۱۰ خبر شوکه‌کننده‌ی علمی در طول صد سال گذشته

از روزی که ارشمیدس با فریاد «اورکا، اورکا» شستن خود در حمام را نیمه‌کاره رها کرد، علم همواره با چندین خبر شوکه‌کننده و جالب همگان را متعجب کرده است. این خبرها حتی پس از انباشت فراوان دانش طی سالیان گذشته هم، ظرفیت‌های خود را حفظ کرده است و همچنان سهم خود را در به تعجب واداشتن مردم نگه داشته است. در این میان، برخی از این شگفتی‌ها به طور ناگهانی اتفاق می‌افتادند؛ در حالی که در موارد دیگر، از تغییرات انقلابی به زمان نیاز داشتند. با توجه به همین شرایط هم مجله‌ی ساینس نیوز، به کندوکاو در ۱۰۰ سال گذشته پرداخته است و مجموعه‌ای از شگفتی‌های بی‌پایانِ علم را در این مقاله به شما ارائه می‌کند.

۱۰. نقض پاریته نشانی از فرق گذاشتن بین چپی‌ها و راستی‌ها

در قرن بیستم، فیزیکدانان به این نتیجه رسیدند که تقارن‌های ریاضی در قوانین طبیعت نقش بسیار پررنگی دارند. وجود تقارن در پدیده‌های طبیعی به این معنی است که معادلات توصیف‌کننده‌ی انواع تغییرات در دنیای فیزیکی باید ثابت باشند. به بیانی دیگر، دیدن جهان در آینه (تغییر از راست به چپ) نباید تأثیری بر دقت آن معادلات داشته باشد و باید معادل با جهانِ خارج از آینه باشد. هرمان ویل (Hermann Weyl)، ریاضیدان برجسته‌ای که در سال ۱۹۵۵ درگذشت، اذعان داشت که همه‌ی قوانین طبیعت در زمان مبادله از حالت راست به چپ تغییرناپذیر (به بیان علمی‌تر ناوردا) هستند! درواقع بین چپ و راست هیچ ارجحیتی وجود ندارد.

طبیعت نباید بین تصویر داخل آینه و بیرون آینه تفاوت قائل شود، اما آزمایش واپاشی بتا چیزی خلاف این را نشان داد!

اما جالب است بدانید که در سال ۱۹۵۶، فیزیکدانان سونگ دائو لی (Tsung-Dao Lee) و چن نینگ یانگ (Chen Ning Yang) مقاله‌ای نظری منتشر کردند که خلاف آنچه تصور می‌شد را ارائه می‌کردند. این دو فیزیکدان و تیم آن‌ها در این مقاله ادعا داشتند که طبیعت واقعاً بین چپ و راست تمایز قائل است (از نظر فنی، پاریته (همین تصویر آینه‌ای) نقض می‌شود!). این دانشمندان نقض پاریته را در آزمایشی مربوط به واپاشی بتای (Radioactive beta decay) اتم‌ها رادیواکتیو کبالت و فروپاشی ذرات ناپایداری به نام میون (Muons)، نشان دادند.

در این آزمایش هر دوی این ذرات، نقض پاریته بین چپ‌ – راست، را در جهتی که ذرات بتا ساطع می‌شوند، نشان دادند که یک شگفتی بزرگ در این حوزه به حساب می‌آمد. لئون لدرمن، یکی از آزمایش‌کنندگان، پس از چهار دهه از این کشف، اذعان داشت که این آزمایش، قوانین جدید دنیای اتمی را نمایش می‌دهد و انقلابی در فیزیک نظری به حساب می‌آید.

۹. ترکیبات عجیبِ حاصل از گازهای نجیب

در دهه ۱۸۹۰، شیمیدانان یک خانواده کاملاً جدید از عناصر را به جدول تناوبی دیمیتری مندلیف اضافه کردند؛ عناصری که گازهای نجیب یا بی‌اثر نامیده می‌شوند. این گازهای نجیب که شامل هلیوم (عنصری که ده‌ها سال قبل روی خورشید شناسایی شد، اما تا سال ۱۸۹۵ روی زمین شناسایی نشد!)، نئون، آرگون، زنون، کریپتون و رادون هستند، جزو مواردی بودند که به آن‌ها توجه نمی‌شد، چراکه با عناصر دیگر ترکیب نمی‌شدند.

به طور کلی این عناصر نجیب، در شرایط عادی، در حالت گازی وجود دارند و آرایش الکترون‌ها در اطراف اتم‌های آن‌ها از هرگونه فرصتی برای ایجاد ترکیب شیمیایی جلوگیری می‌کند. با این حال، در سال ۱۹۶۲، ساینس لتتر (Science News Letter) اعلام کرد که ترکیب غیرممکنی از گازهای نجیب ایجاد شده است.

ساخت ترکیباتی از عنصر زنون، برای اولین بار نشان داد که گازهای نجیب هم قابلیت ایجاد ترکیب شیمیایی دارند!

در این مقاله اعلام شد که ترکیبی از عنصر زنون به نام تترافلوراید زنون (Xenon tetrafluoride) در آزمایشگاه ملی آرگون در ایلینوی ایجاد شده است. البته لازم به ذکر است که در سال ۱۹۶۲، هم نیل بارتلتِ شیمیدان ادعا کرده بود که ترکیبی از عنصر زنون به نام هگزا فلوراید زنون – پلاتین (xenon-platinum hexafluoride) ایجاد کرده است. در چنین حالتی، شیمیدانان مجبور شدند به سمت تجدید نظر در کتاب‌های درسی بروند و تاکید کردند که باید آنچه از قبل به آن باور داشتید را کنار بگذارید.

۸. زمین‌ساخت صفحه‌ای (Plate tectonics)

در دهه ۱۹۶۰، بسیاری از زمین‌شناسان به این درک رسیدند که کتاب‌های درسی باید دچار تجدید نظر اساسی شوند و اطلاعات قبلی دور ریخته شود! با این حال، آلفرد وگنر (Alfred Wegener) چندان شگفت‌زده نشد! وگنر در سال ۱۹۳۰ درگذشت، او از یک ستاره‌شناس به هواشناسی تبدیل شد که در دیرینه‌شناسی و ژئوفیزیک هم فعالیت‌هایی داشت. در سال ۱۹۱۵ او در کتابی خاطر نشان کرد که قاره‌های زمین، زمانی به شکل یک توده خشک (تک قاره) به نام پانگایا (Pangaea) وجود داشته‌اند. سپس در طی میلیون‌ها سال از یکدیگر جدا شده و به چیزی همچون نقشه‌ی جهانِ امروزی تبدیل شده است.

وگنر معتقد بود که نقشه‌ی جهان، یک تصویر دائمی از ویژگی‌های زمین نیست، بلکه شاتی از یک فیلم طولانی است. اما در آن زمان، تعداد کمی از دانشمندان به وگنر باور داشتند و ژئوفیزیکدانان اعتقاد داشتند که چنین حرکت بزرگی برای توده‌ای به این عظمت، از نظر فیزیکی چندان توجیه‌پذیر نیست!

زمین‌ساخت صفحه‌ای با شناخت الگوهای مغناطیسی در بستر دریا اثبات شد و برای اولین بار دانشمندان مطمئن شدند که قاره‌ها به مرور زمان از یکدیگر جدا شده اند!

با این حال، ایده‌ی وگنر در مورد رانش قاره‌ها از یکدیگر از بین نرفت و تا دهه‌ی ۱۹۶۰ بدون پاسخ باقی ماند. سپس زمانی که الگوهای مغناطیسی در بستر دریا شناسایی شد، دانشمندان متوجه شدند که اقیانوس‌ها به مرور زمان گسترش پیدا کرده‌اند و قاره‌ها را از یکدیگر دور کرده است. ساینس نیوز لتتر در سال ۱۹۶۳ گزارش داد که شواهد جدید از بحث جنجال‌ برانگیزِ مبنی بر اینکه قاره‌ها زمانی به هم متصل بوده‌اند پرده برداشته است و از نظریه‌ی جدایی قاره‌ها از یکدیگر پشتیبانی می‌کند.

تحقیقات بیشتر در چند سال آینده نشان داد که رانش قاره‌ها نشانه‌ای از مکانیسم‌های پیچیده در داخل زمین است که به عنوان تکتونیک صفحه‌ای یا زمین‌ساخت صفحه‌ای شناخته می‌شود. زمین‌ساخت صفحه‌ای نه تنها مکان قاره‌ها را توضیح می‌دهد، بلکه چگونگی تشکیل رشته کوه‌ها و چرایی ایجاد مجموعه‌ای از زمین لرزه‌ها در مناطق خاصی با فعالیت‌های لرزه‌ای را توضیح می‌دهد.

۷. دی اِن ای از ژن‌ها ساخته شده است!

یکی از چشمگیرترین اکتشافات قرن گذشته (در سال ۱۹۵۳) کشف ساختار دوگانه و مارپیچ DNA بود که توسط جیمز واتسون و فرانسیس کریک، با کمک تصویر اشعه ایکس تولید شده توسط روزالیند فرانکلین رقم خورد. اما شگفتی بزرگ‌تر چند سال قبل از این اتفاق رخ داد؛ زمانی که اسوالد اوری (Oswald Avery) و همکارانش در دانشگاه راکفلر نشان دادند که DNA ماده‌ای است که از ژن‌ها ساخته شده است.

در گذشته‌ای نه چندان دور، دیدگاه غالب این بود که ژن‌ها باید از نوعی پروتئین ساخته شده باشند، اما در سال ۱۹۴۴، اوری و همکارانش نشان دادند که ژن‌ها سازنده‌ی رشته‌های DNA هستند.

جالب است بدانید که اگرچه واقعیت وجود ژن‌ها در سال‌های اولیه‌ی قرن بیستم ثابت شده بود، اما هیچ‌کس شواهد دقیقی در مورد ساختار فیزیکی آن‌ها نداشت. در دهه ۱۹۴۰، دیدگاه غالب در علم ژنتیک این بود که ژن‌ها باید از نوعی پروتئین ساخته شده باشند و ساختار DNA تنها به چشم یک اسید آلی با ماهیتی مبهم دیده می‌شد، اما در سال ۱۹۴۴، اوری و همکارانش نشان دادند که قسمتی از دی ان ای که دارای دستور العمل یا کدِ ساخت یک پروتئین مشخص است، ژن نامیده می‌شود و خود ژن از پروتئین ساخته نشده‌ است.

جیمز واتسون (سمت چپ) و فرانسیس کریک، با تصویر اشعه ایکسی که روزالیند فرانکلین گرفته بود، ساختار دوگانه و مارپیچی DNA را کشف کردند.

۶. کشف انرژی تاریک (Dark energy)

در دهه ۱۹۹۰، نظریه‌ی انفجار بزرگ یا همان بیگ‌بنگ در مورد انبساط جهان دچار تردید شد و سؤالات زیادی در مورد آن باقی ماند؛ در این بین مهم‌ترین سوال مطرح شده در خصوص سرنوشت جهان بود.

در آن زمان اکثر فیزیکدانان معتقد بودند که کشش گرانشی در سراسر جهان، عاملی برای کاهش سرعت انبساط جهان است. بنابراین با چنین روندی به مرور تمام ماده‌ی جهان تحت انقباضی بزرگ قرار گیرد و طی یک رُمبش بزرگ در هم فرو می‌رود و جهان به پایان می‌رسد! از طرفی برخی دیگر فکر می‌کردند که جهان برای همیشه منبسط خواهد شد؛ ولی به گونه‌ای که به مرور سرعت انبساط آن رو به کاهش می‌رود.

اما داستان به همین شکل ادامه پیدا نکرد و طرح این موضضوع در سال ۱۹۹۸، زمانی که دو تیم از ستاره‌شناسان شروع به اندازه‌گیری نور ابرنواخترهای دور کردند، به طرز تکان‌دهنده‌ای متفاوت شد!

مطالعات و اندازه‌گیری‌های نور ابرنواخترهای دور دست، نشان داده که نیروی دافعه‌ی ناشی از انرژی تاریک، می‌تواند انبساط جهان را افزایش دهد!

گزارش‌های جدید توسط این ستاره‌شناسان و تحقیقات بیشتر نشان داد که گسترش جهان نه تنها کند نمی‌شود، بلکه با آهنگ رو به افزایشی (با شتاب ثابت) بالا می‌رود. درواقع وجود نیروی دافعه‌ای، ناشی از انرژی تاریک (در غیاب وجود دانش محکم از ماهیت واقعی آن)، این مساله را رقم می‌زند. به گزارش ساینس نیوز، محاسبات نشان می‌دهد که بدون در نظر گرفتن نیروی دافعه‌ی ناشی از انرژی تاریک، جهان ۱۰ تا ۱۵ درصد آهسته‌تر از آنچه امروز می‌بینیم، منبسط می‌شد!

۵. ماده‌ی تاریک (Dark matter)

در دهه ۱۹۳۰، اختر فیزیکدانی به نام فریتز زویکی (Fritz Zwicky)، کشف کرد که سرعت کهکشان‌هایی که در خوشه‌ی به نام گیسو (Coma cluster) حرکت می‌کنند، انتظارات جرمی مبتنی بر اثرات گرانشی اجرام مرئی را برآورده نمی‌کند. زویکی حدس زد که ماده‌ی موجود در این خوشه‌ی کهکشانی چیزی بیشتر از ماده‌ی مرئی است، بنابراین او این مقدار ماده‌ی غیر قابل مشاهده را ماده تاریک نامید.

ماده‌ی تاریک همچون‌ هاله‌ای نامرئی اطراف کهکشان‌ها را فرا گرفته است و عاملی برای چرخش سریع‌تر ستاره‌های لبه‌ی بیرونی نسبت به ستاره‌های نزدیک مرکز است!

در این بین دیگر اخترشناسان از جمله هوراس بابکاک متوجه‌ی اختلافات مشابهی شدند؛ به این معنی که ستارگان حاضر در اطراف لبه‌های بیرونی کهکشان (از مرکز دور هستند!) بسیار سریع‌تر از آنچه کهکشان مجاز می‌داند، قابلیت چرخش دارند. به بیانی ساده‌تر ستارگان، مانند افرادی در چرخ و فلک هستند، که با سرعتی بیش از حد مجاز (تعیین شده توسط جرم کهکشان) می‌چرخند، اما به بیرون پرت نمی‌شوند! در همین راستا دانشمندان معتقدند که چنین اتفاقی با وجود ماده‌ی تاریک قابل توجیه است.

در دهه ۱۹۷۰ و پس از آن، ورا روبین و همکارانش سرعتِ بیشتر ستاره‌های بیرونی نسبت به ستاره‌های مرکز کهکشان را تایید کردند. همچنین همانطور که ساینس نیوز در سال ۱۹۹۴ گزارش کرد، چنین رفتاری ناشی از هاله‌ای نامرئی و بسیار عظیم است که کهکشان‌ها را فرا گرفته است!

ورا روبین و همکارانش تأیید کردند که ستارگان بیرونی در بسیاری از کهکشان ها سریع‌تر از حد انتظار حرکت می‌کنند، که اثری مطمئن از وجود ماده تاریک است.

مطمئنا درک این مساله که بیشتر ماده‌ی جهان غیر قابل مشاهده است، شگفت‌انگیز است، اما شگفتی بیشتر زمانی رخ می‌دهد که متوجه شوید، این ماده با آنچه در زمین می‌بینیم هم کاملا متفاوت است! ماده‌‌ی معمولی عمدتاً از پروتون و نوترون تشکیل شده است اما هویت واقعی ماده تاریک تا به امروز مانند یک راز باقی مانده است. در همین راستا اگرچه فیزیکدانان احتمالات مختلفی را برای ماده‌ی تاریک بررسی می‌کنند، اما هیچ یک نتوانسته‌اند با قطعیت از واقعیت آن سَر دربیاورند.

۴. شکافت هسته‌ای و بمب اتمی (Atomic bomb and nuclear fission)

از زمان کشف خاصیت رادیواکتیویته در بعضی عناصر، فیزیکدانان همواره در مورد انرژی پنهان در هر قطعه از ماده گمانه‌زنی‌هایی می‌کنند. پس از اینکه انیشتین معادله معروف خود ( E = mc2) را منتشر کرد، برای بسیاری از دانشمندان کاملا واضح بود که در داخل اتم انرژی بسیاری وجود دارد. اما در عین حال اکثر کارشناسان تردید داشتند که هیچ راه عملی برای آزاد کردن چنین انرژی برای اهداف مفید یا تسلیحات جنگی وجود داشته باشد.

اتو هان و فریتز استراسمن دریافتند که اگر هسته‌های اورانیوم با نوترون بمباران شوند، به عنصر بسیار سبک‌تری به نام باریم شکافته خواهد شد و انرژی اتمی آزاد می‌شود!

تا اینکه در اواخر سال ۱۹۳۸، شیمیدانانی به نام اتو هان و فریتز استراسمن دریافتند که اگر هسته‌های اورانیوم با نوترون بمباران شوند، عنصر بسیار سبک‌تری به نام باریم حاصل خواهد شد. در همین راستا لیز مایتنر (که قبل از فرار از آلمان نازی با هان همکاری کرده بود!) و برادرزاده‌اش، اتو فریش متوجه شدند که هسته اورانیوم طی چنین آزمایشی تقسیم شده است! به بیانی دیگر انرژی اتمی آزاد شد! البته طبیعی است که پس از این کشف، فرآیند شکافت هسته‌ای به استارتی برای یک پروژه‌ی جنگی عظیم به منظور ساخت یک بمب قدرتمند و غیرقابل تصور بدل شد که قرار بود خیلی زود جهان را با پتانسیل تخریب خود شوکه کند!

۳. انبساط جهان (Expanding universe)

از قدیم الایام، فیلسوفان و فیزیکدانان به پرسش‌های عمیقی درباره ماهیت جهان فکر می‌کردند؛ به عنوان مثال آیا جهان متناهی است یا نامتناهی؟ آغازی دارد یا ازلی است؟ اما با وجود تمام این سوالات و سوالات مشابه، شاید برای شما جالب باشد اگر بدانید، تقریباً همه‌ی گذشتگان معتقد بودند که جهان در کل هرگز تغییر نکرده است، بلکه فقط وجود دارد!

در سال ۱۹۲۹، ادوین هابل (هابل در رصدخانه‌ی کوه ویلسون!) نشان داد که کهکشان‌های دورتر سریع‌تر از کهکشان‌های نزدیک از ما دور می‌شوند، که می‌تواند نشانی از انبساط جهان باشد.

اما در دهه ۱۹۲۰، الکساندر فریدمن، که ریاضیدانی قهار بود، بر اساس حلی که برای معادلات نسبیت عام اینشتین ارائه کرده بود، پیشنهاد داد که جهان ممکن است در حال انبساط یا انقباض باشد! درواقع برای اولین بار خود انیشتین، متوجه این احتمال شده بود، اما معادلات خود را طوری تغییر داد که یک جهان بدون تغییر را پیش‌بینی کند، زیرا او هیچ مدرکی برخلاف آن نمی‌دید!

در همین راستا، تجزیه و تحلیل داده‌های مربوط به رنگِ نور ساطع شده از سحابی‌ها، توسط ادوین هابل در سال ۱۹۲۹ نشان داد که هر چه کهکشان‌ها دورتر باشند، با سرعت بیشتری از ما فاصله می‌گیرند. به این معنی که جهان واقعا در حال انبساط است. با توجه به همین گزارش‌ها، ساینس نیوز لتر در سال ۱۹۳۱ گزارش داد که کهکشان‌های دوردست با سرعتی فوق‌العاده‌ای از ما دور می‌شوند؛ بنابراین جهان ما دائما در حال گسترش و انبساط است.

• راهنمای ساخت کرم‌چاله؛ یک ماموریت غیرممکن

۲. ضدماده (Antimatter)

در سال ۱۹۳۰، پیشنهاد جسورانه یک فیزیکدان جوان بریتانیایی به نام پل دیراک برای جامعه‌ی علمی خبرهای نوینی را به ارمغان آورد. درواقع او ادعا کرد که ماده (هر آنچه اجسام فیزیکی از آن ساخته می‌شود!) چیزی بیش از دسته‌ای از سوراخ‌ها در خلاء فضا نیست. دیراک پیشنهاد کرد که فضا خالی نیست، بلکه پر از الکترو‌ن‌هایی است که انرژی منفی دارند. از دیدگاه دیراک الکترون‌هایی با انرژی منفی را نمی‌توان تشخیص داد. اما اگر به یک الکترون، انرژی کافی داده شود از دریای انرژی منفی جدا می‌شود و سوراخی مانندِ حبابی خالی در اقیانوس از انرژی منفی ایجاد می‌کند. به بیان ساده‌تر، عدم وجود الکترون، سوراخی با بار الکتریکی مثبت ایجاد می‌کند.

پاد الکترون ذره‌ای است که جرمی کاملا مشابه با الکترون معمولی دارد اما بار آن منفی نیست، بلکه مثبت است!

دیراک فرض کرد که چنین حباب‌هایی با بار مثبت مشابه با پروتون‌ها در اقیانوسی از انرژی منفی هستند. اما خیلی زود متوجه شد که در اشتباه بوده است و سوراخ‌های با بار مثبت نمی‌توانند مشابه با پروتون باشند، بلکه باید ذره‌ای بسیار سبک‌تر و با جرمی برابر با یک الکترونِ معمولی داشته باشند. بنابراین دیراک با ایده‌ای کاملاً بدیع به میدان آمد، ایده‌ای که به نام پاد الکترون شناخته می‌شود.

دیراک ادعا کرد که اگر یک الکترون معمولی با ذره‌ی پاد خود برخورد کند، دو ذره نابود می‌شوند و انرژی آزاد می‌کنند. جالب است بدانید که ضد الکترون دیراک خیلی زود پس از نظریه‌ی او، توسط کارل اندرسون در پرتوهای کیهانی شناسایی شد!

۱. اصل عدم قطعیت (Uncertainty principle)

در سال ۱۹۲۷، ورنر هایزنبرگ اصل عدم قطعیت خود را به جهانیان و جامعه‌ی علمی معرفی کرد، ایده‌ای که زیربنای ریاضیات نوپا برای توصیف جهانی به نام مکانیک کوانتومی بود. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ بیانگر این موضوع تکان‌دهنده است که زنجیره‌ی ناگسستنی علت و معلولی (که از فیزیک نیوتونی سرچشمه می‌گیرد!) در دنیای کوانتومی تنها یک توهم است. اصل عدم قطعیت اذعان دارد که یک ذره می‌تواند مکان دقیق یا تکانه‌ی دقیقی داشته باشد، اما داشتن مقدار دقیق هر دوی این پارامترها ممکن نیست! جالب است بدانید که اصل عدم قطعیت از جمله اصولی است که همواره با تفسیرهای مختلفی توسط فیلسوفان همراه بوده است و همچنان هم ادامه دارد!

منبع: Science News