ده ازمایش برتر فیزیک
اغلب آزمایشهایی كه درشمارهی September 2002 مجلهی دنیای فیزیك (Physics World) فهرست شدهاند را میتوان روی یك میزكار معمولی انجام داد و به ابزارهای محاسبهای پیشرفتهتر ازخطكش و ماشین حساب نیاز ندارند. چیزی كه در همهی این آزمایشها مشترك است، همان چیزی است كه دانشمندان از آن به عنوان "زیبایی" نام میبرند؛ یعنی، سادگی منطقی دستگاههای مورد استفاده و سادگی منطقی تجزیه و تحلیل. به عبارت دیگر، پیچیدگی ودشواری پدیدهها، به طور موقت به كناری گذاشته میشود و نكته تازه ای از راز ورمزهای طبیعت كشف میشود.
فهرست چاپ شده در این مجله به ترتیب عمومیت آن رتبهبندی شده است. در رتبهی نخست، آزمایشی قرار دارد كه به وضوح ماهیت كوانتومی جهان فیزیكی را نشان میدهد. این موارد باردیگر به ترتیب دوره زمانی مرتب شدهاند كه نتیجه آن هم اكنون پیش روی شماست. این فهرست نگرش جالبی از تاریخ دو هزارسالهی اكتشاف را پیش روی ما میگذارد.
1- اراتوستن: اندازه گیری محیط زمین
در ظهر انقلاب تابستانی در یكی از شهرهای مصر ،كه امروزه آسوان نامیده می شود، خورشیدمستقیم میتابد: اجسام هیچ سایهای ندارند و نور خورشید تا انتهای یك چاه عمیق نفوذ میكند.
اراتوستن كه كتابدار كتابخانهی اسكندریه در قرن سوم پیش از میلاد بود، هنگامی كه این مطلب را خواند، دریافت كه اطلاعات لازم برای محاسبهی محیط زمین را در اختیار دارد. وی همان روز و همان ساعتی كه در بالا گفته شد، آزمایشی ترتیب داد و مشاهده كرد كه پرتوهای خورشید در اسكندریه تا حدودی مایل بوده و حدود هفت درجه از خط عمود انحراف دارد.
حالا دیگر فقط محاسبهای هندسی باقی مانده بود. فرض كنید زمین گرد است، در این صورت محیط دایره آن 360 درجه است. با این تفسیر اگر دو شهر از یكدیگر 7 درجه دور باشند، میتوان گفت به اندازه هفت سیصد و شصتم یا یك پنجاهم یك دایره كامل از هم فاصله دارند. با اندازه گیری فاصله دو شهر، مشخص شد كه این دو 5 هزار استادیوم (واحد طول برابر با حدود185 متر) از یكدیگر دورند. اراتوستن نتیجه گرفت كه محیط زمین 50 برابر این فاصله یعنی 250 هزار استا دیوم است. از آنجا كه دانشمندان در مورد طول واقعی یك استادیوم یونانی اختلاف نظر دارند، غیر ممكن است بتوانیم دقت این اندازه گیری را تعیین كنیم. اما بر پایهی برخی از محاسبهها گفته میشود خطای این اندازه گیری حدود 5 درصد است (رتبهی7)
2- گالیله : آزمایش چیزهای در حال سقوط
تا حدود سال های 1500 میلادی، مردم فكر می كردند چیزهای سنگین سریعتر از اجسام سبك سقوط میكنند. هر چه باشد، این سخن ارسطو است. این كه یك دانشمند یونان باستان توانسته بود، همچنان سلطه خود را حفظ كند، بیانگر این است كه علم طی قرون وسطی چقدر تنزل كرده بود.
گالیلئو گالیله كه استاد كرسی ریاضیات در دانشگاه پیزا بود ، آن قدر جسارت داشت كه دانش پذیرفته شده را با چالش روبهرو كند. این داستان از جمله ماجراهای معروف تاریخ علم است: گفته می شود وی دو چیز با وزنهای مختلف را از بالای برج كج شهر رها كرد و نشان داد كه آن چیزها در یك زمان به زمین میرسند. به چالش طلبیدن باورهای ارسطو ممكن بود برای گالیله به قیمت از دست دادن شغلش تمام شود، اما وی با این كار نشان داد كه داور نهایی در موضوعهای علمی، رویدادهای طبیعی است نه اعتبارافراد. (رتبهی 2)
3- گالیله:آزمایش سقوط توپ ها از سطح شیبدار
گالیله به بازپیرایی باورهای خود در مورد چیزهای در حال حركت ادامه داد. وی یك تخته كه حدود 6 متر طول و 25 سانتی متر عرض داشت را انتخاب كرد و شیاری را در مركز آن طوری حفر كرد كه تا جایی كه امكان دارد، صاف و مستقیم باشد. وی سطح را شیبدار كرد وتوپهای برنجی را درون این شیارها غلتاند وزمان سقوط را با یك ساعت آبی اندازهگیری كرد. ساعت آبی یك مخزن بزرگ آب بود كه آبش از لولههای نازك به یك ظرف منتقل می شد. وی پس از هر بار آزمایش ورها كردن توپ میزان آب تخلیه شده را وزن میكرد.
گالیله به وزن كردن مقدار آب تخلیه شده، زمان را اندازه گرفت و آن را با مسافتی كه گلوله طی كرده بود، مقایسه میكرد. ارسطو پیش بینی كرده بود كه سرعت گلوله های غلتان ثابت است: اگرمدت زمان حركت را دو برابر كنید، مسافت طی شده دو برابر می شود. اما گالیله نشان داد كه مسافت طی شده با مجذور زمان متناسب است: اگر مدت زمان حركت را دو برابر كنید، مسافت طی شده چهار برابر می شود. علت آن نیز این است كه توپ در اثر جاذبه گرانشی مرتبا شتاب می گیرد. (رتبهی 8)
4- نیتون : تجزیهی نور خورشید با منشور
اسحاق نیوتن در همان سالی كه گالیله در گذشت، متولد شد. وی در سال 1665 میلادی از ترینیتی كالج كمبریج فارغ التحصیل شد. سپس، دو سال خانه نشین شد تا بیماری طاعون را كه همهگیر شده بود، از سر بگذراند. وی از این كه خانه نشین بود، چندان ناراضی نبود؛ چرا كه مشغول فعالیت های علمی بود.
در آن سالها این تفكر رایج بود كه نور سفید خالصترین نوع نور است (باز هم باورهای ارسطو) و بنابراین نورهای رنگی، تغییر شكل یافتهی نورهای سفید هستند. نیوتن برای آزمایش این نظریه، دستهای از پرتوهای خورشید را به منشور تاباند و نشان داد كه خورشید به طیفی از رنگها تجزیه میشود.
البته مردم ، رنگین كمان را در آسمان مشاهده میكردند اما از تفسیر صحیح آن ناتوان بودند. نیوتن توانست به درستی نتیجهگیری كند كه رنگهای قرمز، نارنجی ،قهوهای ،سبز، آبی، نیلی، بنفش و رنگ های بین اینها، تشكیل دهنده نور سفید هستند. نور سفید در نگاه اول بسیار ساده به نظر می رسید، اما پس از نگاه دقیقتر مشخص شد كه نور سفید تلفیقی زیبا از نور های گوناگون است. (رتبهی 4)
5- كاوندیش :آزمایش ترازوی پیچشی
یكی دیگر از فعالیتهای نیوتن پیشنهاد نظریهی گرانشی بود كه بیان میكرد قدرت نیروی گرانش بین دو جسم با مجذور جرمهایش افزایش و به نسبت مجذور فاصلهی بین آن دو كاهش مییابد. اما این پرسش باقی بود كه قدرت این نیروی گرانشی چقدر است؟
در پایان دههی اول قرن هجدهم، هنری كاوندیش تصمیم گرفت به این پرسش پاسخ دهد. وی یك میلهی چوبی را كه حدود دو متر طول داشت، انتخاب كرد و سپس یك گلولهی كوچك فلزی به هر طرف این میلهی چوبی وصل كرد تا شبیه یك دمبل شود. سپس آن را با سیمی آویزان كرد. پس از آن دو گلوله سربی را كه حدود 160 كیلوگرم جرم داشتند، به توپهای كوچك دو سر میلهی چوبی نزدیك كرد تا نیروی گرانشی لازم برای جذب كردن آنها ایجاد شود. گلولهها حركت كردند و در نتیجه سیم تاب برداشت.
كاوندیش با وصل كردن یك قلم كوچك در دو طرف میله توانست میزان جابهجایی ناچیز گلولهها را اندازه بگیرد. وی برای محافظت دستگاه، از جریان هوا، آن را ، كه ترازوی پیچشی نامیده میشود ، درون اتاقكی قرار داد و با یك تلسكوپ میزان جابهجایی را خواند. وی با این دستگاه توانست مقداری را كه به ثابت گرانشی معروف است، با دقت بسیار زیادی اندازهگیری كند و با استفاده از ثابت گرانشی، چگالی و جرم زمین را به دست آورد. اراستوتن توانست محیط زمین را اندازه بگیرد اما كاوندیش جرم زمین را به دست آورد: x6/10240 . (رتبهی6)
6-یانگ: آزمایش تداخل نور
باورهای نیوتن همواره درست نبود. پس از استدلال مختلف به این نتیجه رسید كه نور تنها از ذرههایی تشكیل شده است و نه از موج.
در سال 1803 توماس یانگ پزشك و فیزیكدان انگلیسی تصمیم گرفت این نظریه را بیازماید. وی سوراخی را در پردهی پنجره ایجاد كرد و آن را با یك مقوا كه به وسیله سوزن شكاف كوچكی در آن ایجاد كرده بود، پوشاند. سپس، نوری را كه از این شكاف میگذشت، با استفاده از یك آینه منحرف كرد. در مرحلهی بعد، ورقهی نازكی از كاغذ انتخاب كرد كه فقط یك سیام اینچ (حدود یك میلیمتر) ضخامت داشت و آن را به طور دقیق در مسیر عبور نور قرار داد تا پرتو نور را به دو قسمت تقسیم كند. نتیجهی این آزمایش طرحی از نوارهای متناوب روشن و تاریك بود
این پدیده را فقط با فرض این كه پرتوهای نور همانند موج رفتار میكنند، میتوان تفسیر كرد. نوارهای روشن وقتی مشاهده میشوند كه دو قله موج با یكدیگر همپوشانی و یكدیگر را تقویت كنند، اما نوارهای سیاه وقتی ایجاد میشوند كه یك قله موج با موج مخالف آن تركیب شود و یكدیگر را خنثی كنند.
این آزمایش سالهای بعد با استفاده از یك مقوا كه در آن دو شكاف برای تقسیم نور به دو پرتو ایجاد شده بود، تكرار شد و به همین دلیل به آزمایش شكاف دوگانه نیر مشهور است. این آزمایش بعدها به معیاری برای تعیین حركت شبه موجی تبدیل شد: حقیقتی كه یك قرن بعد، هنگامی كه نظریهی كوانتوم آغاز شد اهمیت بیش از اندازهای یافت.(رتبهی 5)
7-فوكو: چرخش كره زمین
فوكو در سال 1851 در پاریس آزمایش بسیار مشهوری را به انجام رساند كه پس از گذشت سالیان متمادی، سال گذشته در قطب جنوب دوباره تكرارشد. این دانشمندان آونگی را در قطب جنوب نصب كرد و به تماشای حركت این آونگ پرداختند. جین برنارد فوكو دانشمند فرانسوی یك گلوله آهنی 30 كیلوگرمی را به انتهای یك مفتول متصل و از سقف كلیسایی آویزان كرد و آن را به حركت درآورد تا به سمت عقب وجلو حركت كند. سپس برای آن كه نحوهی حركت این آونگ به خوبی مشخص شود، قلمی را به انتهای گلولهای كه روی بستری از شنهای نرم و مرطوب در حال نوسان بود، قرار داد.
تماشاچیان در كمال شگفتی مشاهده كردندكه آونگ به طرز غیر قابل توجیهی در حال چرخش است یعنی مسیر حركت رفت و برگشتی آن در هر تناوب با تناوب قبلی متفاوت است. اما واقعیت امر این است كه این كف كلیسا بود كه به آرامی حركت میكرد و به این ترتیب فوكو توانست با قانعكنندهترین روش ممكن نشان دهد كه زمین حول محور خود در حال گردش است.
در عرض جغرافیایی پاریس، آونگ طی هر 30 ساعت یك چرخش كامل را در جهت عقربههای ساعت انجام میدهد؛ در نیمكره جنوبی همین آونگ خلاف جهت عقربههای ساعت به حركت درمیآید و در نهایت روی خط استوا حركت در اصل چرخشی نبود. همان طور كه دانشمندان عصر جدید نشان دادند زمان تناوب حركت چرخشی پاندول در قطب جنوب برابر 24 ساعت است. (رتبهی 10)
8- میلیكان: آزمایش قطرهی روغن
از دوران باستان دانشمندان الكتریسیته را مورد بررسی قرار داده بودند؛ پدیده پیچیدهای كه هنگام رعد و برق از آسمان نازل میشد، یا با كشیدن شانه به موها میتوانستند به راحتی آن را ایجاد كنند. در سال 1897 فیزیكدان انگلیسی جی.جی.تامسون اثبات كرد كه الكتریسیته از ذرههایی كه دارای بار منفی هستند، یعنی الكترونها، به وجود میآید. ( آزمایشی كه در واقع بایستی یكی از موردهای این فهرست باشد) و كار اندازهگیری بار این ذرهها در سال 1909 به رابرت میلیكان، دانشمند آمریكایی، محول شد.
وی با استفاده از یك عطرپاش، قطرههای ریز روغن را به درون اتاق كوچك شفافی اسپری كرد. در بالا و پایین این اتاق كوچك صفحههای فلزی قرار داشتند كه به باتری متصل بودند و در نتیجه یكی از صفحهها مثبت و صفحه دیگر منفی بود. از آنجا كه این قطرهها هنگام عبور در هوا دارای مقدار جزیی بار الكتریكی میشد، میتوان سرعت سقوط این قطرهها را با تغییر ولتاژ صفحههای فلزی تنظیم كرد.
هنگامی كه نیروی الكتریكی به طور دقیق با نیروی گرانشی برابر شود، قطرههای روغن همانند ستارگان درخشان در پس زمینه تاریك به نظر می رسند و در هوا معلق میمانند. میلیكان این قطرهها را یكی پس از دیگری مورد ملاحظه قرار داد، ولتاژ صفحه را تغییر داد و به مشاهدهی تأثیر آن پرداخت. وی پس از انجام آزمایشهای متعدد به این نتیجه رسید كه بار الكتریكی یك مقدار مشخص و ثابت دارد. كوچكترین بار این قطرهها چیزی نیست به جز بار یك الكترون منفرد.( رتبه 3)
9- رادرفورد: كشف هسته
در سال 1911 كه ارنست رادرفورد در دانشگاه منچستر سرگرم آزمایش در مورد رادیواكتیویته بود، گمان میرفت كه اتمها از گلولههای نرم و باردار مثبتی تشكیل شدهاند كه توسط ذرههایی با بار منفی احاطه میشوند؛ مدل كیك كشمشی. اما هنگامی كه وی و دستیارانش ذرههای باردار مثبت كوچكی را كه ذرهی آلفا نامیده میشدند، به صفحه نازكی از طلا تاباندند، در شگفتی تمام مشاهده كردند كه درصد اندكی از این پرتوها به سمت عقب برگشتند. به عبارت دیگر این ذرهها پس از برخورد با اتمها كمانه كردهاند.
رادرفورد نتیجه گرفت اتمهای واقعی چندان هم نرم نیستند. قسمت اصلی جرم این اتمها باید در مركز اتمها، كه امروزه هسته اتم مینامیم، قرارداشته باشد و الكترونها این هستهها را احاطه كردهاند. با وجود تغییرهایی كه نظریهی كوانتوم در آن ایجاد كرد، این تصویر از اتمها هنوز هم به قوت خود باقی است. (رتبهی 9)
10- كلاوس جانسون: تداخل یك الكترون منفرد
نه گفتههای نیوتن و نه یانگ هیچ كدام در مورد ماهیت نور به طور كامل صحیح نبود. هر چند كه به سادگی نمیتوان گفت نور از ذره تشكیل شده است. خاصیتهای آن را فقط با استفاده از ماهیت موجی نیز نمیتوان به طور كامل تشریح كرد.
طی 5 سال اول قرن بیستم ماكس پلانك و آلبرت اینشتین نشان دادند كه نور در بستههایی كه فوتون نام دارد، جذب و نشر میشود. اما آزمایشهایی برای تعیین ماهیت دقیق نور همچنان ادامه داشت. بعدها تئوری كوانتوم متولد شد و طی چند دهه توسعه یافت و توانست دو نظریهی پیشین را با یكدیگر آشتی داده و نشان دهد كه هر دو میتوانند صحیح باشند: فوتونها و سایر ذرههای زیراتمی (همانند الكترونها، پروتونهاو ...) دو چهره از خود بروز میدهند كه مكمل یكدیگرند؛ بنابراین به گفتهی یك فیزیكدان در دسته Wavices قرار میگیرند.
فیزیكدانان برای شرح دادن این مطلب اغلب از یك آزمایش نظری شناخته شده استفاده میكنند . آنها ابزارهای آزمایش شكاف دوگانه یانگ را به كار میبرند، اما به جای آن كه نور معمولی به كار ببرند از پرتو الكترون استفاده میكنند. براساس قانونهای مكانیك كوانتوم، جریان ذرهها به دو پرتو تفكیك میشوند، پرتوهای كوچكتر با یكدیگر تداخل میكنند و همان الگوی آشنای نوارهای متناوب تاریك و روشن را كه توسط نور ایجاد شده بود، از خود نشان میدهند. یعنی ذرهها همانند موج عمل میكنند.
براساس مقالهای كه در فیزیكسورد منتشر شد و توسط پیتر راجرز سردبیر مجله نگاشته شده است تا سال 1961 هیچ كس این آزمایش را در عمل به انجام نرساند تا این كه كلاوس جانسون در این سال موفق به انجام این آزمایش شد . در آن هنگام هیچكس از نتایج به دست آمده چندان شگفتزده نشد و نتیجههای به دست آمده همانند بسیاری از موردهای دیگر بدون آن كه نامی از كسی در میان باشد به دنیای علم وارد شد. (رتبهی 1)
