اینشتین و ذرات بنیادین

اینشتین، در حالی که این تغییر مسیر را تکمیل کرده بود، به موضوع‌های بنیادی‌تر برگشت. عنوان مقاله‌ی بعدی وی عبارت بود از «درباره‌ی حرکت ذرات کوچک معلق در یک مایع ساکن، طبق نظریه‌ی جنبشی مولکولی گرما». (1) مطالعه‌ی مایع غلیظ و تیره به سختی می‌توانست زمینه‌ی نویدبخشی برای رسیدن به کشف‌های علمی تکان‌دهنده و حیرت‌آور باشد، اما گرایش اینشتین برای رسیدن به ریشه‌های مسائل، مسیر این ماجرا را دگرگون کرد.
یک بار دیگر، باید به اجمال سری به تاریخ بزنیم. در سال 1828 رابرت براون، طبیعت‌شناس اسکاتلندی در طی تحقیقات گیاه‌شناسی خود‌، به مشاهده‌ی ذرات گرده‌ی معلق درآب دست زد. وقتی این ذرات گرده را زیر میکروسکوپ مطالعه کرد، پی برد که تک ذرات گَرده حرکات زیگزاگی پیوسته، و ظاهراً کاتوره‌ای، را بروز می‌دهند. گویی که موجوداتی زنده‌اند. و وقتی یک پودر غیرآلی را جایگزین گرده‌ی آلی کرد، دقیقاً همان اثر را مشاهده نمود. ظاهراً براون اتفاقی به نمونه‌ای از آن عدم امکان‌های علمی برخورد: آن نمونه عبارت از حرکت دائمی بود. براون از مشاهده‌ی این پدیده، که به نام خودش حرکت براونی نامیده شد، و در تمامی قرن نوزدهم به عنوان معما درجامعه‌ی علمی مطرح بود، حیران و شگفت‌زده شد.
وقتی اینشتین حرکت براونی را مطالعه کرد، نسبت به این نافرمانی ظاهری قوانین فیزیک کنجکاو شد و راه‌حلی با خصلت و سرشت ابتکاری و متهورانه برای آن ارائه داد. بنابر نظریه‌ی جنبشی مولکولی گرما، مولکول‌های نامرئی مایع در حال حرکت بودند، که این حرکت با بالارفتن دمای مایع تشدید و تقویت می‌شد. از نظر اینشتین، رفتار ظاهراً کاتوره‌ای (تصادفی) ذرات معلق در واقع ناشی از بمباران شدن آن‌ها به وسیله‌ی مولکول‌های نامرئی بود که مایع را تشکیل می‌دادند. این نظری بسیار متهورانه و جسارت‌آمیز بود، زیرا بسیاری از دانشمندان معتبر و پرآوازه هنوز متقاعد نشده بودند که علی‌الاصول عملاً اتم‌ها و مولکول‌ها وجود داشته باشند. این موجودات هنوز هم تمام تلاش‌ها را برای مشاهده‌شان ناکام گذاشته بودند. درست مثل آن اتر موهوم، تا آن هنگام هنوز هم هیچ‌کس یک مولکول را ندیده بود. اما حالا اینشتین یک مرحله‌ی دیگر به پیش رفت، و به اثبات کردن وجود این مولکول‌های نادیده مبادرت کرد. وی با بهره‌گیری از دینامیک آماری، حتی به پیش‌بینی تعداد دقیق مولکول‌ها در هر تعداد مفروض و معین مایع دست زد.
ساده‌ترین طرح در مورد چگونگی اقدام وی به این محاسبات و تحقیقات تصوری کلی از پیچیدگی‌های آن‌ها به دست می‌دهد. یک شیء واقع در آب (یا در هر مایع یا گاز) دستخوش بمباران پیوسته و مداوم مولکول‌های آن مایع یا گاز قرار می‌گیرد. به طور اتفاقی، تعداد مولکول‌های بمباران‌کننده از همه طرف با هم متعادل می‌شود؛ و آن شیء دیگر تکان نخواهد خورد. اما، شیء بسیار کوچک‌تری چون ذره‌ی گرده آماده و مستعد است که ابتدا در یک جهت و سپس در جهت دیگر رانده شود، که از کمی اضافه‌تر شدن مولکول‌های بمباران‌کننده از یکی از جهت‌ها ناشی می‌شود. اینشتین برای توصیف این اثر فرمولی به دست داد؛ بنابراین فرمول، میانگین جابه‌جایی ذرات مرئی در هر تک‌جهت، متناسب با ریشه‌ی دوم مدت زمان مشاهده افزایش می‌یابد. اگر فاصله‌ای را اندازه می‌گرفتند که ذرات طی این مدت می‌پیمایند، دراین صورت محاسبه‌ی تعداد مولکول‌های نامرئی در داخل یک حجم معین مایع و گاز امکان‌پذیر می‌شد. اینشتین به این طریق محاسبه کرد که یک گرم هیدروژن حاوی 3/03×〖10〗^23 (یعنی بیش از سیصدهزار میلیون میلیون میلیون) مولکول است.
مقاله‌ی اینشتین نه تنها بر آن بود که وجود مولکول‌ها را اثبات و توصیف کند، بلکه همچنین می‌خواست چگالی وقوع آن‌ها و چگونگی نقشه‌برداری از رفتارشان را نشان دهد. اثبات و برهان نظری اینشتین سه سال بعد با انجام آزمایش‌های عملی که گران پرین شیمی-فیزیکدان فرانسوی انجام داد، تأیید شد. آزمایش‌هایی که پرین روی حرکت براونیِ عصاره‌ی رِیوَند (رزینی زرد رنگ) در آب انجام داد، نخستین اثبات عملی وجود فیزیکی اتم‌ها به شمار می‌آمدند. آزمایش‌های وی دقت چشمگیر محاسبات صرفاً نظری اینشتین را نیز آشکار کرد.
این تأیید عملی کارهای اینشتین یکی از جنبه‌های اساسی روش‌شناسی او را برجسته می‌کند و بروز می‌دهد. رویکرد علمی جدید قرن بیستم در این جا خودنمایی می‌کرد، همان قدر که سبک کوبیسم در نقاشی و موسیقی غیرتونال خصیصه‌ی قرن بیستم به شمار می‌آمدند. قرن نوزدهم شاهد رشد بسیاری از شاخه‌های علم از نوباوگی تا بلوغ بوده است. در خلال این دوره روش علمی عمدتاً تجربی بوده و پیشرفت‌های چشمگیری از طریق آزمایش، مشاهده، و بهره‌گیری از ابزار ابتکاری و خلاقانه حاصل شده است. اما روش اینشتین تجربی و آزمایش نبود. برعکس، وی ذاتاً نظریه‌پردازی بی‌پروا بود و این خصلت کماکان تا آخر عمر در وی باقی ماند. آزمایش‌هایی که بعداً انجام شدند، حقایقی را روشن کردند که همگی مؤید نظریه‌های وی بودند. روش قدیمی و دیرین پرداختن نظریه به اعتبار و برپایه‌ی حقایقی که شواهد تجربی پشتیبان و مؤید آن‌ها بودند، از نظر اینشتین روندی بسیار کُند، بی‌روح و ملال‌آور بود. ذهن وی ترجیح می‌داد به سرعت به جلو برود و با امکان‌هایی نهایی روبه رو شود که بسیار فراتر از گستره‌ی آزمایش و تجربه بودند.
اینشتین در اتخاذ چنین رویکردی تنها نبود. این راه و روش باید به شیوه و رویکرد قرنی تبدیل می‌شد که در آستانه‌ی آغاز شدن بود. (ثابت شد که انفجارهای اتمی و فرستادن موشک به ماه خیلی پیش از تحقق عملی آن‌ها از لحاظ نظری امکان‌پذیر می‌بودند) توانایی کار کردن با خط‌کش محاسبه درخط مقدم عرصه‌ی علم قرار می‌گیرد، نه حضور محقق در آزمایشگاه.
اینشتین درمقاله های قبلی‌اش ماهیت نور و وجود اتم‌ها، دو موجود بنیادی را آشکار و اثبات کرده بود. وی برای انجام این کار کل راه و رسم نگرش علم به جهان را دگرگون کرده بود. این بصیرت‌های منحصر به فرد برای جا انداختن و تثبیت وی به عنوان یکی از مغزهای متفکر علمی پیشرو عصر کافی بوده است. اما اینشتین اکنون یک گام دیگر به پیش برداشت. او بینش و شناخت خود نسبت به این خُرد دنیاها را درهم آمیخت و نظریه‌ی کلان جهانی را پرداخت که عالم را دگرگون کرد. این دستاورد او را در مقام یکی از خلاق‌ترین متفکران در تاریخ بشر (در کنار کسانی چون نیوتون و بتهوون) تثبیت کرد.

پی‌نوشت‌ها:

1- Einstein, Albert (1905), "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" (On the Electrodynamics of Moving Bodies), Annalen der Physik 17 (10): 891–921.

منبع:
استراترن، پل؛ (1389) شش نظریه‌ای که جهان را تغییر داد، ترجمه‌ی دکتر محمدرضا توکلی صابری و بهرام معلمی، تهران، انتشارات مازیار، چاپ چهارم.