اما باید اذعان كرد كه مفاهیم علمی به ذهن‌های منحصر به فردی كه خود را درگیركشف رازو رمزهای جهان كرده‌اند، راه می‌یابد. هنگامی كه رابرت پی.كریس، از گروهفلسفه دانشگاه ایالتی نیویورك واقع در استونی بروك ومورخ آزمایشگاه ملی بروكهان ازفیزیكدانان خواست كه زیباترین آزمایش‌های كل تاریخ را نام ببرند، مشخص شد كه ده نفرنخست بیش‌تر به طور انفرادی كار كرده‌اند و دستیاری نداشتند.

 

اغلب آزمایش‌هایی كه درشماره‌ی September 2002‌ مجله‌ی دنیای فیزیك (Physics World) فهرست شده‌اند را می‌توان روی یك میزكار معمولی انجام داد و بهابزارهایمحاسبه‌ای پیشرفته‌تر ازخط‌كش و ماشین حساب نیاز ندارند. چیزی كه در همه‌ی اینآزمایش‌ها مشترك است، همان چیزیاست كه دانشمندان از آن به عنوانیبایینام می‌برند؛ یعنی، سادگی منطقی دستگاه‌های مورداستفاده و سادگی منطقی تجزیه و تحلیل. به عبارت دیگر، پیچیدگی ودشواری پدیده‌ها، بهطور 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 رتبه‌ینخست، آزمایشی قرار دارد كه به وضوح ماهیت كوانتومی جهان فیزیكی را نشان می‌دهد. ین موارد باردیگر به ترتیب دوره زمانی مرتب شده‌اند كه نتیجه آن هم اكنون پیش رویشماست. این فهرست نگرش جالبی از تاریخ دو هزارساله‌ی اكتشاف را پیش روی مامی‌گذارد.

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 چاهعمیق نفوذ می‌كند.

اراتوستن كه كتابدار كتابخانه‌ی اسكندریه در قرن سوم پیش از میلاد بود، هنگامیكه این مطلب را خواند، دریافت كه اطلاعات لازم برای محاسبه‌ی محیط زمین را دراختیار دارد. وی همان روز و همان ساعتی كه در بالا گفته شد، آزمایشی ترتیب داد ومشاهده كرد كه پرتوهای خورشید در اسكندریه تا حدودی مایل بوده و حدود هفت درجه ازخط عمود انحراف دارد.

 

حالا دیگر فقط محاسب‌های هندسی باقی مانده بود. فرض كنید زمین گرد است، در اینصورت محیط دایره آن 360 درجه است. با این تفسیر اگر دو شهر از یكدیگر 7 درجه دورباشند، می‌توان گفت به اندازه هفت سیصد و شصتم یا یك پنجاهم یك دایره كامل از همفاصله 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 محیطزمین 50 برابر این فاصله یعنی 250 هزار استادیوم است. از آن‌جا كه دانشمندان درمورد طول واقعی یك استادیوم یونانی اختلاف نظر دارند، غیر ممكن است بتوانیم دقت ایناندازه گیری را تعیین كنیم. امابر پایه‌ی برخی از محاسبه‌ها گفته می‌شود خطای ایناندازه 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 ازاجسام سبك سقوط می‌كنند. هر چه باشد، این سخن ارسطو است. این كه یك دانشمند یونانباستان توانسته بود، همچنان سلطه خود را حفظ كند، بیانگر این است كه علم طی قرونوسطی چقدر تنزل كرده بود.

گالیلئو گالیله كه استاد كرسی ریاضیات در دانشگاه پیزا بود، آن قدر جسارتداشت كه دانش پذیرفته شده را با چالش روبه‌رو كند. این داستان از جمله ماجراهایمعروف تاریخ علم است: گفته می شود وی دو چیز با وزن‌های مختلف را از بالای برج كجشهر رها كرد و نشان داد كه آن چیزها در یك زمان به زمین می‌رسند. به چالش طلبیدنباورهای ارسطو ممكن بود برای گالیله به قیمت از دست دادن شغلش تمام شود، اما وی بااین كار نشان داد كه داور نهایی در موضوع‌های علمی، رویدادهای طبیعی است نهاعتبارافراد. (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 یكتخته كه حدود 6 متر طول و 25 سانتی متر عرض داشت را انتخاب كرد و شیاری را در مركزآن طوری حفر كرد كه تا جایی كه امكان دارد، صاف و مستقیم باشد. وی سطح را شیبداركرد وتوپ‌های برنجی را درون این شیارها غلتاند وزمان سقوط را با یك ساعت آبیاندازه‌گیری كرد. ساعت آبی یك مخزن بزرگ آب بود كه آبش از لوله‌های نازك به یك ظرفمنتقل می شد. وی پس از هر بار آزمایش ورها كردن توپ میزان آب تخلیه شده را وزنمی‌كرد.

گالیله به وزن كردن مقدار آب تخلیه شده، زمان را اندازه گرفت و آن را بامسافتی كه گلوله طی كرده بود، مقایسه می‌كرد. ارسطو پیش بینی كرده بود كه سرعتگلوله های غلتان ثابت است: اگرمدت زمان حركت را دو برابر كنید، مسافت طی شده دوبرابر می شود. اما گالیله نشان داد كه مسافت طی شده با مجذور زمان متناسب است: اگرمدت زمان حركت را دو برابر كنید، مسافت طی شده چهار برابر می شود. علت آن نیز ایناست كه توپ در اثر جاذبه گرانشی مرتبا شتاب می گیرد. (رتبه‌ی 8)

4- نیوتن : تجزیه‌ی نور خورشید با منشور

 

اسحاق نیوتن در همان سالی كه گالیله در گذشت، متولد شد. وی در سال 1665 میلادیاز ترینیتی كالج كمبریج فارغ التحصیل شد. سپس، دو سال خانه نشین شد تا بیماری طاعونرا كه همه‌گیر شده بود، از سر بگذراند. وی از این كه خانه نشین بود، چندان ناراضینبود؛ چرا كه مشغول فعالیت های علمی بود.

در آن سال‌ها این تفكر رایج بود كه نور سفید خالص‌ترین نوع نور است (باز همباورهای ارسطو) و بنابراین نورهای رنگی، تغییر شكل یافته‌ی نورهای سفید هستند. نیوتن برای آزمایش این نظریه، دسته‌ای از پرتو‌های خورشید را به منشور تاباند ونشان داد كه خورشید به طیفی از رنگ‌ها تجزیه می‌شود.

البته مردم، رنگین كمان را در آسمان مشاهده می‌كردند اما از تفسیر صحیح آنناتوان 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 شدكه 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 قدرتنیروی گرانشبین دو جسم با مجذور جرم‌هایش افزایش و به نسبت مجذور فاصله‌ی بین آندو كاهش می‌یابد. اما این پرسش باقی بود كه قدرت ایننیروی 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 كوچكفلزی به هر طرف این میله‌ی چوبی وصل كرد تا شبیه یك دمبل شود. سپس آن را با سیمیآویزان كرد. پس از آن دو گلوله سربی را كه حدود 160 كیلوگرم جرم داشتند، به توپ‌هایكوچك دو سر میله‌ی چوبی نزدیك كرد تا نیروی گرانشی لازم برای جذب كردن آن‌ها ایجادشود. گلوله‌ها حركت كردند و در نتیجه سیم تاب برداشت.

كاوندیش با وصل كردن یك قلم كوچك در دو طرف میله توانست میزان جابه‌جایی ناچیزگلوله‌ها را اندازه بگیرد. وی برای محافظت دستگاه، از جریان هوا، آن را ، كه ترازویپیچشی نامیده می‌شود، درون اتاقكی قرار داد و با یك تلسكوپ میزان جابه‌جایی راخواند. وی با این دستگاه توانست مقداری را كه به ثابت گرانشی معروف است، با دقتبسیار زیادی اندازه‌گیری كند و با استفاده از ثابت گرانشی، چگالی و جرم زمین را بهدست آورد. اراستوتن توانست محیط زمین را اندازه بگیرد اما كاوندیش جرم زمین را بهدست آورد( رتبه‌‌ی6)

6- یانگ: آزمایش تداخل نور

 

باورهای نیوتن هموارهدرست نبود. پس از استدلال مختلف به این نتیجه رسید كهنور تنها از ذره‌هایی تشكیل شده است و نه از موج.

در سال 1803 توماس یانگ پزشك و فیزیك‌دان انگلیسی تصمیم گرفت این نظریه رابیازماید. وی سوراخی را در پرده‌ی پنجره ایجاد كرد و آن را با یك مقوا كه به وسیلهسوزن شكاف كوچكی در آن ایجاد كرده بود، پوشاند. سپس، نوری را كه از اینشكافمی‌گذشت، با استفاده از یك آینه منحرف كرد. در مرحله‌ی بعد، ورقه‌ی نازكی ازكاغذ انتخاب كرد كه فقط یك سی‌ام اینچ (حدود یك میلی‌متر) ضخامت داشت و آن را بهطور دقیق در مسیر عبور نور قرار داد تا پرتو نور را به دو قسمت تقسیم كند. نتیجه‌یاین آزمایش طرحی از نوارهای متناوب روشن و تاریك بود.

این پدیده را فقط با فرض این كه پرتوهای نور همانند موج رفتار می‌كنند، می‌توانتفسیر كرد. نوارهای روشن وقتی مشاهده می‌شوند كه دو قله موج با یك‌دیگر هم‌پوشانی ویكدیگر را تقویت كنند، اما نوارهای سیاه وقتی ایجاد می‌شوند كه یك قله موج با موجمخالف آن تركیب شود و یك‌دیگر را خنثی كنند.

این آزمایش سال‌های بعد با استفاده از یك مقوا كه در آن دو شكاف برای تقسیمنور به دو پرتو ایجاد شده بود، تكرار شد و به همین دلیل به آزمایش شكاف دوگانه نیرمشهور است. این آزمایش بعدها به معیاری برای تعیین حركت شبه موجی تبدیل شد: حقیقتیكه یك قرن بعد، هنگامی كه نظریه‌ی كوانتوم آغاز شد اهمیت بیش از اندازه‌اییافت.(رتبه‌ی 5)

7- فوكو: چرخش كره زمین

 

فوكو در سال 1851 در پاریس آزمایش بسیار مشهوری را به انجام رساند كه پس ازگذشت سالیان متمادی، سال گذشته در قطب جنوب دوباره تكرارشد. این دانشمندان آونگی رادر قطب جنوب نصب كرد و به تماشای حركت این آونگ پرداختند. جین برنارد فوكو دانشمندفرانسوی یك گلوله آهنی 30 كیلوگرمی را به انتهای یك مفتول متصل و از سقف كلیساییآویزان كرد و آن را به حركت درآورد تا به سمت عقب وجلو حركت كند. سپس برای آن كهنحوه‌ی حركت این آونگ به خوبی مشخص شود، قلمی را به انتهای گلوله‌ای كه روی بستریاز شن‌های نرم و مرطوب در حال نوسان بود، قرار داد.

تماشاچیان در كمال شگفتی مشاهده كردندكه آونگ به طرز غیر قابل توجیهی در حالچرخش 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 اینترتیب فوكو توانست با قانع‌كننده‌ترین روش ممكن نشان دهد كه زمین حول محور خود درحال گردش است.

 

در عرض جغرافیایی پاریس، آونگ طی هر 30 ساعت یك چرخش كامل را در جهت عقربه‌هایساعت انجام می‌دهد؛ در نیمكره جنوبی همین آونگ خلاف جهت عقربه‌های ساعت به حركتدرمی‌آید و در نهایت روی خط استوا حركت در اصل چرخشی نبود. همان طور كه دانشمندانعصر 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؛ پدیدهپیچیده‌ای كه هنگام رعد و برق از آسمان نازل می‌شد، یا با كشیدن شانه به موهامی‌توانستند به راحتی آن را ایجاد كنند. در سال 1897 فیزیك‌دان انگلیسیجی.جی.تامسون اثبات كرد كه الكتریسیته از ذره‌هایی كه دارای بار منفی هستند، یعنیالكترون‌ها، به وجود می‌آید. (آزمایشی كه در واقع بایستی یكی از موردهای این فهرستباشد) و كار اندازه‌گیری بار این ذره‌ها در سال 1909 به رابرت میلیكان، دانشمندآمریكایی، محول شد.

وی با استفاده از یك عطرپاش، قطره‌های ریز روغن را به درون اتاق كوچك شفافیاسپری كرد. در بالا و پایین این اتاق كوچك صفحه‌‍‌های فلزی قرار داشتند كه به باتریمتصل بودند و در نتیجه یكی از صفحه‌ها مثبت و صفحه دیگر منفی بود. از آن‌جا كه اینقطره‌ها هنگام عبور در هوا دارای مقدار جزیی بار الكتریكی می‌شد، می‌توان سرعت سقوطاین قطره‌ها را با تغییر ولتاژ صفحه‌های فلزی تنظیم كرد.

هنگامی كه نیروی الكتریكی به طور دقیق با نیروی گرانشی برابر شود، قطره‌هایروغن همانند ستارگان درخشان در پس زمینه تاریك به نظر می رسند و در هوا معلقمی‌مانند. میلیكان این قطره‌ها را یكی پس از دیگری مورد ملاحظه قرار داد، ولتاژصفحه را تغییر داد و به مشاهده‌ی تأثیر آن پرداخت. وی پس از انجام آزمایش‌های متعددبه این نتیجه رسید كه بار الكتریكی یك مقدار مشخص و ثابت دارد. كوچك‌ترین بار اینقطره‌ها 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 موردرادیواكتیویته بود، گمان می‌رفت كه اتم‌ها از گلوله‌های نرم و باردار مثبتی تشكیلشده‌اند كه توسط ذره‌هایی با بار منفی احاطه می‌شوند؛ مدل كیك كشمشی. اما هنگامی كهوی و دستیارانش ذره‌های باردار مثبت كوچكی را كه ذره‌ی آلفا نامیده می‌شدند، بهصفحه نازكی از طلا تاباندند، در شگفتی تمام مشاهده كردند كه درصد اندكی از اینپرتوها به سمت عقب برگشتند. به عبارت دیگر این ذره‌ها پس از برخورد با اتم‌ها كمانهكرده‌اند.

رادرفورد نتیجه گرفت اتم‌های واقعی چندان هم نرم نیستند. قسمت اصلی جرم ایناتم‌ها باید در مركز اتم‌ها، كه امروزه هسته اتم می‌نامیم، قرارداشته باشد والكترون‌ها این هسته‌ها را احاطه كرده‌اند. با وجود تغییرهایی كه نظریه‌ی كوانتومدر 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 صحیحنبود. هر چند كه به سادگی نمی‌توان گفت نور از ذره تشكیل شده است. خاصیت‌های آن رافقط 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 دربسته‌هایی كه فوتون نام دارد، جذب و نشر می‌شود. اما آزمایش‌هایی برای تعیین ماهیتدقیق نور هم‌چنان ادامه داشت. بعدها تئوری كوانتوم متولد شد و طی چند دهه توسعهیافت و توانست دو نظریه‌ی پیشین را با یك‌دیگر آشتی داده و نشان دهد كه هر دومی‌توانند صحیح باشند: فوتون‌ها و سایر ذره‌های زیراتمی (همانند الكترون‌ها،پروتون‌هاو ...) دو چهره از خود بروز می‌دهند كه مكمل یكدیگرند؛ بنابراین به گفته‌ییك فیزیك‌دان در دسته Wavices قرار می‌گیرند.

 

فیزیك‌دانان برای شرح دادن این مطلب اغلب از یك آزمایش نظری شناخته شدهاستفاده می‌كنند. آن‌ها ابزارهای آزمایش شكاف دوگانه یانگ را به كار می‌برند، امابه جای آن كه نور معمولی به كار ببرند از پرتو الكترون استفاده می‌كنند. براساسقانون‌های مكانیك كوانتوم، جریان ذره‌ها به دو پرتو تفكیك می‌شوند، پرتوهای كوچك‌تربا یكدیگر تداخل می‌كنند و همان الگوی آشنای نوارهای متناوب تاریك و روشن را كهتوسط 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 مجلهنگاشته شده است تا سال 1961 هیچ كس این آزمایش را در عمل به انجام نرساند تا این كهكلاوس جانسون در این سال موفق به انجام این آزمایش شد . در آن هنگام هیچ‌كس ازنتایج به دست آمده چندان شگفت‌زده نشد و نتیجه‌های به دست آمده همانند بسیاری ازموردهای دیگر بدون آن كه نامی از كسی در میان باشد به دنیای علم وارد شد.

نویسنده: ایرج شاهماری نمین
منبع:دانشگاه محقق اردبیلی