آزمایشات علمی که جهان را تغییر دادند

در سال ۱۵۸۹ میلادی، دانشمند ایتالیایی گالیلئو گالیله بیشتر زمان خود را صرف درک مفاهیم پایه جهان مثل نور، حرکت و گرانش کرد. در زمانی که گالیله زندگی می کرد، علم هنوز از زمان یونانیان باستان تغییر بزرگی نکرده بود. در دوران باستان، ارسطو که یکی از دانشمندان تاثیرگذار یونانی بود، مطرح کرده بود که اجرام سنگین‌تر، سریع‌تر از اجرام سبک‌تر سقوط می‌کنند؛ همانطور که یک سنگ سریع‌تر از یک پر به زمین می‌رسد. گالیله چند صد سال پس از ارسطو با آزمایش معروف خود ثابت کرد که این گزاره اشتباه است. او دو توپ با جرم متفاوت را از بالای برج پیزا رها کرد و در نهایت مشخص شد که بر خلاف وزن متفاوت آن‌ها، این دو توپ همزمان با هم به زمین رسیدند. به گفته گالیله، یک پر به دلیل اصطکاک بالایی که با هوا دارد، دیرتر از یک سنگ به زمین برخورد می‌کند. شاید جالب باشد که بدانید یکی از آزمایش های علمی که فضانوردان ماموریت آپولو ۱۵ ناسا به ماه باید انجام می‌دادند، رها کردن همزمان یک سنگ و یک پر از یک ارتفاع ثابت در سطح بدون هوای ماه بود. در پایان این آزمایش برای بار دیگر ثابت شد که همه اجرام در یک میدان گرانشی ثابت، مانند زمین یا ماه، با سرعت ثابتی سقوط می‌کنند.

رنگین‌کمان پس از باران با شکست نور در قطرات باران شکل می گیرد و طیف رنگی آن با پخش شدن اجزای نور خورشید در آسمان نمایان می شود. اما تا قبل از سال ۱۶۷۲ میلادی که ایزاک نیوتن آزمایش خود را انجام دهد، کسی نمی‌دانست که رنگین‌کمان چگونه شکل می‌گیرد. نیوتن این آزمایش ساده را با یک منشور شیشه‌ای و نور خورشید از پنجره اتاقش انجام داد و متوجه شد که نور سفید از یک طیف رنگی با طول موج‌های مختلف نور مرئی، از آبی تا قرمز تشکیل شده است. او حتی نشان داد که طول موج آبی کوتاه‌تر از طول موج قرمز است و پس از قرمز طول موج دیگری به نام فروسرخ وجود دارد که با چشم ما دیده نمی‌شود و ما فقط به صورت گرما آن را حس می‌کنیم. از این طول موج قرمز امروزه برای رصد ستارگان دوردست استفاده می‌شود و ماموریت هایی مثل تلسکوپ فضایی جیمز وب به طور مخصوص برای دریافت این طول موج طراحی شده‌اند.

هنری کاوندیش در سال ۱۷۹۸ میلادی با آزمایش معروف خود توانست جرم زمین را اندازه گیری کند. او دو کره با جرم برابر را به دو انتهای یک میله و دو کره دیگر با جرم برابر و بیشتر از کره‌های قبلی به دو انتهای میله دیگری متصل کرد. کاوندیش مرکز جرم این دو میله را در یک نقطه به هم وصل کرد و در مرکز میله کره‌های کوچکتر، آینه‌ای قرار داد. او دو کره بزرگ را با دقت و به آهستگی حرکت داد و مشاهده کرد که دو کره کوچکتر تحت تاثیر میدان گرانشی کره‌های بزرگتر جابه‌جا می‌شود. کاوندیش با تاباندن یک منبع نور نقطه‌ای به آینه‌ای که در مرکز میله کوچک قرار داده بود، توانست تغییر زاویه میله کوچک را اندازه‌گیری و در نهایت، جرم زمین را محاسبه کند. البته کاوندیش علاوه بر اندازه‌گیری جرم زمین، توانست ثابت جهانی گرانش یعنی G را محاسبه کند و بعدها تبدیل به پایه و اساس قانون جهانی گرانش نیوتن شود.

ایزاک نیوتن فکر می کرد که یک پرتوی نور مثل قطاری از ذرات بسیار کوچکی به نام «کورپاسل» -که به معنی ذره است- در آسمان حرکت می‌کند. اما در سال ۱۸۰۳ میلادی، توماس یانگ آزمایشی ساده طراحی کرد و درک ما را از نور برای همیشه تغییر داد. او در یک صفحه تاریک دو روزنه باریک در نزدیکی هم ایجاد کرد و در فاصله ای حدود یک متر از آن یک منبع نوری قرار داد. یانگ در پشت صفحه تاریک یک فیلم حساس به نور قرار داد و برای مدت کوتاهی منبع نور را روشن کرد. یانگ پیش بینی کرد که اگر گفته نیوتن درست باشد، به مرکز فیلم حساس باید نور بیشتری بتابد و گوشه‌های فیلم تاریک‌تر باشد. اما نتیجه این آزمایش الگوی تیره و روشنی روی فیلم به جا گذاشت که نشان می‌داد نور به صورت موج در فضا منتشر می‌شود. در سال ۱۹۰۵ میلادی، آلبرت انیشتین نشان داد که نور می‌تواند به شکل ذره نیز رفتار کند. او با تاباندن نوری به یک صفحه فلزی در شرایطی خاص توانست الکترونی از آن به یک صفحه فلزی دیگر منتقل کند. انیشتین برای طراحی این آزمایش که اثر فوتوالکتریک نام دارد، جایزه نوبل ۱۹۲۱ را دریافت کرد. پس از مطرح شدن این نطریه‌ها، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که نور هم به صورت موج و هم به صورت ذره رفتار می‌کند. رفتار دوگانه موج-ذره فوتون‌ها یکی از مهم‌ترین و اساسی‌ترین اصل‌های فیزیکی در نظریه کوانتوم به شمار می‌رود.

برای انجام هر کاری باید انرژی مورد نیاز برای انجام آن را داشته باشید. جیمز ژول در سال ۱۸۴۰ میلادی آزمایشی انجام داد و داخل یک محفظه پر از آب یک توربین آبی قرار داد. این توربین به یک میله متصل بود که تا بیرون از محفظه ادامه می‌یافت. دور این میله طنابی چندین بار پیچیده شده و ادامه آن به قرقره‌ای وصل بود که در انتهای آن یک وزنه قرار داشت. وقتی ژول وزنه را رها کرد، وزنه طناب دور قرقره را کشید، طناب میله را به حرکت درآورد و توربین داخل محفظه را چرخاند و در نهایت، آب داخل محفظه گرم شد. او این وزنه را ۲۰ بار رها کرد تا آب به قدری گرم شود که بتواند اختلاف دمای آن را اندازه گیری کند. ژول با محاسبه‌های خود متوجه شد که انرژی پتانسیل ذخیره شده در وزنه دقیقا برابر با انرژی گرمایی منتقل شده به آب است. به عبارتی ژول همان عبارت همیشگی و تکراری کتاب‌های درسی را به دست آورد؛ انرژی ساخته نمی‌شود و از بین نمی‌رود، بلکه از حالتی به حالت دیگر منتقل می‌شود.

نور با سرعت بسیار زیادی حرکت می‌کند، به طوری که یک پرتوی نور می‌تواند در یک ثانیه هفت بار به دور زمین بچرخد. سوالی که پیش می‌آید این است که اگر سرعت نور تا این حد زیاد است، اصلا چطور توانستیم سرعت آن را اندازه‌گیری کنیم؟ حدود ۱۷۰ سال پیش دانشمند فرانسوی، ایپولیت فیزو راهی پیدا کرد که با آن بتواند سرعت نور را به دست آورد. او پرتوی نوری را به آینه‌ای با زاویه‌ای مشخص تاباند تا از میان یک چرخدنده‌ با سرعت صدها دور بر ثانیه عبور کند. فیزو مقابل این چرخدنده و ۸.۵ کیلومتر دورتر از آن آینه دیگری قرار داد تا نور را در همان مسیر بازتاب کند. فیزو با عبور نور از میان چرخدنده، آن را دوباره از درون تلسکوپی مشاهده کرد. او می‌دانست که فاصله‌ای که پرتوی نور در این مسیر طی می‌کند، چقدر است و فقط کافی بود زمان مشاهده یک پرتو تا پرتوی دیگر را اندازه‌گیری کند. فیزو با این روش سرعت نور را ۳۱۰ هزار کیلومتر بر ثانیه به دست آورد که حدود ۵ درصد از سرعتی که امروز از آن می‌دانیم، بیشتر بود. لئون فوکو بعدها این آزمایش را اصلاح کرد و به جای چرخ دنده، یک آینه در حال چرخش قرار داد. او با این روش سرعت نور را ۲۹۸ هزار کیلومتر بر ثانیه به دست آورد که تقریبا یک درصد کمتر از سرعت شناخته شده امروزی از نور است.

می‌دانیم که الکترون‌ها بار الکتریکی با خود حمل می‌کنند، پس کمترین مقدار بار الکتریکی که می‌توان داشت برابر با مقداری است که روی یک الکترون هست. اما چگونه می‌توان بار الکتریکی روی چنین ذره کوچکی را اندازه‌گیری کرد؟ رابرت میلیکان در سال ۱۹۰۹ میلادی توانست آزمایشی طراحی کند که بتواند مقدار بار الکتریکی واحد روی یک تک الکترون را به دست آورد. او دو صفحه با بار الکتریکی متفاوت را در مقابل هم قرار داد و قطرات روغن را بین این دو صفحه اسپری کرد. میلیکان مقداری بار الکتریکی به این قطرات القا کرد و متوجه شد که با توجه به مقدار و نوع باری که گرفته‌اند، با زاویه‌های مختلف به سمت صفحه‌های متفاوت منحرف می‌شوند. میلیکال با اندازه‌گیری زاویه انحراف و سرعت حرکت آن‌ها توانست نسبتی بین بار الکتریکی این قطرات پیدا کند. او بار هر قطره روغن را نیز تخمین زد و توانست مقدار بار یک الکترون را با دقت خوبی محاسبه کند. میلیکان برای این آزمایش جایزه نوبل ۱۹۲۳ را دریافت کرد.

«اتم» کلمه‌ای یونانی است که اندیشمندان دوران باستان به کوچکترین ذره‌ای نسبت دادند که همه چیز از آن‌ها تشکیل شده و از همه مهم‌تر، «نمی‌توان» آن را به قطعات کوچکتر تبدیل کرد. این تفکر تا اواخر قرن نوزدهم میلادی با ما همراه بود، تا اینکه بین سال ۱۸۹۷ م./۱۲۷۶ ش. تا ۱۹۳۲ م./۱۳۱۱ ش. چندین آزمایش انجام شد که نشان می‌داد اتم، ذره غیرقابل تجزیه، از ذرات کوچکتر تشکیل شده است. این آزمایش‌ها با کشف الکترون توسط تامسون آغاز شد و در ادامه ارنست رادرفورد به همراه دانشجویان خود آزمایش معروفی با یک ورقه نازک طلا انجام دادند که متوجه شدند هسته اتم از ذراتی با بار مثبت تشکیل شده است. در نهایت، جیمز چادویک نوترون را در هسته اتم کشف کرد. باید گفت که مدل اتمی امروزی که می‌شناسیم را مدیون این سه آزمایش هستیم. ارنست رادرفورد به همراه دانشجویان خود در دانشگاه منچستر ورقه نازکی از طلا را با ذرات آلفا (ذراتی با بار مثبت) بمباران کردند. رادرفورد پیش‌بینی می‌کرد که اگر در هسته اتم ذراتی با بار مثبت وجود داشته باشد، این ذرات آلفا باید به هسته برخورد کنند و به عقب برگردند. با اینکه اکثر ذرات از ورقه طلا رد می‌شد و مقدار کمی نیز با زاویه کم منحرف می‌شد، این گروه تخقیقاتی پس از تلاش‌های متوالی مشاهده کرد که تعدادی از ذرات با زاویه بالا منحرف می‌شود و تعداد انگشت شماری به طور مستقیم برمی‌گردد. رادرفورد جمله معروفی دارد که پس از انجام این آزمایش گفت: «مثل این می‌ماند که توپی ۴۰ سانتی به یک برگه دستمال کاغذی پرتاب کنید و توپ به سمت شما برگردد.» او با این روش توانست اندازه اتم طلا و هسته آن را به دست آورد و نشان دهد که هسته تمام اتم‌ها از ذراتی با بار مثبت به نام پروتون تشکیل شده که الکترون‌ها به دور آن می‌چرخند. همچنین او با توحه به اینکه بیشتر ذرات از ورقه طلا عبور کردند، متوجه شد که ۹۹ درصد اتم را فضای خالی تشکیل می‌دهد.

تا سال ۱۹۴۲ میلادی که دانشمند ایتالیایی، انریکو فرمی آزمایش خود را انجام دهد، ساختار اتم به طور کامل مشخص شده بود و طبق نظریه‌های آلبرت انیشتین همه می‌دانستند که جرم و انرژی هم ارز هستند و می‌توان به روشی آن‌ها را به هم تبدیل کرد. به عبارتی، اگر بتوانید جرم بسیار کمی مثل هسته یک اتم را از هم جدا کنید، انرژی بسیار زیادی آزاد می‌شود. فرمی با توجه به این اصل آزمایشی به نام «شمع اتمی»‌ در دانشگاه شیکاگو طراحی کرد. او در آزمایش خود یک نوترون (ذره بدون بار داخل هسته که پروتون‌ها را کنار هم نگه می‌دارد) به یک اتم اورانیوم-۲۳۵ پرتاب کرد تا بتواند اورانیوم-۲۳۶ تولید کند. احتمالا باید بدانید که عناصر طبیعی جرم اتمی متفاوتی دارند که ایزوتوپ نامیده می‌شوند. حالا برای اینکه بتوانیم ایزوتوپ‌های متفاوت یک عنصر را از هم تشخیص دهیم، دانشمندان جرم اتمی هر ایزوتوپ را پس از اسم عنصر می‌آورند. در این صورت می‌دانیم که ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۶ یک واحد جرمی بیشتری از اورانیوم-۲۳۵ دارد. اما اورانیوم-۲۳۶ یک ایزوتوپ ناپایدار است و به سرعت به دو اتم کوچکتر تبدیل می‌شود و چند نوترون از خود آزاد می‌کند. این نوترون‌های آزاد شده به اورانیوم-۲۳۵ نزدیک خود برخورد می‌کنند و دوباره اورانیوم-۲۳۶ ناپایدار تولید می‌کنند و این واکنش به طور زنجیره‌ای تا پایان اورانیوم ادامه پیدا می‌کند. این واکنش زنجیره‌ای در اولین نیروگاه هسته‌ای دنیا در آزمایشگاه فرمی انجام شد و امروزه در تمام نیروگاه‌های هسته‌ای سراسر دنیا اتفاق می‌افتد.

فرانسیس کریک و جیمز واتسون به همراه موریس ویلکینز نوبل پزشکی ۱۹۶۲ را به خاطر تلاش‌هایشان در درک ساختار DNA و عکاسی پرتوی ایکس از آن با روش خاصی دریافت کردند. پراش پرتوی ایکس روشی است که با آن با تاباندن پرتوی ایکس به جسمی مثل بدن انسان و ایجاد سایه در پشت آن می‌توان ساختار داخلی آن را مطالعه کرد. البته این جایزه نوبل به فرد مهمی به نام روزالیند فرانکلین تعلق نگرفت که چهار سال قبل از این نوبل به دلیل ابتلا به سرطان جان خود را از دست داد. با اینکه تلاش‌های فرانکلین در درک بخش مهمی از ساختار DNA نقش مهمی داشت، او هیچ وقت به اندازه کریک، واتسون و ویلکینز شناخته نشد.