از شکافتن اتم تا متر کردن کهکشان

علم, ماجرای تمامی بشریت است برای آموختن, برای زیستن در جهان و شاید برای دوست داشتن آن برای آنکه جزیی از این ماجرا باشیم باید بفهمیم, خود را درک کنیم, به این احساس نزدیک شویم که در آدمی ظرفیتی است بسیار بیشتر از آنچه تاکنون حس کرده است, ظرفیتی از امکانات انسانی به وسعت نامتناهی… پیشنهاد من این است که علم را در هر سطح, از پایین ترین تا بالاترین آن, به طریقی بشردوستانه بیاموزیم, با نوعی فهم فلسفی, با فهمی اجتماعی و فهمی انسانی از سرگذشت و گوهر کسانی که این بنا را ساخته اند, با پیروزی ها, تلاش ها و شکست هایی که داشته اند بیاموزیم

«علم، ماجرای تمامی بشریت است برای آموختن، برای زیستن در جهان و شاید برای دوست داشتن آن. برای آنکه جزیی از این ماجرا باشیم باید بفهمیم، خود را درک کنیم، به این احساس نزدیک شویم که در آدمی ظرفیتی است بسیار بیشتر از آنچه تاکنون حس کرده است، ظرفیتی از امکانات انسانی به وسعت نامتناهی… پیشنهاد من این است که علم را در هر سطح، از پایین ترین تا بالاترین آن، به طریقی بشردوستانه بیاموزیم، با نوعی فهم فلسفی، با فهمی اجتماعی و فهمی انسانی از سرگذشت و گوهر کسانی که این بنا را ساخته اند، با پیروزی ها، تلاش ها و شکست هایی که داشته اند بیاموزیم.»

شاید این گفته آیزاک رابی، فیزیکدان برجسته و برنده جایزه نوبل فیزیک، بهترین پاسخ را برای سوال «فیزیکدان ها چه می کنند؟» ارائه دهد. جهانی که ما هم اکنون در سیاره ای کوچک در یکی از کهکشان های آن زندگی می کنیم، پر از اسرار و ناشناخته ها است.

انسان از بدو کودکی در مواجهه با شگفتی های جهان پیرامون خود با پرسش هایی مواجه می شود. پرسش هایی کودکانه نظیر اینکه چرا ستاره ها پایین نمی افتند؟ رنگین کمان چگونه شکل می گیرد؟ چرا رعد و برق می شود؟ و هزاران پرسش دیگر. اما اغلب اشخاص، خیلی زود این سوال های کودکانه را در لابه لای دیگر مسائل زندگی از یاد می برند.

شاید مهم ترین وجه تمایز فیزیکدان ها نسبت به بقیه آدم ها این باشد که آنها این کنجکاوی های کودکانه خود را در برابر عظمت آفرینش، تا آخر عمر همچنان حفظ می کنند. همان طور که نیوتن در جمله مشهور خود می گوید؛ «نمی دانم از نگاه دیگران چگونه هستم، اما از نگاه خودم صرفاً به پسرک کوچکی می مانم که در ساحل دریا مشغول بازی کردن است. هر از چندگاه، قلوه سنگ جالب یا صدف زیبایی را از لابه لای شن ها پیدا می کنم و این درحالی است که اقیانوسی ناشناخته از حقیقت در پیش رویم کشف نشده باقی مانده است.»

بنابراین در یک پاسخ کلی می توان گفت که کار فیزیکدان ها، کاوش در این اقیانوس لایتناهی است. آنها اتم ها را شکافته اند، سرزمین های اسرارآمیز سیاره های دیگر را جست و جو کرده اند، ابعاد کهکشان را اندازه گرفته اند، آوای آفرینش کیهان را ثبت کرده اند، امکان مسافرت در زمان را بررسی کرده اند، از جهان های دیگر سخن گفته اند و هزاران هزار کار شگفت انگیز دیگر. آنها هرچه در کاوش در جهان به پیش رفته اند، گستره کاوش نشده وسیع تری را پیش روی خود دیده اند، گویی که این اقیانوس ناشناخته انتهایی ندارد. در این مقاله تصمیم داریم با بررسی زندگی، تلاش ها و دستاورد های چند تن از بزرگترین دانشمندان و فیزیکدانان با حوزه مختلف پژوهش در فیزیک و دشواری های آن آشنا شویم.

● نامدارترین فیزیکدان مسلمان، محمد عبدالسلام (۱۹۹۶ - ۱۹۲۶)

محمد عبدالسلام در سال ۱۳۰۴ شمسی در شهر ساهیوال در نزدیکی لاهور (که در آن زمان متعلق به هند بود و بعدها جزء پاکستان شد) به دنیا آمد. دوره دبیرستان را در همانجا به پایان برد. محمد ۱۴ سال بیشتر نداشت که در آزمون ورودی دانشگاه پنجاب لاهور شرکت کرد و بالاترین نمره ای را که تاکنون کسی در این آزمون کسب کرده بود، به دست آورد. پس از اخذ کارشناسی ارشد از این دانشگاه، موفق به دریافت بورس تحصیلی شد و بدین ترتیب عازم دانشگاه کمبریج انگلستان شد. در کمبریج، عالی ترین نمرات را در ریاضیات و فیزیک کسب کرد.

پس از گرفتن دکترا به پاکستان بازگشت و در فاصله سال های ۱۳۳۰ تا ۱۳۳۴ شمسی، ریاست بخش ریاضیات دانشگاه پنجاب را برعهده داشت. پس از آن برای تدریس در امپریال کالج لندن به انگلستان دعوت شد و برای همین مجدداً به انگلستان بازگشت و در آنجا استاد فیزیک نظری شد. عبدالسلام با همکاری فیزیکدان دیگری به نام استیون واینبرگ توانست فرمول بندی واحدی را برای تبیین رفتار دو نیروی بنیادین جهان یعنی نیروی الکترومغناطیسی و هسته ای ضعیف ارائه کند. به واسطه ارائه همین نظریه که نظریه الکتروضعیف نام گرفت، جایزه نوبل ۱۹۷۹ فیزیک مشترکاً به عبدالسلام، واینبرگ و فیزیکدان دیگری به نام شلدون گلاشو اهدا شد. نظریه الکتروضعیف، گامی در جهت رسیدن به نظریه ای واحد در فیزیک بود که سعی دارد رفتار تمامی نیروهای جهان را در قالب ریاضی واحدی تبیین کند. محمد عبدالسلام تنها فیزیکدان مسلمانی است که تاکنون جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرده است. کاوش در اسرار جهان، تنها دلمشغولی عبدالسلام نبود، چراکه او یک دغدغه خاطر دیگر هم داشت و آن، ریشه یابی عقب ماندگی علمی کشورهای جهان سوم و تلاش برای جبران این عقب ماندگی بود. با همین آرمان بود که عبدالسلام پس از مدت ها بحث و تکاپو در محافل بین المللی و گفت وگو با سیاستگذاران علمی در کشورهای شمال و جنوب، بالاخره موفق شد در سال ۱۳۴۳ شمسی، مرکز بین المللی فیزیک نظری (ICTP) را در تریست ایتالیا تاسیس کند.

این مرکز در زیر چتر حمایتی یونسکو ولی عمدتاً با پشتیبانی مالی ایتالیا به وجود آمد. سال هاست که دانش پژوهان و خصوصاً فیزیکدانان و ریاضی دانان کشورهای در حال توسعه به سهولت به این مرکز سفر می کنند و با پیشروترین چهره های علمی جهان در شاخه های مختلف علمی به بحث و تبادل نظر می پردازند.

عبدالسلام تا پایان عمر، شخصاً مدیریت این مرکز را برعهده داشت. باید گفت که حتی اگر عبدالسلام، برنده جایزه نوبل هم نبود، صرفاً به خاطر تاسیس ICTP و سی سال رهبری معنوی این مرکز، باز هم به چهره ای ماندگار تبدیل می شد.

مرکز بین المللی فیزیک نظری در توسعه علم در بخشی از جهان که شاید به علت اوضاع و احوال اجتماعی و سیاسی، همواره نسبت به توسعه علوم پایه بی توجه بوده، تاثیر انکارناپذیری داشته است. عبدالسلام در سال ۱۳۶۲ شمسی، فرهنگستان علوم جهان سوم را بنیاد نهاد. هدف این نهاد، شناسایی و ارج نهادن به دانش پیشگان کشورهای در حال توسعه و کمک به تقلیل مشکلات کاری آنها است. اعضای این فرهنگستان از میان دانش پیشگان برجسته کشورهای در حال توسعه در رشته های علوم پایه، پزشکی، کشاورزی و مهندسی انتخاب می شوند.

عبدالسلام در سال ۱۳۶۷ شمسی نیز شبکه سازمان های علمی کشورهای جهان سوم را تاسیس کرد. اعضای این شبکه، وزارتخانه های علوم، سازمان ها و شوراهای علمی، فرهنگستان ها و موسسات تحقیقاتی بزرگ کشورهای جهان سوم اند. هدف از این اقدام، گردهم آوردن سیاستگذاران عرصه دانش و فناوری در کشورهای جهان سوم بود، به این امید که با تعامل افکار بتوانند راه حل هایی مناسب برای توسعه بومی دانش و فناوری بیابند. از کشور ما نیز وزارت علوم، تحقیقات و فناوری و نیز سازمان انرژی اتمی ایران عضو این شبکه هستند.

محمد عبدالسلام در سال ۱۳۷۵ شمسی پس از یک عمر تلاش در راه توسعه علم بشر و توسعه علمی جهان سوم، دار فانی را ترک کرد.

● در جست وجوی اشباح، فردریک راینز (۱۹۹۸ - ۱۹۱۸) و کلاید کوان (۱۹۷۴ - ۱۹۱۹)

هم اکنون که در حال خواندن این مطلب هستید، در هر ثانیه، میلیاردها نوترینو در حال عبور از بدن شما هستند. اغلب این ذرات شبح گون که به ما می رسند، در واکنش های گرماهسته ای که در قلب خورشید انجام می شود، تولید شده اند.

این نوترینوها از خورشید به تمامی جهت های پهنه کیهان گسیل می شوند و هیچ چیز جلودار آنها نیست. نوترینوهایی که در مسیر حرکت خود به سیاره ما می رسند، از یک طرف وارد کره زمین شده و به راحتی از طرف دیگر آن بیرون می روند، گویی که هیچ چیز در مسیر حرکت آنها نبوده است. محاسبه ها نشان می دهند که حتی یک سپر فرضی سربی به ضخامت یک سال نوری هم نمی تواند بیش از نیمی از این نوترینوهای خورشیدی را متوقف کند. وجود نوترینو برای نخستین بار در سال ۱۹۳۰ توسط ولفگانگ پائولی پیش بینی شده بود.

داستان از این قرار بود که نتایج آزمایش های صورت گرفته بر روی واپاشی بتا، با قوانین مشهور پایستگی انرژی و تکانه جور درنمی آمد. پائولی بر این باور بود که نقض ظاهری این دو قانون بدان علت است که در واپاشی بتا، ذره ای شبح مانند نیز تولید می شود که بدون آنکه با هیچ یک از دستگاه های آشکارساز ما برهم کنشی داشته باشد، مقداری از انرژی و تکانه واکنش را با خود می برد.

رفتار شبح مانند این ذرات، به دام انداختن آنها را برای فیزیکدان ها غیرممکن کرده بود تا نهایتاً ۲۵ سال بعد، دو فیزیکدان به نام های فردریک راینز (Frederick Reines) و کلاید کوان (Clyde Cowan) موفق شدند با کمک گروه تحقیقاتی تحت سرپرستی خود، تعدادی از این ذرات گریزپا را صید کنند. دستاورد راینز و کوان، گام مهمی در شناخت فیزیک نوترینوها محسوب می شد.

این دستاورد، راه را برای توسعه سیستم های آشکارساز نوترینو باز کرد. با توسعه چنین سیستم هایی مشخص شد که نوترینوها علاوه بر قلب خورشید و ستارگان، در انفجارهای عظیم ابرنواختری نیز به میزان بسیار فراوان ایجاد می شوند. در واقع بیش از ۹۹ درصد انرژی خارق العاده این انفجارهای کیهانی توسط نوترینوها حمل می شود. امروزه می دانیم که نوترینو، یکی از فراوان ترین ذرات جهان است به طوری که به ازای هر پروتون، چیزی در حدود یک میلیارد نوترینو در جهان وجود دارد.

با توجه به اهمیت بسیار زیاد دستاورد راینز و کوان، جایزه نوبل ۱۹۹۵ فیزیک مشترکاً به آنها اهدا شد. (البته کوان در آن زمان زنده نبود ولی نام او در فهرست دریافت کنندگان این جایزه بزرگ علمی قرار گرفت.) از زمان آشکارسازی اولین نوترینوها تا به امروز، دستگاه های آشکارساز نوترینو، روزبه روز پیچیده تر و کامل تر شده اند، تا جایی که امروزه رصدخانه های عظیم نوترینو را حتی در زیر یخ های قطبی و یا اعماق دریاها نیز نصب می کنند. در سایه تلاش های این فیزیکدانان، شگفتی های بیشتری از ویژگی های اسرارآمیز نوترینوها بر بشر آشکار شده است. اکنون می دانیم که ۳ نوع نوترینو در جهان وجود دارد و اینکه نوترینوها برخلاف تصور اولیه، فاقد جرم نیستند بلکه جرم اندکی دارند. اما تمامی این ویژگی ها، ارتباط تنگاتنگی با بنیادی ترین نظریات موجود در مورد ذرات بنیادی و کیهان شناسی دارند.

● از انبساط بادکنک ها تا انبساط جهان، ادوین هابل (۱۹۵۳ - ۱۸۸۹)

ادوین هابل (Edwin Hubble) در نوامبر ۱۸۸۹ در ایالت میسوری امریکا به دنیا آمد. بعدها با خانواده اش به حومه شیکاگو رفت و تحصیلات دبیرستانی اش را در همانجا به پایان رساند. سپس با یک بورس تحصیلی وارد دانشگاه شیکاگو شد و در ۱۹۱۰، مدرک کارشناسی خود را در اخترشناسی و ریاضیات از این دانشگاه گرفت. هابل در کنار درس خواندن، ورزشکار هم بود و در رشته های بسکتبال و بوکس به چهره ای شناخته شده تبدیل شده بود.

موفقیت های هابل در عرصه های دانش و ورزش، بورس تحصیلی برای ادامه تحصیل در دانشگاه آکسفورد را برایش به ارمغان آورد و بدین ترتیب روانه انگلستان شد. در آکسفورد بنابر وصیت پدرش رشته حقوق را برگزید و پس از سه سال با مدرک کارشناسی ارشد حقوق به امریکا بازگشت.

علاقه هابل به کشف شگفتی های جهان، خیلی زود او را دوباره به عرصه اخترشناسی بازگرداند، به طوری که تنها پس از یک سال از بازگشت به امریکا، برای ادامه تحصیل در اخترشناسی در رصدخانه مشهور مرکز ثبت نام کرد. هابل در سال ۱۹۱۷، دکترای خود را دریافت کرد و پس از گذراندن دوره سربازی در نیروی دریایی به رصدخانه عظیم کوه ویلسون ملحق شد. در آن زمان این رصدخانه با تلسکوپ ۵/۲ متری خود، بزرگ ترین رصدخانه جهان محسوب می شد.

تا آن زمان اخترشناسان هنوز نمی دانستند که کهکشان های دیگری هم در خارج از راه شیری وجود دارند. در واقع آنها راه شیری را معادل کل جهان می پنداشتند و تمامی کهکشان هایی که با تلسکوپ های آن زمان قابل مشاهده بود را به عنوان سحابی هایی در داخل راه شیری محسوب می کردند. اما اندازه گیری های هابل بر روی ستارگان متغیر قیقاووسی در سحابی آندرومدا نشان داد که این سحابی، دورتر از آن است که در داخل کهکشان ما باشد و بنابراین باید آن را به عنوان یک کهکشان مستقل محسوب کرد. رصدهای بعدی هابل نشان دادند که نه تنها کهکشان های بسیاری در جهان وجود دارند، بلکه این کهکشان ها همگی در حال دورشدن از کهکشان ما هستند. آری، هابل، انبساط جهان را مشاهده کرده بود.

در واقع انبساط جهان، چند سال پیش از مشاهده رصدی آن توسط هابل، از سوی یک ریاضی دان و کیهان شناس روسی به نام الکساندر فریدمن پیش بینی شده بود. فریدمن با استفاده از معادلات نسبیت عام اینشتین نشان داده بود که جهان، برخلاف تصور موجود، ایستا نیست، بلکه باید همانند یک بادکنک در حال انبساط باشد. اگرچه هابل به خاطر کشف مهم خود شایسته دریافت جایزه نوبل بود، اما در آن زمان کمیته نوبل جایزه ای را به تحقیقات اخترشناسی اختصاص نمی داد.

نهایتاً در سال ۱۹۵۳ این کمیته تصمیم گرفت اخترشناسی را نیز به عنوان زیرشاخه ای از فیزیک به رسمیت بشناسد. بدین ترتیب، نام هابل در فهرست نامزدهای آینده دریافت این جایزه مهم قرار گرفت اما او فرصت نکرد آن را دریافت کند. اگرچه ادوین هابل در ۲۸ سپتامبر همان سال از دنیا رفت، اما کشف بزرگش یعنی انبساط جهان برای همیشه در تاریخ علم ماندگار شد.

● مرد هسته ای جهان، انریکو فرمی (۱۹۵۴ - ۱۹۰۱)

انریکو فرمی (Enrico Fermi) در ۲۹ سپتامبر ۱۹۰۱ در شهر رم ایتالیا به دنیا آمد. او از کودکی به خواندن کتاب های علمی علاقه زیادی داشت. انریکو دو جلد کتاب قدیمی آموزش فیزیک مقدماتی را از یک دست فروش تهیه کرد و با علاقه فراوان شروع به مطالعه آنها کرد. بعدها به خواهر بزرگترش ماریا گفت که آن زمان آنچنان مجذوب فرمول های کتاب شده بود که تا پایان کتاب اصلاً متوجه نشده بود که کتاب، به زبان لاتین نوشته شده است.

پیشرفت فرمی در فراگیری فیزیک و ریاضیات، خارق العاده بود. انریکو پس از پایان دبیرستان در آزمون ورودی دانشگاه پیزا شرکت کرد. در آن زمان متقاضیان ورود به دانشگاه پیزا باید علاوه بر شرکت در آزمون ورودی، یک مقاله علمی نیز به دانشگاه ارائه می دادند. مقاله علمی فرمی از چنان سطح بالایی برخوردار بود که حتی برای آزمون ورودی دکترا نیز مناسب بود. فرمی ۱۹ ساله بود که عملاً به اساتید خود در دانشگاه درس می داد. او درحالیکه هنوز یک دانشجوی دوره کارشناسی بود، کار بر روی اولین نظریه ماندگار خود در عرصه فیزیک را آغاز کرد. بدین ترتیب انریکو فرمی در ۲۴ سالگی استاد فیزیک دانشگاه رم شد.

در آن زمان ایجاد رادیواکتیویته مصنوعی با کمک پرتودهی عناصر با ذرات آلفا به تازگی توسط فردریک ژولیو و ایرن کوری (داماد و دختر ماری کوری) کشف شده بود. انریکو فرمی در موسسه فیزیک دانشگاه رم، به سرعت متوجه کاربرد بسیار مهم رادیواکتیویته مصنوعی شد؛ تولید ایزوتوپ های جدید به کمک پرتودهی. بدین ترتیب فرمی بی درنگ مشغول کار شد، اما به جای استفاده از ذرات آلفا برای پرتودهی از نوترون استفاده کرد، زیرا به این نتیجه رسیده بود که نوترون به دلیل خنثی بودن، از سوی هسته پس رانده نخواهد شد و بنابراین کارآمدتر خواهد بود.

فرمی از ۱۹۳۴ به کمک دستیاران خود به بمباران تک تک عنصرهای شناخته شده به ترتیب شماره شان در جدول تناوبی مشغول شد، به این امید که از هریک از آنها ایزوتوپ های جدیدی به دست آورد و موفق هم شد. او در ماه ژوئن همان سال اعلام کرد که برای ۴۷ عنصر از ۶۸ عنصر مطالعه شده، ایزوتوپ های رادیواکتیو ایجاد کرده است. در پایان ژوئن نوبت به اورانیوم، یعنی سنگین ترین عنصر شناخته شده آن زمان رسید. مطالعه رفتار هسته اورانیوم با ۹۲ پروتون برای فرمی بسیار جالب بود، زیرا او تصور می کرد که احتمالاً هسته اورانیوم با جذب یک نوترون، ناپایدار شده و در نتیجه یکی از نوترون های آن به واسطه واپاشی بتا، به پروتون تبدیل شده و هسته ای با ۹۳ پروتون ایجاد می شود (یعنی یک عنصر جدید که پیش از آن در طبیعت موجود نبوده است).

اما پس از بمباران اورانیوم با نوترون، فرمی به جای یک عنصر جدید با چند عنصر متفاوت مواجه شد و این، نقطه عطفی در تاریخ فیزیک هسته ای بود، چراکه فرمی بدون آنکه بداند، اولین واکنش شکافت هسته ای تاریخ را انجام داده بود (در واقع هسته اورانیوم آن قدر سنگین بود که بر اثر برخورد نوترون، به جای جذب آن، شکافته می شد).

---