آزمایش های علمی که تاریخ ساز شدند

به گزارش مجله بای بلاگ، جهت بسیاری از آزمایش های علمی شاید حتی از نتیجه اصلی هم شگفت انگیزتر باشد؛ جهتی که در آن نه یک نفر که مردمی به وسعت یک تاریخ نقش داشته و به پیشبردش یاری نموده اند.

آزمایش های علمی که تاریخ ساز شدند

مریم ملی| امروز شاید خیلی از پرسش های مهم و رایج ده ها و صد ها سال قبل برای مان به بدیهیات تبدیل شده باشد. پرسش هایی که برای رسیدن به پاسخ های شان جهتی عجیب و گاه طولانی را طی نموده اند، گاهی با آزمون و خطا و سال ها تحقیق توسط دانشمندان مختلف به نتیجه ای تعیین رسیدند و گاهی هم با جرقه ای ذهنی و ناگهانی راه خود را پیدا نموده اند.

جهت بسیاری از آزمایش های علمی شاید حتی از نتیجه اصلی هم شگفت انگیزتر باشد؛ جهتی که در آن نه یک نفر که مردمی به وسعت یک تاریخ نقش داشته و به پیشبردش یاری نموده اند.

در این بین آزمایش های علم فیزیک از بابت ابعادشان همیشه جالب توجه هستند، آزمایش هایی که هم گستره جهانی زیراتمی را شامل می گردد و هم گستره وسیعی مثل آسمان بالای سرمان را، بعضی های شان در محیط آزمایشگاه با کلی دقت و وسواس و شرایط خاص انجام می شوند و بعضی هم در اتاق کوچکی درون خانه دانشمندان به وقوع می پیوندند.

آزمایش هایی که جهانی فیزیک را به جایی که امروز هست، رسانده اند و بدون آنکه بدانیم در گوشه گوشه زندگی ما نقشی غیرمستقیم داشته اند از درک حرکت چرخشی زمین به دور خودش برای ساخت و طراحی فناوری های فضایی گرفته تا شناخت دقیق نور و طیف الکترومغناطیسی که کم کم در حوزه پزشکی و تشخیص بیماری ها راه خودش را باز کرد.

در این پرونده با هم مروری خواهیم داشت بر تعدادی از مهم ترین آزمایش های تاریخ علم فیزیک و روندی که برای کشف پدیده ها و یافتن پاسخ پرسش های مهم تا امروز طی شده است.

رفتار عجیب نور در عبور از شکاف ها

نیوتن در رساله ای که درباره نور نوشته بود آن را مجموعه ای از ذرات توصیف می کرد که از یک منبع نور نشر می شوند. در سال 1803 توماس یانگ تصمیم گرفت آزمایشی دراین باره 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 می کرد با استفاده از یک آینه منحرف کرد. یانگ ورقه نازکی را که فقط یک میلی متر ضخامت داشت، به طور دقیق در جهت عبور نور قرار داد تا پرتو نور را به دو قسمت تقسیم کند.

آنچه مشاهده می شد غیرقابل پیش بینی بود: نوار های متناوب روشن و تاریک بر پرده نقش بستند؛ نتیجه ای که صرفا با موجی بودن نور قابل توجیه بود. نوار های روشن وقتی ایجاد می شوند که دو قله موج با یکدیگر همپوشانی داشته و یکدیگر را تقویت نمایند و نوار های تاریک ماحصل ترکیب یک قله موج با موج مخالف آن است که درنهایت باعث خنثی شدن یکدیگر می شوند.

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 دو شکاف یانگ نیز مشهور است. حدود یک قرن بعد از آزمایش یانگ، ایده های ماکس پلانک و آزمایش مهم اینشتین نشان داد که نور هم خاصیت موجی دارد و هم خاصیت ذره ای. این آزمایش ها شبیه تکه های پازل نتایج کار دانشمندان قدیمی تر را کامل می کردند تا اینکه خاتمه همه نتایج در کار های نهایی به فیزیک کوانتوم رسید و انقلابی در فیزیک بر پا کرد.

پرده برداری از مقدار بار الکترون ها

وقتی موهایتان را شانه می زنید حتما تجربه اش نموده اید، الکتریسیته ساکن! چیزی که امروز برایمان این قدر واضح و بدیهی است روزی پرسشی عظیم در جهانی 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 1879 سال مهمی در تاریخ علم به حساب می آید چراکه پاسخ این پرسش ها تا حدودی روشن شد. فیزیک دانی به اسم جوزف تامسون اثبات کرد که الکتریسیته از ذراتی دارای بار منفی ایجاد می گردد و پس از آن دانشمندان زیادی وقت شان را صرف شناخت و آنالیز رفتار این ذرات باردار یا همان الکترون ها کردند.

یکی از آزمایش هایی که در این حوزه انجام شد آزمایش جالب قطره روغن بود که به اندازه گیری بار اکترون ها منجر شد. رابرت میلیکان فیزیک دان آمریکایی بود که حوالی سال 1909 این آزمایش مهم و جذاب را انجام داد و برخلاف تصور خیلی ها که فکر می نمایند برای محاسبه بار الکتریکی الکترون ها احتمالا از ابزار های خاص و پیچیده ای استفاده شده، میلیکان این کار را با روشی کاملا ساده و البته مملو از خلاقیت انجام داد.

او به یاری 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 می شدند و این امکان فراهم می شد تا میلیکان با تغییردادن ولتاژ صفحه های فلزی، سرعت سقوط قطره ها را پیدا کند.

طبق قوانین فیزیک زمانی که نیرو های وارد بر یک جسم با هم برابر باشند آن جسم در حال تعادل قرار می گیرد. به قطره روغن در شرایط آزمایش دو نیرو وارد می گردد، یکی نیروی گرانش که به سمت پایین است و دیگری نیروی الکتریکی که آن را به سمت صفحه فلزی می کشاند.

زمانی که نیروی الکتریکی به طور دقیق با نیروی گرانشی برابر گردد، قطره های روغن در هوا کاملا معلق باقی می مانند. میلیکان ولتاژ را تغییر داد و شرایط قطره ها را آنالیز کرد و بعد از چندبار آزمایش به این نتیجه رسید که بار الکتریکی یک مقدار تعیین و ثابت دارد و اتفاق اعجاب انگیز این بود که کوچک ترین بار این قطره ها همان مقدار بار الکتریکی الکترون هاست.

ردپای چرخش زمین در حرکت یک آونگ

شاید نام پاندول فوکو به گوشتان خورده باشد، آزمایشی متفاوت که نتایج عجیب و تأمل برانگیزی در پی داشت. سال 1851 پاریس میزبان اتفاق مهمی در تاریخ علم شد، آزمایشی تأثیرگذار که در اوایل قرن 21 در قطب جنوب دوباره تکرار شد.

جین برنارد فوکو، دانشمند فرانسوی، ابزارهایش را به یک کلیسای عظیم برد تا در آنجا آزمایشش را انجام دهد. او یک گلوله آهنی 30 کیلوگرمی را با یک مفتول از سقف کلیسا آویزان کرد و به این ترتیب یک آونگ ساخت. سپس یک قلم را به پایانی گلوله وصل کرد و زیر محل نوسان را ظرفی عظیم 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 شوک آور بود.

همه حیران و متعجب به جهت های حرکت آونگ چشم دوخته بودند، جهتی که در هر تناوب با جهت قبلی تفاوت داشت. چیزی شبیه یک شعبده بازی در حال وقوع بود. بعد از مدتی تحقیق و آنالیز فوکو نشان داد که این کف کلیساست که به دلیل حرکت زمین به دور محور خودش در حال جابه جایی است.

نتایج تکمیل نماینده این آزمایش نشان می داد که در عرض جغرافیایی پاریس، آونگ در هر 30 ساعت یک چرخش کامل را در جهت عقربه های ساعت انجام می داد؛ در نیم کره جنوبی همین آونگ خلاف جهت عقربه های ساعت حرکت می کرد و در نهایت روی خط استوا حرکت در اصل چرخشی نبود. بعد ها این آزمایش در قطب جنوب هم انجام شد و زمان تناوب چرخشی آونگ برابر 24 ساعت به دست آمد.

یافتن دقیق مقدار ثابت گرانش

نیوتن در شرح گرانش نشان داده بود که قدرت جاذبه بین دو جسم با حاصل ضرب دو جرم نسبت مستقیم و با مجذور فاصله آن ها نسبت معکوس دارد، اما این سؤال پیش آمد که قدرت جاذبه گرانشی چقدر است؟ در سال 1798 هنری کاوندیش، دانشمند انگلیسی، یک ترازوی پیچشی بسیار حساس ساخت که بعد ها 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 پایان بود (شبیه یک دمبل) و از وسط توسط سیم پیچشی آویزان بود. دو گلوله سربی را که حدود 160 کیلوگرم جرم داشتند، به توپ های کوچک دو سر میله چوبی نزدیک کرد تا نیروی گرانشی لازم برای جذب کردن آن ها ایجاد گردد.

گلوله ها حرکت کردند و در نتیجه سیم، تاب برداشت. در واقع نیروی جاذبه بین گلوله ها سیم را در یک جهت می پیچاند و این نیرو با نیروی پیچشی سیم به تعادل می رسید. در آزمایش دیگر، نیروی لازم برای پیچش سیم، با اندازه گیری نوسان آزاد میله حول محور سیم، به دست می آمد.

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 جابه جایی ناچیز گلوله ها را اندازه بگیرد.

او ترازوی پیچشی اش را درون محفظه ای قرار داد تا از جریان هوا دور بماند و در نهایت توانست با یاری 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 1911 میزبان دانشمندی اثرگذار بود. فیزیک دانی به نام ارنست رادرفورد مدت ها در حال آزمایش روی مواد رادیواکتیو بود. تا آن موقع تصور بر این بود که اتم شبیه یک کیک کشمشی (مدل اتمی تامسون) است؛ به این شکل که بار های مثبت همان مواد کیک هستند و بار های منفی هم مثل کشمش ها در کل کیک پراکنده شده اند.

رادفورد آزمایشی طراحی کرد تا نظریه استاد خود یعنی جوزف تامسون را آنالیز کند. او و دستیارانش ذرات باردار مثبتی را به سمت ورقه ای از جنس طلا تاباندند و در کمال شگفتی مشاهده کردند که بیشتر ذرات باردار از ورقه طلا عبور می نمایند.

البته تعداد زیادی از ذرات باردار با زاویه کمی از جهت اولیه منحرف شدند و رادرفورد نتیجه گرفت که یک میدان الکتریکی قوی در اتم برقرار است و در نهایت، تعداد بسیار اندکی از ذره های آلفا با زاویه بیش از 90 درجه از جهت اولیه انحراف پیدا کردند که از دیدگاه رادرفورد می توانست به این معنا باشد که اتم طلا هسته بسیار کوچک و سنگینی دارد و به این ترتیب مدل اتم هسته دار خود را ارائه داد.

این نتیجه باعث شد مدل اتمی تامسون که اتم را مجموعه ای از بار مثبت و چندین بار منفی پراکنده می دانست، مردود اعلام گردد و مدل جدیدی از اتم شناخته گردد؛ مدلی که طبق آزمایش فضای خالی قابل توجهی داشت. با وجود تغییر هایی که نظریه کوانتوم در آن ایجاد کرد، این تصویر از اتم ها هنوز هم به قوت خود باقی است.

نور های رنگی از دل نور سفید بیرون می آیند

سالی که گالیله، فیزیک دان شهیر ایتالیایی درگذشت، پسری با جثه بسیار کوچک در انگلیس به جهان آمد. او ایزاک نیوتن بود. زمانی که نیوتن از کالج کمبریج فارغ التحصیل شد، بیماری طاعون جهان را پر نموده 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 ویژگی هایی دارد؟

آنچه از صحبت های ارسطو به جا مانده بود نشان می داد که نور های رنگی تغییرشکل یافته 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 پرتو های خارج شده از سمت دیگر منشور به هفت رنگ تقسیم شدند.

مردم سال ها رنگین کمان را در آسمان دیده بودند، اما هیچ وقت تفسیر درستی از نور سفید و ارتباطش با هفت رنگ رنگین کمان نداشتند. نیوتن از آنچه دید یک نتیجه گیری علمی و دقیق ارائه داد و گفت رنگ های قرمز، نارنجی و... تا رنگ بنفش، تشکیل دهنده نور سفید هستند.

او علت واقعی تجزیه شدن نور را تفاوت در ضریب شکست نور های رنگی مختلف اظهار داشت و از آنجا فصل تازه ای درباره آنالیز نور و خواصش شروع شد.

ماجرای کتابداری که اهل محاسبه بود

اراتوستن کتابداری در کتابخانه اسکندریه بود که زمان های زیادی از روز را مشغول خواندن کتاب های مختلف می شد. او در یکی از کتاب ها با چنین محتوایی روبه رو شد: در یک ظهر داغ تابستانی در منطقه ای از کشور مصر که امروزه اسوان نامیده می گردد خورشید مستقیم می تابد طوری که اجسام هیچ سایه ای ندارند و نور خورشید تا پایانی یک چاه عمیق نفوذ می نماید.

اراتوستن به فکر افتاد که با نکته ای که درباره سایه اشیا متوجه شده احتمالا می تواند اطلاعات جالبی درباره ابعاد زمین به دست بیاورد. مدتی بعد فهمید تمام اطلاعات مورد احتیاج برای محاسبه محیط زمین را در اختیار دارد. او با کاشتن یک چوب ساده در زمین در هنگام ظهر مشاهده کرد که پرتو های خورشید در اسکندریه تا حدودی مایل بوده و حدود هفت درجه از خط عمود انحراف دارد. اراتوستن هندسه می دانست و به خاطر داشت که محیط دایره 360 درجه است.

اگر زمین را گرد در نظر می گرفت و با توجه به آزمایشی که انجام داده بود اختلاف فاز شهر خودش یعنی اسکندریه و اسوان را هم هفت درجه در نظر می گرفت می توانست بگوید که این دو شهر به اندازه هفت سیصدوشصتم یا یک پنجاهم دایره ای کامل از هم فاصله دارند.

پس محیط زمین می بایست 50 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 150 کیلومتر با میزان فعلی تفاوت دارد. در ادامه او پیروز شد محیط زمین را هم به دست بیاورد.

پَر زودتر به زمین می رسد یا سنگ؟

گالیلئو گالیله دانشمند ایتالیایی سال های زیادی از زندگی اش را وقف تحقیق درباره ویژگی های نور، حرکت اجسام و گرانش کرد، اما در این میان یکی از آزمایش هایش مدت ها محل بحث و مجادله محققان و مردم بود.

گالیله یک سؤال طرح و سعی کرد با آزمایشی ساده پاسخش را پیدا کند؛ اجسام سنگین تر سریع تر سقوط می نمایند یا اجسام سبک تر؟ این سؤال را ارسطو سال ها قبل از گالیله این طور پاسخ داده بود که هرچه اجسام سنگین تر باشند سریع تر سقوط می نمایند، چون وزن در پایین افتادن شان 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 وزن های مختلف را همراه خودش برد، وقتی توپ ها را از برچ پایین انداخت مشاهده کرد که هر دو هم زمان 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 همیشه به یک نتیجه جالب رسید: همه اجرام چه سبک و چه سنگین، از هر جنسی که باشند، با هم به زمین می رسند؛ بنابراین گالیله توانست یک قانون مهم را کشف کند: شتاب گرانش بر هر جسمی با هر جرم، چگالی و از هر ماده ای که باشد، یکسان خواهد بود.

به گفته او یک پر آهسته تر از سنگ به زمین برخورد می نماید، چون مقاومت هوا با سقوط آن باعث کندشدن پر می گردد. چندین سال بعد در آزمایشگاه ها محفظه خلأ ساخته شد و آزمایش سقوط اجسام با وزن های متفاوت در آن انجام و تعیین شد که اختلاف زمان سقوط اشیائی مثل پر به دلیل مقاومت هوا بوده است.

جالب اینجاست که وقتی دانشمندان مأموریت آپولو-15 به ماه رفتند آزمایش پر و سنگ را انجام دادند و نتیجه مطابق همان چیزی بود که انتظار می رفت؛ یعنی هر دو شیء با هم و کاملا هم زمان 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.

bestcanadatours.com: مجری سفرهای کانادا و آمریکا | مجری مستقیم کانادا و آمریکا، کارگزار سفر به کانادا و آمریکا

تور کانادا: تور کانادا | برای دیدار از شگفتی های کشور زیبای کانادا و دریافت ویزای مولتی 5 ساله کانادا با ما همراه باشید.

منبع: فرادید
انتشار: 1 مهر 1400 بروزرسانی: 1 مهر 1400 گردآورنده: buy-blog.ir شناسه مطلب: 4363

به "آزمایش های علمی که تاریخ ساز شدند" امتیاز دهید

امتیاز دهید:

دیدگاه های مرتبط با "آزمایش های علمی که تاریخ ساز شدند"

* نظرتان را در مورد این مقاله با ما درمیان بگذارید