تغییر اصول مقدس علم

کار همفری دیوی درباره گازها؛ پژوهش های الکتروشیمیایی

گذر از فعالیت غیر حرفه ای به فعالیت حرفه ای، وضعیت مشهود زندگی همفری دیوی است که جوان تر از دالتون بود، هر چند عمر کوتاه تری داشت. دیوی در 17 دسامبر سال 1778 در پنزانس واقع در کورنوال به دنیا آمد. کورنوال در آن زمان کشوری مستقل و جدا از انگلستان بود و زبان کورنوالی هنوز از بین نرفته بود؛ اما دیوی از سن نوجوانی آرزوهایی در سر داشت که از محدوده کشور محل تولدش فراتر می رفت. رابرت، پدر دیوی، صاحب مزرعه کوچکی بود و به منبت کاری نیز مشغول بود ولی هیچ گاه از نظر مالی موفق نبود. مادر او، گریس، بعدها با زنی فرانسوی که از آشوب انقلاب گریخته بود، مغازه کلاه فروشی زنانه باز کرد. اما شرایط خانواده، به رغم درآمد مناسب، آن قدر خراب بود که همفری 9 ساله (بزرگ ترین از 5 فرزند) را به منزل جان تانکین جراح که پدر خوانده مادر او بود فرستادند. پدر همفری در سال 1794 درگذشت و برای خانواده چیزی بجز قرض باقی نگذاشت. تانکین به دیوی که در مدرسه ترورو (Truro) تحصیل کرده و هیچ گونه استعدادی از خود نشان نداده بود توصیه کرد که در داروخانه محلی کارآموزی کند، با این هدف که برای تحصیل در رشته پزشکی به ادینبورو برود. در همین ایام، دیوی زبان فرانسه را نزد یک کشیش پناهنده فرانسوی فرا گرفت، مهارتی که ارزش فراوان آن کوتاه زمانی پس از آن آشکار شد.
به نظر می رسد که دیوی نوآموز خوش آتیه ای بوده است. او یک برنامه خودآموزی برای خود ترتیب داد که بی شباهت به برنامه بنجامین تامپسون در همین سن نبود. او به راحتی می توانست داروسازی موفق یا حتی پزشک شود. اما زمستان سال 1798 نقطه عطفی در زندگی او بود. او در اواخر سال 1797، نوزده ساله شد و در همان ایام رساله مقدماتی (Traite Elementaire) لاووازیه را به زبان اصلی فرانسوی خواند و به شیمی دلبسته شد. چند هفته بعد، مادر بیوه دیوی که هنوز برای اداره زندگی اش در مضیقه بود، خانه را برای فصل زمستان اجاره داد. این مرد جوان از بیماری سل رنج می برد و او را برای گذراندن فصل زمستان به کورنوال فرستاده بودند که هوای معتدلی داشت. بر حسب اتفاق، این شخص که گرگوری وات (Gregory Watt) نام داشت، پسر جیمز وات بود و در دانشگاه گلاسکو در رشته شیمی تحصیل کرده بود. گرکوری وات و همفری دیوی با یکدیگر دوست شدند و دوستی آنها تا سال 1805، سال درگذشت گرگوری در سن 27 سالگی ادامه داشت. دیوی از این فرصت استفاده کرد و علاقه فزاینده خود را با وات در میان گذاشت. او درسال 1798 با انجام آزمایش هایی، ایده هایش را در زمینه گرما و نور (که در آن زمان هنوز تا حد زیادی در حوزه علم شیمی مورد بررسی قرار می گرفت) به صورت جزوه مفصلی به رشته تحریر درآورد. بسیاری از این ایده ها ساده انگارانه بود و امروز در برابر بررسی دقیق و حتی کم و بیش تقریبی، حرف چندانی برای گفتن ندارد (با این وجود باید اشاره کنیم که دیوی فرضیه کالریک را رد کرد). اما این دستاورد برای جوان 19 ساله شهرستانی که علم را با آموختن نزد خود فرا گرفته بود حائز اهمیت است. دیوی با کمک گرگوری وات و پدرش جیمز (از طریق مکاتبه) به دکتر توماس بدوز (Thomas Beddoes) از دانشگاه بریستول معرفی شد و مقاله خود در زمینه گرما و نور را برای او فرستاد.
بدوز (1808-1760) در ادینبورو تحت نظر جوزف بلک تحصیل کرده بود. پس از اتمام تحصیل، به لندن و بعد به آکسفورد رفت. او پس از تکمیل تحصیلات پزشکی، از سال 1789 تا 1792 به تدریس شیمی پرداخت. او در جریان کشف گازهای مختلف کنجکاو شد و تصمیم گرفت تا برای بررسی امکان استفاده از این گازها در پزشکی کلینیکی راه اندازی کند. او گمان می کرد که هیدروژن در درمان بیماری سل مؤثر است (موردی که از نظر امروزی ها هراس آور است). او به بریستول رفت و در آنجا به حرفه پزشکی مشغول شد و در عین حال به جمع آوری اعتبارات لازم برای راه اندازی مؤسسه ای پرداخت که در سال 1798 تحت عنوان مؤسسه باد (Pneumatic Institute) تأسیس شد. بدوز به دستیاری نیاز داشت که او را در پژوهش های شیمی یاری کند و به این منظور دیوی را برگزید. او در 2 اکتبر سال 1797، در حالی که هنوز چند ماه به بیست سالگی اش مانده بود، پنزانس را ترک کرد.
دیوی در بریستول آزمایش هایی روی اکسید ازت انجام داد که در آن زمان ناشناخته بود. این آزمایش ها شهرت او را در پی داشت. از آنجا که راه دیگری برای آزمودن تأثیر گاز مذکور در بدن انسان نمی دید، حجمی معادل «چهار کوارت»(1) اکسید ازت را پس از خارج کردن هوای ریه های خود تا حد امکان از درون کیسه ای ابریشمی استنشاق کرد. او فوراً خواص مستی آور گاز را کشف کرد و آن را «گاز خنده آور» نام نهاد. این گاز در آن زمان در میان افراد خوش گذران، مشتریان پر و پا قرصی پیدا کرد. دیوی، چندی بعد، در حالی که از درد شدید دندان عقل رنج می برد، برحسب تصادف، به خاصیت تسکین بخش گاز مورد نظر پی برد. او در سال 1799 نوشت «شاید بتوان از مزایای این گاز در عمل های جراحی استفاده کرد» متأسفانه در آن زمان کسی توجهی به این نکته او نکرد. هوراس ولز، دندان پزشک آمریکایی، در سال 1844 پیشگام استفاده از «گاز خنده آور» برای کشیدن دندان شد.
دیوی این آزمایش ها را با استنشاق گازهای مختلف انجام داد و در یک مورد با خطر مرگ مواجه شد. او با ماده ای به نام گاز آب (در واقع مخلوط مونوکسید کربن و هیدروژن) که با عبور بخار از روی زغال گداخته تهیه می شود، آزمایش هایی انجام داد. مونوکسید کربن فوق العاده سمی است و انسان را سریعاً، گر چه بدون درد، به خواب عمیقی فرو می برد که به مرگ منتهی می شود (به همین جهت بسیاری از کسانی که قصد خودکشی دارند، از استنشاق گاز لوله اگزوز اتومبیل استفاده می کنند). دیوی آن قدر فرصت یافت که لوله انتقال گاز را از لبان خود دور کند. بعد از آن بیهوش و دچار سردردهای پس از بیهوشی شد. اما این اکسید ازت بود که نام او را بر سر زبان ها انداخت.
دیوی به مدت ده ماه مطالعات گسترده ای در زمینه خواص شیمیایی و پزشکی این گاز انجام داد و کشفیات خود را در کتابی شامل بیش از هشتاد هزار واژه به نگارش در آورد. نوشتن این کتاب تنها سه ماه طول کشید و در سال 1800 منتشر شد. زمان انتشار آن در پیشرفت شغلی او بسیار مؤثر واقع شد. او در سال 1800 پژوهش درباره اکسید ازت را به پایان رساند و با خبردار شدن از اختراع (یا کشف) پیل گالوانی توسط ولتا به الکتریسیته علاقه مند شد؛ او از آزمایش کلاسیک تجزیه آب به اکسیژن و هیدروژن به وسیله جریان الکتریکی شروع کرد و به این نتیجه رسید که بین شیمی و الکتریسیته ارتباط مسلمی وجود دارد. در همین احوال، کنت رامفورد (نام جدید بنجامین تامپسون) در حال راه اندازی انجمن سلطنتی در لندن بود. انجمن در مارس سال 1799 تأسیس شد اما توماس گارنت، اولین استاد شیمی انجمن، موفقیت چندانی نداشت. اولین سخنرانی های او به خوبی برگزار شد اما دومین مجموعه سخنرانی ها از برنامه ریزی مناسبی برخوردار نبود و هیجانی در شنوندگان ایجاد نکرد. این عدم توفیق بی دلیل نبود. همسر گارنت در همان ایام درگذشت و به نظر می رسید که گارنت دیگر به هیچ چیز علاقه ندارد. او در سال 1802 در سن 36 سالگی درگذشت. دلایل ناکامی گارنت هر چه بود، رامفورد می باید برای تقویت انجمن و حمایت از آن سریعاً دست به کار می شد. او از دیوی که در آسمان شیمی بریتانیا ستاره درخشان و تابنده ای بود، به عنوان دستیار تدریس شیمی و رئیس آزمایشگاه انجمن دعوت به کار کرد. حقوق او 100 گینی در سال تعیین شد. علاوه بر آن، او می توانست در انجمن سلطنتی مقیم شود و امکان ارتقاء شغلی نیز مطرح بود. دیوی پذیرفت و در 16 فوریه سال 1801 در انجمن مشغول به کار شد. او به عنوان سخنران هم از نظر اجرا و ایجاد هیجان و هم از نظر خوش رویی و جلب نظر خانم های حاضر در سخنرانی ها موفقیت درخشانی داشت. گارنت (که از سوی رامفورد تحت فشار قرار گرفته بود)، به زودی، استعفا داد و دیوی در ماه مه سال 1802 به عنوان استاد شیمی، به جای او، مشغول به کار شد. اندکی پیش از آن، رامفورد لندن را ترک کرد و مقیم پاریس شد. دیوی در آن ایام 23 ساله بود و از آموزش رسمی، فراتر از آنچه در مدرسه ترورو فرا گرفته بود، بهره ای نداشت. به این ترتیب، او از شمار آخرین دانشمندان غیرحرفه ای بزرگ است (گر چه به بیان دقیق تر، آقامنش نبود). اما از سوی دیگر، او به عنوان حقوق بگیر انجمن، از اولین دانشمندان حرفه ای محسوب می شود.
به رغم اینکه معمولاً از دیوی به عنوان دانشمندی درحیطه دانش «خالص» یاد می شود، اما بزرگ ترین دستاورد او در عصر خودش عبارت از ترویج علم، از دو جنبه عمومی در انجمن سلطنتی و صنعتی، در امور کشاورزی بود. به عنوان مثال، او با همکاری شورای کشاورزی، چند سخنرانی قابل توجه در زمینه کاربرد شیمی در کشاورزی ارائه کرد. مهارت دیوی، هم از نظر اهمیت موضوع و هم از نظر توانایی اش در ایراد سخنرانی را از آنجا می توان محک زد که در سال 1810 از او دعوت شد که در ازای دریافت 500 گینی در شهر دوبلین سخنرانی کند (که شامل یک سخنرانی در زمینه الکتروشیمی بود)؛ یک سال بعد، در ازای 750 گینی، چند سخنرانی دیگر ارائه کرد که در حدود هفت برابر اولین حقوقش در انجمن سلطنتی در سال 1801 بود. او از طرف ترینیتی کالج دوبلین، دکترای افتخاری حقوق نیز دریافت کرد. این تنها مدرکی بود که او دریافت کرد.
جان دالتون که در چند سخنرانی او در دسامبر سال 1803 (همان سالی که دیوی به عضویت انجمن سلطنتی درآمد) در انجمن سلطنتی شرکت کرد، تصویر روشنی از روش دیوی در آماده کردن سخنرانی های خود ارائه می دهد. دالتون نقل می کند که چگونه دیوی مطالب اولین سخنرانی خود را به طور کامل آماده کرد و او (دالتون) را در شب پیش از سخنرانی به سالن اجتماعات برد و از او خواست که مطالب خود را در حضور او ایراد کند، در حالی که خود در گوشه انتهای سالن نشسته بود و گوش می داد: «روز بعد مطالب خود را در حضور جمعیتی بالغ بر 150 تا 200 نفر خواندم... آنها در پایان سخنرانی با تشویق فراوان از من تجلیل کردند»(2) اما دیوی (همان طور که خواهیم دید)، مانند بسیاری از هم عصران خود، در پذیرش کامل نتایج مدل اتمی دالتون دچار تردید بود.
دیوی در سال 1806، با تحلیلی استادانه، خلاصه پژوهش هایش در حوزه الکتروشیمی را در قالب سخنرانی هایی با عنوان بیکرین (Bakerian) در انجمن سلطنتی گزارش کرد. این سخنرانی ها آن قدر استادانه و تأثیرگذار بود که آکادمی فرانسه در سال بعد، به رغم درگیری جنگ بین بریتانیا و فرانسه، مدال و جایزه ای به او اعطا کرد. پس از این رویداد، دیوی با گذراندن جریان های الکتریکی از پتاس و سود سوزآور، دو فلز جدید را جدا کرد و آنها را پتاسیم و سدیم نامید. در سال 1810، دیوی کلر را جدا و نام گذاری کرد. او با ارائه تعریف دقیقی از ماهیت عنصر به عنوان ماده ای که به وسیله هیچ فرایند شیمیایی قابل تجزیه نیست، نشان داد که کلر یک عنصر است و پایه بنیادی همه اسیدها، هیدروژن و نه اکسیژن است. این مورد نقطه اوج زندگی حرفه ای دیوی در مقام یک دانشمند بود و از بسیاری از جهات، او بعدها هرگز به این توانایی و قابلیت دست نیافت. علت آن تا اندازه ای به فقدان تحصیلات رسمی مربوط می شود که او را گاهی اوقات به انجام کارهای سردستی بدون تحلیل کمّی مناسب هدایت می کرد. او تا اندازه ای نیز دل مشغول شهرت و ثروت بود، به گونه ای که از موقعیت خود بیشتر برای کسب فرصت های اجتماعی و کمتر برای کارهای علمی استفاده می کرد. او در سال 1812 لقب سِر گرفت. سه روز بعد با بیوه ثروتمندی ازدواج کرد و چند ماه پس از آن، مایکل فارادی (جانشین بعدی اش) را به عنوان دستیار در انجمن سلطنتی منصوب کرد. در همان سال او از سال پست خود به عنوان استاد شیمی انجمن سلطنتی استعفا کرد و ویلیام براند (1866-1788) جانشین او شد. در عین حال، او نقش خود به عنوان رئیس آزمایشگاه انجمن را حفظ کرد. سپس به همراه همسر خود (و فارادی) با گذرنامه ویژه ای که فرانسه در اختیار این دانشمند مشهور قرار داده بود (جنگ تا سال 1815 ادامه داشت) به منظور انجام سفری گسترده به اروپا رفت. پس از بازگشت از سفر، «چراغ ایمنی» کارگران معدن را که نام او بر آن نهاده شد، طراحی کرد. توسعه این طرح (بر خلاف رهیافت معمول دیوی) آن قدر موشکافانه و پرزحمت بود که برخی از مفسران گوشزد کرده اند که فارادی نیز نقش مهمی در آن داشته است. در سال 1818، دیوی به لقب بارونت مفتخر و در سال 1820 به عنوان رئیس انجمن سلطنتی انتخاب شد. او از تشریفات معمول این شغل لذت می برد و آن قدر به مقام خود فخر می کرد که در سال 1824 تنها عضوی بود که با انتخاب فارادی به عضویت انجمن مخالفت کرد. اما از سال 1825 به بعد پیوسته بیمار بود؛ او از ریاست آزمایشگاه انجمن سلطنتی کناره گرفت و دیگر سهمی در زمینه علم انگلستان نداشت. از سال 1827 به بعد به فرانسه و ایتالیا سفر کرد که آب و هوای معتدل تری داشت و در 29 مه سال 1829 در سن پنجاه و یک سالگی، احتمالاً در اثر سکته قلبی، در شهر ژنو درگذشت.
اگر همفری دیوی یکی از اولین کسانی بود که در جریان فرایند طولانی مدت حرفه ای شدن علم قرار گرفت، زندگی حرفه ای جان دالتون نشان می دهد که این فرایند تا اولین دهه های قرن نوزدهم مسیری طولانی را در پیش رو داشت. دالتون در دهکده ایگلزفیلد (Eaglesfield) در استان کامبرلند، احتمالاً در اولین هفته سپتامبر سال 1766 به دنیا آمد. خانواده او کویکری بودند اما به دلایلی، تاریخ تولد او در دفتر کویکرها ثبت نشد. ما می دانیم که سه نفر از خواهران و برادران او در دوران کودکی درگذشتند و دو نفر دیگر به نام های جاناتان و ماری، جان به در بردند. جاناتان از همه بزرگ تر بود اما روشن نیست که بین ماری و جان، کدام یک جوان تر بوده است. خانواده در کلبه دو اتاقه ای زندگی می کرد. یک اتاق به کار و سایر امور خانواده اختصاص داشت و از اتاق دیگر به عنوان اتاق خواب استفاده می شد. دالتون به مدرسه کویکرها رفت و در آنجا اجازه داشت به جای یادگیری اجباری زبان لاتین، علاقه خود به ریاضیات را پی بگیرد. او مورد توجه الیهو رابینسون (Elihu Robinson)، کویکر ثروتمند محلی، قرار گرفت و وی کتاب ها و مجلات خود را در اختیار دالتون قرار داد. دالتون در سن 12 سالگی مجبور شد که سهمی در مخارج خانواده داشته باشد. او ابتدا به تدریس کودکان خردسال تر از خود پرداخت (قد و قواره برخی از آنها از او بزرگ تر بود). محل تدریس، منزل او و یا محل گردهمایی کویکرها بود اما درآمد او از تدریس ناچیز بود؛ در نتیجه او به کشاورزی روی آورد. در سال 1781، او توسط برادرش جاناتان، از کار مزرعه خلاص شد و برای کمک به جورج بیولی (George Bewley)، پسر عمویش که تصمیم گرفته بود در کندال (Kendal) مدرسه ای برای کویکرها دایر کند، به برادرش پیوست. کندال شهری در حال پیشرفت بود و کویکرهای زیادی در آن زندگی می کردند. این دو برادر پس از کناره گیری پسر عمویشان در سال 1785، اداره مدرسه را به عهده گرفتند. خواهرشان از مدرسه نگهداری می کرد و جان دالتون تا سال 1793 در آنجا ماند. او به تدریج علایق علمی خود را توسعه داد و در مجلات مردم پسند آن زمان سؤالاتی مطرح می کرد و پاسخ هایی می داد. او به مشاهدات طولانی هواشناسی پرداخت و آنها را روزانه از 24 مارس سال 1787 تا هنگام مرگش ثبت می کرد.
کار دالتون در مدرسه به علت محدودیت امکانات و دستمزد ناچیزی به بن بست رسید و او مأیوس شد. او به فکر افتاد که وکیل یا پزشک شود و هزینه تحصیل پزشکی در ادینبورو را محاسبه کرد (از آنجا که یک کویکر بود نمی توانست در آکسفورد یا کمبریج تحصیل کند، حتی اگر هزینه را می پرداخت). بدون تردید او از استعداد کافی برای رسیدن به این هدف برخوردار بود. اما دوستانش به او گوشزد کردند که هوس دستیابی به مبلغ لازم برای رسیدن به این هدف را به دل راه ندهد. دالتون از طرفی برای دستیابی به پول بیشتر و از طرف دیگر به خاطر ارضای گرایش های علمی خود شروع به ارائه سخنرانی های عمومی در قبال پرداخت مبالغ کم کرد. او به تدریج دامنه جغرافیایی فعالیت خود را تا آن سوی شهر منچستر توسعه داد. تا اندازه ای در نتیجه شهرتی که در کار خود به دست آورد، در سال 1793، معلم ریاضی و فلسفه طبیعی در کالج جدید منچستر شد. این کالج در سال 1786 تأسیس شده بود و به طرزی خشک و رسمی «کالج جدید» نام گرفته بود. کتابی از مشاهدات هواشناسی او که در کندال نوشته شده بود، پس از عزیمت به منچستر منتشر شد. دالتون در پیوست این کتاب، ماهیت بخار آب و ارتباط آن با هوا را مورد بحث قرار می دهد و بخار را بر اساس ذراتی که در بین ذرات هوا وجود دارند توصیف می کند. به نظر او «فشارهای برابر و مخالف» ذرات هوا که ذره بخار را احاطه کرده اند، «از نزدیک شدن آن به ذره بخار دیگری جلوگیری می کنند و در نتیجه چگالش رخ نمی دهد». با نگاه به گذشته می توان این فرضیه را پیشگام نظریه اتمی او دانست.(3)
منچستر در 50 سال اقامت دالتون، شهری در حال توسعه سریع بود و صنعت پنبه از کلبه های روستایی به کارخانجات در شهرها منتقل می شد. دالتون خود مستقیماً در صنعت درگیر نبود، اما او نیز جزئی از این جریان توسعه سریع به حساب می آمد، چرا که دلیل اصلی وجود مؤسسات آموزشی مانند «کالج جدید» آن بود که جوابگوی تأمین مهارت های فنی لازم ساکنان روزافزون شهرها برای مطابقت با این نحوه جدید زندگی باشد. دالتون تا سال 1799 به تدریس اشتغال داشت؛ او دیگر به اندازه کافی شناخته شده بود که به عنوان معلم خصوصی زندگی مرفهی داشته باشد و تا پایان عمر در منچستر ماند. یکی از دلایل شهرت دالتون به محض ورود به منچستر آن بود که او کوررنگ بود. او پیش از آن به این نارسایی خود پی نبرده بود ولی بعداً متوجه شد که نمی تواند رنگ ها را مانند دیگران ببیند. برادر او هم همین وضع را داشت. آن دو به ویژه رنگ های آبی و صورتی را تشخیص نمی دادند. دالتون در 31 اکتبر سال 1794 مقاله ای را برای جامعه فلسفی و ادبی منچستر قرائت کرد و در آن جزئیات شرایط خود را شرح داده بود. این موضوع به زودی به دالتونیسم مشهور شد (نامی که هنوز در بعضی از مناطق دنیا رایج است).
در طول ده سال بعد، علاقه دالتون به هواشناسی او را به تفکر عمیق درباره مخلوط گازها بر اساس ایده های مطرح درباره بخار آب برانگیخت. او هیچ گاه این ایده را توسعه نداد که گاز از تعداد عظیمی از ذرات تشکیل شده است که پیوسته در جنبش هستند و با یکدیگر و با دیوارهای محفظه برخورد می کنند. او در عوض گاز را ایستا می پنداشت و فکر می کرد که گاز از ذراتی تشکیل شده است که توسط فنر از یکدیگر جدا شده اند. اما به رغم این عامل بازدارنده، او تا آنجا پیش رفت که ارتباط بین حجم اشغال شده توسط گازها در شرایط مختلف دما و فشار، طرز حل شدن گازها در آب و تأثیر وزن ذرات منفرد گاز بر خواص کلی آنها را مورد بررسی قرار بدهد. او در سال 1801 به قانون فشار جزئی دست یافت که بنابر آن، فشار کلی ایجاد شده توسط مخلوط گازها در یک محفظه، با مجموع فشار هر یک از این گازها در همین شرایط (در دمای یکسان و در همان محفظه) برابر است.

مدل اتمی جان دالتون؛ اولین گفتار درباره وزن اتمی

بازسازی دقیق اندیشه دالتون به علت ناپیوستگی یادداشت های او غیر ممکن است. اما او در اوایل دهه 1800 متقاعد شده بود که نوع اتم تشکیل دهنده هر عنصر متفاوت است و آن ویژگی که هر عنصر را از عنصر دیگر متمایز می کند، وزن اتم هاست. اتم های بنیادی نه آفریده می شوند و نه از بین می روند. اما طبق قواعد خاصی با یکدیگر ترکیب می شوند و «اتم های مرکب» می سازند ( که آنها را مولکول می نامیم). دالتون حتی به روشی برای نشان دادن عناصر با نمادها دست یافت. اما این ایده هیچ گاه در سطح وسیع پذیرفته نشد و به زودی جای خود را به نمایش الفبایی بر اساس نام عناصر داد (در بعضی موارد بر پایه نام های لاتین آنها) که اکنون رایج است. شاید بزرگ ترین اشکال مدل دالتون عدم توجهش به این موضوع بود که عناصری مانند هیدروژن از مولکول ها و نه اتم ها، یعنی و نه H تشکیل شده است. تا اندازه ای به همین علت، او در شناسایی برخی از ترکیبات مولکولی مرتکب اشتباه شد و با طرز نمایش امروزی، آب را به صورت بخش هایی از مدل دالتون در قالب مقالات مختلف و سخنرانی ها ارائه شد، اما اولین شرح کامل این ایده در سخنرانی های انجمن سلطنتی در دسامبر سال 1803 و ژانویه سال 1804 عرضه شد. در طول این سخنرانی ها، دیوی به دالتون کمک کرد تا ارائه اش هر چه بیشتر شفاف باشد. این سیستم را توماس تامسون در چاپ سوم کتابش تحت عنوان سیستم شیمی (System of Chemistry) در سال 1807، بی آنکه ارزش خاصی برای آن قائل شود و خود دالتون در کتابش تحت عنوان سیستم جدید فلسفی شیمی (A New System of Chemical Philosophy) تشریح کرد. این شرح شامل ارائه تخمین اوزان اتمی بود و در سال 1808 منتشر شد (اولین جداول اوزان اتمی در آخر مقاله دالتون در سال 1803 درج شده بود).
به رغم اینکه مدل دالتون مدرن و توانمند به نظر می آمد، اما در پایان اولین دهه قرن نوزدهم توفانی در جهان علم ایجاد نکرد. بسیاری از مردم، گاهی اوقات به علل فلسفی، به سختی می توانستند ایده اتم را بپذیرند (با این فرض که در فضای بین اتم ها هیچ چیزی وجود ندارد). حتی بسیاری از کسانی که از این ایده استفاده کردند، آن را تنها ابزاری اکتشافی برای آموزش تلقی می کردند. ابزاری که چگونگی رفتار عناصر را بدون توجه به این موضوع که از ذرات ریزی تشکیل شده اند، بررسی می کرد. تقریباً یک قرن گذشت تا اتم دالتونی به عنوان یکی از ویژگی های واقعی ماده در شیمی تثبیت شد و سرانجام در سال های آغازین قرن بیستم (تقریباً یک صد سال پس از ارائه نظریه دالتون) وجود اتم ها به اثبات رسید. دالتون خود سهم دیگری در توسعه این ایده ها نداشت، اما در طول زندگی طولانی اش افتخارات زیادی به دست آورد (از جمله در سال 1822 عضو انجمن سطنتی و در سال 1830 جانشین دیوی به عنوان یکی از هشت همکار خارجی آکادمی فرانسه شد). او در 27 ژوئیه سال 1844 درگذشت و مراسم خاکسپاری با توجه به سبک زندگی کویکری او کاملاً دور از انتظار بود. در این مراسم یک صد کالسکه به دنبال جنازه حرکت می کرد. در آن زمان نظریه اتمی به تدریج به دانشی مقبول بدل می شد.

یاکوب برسلیوس و مطالعه عناصر

گام کلیدی بعدی در توسعه ایده دالتون را (یونس) یاکوب برسلیوس، شیمی دان سوئدی، برداشت که در 20 اوت سال 1779 در وورسوندا (Vaversunda) به دنیا آمد. پدرش معلم بود و در 4 سالگی برسلیوس درگذشت. مادرش با کشیشی به نام آندرس اکمارک (Anders Ekmarck) ازدواج کرد. مادر در سال 1788 درگذشت و برسلیوس به خانه عموی خود رفت تا با خانواده او زندگی کند. او در سال 1796 تحصیل در رشته پزشکی را در دانشگاه اوپسالا آغاز کرد و تحصیلات خود را تنها به خاطر تأمین هزینه های تحصیل دچار وقفه کرد. برسلیوس در سال 1802 دکترای پزشکی گرفت. او سپس به استکهلم رفت و در آنجا ابتدا به عنوان دستیار، بدون حقوق، نزد ویلهلم هیسینگر (Wilhelm Hisinger) (1852-1766) شیمی دان کار کرد. سپس کار مشابهی به عنوان دستیار استاد پزشکی و داروسازی کالج پزشکی استکهلم به دست آورد؛ او در این کار آن قدر موفق بود که پس از فوت استاد در سال 1807 به جانشینی او منصوب شد. او به زودی پزشکی را کنار گذاشت و به شیمی روی آورد.
برسلیوس در ابتدا به مطالعه در حوزه الکتروشیمی پرداخت و مانند دیوی از کارهای ولتا الهام گرفت. اما به علت برخورداری از تحصیلات رسمی، آزمایشگری بسیار موشکاف تر از دیوی بود. او اولین کسی بود که این ایده را فرمول بندی کرد که مواد مرکب از قسمت هایی با الکتریسیته مثبت و قسمت هایی با الکتریسیته منفی تشکیل می شوند (گر چه نه به بیان کامل امروزی). در ضمن او یکی از حامیان اولیه نظریه اتمی دالتون بود. برسلیوس از سال 1810 به بعد برای اندازه گیری نسبت های ترکیب عناصر با یکدیگر آزمایش هایی انجام داد (او تا سال 1816 دو هزار ماده مرکب را بررسی کرد). این راهی طولانی برای فراهم کردن شالوده تجربی مورد نیاز نظریه دالتون بود و برسلیوس بر اساس آن، جدول نسبتاً دقیقی از اوزان اتمی تمام چهل عنصر شناخته شده در آن زمان تهیه کرد (اوزان نسبت به اکسیژن تعیین شده بود نه هیدروژن). او همچنین سیستم نام گذاری جدید الفبایی را ابداع کرد، گر چه مدتی طول کشید تا دانشمندان به طور گسترده از این سیستم استفاده کنند. به موازات این کارها، برسلیوس و همکارانش در استکهلم، چند عنصر«جدید»، از جمله سلنیوم، توریوم، لیتیوم و وانادیوم را جداسازی و نام گذاری کردند.
در همین ایام بود که شیمی دان ها به فکر گروه بندی عناصر در «خانواده هایی» با خواص شیمیایی مشابه افتادند. به این ترتیب برسلیوس نام «هالوژن ها» (به معنی نمک ساز) را به گروهی از عناصر داد که شامل کلر، بروم و ید بود. او که در ابداع نام ها خبره بود، عبارت «شیمی آلی»، «کاتالیز» و «پروتئین» را ساخت. کتاب درس شیمی او (Textbook of Chemistry) که برای اولین بار در سال 1803 منتشر شد، چندین بار تجدید چاپ شد و بسیار تأثیرگذار بود. پادشاه سوئد به پاس مقام او در علم شیمی و احترامی که در سوئد برای او قائل بودند، در شب ازدواج او در سال 1835 لقب بارون را به او اعطا کرد. برسلیوس در سال 1848 در استکهلم درگذشت.

عدد آووگادرو

اما نه برسلیوس و نه دالتون (و نه هیچ کس دیگری در آن زمان) به دو ایده ای که توأماً ایده اتم را تثبیت کرد، دست نیافت. هر دوی این ایده ها در سال 1811 فرمول بندی شد. ژوزف لویی گی لوساک (Joseph Louis Gay-Lussac)(1850-1778)، شیمی دان فرانسوی، در سال 1808 پی برد که گازها به نسبت های حجمی ساده با یکدیگر ترکیب می شوند و حجم ترکیبات حاصل از برهم کنش (اگر آنها نیز در حالت گاز باشند) بر اساس رابطه ای ساده با حجم گازهای واکنش دهنده اولیه ارتباط دارد. به عنوان مثال، دو حجم از هیدروژن با یک حجم از اکسیژن ترکیب می شود و دو حجم از بخار آب به وجود می آورد. گی-لوساک این ایده را در سال 1809 منتشر کرد. این اکتشاف همراه با آزمایش هایی بر این اساس که انبساط و انقباض گازها از قوانین مشترکی پیروی می کنند، آمادئو آووگادروی ایتالیایی (1856-1776) را در سال 1811 به بیان این فرضیه هدایت کرد که هر حجم معینی از گاز در دمای معین تعداد ذرات مشخصی دارد. در واقع او از واژه «مولکول ها» استفاده کرد، در حالی که دالتون از واژه «اتم» در مورد اتم و مولکول به یک معنا استفاده کرد. برای سادگی، ما از واژه گزینه جدید استفاده می کنیم. فرضیه آووگادرو، کشف گی-لوساک را تشریح کرد که بنابر آن، به عنوان مثال، هر مولکول اکسیژن که حاوی دو اتم از این عنصر است، می تواند تقسیم و با مولکول های هیدروژن ترکیب شود. این بینش که اکسیژن (و عناصردیگر) می توانند به شکل مولکول چند اتمی وجود داشته باشند (در این حالت O_2 به جای o) گامی کلیدی به پیش بود. بنابراین دو حجم هیدروژن، دو برابر یک حجم اکسیژن مولکول دارد و زمانی که با هم ترکیب می شوند، یک مولکول اکسیژن، یک اتم در اختیار زوج مولکول های هیدروژن می گذارد و تعداد مولکول های حاصل با تعداد مولکول های موجود در حجم اولیه هیدروژن برابر است.
با استفاده از نمادهای امروزی:

فرضیه ویلیام پروت درباره وزن اتمی

ایده های آووگادرو در آن زمان با مانعی سخت روبه رو شد و توسعه فرضیه اتمی تا چندین دهه پیشرفت محسوسی نداشت و به علت عدم امکان انجام آزمایش هایی برای آزمودن فرضیه، دچار نارسایی بود. طنز قضیه در آنجاست که آزمایش ها درست به اندازه ای مناسب بودند که در ایده جالب دیگری که در همین زمان مطرح شد ایجاد تردید کنند. در سال 1815، ویلیام پروت (1850-1785)، شیمی دان انگلیسی، با استفاده از کارهای دالتون نظر داد که اوزان اتمی همه عناصر، ضرایب صحیحی از وزن اتمی هیدروژن اند. این فرضیه به طور غیرمستقیم به این نتیجه منجر می شود که عناصر سنگین به نحوی از هیدروژن ساخته شده اند. فنون آزمایشی نیمه اول قرن نوزدهم نشان داد که این ارتباط برقرار نیست و بسیاری از اوزان اتمی که با روش های شیمیایی تعیین شده است، قابل فروکاستن به ضرایب صحیح دقیقی از وزن اتمی هیدروژن نیست؛ معما در قرن بیستم و با کشف ایزوتوپ ها حل شد (ایزوتوپ ها اتم های همان عنصر با وزن اتمی اندکی متفاوت اند، در حالی که هر ایزوتوپ ضریب دقیقی از وزن اتمی یک اتم هیدروژن است). به این ترتیب اوزان اتمی که با روش شیمیایی تعیین شده اند، میانگین اوزان اتمی تمام ایزوتوپ های آن عنصر هستند. همچنین معلوم شد که فرضیه پروت رهیافتی کلیدی درباره ماهیت اتم ها است.
موشکافی های شیمی در سطح اتمی به مدت نیم قرن پیشرفت محسوسی نداشت، اما با این وجود، درک رویدادها در سطحی عمیق تر از ساختار شیمی حاصل شد. آزمایش ها امیدبخش بود و به این آگاهی منجر شد که می توان مواد را به دو گونه شیمیایی تقسیم کرد. اگر موادی مانند آب یا نمک معمولی را گرم کنیم چنین به نظر می رسد که مشخصات آنها تغییر می کند (داغ و برافروخته به رنگ قرمز، مذاب، به صورت بخار و غیره). اما زمانی که آنها را سرد می کنیم به حالت شیمیایی اولیه خود بر می گردند. بعضی مواد دیگر مانند شکر یا چوب در اثر دما کاملاً تغییر می کنند و بنابراین بسیار دشوار است که به عنوان مثال تکه چوب سوخته ای را به حالت «پیش از سوختگی» در آورد. در سال 1807 برسلیوس تفاوت بین این دو نوع از مواد را نشان داد. گروه اول از مواد به سیستم های غیر زنده ارتباط دارد و گروه دوم به سیستم های زنده. بنابراین او نام های «کانی»(یا معدنی) و «آلی» را انتخاب کرد. با توسعه علم شیمی آشکار شد که ترکیب مواد آلی در بیشتر موارد پیچیده تر از مواد معدنی است؛ اما این فکر مطرح شد که ماهیت مواد آلی در ارتباط با «نیروی زندگی» است و این بینش موجب شد که طرز بررسی شیمی در موجودات زنده و مواد غیر زنده، به طور متفاوت، توسعه پیدا کند.

فردریش وهلر: مطالعه مواد آلی و معدنی

نتیجه ایده های فوق آن بود که مواد آلی از سیستم های جاندار ساخته می شوند. اما کشف فردریش وهلر (Friedrich Wohler)(1882-1800)، شیمی دان آلمانی، در سال 1828 شگفتی زیادی برانگیخت. او در جریان آزمایش هایی با هدف کاملاً متفاوتی به این نتیجه دست یافت که اوره (یکی از مواد تشکیل دهنده ادرار) را می توان با گرم کردن ماده ساده ای به نام سیانات آمونیوم تولید کرد. در آن زمان سیانات آمونیوم را ماده ای معدنی می دانستند. این آزمایش و آزمایشهای نظیر آن نشان داد که مواد آلی از مواد بی ارتباط به حیات به وجود می آمد و به این ترتیب تعریف مواد «آلی» تغییر کرد. در پایان قرن نوزدهم آشکار بود که هیچ نیروی اسرار آمیزی در واکنش های شیمی آلی دخالت ندارد و دو عامل است که مواد آلی را از مواد معدنی متمایز می کند. اول آنکه ترکیبات آلی اغلب پیچیده اند، به این معنا که هر مولکول آنها از تعداد زیادی از اتم های عناصر مختلف تشکیل شده است. دوم آنکه ترکیبات آلی همگی کربن دارند (موردی که در واقع دلیل پیچیدگی آنهاست، زیرا همان طور که خواهیم دید، اتم های کربن می توانند به روش های جالب متعددی با تعداد زیادی از اتم های عناصر دیگر یا با اتم های کربن ترکیب شوند). در نتیجه سیانات آمونیوم که کربن دارد به عنوان ماده ای آلی در نظرگرفته می شود. اما این موضوع به هیچ وجه از اهمیت کشف وهلر نمی کاهد. امروز حتی می توان رشته های کامل DNA را با استفاده از مواد معدنی معمولی در آزمایشگاه تهیه کرد.
امروزه به طورمعمول، مولکول آلی را ماده ای تعریف می کنند که کربن داشته باشد و شیمی آلی، شیمی کربن و ترکیبات آن است. حیات به عنوان محصول شیمی کربن تعبیر می شود و از همان قواعدی پیروی می کند که بر دنیای اتم ها و مولکول ها حاکم است. این موضوع توأم با ایده های داروین و والاس درباره تکامل، در قرن نوزدهم، یک دگرگونی اساسی درباره جایگاه نوع بشر در جهان ایجاد کرد. انتخاب طبیعی چنین می گوید که ما جزئی از قلمرو حیوانات هستیم و گواهی بر یگانه بودن «روح» انسان وجود ندارد؛ شیمی عنوان می کند که حیوانات و گیاهان جزئی از دنیای فیزیکی هستند و گواهی بر وجود «نیروی حیاتی» خاص موجود نیست.

ظرفیت (والانس)

شیمی در همین ایام به موضوع اتم ها پرداخت. یکی از مفاهیم کلیدی که در این دهه پرابهام پدیدار شد، مفهوم ظرفیت بود. درسال 1852، ادوارد فرانکلند (1899-1825)، شیمی دان انگلیسی، اولین تحلیل تقریباً دقیق از مفهوم ظرفیت را ارائه کرد. این مفهوم، مقیاسی برای سنجش قابلیت واکنش دادن یک عنصر با عناصر دیگر است. به زودی معلوم شد که ظرفیت عبارت از قابلیت یک اتم خاص در ترکیب شدن با یک اتم دیگر است. یکی از اصطلاحاتی که در میان عبارات فراوان دیگر برای تشریح این خاصیت به کار رفت، واژه «معادل»(equivalence) بود که پس از تغییر به واژه «هم ارزی» (equivalency) به واژه امروزی «ظرفیت» (Valency) تغییر کرد. بر حسب ترکیبات شیمیایی، از بعضی جهات می توان گفت که دو مقدار هیدروژن معادل یک مقدار اکسیژن، یک مقدار ازت معادل سه مقدار هیدروژن و غیره است. در سال 1858، آرچیبالد کوپر اسکاتلندی (1892-1831) مقاله ای نوشت و در آن ایده پیوندها (bonds) را در شیمی معرفی کرد. این عبارت، نمایش ظرفیت و چگونگی ترکیب اتم ها را ساده می کند. به بیان امروزی، ظرفیت هیدروژن1 است، به این معنا که می تواند از طریق یک پیوند با اتم های دیگر ترکیب شود. ظرفیت اکسیژن 2 است و در نتیجه می تواند از طریق دو پیوند با اتم های دیگر ترکیب شود. بنابراین منطقی است اگر بگوییم که هر یک از دو پیوندی که به یک اتم اکسیژن «تعلق دارد» با یک اتم هیدروژن ترکیب می شود و آب یعنی تشکیل می دهد. در رابطه اخیر، خط تیره به معنی پیوند است. به طرز مشابهی، ظرفیت ازت 3 است و بنابراین می تواند با سه اتم هیدروژن ترکیب شود و آمونیاک یا تولید کند. اما این پیوندها می توانند همچنین بین اتم های یک مولکول برقرار شوند، مانند اکسیژن نیز نوشته می شود. کربن چهار ظرفیت دارد و بنابراین با چهار اتم جداگانه از جمله اتم های دیگر کربن به طور همزمان پیوند برقرار می کند.(4) این ویژگی در قلب شیمی کربن قرار دارد. کوپر گوشزد کرد که ترکیبات پیچیده کربن که اساس شیمی آلی را تشکیل می دهند، از زنجیره ای از اتم های کربن تشکیل می شوند و آنها به این ترتیب «دست به دست هم می دهند» و اتم های دیگر به پیوندهای «اضافی» موجود در اطراف زنجیره متصل می شوند. انتشار مقاله کوپر به تعویق افتاد و همین ایده را شیمی دانی آلمانی به نام فردریش ککوله(1896-1829) به طور مستقل پیش از مقاله کوپر منتشر کرد؛ انتشار مقاله ککوله در آن زمان کار کوپر را تحت الشعاع قرار داد. هفت سال بعد، ککوله به این بینش الهام آمیز دست یافت که اتم های کربن به صورت حلقه با هم پیوند دارند (در بیشتر موارد حلقه ای شامل شش کربن، حلقه ای شش گوش تشکیل می دهند) و پیوندهایی از حلقه خارج شده و به اتم های دیگر (یا حتی به حلقه های دیگر اتم ها) متصل می شوند.
استانیسلاو کانیتسارو: تمایز بین اتم ها و مولکول ها
در اواخر دهه 1850، ایده هایی مانند ایده های کوپر و ککوله بر سر زبان ها بود و زمان آن فرا رسیده بود که دانشمندی بیاید و دوباره نتایج آووگادرو را مورد توجه قرار دهد. این دانشمند استانیسلاو کانیتسارو بود و به رغم فعالیت های علمی اش، داستان زندگی اش آن قدر هیجان انگیز است که نمی توان در برابر بازگویی مختصر آن مقاومت کرد. کانیتسارو پسر یک قاضی، در 13 ژوئیه سال 1826در شهر پالرمو واقع در سیسیل ایتالیا به دنیا آمد. او در شهرهای پالرمو، ناپل، پیزا و تورن تحصیل کرد و به عنوان دستیار آزمایشگاه از سال 1845 تا 1847 در پیزا مشغول به کار شد. او سپس به سیسیل بازگشت تا در شورشی ناموفق علیه رژیم بوربون، پادشاه ناپل، شرکت کند. این شورش جزئی از قیام های سال 1848 بود که مورخان آن را «سال انقلاب ها» در اروپا می نامند (پدر کانیتسارو در آن زمان رئیس پلیس بود و این موضوع نشان می دهد که زندگی او از دو جهت جالب توجه بوده است). کانیتسارو پس از سرکوبی قیام به پاریس پناهنده و غیاباً محکوم به اعدام شد. او در پاریس با میشل شورول (Michel Chevreul)(1889-1786) کار کرد که استاد شیمی بنیاد موزه تاریخ طبیعی بود. کانیتسارو در سال 1851 به ایتالیا بازگشت. او در کالج ملی آلساندریا در پیدمونت به تدریس شیمی پرداخت.(5) سپس در سال 1855 به عنوان استاد شیمی به جنوا رفت. در آنجا با فرضیه آووگادرو آشنا شد و آن را در بستر پیشرفت شیمی از سال 1858 به بعد وارد کرد. کانیتسارو در سال 1858، دو سال پس از مرگ آووگادرو، جزوه ای تهیه کرد (چیزی که آن را امروز نسخه پیش از چاپ می نامیم) و در آن به شرح تفاوت بین اتم ها و مولکول ها پرداخت (و به این ترتیب ابهامی را که پس از کار اساسی دالتون و آووگادرو باقی مانده بود از میان برداشت). او توضیح داد که چگونه می توان از رفتار قابل مشاهده گازها (قواعد ترکیب حجم ها، اندازه گیری چگالی بخار و غیره) همراه با فرضیه آووگادرو برای محاسبه اوزان اتمی و مولکولی نسبت به وزن یک اتم هیدروژن استفاده کرد؛ او جدولی از اوزان اتمی و مولکولی تدوین کرد. این جزوه در سطح وسیع پخش شد و در گردهمایی علمی که در سال 1860 در شهر کارلسروهه آلمان برگزار شد، تأثیر کلیدی در توسعه ایده هایی داشت که به درک جدول تناوبی انجامید.
اما کانیتسارو این ایده ها را پیگیری نکرد. او در پایان سال 1860 برای تصرف سیسیل به نیروهای جوزپه گاریبالدی پیوست که نه تنها رژیم ناپل را از آن جزیره بیرون راند بلکه به زودی به وحدت ایتالیا تحت رهبری ویکتور امانوئل دوم از ساردنی یاری رساند. او در سال 1861 پس از شرکت در جنگ، در پالرمو استاد شیمی شد و تا سال 1871 در آنجا ماند. سپس به رم رفت و در آنجا علاوه بر اینکه استاد شیمی دانشگاه شد، مؤسسه شیمی ایتالیا را بنیان گذارد و در پارلمان، سناتور و سپس نایب رئیس سنا شد. او در 10 مه سال 1910 درگذشت و آن قدر عمر کرد که بتواند شاهد تثبیت قاطعانه واقعیت اتم ها باشد.

مندلیف و دیگران جدول تناوبی را گسترش می دهند

داستان کشف (یا اختراع) جدول تناوبی، آمیزه ای شگفت انگیز است و نشان می دهد که چند نفر می توانند، به طور مستقل، به یک کشف علمی نائل شوند. این کشف از سوی دیگر نشان دهنده خودداری عمومی پاسداران قدیمی در پذیرش ایده های جدید است. پس از کار کانیتسارو در اوایل دهه 1860، هم جان نیولندز (John Newlands)(1898-1837)، شیمی دان صنعتی انگلیسی، و هم الکساندر بگیه دو شانکورتوا (Alexandre Beguyer de Chancourtois)(1886-1820)، معدن شناس فرانسوی، به طور مستقل متوجه شدند که اگر عناصر به ترتیب وزن اتمی خود تنظیم شوند، یک طرح تکراری در فواصل منظم تشکیل می دهند و اوزان اتمی، که اختلاف آنها مضربی از هشت یعنی هشت برابر وزن اتمی هیدروژن است، دارای خواص مشترکی هستند.(6) کار بگیه در سال 1862 منتشر شد و نادیده گرفته شد (شاید هم تا اندازه ای تقصیر خودش بود زیرا نتوانست ایده خود را به زبان ساده توضیح دهد و حتی نموداری توضیحی برای نمایش آن فراهم نکرد). اما نیولندز که از کار بگیه بی اطلاع بود، در سال های 1864 و 1865 چند مقاله در رابطه با این موضوع منتشر کرد. او سرنوشت بدتری داشت و همکاران او وحشیانه به تمسخر ایده هایش پرداختند. آنها معتقد بودند که تنظیم عناصر شیمیایی بر حسب وزن اتمی شان همان قدر بی معنا است که آنها را بر حسب حروف الفبای نامشان تنظیم کنیم. انجمن شیمی مقاله مهم او را که این ایده را به طور کامل توضیح می داد رد کرد و مقاله مزبور سرانجام در سال 1884، مدت ها پس از آنکه دیمیتری مندلیف به عنوان کاشف جدول تناوبی مورد تحسین قرار گرفت، منتشر شد. در سال 1887، انجمن سلطنتی مدال دیوی را به نیولندز اعطا کرد، اگر چه او هیچ گاه به آنجا نرفت تا به عنوان عضو انتخاب شود.
اما مندلیف حتی نفر سوم هم نبود که ایده جدول تناوبی را پیشنهاد کرد. این افتخار قاعدتاً به لوتار میر (Lothar Meyer)(1895-1830)، شیمی دان و پزشک آلمانی، تعلق می گیرد، هر چند او بعداً پذیرفت که تا اندازه ای شجاعت باور ایده های خود را نداشته است. به این جهت جایزه سرانجام به مندلیف داده شد. میر با انتشار کتابی درسی تحت عنوان نظریه جدید شیمی (The Modern Theory of Chemistry) نام خود را درشیمی تثبیت کرد. این کتاب در سال 1864 منتشر شد. او یکی از طرفداران سر سخت ایده های کانیتسارو بود و این ایده ها را در کتاب خود گسترش داد. زمانی که او مشغول نگارش کتاب بود، متوجه ارتباط میان خواص هر عنصر شیمیایی و وزن اتمی آن شد. اما او در حمایت از این ایده که مورد آزمون نیز قرار نگرفته بود مردد بود. از این رو تنها به آن اشاره کرد. در طی چند سال بعد، میر نسخه کامل تری از جدول تناوبی تهیه کرد و در نظر داشت که آن را در چاپ دوم کتاب در سال 1868 قرار دهد. این کتاب در سال 1870 منتشر شد. تا آن زمان مندلیف نسخه جدول تناوبی خود را شکل داده بود (او از پژوهش های دیگران در این زمینه در اوایل دهه 1860بی اطلاع بود). میر همیشه به حق تقدم مندلیف اذعان می کرد، به ویژه از این جهت که مندلیف شجاعت (یا گستاخی) آن را داشت که گامی فراتر از او بردارد. مندلیف در جدول تناوبی تعدادی جای خالی برای عناصر «جدیدی» در نظر گرفته بود که هنوز کشف نشده بودند. با این وجود، کار میر در سطح وسیعی مطرح شد و میر و مندلیف مشترکاً مدال دیوی را در سال 1882 دریافت کردند.
شگفت انگیز نیست که مندلیف از پیشرفت های شیمی در اروپای غربی در دهه 1860 بی اطلاع بود.(7) او در فوریه سال 1834 در تابولسک (Tobol sk) سیبری به دنیا آمد (بنا به تقویم قدیمی که در آن زمان در روسیه مورد استفاده بود، به تاریخ 27ژانویه). در میان چهارده برادر و خواهر، او از همه کوچک تر بود. پدر آنها ایوان پاولوویچ که رئیس مدرسه محلی بود در زمان کودکی دیمیتری کور شد. از آن به بعد، مادر او، ماریا دیمیتریونا سرپرستی خانواده را به عهده گرفت. این زن تزلزل ناپذیر یک کارگاه شیشه گری برپا کرد. پدر مندلیف در سال 1847 درگذشت و یک سال بعد کارگاه شیشه گری در آتش سوخت. تا آن زمان، کودکان بزرگ تر مستقل شده بودند و ماریا دیمیتریونا مصمم بود که کوچک ترین فرزند او باید از بهترین تحصیلات برخوردار شود و با وجود مشکلات مالی او را به سنت پترزبورگ برد. او به خاطر تعصبی که علیه دانشجویان نیازمند شهرستان ها وجود داشت، نتوانست جایی در دانشگاه برای فرزند خود دست و پا کند ولی در سال 1850 موفق شد او را به عنوان دانشجوی معلم در مؤسسه تعلیم و تربیت که پدر مندلیف از آنجا فارغ التحصیل شده بود ثبت نام کند. مادر درست ده هفته بعد در گذشت اما دیمیتری، مانند مادر خود شخص با اراده ای بود. او پس از آنکه توانایی خود را با تکمیل کارآموزی نشان داد و یک سال به عنوان معلم در ادسا (Odessa) کار کرد، اجازه یافت که برای گذراندن دوره فوق لیسانس در رشته شیمی در دانشگاه سنت پترزبورگ نام نویسی کند. مندلیف در سال 1856 فارغ التحصیل شد. او پس از چند سال کار در دانشگاه در زمینه مشاغلی که به جوانان داده می شد، برای سفری مطالعاتی که دولت برنامه ریزی کرده بود به پاریس و هایدلبرگ رفت و در آنجا با استادانی مانند رابرت بنزن و گوستاو کیرشهوف کار کرد. او در همایش کارلسروهه شرکت کرد و با کانیتسارو دیدار کرد که جزوه خود درباره اوزان اتمی و مولکولی را منتشر کرده بود. مندلیف پس از بازگشت به سنت پترزبورگ استاد شیمی مؤسسه فنی شهر شد و رساله دکترای خود را در سال 1865 تکمیل کرد؛ او در سال 1866 استاد شیمی دانشگاه سنت پترزبورگ شد. او این پست را تا سال 1891، تا سن 57 سالگی بر عهده داشت. در این سال مجبور شد به خاطر حمایت از اعتراض دانشجویان به نظام دانشگاهی خود را بازنشسته کند. پس از سه سال، مقامات دانشگاه صلاح دانستند که از او رفع اتهام کنند و او را به عنوان بازرس دفتر اوزان و مقادیر به کار بگمارند. او این پست را تا زمان مرگ خود در 2 فوریه سال 1907 (20ژانویه به تقویم قدیمی) بر عهده داشت؛ او می توانست یکی از اولین برندگان جایزه نوبل باشد و در واقع در سال 1906 نامزد دریافت جایزه نوبل شد، اما جایزه با اختلاف یک رأی به هنری مواسان (Henri Moissan) (1907-1852) که برای اولین بار عنصر فلوئور را جدا کرد تعلق گرفت. هر دوی آنها پیش از آنکه کمیته مجدداً تشکیل جلسه دهد درگذشتند.
مندلیف مانند میر با نوشتن کتابی درسی تحت عنوان اصول شیمی (Principles of Chemistry) در دو جلد که در سال های 1868 و 1870 منتشر شد به شهرت رسید. او هم مانند میر هنگام کار روی کتاب خود به بینشی درباره رابطه بین خواص شیمیایی عناصر و وزن اتمی آنها دست یافت. او در سال 1869 مقاله کلاسیک خود را تحت عنوان «درباره رابطه خواص و وزن اتمی عناصر» (On the Relation of the Properties to the Atomic Weights of Elements) منتشر کرد.(8) نکته مهم کار مندلیف که او را از دیگران متمایز می کند، آن است که او این جلسات را داشت تا ترتیب عناصر را به منظور مطابقت آن با الگویی که کشف کرده بود تغییر دهد و چند جای خالی در جدول تناوبی پیش بینی کند. بعداً معلوم شد که این جاهای خالی مربوط به عناصری است که هنوز کشف نشده بودند. تعداد تعویض جای عناصر در واقع بسیار ناچیز بود. مندلیف با تنظیم عناصر به طور دقیق، به ترتیب وزن اتمی آنها، به نظمی مانند شبکه یا صفحه بازی شطرنج دست یافت که در آن عناصر در ردیف های هشت تایی، هر یک در زیر دیگری قرار می گرفتند. به این ترتیب عناصری که خواص شیمیایی مشابهی دارند به صورت ستون هایی در زیر هم مشاهده می شدند. از قرار معلوم در این آرایش که بر اساس افزایش دقیق وزن اتمی (سبک ترین آنها در سمت چپ بالای «صفحه شطرنج» و سنگین ترین آنها در سمت راست پایین) بود، ناهماهنگی هایی دیده می شد. به عنوان مثال، تلوریوم در زیر بروم قرار می گیرد که خواص شیمیایی کاملاً متفاوتی دارد. اما وزن اتمی تلوریوم تنها اندکی از وزن اتمی ید بیشتر است (اندازه گیری های جدید، وزن اتمی تلوریوم را 127/60 و وزن اتمی ید را 126/90 تعیین می کند که تفاوت آنها 0/55 درصد است). با تغییر جای این دو عنصر در جدول تناوبی، ید که خواص شیمیایی مشابهی با بروم دارد در زیر آن قرار می گیرد.
در قرن بیستم با بررسی ساختار هسته در قلب اتم آشکار شد که جهش جسورانه مندلیف کاملاً موجه بوده است. این بررسی نشان داد که خواص شیمیایی یک عنصر به تعداد پروتون های هسته اتم (عدد اتمی) بستگی دارد، در حالی که وزن اتمی به تعداد کل پروتون ها و نوترون های اتم وابسته است. در نسخه جدید جدول تناوبی، عناصر به ترتیب افزایش عدد اتمی و نه افزایش وزن اتمی تنظیم می شوند؛ اما در بیشتر موارد، عناصر با عدد اتمی بیشتر، وزن اتمی بزرگ تری هم دارند. در چند مورد نادر، وجود چند نوترون اضافی موجب می شود که ردیف کردن عناصر به ترتیب وزن اتمی آنها، تفاوت اندکی با تنظیم آنها بر حسب عدد اتمی داشته باشد.
اگر این تمام آن چیزی بود که مندلیف به آن دست یافته بود، با این وجود که او در آن زمان از وجود پروتون ها و نوترون ها اطلاعی نداشت، نسخه جدول تناوبی او احتمالاً به اندازه جداول مربوط به پیشینیان دچار کاستی می بود. اما مندلیف برای اینکه عناصر با خواص شیمیایی مشابه را در ستون های مربوط در زیر یکدیگر قرار دهد، باید جاهایی را خالی می گذاشت. او تا سال 1871جدول خود را به صورتی بهبود بخشیده بود که همه 63 عنصر شناخته شده تا آن زمان را شامل می شد. او چند جابه جایی مانند تعویض جای تلوریوم و ید انجام داد و سه جای خالی را که طبق گفته او مربوط به عناصر جدید کشف نشده بود خالی گذاشت. او با توجه به خواص عناصر مجاور در ستون های جدول و در جاهای خالی، خواص عناصر جدید را پیش بینی کرد. در واقع در طول پانزده سال بعد، آن سه عنصری که باید با خواص مورد پیش بینی مندلیف مطابق می بودند کشف شدند: گالیوم در سال 1875، اسکاندیوم در سال 1879 و ژرمانیوم در سال 1886. گر چه جدول تناوبی مندلیف ابتدا مورد استقبال قرار نگرفت (و در واقع از مندلیف انتقاد شده بود که او قصد دارد با تغییر ترتیب عناصر در کار طبیعت دخالت کند)، اما در دهه 1890 دیگر تردیدی در خاصیت تناوبی بودن که بر اساس آن عناصر هم خانواده، خواص شیمیایی مشابه دارند، و اوزان اتمی عناصر با ضریبی معادل هشت برابر وزن اتمی هیدروژن با یکدیگر تفاوت دارند در کار نبود. این موضوع حقیقت عمیقی را درباره ماهیت دنیای شیمی نشان می داد. از سوی دیگر این مورد نمونه ای کلاسیک از روش علمی مؤثری بود که راه را به دانشمندان قرن بیستم نشان داد. مندلیف با استفاده از انبوه داده ها الگویی پیدا کرد و این الگو او را به یک پیش بینی سوق داد که با استفاده از آزمایش قابل سنجش بود؛ زمانی که آزمایش ها پیش بینی او را تأیید کردند، فرضیه ای که پیشگویی بر اساس آن قرار داشت تقویت شد.
از دید امروزی ما شگفت آور به نظر می آید که این موضوع در سطح عمومی موجب اثبات وجود اتم ها به شکل موجودات کوچک سخت که به روش های مشخص با یکدیگر ترکیب می شوند نشد. اما در حالی که شیمی دان ها به دنبال راهی برای بررسی ساختار داخلی ماده بودند و به شواهدی دست یافتند که دست کم از فرضیه اتمی پشتیبانی می کرد، فیزیک دان ها راه دیگری را دنبال می کردند که سرانجام آنها را به اثبات انکارناپذیر وجود اتم ها هدایت کرد.

علم ترمودینامیک

یکی از موضوعات وحدت بخش فیزیک قرن نوزدهم مطالعه گرما و حرکت بود که ترمودینامیک نامیده شد. دو عامل موجب پیشرفت ترمودینامیک شد. یکی انقلاب صنعتی بود که برای فیزیک دان ها نمونه ای از کاربرد گرما را فراهم کرد (مانند ماشین بخار) و به آنها انگیزه داد تا آنچه را که در این ماشین ها روی می دهد بررسی کنند. دیگری گسترش درک علمی از طرز کار این ماشین ها بود که امکان طراحی و ساخت آنها را با بازده بیشتر برای نیازهای انقلاب صنعتی فراهم می کرد. همان طور که دیدیم، در اوایل قرن نوزدهم درباره ماهیت دما اتفاق نظر وجود نداشت و هم فرضیه کالریک و هم ایده گرما به عنوان شکلی از حرکت، طرفداران خود را داشت. در اواسط دهه 1820 شناخت ترمودینامیک به عنوان موضوعی علمی آغاز شد (این عبارت را ویلیام تامسون در سال 1849 ساخته بود) و تا اواسط دهه 1860 قوانین و اصول پایه آن پی ریزی شد. حتی بعد از آن، چهل سال دیگر طول کشید تا نتایج بخش کوچکی از این کار برای اثبات نهایی واقعیت اتم ها مورد استفاده قرار گیرد.
توسعه های کلیدی که به درک ترمودینامیک منجر شد، ایده انرژی و درک این نکته بود که انرژی را می توان از شکلی به شکل دیگر تبدیل کرد ولی نمی توان آن را به وجود آورد و یا از بین برد. با تشخیص اینکه کار شکلی از انرژی است (همان طور که رامفورد با بررسی گرمایی که از سوراخ کردن لوله های توپ ایجاد می شد، به این واقعیت توجه کرده بود) می توان به راحتی تاریخ انتشار کتاب سادی کارنوی فرانسوی (1832-1796) در سال 1824 را به عنوان تاریخ آغاز علم ترمودینامیک در نظر گرفت. کارنو در این کتاب با عنوان «اندیشه هایی درباره قدرت محرکه آتش» (Reflexions sur la puissance motive de feu) بازده ماشین هایی را بررسی کرد که گرما را به کار تبدیل می کنند (او در جریان این بررسی تعریف علمی کار را نیز ارائه داد). او نشان داد که کار هنگام گذر از دمای بالاتر به دمای پایین تر ایجاد می شود (این نمونه یکی از صورت های اولیه قانون دوم ترمودینامیک است که بر اساس آن گرما همیشه از جسم داغ به جسم سرد و نه برعکس انتقال می یابد). کارنو حتی امکان ماشین های احتراق داخلی را گوشزد کرد. متأسفانه کارنو در سن 36 سالگی بر اثر بیماری وبا فوت کرد و اگر چه یاداشت های او شامل مطالب بیشتری از بسط ایده هایش بود، اما آنها تا زمان مرگ او منتشر نشده بودند. بیشتر این یادداشت ها همراه با لوازم شخصی او به علت ابتلا به بیماری وبا سوزانده شد؛ چند صفحه از یادداشت های او که باقی ماند، نشان دهنده دستاوردهای احتمالی اوست. کارنو به این حقیقت دست یافت که گرما و کار قابل تبدیل به یکدیگرند و برای اولین بار نشان داد که مقداری از گرما (مانند گرمایی که در اثر سرد کردن یک گرم آب به مقدار یک درجه سلسیوس از دست می رود) می تواند مقداری کار انجام دهد (برحسب بالا بردن مقدار معینی وزن در فاصله ای عمودی). به کتاب کارنو در زمان خودش توجه چندانی نشد اما در سال 1834 در مقاله ای به قلم امیل کلاپیرون (1864-1799) مورد بحث قرار گرفت. دستاوردهای کارنو از طریق این مقاله شناخته شد و در نسل فیزیک دان هایی که انقلاب ترمودینامیک را به انجام رسانیدند و به ویژه ویلیام تامسون و رودولف کلازیوس تأثیر گذاشت.
اگر داستان کارنو پیچیده به نظر می رسد، اما راهی که فیزیک دان ها برای آگاهی از ماهیت انرژی طی کردند، بسیار پیچیده بود. در واقع اولین کسی که اصل پایستگی انرژی را فرمول بندی و معادل مکانیکی گرما را به طرز صحیحی معرفی و منتشر کرد(9)، یولیوس رابرت فون مایر (Julius Robert von Mayer)(1878-1814)، فیزیک دان آلمانی، بود که پس از انجام مطالعاتی درباره انسان ها و نه درباره ماشین بخار به این نتایج دست یافت. کار او از دیدگاه فیزیک دان ها در مسیر «اشتباهی» صورت گرفته بود و به این خاطر در آن زمان در سطح وسیعی نادیده گرفته شد (یا دست کم مورد توجه قرار نگرفت). در سال 1840، مایر که به تازگی تحصیلات خود را در پزشکی تکمیل کرده بود، به عنوان پزشک کشتی در یک کشتی هلندی که به هند شرقی می رفت کار می کرد. در آن زمان کشیدن خون از بدن نه تنها برای تسکین علائم بیماری، بلکه به عنوان اقدامی معمولی در مناطق حاره رواج داشت و این عقیده رایج بود که از دست دادن قدری خون برای مقابله با گرما مؤثر است. مایر از کار لاووازیه باخبر بود. وی نشان داده بود که جانوران خون گرم با استفاده از احتراق آهسته غذا که با استفاده از اکسیژن موجود در بدن به عنوان سوخت صورت می گیرد، بدن خود را گرم نگه می دارند؛ او می دانست که خون قرمز روشن که سرشار از اکسیژن است، دوباره توسط سرخرگ ها و از طریق ریه ها در تمام بدن پخش می شود، در حالی که خون قرمز تیره که کمبود اکسیژن دارد، از طریق سیاهرگ ها به ریه ها باز می گردد. اما زمانی که او سیاهرگ ملوانی را در جزیره جاوه باز کرد از مشاهده اینکه خون سیاهرگ مانند خون سرخرگ ها روشن است شگفت زده شد. این پدیده در مورد خون سیاهرگ های تمام پرسنل کشتی و حتی خود او نیز صادق بود. بسیاری از پزشکان دیگر باید قبلاً با این موضوع روبه رو شده باشند، اما مایر که تازه وارد حرفه پزشکی شده بود و در حدود 25 سال داشت، از هوش و درایت لازم برای درک این رویداد برخوردار بود. مایر متوجه شد که علت وفور مقدار اکسیژن در خون سیاهرگ ها آن است که بدن در گرمای مناطق حاره کمتر سوخت می سوزاند (و در نتیجه کمتر اکسیژن مصرف می کند) او مشاهده کرد که همه اشکال انرژی از جمله گرمای ناشی از کار ماهیچه ها، گرمای خورشید، گرمای حاصل از سوخت ذغال و غیره قابل تبدیل به یکدیگر هستند و گرما و انرژی هرگز به خودی خود به وجود نمی آیند، بلکه از شکلی به شکل دیگر تبدیل می شوند.
مایر در سال 1841 به آلمان بازگشت و به حرفه پزشکی مشغول شد، اما به موازات این کار، علاقه خود به فیزیک را نیز پی گرفت. او مطالب زیادی در این زمینه خواند و از سال 1842به بعد، اولین مقالات علمی خود را منتشر و توجه مردم را به این ایده ها جلب کرد (یا سعی در جلب آن کرد). او در سال 1848 ایده های خود را در زمینه گرما و انرژی به بحث درباره سن زمین و خورشید توسعه داد که به زودی درباره آن سخن خواهیم گفت. اما جامعه فیزیک تمام دستاوردهای او را نادیده گرفت و مایر آن قدر به علت عدم مقبولیت کار خود افسرده شد که در سال 1850 تلاش ناموفقی برای خودکشی کرد و دردهه 1850در چند مؤسسه بیماران روانی بستری شد. از سال 1858 به بعد، کار او دوباره بازبینی شد و هرمان فون هلمهولتز (Hermann von Helmholtz)(1894-1821)، کلازیوس و جان تیندال (1893-1820) از او تمجیدی در خور به عمل آوردند. مایر سلامتی خود را بازیافت و در سال 1871 مدال کوپلی (Copley) انجمن سلطنتی به او تعلق گرفت. او هفت سال بعد درگذشت.

نظرات جیمز ژول درباره ترمودینامیک

اولین فیزیک دانی که واقعاً به ترمودینامیک پرداخت (بجز کارنوی بداقبال که کارش از آغاز با ناکامی روبه رو شد)، جیمز ژول (1889-1818) بود. او در سالفورد نزدیک منچستر به دنیا آمد و فرزند مالک ثروتمند کارخانه آبجوسازی بود. از آنجا که او در خانواده ای مرفه به دنیا آمده بود، نگرانی برای کار یا زندگی نداشت. او در نوجوانی مدتی در کارخانه آبجوسازی کار کرد و چنین انتظار می رفت که سهمی از کارخانه به ارث ببرد. تجربه دست اول او کار با ماشین ها بود و همان طور که گازهای تولید شده در فرایند تخمیر آبجو، الهام بخش پریستلی بود، این تجربه، علاقه آتشین او را برای پژوهش در موضوع گرما برانگیخت. سرنوشت او این بود که پدرش کارخانه آبجوسازی را در سال 1854، زمانی که جیمز 35 سال داشت، بفروشد و بنابراین وی چیزی از آن به ارث نبرد. ژول به صورت خصوصی آموزش دید. در سال 1834، پدر او، جیمز و برادر بزرگ ترش را برای تحصیل شیمی نزد جان دالتون فرستاد. در آن زمان دالتون 68 سال داشت، سلامتی اش رو به افول بود اما هنوز تدریس خصوصی می کرد؛ ولی آن دو پسر از او خیلی کم شیمی آموختند، زیرا او اصرار داشت که به آنها در دو ساعت مجزا در هفته، هندسه اقلیدسی بیاموزد و بعدها در سال 1837 به علت بیماری، تدریس را متوقف کرد. اما ژول رابطه دوستی با دالتون را قطع نکرد و گاه به گاه تا زمان مرگ دالتون در سال 1844 از او برای صرف چای دیدار می کرد. ژول در سال 1838 یکی از اتاق های منزل خانوادگی را به آزمایشگاه تبدیل کرد و در آنجا به طور مستقل شروع به کار کرد. او همچنین یکی از اعضای فعال انجمن ادبی و فلسفی منچستر بود و در آنجا معمولاً در سخنرانی ها (حتی پیش از عضویت) در کنار دالتون می نشست. به این ترتیب او از رویدادهای جهان علم در سطح وسیع آگاه بود.
اولین کارهای ژول در زمینه الکترومغناطیس بود و امید داشت که موتورهای الکتریکی اختراع کند که به اندازه ماشین های بخار، پر قدرت و کارآمد باشد. این پژوهش موفقیتی به همراه نداشت اما او را به بررسی ماهیت کار و انرژی هدایت کرد. او در سال 1841 مقاله ای در زمینه رابطه الکتریسیته و گرما در مجله فلسفی منتشر و در انجمن ادبی و فلسفی منچستر قرائت کرد (اولین نسخه این مقاله از سوی انجمن سلطنتی رد شد اما انجمن متن خلاصه ای از کار او را منتشر کرد). او در سال 1842 ایده های خود را در گردهمایی سالیانه انجمن بریتانیایی برای پیشبرد علم، رویدادی که در آن سال بر حسب تصادف در منچستر برگزار می شد، عرضه کرد. او در آن زمان 23 سال داشت. بزرگ ترین کار ژول که طی آن، او یک آزمایش کلاسیک را توسعه داد در طول چند سال بعد انجام شد. او در این آزمایش با به هم زدن آب در محفظه ای توسط یک چرخ پرده دار و اندازه گیری افزایش دمای آب نشان داد که کار به گرما تبدیل می شود. نتیجه این آزمایش به طرزی عجیب منتشر شد. او در سال 1847 دو سخنرانی در منچستر ایراد کرد که در میان موضوعات دیگر، قانون پایستگی انرژی و اهمیت آن را برای جهان فیزیک مطرح کرد. البته تا آنجایی که ژول اطلاع داشت، هیچ کس تا آن زمان چنین کاری انجام نداده بود. چون این مایل به انتشار ایده هایش بود، با کمک برادرش ترتیبی داد تا سخنرانی هایش به طور کامل در روزنامه منچستر کوریر (Manchester Courier) منتشر شود. انتشار این سخنرانی ها موجب شگفتی مردم شد بی آنکه جامعه علمی از آنها اطلاع داشته باشد. اما بعداً در همان سال، انجمن بریتانیایی برای پیشبرد علم در آکسفورد تشکیل جلسه داد و ژول درباره ایده های خود به طور خلاصه صحبت کرد. جوانی از حاضران به نام ویلیام تامسون (22 ساله) بلافاصله به اهمیت این سخنرانی ها پی برد. آن دو با هم دوست و همکار علمی شدند و درباره نظریه گازها و به ویژه نحوه خنک شدن گازها هنگام انبساط به پژوهش پرداختند (این پدیده که به نام اثر ژول- تامسون معروف است، اساس کار یخچال است). ژول در سال 1848 مقاله های مهم دیگری درباره فرضیه اتمی منتشر کرد و در آن تخمینی از سرعت میانگین حرکت مولکول ها ارائه کرد. او هیدروژن را ذرات بسیار ریزی در نظر گرفت که با یکدیگر و با دیوارهای محفظه برخورد می کنند. او با به کارگیری وزن هر ذره و فشاری که به گاز وارد می شود، حساب کرد که ذرات گاز در دمای 60 درجه فارنهایت و فشار 30 اینچ جیوه (کم و بیش در شرایط معمولی هوای اتاق) با سرعتی معادل 6225/54 فوت در ثانیه حرکت می کنند. از آنجا که وزن مولکول های اکسیژن شانزده برابر مولکول های هیدروژن است و رابطه مناسب به عکس ریشه دوم جرم بستگی دارد، مولکول های اکسیژن در هوای معمولی و در همان شرایط با سرعتی معادل یک چهارم سرعت مولکول های هیدروژن، یعنی 1556/39 فوت در ثانیه حرکت می کنند. کار ژول درباره دینامیک گازها و به ویژه قانون پایستگی انرژی، در اواخر دهه 1840 در سطح وسیعی مطرح شد (او حتی موفق شد که یک مقاله مهم را در سال 1849 در انجمن سلطنتی بخواند. بدون تردید این مورد پاداش بزرگی بود، چرا که انجمن مقاله قبلی او را رد کرده بود). او در سال 1850 به عضویت انجمن سلطنتی انتخاب شد. ژول در آن زمان در سال های 30 و 40 زندگی خود بود و همچنان که اغلب این طور است، هیچ کار بزرگ دیگری انجام نداد که با کارهای پیشینش برابری کند و مشعل را به تامسون، جیمز کلرک ماکسول و لودویگ برلتزمان سپرد.

ویلیام تامسون (لرد کلوین) و قوانین ترمودینامیک

اگر ژول با قاشق نقره ای در دهان به دنیا آمده بود و در نتیجه هیچ گاه در محیط دانشگاه کار نکرد، تامسون با قاشق نقره ای در دهان نوعی دیگر به دنیا آمد و در نتیجه تقریباً تمام مدت عمر خود را در دانشگاه سپری کرد. پدر او، جیمز تامسون، هنگام تولد ویلیام در 26 ژوئن سال 1824، استاد ریاضی مؤسسه آکادمی سلطنتی در بلفاست بود (که بعداً به دانشگاه بلفاست تبدیل شد). ویلیام چند برادر و خواهر داشت اما مادرش، هنگامی که ویلیام 6 سال داشت در گذشت. ویلیام و برادرش جیمز (1892-1822) که او هم فیزیک دان بود، در منزل، نزد پدر خود تحصیل کردند و پس از آنکه جیمز پدر در سال 1832 استاد ریاضی دانشگاه گلاسکو شد، به آن دو پسر اجازه داده شد تا در جلسات درس دانشگاه حضور یابند. آنها در سال 1834، هنگامی که ویلیام ده سال داشت، رسماً در دانشگاه پذیرفته شدند. هدف این نبود که آنها نوعی مدرک تحصیلی دریافت کنند، بلکه این بود که حضور آنها در جلسات درس جنبه رسمی داشته باشد. ویلیام در سال 1841 به دانشگاه کمبریج رفت، در سال 1845 تحصیل خود را به پایان رساند و تا آن زمان به پاداش رساله های خود چند جایزه دریافت کرده بود. پیش از آن، او تعدادی مقاله در روزنامه ریاضی کمبریج منتشر کرد. ویلیام پس از پایان تحصیلات، مدت کوتاهی در پاریس مشغول به کار شد (در آنجا با کارهای کارنو آشنا شد). اما بزرگ ترین آرزوی پدر او این بود که پسر با استعدادش را به دانشگاه گلاسکو بفرستد که خودش در آنجا کار می کرد. زمانی که استاد فلسفه طبیعی دانشگاه گلاسکو در سال 1846 فوت کرد (که رویدادی غیر منتظره نبود زیرا سن و سالی از او گذشته بود)، پدر تلاش کرد تا این پست را برای پسرش به دست آورد و سرانجام موفق شد. اما جیمز تامسون به اندازه کافی عمر نکرد تا از این انتخاب لذت ببرد؛ او در سال 1849 در اثر ابتلا به بیماری وبا در گذشت. ویلیام تامسون از سال 1846 در سن 22 سالگی تا زمان بازنشستگی در سال 1899 در سن 75 سالگی، استاد فلسفه طبیعی دانشگاه گلاسکو بود؛ او بعداً به عنوان دانشجوی محقق در دانشگاه مقیم شد. به این ترتیب او احتمالاً جوان ترین و پیرترین دانشجوی دانشگاه گلاسکو بود. او در دسامبر سال 1907 در لارگس (Largs) واقع در استان آیرشایر (Ayrshire) درگذشت و در کلیسای جامع وست مینستر در مجاورت آرامگاه ایزاک نیوتون به خاک سپرده شد.
شهرت تامسون و افتخار محل دفن او به هیچ وجه تنها به علت دستاوردهای علمی او نبود. بزرگ ترین تأثیر او در بریتانیای عصر ویکتوریا به خاطر نقشش در فناوری کاربردی بود و از جمله احداث اولین کابل تلگراف که در اقیانوس اطلس نصب شد (دیگران پیش از بهره گیری از کمک های او دو بار در این زمینه تلاش کرده و با عدم موفقیت رو به رو شده بودند). تامسون در نتیجه درآمد حاصل از انواع اختراعات خود ثروت زیادی گرد آورد. او به ویژه به علت نقش مؤثرش در موفقیت پروژه کابل زیردریایی در سال 1866 لقب سِر گرفت (در آن زمان عظمت این موفقیت مانند آغاز استفاده از اینترنت در اوایل قرن بیست و یکم بود). همچنین تأثیر شخصیت او به عنوان پرتوی راهنما در پیشرفت صنعتی موجب شد که در سال 1892 لقب بارون کلوین لارگس به او اعطا شود. این نام از رودخانه کوچکی اقتباس شده بود که در اطراف محوطه دانشگاه گلاسکو جریان داشت. تامسون با آنکه این القاب را مدت ها پس از انجام بزرگ ترین کارهای علمی اش دریافت کرد، در محافل علمی اغلب به عنوان لرد کلوین (یا به صورت موجزتر، کلوین) معروف است. استفاده از این عنوان تا اندازه ای به این علت است که او از جی. جی. تامسون فیزیک دان که با او هیچ نسبتی نداشت، تمیز داده شود. مقیاس دمای مطلق یا مقیاس ترمودینامیک به افتخار او، مقیاس کلوین نامیده می شود.
تامسون در زمینه های دیگر هم کار کرد (از جمله الکتریسیته و مغناطیس که در فصل بعد از آن سخن خواهیم گفت)، اما بزرگ ترین دستاورد او آن بود که ترمودینامیک را در اوایل نیمه دوم قرن نوزدهم به عنوان رشته ای علمی بنا نهاد. او جهش علمی خود را عمدتاً از کار کارنو آغاز کرد و در سال 1848، مقیاس دمای مطلق را معرفی کرد. این مقیاس بر این مبنا استوار است که گرما با کار معادل است و هر مقدار تغییر در دما با مقداری از کار در ارتباط است. این دو مفهوم به خودی خود، مقیاس دمای مطلق را تعریف می کنند و این معنای ضمنی را دارند که یک حدّ دمای کمینه (273- درجه سلسیوس که اکنون به صورت K نوشته می شود) وجود دارد که در آن دما امکان انجام کار وجود ندارد چرا که هیچ گرمایی را نمی توان از سیستم خارج کرد. در همین ایام، رودولف کلاوزیوس (1888-1822) با موشکافی، ایده های کارنر را توسعه می داد (بدون تردید نتایج کارنو نیاز به بازبینی داشت؛ کارنو از ایده کالریک استفاده کرده بود). تامسون در اوایل دهه 1850 از کار کلاوزیوس اطلاع پیدا کرد. در آن زمان او خود درمسیر مشابهی پیش می رفت. آن دو کم و بیش به طور مستقل به اصول ترمودینامیک دست یافتند.
اولین قانون ترمودینامیک که بسیار مشهور است، به طور ساده بیان می کند که گرما همان کار است و بینشی جالب توجه از نحوه توسعه علم در قرن نوزدهم ارائه می کند. این بینش موجب شد که قانون اول در سال 1850 به عنوان قانونی از طبیعت بیان شود. قانون دوم ترمودینامیک در واقع از قانون اول بسیار مهم تر است و به روایتی می توان آن را بزرگ ترین قانون و ایده اساسی تمام علم دانست. این قانون در یکی از شکل های خود به این صورت بیان می شود که گرما نمی تواند به اراده خود از جسم سردی به جسم گرم تر منتقل شود. قانون مذکور در این شکل، بی آزار به نظر می رسد. اگر تکه ای یخ را در شیشه ای از آب قرار دهیم، گرما از آب به یخ منتقل می شود و آن را ذوب می کند؛ گرما از یخ به داخل آب جریان نمی یابد که یخ را سردتر و آب را گرم تر کند، اما اگر این قانون را به صورت نموداری در نظر بگیریم، اهمیت جهانی آن آشکارتر می شود. این قانون می گوید که چیزها فرسوده می شوند، همه چیز حتی خود جهان فرسوده می شود. از دیدگاه دیگر، مقدار بی نظمی در جهان به طور کلی همیشه افزایش می یابد (که می توان آن را به زبان ریاضی برحسب کمیتی که کلاوزیوس آن را آنتروپی نامید اندازه گرفت). نظم را می توان تنها در مناطق محلی مانند کره زمین که در آن یک جریان انرژی از خارج برای تغذیه در دسترس است (در مورد ما از خورشید به زمین) ثابت نگه داشت یا افزایش داد. اما این قانون طبیعت است که کاهش آنتروپی ناشی از زندگی در روی زمین، در اثر تغذیه به وسیله خورشید، کمتر از افزایش آنتروپی ایجاد شده توسط فرایندهایی است که موجب درخشندگی خورشید می شوند. از آنجا که شارش انرژی از خورشید پایان ناپذیر نیست، این فرایند نمی تواند برای همیشه ادامه داشته باشد. توجه به این موضوع موجب شد که تامسون در سال 1852 در مقاله ای بنویسد:
زمین در دوره ای متناهی از زمان در گذشته و در دوره ای متناهی در آینده، به رغم امروز، مکانی نامناسب برای زندگی بوده است و یا خواهد شد، مگر آنکه عملیاتی صورت گرفته باشد یا در آینده صورت گیرد که بر اساس قوانین جهان کنونی غیر ممکن است.
این نمونه اولین شناخت علمی از این موضوع بود که زمین (و در نتیجه جهان) آغاز معینی داشته است که می توان آن را بر اساس اصول علمی تعیین کرد. زمانی که تامسون از اصول علمی برای این منظور استفاده کرد، سن خورشید را از طریق محاسبه به دست آورد. در این محاسبه، او در نظر گرفت که خورشید تا چه زمانی می تواند با آهنگ کنونی و با کارآمدترین فرایندهایی که در آن زمان شناخته شده بود، گرما تولید کند و انرژی گرانشی خود را به تدریج به گرما تبدیل کند. عددی که برای این زمان پیدا شد، چند ده میلیون سال، بسیار کمتر از مقیاس زمانی بود که زمین شناسان در دهه 1850 برآورد می کردند و طرفداران ایده تکامل با جدیت از آن حمایت می کردند. این معما سرانجام با کشف پرتوزایی و سپس با کار آلبرت اینشتین که نشان داد که ماده شکلی از انرژی است و معادله معروف E=〖mc〗^2را نوشت حل شد. درباره تمام این موضوعات در فصل های بعد سخن خواهیم گفت ولی کشمکش میان مقیاس های زمانی زمین شناسی و تکامل و مقیاس زمانی که فیزیک دان ها در آن زمان پیشنهاد کردند، در تمام نیمه دوم قرن نوزدهم همچنان برپا بود.
این پژوهش همچنین تامسون را با هرمان فون هلمهولتز (1894-1821) آشنا کرد که به طور مستقل از تامسون به نتایج مشابهی دست یافت. دعوای ناخوشایندی بین طرفداران هر یک از آنها در گرفت. این کشمکش به ویژه از آن جهت بی مورد بود که مایر بداقبال و جان واترستون (John Waterston) که از او هم بداقبال تر بود، هر دو زودتر به این نتیجه دست یافته بودند. واترستون (؟ 1883-1811) یک اسکاتلندی بود که در شهر ادینبورو متولد شد و به عنوان مهندس در راه آهن انگلیس کار کرد. او سپس در سال 1839به هندوستان رفت تا به افسران جوان کمپانی هند شرقی درس بدهد. او به اندازه کافی پول جمع کرد تا بتواند در سال 1857 بازنشسته شود. سپس به ادینبورو بازگشت تا وقت خود را وقف تحقیق درباره موضوعات فیزیک و ترمودینامیک کند. اما او از مدت ها قبل اوقات فراغت خود را صرف علم کرده بود. او در سال 1845 مقاله ای نوشت و نحوه توزیع انرژی بین اتم ها و مولکول ها را تشریح کرد. این تشریح بر مبنای قواعد آماری استوار بود و در آن همه مولکول ها سرعت واحدی نداشتند بلکه سرعت آنها در اطراف سرعت میانگین پخش می شد که بر مبنای قواعد آماری به دست می آمد. او در سال 1845 مقاله مربوط را از هندوستان برای انجمن سلطنتی فرستاد. انجمن نه تنها مقاله او را رد کرد) بلکه مقام را گم کرد (داوران انجمن مقاله را نفهمیدند و در نتیجه آن را بی معنی دانسته و رد کردند. این مقاله شامل محاسبات مربوط به خواص گازها بود (مانند گرمای ویژه آنها) که بر مبنای ایده های مذکور و اساساً درست بود؛ اما واترستون از نگه داشتن نسخه ای از آن برای خود غفلت کرده بود و دیگر آن را تهیه نکرد، هر چند در بازگشت به انگلستان مقاله هایی در این رابطه منتشر کرد (که توجهی به آنها نشد). او همچنین زودتر از تامسون و هلمهولتز و تقریباً هم زمان با مایر به این بینش دست یافته بود که امکان دارد گرمای خورشید ناشی از عوامل گرانشی باشد. واترستون از آنجا که هیچ یک از کارهایش مورد توجه قرار نگرفت، مانند مایر افسرده و بیمار شد. او در 18 ژوئن سال 1883 از منزل خود خارج شد و دیگر بازنگشت. اما این داستان پایان خوبی هم دارد. در سال 1891، یادداشت های واترستون در گاوصندوق های انجمن سلطنتی پیدا و در سال 1892 منتشر شد.

جیمز کلرک ماکسول و لودویگ بولتزمان: نظریه جنبشی و مسافت آزاد میانگین مولکول ها

تا آن زمان نظریه جنبشی گازها (نظریه ای که گازها را بر اساس جنبش اتم ها و مولکول های تشکیل دهنده آنها بررسی می کند) و ایده های مکانیک آماری (کاربرد قواعد آماری برای تشریح رفتار مجموعه ای از اتم ها و مولکول ها) از مدت ها پیش تثبیت شده بود. دو بازیگر اصلی این میدان، جیمز کلرک ماکسول (که در نقش دیگری در فصل های بعد از او سخن خواهیم گفت) و لودویگ فون بولتزمان (1906-1844) بودند. پس از آنکه ژول سرعت حرکت مولکول ها در گاز را محاسبه کرد، کلاوزیوس ایده مسافت آزاد میانگین را مطرح کرد.(10) بدون تردید مولکول ها بدون انحراف و با سرعتی که ژول محاسبه کرده بود، حرکت نمی کنند؛ آنها پیوسته با یکدیگر و با جدارهای محفظه برخورد می کنند. مسافت آزاد میانگین، متوسط فاصله ای است که هر مولکول پیش از آنکه با مولکول دیگری برخورد کند می پیماید. این فاصله بسیار اندک است. ماکسول در گردهمایی سالیانه انجمن بریتانیایی در سال 1859 که در شهر ابردین (Aberdeen) برگزار شد، مقاله ای ارائه کرد. این مقاله (بی آنکه ماکسول بداند) تکرار مطالبی بود که در مقاله گم شده واترستون مطرح شده بود. این بار جهان فیزیک آماده بود که بپا خیزد و به این موضوعات توجه کند. ماکسول نشان داد که چگونه سرعت ذرات در گاز به صورت یک توزیع در اطراف سرعتی میانگین پخش می شد. طبق محاسبات او، سرعت میانگین مولکول ها در دمای 60 درجه فارنهایت، 1505 فوت در ثانیه است و مسافت آزاد میانگین مولکول ها را معادل اینچ تعیین کرد. به بیان دیگر، مولکول ها در هر ثانیه 8077200000 یعنی بیش از 8 میلیارد بار با هم برخورد می کنند. این کوتاه بودن مسافت آزاد میانگین و بسامد این برخوردها ما را دچار این توهم می کند که گویا گاز، شاره های پیوسته و روان است در حالی که در واقع از تعداد عظیمی از ذرات بسیار ریز تشکیل شده است که پیوسته در حرکت اند و هیچ چیزی در فواصل بین این ذرات وجود ندارد. مهم ترین دستاورد این ایده ها آن بود که درک کامل ارتباط بین گرما و حرکت را میسر کرد و نشان داد که دمای هر جسم، مقیاسی از سرعت میانگین حرکت اتم ها و مولکول های تشکیل دهنده آن جسم است. به این ترتیب مفهوم کالریک برای همیشه دفن شد.
ماکسول این ایده ها را در دهه 1860 توسعه داد و از آن برای توضیح بسیاری از خواص مشاهده شده گازها مانند چسبندگی و همچنین، همان طور که دیدیم، نحوه سرد شدن گازها در اثر انبساط استفاده کرد (این کاهش دما به این علت است که اتم ها و مولکول ها در گاز، اندکی یکدیگر را جذب می کنند. زمانی که گاز منبسط می شود، باید کاری در مقابله با این جذب انجام گیرد. این کار موجب کاهش سرعت ذرات و در نتیجه سردتر شدن گاز می شود). ایده های ماکسول، لودویگ بولتزمان را به تعمق واداشت و او آنها را بهبود بخشید؛ ماکسول نیز به نوبه خود از پاره ای از ایده های بولتزمان استفاده کرد و نظریه جنبشی را بهبود بخشید؛ یکی از نتایج این همکاری، کشف قاعده آماری است که توزیع سرعت (یا انرژی جنبشی) مولکول های گاز را در اطراف سرعتی میانگین تشریح می کند. این قاعده اکنون به نام توزیع ماکسول-بولتزمان مشهور است.
بولتزمان کارهای علمی مهم دیگری نیز انجام داد، اما بزرگ ترین کار او در حوزه مکانیک آماری قرار می گیرد که در آن خواص کلی ماده (از جمله قانون دوم ترمودینامیک)، با ملاک خواص اتم ها و مولکول های تشکیل دهنده آن و بر مبنای قوانین ساده فیزیک (اساساً قوانین نیوتون) و ساز و کار چشم و گوش بسته بخت و اقبال به دست می آید. این نتیجه گیری اکنون به عنوان کاری شناخته می شود که به طور بنیادی به ایده اتم ها و مولکول ها وابسته است، وضعیتی که در دنیای انگلیسی زبان همواره برقرار بوده است. بر این اساس مکانیک آماری با کار ویلارد گیبس (1903-1839)، دانشمند آمریکایی، به شکوفایی رسید. او اولین دانشمند آمریکایی بود که سهم واقعاً مهمی در علم داشت (با توجه به اینکه رامفورد خود را انگلیسی می دانست). اما حتی در پایان قرن نوزدهم، چنین ایده هایی از سوی دنیای آلمانی زبان و فیلسوف های ضد-اتم گرا مورد انتقاد قرار می گرفت. دانشمندانی مانند ویلهلم استوالد (1932-1853) (حتی در قرن بیستم) اصرار می کردند که اتم ها مفهومی خیالی و تنها وسیله ای احتمالی برای کمک به تشریح خواص مشاهده شده ماده هستند. بولتزمان که در هر حال دچار افسردگی بود، اطمینان پیدا کرد که کار او هرگز از آن پذیرش که در خور آن است برخوردار نخواهد شد. او در سال 1898 مقاله ای منتشر کرد که شامل جزئیات محاسباتش بود و امید صریح خود را به این ترتیب بیان کرد که زمانی که نظریه گازها دوباره احیا شود، دیگر چیز زیادی برای کشف شدن باقی نخواهد ماند. او در سال 1900، کوتاه زمانی پس از نگارش مقاله، تلاش ناموفقی برای خودکشی کرد (احتمالاً این مورد تنها مورد از تلاش های او برای خودکشی نبود) و بنابراین می توان مقاله او را به عنوان مقاله قبل از خودکشی در نظر گرفت. به نظر می رسد که او پس از این ماجرا نیروی روانی خود را بازیافت. او در سال 1904 راهی آمریکا شد، سخنرانی هایی در نمایشگاه جهانی در سنت لوییز ایراد و از دانشگاه های برکلی و استنفورد که زیر مجموعه دانشگاه کالیفرنیا بودند بازدید کرد. در آنجا رفتار غیرعادی او به عنوان «مخلوطی از هیجان دیوانه وار و خصلت مغرورانه یک استاد مشهور آلمانی» تلقی شد.(11) اما بهبود روانی او (اگر بتوان این رفتار را به عنوان بهبود در نظر گرفت) زیاد طول نکشید و بولتزمان که برای مرخصی با خانواده خود به دوینو (Duino) در مجاورت شهر تریست رفته بود، در 5 سپامبر سال 1906 خود را به دار آویخت. کنایه آمیز آنکه بولتزمان نمی دانست که کاری که سرانجام حتی افراد مرددی مانند استوالد را به پذیرش واقعیت اتم ها واداشت، یک سال پیش از آن منتشر شده بود.

آلبرت اینشتین: عدد آووگادرو، جنبش براونی و چرا آسمان آبی است

کسی که این کار را انجام داد، مشهورترین کارمند ثبت اختراعات در تاریخ، آلبرت اینشتین بود. به زودی خواهیم دید که او چگونه کارمند ثبت اختراعات شد؛ آنچه در این رابطه اهمیت دارد آن است که در اوایل دهه 1900، اینشتین دانشمندی جوان و مستعد بود (او در سال 1905 بیست و شش ساله بود) که به طور مستقل از جامعه عادی دانشگاهی به کار مشغول بود و بر واقعیت اتم ها پافشاری می کرد. او در یادداشت های زندگی شخصی خود نوشته است که در آن زمان علاقه اش به جستجوی مدارکی متمرکز شده بود «که بتواند تا آنجا که ممکن است، وجود اتم ها با اندازه معین را تضمین کند»(12) این پژوهش تلاشی بود از سوی اینشتین برای دستیابی به مدرک دکترا که از همان اوایل قرن بیستم مانند بن غذای دانشمندان، پیش شرط اساسی برای هر کسی بود که در مسیر زندگی حرفه ای دانشگاهی گام بر می داشت. اینشتین در سال 1900 از مؤسسه تکنولوژی فدرال(13)(ETH) فارغ التحصیل شد. اما به رغم موفقیت در امتحانات پایانی، رفتار او نظر مساعد استادان را جلب نکرد (هرمان مینکوفسکی (1909-1864)، یکی از معلمان او، آلبرت را «سگ تنبلی» می دانست که «هیچ گاه زحمت درک ریاضی را به خود نداده است.»). به همین جهت او نتوانست کاری به عنوان دستیار، نزد یکی از این استادان پیدا کند. او حتی موفق نشد که توصیه نامه مساعدی به منظور جستجوی شغلی دانشگاهی برای تازه کارها از آنها بگیرد. از این رو به چند کار پاره وقت و کوتاه مدت مشغول شد و سپس در سال 1902 به عنوان کارمند اداره ثبت اختراعات شهر برن در سوئیس شروع به کار کرد. او بخش زیادی از وقت خود را صرف مسائل علمی می کرد (نه وقت اضافی بلکه حتی وقتی را که می باید به رسیدگی به درخواست های ثبت اختراعات می پرداخت). او در فاصله سال های 1900 تا 1905 چند مقاله منتشر کرد. اما بزرگ ترین پروژه او دستیابی به مدرک دکترا بود که درهای دانشگاه را به روی او می گشود. مؤسسه فدرال مدرک دکترا نمی داد، ولی ترتیبی داده شده بود که فارغ التحصیلان مؤسسه بتوانند رساله دکترای خود را برای تأیید به دانشگاه زوریخ بفرستند و اینشتین این راه را برگزید. او پس از تلاشی ناموفق درباره موضوعی که بالاخره از ارائه آن منصرف شد، در سال 1905 مقاله ای به دانشگاه تسلیم کرد که از نظر استادان دانشگاه زوریخ کاملاً رضایت بخش بود.(14) این مقاله یکی از دو مقاله ای بود که واقعیت اتم ها و مولکول ها را به طرزی قاطعانه و تزلزل ناپذیر اثبات می کرد.
دانشمندانی که ایده اتم ها را پذیرفته بودند، تا آن زمان چند روش قابل استفاده ولی نه چندان دقیق برای برآورد اندازه این ذرات ریز پیدا کرده بودند که بیشتر متکی به کار توماس یانگ در سال 1816 بود (فصل 11) یانگ با مطالعه تنش سطحی مایعات، اندازه تقریبی مولکول های آب را تخمین زد. او برای این منظور از کشسانی سطح آب در لیوانی از آب که «غوطه ور شدن» سوزنی فولادی را در سطح آن امکان پذیر می ساخت (البته با مراقبت زیاد!) استفاده کرد. توضیح تنش سطحی آن است که مولکول های مایع یکدیگر را جذب می کنند و می توان گفت که چسبناک هستند. در داخل مایع، خاصیت جذب متقابل مولکول ها، در همه جا وجود دارد اما در سطح مایع، مولکول ها همسایه هایی ندارند که آنها را از سطح مایع به سمت بالا پیش براند و جذب تنها از پایین و از جداره ها صورت می گیرد و آنها را در لایه ای کشسان، در سطح مایع نگه می دارد. یانگ استدلال کرد که قدرت این تنش باید متناسب با فاصله نیروهای جاذب باشد و به عنوان اولین حدس، می توان آن را معادل اندازه مولکول ها در نظر گرفت. او با اندازه گیری تنش سطحی محاسبه کرد که اندازه به اصطلاح «ذرات آب» باید «بین دو هزار تا ده هزار میلیونیم یک اینچ» باشد که معادل 5000 تا 25000 میلیونیم سانتی متر است. این برآورد اولیه، در حدود ده برابر برآورد کنونی است. این مورد دستاورد بسیار جالبی بود که یک سال پس از نبرد واترلو به ثمر نشست اما آن قدر دقیق و قانع کننده نبود تا بر تردید شکاکان وجود اتم چیره شود.
چند برآورد دقیق تر در نیمه دوم قرن نوزدهم به عمل آمد که برای نمونه به یکی از آنها اشاره می کنیم. در اواسط دهه 1860، یوهان لو اشمیت،(15) شیمی دان اتریشی، از روشی بسیار ساده استفاده کرد. او استدلال کرد که در مایع، همه مولکول ها یکدیگر را لمس می کنند، جای خالی بین آنها وجود ندارد و حجم مایع برابر با حجم کل مولکول ها است. اگر همان مقدار مایع برای تبدیل به گاز بخار شود، حجم مولکول ها تغییر نمی کند اما در این حالت، بین آنها فضایی خالی ایجاد می شود. او با محاسبه مسافت آزاد میانگین که با فشار قابل اندازه گیری و عدد آووگادرو در ارتباط است، راه مستقلی برای محاسبه فضای خالی گاز پیدا کرد. مشکل این ایده که در دهه 1860 از سایر جهات ایده جالبی بود، مایع کردن گازهایی مانند ازت و تعیین چگالی این مایعات (حجم مقدار معینی از مایع) بود که باید از راه های مختلف تخمین زده می شد. لو اشمیت به رغم این مشکلات، با ترکیب این دو دسته از محاسبات به تخمینی از اندازه های مولکول (چند میلیونیم میلی متر) و برآوردی از عدد آووگادرو معادل (یا پنج با بیست و دو صفر در مقابلش) دست یافت. او همچنین عدد دیگری را به دست آورد که برای مطالعه گازها مهم است و با عدد آووگادرو ارتباط دارد، یعنی تعداد مولکول های موجود در یک متر مکعب از گاز تحت شرایط استاندارد دما و فشار. این عدد اکنون به عدد لواشمیت معروف است و تخمین کنونی آن معادل اما راهی که اینشتین در رساله دکترای خود برای تعیین اندازه مولکول ها برگزید، بر مبنای استفاده از گازها استوار نبود. او از محلول ها و در این مورد از محلول شکر و آب استفاده کرد. او همچنین از دستاوردهای ترمودینامیک که در نیمه دوم قرن نوزدهم توسعه یافته بود بهره گرفت. واقعیت شگفت آور آن است که مولکول های هر محلول از بعضی جهات به مولکول های گاز شباهت بسیار دارند. راهی که اینشتین انتخاب کرد، با پدیده ای به نام اسمز ارتباط دارد. محفظه ای را در نظر بگیرید که به وسیله یک جداره به دو قسمت تقسیم شده و یکی از این دو قسمت محتوی آب است. در این جدارها سوراخ هایی وجود دارد که مولکول های آب می توانند از آن عبور کنند. به طور متوسط در هر ثانیه مقدار یکسانی از مولکول ها از هر دو طرف جداره می گذرند. اکنون مقداری شکر در یک طرف محفظه می ریزیم و آن را به صورت محلول در می آوریم. چون مولکول های شکر بسیار بزرگ تر از مولکول های آب هستند، نمی توانند از سوراخ های محفظه عبور کنند. اکنون در دو سطح مایع در دو طرف جداره چه روی می دهد؟ اغلب افراد در اولین برخورد با این مسئله گمان می کنند که وجود شکر موجب می شود که فشار آب در یک طرف محفظه بالا برود، مولکول های بیشتری از آب وادار به عبور از جداره ها شوند و در نتیجه سطح آب در قسمت دیگر محفظه بالا برود. در واقع بر اساس قانون دوم ترمودینامیک عکس این موضوع رخ می دهد.
شکل ساده قانون دوم، مبنی بر اینکه گرما از جسم داغ تر به جسم سردتر جریان می یابد، نمونه خاصی از تمایل همه تفاوت ها در جهان برای سربه سر شدن است (به همین دلیل است که همه چیز کهنه می شود). به عنوان نمونه انتقال گرما از ستاره های داغ به فضای سرد، تلاشی برای سربه سر کردن دما در تمام جهان است. سیستمی که در آن الگوی آشکار (یا حتی الگوی مبهمی) وجود دارد دارای نظم بیشتری است و بنابراین آنتروپی آن کمتر از سیستم فاقد الگو است (آنتروپی صفحه سیاه و سفید شطرنج، از آنتروپی همین صفحه اگر به طور یکنواخت دارای رنگ خاکستری باشد کمتر است). می توان قانون دوم را به این صورت بیان کرد که «طبیعت از تفاوت ها گریزان است». به این ترتیب در مثال فوق، آب از جداره به طرف محلول گذر می کند، شدت غلظت محلول را کاهش می دهد و به این وسیله تفاوت آن را با آب موجود در قسمت دیگر محفظه کاهش می دهد. در واقع سطح مایع در بخش حاوی شکر بالا می رود و در بخش دیگر محتوی آب خالص پایین می آید. این فرایند تا آنجا ادامه پیدا می کند که فشار اضافی ناشی از اختلاف سطح بین دو طرف جداره، فشار آب گریزان از جداره (فشار اسمزی) را خنثی کند. به این ترتیب می توان فشار اسمزی را به سادگی با اندازه گیری تفاوت ارتفاع دو بخش از جداره، زمانی که سیستم به حالت تعادل در می آید تعیین کرد. فشار اسمزی به تعداد مولکول های ماده حل شده (در این حالت شکر) در محلول بستگی دارد؛ هر قدر غلظت محلول زیادتر باشد، فشار زیادتر است. اندازه مولکول ها بر حسب میزان محلولی که مولکول ها آن را اشغال کرده اند، در محاسبات وارد می شود و بار دیگر مسافت آزاد میانگین مولکول ها نیز وارد محاسبات می شود. اینشتین با در نظر گرفتن همه این عوامل در محاسبات رساله دکترای خود (که به شکل اندک متفاوتی در سال 1906 منتشرشد)، عدد آووگادرو را و اندازه مولکول های آب را چند صد میلیونیم سانتی متر برآورد کرد. اینشتین در مقاله ای که در سال 1906 منتشر کرد و در آن از داده های جدید بر پایه آزمایش های دقیق تر بهره گرفته بود، عدد آووگادرو را به و سپس در سال 1911 به بهبود بخشید. اما تا آن زمان آزمایش های دیگری بر پایه مقاله مهم دیگر اینشتین انجام گرفته بود، که منجر به دقت بیشتر در محاسبه عدد آووگادرو شد.(16)
هدف بخش دوم این کار، یعنی اثبات این مطلب که «تا آنجا که ممکن است، وجود اتم ها با اندازه معین را تضمین کند» در سال 1905 تکمیل و منتشر شد. این کار شکل بسیار ساده تری از واقعیت مورد بحث را ارائه می کرد و به همین دلیل، گواه نهایی بر وجود اتم ها بود که سرانجام، بر تردید همه فیزیک دان ها غلبه کرد. این کار از طرف دیگر موجب رواج به کارگیری روش های آماری شد که در بسیاری از زمینه های فیزیک در دهه های آینده تأثیرگذار شد.
این مقاله کلاسیک اینشتین در مورد پدیده ای است که حرکت براونی نام دارد. اینشتین کار خود را نه به قصد توضیح حرکت براونی، بلکه از اصول اولیه (مانند رهیافت او در بسیاری از مسائل) شروع کرد. او ابتدا به این موضوع توجه کرد که چگونه می توان اتم ها و مولکول ها را در مقیاسی بزرگ نشان داد که قابل دیدن باشند. او سپس یادآوری کرد که احتمال دارد پدیده ای که تشریح کرده است با آن پدیده آشنا مرتبط باشد. او موضع خود را در بند آغازین مقاله روشن کرد:
در این مقاله نشان داده خواهد شد که طبق نظریه جنبشی مولکولی گرما، اجسامی که از نظر اندازه، تنها با میکروسکوپ قابل مشاهده و در مایع غوطه ور هستند، باید در اثر یکی از نتایج جنبش مولکولی حرارتی، حرکت های پردامنه ای انجام دهند که به وسیله میکروسکوپ به سادگی قابل مشاهده باشد. ممکن است که حرکت هایی که در اینجا مورد بحث قرار می گیرند همانی باشند که جنبش مولکولی براونی نامیده می شود. اما داده هایی که درباره موضوع اخیر در دسترس من بوده است، به قدری غیردقیق است که قادر به قضاوت در این باره نیستم.(17)
حرکت بروانی به نام رابرت براون (1858-1773)، گیاه شناس اسکاتلندی، به این نام نامیده شده است. او در سال 1827، زمانی که دانه های گرده گیاهی را در زیر میکروسکوپ مشاهده می کرد، متوجه این پدیده شد. او مشاهده کرد که این دانه ها (که معمولاً دارای قطری به اندازه نیمی از یک صدم میلی متر است)، زمانی که در آب شناور هستند، حرکت های زیگزاگ مانند بی نظمی دارند. ابتدا به نظر می آمد که این پدیده به علت زنده بودن دانه هاست که در آب شنا می کنند؛ اما به زودی آشکار شد که دانه های ریز از هر نوع که در مایع (یا در هوا) غوطه ور باشند، به همین شیوه حرکت می کنند حتی اگر این ذرات (مانند ذرات دود که در هوا پخش شده اند) به روشنی هیچ ارتباطی با موجودات زنده نداشته باشند. در دهه 1860، زمانی که فرضیه اتمی قوت گرفت، چند نفر این فرضیه را مطرح کردند که شاید علت این حرکت، برخورد مولکول ها با دانه ها باشد. اما برای اینکه یک تک مولکول بتواند موجب «ضربه» قابل اندازه گیری به دانه گرده شود، باید اندازه آن قابل قیاس با اندازه دانه باشد، چیزی که آشکارا مضحک به نظر می آید. چندی بعد، لویی-ژرژ گویی (Louis-Georges Gouy) (1926-1854)، فیزیک دان فرانسوی، و ویلیام رمزی (William Ramsay)(1916-1852) در انگلستان به طور مستقل گوشزد کردند که بهترین روش برای توضیح حرکت براونی استفاده از رویکرد آماری است. اگر ذره ای در آب یا هوا معلق باشد و پیوسته به وسیله تعداد زیادی از مولکول ها از همه طرف بمباران شود، نیرویی که از جهات مختلف احساس می کند، یکسان است. اما گاه به گاه، به صورت تصادفی، مولکول های بیشتری از یک سو نسبت به سوی دیگر به ذره ضربه وارد می کنند و به علت فشار زیادتر از این سو تکانی به دانه وارد می آورند. اما آنها این ایده را به طور کامل و مفصل دنبال نکردند. زمانی که اینشتین ایده های مشابه خود را به شیوه صحیح آماری توسعه داد، مطمئناً از مطالعات قبلی اطلاعی نداشت (او مشهور بود به این عادت که ایده های خود را بر مبنای اصول اولیه می پروراند بی آنکه سوابق موضوع را در مقالات منتشر شده مطالعه کرده باشد). دلیل تأثیرگذاری مقاله اینشتین، دقت آن بود. او شرح دقیق مسئله را بر مبنای ریاضی و آمار ارائه داد. شاید این طور تصور شود که از آنجا که فشاری که از جهات مختلف بردانه گرده وارد می آید، به طور متوسط، یکسان است، گرده باید کم و بیش در جای خود باقی بماند و در همان نقطه حرکاتی انجام دهد. اما هر حرکت تکانی، کاتوره ای است. بنابراین پس از آنکه دانه در جهتی تکان کوچکی خورد، احتمال یکسانی وجود دارد که دوباره در همان جهت تکان بخورد، یا به جای اولیه خود برگردد و یا در جهات دیگر حرکت کند. نتیجه آن است که دانه مسیری زیگزاگی را دنبال می کند که در آن مسافتی که از نقطه آغاز حرکت خود پیموده است (اگر آن را به خط صافی که از میان زیگزاگ ها عبور می کند، اندازه بگیریم) همیشه متناسب با جذر دوم مدت زمانی است که از اولین ضربه به دانه سپری شده است. این تناسب در مورد هر نقطه ای که از آنجا حرکت کنیم، صادق است (می توانیم هر ضربه را به عنوان اولین ضربه در نظر بگیریم). این فرایند را «پیمایش کاتوره ای» (random walk) می نامند. بعداً معلوم شد که آمار مورد استفاده برای توضیح این پدیده (که اینشتین آن را توسعه داد)، به عنوان نمونه، در تشریح فروپاشی عناصر پرتوزا نیز دارای اهمیت است.
اینشتین اعدادی را در محاسبات به کار برد و بر پایه «نظریه جنبشی مولکولی» به نوعی پیش بینی دست یافت که سنجش درستی آن از طریق مشاهده امکان پذیر بود. تنها کسی که در مشاهدات میکروسکوپی با جزئیات کافی ورزیده باشد، می تواند حرکت براونی را مشاهده کند. اینشتین به معادله ای دست یافت که عدد آووگادرو را با سرعت مولکول ها و آهنگ قابل اندازه گیری جابه جایی ذرات از نقطه آغازین، به وسیله حرکت براونی به یکدیگر ربط می دهد. اینشتین با قرار دادن عدد آووگادرو، معادل (او این عدد را از آستین خود بیرون نیاورده بود بلکه آن را بر اساس محاسبات دیگری که در سال 1905 انجام داد به دست آورده بود که بعداً بیشتر درباره آن توضیح خواهیم داد).(18) پیش بینی کرد که ذره ای به قطر یک هزارم میلی متر در آب 17 درجه سانتی گراد در هر دقیقه، به اندازه شش هزارم میلی متر حرکت می کند (این ذره در چهار دقیقه دو برابر این مقدار و در شانزده دقیقه چهار برابر این مقدار حرکت می کند). ژان پرن فرانسوی (Jean Perrin) (1942-1870) اندازه گیری دقیق این حرکت را بر عهده گرفت و نتایج کار خود را در سال های بعد در اولین دهه قرن بیستم منتشر کرد. اینشتین بلافاصله به او نوشت: «به نظر من غیر ممکن به نظر می رسید که بتوان حرکت براونی را با این دقت بررسی کرد؛ از بخت موضوع بود که شما انجام آن را به عهده گرفتید.» پرن به نشانه اهمیت چشمگیر اثبات واقعیت اتم ها و مولکول ها جایزه نوبل را به پاداش کار خود دریافت کرد.
اینشتین هنوز جستجوی خود را برای اثبات وجود اتم ها و عدد آووگادرو به طور کامل به پایان نرسانده بود. او در اکتبر سال 1910 در مقاله ای توضیح داد که رنگ آبی آسمان به علت طرز پراکندگی مولکول های گاز در هواست. به این ترتیب رنگ آبی آسان تر از رنگ های قرمز یا زرد پراکنده می شود و به این علت است که رنگ آبی گسیل شده از خورشید (پس از برخورد با مولکول های بسیار در پهنه آسمان) از همه جهات به ما می رسد. این در حالی است که نور مستقیم خورشید به سوی ما نارنجی رنگ است. پیش تر در سال 1869، جان تیندال این نوع پخش نور را در رابطه با اثر ذرات غبار هوا روی نور مورد بحث قرار داده بود. این پراکندگی به علت غبار که رنگ آبی بیشتری را از نور خورشید جذب می کند، موجب می شود که خورشید در هنگام طلوع و غروب قرمزتر باشد. دانشمندان دیگر به درستی گوشزد کردند که این مولکول های هوا و نه غبار معلق در هواست که رنگ آبی آسمان را به وجود می آورد؛ اما این اینشتین بود که اعداد را در محاسبات وارد کرد و از آبی بودن رنگ آسمان، از روشی دیگر، عدد آووگادرو را به دست آورد. او با این کار در سال 1910 گواه دیگری بر واقعیت اتم ها و مولکول ها فراهم کرد.
هر چند این بخش از کار اینشتین بسیار جالب است، اما در مقایسه با کار دیگری که او بیش از همه به خاطر آن در یادها مانده است کم رنگ می نماید. کاری که آن هم با نور اما به روش بسیار اصولی تری ارتباط دارد. برای بحث درباره نظریه نسبیت خاص اینشتین باید به عقب برگردیم و ببینیم چگونه درک ماهیت نور در قرن نوزدهم توسعه یافت و اینشتین به لزوم تغییر اصولی مقدس علم، یعنی قوانین حرکت نیوتون، دست یافت.

پی نوشت ها :

1- واحد اندازه گیری مایعات برابر با 1/14 لیتر (در بریتانیا)-م
2- به هارتلی نگاه کنید.
3- که در آن زمان مدل نامیده می شد، اما من به دلایل تاریخی از این رسم پیروی می کنم که آن را نظریه بنامم.
4- یا می تواند با تعداد کمتری از عناصر، پیوندهای دوتایی (یا حتی سه تایی) تشکیل دهد، مانند دی اکسید کربن که به صورت o=c=o نشان داده می شود.
5- ایتالیا در آن زمان از تعدادی کشورهای کوچک تشکیل می شد. به این ترتیب وضعیت کانیتسارو به عنوان یک انقلابی شکست خورده در سیسیل مانع از آن نبود که او به مناطق دیگر ایتالیا پناهنده نشود.
6- نیولندز یکی از اولین کسانی بود که کار کانیتسارو را دنبال کرد. مادر نیولندز اصل و نسب ایتالیایی داشت و او نیز مانند کانیتسارو در سال 1860 همراه با گاریبالدی جنگید.
7- شاید مندلیف از کار بگیه و نه از کار نیولندز باخبر بوده باشد. اما این آگاهی چیزی از دستاورد او نمی کاهد. کار او بسیار فراتر از شرح الگوهای تکراری است که در مقاله سال 1862 بگیه دیده می شود.
8- این مقاله ده سال پس از انتشار کتاب درباره منشأ گونه های داروین منتشر شد. در قرن نوزدهم، آن قدر کارهای علمی به موازات هم منتشر می شد که گاهی اوقات تشخیص آنکه چه کسی، درچه زمانی، چه کاری را انجام داده است دشوار بود.
9- متن خام تری در سال 1839 توسط مارک سگویین (Marc Seguin)(1875-1786) منتشر شد.
10- باید اشاره کنیم که نوعی نظریه جنبشی را جان هراپات (1868-1790) که در بریستول متولد شده بود، توسعه داده و در سال 1821 منتشر کرده بود؛ گر چه مقاله از نظر زمانی خیلی جلوتر از آن بود تا از نظر کمّی دقیق باشد. ژول با کار هراپات آشنا شده بود و این امر موجب شد که او در جهت درستی گام بردارد.
11- نگاه کنید به سِرسیگنانی
12- این یادداشت ها در چاپی با ویرایش و ترجمه پی. ا. شیلپ به وسیله مؤسسه اوپن کورت، لاسال، ایلینوی، در سال 1979 منتشر شده است.
13- Swiss Federal Institute of Technology (Eidgenossische Technische Hochschule)
14- بعداً اینشتین با شعف به شنوندگان خود می گفت که تنها مورد مخالفت استادان ممتحن نسبت به رساله او، اختصارش بود. او ادعا کرد که رساله اش با افزودن تنها یک جمله مورد پذیرش قرار گرفت. به نظر می آید که در نقل این داستان تا حدی اغراق شده باشد.
15- لو اشمیت (1895-1821) شانس دستیابی به شهرت بیشتر را از دست داد. او به طور مستقل به ایده هایی درباره ساختار مولکول های آلی دست یافت. ولی او این ایده ها را فقط در یادداشتی که در سال 1861 به طور خصوصی دست به دست شد، منتشر کرد. زمانی که ککوله در اواسط دهه 1860 ایده های مشابه خود را منتشر کرد، تنها عده کمی از کار لو اشمیت آگاه بودند.
16- شاید این مطلب ارزش یادآوری داشته باشد که دانستن عدد آووگادرو، به عنوان مثال، نسبت حجم های همان جرم از جسمی در شکل های مایع و گازی آنها، خود به خود معیاری از اندازه مولکول ها به دست می دهد؛ بنابراین زمانی که به اندازه گیری عدد آووگادرو اشاره می کنیم به آن معناست که اندازه گیری های ابعاد مولکول ها را توضیح بدهیم.
17- ترجمه از کتاب رساله معجزه آسای اینشتین، ویراسته جان اشتاخل با چاپ دوباره به زبان انگلیسی و حواشی تمام مقالات کلاسیک اینشتین از سال 1905 به بعد.
18- مقدار جدید عدد آووگادرو (که همچنان ثابت آووگادرو نامیده می شود)

منبع :گریبین، جان؛ (1389)، تاریخ علم غرب 1543-2001 از آغاز روشنگری تا دوران معاصر، تهران: انتشارات فاطمی، چاپ اول.