ده آزمايش برتر فيزيك

اگر چه دانشمندان تا كنون توانسته‌اند اجزاي تشكيل‌دهنده ذره‌هاي زير اتمي را در شتاب‌دهنده‌ها از يك‌ديگر جدا كنند، توالي ژنوم انسان را كشف و فعاليت ستارگان دور دست را تجزيه و تحليل كنند، اما هنوز هم آزمايش‌هايي توجه دانشمندان را به خود جلب مي‌كند كه ميليون‌ها دلار هزينه را در برداشته و جريان بزرگي از اطلاعات ايجاد مي‌كند؛ آزمايش‌هايي كه پردازش آن‌ها توسط ابررايانه‌ها ماه‌ها به طول مي‌انجامد. بسياري از اين گروه‌هاي پژوهشي توسعه پيدا كرده‌اند و براي انجام فعاليت با هم مشاركت مي‌كنند.
اما بايد اذعان كرد كه مفاهيم علمي به ذهن‌هاي منحصر به فردي كه خود را درگير كشف رازو رمزهاي جهان كرده‌اند، راه مي‌يابد. هنگامي كه رابرت پي.كريس، از گروه فلسفه دانشگاه ايالتي نيويورك واقع در استوني بروك ومورخ آزمايشگاه ملي بروكهان از فيزيكدانان خواست كه زيباترين آزمايش‌هاي كل تاريخ را نام ببرند، مشخص شد كه ده نفر نخست بيش‌تر به طور انفرادي كار كرده‌اند و دستياري نداشتند.
اغلب آزمايش‌هايي كه درشماره‌ي September 2002 مجله‌ي دنياي فيزيك (Physics World) فهرست شده‌اند را مي‌توان روي يك ميزكار معمولي انجام داد و به ابزارهاي محاسبه‌اي پيشرفته‌تر ازخط‌كش و ماشين حساب نياز ندارند. چيزي كه در همه‌ي اين آزمايش‌ها مشترك است، همان چيزي است كه دانشمندان از آن به عنوان "زيبايي" نام مي‌برند؛ يعني، سادگي منطقي دستگاه‌هاي مورد استفاده و سادگي منطقي تجزيه و تحليل. به عبارت ديگر، پيچيدگي ودشواري پديده‌ها، به طور موقت به كناري گذاشته مي‌شود و نكته تازه اي از راز ورمزهاي طبيعت كشف مي‌شود.
فهرست چاپ شده در اين مجله به ترتيب عموميت آن رتبه‌بندي شده است. در رتبه‌ي نخست، آزمايشي قرار دارد كه به وضوح ماهيت كوانتومي جهان فيزيكي را نشان مي‌دهد. اين موارد بارديگر به ترتيب دوره زماني مرتب شده‌اند كه نتيجه آن هم اكنون پيش روي شماست. اين فهرست نگرش جالبي از تاريخ دو هزارساله‌ي اكتشاف را پيش روي ما مي‌گذارد.

1- اراتوستن: اندازه گيري محيط زمين

در ظهر انقلاب تابستاني در يكي از شهرهاي مصر ،كه امروزه آسوان ناميده مي شود، خورشيدمستقيم مي‌تابد: اجسام هيچ سايه‌اي ندارند و نور خورشيد تا انتهاي يك چاه عميق نفوذ مي‌كند.
اراتوستن كه كتابدار كتابخانه‌ي اسكندريه در قرن سوم پيش از ميلاد بود، هنگامي كه اين مطلب را خواند، دريافت كه اطلاعات لازم براي محاسبه‌ي محيط زمين را در اختيار دارد. وي همان روز و همان ساعتي كه در بالا گفته شد، آزمايشي ترتيب داد و مشاهده كرد كه پرتوهاي خورشيد در اسكندريه تا حدودي مايل بوده و حدود هفت درجه از خط عمود انحراف دارد.
حالا ديگر فقط محاسب‌هاي هندسي باقي مانده بود. فرض كنيد زمين گرد است، در اين صورت محيط دايره آن 360 درجه است. با اين تفسير اگر دو شهر از يكديگر 7 درجه دور باشند، مي‌توان گفت به اندازه هفت سيصد و شصتم يا يك پنجاهم يك دايره كامل از هم فاصله دارند. با اندازه گيري فاصله دو شهر، مشخص شد كه اين دو 5 هزار استاديوم (واحد طول برابر با حدود185 متر) از يكديگر دورند. اراتوستن نتيجه گرفت كه محيط زمين 50 برابر اين فاصله يعني 250 هزار استا ديوم است. از آن‌جا كه دانشمندان در مورد طول واقعي يك استاديوم يوناني اختلاف نظر دارند، غير ممكن است بتوانيم دقت اين اندازه گيري را تعيين كنيم. اما بر پايه‌ي برخي از محاسبه‌ها گفته مي‌شود خطاي اين اندازه گيري حدود 5 درصد است (رتبه‌ي7)

2- گاليله : آزمايش چيزهاي در حال سقوط

تا حدود سال هاي 1500 ميلادي، مردم فكر مي كردند چيزهاي سنگين سريع‌تر از اجسام سبك سقوط مي‌كنند. هر چه باشد، اين سخن ارسطو است. اين كه يك دانشمند يونان باستان توانسته بود، همچنان سلطه خود را حفظ كند، بيانگر اين است كه علم طي قرون وسطي چقدر تنزل كرده بود.
گاليلئو گاليله كه استاد كرسي رياضيات در دانشگاه پيزا بود ، آن قدر جسارت داشت كه دانش پذيرفته شده را با چالش روبه‌رو كند. اين داستان از جمله ماجراهاي معروف تاريخ علم است: گفته مي شود وي دو چيز با وزن‌هاي مختلف را از بالاي برج كج شهر رها كرد و نشان داد كه آن چيزها در يك زمان به زمين مي‌رسند. به چالش طلبيدن باورهاي ارسطو ممكن بود براي گاليله به قيمت از دست دادن شغلش تمام شود، اما وي با اين كار نشان داد كه داور نهايي در موضوع‌هاي علمي، رويدادهاي طبيعي است نه اعتبارافراد. (رتبه‌ي 2)

3- گاليله:آزمايش سقوط توپ ها از سطح شيبدار

گاليله به بازپيرايي باورهاي خود در مورد چيزهاي در حال حركت ادامه داد. وي يك تخته كه حدود 6 متر طول و 25 سانتي متر عرض داشت را انتخاب كرد و شياري را در مركز آن طوري حفر كرد كه تا جايي كه امكان دارد، صاف و مستقيم باشد. وي سطح را شيبدار كرد وتوپ‌هاي برنجي را درون اين شيارها غلتاند وزمان سقوط را با يك ساعت آبي اندازه‌گيري كرد. ساعت آبي يك مخزن بزرگ آب بود كه آبش از لوله‌هاي نازك به يك ظرف منتقل مي شد. وي پس از هر بار آزمايش ورها كردن توپ ميزان آب تخليه شده را وزن مي‌كرد.
گاليله به وزن كردن مقدار آب تخليه شده، زمان را اندازه گرفت و آن را با مسافتي كه گلوله طي كرده بود، مقايسه مي‌كرد. ارسطو پيش بيني كرده بود كه سرعت گلوله هاي غلتان ثابت است: اگرمدت زمان حركت را دو برابر كنيد، مسافت طي شده دو برابر مي شود. اما گاليله نشان داد كه مسافت طي شده با مجذور زمان متناسب است: اگر مدت زمان حركت را دو برابر كنيد، مسافت طي شده چهار برابر مي شود. علت آن نيز اين است كه توپ در اثر جاذبه گرانشي مرتبا شتاب مي گيرد. (رتبه‌ي 8)

4- نيتون : تجزيه‌ي نور خورشيد با منشور

اسحاق نيوتن در همان سالي كه گاليله در گذشت، متولد شد. وي در سال 1665 ميلادي از ترينيتي كالج كمبريج فارغ التحصيل شد. سپس، دو سال خانه نشين شد تا بيماري طاعون را كه همه‌گير شده بود، از سر بگذراند. وي از اين كه خانه نشين بود، چندان ناراضي نبود؛ چرا كه مشغول فعاليت هاي علمي بود.
در آن سال‌ها اين تفكر رايج بود كه نور سفيد خالص‌ترين نوع نور است (باز هم باورهاي ارسطو) و بنابراين نورهاي رنگي، تغيير شكل يافته‌ي نورهاي سفيد هستند. نيوتن براي آزمايش اين نظريه، دسته‌اي از پرتو‌هاي خورشيد را به منشور تاباند و نشان داد كه خورشيد به طيفي از رنگ‌ها تجزيه مي‌شود.
البته مردم ، رنگين كمان را در آسمان مشاهده مي‌كردند اما از تفسير صحيح آن ناتوان بودند. نيوتن توانست به درستي نتيجه‌گيري كند كه رنگ‌هاي قرمز، نارنجي ،قهوه‌اي ،سبز، آبي، نيلي، بنفش و رنگ هاي بين اين‌ها، تشكيل دهنده نور سفيد هستند. نور سفيد در نگاه اول بسيار ساده به نظر مي رسيد، اما پس از نگاه دقيق‌تر مشخص شد كه نور سفيد تلفيقي زيبا از نور هاي گوناگون است. (رتبه‌ي 4)

5- كاونديش :آزمايش ترازوي پيچشي

يكي ديگر از فعاليت‌هاي نيوتن پيشنهاد نظريه‌ي گرانشي بود كه بيان مي‌كرد قدرت نيروي گرانش بين دو جسم با مجذور جرم‌هايش افزايش و به نسبت مجذور فاصله‌ي بين آن دو كاهش مي‌يابد. اما اين پرسش باقي بود كه قدرت اين نيروي گرانشي چقدر است؟
در پايان دهه‌ي اول قرن هجدهم، هنري كاونديش تصميم گرفت به اين پرسش پاسخ دهد. وي يك ميله‌ي چوبي را كه حدود دو متر طول داشت، انتخاب كرد و سپس يك گلوله‌ي كوچك فلزي به هر طرف اين ميله‌ي چوبي وصل كرد تا شبيه يك دمبل شود. سپس آن را با سيمي آويزان كرد. پس از آن دو گلوله سربي را كه حدود 160 كيلوگرم جرم داشتند، به توپ‌هاي كوچك دو سر ميله‌ي چوبي نزديك كرد تا نيروي گرانشي لازم براي جذب كردن آن‌ها ايجاد شود. گلوله‌ها حركت كردند و در نتيجه سيم تاب برداشت.
كاونديش با وصل كردن يك قلم كوچك در دو طرف ميله توانست ميزان جابه‌جايي ناچيز گلوله‌ها را اندازه بگيرد. وي براي محافظت دستگاه، از جريان هوا، آن را ، كه ترازوي پيچشي ناميده مي‌شود ، درون اتاقكي قرار داد و با يك تلسكوپ ميزان جابه‌جايي را خواند. وي با اين دستگاه توانست مقداري را كه به ثابت گرانشي معروف است، با دقت بسيار زيادي اندازه‌گيري كند و با استفاده از ثابت گرانشي، چگالي و جرم زمين را به دست آورد. اراستوتن توانست محيط زمين را اندازه بگيرد اما كاونديش جرم زمين را به دست آورد: x6/10240 . (رتبه‌ي6)

6-يانگ: آزمايش تداخل نور

باورهاي نيوتن همواره درست نبود. پس از استدلال مختلف به اين نتيجه رسيد كه نور تنها از ذره‌هايي تشكيل شده است و نه از موج.
در سال 1803 توماس يانگ پزشك و فيزيك‌دان انگليسي تصميم گرفت اين نظريه را بيازمايد. وي سوراخي را در پرده‌ي پنجره ايجاد كرد و آن را با يك مقوا كه به وسيله سوزن شكاف كوچكي در آن ايجاد كرده بود، پوشاند. سپس، نوري را كه از اين شكاف مي‌گذشت، با استفاده از يك آينه منحرف كرد. در مرحله‌ي بعد، ورقه‌ي نازكي از كاغذ انتخاب كرد كه فقط يك سي‌ام اينچ (حدود يك ميلي‌متر) ضخامت داشت و آن را به طور دقيق در مسير عبور نور قرار داد تا پرتو نور را به دو قسمت تقسيم كند. نتيجه‌ي اين آزمايش طرحي از نوارهاي متناوب روشن و تاريك بود
اين پديده را فقط با فرض اين كه پرتوهاي نور همانند موج رفتار مي‌كنند، مي‌توان تفسير كرد. نوارهاي روشن وقتي مشاهده مي‌شوند كه دو قله موج با يك‌ديگر هم‌پوشاني و يكديگر را تقويت كنند، اما نوارهاي سياه وقتي ايجاد مي‌شوند كه يك قله موج با موج مخالف آن تركيب شود و يك‌ديگر را خنثي كنند.
اين آزمايش سال‌هاي بعد با استفاده از يك مقوا كه در آن دو شكاف براي تقسيم نور به دو پرتو ايجاد شده بود، تكرار شد و به همين دليل به آزمايش شكاف دوگانه نير مشهور است. اين آزمايش بعدها به معياري براي تعيين حركت شبه موجي تبديل شد: حقيقتي كه يك قرن بعد، هنگامي كه نظريه‌ي كوانتوم آغاز شد اهميت بيش از اندازه‌اي يافت.(رتبه‌ي 5)

7-فوكو: چرخش كره زمين

فوكو در سال 1851 در پاريس آزمايش بسيار مشهوري را به انجام رساند كه پس از گذشت ساليان متمادي، سال گذشته در قطب جنوب دوباره تكرارشد. اين دانشمندان آونگي را در قطب جنوب نصب كرد و به تماشاي حركت اين آونگ پرداختند. جين برنارد فوكو دانشمند فرانسوي يك گلوله آهني 30 كيلوگرمي را به انتهاي يك مفتول متصل و از سقف كليسايي آويزان كرد و آن را به حركت درآورد تا به سمت عقب وجلو حركت كند. سپس براي آن كه نحوه‌ي حركت اين آونگ به خوبي مشخص شود، قلمي را به انتهاي گلوله‌اي كه روي بستري از شن‌هاي نرم و مرطوب در حال نوسان بود، قرار داد.
تماشاچيان در كمال شگفتي مشاهده كردندكه آونگ به طرز غير قابل توجيهي در حال چرخش است يعني مسير حركت رفت و برگشتي آن در هر تناوب با تناوب قبلي متفاوت است. اما واقعيت امر اين است كه اين كف كليسا بود كه به آرامي حركت مي‌كرد و به اين ترتيب فوكو توانست با قانع‌كننده‌ترين روش ممكن نشان دهد كه زمين حول محور خود در حال گردش است.
در عرض جغرافيايي پاريس، آونگ طي هر 30 ساعت يك چرخش كامل را در جهت عقربه‌هاي ساعت انجام مي‌دهد؛ در نيمكره جنوبي همين آونگ خلاف جهت عقربه‌هاي ساعت به حركت درمي‌آيد و در نهايت روي خط استوا حركت در اصل چرخشي نبود. همان طور كه دانشمندان عصر جديد نشان دادند زمان تناوب حركت چرخشي پاندول در قطب جنوب برابر 24 ساعت است. (رتبه‌ي 10)

8- ميليكان: آزمايش قطره‌ي روغن

از دوران باستان دانشمندان الكتريسيته را مورد بررسي قرار داده بودند؛ پديده پيچيده‌اي كه هنگام رعد و برق از آسمان نازل مي‌شد، يا با كشيدن شانه به موها مي‌توانستند به راحتي آن را ايجاد كنند. در سال 1897 فيزيك‌دان انگليسي جي.جي.تامسون اثبات كرد كه الكتريسيته از ذره‌هايي كه داراي بار منفي هستند، يعني الكترون‌ها، به وجود مي‌آيد. ( آزمايشي كه در واقع بايستي يكي از موردهاي اين فهرست باشد) و كار اندازه‌گيري بار اين ذره‌ها در سال 1909 به رابرت ميليكان، دانشمند آمريكايي، محول شد.
وي با استفاده از يك عطرپاش، قطره‌هاي ريز روغن را به درون اتاق كوچك شفافي اسپري كرد. در بالا و پايين اين اتاق كوچك صفحه‌‍‌هاي فلزي قرار داشتند كه به باتري متصل بودند و در نتيجه يكي از صفحه‌ها مثبت و صفحه ديگر منفي بود. از آن‌جا كه اين قطره‌ها هنگام عبور در هوا داراي مقدار جزيي بار الكتريكي مي‌شد، مي‌توان سرعت سقوط اين قطره‌ها را با تغيير ولتاژ صفحه‌هاي فلزي تنظيم كرد.
هنگامي كه نيروي الكتريكي به طور دقيق با نيروي گرانشي برابر شود، قطره‌هاي روغن همانند ستارگان درخشان در پس زمينه تاريك به نظر مي رسند و در هوا معلق مي‌مانند. ميليكان اين قطره‌ها را يكي پس از ديگري مورد ملاحظه قرار داد، ولتاژ صفحه را تغيير داد و به مشاهده‌ي تأثير آن پرداخت. وي پس از انجام آزمايش‌هاي متعدد به اين نتيجه رسيد كه بار الكتريكي يك مقدار مشخص و ثابت دارد. كوچك‌ترين بار اين قطره‌ها چيزي نيست به جز بار يك الكترون منفرد.( رتبه 3)

9- رادرفورد: كشف هسته

در سال 1911 كه ارنست رادرفورد در دانشگاه منچستر سرگرم آزمايش در مورد راديواكتيويته بود، گمان مي‌رفت كه اتم‌ها از گلوله‌هاي نرم و باردار مثبتي تشكيل شده‌اند كه توسط ذره‌هايي با بار منفي احاطه مي‌شوند؛ مدل كيك كشمشي. اما هنگامي كه وي و دستيارانش ذره‌هاي باردار مثبت كوچكي را كه ذره‌ي آلفا ناميده مي‌شدند، به صفحه نازكي از طلا تاباندند، در شگفتي تمام مشاهده كردند كه درصد اندكي از اين پرتوها به سمت عقب برگشتند. به عبارت ديگر اين ذره‌ها پس از برخورد با اتم‌ها كمانه كرده‌اند.
رادرفورد نتيجه گرفت اتم‌هاي واقعي چندان هم نرم نيستند. قسمت اصلي جرم اين اتم‌ها بايد در مركز اتم‌ها، كه امروزه هسته اتم مي‌ناميم، قرارداشته باشد و الكترون‌ها اين هسته‌ها را احاطه كرده‌اند. با وجود تغييرهايي كه نظريه‌ي كوانتوم در آن ايجاد كرد، اين تصوير از اتم‌ها هنوز هم به قوت خود باقي است. (رتبه‌ي 9)

10- كلاوس جانسون: تداخل يك الكترون منفرد

نه گفته‌هاي نيوتن و نه يانگ هيچ كدام در مورد ماهيت نور به طور كامل صحيح نبود. هر چند كه به سادگي نمي‌توان گفت نور از ذره تشكيل شده است. خاصيت‌هاي آن را فقط با استفاده از ماهيت موجي نيز نمي‌توان به طور كامل تشريح كرد.
طي 5 سال اول قرن بيستم ماكس پلانك و آلبرت اينشتين نشان دادند كه نور در بسته‌هايي كه فوتون نام دارد، جذب و نشر مي‌شود. اما آزمايش‌هايي براي تعيين ماهيت دقيق نور هم‌چنان ادامه داشت. بعدها تئوري كوانتوم متولد شد و طي چند دهه توسعه يافت و توانست دو نظريه‌ي پيشين را با يك‌ديگر آشتي داده و نشان دهد كه هر دو مي‌توانند صحيح باشند: فوتون‌ها و ساير ذره‌هاي زيراتمي (همانند الكترون‌ها، پروتون‌هاو ...) دو چهره از خود بروز مي‌دهند كه مكمل يكديگرند؛ بنابراين به گفته‌ي يك فيزيك‌دان در دسته Wavices قرار مي‌گيرند.
فيزيك‌دانان براي شرح دادن اين مطلب اغلب از يك آزمايش نظري شناخته شده استفاده مي‌كنند . آن‌ها ابزارهاي آزمايش شكاف دوگانه يانگ را به كار مي‌برند، اما به جاي آن كه نور معمولي به كار ببرند از پرتو الكترون استفاده مي‌كنند. براساس قانون‌هاي مكانيك كوانتوم، جريان ذره‌ها به دو پرتو تفكيك مي‌شوند، پرتوهاي كوچك‌تر با يكديگر تداخل مي‌كنند و همان الگوي آشناي نوارهاي متناوب تاريك و روشن را كه توسط نور ايجاد شده بود، از خود نشان مي‌دهند. يعني ذره‌ها همانند موج عمل مي‌كنند.
براساس مقاله‌اي كه در فيزيكس‌ورد منتشر شد و توسط پيتر راجرز سردبير مجله نگاشته شده است تا سال 1961 هيچ كس اين آزمايش را در عمل به انجام نرساند تا اين كه كلاوس جانسون در اين سال موفق به انجام اين آزمايش شد . در آن هنگام هيچ‌كس از نتايج به دست آمده چندان شگفت‌زده نشد و نتيجه‌هاي به دست آمده همانند بسياري از موردهاي ديگر بدون آن كه نامي از كسي در ميان باشد به دنياي علم وارد شد. (رتبه‌ي 1)