأ ساخته شد و آزمايش سقوط اجسام با وزن‎هاي متفاوت در آن انجام و مشخص شد که اختلاف زمان سقوط اشيائي مثل پر به دليل مقاومت هوا بوده است. جالب اينجاست که وقتي دانشمندان مأموريت آپولو-15 به ماه رفتند آزمايش پر و سنگ را انجام دادند و نتيجه مطابق همان چيزي بود که انتظار مي‎رفت؛ يعني هر دو شيء با هم و کاملا هم‌زمان به سطح ماه سقوط ‎کردند. علت آن هم طبعا نبود جو و هوا در قمر زمين بود، چراکه نيرويي براي کندکردن حرکت پر وجود نداشت.
 

 مريم ملي

به پيج اينستاگرامي «آخرين خبر» بپيونديد
instagram.com/akharinkhabar