وقتی موهایتان را شانه میزنید حتما تجربه اش کردهاید، الکتریسیته ساکن! چیزی که امروز برایمان این‌قدر واضح و بدیهی است روزی پرسشی بزرگ در دنیای علم بود. در دوران قدیم حتی رعد و برق هم برای مردم و اهالی دانش، پدیده شگفت انگیزی بود که پاسخ دقیق و درستی برایش وجود نداشت. سال ۱۸۷۹ سال مهمی در تاریخ علم به حساب میآید چراکه پاسخ این پرسشها تا حدودی روشن شد.
امروز شاید خیلی از پرسشهای مهم و رایج دهها و صد‌ها سال قبل برایمان به بدیهیات تبدیل شده باشد. پرسشهایی که برای رسیدن به پاسخهایشان مسیری عجیب و گاه طولانی را طی کرده‌اند، گاهی با آزمون و خطا و سالها تحقیق توسط دانشمندان مختلف به نتیجه ای مشخص رسیدند و گاهی هم با جرقهای ذهنی و ناگهانی راه خود را پیدا کرده اند.
شرق در ادامه نوشت: مسیر بسیاری از آزمایشهای علمی شاید حتی از نتیجه اصلی هم شگفت انگیزتر باشد؛ مسیری که در آن نه یک نفر که مردمی به وسعت یک تاریخ نقش داشته و به پیشبردش کمک کرده‌اند. در این بین آزمایشهای علم فیزیک از بابت ابعادشان همیشه جالب توجه هستند، آزمایشهایی که هم گستره دنیای زیراتمی را شامل می‌شود و هم گستره وسیعی مثل آسمان بالای سرمان را، بعضیهایشان در محیط آزمایشگاه با کلی دقت و وسواس و شرایط خاص انجام می‌شوند و برخی هم در اتاق کوچکی درون خانه دانشمندان به وقوع میپیوندند.
آزمایشهایی که دنیای فیزیک را به جایی که امروز هست، رساندهاند و بدون آنکه بدانیم در گوشه‌گوشه زندگی ما نقشی غیرمستقیم داشتهاند از درک حرکت چرخشی زمین به دور خودش برای ساخت و طراحی فناوریهای فضایی گرفته تا شناخت دقیق نور و طیف الکترومغناطیسی که کمکم در حوزه پزشکی و تشخیص بیماریها راه خودش را باز کرد. در این پرونده با هم مروری خواهیم داشت بر تعدادی از مهم‌ترین آزمایشهای تاریخ علم فیزیک و روندی که برای کشف پدیده ها و یافتن پاسخ پرسشهای مهم تا امروز طی شده است.
رفتار عجیب نور در عبور از شکافها
«نیوتن» در رسالهای که درباره نور نوشته بود آن را مجموعه‌ای از ذرات توصیف میکرد که از یک منبع نور نشر می‌شوند. در سال ۱۸۰۳ «توماس یانگ» تصمیم گرفت آزمایشی دراین‌باره ترتیب دهد. او سوراخی را در پرده ای ایجاد کرد و آن را با یک مقوا پوشاند. سپس روی مقوا را با سوزن کوچکی شکاف داد. در ادامه نوری را که از این شکاف عبور میکرد با استفاده از یک آینه منحرف کرد.
«یانگ» ورقه نازکی را که فقط یک میلی‌متر ضخامت داشت، به‌طور دقیق در مسیر عبور نور قرار داد تا پرتو نور را به دو قسمت تقسیم کند. آنچه مشاهده میشد غیرقابل پیشبینی بود: نوار‌های متناوب روشن و تاریک بر پرده نقش بستند؛ نتیجه ای که صرفا با موجی‌بودن نور قابل توجیه بود. نوار‌های روشن وقتی ایجاد می‌شوند که دو قله موج با یکدیگر همپوشانی داشته و یکدیگر را تقویت کنند و نوار‌های تاریک ماحصل ترکیب یک قله موج با موج مخالف آن است که درنهایت باعث خنثی‌شدن یکدیگر می‌شوند.
این آزمایش، سالهای 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. حدود یک قرن بعد از آزمایش «یانگ»، ایده‌های «ماکس پلانک» و آزمایش مهم «اینشتین» نشان داد که نور هم خاصیت موجی دارد و هم خاصیت ذرهای. این آزمایشها شبیه تکه های پازل نتایج کار دانشمندان قدیمیتر را کامل میکردند تا اینکه سرانجام همه نتایج در کار‌های نهایی به فیزیک کوانتوم رسید و انقلابی در فیزیک بر پا کرد.
پرده‌برداری از مقدار بار الکترونها
وقتی موهایتان را شانه میزنید حتما تجربه اش کردهاید، الکتریسیته ساکن! چیزی که امروز برایمان این‌قدر واضح و بدیهی است روزی پرسشی بزرگ در دنیای علم بود. در دوران قدیم حتی رعد و برق هم برای مردم و اهالی دانش، پدیده شگفت انگیزی بود که پاسخ دقیق و درستی برایش وجود نداشت. سال ۱۸۷۹ سال مهمی در تاریخ علم به حساب میآید چراکه پاسخ این پرسشها تا حدودی روشن شد.
فیزیک‌دانی به اسم «جوزف تامسون» اثبات کرد که الکتریسیته از ذراتی دارای بار منفی ایجاد می‌شود و پس از آن دانشمندان زیادی وقتشان را صرف شناخت و بررسی رفتار این ذرات باردار یا همان الکترونها کردند. یکی از آزمایشهایی که در این حوزه انجام شد آزمایش جالب قطره روغن بود که به اندازه گیری بار اکترونها منجر شد.
«رابرت میلیکان» فیزیک‌دان آمریکایی بود که حوالی سال ۱۹۰۹ این آزمایش مهم و جذاب را انجام داد و برخلاف تصور خیلیها که فکر می‌کنند برای محاسبه بار الکتریکی الکترونها احتمالا از ابزار‌های خاص و پیچیدهای استفاده شده، «میلیکان» این کار را با روشی کاملا ساده و البته مملو از خلاقیت انجام داد. او به کمک یک عطرپاش، قطره های ریز روغن را به درون یک اتاق اسپری کرد.
در بالا و پایین این اتاق کوچک صفحه های فلزی قرار داد که به باتری متصل بودند و در نتیجه یکی از صفحه ها دارای بار مثبت و صفحه دیگر منفی بود. وقتی قطره های روغن در حال عبور از هوای بین این دو صفحه بودند دارای بار الکتریکی میشدند و این امکان فراهم میشد تا «میلیکان» با تغییردادن ولتاژ صفحه های فلزی، سرعت سقوط قطره ها را پیدا کند. طبق قوانین فیزیک زمانی که نیرو‌های وارد بر یک جسم با هم برابر باشند آن جسم در حال تعادل قرار میگیرد.
به قطره روغن در شرایط آزمایش دو نیرو وارد می‌شود، یکی نیروی گرانش که به سمت پایین است و دیگری نیروی الکتریکی که آن را به سمت صفحه فلزی میکشاند. زمانیکه نیروی الکتریکی به‌طور دقیق با نیروی گرانشی برابر شود، قطره های روغن در هوا کاملا معلق باقی می‌مانند. «میلیکان» ولتاژ را تغییر داد و شرایط قطره ها را بررسی کرد و بعد از چندبار آزمایش به این نتیجه رسید که بار الکتریکی یک مقدار مشخص و ثابت دارد و اتفاق اعجاب انگیز این بود که کوچکترین بار این قطره ها همان مقدار بار الکتریکی الکترونهاست.
ردپای چرخش زمین در حرکت یک آونگ
شاید نام پاندول فوکو به گوشتان خورده باشد، آزمایشی متفاوت که نتایج عجیب و تأمل‌برانگیزی در پی داشت. سال ۱۸۵۱ پاریس میزبان اتفاق مهمی در تاریخ علم شد، آزمایشی تأثیرگذار که در اوایل قرن ۲۱ در قطب جنوب دوباره تکرار شد. «جین برنارد فوکو»، دانشمند فرانسوی، ابزارهایش را به یک کلیسای بزرگ برد تا در آنجا آزمایشش را انجام دهد.
او یک گلوله آهنی ۳۰ کیلوگرمی را با یک مفتول از سقف کلیسا آویزان کرد و به این ترتیب یک آونگ ساخت. سپس یک قلم را به انتهای گلوله وصل کرد و زیر محل نوسان را ظرفی بزرگ از شن و ماسه قرار داد تا با هر حرکت رفت و برگشتی گلوله ردی از آن روی ماسه ها به جا بماند، اما چرخش آونگ و نوع حرکتش برای حضار شوکآور بود.
همه حیران و متعجب به مسیر‌های حرکت آونگ چشم دوخته بودند، مسیری که در هر تناوب با مسیر قبلی تفاوت داشت. چیزی شبیه یک شعبدهبازی در حال وقوع بود. بعد از مدتی تحقیق و بررسی «فوکو» نشان داد که این کف کلیساست که به‌دلیل حرکت زمین به دور محور خودش در حال جابه‌جایی است.
نتایج تکمیل کننده این آزمایش نشان می‌داد که در عرض جغرافیایی پاریس، آونگ در هر ۳۰ ساعت یک چرخش کامل را در جهت عقربه های ساعت انجام می‌داد؛ در نیم‌کره جنوبی همین آونگ خلاف جهت عقربه های ساعت حرکت میکرد و در نهایت روی خط استوا حرکت در اصل چرخشی نبود. بعد‌ها این آزمایش در قطب جنوب هم انجام شد و زمان تناوب چرخشی آونگ برابر ۲۴ ساعت به دست آمد.
یافتن دقیق مقدار ثابت گرانش
«نیوتن» در توضیح گرانش نشان داده بود که قدرت جاذبه بین دو جسم با حاصل‌ضرب دو جرم نسبت مستقیم و با مجذور فاصله آنها نسبت معکوس دارد، اما این سؤال پیش آمد که قدرت جاذبه گرانشی چقدر است؟ در سال ۱۷۹۸ «هنری کاوندیش»، دانشمند انگلیسی، یک ترازوی پیچشی بسیار حساس ساخت که بعد‌ها در آزمایشی جالب از آن استفاده شد.
این وسیله متشکل از یک میله افقی به طول دو متر با دو گلوله کوچک سربی در دو انتها بود (شبیه یک دمبل) و از وسط توسط سیم پیچشی آویزان بود. دو گلوله سربی را که حدود ۱۶۰ کیلوگرم جرم داشتند، به توپهای کوچک دو سر میله چوبی نزدیک کرد تا نیروی گرانشی لازم برای جذب‌کردن آنها ایجاد شود. گلوله‌ها حرکت کردند و در نتیجه سیم، تاب برداشت. در واقع نیروی جاذبه بین گلوله‌ها سیم را در یک جهت میپیچاند و این نیرو با نیروی پیچشی سیم به تعادل میرسید.
در آزمایش دیگر، نیروی لازم برای پیچش سیم، با اندازه گیری نوسان آزاد میله حول محور سیم، به دست می‌آمد. «کاوندیش» برای اینکه بتواند مقدار جاذبه گرانشی زمین را حساب کند، این آزمایش را طراحی کرد و با اتصال یک قلم کوچک در دو طرف میله، توانست میزان جابه‌جایی ناچیز گلوله‌ها را اندازه بگیرد. او ترازوی پیچشیاش را درون محفظهای قرار داد تا از جریان هوا دور بماند و در نهایت توانست با کمک این آزمایش، مقدار جاذبه را با دقت بسیار زیادی به دست بیاورد. سپس با داشتن این مقدار چگالی و جرم زمین را هم محاسبه کرد.
کشف هسته اتم
دانشگاه منچستر در سال ۱۹۱۱ میزبان دانشمندی اثرگذار بود. فیزیک‌دانی به نام «ارنست رادرفورد» مدتها در حال آزمایش روی مواد رادیواکتیو بود. تا آن زمان تصور بر این بود که اتم شبیه یک کیک کشمشی (مدل اتمی تامسون) است؛ به این شکل که بار‌های مثبت همان مواد کیک هستند و بار‌های منفی هم مثل کشمشها در کل کیک پراکنده شدهاند. «رادفورد» آزمایشی طراحی کرد تا نظریه استاد خود یعنی «جوزف تامسون» را بررسی کند.
او و دستیارانش ذرات باردار مثبتی را به سمت ورقهای از جنس طلا تاباندند و در کمال شگفتی مشاهده کردند که بیشتر ذرات باردار از ورقه طلا عبور می‌کنند. البته تعداد زیادی از ذرات باردار با زاویه کمی از مسیر اولیه منحرف شدند و «رادرفورد» نتیجه گرفت که یک میدان الکتریکی قوی در اتم برقرار است و در نهایت، تعداد بسیار اندکی از ذره‌های آلفا با زاویه بیش از ۹۰ درجه از مسیر اولیه انحراف پیدا کردند که از دیدگاه «رادرفورد» میتوانست به این معنا باشد که اتم طلا هسته بسیار کوچک و سنگینی دارد و به این ترتیب مدل اتم هستهدار خود را ارائه داد.
این نتیجه باعث شد مدل اتمی تامسون که اتم را مجموعه‌ای از بار مثبت و چندین بار منفی پراکنده میدانست، مردود اعلام شود و مدل جدیدی از اتم شناخته شود؛ مدلی که طبق آزمایش فضای خالی قابل توجهی داشت. با وجود تغییر‌هایی که نظریه کوانتوم در آن ایجاد کرد، این تصویر از اتمها هنوز هم به قوت خود باقی است.
نور‌های رنگی از دل نور سفید بیرون می‌آیند
سالی که «گالیله»، فیزیک‌دان شهیر ایتالیایی درگذشت، پسری با جثه بسیار کوچک در انگلیس به دنیا آمد. او «ایزاک نیوتن» بود. زمانی که «نیوتن» از کالج کمبریج فارغ‌التحصیل شد، بیماری طاعون دنیا را پر کرده بود و او مجبور بود در قرنطینه خانگی بماند و کتاب بخواند و به آزمایش بپردازد.
در همین اثنا بود که «نیوتن» به این فکر افتاد که نور سفید چه ویژگیهایی دارد؟ آنچه از صحبتهای «ارسطو» به جا مانده بود نشان می‌داد که نور‌های رنگی تغییرشکل‌یافته نور سفید هستند. «ایزاک» به فکر آزمایش این ماجرا افتاد. او نور سفید خورشید را به یک وجه منشور شیشه ای با قاعده مثلثی تاباند و دید پرتو‌های خارج‌شده از سمت دیگر منشور به هفت رنگ تقسیم شدند.
مردم سالها رنگین کمان را در آسمان دیده بودند، اما هیچ‌وقت تفسیر درستی از نور سفید و ارتباطش با هفت رنگ رنگین‌کمان نداشتند. «نیوتن» از آنچه دید یک نتیجهگیری علمی و دقیق ارائه داد و گفت رنگهای قرمز، نارنجی و... تا رنگ بنفش، تشکیل‌دهنده نور سفید هستند. او علت واقعی تجزیه‌شدن نور را تفاوت در ضریب شکست نور‌های رنگی مختلف اعلام کرد و از آنجا فصل تازهای درباره بررسی نور و خواصش آغاز شد.
ماجرای کتابداری که اهل محاسبه بود
«اراتوستن» کتابداری در کتابخانه اسکندریه بود که زمانهای زیادی از روز را مشغول خواندن کتابهای مختلف میشد. او در یکی از کتابها با چنین محتوایی روبهرو شد: «در یک ظهر داغ تابستانی در منطقهای از کشور مصر که امروزه اسوان نامیده می‌شود خورشید مستقیم میتابد طوری که اجسام هیچ سایهای ندارند و نور خورشید تا انتهای یک چاه عمیق نفوذ میکند».
«اراتوستن» به فکر افتاد که با نکتهای که درباره سایه اشیا متوجه شده احتمالا می‌‌تواند اطلاعات جالبی درباره ابعاد زمین به دست بیاورد. مدتی بعد فهمید تمام اطلاعات مورد نیاز برای محاسبه محیط زمین را در اختیار دارد. او با کاشتن یک چوب ساده در زمین در هنگام ظهر مشاهده کرد که پرتو‌های خورشید در اسکندریه تا حدودی مایل بوده و حدود هفت درجه از خط عمود انحراف دارد.
«اراتوستن» هندسه میدانست و به خاطر داشت که محیط دایره ۳۶۰ درجه است. اگر زمین را گرد در نظر میگرفت و با توجه به آزمایشی که انجام داده بود اختلاف فاز شهر خودش یعنی اسکندریه و اسوان را هم هفت درجه در نظر میگرفت میتوانست بگوید که این دو شهر به اندازه هفت سیصدوشصتم یا یک‌پنجاهم دایرهای کامل از هم فاصله دارند.
پس محیط زمین میبایست ۵۰ برابر فاصله اسکندریه تا اسوان باشد. به این شکل محیط زمین به دست آمد و پس از آن «اراتوستن» قطر زمین را محاسبه کرد که فقط ۱۵۰ کیلومتر با میزان فعلی تفاوت دارد. در ادامه او موفق شد محیط زمین را هم به دست بیاورد.
پَر زودتر به زمین می‌رسد یا سنگ؟
«گالیلئو گالیله» دانشمند ایتالیایی سالهای زیادی از زندگیاش را وقف تحقیق درباره ویژگیهای نور، حرکت اجسام و گرانش کرد، اما در این میان یکی از آزمایشهایش مدتها محل بحث و مجادله محققان و مردم بود. «گالیله» یک سؤال طرح و سعی کرد با آزمایشی ساده پاسخش را پیدا کند؛ اجسام سنگینتر سریع‌تر سقوط می‌کنند یا اجسام سبکتر؟ این سؤال را «ارسطو» سالها قبل از «گالیله» این‌طور پاسخ داده بود که هرچه اجسام سنگینتر باشند سریع‌تر سقوط می‌کنند، چون وزن در پایینافتادنشان تأثیر دارد.
در قرن شانزدهم در ایتالیا یعنی درست زمانی که «گالیله» آزمایش خودش را انجام داد هنوز مردم به عقاید «ارسطو» و نظریاتی که در زمان یونان باستان رایج بود، باور داشتند. «گالیله» برای کشف واقعیت به برج پیزا رفت و چند توپ با وزنهای مختلف را همراه خودش برد، وقتی توپها را از برچ پایین انداخت مشاهده کرد که هر دو هم‌زمان به سطح زمین رسیدند و این چیزی بود خلاف ادعای «ارسطو» و باور مردم.
او این آزمایش را با اجسام مختلف مانند گلوله، توپ و تفنگ و مواد متفاوتی همچون، طلا، نقره و چوب تکرار کرد و همواره به یک نتیجه جالب رسید: همه اجرام چه سبک و چه سنگین، از هر جنسی که باشند، با هم به زمین میرسند؛ بنابراین «گالیله» توانست یک قانون مهم را کشف کند: شتاب گرانش بر هر جسمی با هر جرم، چگالی و از هر مادهای که باشد، یکسان خواهد بود. به گفته او یک پر آهسته تر از سنگ به زمین برخورد میکند، چون مقاومت هوا با سقوط آن باعث کندشدن پر می‌شود.
چندین سال بعد در آزمایشگاهها محفظه خلأ ساخته شد و آزمایش سقوط اجسام با وزنهای متفاوت در آن انجام و مشخص شد که اختلاف زمان سقوط اشیائی مثل پر به دلیل مقاومت هوا بوده است. جالب اینجاست که وقتی دانشمندان مأموریت آپولو-۱۵ به ماه رفتند آزمایش پر و سنگ را انجام دادند و نتیجه مطابق همان چیزی بود که انتظار میرفت؛ یعنی هر دو شیء با هم و کاملا هم‌زمان به سطح ماه سقوط کردند. علت آن هم طبعا نبود جو و هوا در قمر زمین بود، چراکه نیرویی برای کندکردن حرکت پر وجود نداشت.
