5 کشف شگفت انگیز در فیزیک پایه
5 کشف شگفت انگیز در فیزیک پایه
ویرایش و بازنویسی: حمید پناهی ها
منبع: سایت علمی بیگ بنگ / Forbes.com
این واقعیت که شواهد بسیار زیادی با نگاه کردن به قسمتی از آسمان بدست می‌آید، برای سالیان متمادی به عنوان امری تلقی می‌شد که جایی در لیست واقعیت‌ها ندارد.
میدان فراژرف هابل که عمیق‌ترین نما از جهان را ارائه کرد، کهکشان‌های متعلق به دوره‌ای را برملا کرده که در آن جهان فقط ۳ تا ۴ درصد سن فعلی‌اش را داشت.
وقتی با روش علمی کار می‌کنید، در فکر راهکاری مناسب هستید تا با پیروی از آن به بینشی تازه در خصوص برخی پدیده‌های طبیعی برسید. ایده‌ای مناسب ارائه دهید، آزمایشی انجام دهید و بسته به نتیجۀ آزمایش، به اعتبارسنجی آن بپردازید. اما جهان این گونه نیست و شرایط بغرنج‌تری بر آن حاکم است. گاهی یک آزمایش انجام می‌دهید و به نتیجه‌ای می‌رسید که کاملا با انتظارات شما فرق دارد. و بعضی اوقات، توضیح صحیح به میزانی تخیل نیاز دارد که فراتر از اصول منطقی پای می‌گذارد.
امروزه، جهان فیزیکی به خوبی قابل درک است، اما نحوۀ پیدایش انسان و زیستن آن در این سیاره، شگفتی‌های متعددی به همراه دارد. اگر خواهان پیشرفت بیشتر باشیم، باید اطلاعات بیشتری کسب کنیم. در این مقاله، قصد داریم پنج نمونه از بزرگترین اکتشافات در تاریخ را برایتان بازگو کنیم.
۱-سرعت نور با تقویت منبع نور تغییر نمی‌کند
اگر توپی را با بیشترین سرعت پرتاب کنید، بسته به نوع ورزشی که انجام می‌دهید، شاید تنها با استفاده از دست و بازویتان بتوانید ۴۵ متر بر ثانیه، سرعت داشته باشد. حالا فرض کنید در قطار سریعی که با سرعت ۳۰۰ مایل بر ساعت حرکت می‌کند، حضور دارید. اگر توپ را از درون قطار پرتاب کنید، سرعت حرکت توپ چقدر خواهد بود؟ جواب شما می‌تواند ۴۰۰ مایل بر ساعت باشد. خب حالا فرض کنید به جای پرتاب یک توپ، پرتوی نوری را منتشر می‌کنید. سرعت نور را به سرعت قطار اضافه کنید؛ در این صورت به جوابی می‌رسید که کاملا اشتباه است.
تداخل سنج مایکلسون (در قسمت بالا) نشان‌دهندۀ جابجایی ناچیزی در الگوهای نور بود؛ در مقایسه با آنچه که در صورت درست بودن نسبیت گالیله پیش می‌آمد. سرعت نور یکسان بود، فرقی هم نمی‌کرد تداخل‌سنج به چه جهتی متمایل باشد.
این در واقع ایدۀ اصلی نظریه نسبیت خاص اینشتین بود، اما اینشتین این کشف آزمایشی را انجام نداد؛ بلکه “آلبرت مایکلسون” در آن نقش داشت. کارهای پیشگامانه “مایکلسون” در دهه ۱۸۸۰ رقم خورد. اگر پرتو نوری را در جهتی یکسان با جهت حرکت زمین پرتاب کنید، عمود با آن جهت باشد یا حتی غیرموازی با آن جهت باشد، هیچ فرقی نمی‌کند.
نور همواره با سرعت یکسان حرکت می‌کند؛ c به سرعت نور در خلاء اشاره می‌کند. “مایکلسون” دستگاه تداخل سنج خود را برای اندازه‌گیری حرکت زمین ساخت و با این کار زمینه را برای نسبیت فراهم نمود. جایزه نوبل او در سال 1907 به پاس یکی از مهمترین نتایج در تاریخ علم به وی اهدا شد.
۲- ۹۹.۹% جرم اتم در یک هسته بسیار متراکم و چگال، متمرکز شده است
آیا مدل اتمی تامسون تابحال به گوشتان خورده؟ برای نخستین‌بار، “جوزف تامسون” با استفاده از لامپ کاتدی به وجود ذرات زیراتمی پی برد. وی به دو سر الکترود مثبت و منفی لامپ، اختلاف پتانسیل الکتریکی اِعمال کرد. وی مشاهده کرد که پرتو کاتدی از الکترود منفی به الکترود مثبت می‌رود. سپس در مسیر پرتو کاتدی، میدان الکتریکی قرار داد و این پرتو کاتدی به سمت قطب مثبت منحرف می‌شود. او با تکیه بر آزمایش‌های خود به این نتیجه رسید که ذرات سازندۀ پرتو کاتدی دارای بار الکتریکی منفی هستند و همچنین علاوه بر ماهیت موجی که پرتو دارد، ماهیت ذره‌ای نیز از خود نشان می‌دهد. تامسون این ذرات منفی را «الکترون» نامید.
نقص مدل اتمی تامسون با آزمایش معروف “ارنست رادرفورد” آشکار شد. “رادرفورد” در اویل کارهای تحقیقاتی خود با انجام آزمایشی، دو تابش رادیواکتیوی ناهمانند را شناسایی کرد. او پی برد که بخشی از تابش با برگه‌ای به ضخامت یک پانصدم سانتی‌متر قابل ایستادن بود، اما برای متوقف کردن بخش‌های دیگر، برگه‌های ضخیم‌تری لازم بود. او اولین پرتویی که تابش بار الکتریکی مثبت و یونیزه کننده بسیار قوی داشت، را “آلفا” نامگذاری کرد. پرتو دوم را که تابشی با بار الکتریکی منفی بود و تشعشع کمتری ایجاد می‌کرد، اما قابلیت نفوذ در آن مواد زیاد بود، “بتا” نامید.
“رادرفورد” در دانشگاه منچستر سرپرست گروهی شد که به سرعت به تدوین نظریه‌های جدید دربارۀ ساختار اتم پرداختند. آن دوره، پرثمرترین دورۀ زندگی دانشگاهی او بود. “رادرفورد” به پاس کوشش‌های علمی خود در دانشگاه منچستر، نشان‌ها و جوایز زیادی دریافت کرد که دریافت جایزه نوبل شیمی در سال ۱۹۰۷ نقطه اوج آن بود.
۳- «انرژی مفقود» منجر به کشف یک ذره ریز و تقریبا نامرئی شد
در تمامی برهم‌کنش‌هایی که میان ذرات دیده‌ایم، انرژی همیشه حضور داشته است. انرژی می‌تواند از یک نوع به نوع دیگر (انرژی پتانسیل، جنبشی، شیمیایی، اتمی، الکتریکی و غیره) تبدیل گردد، اما هرگز نمی‌تواند ایجاد شده یا از بین برود. به همین خاطر است که معمای زیادی با خود به همراه دارد.
تقریبا یک قرن پیش مشخص شد که برخی تجزیه‌های رادیواکتیوی، انرژی کلی نسبتا کمتری در فراورده‌هایشان دارند؛ در مقایسه با واکنشگرهای اولیه. در این شرایط، “نیلز بور” این گمانه‌زنی را مطرح کرد که انرژی همواره بطور پایسته باقی می‌ماند. اما “بور” اشتباه می‌کرد و این “پائولی” بود که با ایده‌های دیگری پا به میدان علم گذاشت. تبدیل نوترون به پروتون، الکترون و نوترینوی پاد الکترون، راه حلی برای مسئله عدم پایستگی انرژی در تجزیه بتا است.
“پائولی” به این نتیجه رسید که انرژی باید حفظ شود. او در سال ۱۹۳۰ ذرۀ جدیدی به نام «نوترینو» را پیشنهاد داد. این ذره کوچکِ خنثی به صورت الکترومغناطیسی وارد برهم‌کنش نمی‌شود، اما دارای جرم ناچیزی بوده و انرژی جنبشی حمل می‌کند. در حالی که عدۀ زیادی نمی‌توانستند با قاطعیت در این زمینه حرف بزنند، آزمایش فراورده‌های هسته‌ای موفق به شناسایی نوترینو و پاد نوترینو در دهه ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ شد. این دستاورد به فیزیکدانان کمک کرد تا به مدل استاندارد و مدل برهم‌کنش هسته‌ای ضعیف برسند. به محض توسعۀ روش‌های آزمایشی مناسب، پیش‌بینی‌های نظری می‌توانند گاهی اوقات به پیشرفت‌های قابل توجهی منجر شوند. کوارک‌ها، پاد کوارک‌ها و گلوئون‌های مدل استاندارد دارای بار هستند؛ افزون بر تمامی ویژگی‌های دیگر از قبیل جرم و بار الکتریکی. همه این ذرات در قالب سه نسل یافت می‌شوند.
۴- همه ذراتی که با آنها برهم‌کنش می‌کنیم، دارای خویشاوندهای ناپایدار و پرانرژی هستند
اغلب گفته می‌شود که پیشرفت‌های علمی مورد توجه چندانی قرار نمی گیرند و از آنها با جمله «خنده‌آور است»، استقبال می‌شود. این امر واقعا در فیزیک پایه به وقوع پیوست. تولد اخترشناسی پرتو کیهانی در سال ۱۹۱۲ رقم خورد؛ زمانی که «ویکتور هِس» با بالون به لایه‌های بالایی اتمسفر پرواز کرد و ذرات حاصل از پرتو کیهانی را مورد اندازه‌گیری قرار داد.
در سال ۱۹۱۲، “ویکتور هِس” آزمایش‌هایی را به منظور جستجوی این ذرات کیهانی پرانرژی ترتیب داد؛ او سرانجام این ذرات را به مقدار قابل توجهی کشف کرد و لقب «پدر پرتوهای کیهانی» را به نام خود ثبت کرد. با ساخت یک محفظه شناسایی به همراه یک میدان مغناطیسی در آنها، می‌توانید سرعت و نسبت «جرم به بار» را اندازه‌گیری کنید. پروتون‌ها، الکترون‌ها و حتی اولین ذرات پادماده هم با این روش شناسایی شد، اما بزرگترین شگفتی در سال ۱۹۳۳ رقم خورد؛ زمانی که «پائول کانز» در حین کار با پرتوهای کیهانی، ذره‌ای را کشف کرد که به الکترون شباهت داشت؛ با این تفاوت که صدها برابر سنگین‌تر بود.
یافته‌ها نشان داد که اولین «موآن» کشف شده به همراه سایر ذرات کیهانی دیگر، باری یکسان با الکترون دارد، اما به دلیل سرعت و شعاع انحنای آن، صدها برابر سنگین‌تر بود. موآن با عمر ۲.۲ میکروثانیه، بعدها توسط «کارل اندرسون» و دانشجویش «ست ندرمایر» مورد آزمایش و شناسایی قرار گرفت. فیزیکدانی به نام «رابی» که به پاس کشف رزونانس مغناطیسی هسته‌ای توانست جایزه نوبل را از آنِ خود کند، به وجود موآن‌ها پی برد. بعدها کشف شد که ذرات ترکیبی (مثل پروتون و نوترون) و ذرات بنیادی (کوارک‌ها، الکترون‌ها و نوترینوها) همگی نسل‌های متعددی از خویشاوندان سنگین دارند؛ موآن اولین ذره «نسل ۲» بود که کشف شد.
۵- جهان با یک بیگ بنگ شروع شد، هر چند این اکتشاف کاملا تصادفی بود!
در دهه ۱۹۴۰، «جورج گاموف» و همکارانش یک ایدۀ مهم مطرح کردند. این نظریه، طیف گسترده‌ای از پدیده‌های مشاهده شده را به خوبی توضیح می‌دهد. اگر در زمان به عقب برگردیم، به نقطه‌ای در گذشته می‌رسیم که در آن قوانین فیزیکی شناخته شده کارایی خود را از دست می‌دهند که به آن “تکینگی” می‌گویند. “ادوین هابل” با بررسی پدیده انتقال به سرخ در کهکشان‌ها به این نتیجه دست یافت که کهکشان‌ها در حال دور شدن از یکدیگر هستند.
این کشف مهمی بود که با فرضیه «جهانِ در حال انبساط» سازگار بود. در سال ۱۹۶۴، «آرنو پنزیاس» و «باب ویلسون» به طور تصادفی موفق به کشف “تابش پس زمینه کیهانی” شدند. پس امروزه می‌دانیم که فاصله میان کهکشان‌ها همواره در حال افزایش است و این یعنی در گذشته آنها به هم نزدیک‌تر بودند. انبساط دائمی کیهان به این معناست که کیهان در گذشته داغ‌تر و فشرده‌تر بوده است.
دیدگاهتان را بنویسید
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.