تحقیق مقاله فیزیک و ده آزمایش برتر آن

اگر چه دانشمندان تا کنون توانسته‌اند جزوهای تشکیل‌دهنده ذره‌های زیر اتمی را در شتاب‌دهنده‌ها از یک‌دیگر جدا کنند، توالی ژنوم انسان را کشف و فعالیت ستارگان دور دست را تجزیه و تحلیل کنند، اما هنوز هم آزمایش‌هایی توجه دانشمندان را به خود جلب می‌کند که میلیون‌ها دلار هزینه را دربرداشته و جریان بزرگی ازاطلاعات ایجاد می‌کند؛ آزمایش‌هایی که پردازش آن‌ها توسط ابررایانه‌ها ماه‌ها به طول می‌انجامد. بسیاری از این گروه‌های پژوهشی توسعه پیدا کرده‌اند و برای انجام فعالیت با هم مشارکت می‌کنند.

اما باید اذعان کرد که مفاهیم علمی به ذهن‌های منحصر به فردی که خود را درگیر کشف رازو رمزهای جهان کرده‌اند، راه می‌یابد . هنگامی که رابرت پی.کریس، از عضوهای گروه فلسفه دانشگاه ایالتی نیویورک واقع در استونی بروک ومورخ آزمایشگاه ملی بروکهان از فیزیکدانان خواست که زیباترین آزمایش‌های کل تاریخ را نام ببرند، مشخص شد که ده نفر نخست بیش‌تر به طور انفرادی کار کرده‌اند و دستیاری نداشتند.

اغلب آزمایش‌هایی که درشماره‌ی September 2002‌ مجله‌ی دنیای فیزیک ( Physics World ) فهرست شده‌اند را می‌توان روی یک میزکارمعمولی انجام داد وبه وسایل محاسبه‌ای پیشرفته‌تر ازخط‌کش و ماشین حساب نیاز ندارند. چیزی که در همه‌ی این آزمایش‌ها مشترک است بیانگر همان مفهومی است که دانشمندان از آن به عنوان زیبایی نام می‌برند. نمودهای این زیبایی کلاسیک را می‌توان این گونه شرح داد: سادگی منطقی دستگاه‌های مورد استفاده و سادگی منطقی تجزیه وتحلیل اطلاعات. به عبارت دیگر، پیچیدگی ودشواری پدیده‌ها، به طور موقت به کناری گذاشته می‌شود ونکته تازه ای از راز ورمز های طبیعت کشف می شود.

فهرست چاپ شده در این مجله به ترتیب عمومیت آن رتبه بندی شده است. در رتبه نخست، آزمایشی قرار دارد که به وضوح ماهیت کوانتومی جهان فیزیکی را نشان می دهد. 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 هزارساله‌ی اکتشاف را پیش روی ما قرار می دهد.

1- اراتوستن: اندازه گیری محیط زمین

در ظهر انقلاب تابستانی در یکی از شهرهای مصر ،که امروزه اسوان نامیده می شود، خورشید مستقیم می‌تابد: اجسام هیچ سایه‌ای ندارند و نور خورشید تا انتهای یک چاه عمیق نفوذ می‌کند.

اراتوستن که کتابدار کتابخانه‌ی اسکندریه در قرن سوم پیش از میلاد بود، هنگامی که این مطلب را خواند، دریافت که اطلاعات لازم برای محاسبه‌ی 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 محاسب‌های هندسی باقی مانده بود. فرض کنید زمین گرد است، در این صورت محیط دایره آن 360 درجه است. با این تفسیر اگر دو شهراز یکدیگر7 درجه دور باشند، می توان 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 آن‌جا که دانشمندان در مورد طول واقعی یک استادیوم یونانی اختلاف نظر دارند، غیر ممکن است بتوانیم دقت این اندازه گیری را تعیین کنیم. اما طبق بعضی از محاسبه‌ها گفته می شود خطای این اندازه گیری حدود 5 درصد است (رتبه‌ی7 )

2- گالیله : آزمایش چیزهای در حال سقوط

تا حدود سال های 1500 میلادی، مردم فکر می کردند چیزهای سنگین سریع‌تر 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.

گالیلئوگالیله که استاد کرسی ریاضیات در دانشگاه پیزا بود ، آن قدر جسارت داشت که دانش پذیرفته شده را با چالش روبه‌رو کند. این داستان از جمله ماجراهای معروف تاریخ علم است:گفته می شود وی دو چیز با وزن‌های مختلف را از بالای برج کج 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 موضوع‌های علمی، رویدادهای طبیعی است نه اعتبارافراد. ( رتبه‌ی 2 )

3- گالیله:آزمایش سقوط توپ ها از سطح شیبدار

گالیله به بازپیرایی باورهای خود درمورد 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 اندازه‌گیری کرد. ساعت آبی یک مخزن بزرگ آب بود که آبش از لوله‌های نازک به یک ظرف منتقل می شد. 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 می شود. 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 می گیرد. ( رتبه‌ی 8 )

4- نیتون : تجزیه‌ی 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 همه‌گیر شده بود، از سر بگذراند. وی از این که خانه نشین بود، چندان ناراضی نبود؛ چرا که مشغول فعالیت های علمی بود.

در آن سال‌ها این تفکر رایج بود که نور سفید خالص‌ترین نوع نور است ( باز هم باورهای ارسطو) و بنابراین نورهای رنگی، تغییر شکل یافته‌ی نورهای سفید هستند. نیوتن برای آزمایش این نظریه، دسته‌ای از پرتو‌های خورشید را به منشور تاباند و نشان داد که خورشید به طیفی از رنگ‌ها تجزیه می‌شود.

البته مردم ، رنگین کمان را در آسمان مشاهده می‌کردند اما از تفسیر صحیح آن ناتوان بودند. نیوتن توانست به درستی نتیجه‌گیری کند که رنگ‌های قرمز، نارنجی ،قهوه‌ای ،سبز، آبی، نیلی، بنفش و رنگ های بین این‌ها، تشکیل دهنده نور سفید هستند. نور سفید در نگاه اول بسیار ساده به نظر می رسید، اما پس از نگاه دقیق‌تر مشخص شد که نور سفید تلفیقی زیبا از نور های گوناگون است. (رتبه‌ی 4 )

5- کاوندیش :آزمایش ترازوی پیچشی

یکی دیگر از فعالیت‌های نیوتن پیشنهاد نظریه‌ی گرانشی بود که بیان می‌کرد قدرت جاذبه بین دو جسم با مجذور جرم‌هایش افزایش و به نسبت مجذور فاصله‌ی بین آن دو کاهش می‌یابد. اما این پرسش باقی بود که قدرت این جاذبه‌ی گرانشی چقدر است؟

در پایان دهه‌ی اول قرن هجدهم، هنری کاوندیش تصمیم گرفت به این پرسش پاسخ دهد. وی یک میله‌ی چوبی را که حدود دو متر طول داشت، انتخاب کرد و سپس یک گلوله‌ی کوچک فلزی به هر طرف این میله‌ی 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 توپ‌های کوچک دو سر میله‌ی چوبی نزدیک کرد تا نیروی گرانشی لازم برای جذب کردن آن‌ها ایجاد شود. گلوله‌ها حرکت کردند و در نتیجه سیم تاب برداشت.

کاوندیش با وصل کردن یک قلم کوچک در دو طرف میله توانست میزان جابه‌جایی ناچیز گلوله‌ها را اندازه بگیرد. وی برای محافظت دستگاه، از جریان هوا، آن را ، که ترازوی پیچشی نامیده می‌شود ، درون اتاقکی قرار داد و با یک تلسکوپ میزان جابه‌جایی را خواند. وی با این دستگاه توانست مقداری را که به ثابت گرانشی معروف است، با دقت بسیار زیادی اندازه‌گیری 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 . (رتبه‌ی6)