آزمايشهايي که تاريخساز شدند
مريم ملي
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
«نيوتن» در رسالهاي که درباره نور نوشته بود آن را مجموعهای 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.
ردپای چرخش زمین در حرکت یک آونگ
شاید نام پاندول فوکو به گوشتان خورده باشد، آزمایشی متفاوت که نتایج عجیب و تأملبرانگیزی در پی داشت. سال 1851 پاریس میزبان اتفاق مهمی در تاریخ علم شد، آزمایشی تأثیرگذار که در اوایل قرن 21 در قطب جنوب دوباره تکرار شد. «جین برنارد فوکو»، دانشمند فرانسوی، ابزارهایش را به یک کلیسای بزرگ برد تا در آنجا آزمایشش را انجام دهد. او یک گلوله آهنی 30کیلوگرمی را با یک مفتول از سقف کلیسا آویزان کرد و به این ترتیب یک آونگ ساخت. سپس یک قلم را به انتهای گلوله وصل کرد و زیر محل نوسان را ظرفی بزرگ از شن و ماسه قرار داد تا با هر حرکت رفت و برگشتی گلوله ردی از آن روی ماسهها به جا بماند، اما چرخش آونگ و نوع حرکتش برای حضار شوکآور بود. همه حیران و متعجب به مسیرهای حرکت آونگ چشم دوخته بودند، مسیری که در هر تناوب با مسیر قبلی تفاوت داشت. چیزی شبیه یک شعبدهبازی در حال وقوع بود. بعد از مدتی تحقیق و بررسی «فوکو» نشان داد که این کف کلیساست که بهدلیل حرکت زمین به دور محور خودش در حال جابهجایی است. نتایج تکمیلکننده این آزمایش نشان میداد که در عرض جغرافیایی پاریس، آونگ در هر 30 ساعت یک چرخش کامل را در جهت عقربههای ساعت انجام
میداد؛ در نیمکره جنوبی همین آونگ خلاف جهت عقربههای ساعت حرکت میکرد و در نهایت روی خط استوا حرکت در اصل چرخشی نبود. بعدها این آزمایش در قطب جنوب هم انجام شد و زمان تناوب چرخشی آونگ برابر 24 ساعت به دست آمد.
یافتن دقیق مقدار ثابت گرانش
«نیوتن» در توضیح گرانش نشان داده بود که قدرت جاذبه بین دو جسم با حاصلضرب دو جرم نسبت مستقیم و با مجذور فاصله آنها نسبت معکوس دارد، اما این سؤال پیش آمد که قدرت جاذبه گرانشی چقدر است؟ در سال 1798 «هنری کاوندیش»، دانشمند انگلیسی، یک ترازوی پیچشی بسیار حساس ساخت که بعدها در آزمایشی جالب از آن استفاده شد. این وسیله متشکل از یک میله افقی به طول دو متر با دو گلوله کوچک سربی در دو انتها بود (شبیه یک دمبل) و از وسط توسط سیم پیچشی آویزان بود. دو گلوله سربی را که حدود 160 کیلوگرم جرم داشتند، به توپهای کوچک دو سر میله چوبی نزدیک کرد تا نیروی گرانشی لازم برای جذبکردن آنها ایجاد شود. گلولهها حرکت کردند و در نتیجه سیم، تاب برداشت. در واقع نیروی جاذبه بین گلولهها سیم را در یک جهت میپیچاند و این نیرو با نیروی پیچشی سیم به تعادل میرسید. در آزمایش دیگر، نیروی لازم برای پیچش سیم، با اندازهگیری نوسان آزاد میله حول محور سیم، به دست میآمد. «کاوندیش» برای اینکه بتواند مقدار جاذبه گرانشی زمین را حساب کند، این آزمایش را طراحی کرد و با اتصال یک قلم کوچک در دو طرف میله، توانست میزان جابهجایی ناچیز گلولهها را اندازه
بگیرد. او ترازوی پیچشیاش را درون محفظهای قرار داد تا از جریان هوا دور بماند و در نهایت توانست با کمک این آزمایش، مقدار جاذبه را با دقت بسیار زیادی به دست بیاورد. سپس با داشتن این مقدار چگالی و جرم زمین را هم محاسبه کرد.
کشف هسته اتم
دانشگاه منچستر در سال 1911 میزبان دانشمندی اثرگذار بود. فیزیکدانی به نام «ارنست رادرفورد» مدتها در حال آزمایش روی مواد رادیواکتیو بود. تا آن زمان تصور بر این بود که اتم شبیه یک کیک کشمشی (مدل اتمی تامسون) است؛ به این شکل که بارهای مثبت همان مواد کیک هستند و بارهای منفی هم مثل کشمشها در کل کیک پراکنده شدهاند. «رادفورد» آزمایشی طراحی کرد تا نظریه استاد خود یعنی «جوزف تامسون» را بررسی کند. او و دستیارانش ذرات باردار مثبتی را به سمت ورقهای از جنس طلا تاباندند و در کمال شگفتی مشاهده کردند که بیشتر ذرات باردار از ورقه طلا عبور میکنند. البته تعداد زیادی از ذرات باردار با زاویه کمی از مسیر اولیه منحرف شدند و «رادرفورد» نتیجه گرفت که یک میدان الکتریکی قوی در اتم برقرار است و در نهایت، تعداد بسیار اندکی از ذرههای آلفا با زاویه بیش از 90 درجه از مسیر اولیه انحراف پیدا کردند که از دیدگاه «رادرفورد» میتوانست به این معنا باشد که اتم طلا هسته بسیار کوچک و سنگینی دارد و به این ترتیب مدل اتم هستهدار خود را ارائه داد. این نتیجه باعث شد مدل اتمی تامسون که اتم را مجموعهای از بار مثبت و چندین بار منفی پراکنده
میدانست، مردود اعلام شود و مدل جدیدی از اتم شناخته شود؛ مدلی که طبق آزمایش فضای خالی قابل توجهی داشت. با وجود تغییرهایی که نظریه کوانتوم در آن ایجاد کرد، این تصویر از اتمها هنوز هم به قوت خود باقی است.
نورهای رنگی از دل نور سفید بیرون میآیند
سالی که «گالیله»، فیزیکدان شهیر ایتالیایی درگذشت، پسری با جثه بسیار کوچک در انگلیس به دنیا آمد. او «ایزاک نیوتن» بود. زمانی که «نیوتن» از کالج کمبریج فارغالتحصیل شد، بیماری طاعون دنیا را پر کرده بود و او مجبور بود در قرنطینه خانگی بماند و کتاب بخواند و به آزمایش بپردازد. در همین اثنا بود که «نیوتن» به این فکر افتاد که نور سفید چه ویژگیهایی دارد؟ آنچه از صحبتهای «ارسطو» به جا مانده بود نشان میداد که نورهای رنگی تغییرشکلیافته نور سفید هستند. «ایزاک» به فکر آزمایش این ماجرا افتاد. او نور سفید خورشید را به یك وجه منشور شیشهای با قاعده مثلثی تاباند و دید پرتوهای خارجشده از سمت دیگر منشور به هفت رنگ تقسیم شدند. مردم سالها رنگینکمان را در آسمان دیده بودند، اما هیچوقت تفسیر درستی از نور سفید و ارتباطش با هفت رنگ رنگینکمان نداشتند. «نیوتن» از آنچه دید یک نتیجهگیری علمی و دقیق ارائه داد و گفت رنگهای قرمز، نارنجی و... تا رنگ بنفش، تشکیلدهنده نور سفید هستند. او علت واقعی تجزیهشدن نور را تفاوت در ضریب شکست نورهای رنگی مختلف اعلام کرد و از آنجا فصل تازهای درباره بررسی نور و خواصش آغاز شد.
ماجرای کتابداری که اهل محاسبه بود
«اراتوستن» کتابداری در کتابخانه اسکندریه بود که زمانهای زیادی از روز را مشغول خواندن کتابهای مختلف میشد. او در یکی از کتابها با چنین محتوایی روبهرو شد: «در یک ظهر داغ تابستانی در منطقهای از کشور مصر که امروزه اسوان نامیده میشود خورشید مستقیم میتابد طوری که اجسام هیچ سایهای ندارند و نور خورشید تا انتهای یک چاه عمیق نفوذ میکند». «اراتوستن» به فکر افتاد که با نکتهای که درباره سایه اشیا متوجه شده احتمالا میتواند اطلاعات جالبی درباره ابعاد زمین به دست بیاورد. مدتی بعد فهمید تمام اطلاعات مورد نیاز برای محاسبه محیط زمین را در اختیار دارد. او با کاشتن یک چوب ساده در زمین در هنگام ظهر مشاهده کرد که پرتوهای خورشید در اسکندریه تا حدودی مایل بوده و حدود هفت درجه از خط عمود انحراف دارد. «اراتوستن» هندسه میدانست و به خاطر داشت که محیط دایره 360 درجه است. اگر زمین را گرد در نظر میگرفت و با توجه به آزمایشی که انجام داده بود اختلاف فاز شهر خودش یعنی اسکندریه و اسوان را هم هفت درجه در نظر میگرفت میتوانست بگوید که این دو شهر به اندازه هفت سیصدوشصتم یا یکپنجاهم دایرهای کامل از هم فاصله دارند. پس محیط زمین
میبایست 50 برابر فاصله اسکندریه تا اسوان باشد. به این شکل محیط زمین به دست آمد و پس از آن «اراتوستن» قطر زمین را محاسبه کرد که فقط ۱۵۰ کیلومتر با میزان فعلی تفاوت دارد. در ادامه او موفق شد محیط زمین را هم به دست بیاورد.
پَر زودتر به زمین میرسد یا سنگ؟
«گالیلئو گالیله» دانشمند ایتالیایی سالهای زیادی از زندگیاش را وقف تحقیق درباره ویژگیهای نور، حرکت اجسام و گرانش کرد، اما در این میان یکی از آزمایشهایش مدتها محل بحث و مجادله محققان و مردم بود. «گالیله» یک سؤال طرح و سعی کرد با آزمایشی ساده پاسخش را پیدا کند؛ اجسام سنگینتر سریعتر سقوط میکنند یا اجسام سبکتر؟ این سؤال را «ارسطو» سالها قبل از «گالیله» اینطور پاسخ داده بود که هرچه اجسام سنگینتر باشند سریعتر سقوط میکنند چون وزن در پایینافتادنشان تأثیر دارد. در قرن شانزدهم در ایتالیا یعنی درست زمانی که «گالیله» آزمایش خودش را انجام داد هنوز مردم به عقاید «ارسطو» و نظریاتی که در زمان یونان باستان رایج بود، باور داشتند. «گالیله» برای کشف واقعیت به برج پیزا رفت و چند توپ با وزنهای مختلف را همراه خودش برد، وقتی توپها را از برچ پایین انداخت مشاهده کرد که هر دو همزمان به سطح زمین رسیدند و این چیزی بود خلاف ادعای «ارسطو» و باور مردم. او این آزمایش را با اجسام مختلف مانند گلوله، توپ و تفنگ و مواد متفاوتی همچون، طلا، نقره و چوب تکرار کرد و همواره به یک نتیجه جالب رسید: همه اجرام چه سبک و چه سنگین، از
هر جنسی که باشند، با هم به زمین میرسند. بنابراین «گالیله» توانست یک قانون مهم را کشف کند: شتاب گرانش بر هر جسمی با هر جرم، چگالی و از هر مادهای که باشد، یکسان خواهد بود. به گفته او یک پر آهستهتر از سنگ به زمین برخورد میکند چون مقاومت هوا با سقوط آن باعث کندشدن پر میشود. چندین سال بعد در آزمایشگاهها محفظه خلأ ساخته شد و آزمایش سقوط اجسام با وزنهای متفاوت در آن انجام و مشخص شد که اختلاف زمان سقوط اشیائی مثل پر به دلیل مقاومت هوا بوده است. جالب اینجاست که وقتی دانشمندان مأموریت آپولو-15 به ماه رفتند آزمایش پر و سنگ را انجام دادند و نتیجه مطابق همان چیزی بود که انتظار میرفت؛ یعنی هر دو شیء با هم و کاملا همزمان به سطح ماه سقوط کردند. علت آن هم طبعا نبود جو و هوا در قمر زمین بود، چراکه نیرویی برای کندکردن حرکت پر وجود نداشت.