اگر چه دانشمندان تا کنون توانسته‌اند اجزای تشکيل‌دهنده ذره‌های زير اتمی را در شتاب‌دهنده‌ها از يک‌ديگر جدا کنند، توالی ژنوم انسان را کشف و فعاليت ستارگان دور دست را تجزيه و تحليل کنند، اما هنوز هم آزمايش‌هايی توجه دانشمندان را به خود جلب می‌کند که ميليون‌ها دلار هزينه را در برداشته و جريان بزرگی از اطلاعات ايجاد می‌کند؛ آزمايش‌هايی که پردازش آن‌ها توسط ابررايانه‌ها ماه‌ها به طول می‌انجامد. بسياری از اين گروه‌های پژوهشی توسعه پيدا کرده‌اند و برای انجام فعاليت با هم مشارکت می‌کنند.

  اما بايد اذعان کرد که مفاهيم علمی به ذهن‌های منحصر به فردی که خود را درگير کشف رازو رمزهای جهان کرده‌اند، راه می‌يابد. هنگامی که رابرت پی.کريس، از گروه فلسفه دانشگاه ايالتی نيويورک واقع در استونی بروک ومورخ آزمايشگاه ملی بروکهان از فيزيکدانان خواست که زيباترين آزمايش‌های کل تاريخ را نام ببرند، مشخص شد که ده نفر نخست بيش‌تر به طور انفرادی کار کرده‌اند و دستياری نداشتند.

   اغلب آزمايش‌هايی که درشماره‌ی September 2002‌ مجله‌ی دنيای فيزيک (Physics World) فهرست شده‌اند را می‌توان روی يک ميزکار معمولی انجام داد و به ابزارهای محاسبه‌ای پيشرفته‌تر ازخط‌کش و ماشين حساب نياز ندارند. چيزی که در همه‌ی اين آزمايش‌ها مشترک است، همان چيزي است که دانشمندان از آن به عنوان "زيبايی" نام می‌برند؛ يعنی، سادگی منطقی دستگاه‌های مورد استفاده و سادگی منطقی تجزيه و تحليل. به عبارت ديگر، پيچيدگی ودشواری پديده‌ها، به طور موقت به کناری گذاشته می‌شود و نکته تازه ای از راز ورمزهای طبيعت کشف می‌شود.

  فهرست چاپ شده در اين مجله به ترتيب عموميت آن رتبه‌بندی شده است. در رتبه‌ی نخست، آزمايشی قرار دارد که به وضوح ماهيت کوانتومی جهان فيزيکی را نشان می‌دهد. اين موارد بارديگر به ترتيب دوره زمانی مرتب شده‌اند که نتيجه آن هم اکنون پيش روی شماست. اين فهرست نگرش جالبی از تاريخ دو هزارساله‌ی اکتشاف را پيش روی ما می‌گذارد.

  1- اراتوستن: اندازه گيری محيط زمين

  در ظهر انقلاب تابستانی در يکی از شهرهای مصر ،که امروزه آسوان ناميده می شود، خورشيدمستقيم می‌تابد: اجسام هيچ سايه‌ای ندارند و نور خورشيد تا انتهای يک چاه عميق نفوذ می‌کند.

  اراتوستن که کتابدار کتابخانه‌ی اسکندريه در قرن سوم پيش از ميلاد بود، هنگامی که اين مطلب را خواند، دريافت که اطلاعات لازم برای محاسبه‌ی محيط زمين را در اختيار دارد. وی همان روز و همان ساعتی که در بالا گفته شد، آزمايشی ترتيب داد و مشاهده کرد که پرتوهای خورشيد در اسکندريه تا حدودی مايل بوده و حدود هفت درجه از خط عمود انحراف دارد.

  حالا ديگر فقط محاسب‌های هندسی باقی مانده بود. فرض کنيد زمين گرد است، در اين صورت محيط دايره آن 360 درجه است. با اين تفسير اگر دو شهر از  يکديگر 7 درجه دور باشند، می‌توان گفت به اندازه هفت سيصد و شصتم يا يک پنجاهم يک دايره کامل از هم فاصله دارند. با اندازه گيری فاصله دو شهر، مشخص شد که اين دو 5 هزار استاديوم (واحد طول برابر با حدود185 متر) از يکديگر دورند. اراتوستن نتيجه گرفت که محيط زمين 50 برابر اين فاصله يعنی 250 هزار استا ديوم است. از آن‌جا که دانشمندان در مورد طول واقعی يک استاديوم يونانی اختلاف نظر دارند، غير ممکن است بتوانيم دقت اين اندازه گيری را تعيين کنيم. اما بر پايه‌ی برخی از محاسبه‌ها گفته می‌شود خطای اين اندازه گيری حدود 5 درصد است (رتبه‌ي7)

  2- گاليله : آزمايش چيزهای در حال سقوط

  تا حدود سال های 1500 ميلادی، مردم فکر می کردند چيزهای سنگين سريع‌تر از اجسام سبک سقوط می‌کنند. هر چه باشد، اين سخن ارسطو است. اين که يک دانشمند يونان باستان توانسته بود، همچنان سلطه خود را حفظ کند، بيانگر اين است که علم طی قرون وسطی چقدر تنزل کرده بود.

  گاليلئو گاليله که استاد کرسی رياضيات در دانشگاه پيزا بود ، آن قدر جسارت داشت که دانش پذيرفته شده را با چالش روبه‌رو کند. اين داستان از جمله ماجراهای معروف تاريخ علم است: گفته می شود وی دو چيز با وزن‌های مختلف را از بالای برج کج شهر رها کرد و نشان داد که آن چيزها در يک زمان به زمين می‌رسند. به چالش طلبيدن باورهای ارسطو ممکن بود برای گاليله به قيمت از دست دادن شغلش تمام شود، اما وی با اين کار نشان داد که داور نهايی در موضوع‌های علمی، رويدادهای طبيعی است نه اعتبارافراد. (رتبه‌ی 2)

  3- گاليله:آزمايش سقوط توپ ها از سطح شيبدار

  گاليله به بازپيرايی باورهای خود در مورد چيزهای در حال حرکت ادامه داد. وی يک تخته که حدود 6 متر طول و 25 سانتی متر عرض داشت را انتخاب کرد و شياری را در مرکز آن طوری حفر کرد که تا جايی که امکان دارد، صاف و مستقيم باشد. وی سطح را شيبدار کرد وتوپ‌های برنجی را درون اين شيارها غلتاند وزمان سقوط را با يک ساعت آبی اندازه‌گيری کرد. ساعت آبی يک مخزن بزرگ آب بود که آبش از لوله‌های نازک به يک ظرف منتقل می شد. وی پس از هر بار آزمايش ورها کردن توپ ميزان آب تخليه شده را وزن می‌کرد.

  گاليله به وزن کردن مقدار آب تخليه شده، زمان را اندازه گرفت و آن را با مسافتی که گلوله طی کرده بود، مقايسه می‌کرد. ارسطو پيش بينی کرده بود که سرعت گلوله های غلتان ثابت است: اگرمدت زمان حرکت را دو برابر کنيد، مسافت طی شده دو برابر می شود. اما گاليله نشان داد که مسافت طی شده با مجذور زمان متناسب است: اگر مدت زمان حرکت را دو برابر کنيد، مسافت طی شده چهار برابر می شود. علت آن نيز اين است که توپ در اثر جاذبه گرانشی مرتبا شتاب می گيرد. (رتبه‌ی 8)

  4- نيتون : تجزيه‌ی نور خورشيد با منشور

  اسحاق نيوتن در همان سالی که گاليله در گذشت، متولد شد. وی در سال 1665 ميلادی از ترينيتی کالج کمبريج فارغ التحصيل شد. سپس، دو سال خانه نشين شد تا بيماری طاعون را که همه‌گير شده بود، از سر بگذراند. وی از اين که خانه نشين بود، چندان ناراضی نبود؛ چرا که مشغول فعاليت های علمی بود.

  در آن سال‌ها اين تفکر رايج بود که نور سفيد خالص‌ترين نوع نور است (باز هم باورهای ارسطو) و بنابراين نورهای رنگی، تغيير شکل يافته‌ی نورهای سفيد هستند. نيوتن برای آزمايش اين نظريه، دسته‌ای از پرتو‌های خورشيد را به منشور تاباند و نشان داد که خورشيد به طيفی از رنگ‌ها تجزيه می‌شود.

  البته مردم ، رنگين کمان را در آسمان مشاهده می‌کردند اما از تفسير صحيح آن ناتوان بودند. نيوتن توانست به درستی نتيجه‌گيری کند که رنگ‌های قرمز، نارنجی ،قهوه‌ای ،سبز، آبی، نيلی، بنفش و رنگ های بين اين‌ها، تشکيل دهنده نور سفيد هستند. نور سفيد در نگاه اول بسيار ساده به نظر می رسيد، اما پس از نگاه دقيق‌تر مشخص شد که نور سفيد تلفيقی زيبا از نور های گوناگون است. (رتبه‌ی 4)

  5- کاونديش :آزمايش ترازوی پيچشی

  يکی ديگر از فعاليت‌های نيوتن پيشنهاد نظريه‌ی گرانشی بود که بيان می‌کرد قدرت نيروی گرانش بين دو جسم با مجذور جرم‌هايش افزايش و به نسبت مجذور فاصله‌ی بين آن دو کاهش می‌يابد. اما اين پرسش باقی بود که قدرت اين نيروی گرانشی چقدر است؟

  در پايان دهه‌ی اول قرن هجدهم، هنری کاونديش تصميم گرفت به اين پرسش پاسخ دهد. وی يک ميله‌ی چوبی را که حدود دو متر طول داشت، انتخاب کرد و سپس يک گلوله‌ی کوچک فلزی به هر طرف اين ميله‌ی چوبی وصل کرد تا شبيه يک دمبل شود. سپس آن را با سيمی آويزان کرد. پس از آن دو گلوله سربی را که حدود 160 کيلوگرم جرم داشتند، به توپ‌های کوچک دو سر ميله‌ی چوبی نزديک کرد تا نيروی گرانشی لازم برای جذب کردن آن‌ها ايجاد شود. گلوله‌ها حرکت کردند و در نتيجه سيم تاب برداشت.

  کاونديش با وصل کردن يک قلم کوچک در دو طرف ميله توانست ميزان جابه‌جايی ناچيز گلوله‌ها را اندازه بگيرد. وی برای محافظت دستگاه، از جريان هوا، آن را ، که ترازوی پيچشی ناميده می‌شود ، درون اتاقکی قرار داد و با يک تلسکوپ ميزان جابه‌جايی را خواند. وی با اين دستگاه توانست مقداری را که به ثابت گرانشی معروف است، با دقت بسيار زيادی اندازه‌گيری کند و با استفاده از ثابت گرانشی، چگالی و جرم زمين را به دست آورد. اراستوتن توانست محيط زمين را اندازه بگيرد اما کاونديش جرم زمين را به دست آورد: x6/10240 . (رتبه‌ي6)

  6-يانگ: آزمايش تداخل نور

  باورهای نيوتن همواره درست نبود. پس از استدلال مختلف به اين نتيجه رسيد که نور تنها از ذره‌هايی تشکيل شده است و نه از موج.

 در سال 1803 توماس يانگ پزشک و فيزيک‌دان انگليسی تصميم گرفت اين نظريه را بيازمايد. وی سوراخی را در پرده‌ی پنجره ايجاد کرد و آن را با يک مقوا که به وسيله سوزن شکاف کوچکی در آن ايجاد کرده بود، پوشاند. سپس، نوری را که از اين شکاف می‌گذشت، با استفاده از يک آينه منحرف کرد. در مرحله‌ی بعد، ورقه‌ی نازکی از کاغذ انتخاب کرد که فقط يک سی‌ام اينچ (حدود يک ميلی‌متر) ضخامت داشت و آن را به طور دقيق در مسير عبور نور قرار داد تا پرتو نور را به دو قسمت تقسيم کند. نتيجه‌ی اين آزمايش طرحی از نوارهای متناوب روشن و تاريک بود

 اين پديده را فقط با فرض اين که پرتوهای نور همانند موج رفتار می‌کنند، می‌توان تفسير کرد. نوارهای روشن وقتی مشاهده می‌شوند که دو قله موج با يک‌ديگر هم‌پوشانی و يکديگر را تقويت کنند، اما نوارهای سياه وقتی ايجاد می‌شوند که يک قله موج با موج مخالف آن ترکيب شود و يک‌ديگر را خنثی کنند.

  اين آزمايش سال‌های بعد با استفاده از يک مقوا که در آن دو شکاف برای تقسيم نور به دو پرتو ايجاد شده بود، تکرار شد و به همين دليل به آزمايش شکاف دوگانه نير مشهور است. اين آزمايش بعدها به معياری برای تعيين حرکت شبه موجی تبديل شد: حقيقتی که يک قرن بعد، هنگامی که نظريه‌ی کوانتوم آغاز شد اهميت بيش از اندازه‌ای يافت.(رتبه‌ی 5)

  7-فوکو: چرخش کره زمين

  فوکو در سال 1851 در پاريس آزمايش بسيار مشهوری را به انجام رساند که پس از گذشت ساليان متمادی، سال گذشته در قطب جنوب دوباره تکرارشد. اين دانشمندان آونگی را در قطب جنوب نصب کرد و به تماشای حرکت اين آونگ پرداختند. جين برنارد فوکو دانشمند فرانسوی يک گلوله آهنی 30 کيلوگرمی را به انتهای يک مفتول متصل و از سقف کليسايی آويزان کرد و آن را به حرکت درآورد تا به سمت عقب وجلو حرکت کند. سپس برای آن که نحوه‌ی حرکت اين آونگ به خوبی مشخص شود، قلمی را به انتهای گلوله‌ای که روی بستری از شن‌های نرم و مرطوب در حال نوسان بود، قرار داد.

  تماشاچيان در کمال شگفتی مشاهده کردندکه آونگ به طرز غير قابل توجيهی در حال چرخش است يعنی مسير حرکت رفت و برگشتی آن در هر تناوب با تناوب قبلی متفاوت است. اما واقعيت امر اين است که اين کف کليسا بود که به آرامی حرکت می‌کرد و به اين ترتيب فوکو توانست با قانع‌کننده‌ترين روش ممکن نشان دهد که زمين حول محور خود در حال گردش است.

  در عرض جغرافيايی پاريس، آونگ طی هر 30 ساعت يک چرخش کامل را در جهت عقربه‌های ساعت انجام می‌دهد؛ در نيمکره جنوبی همين آونگ خلاف جهت عقربه‌های ساعت به حرکت درمی‌آيد و در نهايت روی خط استوا حرکت در اصل چرخشی نبود. همان طور که دانشمندان عصر جديد نشان دادند زمان تناوب حرکت چرخشی پاندول در قطب جنوب برابر 24 ساعت است. (رتبه‌ی 10)

  8- ميليکان: آزمايش قطره‌ی روغن

  از دوران باستان دانشمندان الکتريسيته را مورد بررسی قرار داده بودند؛ پديده پيچيده‌ای که هنگام رعد و برق از آسمان نازل می‌شد، يا با کشيدن شانه به موها می‌توانستند به راحتی آن را ايجاد کنند. در سال 1897 فيزيک‌دان انگليسی جی.جی.تامسون اثبات کرد که الکتريسيته از ذره‌هايی که دارای بار منفی هستند، يعنی الکترون‌ها، به وجود می‌آيد. ( آزمايشی که در واقع بايستی يکی از موردهای اين فهرست باشد) و کار اندازه‌گيری بار اين ذره‌ها در سال 1909 به رابرت ميليکان، دانشمند آمريکايی، محول شد.

  وی با استفاده از يک عطرپاش، قطره‌های ريز روغن را به درون اتاق کوچک شفافی اسپری کرد. در بالا و پايين اين اتاق کوچک صفحه‌‍‌های فلزی قرار داشتند که به باتری متصل بودند و در نتيجه يکی از صفحه‌ها مثبت و صفحه ديگر منفی بود. از آن‌جا که اين قطره‌ها هنگام عبور در هوا دارای مقدار جزيی بار الکتريکی می‌شد، می‌توان سرعت سقوط اين قطره‌ها را با تغيير ولتاژ صفحه‌های فلزی تنظيم کرد.

  هنگامی که نيروی الکتريکی به طور دقيق با نيروی گرانشی برابر شود، قطره‌های روغن همانند ستارگان درخشان در پس زمينه تاريک به نظر می رسند و در هوا معلق می‌مانند. ميليکان اين قطره‌ها را يکی پس از ديگری مورد ملاحظه قرار داد، ولتاژ صفحه را تغيير داد و به مشاهده‌ی تأثير آن پرداخت. وی پس از انجام آزمايش‌های متعدد به اين نتيجه رسيد که بار الکتريکی يک مقدار مشخص و ثابت دارد. کوچک‌ترين بار اين قطره‌ها چيزی نيست به جز بار يک الکترون منفرد.( رتبه 3)

  9- رادرفورد: کشف هسته

  در سال 1911 که ارنست رادرفورد در دانشگاه منچستر سرگرم آزمايش در مورد راديواکتيويته بود، گمان می‌رفت که اتم‌ها از گلوله‌های نرم و باردار مثبتی تشکيل شده‌اند که توسط ذره‌هايی با بار منفی احاطه می‌شوند؛ مدل کيک کشمشی. اما هنگامی که وی و دستيارانش ذره‌های باردار مثبت کوچکی را که ذره‌ی آلفا ناميده می‌شدند، به صفحه نازکی از طلا تاباندند، در شگفتی تمام مشاهده کردند که درصد اندکی از اين پرتوها به سمت عقب برگشتند. به عبارت ديگر اين ذره‌ها پس از برخورد با اتم‌ها کمانه کرده‌اند.

  رادرفورد نتيجه گرفت اتم‌های واقعی چندان هم نرم نيستند. قسمت اصلی جرم اين اتم‌ها بايد در مرکز اتم‌ها، که امروزه هسته اتم می‌ناميم، قرارداشته باشد و الکترون‌ها اين هسته‌ها را احاطه کرده‌اند. با وجود تغييرهايی که نظريه‌ی کوانتوم در آن ايجاد کرد، اين تصوير از اتم‌ها هنوز هم به قوت خود باقی است. (رتبه‌ی 9)

  10- کلاوس جانسون: تداخل يک الکترون منفرد

  نه گفته‌های نيوتن و نه يانگ هيچ کدام در مورد ماهيت نور به طور کامل صحيح نبود. هر چند که به سادگی نمی‌توان گفت نور از ذره تشکيل شده است. خاصيت‌های آن را فقط با استفاده از ماهيت موجی نيز نمی‌توان به طور کامل تشريح کرد.

  طی 5 سال اول قرن بيستم ماکس پلانک و آلبرت اينشتين نشان دادند که نور در بسته‌هايی که فوتون نام دارد، جذب و نشر می‌شود. اما آزمايش‌هايی برای تعيين ماهيت دقيق نور هم‌چنان ادامه داشت. بعدها تئوری کوانتوم متولد شد و طی چند دهه توسعه يافت و توانست دو نظريه‌ی پيشين را با يک‌ديگر آشتی داده و نشان دهد که هر دو می‌توانند صحيح باشند: فوتون‌ها و ساير ذره‌های زيراتمی (همانند الکترون‌ها، پروتون‌هاو ...) دو چهره از خود بروز می‌دهند که مکمل يکديگرند؛ بنابراين به گفته‌ی يک فيزيک‌دان در دسته Wavices قرار می‌گيرند.

  فيزيک‌دانان برای شرح دادن اين مطلب اغلب از يک آزمايش نظری شناخته شده استفاده می‌کنند . آن‌ها ابزارهای آزمايش شکاف دوگانه يانگ را به کار می‌برند، اما به جای آن که نور معمولی به کار ببرند از پرتو الکترون استفاده می‌کنند. براساس قانون‌های مکانيک کوانتوم، جريان ذره‌ها به دو پرتو تفکيک می‌شوند، پرتوهای کوچک‌تر با يکديگر تداخل می‌کنند و همان الگوی آشنای نوارهای متناوب تاريک و روشن را که توسط نور ايجاد شده بود، از خود نشان می‌دهند. يعنی ذره‌ها همانند موج عمل می‌کنند.

 براساس مقاله‌ای که در فيزيکس‌ورد منتشر شد و توسط پيتر راجرز سردبير مجله نگاشته شده است تا سال 1961 هيچ کس اين آزمايش را در عمل به انجام نرساند تا اين که کلاوس جانسون در اين سال موفق به انجام اين آزمايش شد . در آن هنگام هيچ‌کس از نتايج به دست آمده چندان شگفت‌زده نشد و نتيجه‌های به دست آمده همانند بسياری از موردهای ديگر بدون آن که نامی از کسی در ميان باشد به دنيای علم وارد شد. (رتبه‌ی 1)

  منبع:

  From the New York Times: Science's 10 most beautiful experiments

  Robert P Crease,The most beautiful experiment,Physics World, September 2002