به گزارش گروه اجتماعی خبرگزاری برنا؛ 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.

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.

با دوستان خود به اشتراک بگذارید: