كرتان وفكرة - أجمل التجارب في تاريخ العلم

أجمل التجارب في تاريخ العلم بحسب استفتاء مجلة "عالم الفيزياء"

جورج جونسون، نيويورك تايمز

الرابط المباشر لهذه الصفحة: https://www.hayadan.org.il/2ballsidea.html

نشر لأول مرة في 30/10/2002

وفي نهاية القرن السادس عشر، وقبل تجربة جاليليو في بيزا، كان الجميع يعلم أن الأجسام الثقيلة تسقط بشكل أسرع من الأجسام الخفيفة. وهذا ما قاله أرسطو

سواء كان الأمر يتعلق بانشطار الجسيمات دون الذرية في مسرعات الجسيمات، أو فك تشفير الجينوم، أو تحليل اهتزازات كوكب بعيد، فإن التجارب التي تجذب انتباه الجمهور تكلف أحيانًا ملايين الدولارات وتنتج كميات هائلة من المعلومات، التي تتم معالجتها. لعدة أشهر بواسطة أجهزة الكمبيوتر العملاقة. وقد نمت بالفعل بعض المجموعات البحثية في العالم إلى حجم الشركات التجارية الصغيرة.

لكن العلم يقوم في جوهره على الفكر الواضح لشخص واحد يواجه بعض الغموض. عندما طلب روبرت كريس، عضو قسم الفلسفة في جامعة ولاية نيويورك ومؤرخ مختبر بروكهافن الوطني، من علماء الفيزياء مؤخرًا اختيار أجمل تجربة على الإطلاق، أصبح من الواضح أن التجارب العشر الفائزة كانت في معظمها من إنجازات العلماء الأفراد، مع مشاركة عدد قليل من المساعدين على الأكثر.

منشور نيوتن. الألوان التي يتكون منها الضوء الأبيض

معظم التجارب -التي نشر تصنيفها الشهر الماضي في مجلة "عالم الفيزياء"- أجريت على مكاتب بسيطة، ولم يتطلب أي منها قوة حسابية أكبر مما يمكن أن توفره مسطرة الشريحة أو الآلة الحاسبة.

ما تشترك فيه هذه التجارب هو أنها تجسد تلك الخاصية المراوغة التي يطلق عليها العلماء "الجمال". هذا هو الجمال بالمعنى الكلاسيكي: فالبساطة المنطقية للأداة التجريبية، وكذلك البساطة المنطقية للتحليل، تذكر في نظافتها الخطوط العريضة للبنية اليونانية. يتم وضع الارتباك والغموض جانبًا للحظة، ويتم الكشف عن شيء جديد حول قوى الطبيعة بكل وضوحها.

تم ترتيب القائمة في "العالم المادي" حسب الشعبية، وفازت بالمركز الأول تجربة أكدت نظرية الكم في العالم المادي، فالعلم مصنع للمعلومات المتراكمة - وهذا جزء من جماله. وفيما يلي قائمة التجارب الفائزة، بالترتيب الزمني مع شروحات إضافية: قياس محيط الأرض على يد أرتوستينس (التقييم: 7). عند الظهر في أطول يوم في السنة، في المدينة المصرية التي تسمى الآن أسوان، تتدلى الشمس في وسط السماء: الأجسام لا تلقي بظلالها، وأشعة الشمس تشرق في خط مستقيم في بئر ماء. وقد تعلم أرتوستينس، أمين مكتبة الإسكندرية في القرن الثالث قبل الميلاد، هذه الحقيقة من القراءة، وأدرك أن لديه المعلومات التي يحتاجها لتقدير محيط الأرض. وفي ذلك اليوم وفي تلك الساعة قام بقياس الظلال في الإسكندرية، واكتشف أن أشعة الشمس هناك تضرب الأرض بميل معين، منحرفة عن الوضع العمودي الكامل بنحو سبع درجات.

وكان الباقي هندسة خالصة. وبافتراض أن الأرض كروية، فإذا كانت المسافة بين المدينتين سبع درجات، فإن هذه المسافة تشكل سبعة أجزاء من 360 درجة للدائرة الكاملة - أي نحو خمسين. وبحسب مدة السفر بين المدينتين، قدّر أرتوستينس أن المسافة بينهما بحوالي 5,000 ملعب، وبالتالي فإن محيط الأرض أكبر بـ 50 مرة، أي حوالي 250 ألف ملعب. يختلف العلماء حول مسألة طول الملعب اليوناني، لذلك ليس من الممكن تقييم مدى دقة آرتوستينس. ولكن وفقا لأحد الحسابات، كان مخطئا بنسبة 5٪ فقط.

تجربة جاليليو مع الأجسام المتساقطة (التقييم: 2). وفي نهاية القرن السادس عشر، عرف الجميع أن الأجسام الثقيلة تسقط بشكل أسرع من الأجسام الخفيفة. وبعد كل شيء، هكذا قال أرسطو. إن حقيقة أن عالمًا من اليونان القديمة كان لا يزال يُعتبر مرجعًا يشهد على مدى تدهور العلوم في العصور الوسطى.

كان جاليليو جاليلي، الذي شغل منصب رئيس قسم الرياضيات في جامعة بيزا، جريئًا بما يكفي للتشكيك في الاعتقاد السائد. أصبحت القصة جزءًا من الفولكلور العلمي: قام جاليليو بإسقاط جسمين بأوزان مختلفة من برج بيزا، مما يدل على أنهما هبطا على الأرض في نفس الوقت. وربما خطر بباله تحديه لأرسطو في مكان عمله، لكنه أثبت أهمية الموقف الذي يرى أن الطبيعة - وليس السلطة البشرية، مهما كانت أهميتها - هي الحكم الأعلى في مسائل العلم.

تجارب جاليليو مع الكرات المتدحرجة على مستويات مائلة (التقييم: 8). استمر جاليليو في تحسين أفكاره حول الأجسام المتحركة. أخذ لوحًا طوله 12 ذراعًا وعرضه نصف ذراع (حوالي 5 أمتار في 20 سم) ونحت فيه أخدودًا بطوله، بشكل مستقيم وسلس قدر الإمكان. قام بإمالة اللوحة ودحرجة الكرات النحاسية أسفلها. وقام بقياس الوقت الذي استغرقوه للوصول إلى القاع باستخدام الساعة المائية، وهي وعاء كبير يتم فيه تفريغ الماء في كوب زجاجي من خلال أنبوب رفيع. وفي نهاية كل تجربة، كان جاليليو يزن الماء المتدفق - وهو مقياس للوقت الذي انقضى - ويقارن كمية الماء بالمسافة التي قطعتها الكرة.

كان أرسطو يتوقع أن تظل سرعة الكرة المتدحرجة ثابتة: إذا ضاعفت مدة الحركة، فإن المسافة التي تقطعها الكرة تتضاعف أيضًا. وأظهر جاليليو أن المسافة تتناسب مع مربع مدة الحركة: فعندما تضاعف مدة الحركة، تقطع الكرة مسافة أكبر بأربع مرات من المسافة الأصلية. وذلك لأن قوة الجاذبية تسبب تسارعًا ثابتًا في سرعة حركة الكرة.

تجربة نيوتن لتقسيم ضوء الشمس باستخدام المنشور (التقييم: 4). ولد إسحاق نيوتن في العام الذي توفي فيه جاليليو. تخرج من كلية ترينيتي في كامبريدج عام 1665 ثم حبس نفسه في منزله لبضع سنوات بينما كانت الأمور تشتعل في الخارج. ولم يجد صعوبة في العثور على وظائف لنفسه.
وكان التفسير الشائع في تلك الأيام هو أن الضوء الأبيض هو ضوء في أنقى صوره (مرة أخرى، بحسب أرسطو) وأن الضوء الملون هو ضوء تم تغييره بطريقة ما. ولاختبار هذه الفرضية، مرر نيوتن شعاعًا من ضوء الشمس عبر منشور، وأظهر أن الشعاع انقسم إلى قوس قزح من الألوان التي ظهرت على الحائط. كان قوس قزح بالطبع ظاهرة مألوفة، ولكن حتى ذلك الحين لم يكن يعتبر أكثر من مجرد فضول جميل. وفي الواقع، استنتج نيوتن أن هذه الألوان - الأحمر والأصفر والأخضر والأزرق والنيلي والبنفسجي والظلال المتوسطة - هي الألوان الأساسية التي يتكون منها الضوء الأبيض. ما بدا بسيطًا ظاهريًا، تبين عند الفحص الدقيق أنه جميل في تعقيده.

تجربة شريط التواء كافنديش (التقييم: 6). مساهمة أخرى لنيوتن كانت نظريته في الجاذبية، والتي تدعي أن قوة الجذب بين جسمين تزيد بشكل متناسب مع كتلة الجسمين، وتنخفض بشكل متناسب مع مربع المسافة بينهما. ولكن ما هي القوة المطلقة للجاذبية؟

في نهاية القرن الثامن عشر، قرر العالم الإنجليزي هنري كافنديش الإجابة على هذا السؤال. أخذ عمودًا خشبيًا يبلغ طوله مترين، وألصق في طرفيه كرات معدنية صغيرة، مثل الدمبل. قام بتعليق العمود على سلك معدني. تم وضع كرتين من الرصاص تزن كل منهما 18 كجم، وُضعتا بالقرب من بعضهما، وأثرت قوة جاذبية كافية لسحب الكرتين الصغيرتين، مما أدى إلى دوران الدمبل والتفاف السلك المعدني الذي كان معلقًا عليه. لقياس درجة إزاحة القضيب، وضعه كافنديش في صندوق. ووضع على طرفي العصا قطعتين من العاج مقطوعة فيهما خطوط رفيعة. وضع طبقين آخرين من هذا القبيل على حافة الصندوق. فحص كافنديش درجة التغير في الاتجاه الذي كانت تواجهه الأخاديد، ومن هنا استنتج درجة إزاحة القضيب.
ولتجنب تأثير التيارات الهوائية، تم وضع الجهاز (المعروف بموازين الالتواء) في غرفة مغلقة، وتمت مراقبته من خلال تلسكوبين مثبتين على جدران الغرفة.
وكانت النتيجة تقديرًا مثيرًا للإعجاب لدقة المعلمة المعروفة باسم ثابت الجاذبية، ومن هذا تمكن كافنديش من حساب كثافة وكتلة الأرض. قام أرتوستينس بقياس محيط الكرة؛ اعتبره كافنديش. واستنتج أن وزن الأرض هو ستة تريليون تريليون كيلوغرام، أي عدد الكيلوغرامات التي تعبيرها العددي هو 6 تليها 24 صفراً.

أجمل التجارب في تاريخ العلم. المقال الثاني: من بيان الخواص الموجية للضوء إلى اكتشاف النواة الذرية


بندول فوكو. تتحرك الأرض حول محورها

تجربة يانغ لتداخل الضوء (التقييم: 5). لم يكن نيوتن على حق على الإطلاق. وبالاعتماد على حجج مختلفة، أقنع المجتمع العلمي بأن الضوء يتكون من جسيمات وليس موجات. وفي عام 1803، قام توماس يونج، وهو طبيب وعالم فيزياء إنجليزي، بوضع هذه النظرية على المحك. لقد أحدث ثقبًا في مصراع النافذة، وغطاه بقطعة سميكة من الورق مثقوبة بدبوس صغير، واستخدم مرآة لعكس شعاع الضوء الرقيق الذي يمر عبر الثقب. ثم أخذ "قطعة من الرق، عرضها حوالي ثلاثين جزءًا من البوصة" (0.085 سم) ووضعها داخل شعاع الضوء، بحيث عبر الشعاع إلى قسمين؛ مر نصف الضوء من يمين البطاقة والنصف الآخر من اليسار. وكانت النتيجة ظلًا مكونًا من خطوط فاتحة وخطوط داكنة متناوبة، وهي ظاهرة يمكن تفسيرها بحقيقة أن الشعاعين يتصرفان كموجات متقاطعة. ولو لم تكن الأشعة عبارة عن موجات، لكان قد ظهر بينهما جزء مظلل تمامًا.

النواة الذرية. تم دحض "نموذج كعكة الزبيب".

ظهرت العصابات الساطعة عندما تداخلت قمتان موجتان مع بعضهما البعض وعززتا قوة بعضهما البعض؛ ظهرت أشرطة داكنة حيث يتداخل ارتفاع مع انخفاض، لذلك ألغى كل منهما الآخر.

تم تكرار التجربة عدة مرات على مر السنين باستخدام الرق وفتحتين لتقسيم شعاع الضوء. كانت تجارب الشق المزدوج، كما كانت تسمى، هي الطريقة القياسية لتحديد حركة الموجة - وهي حقيقة أصبحت ذات أهمية خاصة بعد قرن من الزمان، مع تأسيس نظرية الكم.

بندول فوكو (التقييم: 10). في العام الماضي، عندما وضع العلماء بندولًا فوق القطب الجنوبي واختبروا حركته، أعادوا إنشاء تجربة شهيرة أجريت لأول مرة في باريس عام 1851. قام العالم الفرنسي جان برنارد ليون فوكو بربط كرة حديدية بكابل فولاذي طوله 67 مترًا. وزنها 28 كجم. قام بتعليق الكابل من قبة البانثيون وبدأ حركة البندول. ولاختبار طبيعة الحركة، قام بتثبيت قلم في الجزء السفلي من الكرة ونشر كومة من الرمل الناعم على الأرض.
شاهد الجمهور منبهرًا بالبندول، الذي بدا وكأنه يتأرجح في دائرة، لسبب غير مفهوم، تاركًا آثارًا مختلفة قليلاً مع كل تأرجح. في الواقع، كانت أرضية البانثيون هي التي كانت تتحرك ببطء، وهكذا أظهر فوكو، بشكل أكثر إقناعًا من أي وقت مضى، أن الأرض تتحرك حول محورها. وفي باريس، يكمل البندول الذي يتحرك في اتجاه عقارب الساعة دورة كاملة كل 30 ساعة؛ وفي نصف الكرة الجنوبي تدور في الاتجاه المعاكس لاتجاه عقارب الساعة، وعلى خط الاستواء لا تدور على الإطلاق. وفي القطب الجنوبي، كما أكد العلماء العام الماضي، فإن الوقت اللازم لإكمال الدائرة هو 24 ساعة.

تجربة ميليكين لقطرات الزيت (التقييم: 3). منذ العصور القديمة، درس العلماء الكهرباء - وهي جوهر غير ملموس ينزل من السماء على شكل برق، ولكن يمكن أيضًا إنتاجه بسهولة عن طريق تمرير فرشاة عبر الشعر. في عام 1897 (في تجربة يمكن إدراجها بسهولة في القائمة الحالية) أثبت الفيزيائي البريطاني جي جي طومسون أن الكهرباء تتكون من جسيمات ذات شحنة سالبة: الإلكترونات. وفي عام 1909، تمكن العالم الأمريكي روبرت ميليكين من قياس شحنة هذه الجسيمات.

وباستخدام رذاذ العطر، رش ميليكان قطرات صغيرة من الزيت في حجرة شفافة. وفي الجزء العلوي والسفلي من الخلية، تم تجميع صفائح معدنية تم توصيلها بالبطارية، بحيث تكون إحدى الصفائح ذات شحنة موجبة والأخرى ذات شحنة سالبة. وبما أن كل قطرة تلتقط شحنة صغيرة من الكهرباء الساكنة عند مرورها في الهواء، فقد كان من الممكن التحكم في سرعة سقوطها عن طريق تغيير الجهد الكهربائي للصفائح، مما يؤثر على قطرة الزيت قوة جاذبة تعادل قوة الجاذبية. مغناطيس (عندما كانت القوة الكهربائية مساوية لقوة الجاذبية، كانت القطرة معلقة في الهواء بلا حراك - "مثل نجم يلمع على خلفية سوداء").

شاهد ميليكين قطرة قطرة، وهو يغير الجهد الكهربائي ويلاحظ التأثير. وبعد العديد من التكرار توصل إلى أن الشحنة تأخذ سلسلة من القيم الثابتة. أدنى قيمة لم تكن سوى حجم شحنة إلكترون واحد.

اكتشاف النواة على يد رذرفورد (التقييم: 9). عندما أجرى إرنست رذرفورد تجاربه على الإشعاع الإشعاعي في جامعة مانشستر في عام 1911، كان الاعتقاد السائد هو أن الذرات عبارة عن كتل كبيرة وناعمة من الشحنة الكهربائية الإيجابية، والتي تم دمج الإلكترونات داخلها - وهو ما كان يسمى نموذج "كعكة الزبيب". ولكن عندما أطلق هو ومساعدوه جسيمات موجبة الشحنة، تسمى جسيمات ألفا، على رقاقة ذهبية رقيقة، فوجئوا عندما وجدوا أن نسبة ضئيلة منها قد تم صدها. كان الأمر كما لو أن الرصاص الذي أطلق على الجيلي ارتدت إلى الخلف.
وخلص رذرفورد إلى أن الذرات في الواقع ليست لينة على الإطلاق. ويبدو أن معظم الكتلة كانت مركزة في نواة صغيرة، تعرف الآن بالنواة، وتدور حولها الإلكترونات. ومع التصحيحات التي نشأت في نظرية الكم، ظلت صورة الذرة هذه سليمة حتى يومنا هذا.

تطبيق تجربة يونغ ذات الشق المزدوج في تداخل الإلكترونات المفردة (التقييم: 1). لم يكن نيوتن ولا يونج على حق تمامًا فيما يتعلق بطبيعة الضوء. الضوء لا يتكون من جزيئات، لكن لا يمكن وصفه بأنه موجة نقية أيضًا. في السنوات الخمس الأولى من القرن العشرين، أظهر ماكس بلانك ومن بعده ألبرت أينشتاين أن الضوء ينبعث ويُمتص في "حزم" تسمى الفوتونات. لكن تجارب أخرى استمرت في تأكيد أن للضوء خصائص متموجة.

لقد كانت نظرية الكم، التي تطورت على مدى العقود التالية، هي التي مكنت من التوفيق بين التناقض الظاهري: فالفوتونات والجسيمات دون الذرية الأخرى - الإلكترونات والبروتونات وما إلى ذلك - تظهر خاصيتين يكمل كل منهما الآخر؛ هذه الجسيمات هي في الواقع، كما وصفها أحد الفيزيائيين، "موجات".
لشرح الفكرة لأنفسهم وللآخرين، غالبًا ما استخدم الفيزيائيون تجربة فكرية أعادوا فيها إنتاج تجربة الشق المزدوج التي أجراها يونج باستخدام شعاع إلكتروني بدلاً من شعاع ضوئي. ووفقا لقوانين ميكانيكا الكم، من المتوقع أن ينقسم تيار الجسيمات إلى قسمين، ومن المتوقع أن تتقاطع التيارات الأصغر مع بعضها البعض، بحيث يتم الحصول على نفس النمط من العصابات المظلمة والفاتحة التي يلقيها شعاع الضوء. ومن المتوقع أن تتصرف الجسيمات مثل الأمواج.

وفقًا لمقال مصاحب في "عالم الفيزياء" بقلم محرر المجلة بيتر روجرز، لم يتمكن شخص ما (كلاوس جوهانسون من جامعة توبنغن) من تنفيذ التجربة عمليًا إلا في عام 1961. عند هذه النقطة، لم يتفاجأ أحد بالنتيجة، وتم استيعاب التقرير، مثل معظم التقارير، عن غير قصد في تاريخ العلم.

الفيزياء اليوم

العليم بالمستقبل الذي مضى - أسباب العلم
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~360125957~~~64&SiteName=hayadan