ده آزمايش تاريخي جهان

اگرچه دانشمندان تاكنون توانسته اند اجزاي تشكيل دهنده ي ذره هاي زير اتمي را در شتاب دهنده ها از يكديگر جدا كنند، توالي ژنوم انسان را كشف و فعاليت ستارگان دوردست را تجزيه و تحليل كنند، اماهنوز هم آزمايش هايي توجه دانشمندان را به خود جلب مي كند كه ميليون ها دلار هزينه در بر داشته و جريان بزرگي از اطلاعات ايجاد مي كند؛ آزمايش هايي كه پردازش آنها توسط ابر رايانه ها ماه ها به طول مي انجامد. بسياري از اين گروه هاي پژوهشي توسعه پيدا كرده اندو براي انجام فعاليت با هم مشاركت مي كنند.
اما بايد اذعان كرد كه مفاهيم علمي به ذهن هاي منحصر به فردي كه خود را درگير راز و رمزهاي جهان كرده اند، راه مي يابد. هنگامي كه رابرت پي. كريس، از گروه فلسفه ي دانشگاه ايالتي نيويورك واقع در استوني بروك و مورخ آزمايشگاه ملي بروكهان از فيزيكدانان خواست كه زيباترين آزمايش هاي كل تاريخ را نام ببرند، مشخص شد كه ده نفر نخست اين فهرست بيش تر بطور انفرادي كار كرده اند و دستياري نداشتند.
اين فهرست نگرش جالبي از تاريخ دو هزار رساله ي اكتشاف را پيش روي ما مي گذارد.

1- اراتوستن: اندازه گيري محيط زمين
 

در ظهر انقلاب تابستاني در يك از شهرهاي مصر كه امروزه آسوان ناميده مي شود، خورشيد مستقيم مي تابد. اجسام هيچ سايه ندارند و نور خورشيد تا انتهاي يك چاه عميق نفوذ مي كند. ارتوستن كه كتابداري كتابخانه ي اسكندريه در قرن سوم پيش از ميلاد بود، هنگامي كه اين مطلب را خواند، دريافت كه اطلاعات لازم براي محاسبه ي 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 است و حدود هفت درجه از خط عمود انحراف دارد.
حالا ديگر فقط محاسبه هاي باقي مانده بود. فرص كنيد زمين گرد است، دراين صورت محيط دايره ي آن 360 درجه است. با اين تفسير اگر دو شهر از يكديگر هفت درجه دور باشند، مي توان گفت به اندازه ي هفت سيصد و شصتم با يك پنجاهم يك دايره ي كامل از هم فاصله دارند. با اندازه گيري فاصله ي دو شهر، مشخص شد كه اين دو پنج هزار استاديوم (واحد طول برابر با حدود 185 متر) از كيدگر دورند. ارتوستن نتيجه گرفت كه محيط زمين پنجاه برابر اين فاصله، يعني 250 هزار استاديوم 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 پايه ي برخي از محاسبه ها گفته مي شود خطاي اين اندازه گيري حدود پنج درصد است.(رتبه ي7)

2-گاليله: آزمايش اجسام در حال سقوط
 

تا حدود سال هاي 1500 ميلادي، مردم فكر مي كردند اشياي سنگين سريع تر از اجسام سبک سقوط مي كنند. هر چه باشد، اين سخن ارسطو است. اينكه يك دانشمند يونان باستان توانسته بود همچنان سلطه خود را حفظ كند، بيانگر اين است كه علم طي قرون وسطي چقدر تنزل كرده بود.
«گاليلئوگاليله» كه استاد كرسي رياضيات در دانشگاه پيزا بود، آن قدر جسارت داشت كه دانش پذيرفته شده را با چالش رو به رو كند. اين داستان از جمله ماجراهاي معروف تاريخ علم است؛ گفته مي شود وي دو جسم با وزن هاي مختلف را از بالاي برج كج(پيزا در ايتاليا) شهر رها كرد و نشان داد كه آن اجسام دريك زمان به زمين مي رسند. 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 موضوع هاي علمي، رويدادهاي طبيعي است نه اعتبار افراد. (رتبه ي 2)

3-گاليله : آزمايش سقوط توپ ها از سطح شيبدار
 

گاليله به بازپيرايي باورهاي خود در مورد اجسام در حال حركت ادامه داد. وي يك تخته را كه حدود شش متر طول 25 سانتي متر عرض داشت 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 و توپ هاي برنجي را درون اين شيارها غلتاند و زمان سقوط را با يك ساعت آبي اندازه گيري كرد. ساعت آبي يك مخزن بزرگ آب بود كه آبش از لوله هاي نازك به يك ظرف منتقل مي شد. وي پس از هر بار آزمايش و رها كردن توپ، ميزان آب تخليه شده را وزن مي كرد.
گاليله با وزن كردن مقدار آب تخليه شده، زمان را اندازه گرفت و آن را با مسافتي كه گلوله طي كرده بود، مقايسه كرد. ارسطو پيش بيني كرده بود كه سرعت گلوله هاي غلتان ثابت است و اگر مدت زمان حركت را دو برابر كند، مسافت طي شده دو برابر مي شود. اما گاليله نشان داد كه مسافت طي شده با مجذور زمان متناسب است، يعني 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 ي گرانشي بطور مرتب شتاب مي گيرد.(رتبه ي 8)

4-نيوتن: تجزيه ي 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 همه گير شده بود از سر بگذراند. وي از اينكه خانه نشين بود، چندان ناراضي نبود؛ چرا كه مشغول فعاليت هاي علمي بود. درآن سال ها اين تفكر رايج بود كه نور سفيد خالص ترين نوع نور است (باز هم باورهاي ارسطو) نورهاي رنگي، تغيير شكل يافته ي نورهاي سفيد هستند. نيوتن براي آزمايش اين نظريه، دسته يي از پرتوهاي خورشيد را به منشور تاباند و نشان داد كه خورشيد به طيفي از رنگ ها تجزيه مي شود. البته مردم، رنگين كمان را در آسمان مشاهده مي كردند، اما از تفسير صحيح آن ناتوان بودند. نيوتن توانست به درستي نتيجه گيري كند كه رنگ هاي قرمز، نارنجي، زرد، سبز، آبي، نيلي، بنفش و رنگ هاي بين اينها، تشكيل دهنده ي نور سفيد هستند. نور سفيد در نگاه اول بسيار ساده به نظر مي رسيد، اما پس از نگاه دقيق تر مشخص شد كه تلفيقي زيبا از نورهاي گوناگون است.(رتبه ي 4)

5-كاونديش : آزمايش ترازوي پيچشي
 

يكي ديگر از فعاليت هاي نيوتن پيشنهاد نظريه ي گرانشي بود كه بيان مي كرد قدرت نيروي گرانش بين دو جسم با مجذور جرم هايش افزايش و به نسبت مجذور فاصله ي بين آن دو كاهش مي يابد. اما اين پرسش باقي بود كه قدرت اين نيروي گرانشي چقدر است؟
در پايان دهه ي اول قرن هجدهم، «هنري كاونديش» تصميم گرفت به اين پرسش پاسخ دهد. وي يك ميله ي چوبي را كه حدود دو متر طول داشت، انتخاب كرد و سپس يك گلوله ي كوچك فلزي به هر طرف اين ميله ي چوبي وصل كرد تا شبيه يك دمبل شود، سپس آن را با سيمي آويزان كرد، سپس دو گلوله ي سربي را كه حدود 160 كيلوگرم جرم داشتند، به توپ هاي كوچك دو سر ميله ي چوبي نزديك كرد تا نيروي گرانشي لازم براي جذب كردن آنها ايجاد شود. گلوله ها حركت كردند و در نتيجه سيم تاب برداشت. كاونديش با وصل كردن يك قلم كوچك در دو طرف ميله توانست ميزان جابجايي ناچيز گلوله هارا اندازه بگيرد. وي براي محافظت دستگاه از جريان هوا، آن را كه ترازوي پيچشي ناميده مي شود، درون اتاقكي قرار داد و با يك تلسكوپ ميزان جابجايي را خواند. وي با اين دستگاه توانست مقداري را كه به ثابت گرانشي معروف است، با دقت بسيار زيادي اندازه گيري 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 بدست آورد.(رتبه ي 6)

6-يانگ : آزمايش تداخل نور
 

باورهاي نيوتن همواره درست نبود. او پس از استدلال هاي مختلف به اين نتيجه رسيد كه نور تنها از ذره 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 پرده ي پنجره ايجاد كرد و آن را با يك مقوا كه به وسيله ي سوزن شكاف كوچكي در آن ايجاد كرده بود، پوشاند. سپس، نوري را كه از اين شكاف مي گذشت، با استفاده از يك آيينه منحرف كرد. در مرحله ي بعد، ورقه ي نازكي از كاغذ انتخاب كرد كه فقط يك سي ام اينچ (حدود يك ميلي متر) ضخامت داشت و آن را به طور دقيق در مسير عبور نور قرار داد تا پرتو نور را به دو قسمت تقسيم كند. نتيجه ي اين آزمايش طرحي از نوارهاي متناوب روشن و تاريك بود.
اين پديده را فقط با فرض اينكه پرتوهاي نور همانند موج رفتار مي كنند، مي توان تفسير كرد. نوارهاي روشن وقتي مشاهده مي شوند كه دو قله ي موج با يكديگر همپوشاني و يكديگر را تقويت كنند، اما نوارهاي سياه وقتي ايجاد مي شوند كه يك قله ي موج با موج مخالف آن تركيب شود و يكديگر را خنثي كنند.
اين آزمايش سال هاي 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 دو گانه نيز مشهور است. اين آزمايش بعدها به معياري براي تعيين حركت شبه موجي تبديل شد؛ حقيقتي كه يك قرن بعد، هنگامي كه نظريه ي كوانتوم آغاز شد اهميت بيش از اندازه يي يافت.(رتبه ي 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، چند سال گذشته در قطب جنوب دوباره تكرار شد. اين دانشمندان آونگي را در قطب جنوب نصب كردند و به تماشاي حركت اين آونگ پرداختند. «جين برنارد فوكو» دانشمند فرانسوي يك گلوله ي آهني سي كيلوگرمي را به انتهاي يك مفتول متصل و از سقف كليسايي آويزان كرد و آن را به حركت درآورد تا به سمت عقب و جلو حركت كند. سپس براي آنكه نحوه ي حركت اين آونگ به خوبي مشخص شود، قلمي را به انتهاي گلوله يي كه روي بستري از شن هاي نرم و مرطوب در حال نوسان بود، قرار داد. تماشاچيان در كمال شگفتي مشاهده كردند كه آونگ بطرز غير قابل توجيهي در حال چرخش است، يعني مسير حركت رفت و برگشتي آن در هر تناوب با تناوب قبلي متقاوت است. اما واقعيت اين امر اين است كه اين كف كليسا كه به آرامي حركت مي كرد و به اين ترتيب فوكو توانست با قانع كننده ترين روش ممكن نشان دهد كه زمين حول محور خود در حال گردش است. در عرض جغرافيايي پاريس، آونگ طي هر سي ساعت يك چرخش كامل را در جهت عقربه هاي ساعت انجام مي دهد؛ در نيمكره ي جنوبي همين آونگ خلاف جهت عقربه هاي ساعت به حركت در مي آيد و در نهايت روي خط استوا حركت در اصل چرخشي نيست. همان طور كه دانشمندان عصر جديد نشان دادند زمان تناوب حركت چرخشي پاندول در قطب جنوب برابر 24 ساعت است.(رتبه ي10)

8-ميليكان: آزمايش قطره روغن
 

از دوران باستان دانشمندان الكتريسيته را مورد بررسي قرار داده بودند؛ پديده ي پيچيده يي كه هنگام رعد و برق از آسمان نازل مي شد، يا با كشيدن شانه به موها مي توانستند به راحتي آن را ايجاد كنند. در سال 1897 فيزيكدان انگليسي جي.جي.تامسون اثبات كرد كه الكتريسيته از ذره هايي كه داراي بار منفي هستند، يعني الکترون ها به وجود مي آيد. (آزمايشي كه در واقع بايستي يكي از موردهاي اين فهرست باشد) و كار اندازه گيري بار اين ذره ها در سال 1909 به رابرت ميليكان، دانشمند آمريكايي محول شد.
وي با استفاده از يك عطرپاش، قطره هاي زير روغن را به درون اتاق كوچك شفافي اسپري كرد. در بالا و پايين اين اتاق كوچك، صفحه هاي فلزي قرار داشتند كه به باتري متصل بودند و درنتيجه يكي از صفحه هاي مثبت و صفحه ي ديگر منفي بود. از آنجا كه اين قطره ها هنگام عبور در هوا داراي مقدار جزيي بار الكتريكي مي شد، مي توان سرعت سقوط اين قطره ها را با تغيير ولتاژ صفحه هاي فلزي تنظيم كرد. هنگامي كه نيروي الكتريكي بطور دقيق با نيروي گرانشي برابر شود. قطره هاي روغن همانند ستارگان درخشان در پس زمينه، تاريك به نظر مي رسند و در هوا معلق مي مانند. ميليكان اين قطره ها را يكي 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 كه بار الكتريكي يك مقدار مشخص و ثابت دارد. كوچك ترين بار اين قطره ها چيزي نيست به جز بار يك الكترون منفرد.(رتبه 3)

9-رادرفورد : كشف هسته
 

در سال 1911 كه ارنست رادرفورد در دانگشاه منچستر سرگرم آزمايش در مورد راديو اكتيويته بود، گمان مي رفت كه اتم ها از گلوله هاي نرم و باردار مثبتي تشكيل شده اند كه توسط ذره هايي با بار منفي احاطه مي شوند؛ مدل كيك كشمشي. اما هنگامي كه وي و دستيارانش ذره هاي باردار مثبت كوچكي را كه ذره اي آلفا ناميده مي شدند، 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 ذره ها پس از برخورد با اتم ها كمانه كرده اند.«رادرفورد» نتيجه گرفت اتم هاي واقعي چندان هم نرم نيستند. قسمت اصلي جرم اين اتم ها بايد در مركز اتم ها، كه امروزه هسته ي اتم ناميده مي شود، قرار داشته باشد و الكترون ها اين هسته ها را احاطه كرده اند. با وجود تغييرهايي كه نظريه ي كوانتوم در آن ايجاد كرد، اين تصوير از اتم ها هنوز هم به قوت خود باقي است.(رتبه ي 19)

10-كلاوس جانسون : تداخل يك الكترون منفرد
 

نه گفته هاي نيوتن و نه يانگ هيچ كدام در مورد ماهيت نور بطور كامل صحيح نبود؛ هر چند به سادگي نمي توان گفت نور از ذره تشكيل شده است، خاصيت هاي آن را فقط با استفاده از ماهيت موجي نيز نمي توان بطور كامل تشريح كرد.
طي پنج سال اول قرن بيستم، ماكس پلانك و آلبرت انيشتين نشان دادند كه نور در بسته هايي كه فوتون نام دارد، جذب و نشر مي شود. اما آزمايش هايي براي تعيين ماهيت دقيق نور همچنان ادامه داشت. بعدها تئوري كوانتوم متولد شد و طي چند دهه توسعه يافت و توانست دو نظريه ي پيشين را با يكديگر آشتي داده و نشان دهد كه هر دو مي توانند صحيح باشند ؛ فوتون ها و ساير ذره هاي زير اتمي(همانند الكترون ها، پروتون ها و...) دو چهره از خود بروز مي دهند كه مكمل يكديگرند.
فيزيكدانان براي شرح دادن اين مطلب اغلب از يك آزمايش نظري شناخته شده استفاده مي كنند. آنها ابزارهاي آزمايش شكاف دو گانه ي يانگ را بكار مي برند، اما جاي آنكه نور معمولي بكار ببرند از پرتو الكترون استفاده مي كنند. بر اساس قانون هاي مكانيك كوانتوم، جريان ذره ها به دو پرتو تفكيك مي شوند، پرتوهاي كوچك تر با يكديگر تداخل مي كنند و همان الگوي آشناي نوارهاي متناوب تاريک و روشن را كه توسط نور ايجاد شده بود، از خود نشان مي دهند، يعني ذره ها همانند موج عمل مي كنند.
بر اساس مقاله يي كه در فيزيكس ورلد 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 اينكه كلاوس جانسون در اين سال موفق به انجام اين آزمايش شد. در آن هنگام هيچ كس از نتايج به دست آمده چندان شگفت زده نشد و نتيجه هاي بدست آمده همانند بسياري از موردهاي ديگر بدون آنكه نامي از كسي در ميان باشد به دنياي علم وارد شد.(رتبه 1)
منبع:نشريه 7روز زندگي، شماره100.