زیباترین آزمایش های شیمی

[fr.chemi3t]

گر چه دانشمندان تاکنون توانسته اند اجزای تشکیل دهنده ذره های زیر اتمی را در شتاب دهنده ها از یک دیگر جدا کنند، توالی ژنوم انسان را کشف و فعالیت ستارگان دور دست را تجزیه و تحلیل کنند، اما هنوز هم آزمایش هایی توجه دانشمندان را به خود جلب می‌کند که میلیون ها دلار هزینه را در برداشته و جریان بزرگی از اطلاعات ایجاد می‌کند؛ آزمایش هایی که پردازش آن ها توسط ابررایانه ها ماه ها به طول می انجامد. بسیاری از این گروه های پژوهشی توسعه پیدا کرده اند و برای انجام فعالیت با هم مشارکت می‌کنند.
اما باید اذعان کرد که مفاهیم علمی به ذهن های منحصر به فردی که خود را درگیر کشف رازو رمزهای جهان کرده اند، راه می‌یابد. هنگامی که رابرت پی.کریس، از گروه فلسفه دانشگاه ایالتی نیویورک واقع در استونی بروک ومورخ آزمایشگاه ملی بروکهان از فیزیکدانان خواست که زیباترین آزمایش های کل تاریخ را نام ببرند، مشخص شد که ده نفر نخست بیش تر به طور انفرادی کار کرده اند و دستیاری نداشتند.
اغلب آزمایش هایی که درشماره ی September 2002 مجله ی دنیای فیزیک (Physics World) فهرست شده اند را می‌توان روی یک میزکار معمولی انجام داد و به ابزارهای محاسبه ای پیشرفته تر ازخط کش و ماشین حساب نیاز ندارند. چیزی که در همه ی این آزمایش ها مشترک است، همان چیزی است که دانشمندان از آن به عنوان "زیبایی" نام می‌برند؛ یعنی، سادگی منطقی دستگاه های مورد استفاده و سادگی منطقی تجزیه و تحلیل. به عبارت دیگر، پیچیدگی ودشواری پدیده ها، به طور موقت به کناری گذاشته می‌شود و نکته تازه ای از راز ورمزهای طبیعت کشف می‌شود.
فهرست چاپ شده در این مجله به ترتیب عمومیت آن رتبه بندی شده است. در رتبه ی نخست، آزمایشی قرار دارد که به وضوح ماهیت کوانتومی جهان فیزیکی را نشان می‌دهد. این موارد باردیگر به ترتیب دوره زمانی مرتب شده اند که نتیجه آن هم اکنون پیش روی شماست. این فهرست نگرش جالبی از تاریخ دو هزارساله ی اکتشاف را پیش روی ما می گذارد:

1) اراتوستن: اندازه گیری محیط زمین
در ظهر انقلاب تابستانی در یکی از شهرهای مصر ،که امروزه آسوان نامیده می‌شود، خورشیدمستقیم می‌تابد: اجسام هیچ سایه ای ندارند و نور خورشید تا انتهای یک چاه عمیق نفوذ می‌کند.
اراتوستن که کتابدار کتابخانه ی اسکندریه در قرن سوم پیش از میلاد بود، هنگامی که این مطلب را خواند، دریافت که اطلاعات لازم برای محاسبه ی محیط زمین را در اختیار دارد. وی همان روز و همان ساعتی که در بالا گفته شد، آزمایشی ترتیب داد و مشاهده کرد که پرتوهای خورشید در اسکندریه تا حدودی مایل بوده و حدود هفت درجه از خط عمود انحراف دارد.
حالا دیگر فقط محاسبه های هندسی باقی مانده بود. فرض کنید زمین گرد است، در این صورت محیط دایره آن 360 درجه است. با این تفسیر اگر دو شهر از یکدیگر 7 درجه دور باشند، می‌توان گفت به اندازه هفت سیصد و شصتم یا یک پنجاهم یک دایره کامل از هم فاصله دارند. با اندازه گیری فاصله دو شهر، مشخص شد که این دو 5 هزار استادیوم (واحد طول برابر با حدود185 متر) از یکدیگر دورند. اراتوستن نتیجه گرفت که محیط زمین 50 برابر این فاصله یعنی 250 هزار استا دیوم است. از آن جا که دانشمندان در مورد طول واقعی یک استادیوم یونانی اختلاف نظر دارند، غیر ممکن است بتوانیم دقت این اندازه گیری را تعیین کنیم. اما بر پایه ی برخی از محاسبه ها گفته می‌شود خطای این اندازه گیری حدود 5 درصد است (رتبه ی7)

2) گالیله : آزمایش چیزهای در حال سقوط
تا حدود سال های 1500 میلادی، مردم فکر می‌کردند چیزهای سنگین سریع تر از اجسام سبک سقوط می‌کنند. هر چه باشد، این سخن ارسطو است. این که یک دانشمند یونان باستان توانسته بود، همچنان سلطه خود را حفظ کند، بیانگر این است که علم طی قرون وسطی چقدر تنزل کرده بود.
گالیلئو گالیله که استاد کرسی ریاضیات در دانشگاه پیزا بود، آن قدر جسارت داشت که دانش پذیرفته شده را با چالش روبه رو کند. این داستان از جمله ماجراهای معروف تاریخ علم است: گفته می شود وی دو چیز با وزن های مختلف را از بالای برج کج (پیزا در ایتالیا) شهر رها کرد و نشان داد که آن چیزها در یک زمان به زمین می‌رسند. به چالش طلبیدن باورهای ارسطو ممکن بود برای گالیله به قیمت از دست دادن شغلش تمام شود، اما وی با این کار نشان داد که داور نهایی در موضوع های علمی، رویدادهای طبیعی است نه اعتبارافراد. (رتبه ی 2)

3) گالیله:آزمایش سقوط توپ ها از سطح شیبدار
گالیله به بازپیرایی باورهای خود در مورد چیزهای در حال حرکت ادامه داد. وی یک تخته که حدود 6 متر طول و 25 سانتی متر عرض داشت را انتخاب کرد و شیاری را در مرکز آن طوری حفر کرد که تا جایی که امکان دارد، صاف و مستقیم باشد. وی سطح را شیبدار کرد وتوپ های برنجی را درون این شیارها غلتاند وزمان سقوط را با یک ساعت آبی اندازه گیری کرد. ساعت آبی یک مخزن بزرگ آب بود که آبش از لوله های نازک به یک ظرف منتقل می‌شد. وی پس از هر بار آزمایش ورها کردن توپ میزان آب تخلیه شده را وزن می‌کرد.
گالیله به وزن کردن مقدار آب تخلیه شده، زمان را اندازه گرفت و آن را با مسافتی که گلوله طی کرده بود، مقایسه می‌کرد. ارسطو پیش بینی کرده بود که سرعت گلوله های غلتان ثابت است: اگرمدت زمان حرکت را دو برابر کنید، مسافت طی شده دو برابر می‌شود. اما گالیله نشان داد که مسافت طی شده با مجذور زمان متناسب است: اگر مدت زمان حرکت را دو برابر کنید، مسافت طی شده چهار برابر می شود. علت آن نیز این است که توپ در اثر جاذبه گرانشی مرتبا شتاب می‌گیرد. (رتبه ی 8)

4) نیوتون : تجزیه ی نور خورشید با منشور
اسحاق نیوتن در همان سالی که گالیله در گذشت، متولد شد. وی در سال 1665 میلادی از ترینیتی کالج کمبریج فارغ التحصیل شد. سپس، دو سال خانه نشین شد تا بیماری طاعون را که همه گیر شده بود، از سر بگذراند. وی از این که خانه نشین بود، چندان ناراضی نبود؛ چرا که مشغول فعالیت های علمی بود.
در آن سال ها این تفکر رایج بود که نور سفید خالص ترین نوع نور است (باز هم باورهای ارسطو) و بنابراین نورهای رنگی، تغییر شکل یافته ی نورهای سفید هستند. نیوتن برای آزمایش این نظریه، دسته ای از پرتو های خورشید را به منشور تاباند و نشان داد که خورشید به طیفی از رنگ ها تجزیه می‌شود.
البته مردم ، رنگین کمان را در آسمان مشاهده می‌کردند اما از تفسیر صحیح آن ناتوان بودند. نیوتن توانست به درستی نتیجه گیری کند که رنگ های قرمز، نارنجی ،زرد ،سبز، آبی، نیلی، بنفش و رنگ های بین این ها، تشکیل دهنده نور سفید هستند. نور سفید در نگاه اول بسیار ساده به نظر می‌رسید، اما پس از نگاه دقیق تر مشخص شد که نور سفید تلفیقی زیبا از نور های گوناگون است. (رتبه ی 4)

5) کاوندیش :آزمایش ترازوی پیچشی
یکی دیگر از فعالیت های نیوتن پیشنهاد نظریه ی گرانشی بود که بیان می‌کرد قدرت نیروی گرانش بین دو جسم با مجذور جرم هایش افزایش و به نسبت مجذور فاصله ی بین آن دو کاهش می یابد(F= G.m1.m2 / R2). اما این پرسش باقی بود که قدرت این نیروی گرانشی چقدر است؟
در پایان دهه ی اول قرن هجدهم، هنری کاوندیش تصمیم گرفت به این پرسش پاسخ دهد. وی یک میله ی چوبی را که حدود دو متر طول داشت، انتخاب کرد و سپس یک گلوله ی کوچک فلزی به هر طرف این میله ی چوبی وصل کرد تا شبیه یک دمبل شود. سپس آن را با سیمی آویزان کرد. پس از آن دو گلوله سربی را که حدود 160 کیلوگرم جرم داشتند، به توپ های کوچک دو سر میله ی چوبی نزدیک کرد تا نیروی گرانشی لازم برای جذب کردن آن ها ایجاد شود. گلوله ها حرکت کردند و در نتیجه سیم تاب برداشت.
کاوندیش با وصل کردن یک قلم کوچک در دو طرف میله توانست میزان جابه جایی ناچیز گلوله ها را اندازه بگیرد. وی برای محافظت دستگاه، از جریان هوا، آن را ، که ترازوی پیچشی نامیده می شود ، درون اتاقکی قرار داد و با یک تلسکوپ میزان جابه جایی را خواند. وی با این دستگاه توانست مقداری را که به ثابت گرانشی معروف است، با دقت بسیار زیادی اندازه گیری کند و با استفاده از ثابت گرانشی، چگالی و جرم زمین را به دست آورد. اراستوتن توانست محیط زمین را اندازه بگیرد اما کاوندیش جرم زمین را به دست آورد: x6/10240 . (رتبه ی6)

6) یانگ: آزمایش تداخل نور
باورهای نیوتن همواره درست نبود. پس از استدلال مختلف به این نتیجه رسید که نور تنها از ذره هایی تشکیل شده است و نه از موج.
در سال 1803 توماس یانگ پزشک و فیزیک دان انگلیسی تصمیم گرفت این نظریه را بیازماید. وی سوراخی را در پرده ی پنجره ایجاد کرد و آن را با یک مقوا که به وسیله سوزن شکاف کوچکی در آن ایجاد کرده بود، پوشاند. سپس، نوری را که از این شکاف می گذشت، با استفاده از یک آینه منحرف کرد. در مرحله ی بعد، ورقه ی نازکی از کاغذ انتخاب کرد که فقط یک سی ام اینچ (حدود یک میلی متر) ضخامت داشت و آن را به طور دقیق در مسیر عبور نور قرار داد تا پرتو نور را به دو قسمت تقسیم کند. نتیجه ی این آزمایش طرحی از نوارهای متناوب روشن و تاریک بود
این پدیده را فقط با فرض این که پرتوهای نور همانند موج رفتار می کنند، می‌توان تفسیر کرد. نوارهای روشن وقتی مشاهده می‌شوند که دو قله موج با یک دیگر هم پوشانی و یکدیگر را تقویت کنند، اما نوارهای سیاه وقتی ایجاد می‌شوند که یک قله موج با موج مخالف آن ترکیب شود و یک دیگر را خنثی کنند.
این آزمایش سال های 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 شکاف دوگانه نیز مشهور است. این آزمایش بعدها به معیاری برای تعیین حرکت شبه موجی تبدیل شد: حقیقتی که یک قرن بعد، هنگامی که نظریه ی کوانتوم آغاز شد اهمیت بیش از اندازه ای یافت.(رتبه ی 5)

7) فوکو: چرخش کره زمین
فوکو در سال 1851 در پاریس آزمایش بسیار مشهوری را به انجام رساند که پس از گذشت سالیان متمادی، چند سال گذشته در قطب جنوب دوباره تکرارشد. این دانشمندان آونگی را در قطب جنوب نصب کرد و به تماشای حرکت این آونگ پرداختند. جین برنارد فوکو دانشمند فرانسوی یک گلوله آهنی 30 کیلوگرمی را به انتهای یک مفتول متصل و از سقف کلیسایی آویزان کرد و آن را به حرکت درآورد تا به سمت عقب وجلو حرکت کند. سپس برای آن که نحوه ی حرکت این آونگ به خوبی مشخص شود، قلمی را به انتهای گلوله ای که روی بستری از شن های نرم و مرطوب در حال نوسان بود، قرار داد.
تماشاچیان در کمال شگفتی مشاهده کردندکه آونگ به طرز غیر قابل توجیهی در حال چرخش است یعنی مسیر حرکت رفت و برگشتی آن در هر تناوب با تناوب قبلی متفاوت است. اما واقعیت امر این است که این کف کلیسا بود که به آرامی حرکت می کرد و به این ترتیب فوکو توانست با قانع کننده ترین روش ممکن نشان دهد که زمین حول محور خود در حال گردش است.
در عرض جغرافیایی پاریس، آونگ طی هر 30 ساعت یک چرخش کامل را در جهت عقربه های ساعت انجام می‌دهد؛ در نیمکره جنوبی همین آونگ خلاف جهت عقربه های ساعت به حرکت درمی آید و در نهایت روی خط استوا حرکت در اصل چرخشی نبود. همان طور که دانشمندان عصر جدید نشان دادند زمان تناوب حرکت چرخشی پاندول در قطب جنوب برابر 24 ساعت است. (رتبه ی 10)

8) میلیکان: آزمایش قطره ی روغن
از دوران باستان دانشمندان الکتریسیته را مورد بررسی قرار داده بودند؛ پدیده پیچیده ای که هنگام رعد و برق از آسمان نازل می شد، یا با کشیدن شانه به موها می‌توانستند به راحتی آن را ایجاد کنند. در سال 1897 فیزیک دان انگلیسی جی.جی.تامسون اثبات کرد که الکتریسیته از ذره هایی که دارای بار منفی هستند، یعنی الکترون ها، به وجود می آید. ( آزمایشی که در واقع بایستی یکی از موردهای این فهرست باشد) و کار اندازه گیری بار این ذره ها در سال 1909 به رابرت میلیکان، دانشمند آمریکایی، محول شد.
وی با استفاده از یک عطرپاش، قطره های ریز روغن را به درون اتاق کوچک شفافی اسپری کرد. در بالا و پایین این اتاق کوچک صفحه ‍ های فلزی قرار داشتند که به باتری متصل بودند و در نتیجه یکی از صفحه ها مثبت و صفحه دیگر منفی بود. از آن جا که این قطره ها هنگام عبور در هوا دارای مقدار جزیی بار الکتریکی می‌شد، می‌توان سرعت سقوط این قطره ها را با تغییر ولتاژ صفحه های فلزی تنظیم کرد.
هنگامی که نیروی الکتریکی به طور دقیق با نیروی گرانشی برابر شود، قطره های روغن همانند ستارگان درخشان در پس زمینه تاریک به نظر می رسند و در هوا معلق می‌مانند. میلیکان این قطره ها را یکی پس از دیگری مورد ملاحظه قرار داد، ولتاژ صفحه را تغییر داد و به مشاهده ی تأثیر آن پرداخت. وی پس از انجام آزمایش های متعدد به این نتیجه رسید که بار الکتریکی یک مقدار مشخص و ثابت دارد. کوچک ترین بار این قطره ها چیزی نیست به جز بار یک الکترون منفرد.( رتبه 3)

9) رادرفورد: کشف هسته
در سال 1911 که ارنست رادرفورد در دانشگاه منچستر سرگرم آزمایش در مورد رادیواکتیویته بود، گمان می رفت که اتم ها از گلوله های نرم و باردار مثبتی تشکیل شده اند که توسط ذره هایی با بار منفی احاطه می‌شوند؛ مدل کیک کشمشی. اما هنگامی که وی و دستیارانش ذره های باردار مثبت کوچکی را که ذره ی آلفا نامیده می شدند، به صفحه نازکی از طلا تاباندند، در شگفتی تمام مشاهده کردند که درصد اندکی از این پرتوها به سمت عقب برگشتند. به عبارت دیگر این ذره ها پس از برخورد با اتم ها کمانه کرده اند.
رادرفورد نتیجه گرفت اتم های واقعی چندان هم نرم نیستند. قسمت اصلی جرم این اتم ها باید در مرکز اتم ها، که امروزه هسته اتم می نامیم، قرارداشته باشد و الکترون ها این هسته ها را احاطه کرده اند. با وجود تغییرهایی که نظریه ی کوانتوم در آن ایجاد کرد، این تصویر از اتم ها هنوز هم به قوت خود باقی است. (رتبه ی 9)

10) کلاوس جانسون: تداخل یک الکترون منفرد
نه گفته های نیوتن و نه یانگ هیچ کدام در مورد ماهیت نور به طور کامل صحیح نبود. هر چند که به سادگی نمی‌توان گفت نور از ذره تشکیل شده است. خاصیت های آن را فقط با استفاده از ماهیت موجی نیز نمی توان به طور کامل تشریح کرد.
طی 5 سال اول قرن بیستم ماکس پلانک و آلبرت اینشتین نشان دادند که نور در بسته هایی که فوتون نام دارد، جذب و نشر می‌شود. اما آزمایش هایی برای تعیین ماهیت دقیق نور هم چنان ادامه داشت. بعدها تئوری کوانتوم متولد شد و طی چند دهه توسعه یافت و توانست دو نظریه ی پیشین را با یک دیگر آشتی داده و نشان دهد که هر دو می‌توانند صحیح باشند: فوتون ها و سایر ذره های زیراتمی (همانند الکترون ها، پروتون هاو ...) دو چهره از خود بروز می‌دهند که مکمل یکدیگرند؛ بنابراین به گفته ی یک فیزیک دان در دسته Wavices قرار می‌گیرند.
فیزیک دانان برای شرح دادن این مطلب اغلب از یک آزمایش نظری شناخته شده استفاده می‌کنند . آن ها ابزارهای آزمایش شکاف دوگانه یانگ را به کار می‌برند، اما به جای آن که نور معمولی به کار ببرند از پرتو الکترون استفاده می‌کنند. براساس قانون های مکانیک کوانتوم، جریان ذره ها به دو پرتو تفکیک می‌شوند، پرتوهای کوچک تر با یکدیگر تداخل می کنند و همان الگوی آشنای نوارهای متناوب تاریک و روشن را که توسط نور ایجاد شده بود، از خود نشان می‌دهند. یعنی ذره ها همانند موج عمل می‌کنند.
براساس مقاله ای که در فیزیکس ورلد منتشر شد و توسط پیتر راجرز سردبیر مجله نگاشته شده است تا سال 1961 هیچ کس این آزمایش را در عمل به انجام نرساند تا این که کلاوس جانسون در این سال موفق به انجام این آزمایش شد . در آن هنگام هیچ کس از نتایج به دست آمده چندان شگفت زده نشد و نتیجه های به دست آمده همانند بسیاری از موردهای دیگر بدون آن که نامی از کسی در میان باشد به دنیای علم وارد شد.