زیبـاتـرین آزمـایش های تـاریـخ

[Omid7]

اگر چه دانشمندان تاکنون توانسته‌اند اجزای تشکیل‌دهنده ذره‌های زیر اتمی را در شتاب‌دهنده‌ها از یک‌دیگر جدا کنند، توالی ژنوم انسان را کشف و فعالیت ستارگان دور دست را تجزیه و تحلیل کنند، اما هنوز هم آزمایش‌هایی توجه دانشمندان را به خود جلب می‌کند که میلیون‌ها دلار هزینه را در برداشته و جریان بزرگی از اطلاعات ایجاد می‌کند؛ آزمایش‌هایی که پردازش آن‌ها توسط ابررایانه‌ها ماه‌ها به طول می‌انجامد. بسیاری از این گروه‌های پژوهشی توسعه پیدا کرده‌اند و برای انجام فعالیت با هم مشارکت می‌کنند.

اما باید اذعان کرد که مفاهیم علمی به ذهن‌های منحصر به فردی که خود را درگیر کشف رازو رمزهای جهان کرده‌اند، راه می‌یابد. هنگامی که رابرت پی.کریس، از گروه فلسفه دانشگاه ایالتی نیویورک واقع در استونی بروک ومورخ آزمایشگاه ملی بروکهان از فیزیکدانان خواست که زیباترین آزمایش‌های کل تاریخ را نام ببرند، مشخص شد که ده نفر نخست بیش‌تر به طور انفرادی کار کرده‌اند و دستیاری نداشتند.

اغلب آزمایش‌هایی که درشماره‌ی September ۲۰۰۲‌ مجله‌ی دنیای فیزیک (Physics World) فهرست شده‌اند را می‌توان روی یک میزکار معمولی انجام داد و به ابزارهای محاسبه‌ای پیشرفته‌تر ازخط‌کش و ماشین حساب نیاز ندارند. چیزی که در همه‌ی این آزمایش‌ها مشترک است، همان چیزی است که دانشمندان از آن به عنوان "زیبایی" نام می‌برند؛ یعنی، سادگی منطقی دستگاه‌های مورد استفاده و سادگی منطقی تجزیه و تحلیل. به عبارت دیگر، پیچیدگی ودشواری پدیده‌ها، به طور موقت به کناری گذاشته می‌شود و نکته تازه ای از راز ورمزهای طبیعت کشف می‌شود.

فهرست چاپ شده در این مجله به ترتیب عمومیت آن رتبه‌بندی شده است. در رتبه‌ی نخست، آزمایشی قرار دارد که به وضوح ماهیت کوانتومی جهان فیزیکی را نشان می‌دهد. این موارد باردیگر به ترتیب دوره زمانی مرتب شده‌اند که نتیجه آن هم اکنون پیش روی شماست. این فهرست نگرش جالبی از تاریخ دو هزارساله‌ی اکتشاف را پیش روی ما می‌گذارد:


اراتوستن: اندازه گیری محیط زمین
در ظهر انقلاب تابستانی در یکی از شهرهای مصر ،که امروزه آسوان نامیده می شود، خورشیدمستقیم می‌تابد: اجسام هیچ سایه‌ای ندارند و نور خورشید تا انتهای یک چاه عمیق نفوذ می‌کند.

اراتوستن که کتابدار کتابخانه‌ی اسکندریه در قرن سوم پیش از میلاد بود، هنگامی که این مطلب را خواند، دریافت که اطلاعات لازم برای محاسبه‌ی محیط زمین را در اختیار دارد. وی همان روز و همان ساعتی که در بالا گفته شد، آزمایشی ترتیب داد و مشاهده کرد که پرتوهای خورشید در اسکندریه تا حدودی مایل بوده و حدود هفت درجه از خط عمود انحراف دارد.

حالا دیگر فقط محاسبه‌های هندسی باقی مانده بود. فرض کنید زمین گرد است، در این صورت محیط دایره آن ۳۶۰ درجه است. با این تفسیر اگر دو شهر از یکدیگر ۷ درجه دور باشند، می‌توان گفت به اندازه هفت سیصد و شصتم یا یک پنجاهم یک دایره کامل از هم فاصله دارند. با اندازه گیری فاصله دو شهر، مشخص شد که این دو ۵ هزار استادیوم (واحد طول برابر با حدود۱۸۵ متر) از یکدیگر دورند. اراتوستن نتیجه گرفت که محیط زمین ۵۰ برابر این فاصله یعنی ۲۵۰ هزار استا دیوم است. از آن‌جا که دانشمندان در مورد طول واقعی یک استادیوم یونانی اختلاف نظر دارند، غیر ممکن است بتوانیم دقت این اندازه گیری را تعیین کنیم. اما بر پایه‌ی برخی از محاسبه‌ها گفته می‌شود خطای این اندازه گیری حدود ۵ درصد است (رتبه‌ی۷)



گالیله : آزمایش چیزهای در حال سقوط
تا حدود سال های ۱۵۰۰ میلادی، مردم فکر می کردند چیزهای سنگین سریع‌تر از اجسام سبک سقوط می‌کنند. هر چه باشد، این سخن ارسطو است. این که یک دانشمند یونان باستان توانسته بود، همچنان سلطه خود را حفظ کند، بیانگر این است که علم طی قرون وسطی چقدر تنزل کرده بود.

گالیلئو گالیله که استاد کرسی ریاضیات در دانشگاه پیزا بود ، آن قدر جسارت داشت که دانش پذیرفته شده را با چالش روبه‌رو کند. این داستان از جمله ماجراهای معروف تاریخ علم است: گفته می شود وی دو چیز با وزن‌های مختلف را از بالای برج کج (پیزا در ایتالیا) شهر رها کرد و نشان داد که آن چیزها در یک زمان به زمین می‌رسند. به چالش طلبیدن باورهای ارسطو ممکن بود برای گالیله به قیمت از دست دادن شغلش تمام شود، اما وی با این کار نشان داد که داور نهایی در موضوع‌های علمی، رویدادهای طبیعی است نه اعتبارافراد. (رتبه‌ی ۲)



گالیله:آزمایش سقوط توپ ها از سطح شیبدار
گالیله به بازپیرایی باورهای خود در مورد چیزهای در حال حرکت ادامه داد. وی یک تخته که حدود ۶ متر طول و ۲۵ سانتی متر عرض داشت را انتخاب کرد و شیاری را در مرکز آن طوری حفر کرد که تا جایی که امکان دارد، صاف و مستقیم باشد. وی سطح را شیبدار کرد وتوپ‌های برنجی را درون این شیارها غلتاند وزمان سقوط را با یک ساعت آبی اندازه‌گیری کرد. ساعت آبی یک مخزن بزرگ آب بود که آبش از لوله‌های نازک به یک ظرف منتقل می شد. وی پس از هر بار آزمایش ورها کردن توپ میزان آب تخلیه شده را وزن می‌کرد.

گالیله به وزن کردن مقدار آب تخلیه شده، زمان را اندازه گرفت و آن را با مسافتی که گلوله طی کرده بود، مقایسه می‌کرد. ارسطو پیش بینی کرده بود که سرعت گلوله های غلتان ثابت است: اگرمدت زمان حرکت را دو برابر کنید، مسافت طی شده دو برابر می شود. اما گالیله نشان داد که مسافت طی شده با مجذور زمان متناسب است: اگر مدت زمان حرکت را دو برابر کنید، مسافت طی شده چهار برابر می شود. علت آن نیز این است که توپ در اثر جاذبه گرانشی مرتبا شتاب می گیرد. (رتبه‌ی ۸)


نیوتون : تجزیه‌ی نور خورشید با منشور
اسحاق نیوتن در همان سالی که گالیله در گذشت، متولد شد. وی در سال ۱۶۶۵ میلادی از ترینیتی کالج کمبریج فارغ التحصیل شد. سپس، دو سال خانه نشین شد تا بیماری طاعون را که همه‌گیر شده بود، از سر بگذراند. وی از این که خانه نشین بود، چندان ناراضی نبود؛ چرا که مشغول فعالیت های علمی بود.

در آن سال‌ها این تفکر رایج بود که نور سفید خالص‌ترین نوع نور است (باز هم باورهای ارسطو) و بنابراین نورهای رنگی، تغییر شکل یافته‌ی نورهای سفید هستند. نیوتن برای آزمایش این نظریه، دسته‌ای از پرتو‌های خورشید را به منشور تاباند و نشان داد که خورشید به طیفی از رنگ‌ها تجزیه می‌شود.

البته مردم ، رنگین کمان را در آسمان مشاهده می‌کردند اما از تفسیر صحیح آن ناتوان بودند. نیوتن توانست به درستی نتیجه‌گیری کند که رنگ‌های قرمز، نارنجی ،زرد ،سبز، آبی، نیلی، بنفش و رنگ های بین این‌ها، تشکیل دهنده نور سفید هستند. نور سفید در نگاه اول بسیار ساده به نظر می رسید، اما پس از نگاه دقیق‌تر مشخص شد که نور سفید تلفیقی زیبا از نور های گوناگون است. (رتبه‌ی ۴)


کاوندیش :آزمایش ترازوی پیچشی
یکی دیگر از فعالیت‌های نیوتن پیشنهاد نظریه‌ی گرانشی بود که بیان می‌کرد قدرت نیروی گرانش بین دو جسم با مجذور جرم‌هایش افزایش و به نسبت مجذور فاصله‌ی بین آن دو کاهش می‌یابد(F= G.m۱.m۲ / R۲). اما این پرسش باقی بود که قدرت این نیروی گرانشی چقدر است؟

در پایان دهه‌ی اول قرن هجدهم، هنری کاوندیش تصمیم گرفت به این پرسش پاسخ دهد. وی یک میله‌ی چوبی را که حدود دو متر طول داشت، انتخاب کرد و سپس یک گلوله‌ی کوچک فلزی به هر طرف این میله‌ی چوبی وصل کرد تا شبیه یک دمبل شود. سپس آن را با سیمی آویزان کرد. پس از آن دو گلوله سربی را که حدود ۱۶۰ کیلوگرم جرم داشتند، به توپ‌های کوچک دو سر میله‌ی چوبی نزدیک کرد تا نیروی گرانشی لازم برای جذب کردن آن‌ها ایجاد شود. گلوله‌ها حرکت کردند و در نتیجه سیم تاب برداشت.

کاوندیش با وصل کردن یک قلم کوچک در دو طرف میله توانست میزان جابه‌جایی ناچیز گلوله‌ها را اندازه بگیرد. وی برای محافظت دستگاه، از جریان هوا، آن را ، که ترازوی پیچشی نامیده می‌شود ، درون اتاقکی قرار داد و با یک تلسکوپ میزان جابه‌جایی را خواند. وی با این دستگاه توانست مقداری را که به ثابت گرانشی معروف است، با دقت بسیار زیادی اندازه‌گیری کند و با استفاده از ثابت گرانشی، چگالی و جرم زمین را به دست آورد. اراستوتن توانست محیط زمین را اندازه بگیرد اما کاوندیش جرم زمین را به دست آورد: x۶/۱۰۲۴۰ . (رتبه‌ی۶)


یانگ: آزمایش تداخل نور
باورهای نیوتن همواره درست نبود. پس از استدلال مختلف به این نتیجه رسید که نور تنها از ذره‌هایی تشکیل شده است و نه از موج.

در سال ۱۸۰۳ توماس یانگ پزشک و فیزیک‌دان انگلیسی تصمیم گرفت این نظریه را بیازماید. وی سوراخی را در پرده‌ی پنجره ایجاد کرد و آن را با یک مقوا که به وسیله سوزن شکاف کوچکی در آن ایجاد کرده بود، پوشاند. سپس، نوری را که از این شکاف می‌گذشت، با استفاده از یک آینه منحرف کرد. در مرحله‌ی بعد، ورقه‌ی نازکی از کاغذ انتخاب کرد که فقط یک سی‌ام اینچ (حدود یک میلی‌متر) ضخامت داشت و آن را به طور دقیق در مسیر عبور نور قرار داد تا پرتو نور را به دو قسمت تقسیم کند. نتیجه‌ی این آزمایش طرحی از نوارهای متناوب روشن و تاریک بود

این پدیده را فقط با فرض این که پرتوهای نور همانند موج رفتار می‌کنند، می‌توان تفسیر کرد. نوارهای روشن وقتی مشاهده می‌شوند که دو قله موج با یک‌دیگر هم‌پوشانی و یکدیگر را تقویت کنند، اما نوارهای سیاه وقتی ایجاد می‌شوند که یک قله موج با موج مخالف آن ترکیب شود و یک‌دیگر را خنثی کنند.

این آزمایش سال‌های بعد با استفاده از یک مقوا که در آن دو شکاف برای تقسیم نور به دو پرتو ایجاد شده بود، تکرار شد و به همین دلیل به آزمایش شکاف دوگانه نیز مشهور است. این آزمایش بعدها به معیاری برای تعیین حرکت شبه موجی تبدیل شد: حقیقتی که یک قرن بعد، هنگامی که نظریه‌ی کوانتوم آغاز شد اهمیت بیش از اندازه‌ای یافت.(رتبه‌ی ۵)


فوکو: چرخش کره زمین
فوکو در سال ۱۸۵۱ در پاریس آزمایش بسیار مشهوری را به انجام رساند که پس از گذشت سالیان متمادی، چند سال گذشته در قطب جنوب دوباره تکرارشد. این دانشمندان آونگی را در قطب جنوب نصب کرد و به تماشای حرکت این آونگ پرداختند. جین برنارد فوکو دانشمند فرانسوی یک گلوله آهنی ۳۰ کیلوگرمی را به انتهای یک مفتول متصل و از سقف کلیسایی آویزان کرد و آن را به حرکت درآورد تا به سمت عقب وجلو حرکت کند. سپس برای آن که نحوه‌ی حرکت این آونگ به خوبی مشخص شود، قلمی را به انتهای گلوله‌ای که روی بستری از شن‌های نرم و مرطوب در حال نوسان بود، قرار داد.

تماشاچیان در کمال شگفتی مشاهده کردندکه آونگ به طرز غیر قابل توجیهی در حال چرخش است یعنی مسیر حرکت رفت و برگشتی آن در هر تناوب با تناوب قبلی متفاوت است. اما واقعیت امر این است که این کف کلیسا بود که به آرامی حرکت می‌کرد و به این ترتیب فوکو توانست با قانع‌کننده‌ترین روش ممکن نشان دهد که زمین حول محور خود در حال گردش است.

در عرض جغرافیایی پاریس، آونگ طی هر ۳۰ ساعت یک چرخش کامل را در جهت عقربه‌های ساعت انجام می‌دهد؛ در نیمکره جنوبی همین آونگ خلاف جهت عقربه‌های ساعت به حرکت درمی‌آید و در نهایت روی خط استوا حرکت در اصل چرخشی نبود. همان طور که دانشمندان عصر جدید نشان دادند زمان تناوب حرکت چرخشی پاندول در قطب جنوب برابر ۲۴ ساعت است. (رتبه‌ی ۱۰)


میلیکان: آزمایش قطره‌ی روغن
از دوران باستان دانشمندان الکتریسیته را مورد بررسی قرار داده بودند؛ پدیده پیچیده‌ای که هنگام رعد و برق از آسمان نازل می‌شد، یا با کشیدن شانه به موها می‌توانستند به راحتی آن را ایجاد کنند. در سال ۱۸۹۷ فیزیک‌دان انگلیسی جی.جی.تامسون اثبات کرد که الکتریسیته از ذره‌هایی که دارای بار منفی هستند، یعنی الکترون‌ها، به وجود می‌آید. ( آزمایشی که در واقع بایستی یکی از موردهای این فهرست باشد) و کار اندازه‌گیری بار این ذره‌ها در سال ۱۹۰۹ به رابرت میلیکان، دانشمند آمریکایی، محول شد.

وی با استفاده از یک عطرپاش، قطره‌های ریز روغن را به درون اتاق کوچک شفافی اسپری کرد. در بالا و پایین این اتاق کوچک صفحه‌‍‌های فلزی قرار داشتند که به باتری متصل بودند و در نتیجه یکی از صفحه‌ها مثبت و صفحه دیگر منفی بود. از آن‌جا که این قطره‌ها هنگام عبور در هوا دارای مقدار جزیی بار الکتریکی می‌شد، می‌توان سرعت سقوط این قطره‌ها را با تغییر ولتاژ صفحه‌های فلزی تنظیم کرد.

هنگامی که نیروی الکتریکی به طور دقیق با نیروی گرانشی برابر شود، قطره‌های روغن همانند ستارگان درخشان در پس زمینه تاریک به نظر می رسند و در هوا معلق می‌مانند. میلیکان این قطره‌ها را یکی پس از دیگری مورد ملاحظه قرار داد، ولتاژ صفحه را تغییر داد و به مشاهده‌ی تأثیر آن پرداخت. وی پس از انجام آزمایش‌های متعدد به این نتیجه رسید که بار الکتریکی یک مقدار مشخص و ثابت دارد. کوچک‌ترین بار این قطره‌ها چیزی نیست به جز بار یک الکترون منفرد.( رتبه ۳)



رادرفورد: کشف هسته
در سال ۱۹۱۱ که ارنست رادرفورد در دانشگاه منچستر سرگرم آزمایش در مورد رادیواکتیویته بود، گمان می‌رفت که اتم‌ها از گلوله‌های نرم و باردار مثبتی تشکیل شده‌اند که توسط ذره‌هایی با بار منفی احاطه می‌شوند؛ مدل کیک کشمشی. اما هنگامی که وی و دستیارانش ذره‌های باردار مثبت کوچکی را که ذره‌ی آلفا نامیده می‌شدند، به صفحه نازکی از طلا تاباندند، در شگفتی تمام مشاهده کردند که درصد اندکی از این پرتوها به سمت عقب برگشتند. به عبارت دیگر این ذره‌ها پس از برخورد با اتم‌ها کمانه کرده‌اند.

رادرفورد نتیجه گرفت اتم‌های واقعی چندان هم نرم نیستند. قسمت اصلی جرم این اتم‌ها باید در مرکز اتم‌ها، که امروزه هسته اتم می‌نامیم، قرارداشته باشد و الکترون‌ها این هسته‌ها را احاطه کرده‌اند. با وجود تغییرهایی که نظریه‌ی کوانتوم در آن ایجاد کرد، این تصویر از اتم‌ها هنوز هم به قوت خود باقی است. (رتبه‌ی ۹)


کلاوس جانسون: تداخل یک الکترون منفرد
نه گفته‌های نیوتن و نه یانگ هیچ کدام در مورد ماهیت نور به طور کامل صحیح نبود. هر چند که به سادگی نمی‌توان گفت نور از ذره تشکیل شده است. خاصیت‌های آن را فقط با استفاده از ماهیت موجی نیز نمی‌توان به طور کامل تشریح کرد.

طی ۵ سال اول قرن بیستم ماکس پلانک و آلبرت اینشتین نشان دادند که نور در بسته‌هایی که فوتون نام دارد، جذب و نشر می‌شود. اما آزمایش‌هایی برای تعیین ماهیت دقیق نور هم‌چنان ادامه داشت. بعدها تئوری کوانتوم متولد شد و طی چند دهه توسعه یافت و توانست دو نظریه‌ی پیشین را با یک‌دیگر آشتی داده و نشان دهد که هر دو می‌توانند صحیح باشند: فوتون‌ها و سایر ذره‌های زیراتمی (همانند الکترون‌ها، پروتون‌هاو ...) دو چهره از خود بروز می‌دهند که مکمل یکدیگرند؛ بنابراین به گفته‌ی یک فیزیک‌دان در دسته Wavices قرار می‌گیرند.

فیزیک‌دانان برای شرح دادن این مطلب اغلب از یک آزمایش نظری شناخته شده استفاده می‌کنند . آن‌ها ابزارهای آزمایش شکاف دوگانه یانگ را به کار می‌برند، اما به جای آن که نور معمولی به کار ببرند از پرتو الکترون استفاده می‌کنند. براساس قانون‌های مکانیک کوانتوم، جریان ذره‌ها به دو پرتو تفکیک می‌شوند، پرتوهای کوچک‌تر با یکدیگر تداخل می‌کنند و همان الگوی آشنای نوارهای متناوب تاریک و روشن را که توسط نور ایجاد شده بود، از خود نشان می‌دهند. یعنی ذره‌ها همانند موج عمل می‌کنند.

براساس مقاله‌ای که در فیزیکس‌ورلد منتشر شد و توسط پیتر راجرز سردبیر مجله نگاشته شده است تا سال ۱۹۶۱ هیچ کس این آزمایش را در عمل به انجام نرساند تا این که کلاوس جانسون در این سال موفق به انجام این آزمایش شد . در آن هنگام هیچ‌کس از نتایج به دست آمده چندان شگفت‌زده نشد و نتیجه‌های به دست آمده همانند بسیاری از موردهای دیگر بدون آن که نامی از کسی در میان باشد به دنیای علم وارد شد. (رتبه‌ی ۱)