|

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.

برای اطلاع از آخرین اخبار و تحلیل‌ها به کانال شرق در «بله» و «روبیکا» بپیوندید.