ده آزمایش مهم فیزیک

اگر چه دانشمندان تا کنون توانسته اند اجزاء تشکیل دهنده ی ذرات ریز اتمی را در شتاب دهنده ها از یک دیگر جدا کنند. توالی ژنوم انسان را کشف و فعالیت ستارگان دور دست را تجزیه و تحلیل کنند اما باید اذعان کرد که مفاهیم علمی به ذهن های منحصر به فردی که خود را درگیر کشف راز و رمزهای جهان کرده اند، راه می یابد.
"رابرت پی، کریس" عضو گروه فلسفه دانشگاه نیویورک در استونی بروک، که مورخ نگار آزمایشگاه ملی بروک هاون هم هست، از فیزیکدانان خواست، ده آزمایش برتر جهان فیزیک را نام ببرند. بر خلاف انتظار عصر ما که آزمایشهای پیچیده توسط تیمهای برجسته دانشگاه ها و مراکز تحقیقات مرکز توجه هستند؛ ده آزمایش برتری که به عنوان زیباترین آزمایشهای فیزیک در طول تاریخ انتخاب شد، توسط ده فیزیکدان بسیار سرشناسی انجام شده بود که دستیاران چندانی هم نداشتند!
از همه جالب تر اینکه این آزمایش هایی که در فهرست زیباترین آزمایشهای فیزیک جای گرفتند، نیازی به کامپیوترهای فوق پیشرفته نیز نداشتند، اغلب این آزمایش ها را می توان روی یک میز کار معمولی انجام داد و به وسایل محاسبه ای پیشرفته تر از خط کش و ماشین حساب نیاز ندارند. چیزی که در همه ی این آزمایش ها مشترک است، بیانگر همان مفهومی است که دانشمندان از آن به عنوان زیبایی نام می برند. نمودهای این زیبایی کلاسیک را می توان این گونه شرح داد: سادگی منطقی دستگاه های مورد استفاده و سادگی منطقی تجزیه و تحلیل اطلاعات. به عبارت دیگر، پیچیدگی و دشواری پدیده ها، به طور موقت به کناری گذاشته می شوند و نکته تازه ای از راز و رمزهای طبیعت کشف می شود.
این لیست از آزمایش ها در مجله Physics World به چاپ رسیده است. در اینجا به جای آن که به این آزمایش ها به ترتیب رتبه بپردازیم. به ترتیب تقدم و تأخر زمانی انجام این آزمایش های محبوب در فیزیک خواهیم پرداخت.

-اندازه گیری محیط زمین توسط اراتوستن (رتبه هفتم)
  در ظهر انقلاب تابستانی، در یکی از شهرهای مصر، که امروزه اسوان نامیده می شود. خورشید مستقیم می تابد، اجسام هیچ سایه ای ندارند و نور خورشید تا انتهای یک چاه عمیق نفوذ می کند.
اراتوستن که کتابدار کتابخانه ی اسکندریه در قرن سوم پیش از میلاد بود، هنگامی که این مطلب را خواند، دریافت که اطلاعات لازم برای محاسبه ی محیط زمین را در اختیار دارد. وی آزمایشی ترتیب داد و مشاهده کرد که پرتوهای خورشید در اسکندریه تا حدودی مایل بوده و حدود هفت درجه از خط عمود انحراف دارد.
حالا دیگر فقط محاسبات هندسی باقی مانده بود. فرض کنید زمین گرد است، در این صورت محیط دایره آن 360 درجه است. با این تفسیر، اگر دو شهر از یکدیگر 7 درجه اختلاف فاز داشته باشند، می توان گفت به اندازه هفت سیصد و شصتم یا یک پنجاهم دایره ای کامل از هم فاصله دارند. با اندازه گیری فاصله دو شهر، مشخص شد که این دو شهر 5 هزار استادیوم ( واحد طول آن زمان، برابر با حدود 185 متر) از یکدیگر دورند. اراتوستن نتیجه گرفت که محیط زمین 50 برابر این فاصله یعنی 250 هزار استادیوم است. از آن جا که دانشمندان در مورد طول واقعی یک استادیوم یونانی اختلاف نظر دارند، غیر ممکن است بتوانیم دقت این اندازه گیری را تعیین کنیم. اما طبق برخی محاسبات، گفته می شود خطای این اندازه گیری حدود 5 درصد است.

2-آزمایش گالیله در مورد سقوط اجسام (رتبه دوم )
 

تا حدود سال های 1500 میلادی، مردم فکر می کردند چیزهای سنگین سریع تر از اجسام سبک سقوط می کنند. هر چه باشد، این سخن ارسطو است. گالیلئو گالیله که استاد کرسی ریاضیات در دانشگاه پیزا بود، آن قدر جسارت داشت که دانش پذیرفته شده را با چالش روبه رو کند. این داستان از جمله ماجراهای معروف تاریخ علم است. گفته می شود، وی دو جسم با وزن های مختلف را از بالای برج کج شهر رها کرد و نشان داد که آن چیزها در یک زمان به زمین می رسند. به چالش طلبیدن باورهای ارسطو ممکن بود برای گالیله به قیمت از دست دادن شغلش تمام شود، اما وی با این کار نشان داد که داور نهایی در موضوع های علمی، رویدادهای طبیعی است نه اعتبار افراد!

3-آزمایش گالیله، گوی های غلتان بر روی سطح شیب دار (رتبه هشتم)
 

گالیله به بازپیرایی باورهای خود در مورد چیزهای در حال حرکت ادامه داد. وی یک تخته که حدود 6 متر طول و 25 سانتی متر عرض داشت را انتخاب کرد و شیاری را در مراکز آن طوری حفر کرد که تا جایی که امکان دارد، صاف و مستقیم باشد. وی سطح را شیبدار کرد و توپ های برنجی را درون این شیارها غلتاند و زمان سقوط آنها را با یک ساعت آبی اندازه گیری کرد. ساعت آبی یک مخزن بزرگ آب بود که آبش از لوله های نازک به یک ظرف منتقل می شد. وی پس از هر بار آزمایش و رها کردن توپ، میزان آب تخلیه شده را وزن می کرد.
گالیله با وزن کردن مقدار آب تخلیه شده، زمان را اندازه گرفت و آن را با مسافتی که گلوله طی کرده بود، مقایسه می کرد. ارسطو پیش بینی کرده بود که سرعت گلوله های غلتان ثابت است، اگر مدت زمان حرکت را دو برابر کنید، مسافت طی شده چهار برابر می شود. اما گالیله نشان داد که مسافت طی شده با مجذور زمان متناسب است. اگر مدت زمان حرکت را دو برابر کنید، مسافت طی شده چهار برابر می شود. علت آن نیز این است که توپ در اثر جاذبه گرانشی مرتباً شتاب می گیرد.

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

اسحاق نیوتن در همان سالی که گالیله در گذشت، متولد شد. وی در سال 1665 میلادی از ترینیتی کالج کمبریج فارغ التحصیل شد. سپس، دو سال خانه نشین شد تا بیماری طاعون را که همه گیر شده بود، از سر بگذراند.
در آن سال ها، این تفکر رایج بود که نور سفید خالص ترین نوع نور است و بنابراین نورهای رنگی، تغییر شکل یافته ی نورهای سفید هستند، باز هم باورهای ارسطو. نیوتن برای آزمایش این نظریه، دسته ای از پرتوهای خورشید را به منشور تاباند و نشان داد که خورشید به طیفی از رنگ ها تجزیه می شود.
البته، مردم رنگین کمان را در آسمان مشاهده می کردند؛ اما از تفسیر صحیح آن ناتوان بودند. نیوتن توانست به درستی نتیجه گیری کند که رنگ های قرمز، نارنجی و... تا رنگ بنفش، تشکیل دهنده نور سفید هستند. نور سفید در نگاه اول بسیار ساده به نظر می رسید، اما پس از نگاه دقیق تر مشخص شد که نور سفید تلفیقی زیبا از نورهای گوناگون است.

5- آزمایش کاوندیش در مورد میله و پیچش، رتبه ششم را به دست آورد.
 

یکی دیگر از فعالیت های نیوتن، پیشنهاد نظریه ی گرانشی بود که بیان می کرد: "قدرت جاذبه بین دو جسم با مجذور جرم هایش افزایش و به نسبت مجذور فاصله ی بین آن دو کاهش می یابد". اما این پرسش باقی بود، که قدرت این جاذبه ی گرانشی چقدر است؟
در پایان دهه ی اول قرن هجدهم، هنری کاوندیش تصمیم گرفت به این پرسش پاسخ دهد. وی یک میله ی چوبی را که حدود دو متر طول داشت، انتخاب کرد و سپس یک گلوله ی کوچک فلزی به هر طرف این میله ی چوبی وصل کرد تا شبیه یک دمبل شود، سپس آن را با سیمی آویزان کرد. پس از آن، دو گلوله سربی را که حدود 160 کیلوگرم جرم داشتند، به توپ های کوچک دو سر میله ی چوبی نزدیک کرد تا نیروی گرانشی لازم برای جذب کردن آن ها ایجاد شود.گلوله ها حرکت کردند و در نتیجه سیم تاب برداشت.
کاوندیش با اتصال یک قلم کوچک در دو طرف میله، توانست میزان جابه جایی ناچیز گلوله ها را اندازه بگیرد. وی برای محافظت دستگاه، از جریان هوا، آن را، که ترازوی پیچشی نامیده می شود، درون اتاقکی قرار داد و با یک تلسکوپ میزان جابه جایی را خواند. وی با این دستگاه توانست مقداری را که به ثابت گرانشی معروف است، با دقت بسیار زیادی اندازه گیری کند و با استفاده از ثابت گرانشی، چگالی و جرم زمین را به دست آورد. اراتوستن توانست محیط زمین را اندازه بگیرد و کاوندیش جرم زمین را به دست آورد.

6- آزمایش تداخلِ نور یانگ (مقام پنجم)
 

باورهای نیوتن همیشه صحیح نبود. وی پس از استدلال های مختلف به این نتیجه رسید که نور تنها از ذرات تشکیل شده است (ماهیت ذره ای نور) و نه از موج.
در سال 1803 توماس یانگ تصمیم گرفت این نظریه را بیازماید. وی سوراخی را در پرده ای ایجاد کرد و آن را با یک مقوا که به وسیله سوزن شکاف کوچکی در آن ایجاد کرده بود، پوشاند. سپس، نوری را که از این شکاف عبور می کرد با استفاده از یک آینه منحرف کرد.
سپس، ورقه ی نازکی از کاغذ انتخاب کرد که فقط یک سی ام اینچ (حدود یک میلی متر) ضخامت داشت و آن را به طور دقیق در مسیر عبور نور قرار داد تا پرتو نور را به دو قسمت تقسیم کند. نتیجه ی این آزمایش طرحی از نوارهای متناوب روشن و تاریک بود. این پدیده را فقط با فرض این که پرتوهای نور همانند موج رفتار می کنند، می توان تفسیر کرد. نوارهای روشن وقتی مشاهده می شوند که دو قله موج با یک دیگر هم پوشانی و یکدیگر را تقویت کنند، اما نوارهای تاریک وقتی ایجاد می شوند که یک قله موج با موج مخالف آن ترکیب شود و یکدیگر را خنثی کنند.
این آزمایش، سال های بعد با استفاده از یک مقوا که در آن دو شکاف برای تقسیم نور به دو پرتو ایجاد شده بود، تکرار شد و به همین دلیل به آزمایش دو شکاف یانگ نیز مشهور است. این آزمایش بعدها به معیاری برای تعیین حرکت شبه موجی تبدیل شد؛ حقیقتی که یک قرن بعد، هنگامی که نظریه ی کوانتوم آغاز شد اهمیت بیش از اندازه ای یافت.

7-آزمایش پاندول فوکو (رتبه دهم)
 

فوکو در سال 1851 در پاریس، آزمایش بسیار مشهوری را به انجام رساند که پس از گذشت سالیان متمادی، در اوایل قرن 21 نیز، در قطب جنوب دوباره تکرار شد.
جین برنارد فوکو، دانشمند فرانسوی، یک گلوله آهنی 30 کیلوگرمی را به انتهای یک مفتول متصل، و از سقف کلیسایی آویزان کرد و آن را به حرکت در آورد، تا به سمت عقب و جلو حرکت کند. سپس برای آن که نحوه ی حرکت این آونگ به خوبی مشخص شود، قلمی را به انتهای گلوله ای که روی بستری از شن های نرم و مطلوب در حال نوسان بود، قرار داد.
تماشاچیان در کمال شگفتی، مشاهده کردند که آونگ به طرز غیر قابل توجیهی در حال چرخش است یعنی مسیر حرکت رفت و برگشتی آن در هر تناوب با تناوب قبلی متفاوت است. اما، واقعیت، امر این است که این کف کلیسا بود که به آرامی حرکت می کرد. به این ترتیب فوکو توانست با قانع کننده ترین روش ممکن نشان دهد که زمین حول محور خود در حال گردش است.
در عرض جغرافیایی پاریس، آونگ طی هر 30 ساعت یک چرخش کامل را در جهت عقربه های ساعت انجام می دهد؛ در نیمکره ی جنوبی همین آونگ خلاف جهت عقربه های ساعت به حرکت در می آید و در نهایت روی خط استوا حرکت در اصل چرخشی نبود. همان طور که دانشمندان عصر جدید نشان دادند، زمان تناوب حرکت چرخشی پاندول در قطب جنوب برابر 24 ساعت است.

8-آزمایش قطره روغن میلیکان (رتبه سوم)
 

از دوران باستان دانشمندان الکتریسیته را مورد بررسی قرار داده بودند. پدیده ی پیچیده ای که هنگام رعد و برق از آسمان نازل می شد، یا با کشیدن شانه به موها می توانستند به راحتی آن را ایجاد کنند.
در سال 1897 فیزیک دان انگلیسی جی.جی.تامسون اثبات کرد که الکتریسیته از ذره هایی که دارای بار منفی هستند، یعنی الکترون ها، به وجود می آید. کار اندازه گیری بار این ذره ها در سال 1909 به رابرت میلیکان، دانشمند آمریکایی، محول شد.
وی با استفاده از یک عطرپاش، قطره های ریز روغن را به درون اتاق کوچک شفافی اسپری کرد. در بالا و پایین این اتاق کوچک صفحه های فلزی قرار داشتند که به باتری متصل بودند و در نتیجه یکی از صفحه ها مثبت و صفحه دیگر منفی بود. از آن جا که این قطره ها هنگام عبور در هوا دارای مقدار جزیی بار الکتریکی می شد، می توان سرعت سقوط این قطره ها را با تغییر ولتاژ صفحه های فلزی تنظیم کرد.
هنگامی که نیروی الکتریکی به طور دقیق با نیروی گرانشی برابر شود، قطره های روغن همانند ستارگان درخشان در پس زمینه تاریک به نظر می رسند و در هوا معلق می مانند. میلیکان این قطره ها را یکی پس از دیگری مورد ملاحظه قرار داد، ولتاژ صفحه را تغییر داد و به مشاهده ی تأثیر آن پرداخت. وی پس از انجام آزمایش های متعدد به این نتیجه رسید که بار الکتریکی یک مقدار مشخص و ثابت دارد. کوچک ترین بار این قطره ها چیزی نیست به جز بار یک الکترون منفرد.

9-آزمایش کشف هسته توسط رادرفورد (رتبه نهم)
 

در سال 1911 که ارنست رادرفورد در دانشگاه منچستر سرگرم آزمایش در مورد رادیو اکتیویته بود، گمان می رفت که اتم ها از گلوله های نرم و باردار مثبتی تشکیل شده اند که توسط ذره هایی با بار منفی احاطه می شوند؛ مدل کیک کشمشی. اما هنگامی که وی و دستیارانش ذره های باردار مثبت کوچکی را که ذره ی آلفا نامیده می شدند، به صفحه نازکی از طلا تاباندند، در شگفتی تمام مشاهده کردند که درصد اندکی از این پرتوها به سمت عقب برگشتند. به عبارت دیگر این ذره ها پس از برخورد با اتم ها کمانه کرده اند.
رادرفورد نتیجه گرفت، اتم های واقعی چندان هم نرم نیستند، قسمت اصلی جرم این اتم ها باید در مرکز اتم ها، که امروزه هسته اتم می نامیم، قرار داشته باشد و الکترون ها این هسته ها را احاطه کرده اند. با وجود تغییرهایی که نظریه ی کوانتوم در آن ایجاد کرد، این تصویر از اتم ها هنوز هم به قوت خود باقی است.

10-آزمایش ماکس پلانک و تئوری کوانتوم (رتبه اول)
 

نه گفته های نیوتن و نه یانگ، هیچ کدام در مورد ماهیت نور به طور کامل صحیح نبود. هر چند که به سادگی نمی توان گفت نور از ذره تشکیل شده است. خاصیت های آن را فقط با استفاده از ماهیت موجی نیز نمی توان به طور کامل تشریح کرد.
طی پنج سال اول قرن بیستم، ماکس پلانک و آلبرت اینشتین نشان دادند که نور در بسته هایی که فوتون نام دارند، جذب و نشر می شود. اما آزمایش هایی برای تعیین ماهیت دقیق نور هم چنان ادامه داشت. بعدها تئوری کوانتوم متولد شد و طی چند دهه توسعه یافت و توانست دو نظریه ی پیشین را با یک دیگر آشتی داده و نشان دهد که هر دو می توانند صحیح باشند. فوتون ها و سایر ذره های زیراتمی همانند الکترون ها، پروتون ها و... دو چهره از خود بروز می دهند که مکمل یکدیگرند.

فیزیک دانها برای شرح این مطلب، اغلب از یک آزمایش نظری شناخته شده استفاده می کنند. آن ها ابزار آزمایش دو شکاف یانگ را به کار می برند، اما به جای آن که نور معمولی به کار ببرند از پرتو الکترون استفاده می کنند. بر اساس قانون های مکانیک کوانتوم، جریان ذره ها به دو پرتو تفکیک می شوند، پرتوهای کوچک تر با یکدیگر تداخل می کنند و همان الگوی آشنای نوارهای متناوب تاریک و روشن را که توسط نور ایجاد شده بود، از خود نشان می دهند. یعنی ذره ها همانند موج عمل می کنند. بر اساس مقاله ای که در Physics World منتشر شد و توسط پیتر راجرز سردبیر مجله نگاشته شده است، تا سال 1961 هیچ کس این آزمایش را در عمل به انجام نرساند؛ تا این که کلاوس جانسون در این سال موفق به انجام این آزمایش شد. در آن هنگام، هیچ کس از نتایج به دست آمده چندان شگفت زده نشد و نتیجه های به دست آمده همانند بسیاری از موردهای دیگر بدون آن که نامی از کسی در میان باشد به دنیای علم وارد شد.

منبع: لذت فیزیک شماره20