تاریخچه علم فیزیک _ قسمت سوم

در سال های آغازین قرن بیستم اتم از راه رسیده بود دانشمندانی که اتم را واقعی می پنداشتند دیگر مرتد خوانده نمی شدند و در یک تغییر ناگهانی و دراماتیک آنها را ارتدکس های جدید نام نهادند. اما آن ها برای موفقیت خود باید تاوان سنگینی می پرداختند، قبل از اینکه فرصت به همدیگر تبریک گفتن را به خاطر کشف اتم پیدا کنند فرش زیر پایشان در رفت و آن ها را به هزار توی عجیب و غریب و دنیای ترسناک تازه ای پرت کرد و همه چیز از منچستر شروع شد جایی که در سال 1910 مرکز فیزیک اتمی جهان بود.

دو تن از خارق العاده ترین انسان های تاریخ علم “ارنست رادرفورد و نیلز بور” در دانشکده ی فیزیک دانشگاه منچستر بین سال های 1916 و 1911 کار می کردند و در مقایسه با هم دو شخصیت کاملا متفاوت و جور نشدنی ترین دوستان.

رادرفورد اهل بخش دور افتاده ای از نیوزلند بود و بزرگ شده مزرعه و بور ثروتمند، دانشمند، متشخص و اشرافی در کپنهاگ متولد شده بود. رادرفورد یک تجربه گرای مطلق بود و عاشق تکنولوژی و مبتکر استفاده از باتری ها و سیم پیچ ها، آهن رباها و سنگ های رادیواکتیو بود و اما از بینش عمیقی نیز برخوردار بود و برعکس بور نظریه پردازی مطلق بود و برایش علم تفکر عمیق و ریاضیات محض بود. قلم و کاغذ، گچ و تخته ابزار او بودند و منطق شیوه وی برای رسیدن به حقیقت بود. اگرچه روش کار آن ها از این بیشتر متفاوت نمی شد ولی آن ها یک چیز مشترک داشتند، آنها آماده شده بودند سه قرن کاوش علمی را بکاوند؛ اگر با آنچه فکر می کردند درست است، تطابق نداشت آنها انقلابیونی حقیقی بودند.

تشعشعات ایکس

رادرفورد و بور دو تن از فوق العاده ترین مغزهایی بودند که تاکنون توسط نسل بشر به دنیا عرضه شده است امّا هر ذره ای از اراده ی پولادین و استعداد درخشانشان را برای غلبه بر اتم باید بکار می گرفتند. در سال 1907 ارنست رادرفورد رئیس دانشکده ی فیزیک منچستر شد و این دوره شاهد تغییرات علمی مهمی بود. 10 سال قبل در آلمان اولین شواهد وجود تشعشعات مرموزی که از گوشت می گذرند تا استخوان ها را نشان دهند، پیدا شد. این تشعشعات بسیار غیرقابل توضیح بودند و دانشمندان نمی دانستند آنها را چه بنامند و بنابراین آن ها را “تشعشعات X” نامیدند.

آزمایش ارنست رادرفورد

دو سال بعد از این ماجرا در کمبریج نشان داده شد که جریان های الکتریکی قوی می توانند جریان های عجیبی از ذرات کوچک باردار درخشان تولید کنند که “الکترون” نامیده می شوند. و در سال 1896 در پاریس مهمترین این اکتشافات به وقوع پیوست یکی که بیش از همه اسرار اتم را فاش کرد. نشان داده شد که فلز اورانیوم انرژی عجیب و قدرتمندی از خود ساطع می کند که “رادیواکتیویته” نامیده شد که کاملا شبیه داستان های علمی تخیلی بنظر می رسید. فلزهای رادیواکتیو گرم هستند و حتی قادر به سوزاندن پوست نیز هستند و تشعشعات چنان از جسم جامد می گذرند که گویی اصلا آنجا نیست، براستی شگفتی عصر مدرن بود. رادرفورد از دست رادیواکتیویته به ستوه آمده بود هر نوع سوالی به ذهنش خطور می کرد؛ چگونه ساخته شده؟ چرا در اشکال مختلف ظاهر می شود؟ در خلاء یا هوا چقدر برد دارد؟ آیا اجسامی که با آنها برخورد می کند را تغییر می دهد؟ در منچستر همراه با شاگردانش، هانس گایگر (مخترع شمارشگر گایگر) و ارنست مارسدن یکسری آزمایش طراحی کرد که معمای رادیواکتیویته را مورد بررسی قرار می دادند. سال 1909 در دانشگاه منچستر با وسایلی همچون؛ ورقه ی طلا به ضخامت فقط چند اتم، یک صفحه فسفرسانت متحرک که در حین برخورد امواج رادیواکتیو می درخشد و درون این جعبه ستاره ای متراکم است، یک تکه کوچک از فلز رادیوم. رادیوم منبع بسیار قدرتمندی از نوعی تشعشع رادیواکتیویته که رادرفورد آن را “تشعشعات آلفا” نام نهاد. در واقع آن ها اشعه نبودند بیشتر شبیه جریان پیوسته ای از ذرات بودند، رادیوم این ذرات را مانند تفنگی که هرگز گلوله هایش تمام نمی شود، شلیک می کند. رادرفورد دانشجویانش را بکار بسیار ساده ای گماشت با تفنگ رادیوم تشعشعات آلفا را به ورقه ی طلا شلیک کنید و با استفاده از صفحه ی فسفرسانت تعداد ذراتی که از طرف دیگر ورقه خارج می شوند را بشمارید. در عمل یعنی اینکه تنها در تاریکی بنشینید و جرقه های ریز و تقریبا نامرئی روی صفحه ی فسفرسانت را بشمارید به طرز وحشتناکی کسل کننده بود اما رادرفورد بر ادامه ی آن اصرار داشت. هفته ها سپری شد و تیم تحقیقات هیچ چیز غیرعادی نیافت، ذرات آلفا چنان از ورقه طلا می گذشتند که انگار ورقه ای در آنجا نبود خیلی به ندرت اتفاق می افتاد که ذرات به هنگام عبور کمی منحرف شوند.

حالا نوبت یکی از مهمترین یافتم! یافتم! های تاریخ علم است یکی که جهان را تغییر داد. داستان از این قرار است که در راهرو به طرف شاگردش گایگر دوید، گایگر گزارش داد تا بحال چیز غیرعادی ندیده اند در حالی که رادرفورد می توانست منصرف شود اما جا نزد. بعدها او ادعا کرد که چیزی را گفته که همیشه می گفته به دَرَک، رادرفورد بینش علمی بزرگی داشت و در انتظار وقوع اتفاقی بزرگ بود او به گایگر گفت به مارسدن جوان بگو ببیند آیا هیچ ذره ی آلفایی در سمت منبع رادیوم دیده می شود؟ به عبارتی دیگر ببین آیا هیچ ذره آلفایی بر می گردد؟ این پیشنهاد فوق العاده از طرف رادرفورد بود پیشنهادی که هیچ دلیل منطقی نداشت و بعد از اینکه گایگر و مارسدن هفته ها را صرف دیدن عبور مستقیم ذرات از ورقه ی طلا کرده بودند انگار که اصلا آنجا نبود؛ چرا باید ذره ای برگردد؟

اما گایگر و مارسدن نمی توانستند در مقابل نیوزلندی بزرگ قد علَم کنند آن ها از استاد اطلاعت کرده و به آزمایشگاه تاریکشان برگشتند و صبورانه منتظر ماندند. روزها سپری شد و آن ها چیزی ندیدند پیشنهاد رادرفورد کاملا احمقانه بنظر می رسید؛ اما ناگهان اتفاق غیرممکن روی داد. در یکی از بعد از ظهرهای سال 1909 گایگر با خبری متحیر کننذه با اتاق رادرفورد هجوم برد بسیار بسیار به ندرت یک ذره آلفا از ورقه طلا کمانه می کرد. گایگر محاسبه کرد که از هر 8000 ذره ی آلفا فقط یکی چنین سرنوشتی دارد درصد بسیار اندکی است اما ذهن رادرفورد با شنیدن خبر به فکر فرو رفت، او بعدها گفت که این آزمایش مثل شلیک توپ به یک دستمال کاغذی است طوری که گلوله ی توپ به شما برگردد و رادرفورد فهمید که مدال طلای فیزیک را بُرده است. اگرچه حدود یکسال برای او طول میکشید که بفهمد چرا ذرات آلفا چنین رفتار می کنند؛ وقتی فهمید برای اولین بار به بشر درون یک اتم را نشان داد مردم به سختی می توانستند با ایده ی وجود اتم کنار بیایند اما حالا رادرفورد می دانست که این دنیای کوچک یک ده میلیونوم میلی متر ساختار دخلی خودش را دارد. در اصطلاح اتمی، یک دنیای زیر اتمی وجود دارد و ارنست رادرفورد معتقد بود که می داند شبیه چیست!