ده آزمايش مهم فيزيک

اگر چه دانشمندان تا کنون توانسته اند اجزاء تشکيل دهنده ي ذرات ريز اتمي را در شتاب دهنده ها از يک ديگر جدا کنند. توالي ژنوم انسان را کشف و فعاليت ستارگان دور دست را تجزيه و تحليل کنند اما بايد اذعان کرد که مفاهيم علمي به ذهن هاي منحصر به فردي که خود را درگير کشف راز و رمزهاي جهان کرده اند، راه مي يابد.
"رابرت پي، کريس" عضو گروه فلسفه دانشگاه نيويورک در استوني بروک، که مورخ نگار آزمايشگاه ملي بروک هاون هم هست، از فيزيکدانان خواست، ده آزمايش برتر جهان فيزيک را نام ببرند. بر خلاف انتظار عصر ما که آزمايشهاي پيچيده توسط تيمهاي برجسته دانشگاه ها و مراکز تحقيقات مرکز توجه هستند؛ ده آزمايش برتري که به عنوان زيباترين آزمايشهاي فيزيک در طول تاريخ انتخاب شد، توسط ده فيزيکدان بسيار سرشناسي انجام شده بود که دستياران چنداني هم نداشتند!
از همه جالب تر اينکه اين آزمايش هايي که در فهرست زيباترين آزمايشهاي فيزيک جاي گرفتند، نيازي به کامپيوترهاي فوق پيشرفته نيز نداشتند، اغلب اين آزمايش ها را مي توان روي يک ميز کار معمولي انجام داد و به وسايل محاسبه اي پيشرفته تر از خط کش و ماشين حساب نياز ندارند. چيزي که در همه ي اين آزمايش ها مشترک است، بيانگر همان مفهومي است که دانشمندان از آن به عنوان زيبايي نام مي برند. نمودهاي اين زيبايي کلاسيک را مي توان اين گونه شرح داد: سادگي منطقي دستگاه هاي مورد استفاده و سادگي منطقي تجزيه و تحليل اطلاعات. به عبارت ديگر، پيچيدگي و دشواري پديده ها، به طور موقت به کناري گذاشته مي شوند و نکته تازه اي از راز و رمزهاي طبيعت کشف مي شود.
اين ليست از آزمايش ها در مجله Physics World به چاپ رسيده است. در اينجا به جاي آن که به اين آزمايش ها به ترتيب رتبه بپردازيم. به ترتيب تقدم و تأخر زماني انجام اين آزمايش هاي محبوب در فيزيک خواهيم پرداخت.

1-اندازه گيري محيط زمين توسط اراتوستن (رتبه هفتم)
 

در ظهر انقلاب تابستاني، در يکي از شهرهاي مصر، که امروزه اسوان ناميده مي شود. خورشيد مستقيم مي تابد، اجسام هيچ سايه اي ندارند و نور خورشيد تا انتهاي يک چاه عميق نفوذ مي کند.
اراتوستن که کتابدار کتابخانه ي اسکندريه در قرن سوم پيش از ميلاد بود، هنگامي که اين مطلب را خواند، دريافت که اطلاعات لازم براي محاسبه ي محيط زمين را در اختيار دارد. وي آزمايشي ترتيب داد و مشاهده کرد که پرتوهاي خورشيد در اسکندريه تا حدودي مايل بوده و حدود هفت درجه از خط عمود انحراف دارد.
حالا ديگر فقط محاسبات هندسي باقي مانده بود. فرض کنيد زمين گرد است، در اين صورت محيط دايره آن 360 درجه است. با اين تفسير، اگر دو شهر از يکديگر 7 درجه اختلاف فاز داشته باشند، مي توان گفت به اندازه هفت سيصد و شصتم يا يک پنجاهم دايره اي کامل از هم فاصله دارند. با اندازه گيري فاصله دو شهر، مشخص شد که اين دو شهر 5 هزار استاديوم ( واحد طول آن زمان، برابر با حدود 185 متر) از يکديگر دورند. اراتوستن نتيجه گرفت که محيط زمين 50 برابر اين فاصله يعني 250 هزار استاديوم است. از آن جا که دانشمندان در مورد طول واقعي يک استاديوم يوناني اختلاف نظر دارند، غير ممکن است بتوانيم دقت اين اندازه گيري را تعيين کنيم. اما طبق برخي محاسبات، گفته مي شود خطاي اين اندازه گيري حدود 5 درصد است.

2-آزمايش گاليله در مورد سقوط اجسام (رتبه دوم )
 

تا حدود سال هاي 1500 ميلادي، مردم فکر مي کردند چيزهاي سنگين سريع تر از اجسام سبک سقوط مي کنند. هر چه باشد، اين سخن ارسطو است. گاليلئو گاليله که استاد کرسي رياضيات در دانشگاه پيزا بود، آن قدر جسارت داشت که دانش پذيرفته شده را با چالش روبه رو کند. اين داستان از جمله ماجراهاي معروف تاريخ علم است. گفته مي شود، وي دو جسم با وزن هاي مختلف را از بالاي برج کج شهر رها کرد و نشان داد که آن چيزها در يک زمان به زمين مي رسند. به چالش طلبيدن باورهاي ارسطو ممکن بود براي گاليله به قيمت از دست دادن شغلش تمام شود، اما وي با اين کار نشان داد که داور نهايي در موضوع هاي علمي، رويدادهاي طبيعي است نه اعتبار افراد!

3-آزمايش گاليله، گوي هاي غلتان بر روي سطح شيب دار (رتبه هشتم)
 

گاليله به بازپيرايي باورهاي خود در مورد چيزهاي در حال حرکت ادامه داد. وي يک تخته که حدود 6 متر طول و 25 سانتي متر عرض داشت را انتخاب کرد و شياري را در مراکز آن طوري حفر کرد که تا جايي که امکان دارد، صاف و مستقيم باشد. وي سطح را شيبدار کرد و توپ هاي برنجي را درون اين شيارها غلتاند و زمان سقوط آنها را با يک ساعت آبي اندازه گيري کرد. ساعت آبي يک مخزن بزرگ آب بود که آبش از لوله هاي نازک به يک ظرف منتقل مي شد. وي پس از هر بار آزمايش و رها کردن توپ، ميزان آب تخليه شده را وزن مي کرد.
گاليله با وزن کردن مقدار آب تخليه شده، زمان را اندازه گرفت و آن را با مسافتي که گلوله طي کرده بود، مقايسه مي کرد. ارسطو پيش بيني کرده بود که سرعت گلوله هاي غلتان ثابت است، اگر مدت زمان حرکت را دو برابر کنيد، مسافت طي شده چهار برابر مي شود. اما گاليله نشان داد که مسافت طي شده با مجذور زمان متناسب است. اگر مدت زمان حرکت را دو برابر کنيد، مسافت طي شده چهار برابر مي شود. علت آن نيز اين است که توپ در اثر جاذبه گرانشي مرتباً شتاب مي گيرد.

4-انکسار نور با منشور توسط نيوتن (رتبه چهارم)
 

اسحاق نيوتن در همان سالي که گاليله در گذشت، متولد شد. وي در سال 1665 ميلادي از ترينيتي کالج کمبريج فارغ التحصيل شد. سپس، دو سال خانه نشين شد تا بيماري طاعون را که همه گير شده بود، از سر بگذراند.
در آن سال ها، اين تفکر رايج بود که نور سفيد خالص ترين نوع نور است و بنابراين نورهاي رنگي، تغيير شکل يافته ي نورهاي سفيد هستند، باز هم باورهاي ارسطو. نيوتن براي آزمايش اين نظريه، دسته اي از پرتوهاي خورشيد را به منشور تاباند و نشان داد که خورشيد به طيفي از رنگ ها تجزيه مي شود.
البته، مردم رنگين کمان را در آسمان مشاهده مي کردند؛ اما از تفسير صحيح آن ناتوان بودند. نيوتن توانست به درستي نتيجه گيري کند که رنگ هاي قرمز، نارنجي و... تا رنگ بنفش، تشکيل دهنده نور سفيد هستند. نور سفيد در نگاه اول بسيار ساده به نظر مي رسيد، اما پس از نگاه دقيق تر مشخص شد که نور سفيد تلفيقي زيبا از نورهاي گوناگون است.

5- آزمايش کاونديش در مورد ميله و پيچش، رتبه ششم را به دست آورد.
 

يکي ديگر از فعاليت هاي نيوتن، پيشنهاد نظريه ي گرانشي بود که بيان مي کرد: "قدرت جاذبه بين دو جسم با مجذور جرم هايش افزايش و به نسبت مجذور فاصله ي بين آن دو کاهش مي يابد". اما اين پرسش باقي بود، که قدرت اين جاذبه ي گرانشي چقدر است؟
در پايان دهه ي اول قرن هجدهم، هنري کاونديش تصميم گرفت به اين پرسش پاسخ دهد. وي يک ميله ي چوبي را که حدود دو متر طول داشت، انتخاب کرد و سپس يک گلوله ي کوچک فلزي به هر طرف اين ميله ي چوبي وصل کرد تا شبيه يک دمبل شود، سپس آن را با سيمي آويزان کرد. پس از آن، دو گلوله سربي را که حدود 160 کيلوگرم جرم داشتند، به توپ هاي کوچک دو سر ميله ي چوبي نزديک کرد تا نيروي گرانشي لازم براي جذب کردن آن ها ايجاد شود.گلوله ها حرکت کردند و در نتيجه سيم تاب برداشت.
کاونديش با اتصال يک قلم کوچک در دو طرف ميله، توانست ميزان جابه جايي ناچيز گلوله ها را اندازه بگيرد. وي براي محافظت دستگاه، از جريان هوا، آن را، که ترازوي پيچشي ناميده مي شود، درون اتاقکي قرار داد و با يک تلسکوپ ميزان جابه جايي را خواند. وي با اين دستگاه توانست مقداري را که به ثابت گرانشي معروف است، با دقت بسيار زيادي اندازه گيري کند و با استفاده از ثابت گرانشي، چگالي و جرم زمين را به دست آورد. اراتوستن توانست محيط زمين را اندازه بگيرد و کاونديش جرم زمين را به دست آورد.

6- آزمايش تداخلِ نور يانگ (مقام پنجم)
 

باورهاي نيوتن هميشه صحيح نبود. وي پس از استدلال هاي مختلف به اين نتيجه رسيد که نور تنها از ذرات تشکيل شده است (ماهيت ذره اي نور) و نه از موج.
در سال 1803 توماس يانگ تصميم گرفت اين نظريه را بيازمايد. وي سوراخي را در پرده اي ايجاد کرد و آن را با يک مقوا که به وسيله سوزن شکاف کوچکي در آن ايجاد کرده بود، پوشاند. سپس، نوري را که از اين شکاف عبور مي کرد با استفاده از يک آينه منحرف کرد.
سپس، ورقه ي نازکي از کاغذ انتخاب کرد که فقط يک سي ام اينچ (حدود يک ميلي متر) ضخامت داشت و آن را به طور دقيق در مسير عبور نور قرار داد تا پرتو نور را به دو قسمت تقسيم کند. نتيجه ي اين آزمايش طرحي از نوارهاي متناوب روشن و تاريک بود. اين پديده را فقط با فرض اين که پرتوهاي نور همانند موج رفتار مي کنند، مي توان تفسير کرد. نوارهاي روشن وقتي مشاهده مي شوند که دو قله موج با يک ديگر هم پوشاني و يکديگر را تقويت کنند، اما نوارهاي تاريک وقتي ايجاد مي شوند که يک قله موج با موج مخالف آن ترکيب شود و يکديگر را خنثي کنند.
اين آزمايش، سال هاي 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. اين آزمايش بعدها به معياري براي تعيين حرکت شبه موجي تبديل شد؛ حقيقتي که يک قرن بعد، هنگامي که نظريه ي کوانتوم آغاز شد اهميت بيش از اندازه اي يافت.

7-آزمايش پاندول فوکو (رتبه دهم)
 

فوکو در سال 1851 در پاريس، آزمايش بسيار مشهوري را به انجام رساند که پس از گذشت ساليان متمادي، در اوايل قرن 21 نيز، در قطب جنوب دوباره تکرار شد.
جين برنارد فوکو، دانشمند فرانسوي، يک گلوله آهني 30 کيلوگرمي را به انتهاي يک مفتول متصل، و از سقف کليسايي آويزان کرد و آن را به حرکت در آورد، تا به سمت عقب و جلو حرکت کند. سپس براي آن که نحوه ي حرکت اين آونگ به خوبي مشخص شود، قلمي را به انتهاي گلوله اي که روي بستري از شن هاي نرم و مطلوب در حال نوسان بود، قرار داد.
تماشاچيان در کمال شگفتي، مشاهده کردند که آونگ به طرز غير قابل توجيهي در حال چرخش است يعني مسير حرکت رفت و برگشتي آن در هر تناوب با تناوب قبلي متفاوت است. اما، واقعيت، امر اين است که اين کف کليسا بود که به آرامي حرکت مي کرد. به اين ترتيب فوکو توانست با قانع کننده ترين روش ممکن نشان دهد که زمين حول محور خود در حال گردش است.
در عرض جغرافيايي پاريس، آونگ طي هر 30 ساعت يک چرخش کامل را در جهت عقربه هاي ساعت انجام مي دهد؛ در نيمکره ي جنوبي همين آونگ خلاف جهت عقربه هاي ساعت به حرکت در مي آيد و در نهايت روي خط استوا حرکت در اصل چرخشي نبود. همان طور که دانشمندان عصر جديد نشان دادند، زمان تناوب حرکت چرخشي پاندول در قطب جنوب برابر 24 ساعت است.

8-آزمايش قطره روغن ميليکان (رتبه سوم)
 

از دوران باستان دانشمندان الکتريسيته را مورد بررسي قرار داده بودند. پديده ي پيچيده اي که هنگام رعد و برق از آسمان نازل مي شد، يا با کشيدن شانه به موها مي توانستند به راحتي آن را ايجاد کنند.
در سال 1897 فيزيک دان انگليسي جي.جي.تامسون اثبات کرد که الکتريسيته از ذره هايي که داراي بار منفي هستند، يعني الکترون ها، به وجود مي آيد. کار اندازه گيري بار اين ذره ها در سال 1909 به رابرت ميليکان، دانشمند آمريکايي، محول شد.
وي با استفاده از يک عطرپاش، قطره هاي ريز روغن را به درون اتاق کوچک شفافي اسپري کرد. در بالا و پايين اين اتاق کوچک صفحه هاي فلزي قرار داشتند که به باتري متصل بودند و در نتيجه يکي از صفحه ها مثبت و صفحه ديگر منفي بود. از آن جا که اين قطره ها هنگام عبور در هوا داراي مقدار جزيي بار الکتريکي مي شد، مي توان سرعت سقوط اين قطره ها را با تغيير ولتاژ صفحه هاي فلزي تنظيم کرد.
هنگامي که نيروي الکتريکي به طور دقيق با نيروي گرانشي برابر شود، قطره هاي روغن همانند ستارگان درخشان در پس زمينه تاريک به نظر مي رسند و در هوا معلق مي مانند. ميليکان اين قطره ها را يکي پس از ديگري مورد ملاحظه قرار داد، ولتاژ صفحه را تغيير داد و به مشاهده ي تأثير آن پرداخت. وي پس از انجام آزمايش هاي متعدد به اين نتيجه رسيد که بار الکتريکي يک مقدار مشخص و ثابت دارد. کوچک ترين بار اين قطره ها چيزي نيست به جز بار يک الکترون منفرد.

9-آزمايش کشف هسته توسط رادرفورد (رتبه نهم)
 

در سال 1911 که ارنست رادرفورد در دانشگاه منچستر سرگرم آزمايش در مورد راديو اکتيويته بود، گمان مي رفت که اتم ها از گلوله هاي نرم و باردار مثبتي تشکيل شده اند که توسط ذره هايي با بار منفي احاطه مي شوند؛ مدل کيک کشمشي. اما هنگامي که وي و دستيارانش ذره هاي باردار مثبت کوچکي را که ذره ي آلفا ناميده مي شدند، به صفحه نازکي از طلا تاباندند، در شگفتي تمام مشاهده کردند که درصد اندکي از اين پرتوها به سمت عقب برگشتند. به عبارت ديگر اين ذره ها پس از برخورد با اتم ها کمانه کرده اند.
رادرفورد نتيجه گرفت، اتم هاي واقعي چندان هم نرم نيستند، قسمت اصلي جرم اين اتم ها بايد در مرکز اتم ها، که امروزه هسته اتم مي ناميم، قرار داشته باشد و الکترون ها اين هسته ها را احاطه کرده اند. با وجود تغييرهايي که نظريه ي کوانتوم در آن ايجاد کرد، اين تصوير از اتم ها هنوز هم به قوت خود باقي است.

10-آزمايش ماکس پلانک و تئوري کوانتوم (رتبه اول)
 

نه گفته هاي نيوتن و نه يانگ، هيچ کدام در مورد ماهيت نور به طور کامل صحيح نبود. هر چند که به سادگي نمي توان گفت نور از ذره تشکيل شده است. خاصيت هاي آن را فقط با استفاده از ماهيت موجي نيز نمي توان به طور کامل تشريح کرد.
طي پنج سال اول قرن بيستم، ماکس پلانک و آلبرت اينشتين نشان دادند که نور در بسته هايي که فوتون نام دارند، جذب و نشر مي شود. اما آزمايش هايي براي تعيين ماهيت دقيق نور هم چنان ادامه داشت. بعدها تئوري کوانتوم متولد شد و طي چند دهه توسعه يافت و توانست دو نظريه ي پيشين را با يک ديگر آشتي داده و نشان دهد که هر دو مي توانند صحيح باشند. فوتون ها و ساير ذره هاي زيراتمي همانند الکترون ها، پروتون ها و... دو چهره از خود بروز مي دهند که مکمل يکديگرند.
فيزيک دانها براي شرح اين مطلب، اغلب از يک آزمايش نظري شناخته شده استفاده مي کنند. آن ها ابزار آزمايش دو شکاف يانگ را به کار مي برند، اما به جاي آن که نور معمولي به کار ببرند از پرتو الکترون استفاده مي کنند. بر اساس قانون هاي مکانيک کوانتوم، جريان ذره ها به دو پرتو تفکيک مي شوند، پرتوهاي کوچک تر با يکديگر تداخل مي کنند و همان الگوي آشناي نوارهاي متناوب تاريک و روشن را که توسط نور ايجاد شده بود، از خود نشان مي دهند. يعني ذره ها همانند موج عمل مي کنند. بر اساس مقاله اي که در Physics World منتشر شد و توسط پيتر راجرز سردبير مجله نگاشته شده است، تا سال 1961 هيچ کس اين آزمايش را در عمل به انجام نرساند؛ تا اين که کلاوس جانسون در اين سال موفق به انجام اين آزمايش شد. در آن هنگام، هيچ کس از نتايج به دست آمده چندان شگفت زده نشد و نتيجه هاي به دست آمده همانند بسياري از موردهاي ديگر بدون آن که نامي از کسي در ميان باشد به دنياي علم وارد شد.
منبع: لذت فيزيک شماره20