زیباترین آزمایش‌های تاریخ علم

◄ هنگامی که رابرت پی. کریس، عضو گروه فلسفه‌ی دانشگاه ایالتی نیویورک و مورخ آزمایشگاه ملی بروکهان از جمعی از فیزیکدانان خواست تا زیباترین آزمایش‌های کل تاریخ علم را نام ببرند، مشخص شد که ده گزینه‌ی نخست، بیشتر به طور انفرادی کار کرده‌اند و دستیاری نداشته‌اند.

اغلب آزمایش‌هایی که در شماره‌ی سپتامبر 2002 مجله «دنیای فیزیک» (Physics World) فهرست شده‌اند را می‌توان روی یک میز کار معمولی انجام داد و به ابزارهای محاسبه‌ای پیشرفته‌تر از خط‌کش 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 و دشواری پدیده‌ها، به طور موقت به کناری گذاشته می‌شود و نکته تازه‌ای از راز و رمزهای طبیعت کشف می‌شود. فهرست چاپ شده در این مجله به ترتیب امتیازدهی رتبه بندی شده است:

اراتوستن: اندازه گیری محیط زمین

در ظهر انقلاب تابستانی در یکی از شهرهای مصر ،که امروزه آسوان نامیده می‌شود، خورشید مستقیم می‌تابد: اجسام هیچ سایه ای ندارند و نور خورشید تا انتهای یک چاه عمیق نفوذ می‌کند. اراتوستن که کتابدار کتابخانه اسکندریه در قرن سوم پیش از میلاد بود، هنگامی که این مطلب را خواند، دریافت که اطلاعات لازم برای محاسبه 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 محاسبه های هندسی باقی مانده بود.
فرض کنید زمین گرد است، در این صورت محیط دایره آن 360 درجه است. با این تفسیر اگر دو شهر از یکدیگر 7 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 5 هزار استادیوم (واحد طول حدود 185 متر) از یکدیگر دورند. اراتوستن نتیجه گرفت که محیط زمین 50 برابر این فاصله یعنی 250 هزار استادیوم است. از آن جا که دانشمندان در مورد طول واقعی یک استادیوم یونانی اختلاف نظر دارند، غیر ممکن است بتوانیم دقت این اندازه‌گیری را تعیین کنیم. اما بر پایه‌ی برخی از محاسبه‌ها گفته می‌شود خطای این اندازه گیری حدود 5 درصد بوده است!

گالیله : آزمایش چیزهای در حال سقوط

تا حدود سال های 1500 میلادی، مردم فکر می‌کردند چیزهای سنگین سریع تر 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 روبه رو 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 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 موضوع های علمی، رویدادهای طبیعی است نه اعتبار افراد.

گالیله:آزمایش سقوط توپ‌ها از سطح شیبدار

گالیله به بازپیرایی باورهای خود در مورد چیزهای در حال حرکت ادامه داد...
وی یک تخته که حدود 6 متر طول و 25 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 و توپ‌های برنجی را درون این شیارها غلتاند و زمان سقوط را با یک ساعت آبی اندازه‌گیری کرد. ساعت آبی یک مخزن بزرگ آب بود که آبش از لوله های نازک به یک ظرف منتقل می‌شد.
وی پس از هر بار آزمایش و رها کردن توپ میزان آب تخلیه شده را وزن می‌کرد.گالیله با 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 گلوله‌های غلتان ثابت است: اگر مدت زمان حرکت را دو برابر کنید، مسافت طی شده دو برابر می‌شود. 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 می‌گیرد.

نیوتون : تجزیه نور خورشید با منشور

اسحاق نیوتن در همان سالی که گالیله در گذشت، متولد شد.
وی در سال 1665 میلادی از ترینیتی کالج کمبریج فارغ التحصیل شد. سپس، دو سال خانه نشین شد تا بیماری طاعون را که همه گیر شده بود، از سر بگذراند. وی از این که خانه نشین بود، چندان ناراضی نبود؛ چرا که مشغول فعالیت‌های علمی بود.در آن سال ها این تفکر رایج بود که نور سفید خالص‌ترین نوع نور است (باز هم باورهای ارسطویی) و بنابراین نورهای رنگی، تغییرشکل‌یافته 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 رنگ‌های بین این‌ها، تشکیل‌دهنده نور سفید هستند. نور سفید در نگاه اول بسیار ساده به نظر می‌رسید، اما پس از نگاه دقیق‌تر مشخص شد که نور سفید تلفیقی زیبا از نور های گوناگون است.

کاوندیش : محاسبه جرم زمین

یکی دیگر از فعالیت‌های نیوتن پیشنهاد نظریه گرانشی بود که بیان می‌کرد قدرت نیروی گرانش بین دو جسم به نسبت جرم هایشان افزایش و به نسبت مجذور فاصله بین آن دو کاهش می‌یابد 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 میله چوبی را که حدود دو متر طول داشت، انتخاب کرد و سپس یک گلوله کوچک فلزی به هر طرف این میله چوبی وصل کرد تا شبیه یک دمبل شود. سپس آن را با سیمی آویزان کرد. پس از آن دو گلوله سربی را که حدود 160 کیلوگرم جرم داشتند، به توپ های کوچک دو سر میله چوبی نزدیک کرد تا نیروی گرانشی لازم برای جذب کردن آن ها ایجاد شود.
گلوله ها حرکت کردند و در نتیجه سیم تاب برداشت.کاوندیش با وصل کردن یک قلم کوچک در دو طرف میله توانست میزان جابه جایی ناچیز گلوله ها را اندازه بگیرد. وی برای محافظت دستگاه، از جریان هوا، آن را، که ترازوی پیچشی نامیده می شود ، 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 اندازه گیری 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.

یانگ: آزمایش تداخل نور

باورهای نیوتن همواره درست نبود. پس از استدلال مختلف به این نتیجه رسید که نور از ذره‌هایی تشکیل شده است و نه از موج.
در سال 1803 توماس یانگ پزشک و فیزیک دان انگلیسی تصمیم گرفت این نظریه را بیازماید. وی سوراخی را در پرده‌ 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 می گذشت، با استفاده از یک آینه منحرف کرد. در مرحله‌ی بعد، ورقه 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.
نتیجه این آزمایش طرحی از نوارهای متناوب روشن و تاریک بود!
این پدیده را فقط با فرض این که پرتوهای نور همانند موج رفتار می کنند، می‌توان تفسیر کرد.
نوارهای روشن وقتی مشاهده می‌شوند که دو قله موج با یک دیگر هم پوشانی و یکدیگر را تقویت کنند، اما نوارهای سیاه وقتی ایجاد می‌شوند که یک قله موج با موج مخالف آن ترکیب شود و یک دیگر را خنثی کنند. این آزمایش سال های 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 دو شکاف نیز مشهور است.
این آزمایش بعدها به معیاری برای تعیین حرکت شبه موجی تبدیل شد؛ حقیقتی که یک قرن بعد، هنگامی که نظریه کوانتوم آغاز شد اهمیت بیش از اندازه ای یافت.

فوکو: چرخش کره زمین

فوکو در سال 1851 در پاریس آزمایش بسیار مشهوری را به انجام رساند که پس از گذشت سالیان متمادی، اخیراً در قطب جنوب دوباره تکرار شد.
این دانشمندان آونگی را در قطب جنوب نصب کرد و به تماشای حرکت این آونگ پرداختند. جین برنارد فوکو دانشمند فرانسوی یک گلوله آهنی 30 کیلوگرمی را به انتهای یک مفتول متصل و از سقف کلیسایی آویزان کرد و آن را به حرکت درآورد تا به سمت عقب و جلو حرکت کند. سپس برای آن که نحوه حرکت این آونگ به خوبی مشخص شود، قلمی را به انتهای گلوله ای که روی بستری از شن های نرم و مرطوب در حال نوسان بود، قرار داد.
تماشاچیان در کمال شگفتی مشاهده کردند که 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 می کرد 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 30 ساعت یک چرخش کامل را در جهت عقربه های ساعت انجام می‌دهد؛ در نیمکره جنوبی همین آونگ خلاف جهت عقربه های 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 24 ساعت است.

میلیکان: آزمایش قطره روغن

از دوران باستان دانشمندان الکتریسیته را مورد بررسی قرار داده بودند؛ پدیده پیچیده ای که هنگام رعد و برق از آسمان نازل می شد، یا با کشیدن شانه به موها می‌توانستند به راحتی آن را ایجاد کنند. در سال 1897 فیزیک دان انگلیسی جی.جی.تامسون اثبات کرد که الکتریسیته از ذره‌هایی که دارای بار منفی هستند، یعنی الکترون‌ها، به وجود می آید. (آزمایشی که در واقع بایستی یکی از موردهای این فهرست باشد) و کار اندازه‌گیری بار این ذره‌ها در سال 1909 به رابرت میلیکان، دانشمند آمریکایی، محول شد.
وی با استفاده از یک عطرپاش، قطره های 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 آن جا که این قطره‌ها هنگام عبور در هوا دارای مقدار جزیی بار الکتریکی می‌شوند، می‌توان سرعت سقوط آن‌ها 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 می‌رسند 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.

رادرفورد: کشف هسته اتم

در سال 1911 که ارنست رادرفورد در دانشگاه منچستر سرگرم آزمایش در مورد رادیواکتیویته بود، گمان می‌رفت که اتم‌ها از گلوله های نرم و باردار مثبتی تشکیل شده‌اند که توسط ذره‌هایی با بار منفی احاطه می‌شوند یعنی مدل کیک کشمشی.
اما هنگامی که وی و دستیارانش ذره های باردار مثبت کوچکی را که ذره‌ی آلفا نامیده می شدند، 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 اتم های واقعی چندان هم نرم نیستند. قسمت اصلی جرم این اتم‌ها باید در مرکزشان، که امروزه هسته اتم می نامیم، قرار داشته 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.

کلاوس جانسون: تداخل یک الکترون منفرد

نه گفته های نیوتن و نه یانگ هیچ کدام در مورد ماهیت نور به طور کامل صحیح نبود!
هر چند به سادگی نمی‌توان گفت که نور از ذره تشکیل شده است، خاصیت های آن را فقط با استفاده از ماهیت موجی نیز نمی توان به طور کامل تشریح کرد.
طی 5 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 هم چنان ادامه داشت.
بعدها تئوری کوانتوم متولد شد و طی چند دهه توسعه یافت و توانست دو نظریه‌ی پیشین را با یک دیگر آشتی داده و نشان دهد که هر دو می‌توانند صحیح باشند: فوتون‌ها و سایر ذره های زیراتمی (همانند الکترون‌ها، پروتون‌ها و ...) دو چهره از خود بروز می‌دهند که مکمل یکدیگرند؛ بنابراین به گفته یک فیزیکدان در دسته‌ی موج‌-‌ذرات (Wavicle) قرار می‌گیرند.
فیزیک دانان برای شرح دادن این مطلب اغلب از یک آزمایش نظری شناخته شده استفاده می‌کنند. آن ها ابزارهای آزمایش شکاف دوگانه یانگ را به کار می‌برند، اما به جای آن که نور معمولی به کار ببرند از پرتو الکترون استفاده می‌کنند. بر اساس قانون های 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.
بر اساس مقاله‌ای از پیتر راجرز سردبیر مجله «دنیای فیزیک» تا سال 1961 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 هیچ کس از نتایج به‌دست‌آمده چندان شگفت‌زده نشد و نتایج همانند بسیاری از موردهای دیگر بدون آن که نامی از کسی در میان باشد به دنیای علم وارد شد.