نویسنده: admin

یک آزمایش مشهور در فیزیک، به نام راترفورد (گایگر-مارسدن) وجود دارد¹. در حدود سال های 1900 هنوز شتاب دهنده ها برای شلیک ذرات سنگین وجود نداشتند. درهمین دوران بود که رادیم کشف شد. یک ماده رادیواکتیو طبیعی² که مثل یک تفنگ طبیعی برای گسیل ذرات آلفا استفاده می شد. پرتوزایی رادیوم منجر به گسیل ذرات آلفا می شد. نخستین آزمایش رسمی با این چشمه ذرات آلفا هم، همین آزمایش راترفورد است.

آزمایش به این شکل است که ذرات آلفا را به یک ورق نازک طلا شلیک می‌کنند. بیشتر ذرات عبور میکنند و برخی از آنها منحرف یا کاملا برمیگردند. پس وسایل آزمایش عبارتند از یک چشمه، ورق هدف از جنس طلا و یک آشکارساز که می تواند پشت و پیرامون ورق طلا قرار گیرد.

تا همین جا سوالاتی پیش می آید که اگر کسی واقعا می خواهد مساله را واکاوی کند نباید به راحتی از آن بگذرد. نخست اینکه این چشمه طبیعی، ذرات آلفا را در همه جهت ها گسیل می کند و باید راهی برای باریکه کردن این ذرات (BEAM) در یک مسیر مستقیم پیدا کرد. اما می دانیم با کمی خلاقیت این کار شدنی است پس وارد جزییاتش نمی شوم. ضخامت ورق طلا را گفته اند حدود 400 نانومتر است. در آن زمان هنوز روش های پیشرفته سنتز مثل CVD، PVD و ALD وجود نداشت و با تکنیک طلاکوبی ضخامت را به این عدد می رساندند³. دلیلش هم ویژگی چکش خواری (malleability) بسیار بالای طلا است.

تقریبا فهمیدیم که چیدمان آزمایش چطور ترتیب داده شد. حالا سوالات بیشتری پیش می آید. ابتدا خروجی آزمایش را می گویم و بعد سوالها را می پرسم و پاسخ می دهم.

هدف اولیه آزمایش راترفورد متزلزل کردن نظریه تامپسون بود. تامپسون اعتقاد بخش مثبت هندوانه اش، ابعادی به اندازه 8-^10 متر داشت. اما مشاهدات راترفورد چیز دیگری را عیان ساخت. بیشتر ذرات عبور کرده و روی صفحه فلورسانس رد خودشان را جا گذاشتند اما درصد کمی از ذرات هم منحرف شدند و درصد بسیار اندکی هم کاملا برگشتند. مسلما این نشان می داد که یک هسته سخت بسیار کوچکتر از آنچه تامپسون ادعا کرده بود وجود دارد و احتمالا الکترون هایی که به گرد این هسته می چرخند⁴. گویی ذرات آلفا مثل یک توپ بیلیارد به هسته اتم های طلا برخورد می کنند. بعضی منحرف می شوند و بعضی کاملا بر می گردند.

شاید این طور فکر کنید{از اینجا به بعد دانشم به روز و کوانتومی می شود و از دریچه فیزیک نوین نگاه می کنم}.

اما اشتباه می کنید.

هیچ برخوردی در کار نیست. هسته طلا بار مثبت دارد، هسته آلفا هم بار مثبت دارد، این دو اصلا آنقدری به هم نزدیک نمی‌شوند که برخورد کنند. ذرات آلفا به فاصله ۴۵.۵ فمتومتری هسته طلا میرسند و در اثر دافعه کولنی منحرف یا back-scatter می شوند. با حل معادله شرودینگر هم به سطع مقطع عرضی دیفرانسیلی پراکندگی مشابه با راترفورد می رسیم.

یعنی انرژی شلیک⁵ آنقدری نیست که بتواند بر نیروی دافعه کولنی غلبه کند و ذره آلفا را به مرز فعال سازی برهمکنش هسته ای با طلا پیش ببرد. شعاع هسته طلا تنها 7 فمتومتر است. اگر قرار باشد ذره آلفا بتواند نیروی کوتاه برد هسته ای را احساس کند، باید با انرژی‎ ای شلیک شود که بتواند ذره آلفا را به نزدیکی هسته طلا برساند. تنها در این صورت است که یک واکنش هسته ای واقعی رخ می دهد.

سوال بعدم را اینجا می پرسم. ورق طلا یک بلور تک عنصری است. هسته (یون ها) در شبکه ای منظم قرار دارند و الکترون ها یک پتانسیل بلوری را در کل این ورق ایجاد میکنند. الکترون ها بار منفی دارند. چرا جلوی یونهای آلفا را نمی گیرند؟

این پتانسیل بلوری شاید بتواند ذرات سبک مثل الکترون ها را متوقف کند ولی ذرات سنگین پرانرژی را نمی تواند. اما میتواند یک اتلاف را ایجاد کند. در گذر از ورق طلا عمق نفوذ یا برد (Range) ذرات آلفا وابسته به ضخامت ورق است و می تواند الکترون های سر راهش را برانگیخته کند. این اتلاف را با رابطه ای به نام بیث-بلاخ (Bethe-Bloch) اندازه گیری می کنند. این اتلاف با توجه به ضخامت ورق آنقدری نیست که جلوی ذرات آلفا را بگیرد. اما شاید بتواند اندکی آن ها را منحرف کند.

در حقیقت این آزمایش راترفورد به هیچ عنوان یک آزمایش ساده و عادی نیست و دریچه ای برای ورود به دنیای فیزیک هسته ای و بس ذره ای است.

1. البته گایگر و مارسدن زیر نظر راترفورد این آزمایش را انجام دادند. طراحی، نظارت و تفسیر آن را باید به حساب خود راترفورد نوشت ↩︎
2. این تاریخ تقریبن مقارن با دوران هانری بکرل و کوری است که توانستند پرتوزایی، رادیوم و پولونیوم را کشف کنند ↩︎
3. درباره درست بودن ضخامت طلا هم میتوانستند آن را به صورت دقیق وزن کنند. ↩︎
4. یادمان باشد که هنوز در آن زمان توصیفات دنیای کلاسیکی حاکم بود ولو اینکه اگر نبود هم کلاسیک کافی بود ↩︎
5. آن زمان شلیکی در کار نبوده و گسیل طبیعی با انرژی حدود 5MeV رخ میداد ↩︎

استیو هسو نقل قولی تحریک‌آمیز از فیلسوف علم، پل فایرابند، بیرون می‌کشد:

عقب‌نشینی فلسفه به درون پوسته‌ی «حرفه‌ای» خودش، عواقب فاجعه‌باری داشته است. نسل جوان‌تر فیزیکدانان، فاینمن‌ها، شوینگرها و غیره، ممکن است بسیار باهوش باشند؛ آنها ممکن است از اسلاف خود، از بور، انیشتین، شرودینگر، بولتزمن، ماخ و غیره، باهوش‌تر باشند. اما آنها وحشی‌های بی‌تمدنی هستند، فاقد عمق فلسفی هستند – و این تقصیر همان ایده‌ی حرفه‌ای‌گری است که شما اکنون از آن دفاع می‌کنید.

احتمالاً درست است که نسل‌های پس از جنگ جهانی دوم فیزیکدانان برجسته، تحصیلات کمتری نسبت به همتایان قبل از جنگ خود داشتند (اگرچه مطمئناً مثال‌های نقضی مانند موری گل-مان و استیون واینبرگ وجود دارد). ساده‌ترین توضیح برای این پدیده این است که مرکز ثقل تحقیقات علمی پس از جنگ از اروپا به آمریکا منتقل شد و ارزش آموزش گسترده (و به ویژه فلسفه) همیشه در آمریکا کمتر بوده است. جالب اینجاست که به نظر می‌رسد فایرابند خود فیلسوفان را – «عقب‌نشینی فلسفه به یک پوسته «حرفه‌ای»» – سرزنش می‌کند، نه فیزیکدانان یا هرگونه روند جغرافیایی-اجتماعی گسترده‌تر.

اما گذشته از اینکه آیا فیزیکدانان مدرن (و شاید دانشمندان در زمینه‌های دیگر، نمی‌دانم) این روزها کمتر به فلسفه توجه می‌کنند، و گذشته از اینکه چرا ممکن است اینطور باشد، هنوز این سوال وجود دارد: آیا این مهم است؟ آیا دانستن بیشتر فلسفه، هر یک از غول‌های پس از جنگ جهانی دوم را به فیزیکدانان بهتری تبدیل می‌کرد؟ مطمئناً می‌توان مثال‌های نقض تاریخی را مطرح کرد: پذیرش نظریه اتمی در دنیای آلمانی زبان در اواخر قرن نوزدهم به طور قابل توجهی توسط استدلال‌های فلسفی ارنست ماخ به تعویق افتاد. از سوی دیگر، انیشتین و بور و معاصرانشان موفق به انجام برخی کارهای انقلابی شدند. نسبیت و مکانیک کوانتومی از هر چیزی که از آن زمان در فیزیک آمده است، شگفت‌انگیزتر بودند.

توضیح معمول این است که پیشرفت‌های انقلابی به سادگی برای انجام شدن وجود نداشته‌اند – اینکه فاینمن و شوینگر و دوستانشان روزهای باشکوهی را که مکانیک کوانتومی در حال اختراع بود از دست دادند، بنابراین به آنها واگذار شد که الگوی موجود را به جلو ببرند، نه اینکه چیزی انقلابی و جدید ارائه دهند. شاید اگر این افراد با هیوم و کانت و ویتگنشتاین خود بیشتر آشنا بودند، ما تا الان گرانش کوانتومی را کشف کرده بودیم.

احتمالاً نه. پیش‌فرض‌های فلسفی قطعاً نقش مهمی در نحوه‌ی کار دانشمندان ایفا می‌کنند، و این امکان وجود دارد که مجموعه‌ای کمی پیچیده‌تر از پیش‌فرض‌ها بتواند در اینجا و آنجا به فیزیکدانِ در حال کار کمک کند. اما بر اساس تفکر در مورد تاریخ واقعی، نمی‌بینم که چگونه چنین پیچیدگی‌ای واقعاً می‌توانسته اوضاع را پیش ببرد. (و لطفاً نگویید: «اگر دانشمندان از نظر فلسفی پیچیده‌تر بودند، می‌دیدند که دیدگاه من همیشه درست بوده است!») من معمولاً فکر می‌کنم که دانستن چیزی در مورد فلسفه – یا در واقع ادبیات یا موسیقی یا تاریخ – کسی را به فرد جالب‌تری تبدیل می‌کند، اما لزوماً او را به فیزیکدان بهتری تبدیل نمی‌کند.

با این حال، این ممکن است درست نباشد. شاید اگر فیزیکدانان بزرگ چند دهه اخیر گسترده‌تر و کمتر فنی بودند، به جای اینکه بیشتر بر دغدغه‌های محدود فیزیک ذرات یا ماده چگال پافشاری کنند، در زمینه‌هایی مانند اطلاعات کوانتومی یا نظریه پیچیدگی به پیشرفت‌های چشمگیری دست می‌یافتند. در هر صورت، گمانه‌زنی آسان است، اما ارائه شواهد قانع‌کننده بسیار دشوار است.