شبهاتی درباره علم و فن (3)
شبهاتی درباره علم و فن (3)
بعد از ارائه مدل اتم بوهر در 1913 که اختصاصاً برای هیدروژن بود و بخوبی هم با مشاهدات طیف نشری آن مطابقت داشت، اصلاحاتی توسط دیگران در آن بعمل آمد که شمول آنرا قدری گسترش دهد اما اساس همان بود. با محکم شدن جای پای اتم بوهر کم کم پیش کسوتان فیزیک متقاعد شدند که گویا فیزیک جدیدی متولد شده که از پذیرش آن گریزی نیست. نام آنرا فیزیک کوانتوم (یا فیزیک مدرن) گذاشتند در مقابل فیزیک رسمی که حالا با صفت کلاسیک از فیزیک جدید متمایز میشود. ثابت پلانک که در مدل جدید اتم بکار رفت در 14 دسامبر 1900 با سخنرانی پلانک در توجیه مسأله تشعشع حرارتی مطرح گردید دایر بر اینکه تشعشع فقط بصورت بسته های انرژی صادر میشود که او آن را "کوانتوم" نامید.
اما کشف بسیار مهمی که تحولات بعدی همه بر اساس آن بوده کشف نوترون در 1932 است. آنچه در فاصله 1913 تا 1932 گذشته است بیشتر در ارتباط با تدوین مکانیک موجی در فیزیک جدید است که جزئیات مزبور چندان بکار آنچه در اینجا مد نظر است نمی آید و از بحث اصلی خود دور میشویم. لذا علاقمندان میتوانند به کتب و منابع مربوطه مراجعه کنند. جورج گاموف 30 سالی از 1900 تا 1930 را که بر فیزیک گذشت و عمده کشفیات بنیادی در آن برهه رخ داد را تحت نام "سی سالی که فیزیک را تکان داد" در کتابی بهمین عنوان منتشر ساخته است. اگر گفته او را اندکی تعدیل کنیم، میتوان آنرا از 5 سال عقبتر یعنی از اشعه ایکس آغاز و به 2 سال بعد تر یعنی به کشف نوترون تسری دهیم. اما داستان ما درورای آن نیز ادامه خواهد یافت. قابل ذکر است که پیش از بوهر، اینشتین در 1905 نظریه کوانتوم را در مسأله فوتوالکتریک که خود مشکلی لاینحل برای فیزیک کلاسیک شده بود بکار برده آنرا گشود. او بخاطر این رهیافت جایزه نوبل گرفت با اینکه 2 مقاله دیگر او یکی توجیه حرکت براونی و دیگری نسبیت خاص که در همین سال منتشر کرد از اهمیت کمتری برخوردار نبود. توضیح اینکه مشارکت وی در ساخت سلاح اتمی صحت نداشته چه نه تخصص او بود و نه اصلاً علاقه ای بدان داشت که برعکس، صلح طلب بوده از جنگ متنفر بود.
مقدمات کشف نوترون از 1928 آغاز شد که محققی بنام والتر بوز در ادامه مشاهدات راذرفورد در شکافت اتم ازت، که قبلاً شرح آن رفت، آنرا با بریلیوم و تحت بمباران آلفای صادره از پولونیم تکرار کرد ببینند آیا با تابش گامای پر انرژی نیز همراه هست یا نه. البته او و همینطور پژوهشگران بعدی از شمارشگر گایگر برای آشکارسازی استفاده میکردند. امروزه میدانیم محصول چنین واکنشی، نوترون و کربن است که با گامای آنی نیز همراه است. در ابتدای سال 1932 ژولیت و ایرن کوری کار بوز را بمنظور مطالعه بیشتر اشعه نافذ تکرار کردند اما با کمال تعجب مشاهده کردند که گویا اشعه نافذ میتواند پروتون را از لایه پارافینی که مقابل آن است بیرون اندازد. این واکنش برای آنکه اتفاق افتد نیازمند انرژی فوق العاده زیاد گاما میبود و لذا مشکوک مینمود. اما چادویک که زیر نظر راذرفورد در کاوندیش کار میکرد با شنیدن خبر، بلافاصله آزمایش آنان را تکرار کرد اما برای هدف، نه فقط پارافین بلکه هلیوم و ازت را نیز جداگانه در مقابل اشعه مرموز قرار داد و با مقایسه همه نتایج توانست ثابت کند که این تابش مرموز که از واکنش آلفا با بریلیوم خارج میشود یک ذره خنثی با جرمی نزدیک پروتون است. او آنرا نوترون نامید.
در واقع با شناخت اوزان اتمی مشخص شد که همه تقریباً اعداد صحیح هستند مثلاً هیدروژن 1 و هلیوم 4 و کربن 12 و قس علیهذا. اما بار هسته که مثبت است و ضمناً تقریباً تمام جرم اتم هم در آن متمرکز است باید برابر باشد با بار الکترونهای مداری، یعنی هیدروژن که یک الکترون دارد پس در هسته یک پروتون دارد و طبعاً هسته اتم کربن باید شامل 12 پروتون باشد که این مربوط به زمانی است که فقط الکترون و پروتون شناخته شده بود. لذا برای توجیه بار هسته کربن که فقط 6 بار مثبت است گمان کردند که 6 الکترون میبایست در هسته باشد تا 6 بار مثبت اضافی را خنثی سازد. که این خود مستلزم پیچیدگیهای دیگری از لحاظ کوانتومی میشد که جاگرفتن الکترون را در حجم کوچک هسته تقریباً ناممکن میساخت. اما حالا در 1932 با کشف نوترون به یکباره مشکلات یاد شده برطرف شد. در این سال اتفاقات مهم دیگری نیز رویداد که یکی از آنها کشف الکترون مثبت در بارش اشعه کیهانی توسط اندرسون بود. قبلاً دیراک از لحاظ تئوریک وجود آن را نشان داده بود و حالا اندرسون بدون اطلاع از مقاله دیراک آنرا رسماً ثابت کرده بود. بار دیگر میبینیم که پیش بینی نظری یک چیز است و اثبات عینی آن یک چیز دیگر است. معمولاً ابتدا مشاهدات تجربی وجود دارد و سپس تأیید تحلیلی و نظری آنرا دنبال میکند. گاهی هم برعکس است مثل همین مورد که اول پیش بینی نظری است و سپس شواهد تجربی بدنبال است.
مشکلی که در تابش بتا با آن مواجه بودند مشاهده طیف پیوسته الکترونهای ساطعه بود حال آنکه انتظار میرفت همگی دارای یک انرژی (یا سرعت) یکسان باشند. این در تضاد با اصول شناخته شده بقای انرژی و بقای اندازه حرکتی بود که در تجزیه آلفا خود را بدرستی نشان داده بود. این مشکل، عده زیادی را کلافه کرد تا آنجا که بوهر رضایت داد که در این فرایند خاص بقای انرژی نقض میشود! پائولی برای رفع مشکل و احترام به اصل بقای انرژی، در 1930 پیشنهاد کرده بود که ذره دیگری نیز در این واکنش شرکت دارد که بخشی از انرژی واکنش را میدزدد، منتها هیچ ذره دیگری در مشاهدات بچشم نمیخورد و بر ابهامات می افزود. بالاخره در 1933 فرمی تجزیه بتا را بر اساس اعلام یک اندرکنش جدید بنام "ضعیف" و تولید این ذره مرموز فرمولبندی کرد. او نام این ذره خنثی را "نوترینو" گذاشت تا با نام ذره خنثی چادویک یعنی نوترون اشتباه نشود. مدتها نوترینو از هرگونه آشکار شدن فراری بود و مدتها در قلمرو تئوری باقی ماند تا در نهایت در 1955 بعد از ابداع رأکتورهای اتمی طی آزمایشاتی نفس گیر بدام افتاده و بطور تجربی اثبات شد. منبع آن واضحاً تلاشی بتای پاره های شکافت است که بحث آینده است. قابل ذکر است که نوترینو از هر آنچه ذهن بتواند تصور کند نافذتر است چه برای اینکه نیمی از پرتو نوترینو جذب شود ضخامتی از آب برابر چند صد سال نوری لازم است! از این منظر، هیچ شبحی در هیچیک از تخیلات ماوراء طبیعی به پای این موجود نمیرسد. واقعه مهم دیگر مرتبط با مشاهده نوع متضاد بتا است. در ژانویه 1934 ایرن کوری و شوهرش طی مقاله ای اعلام کردند که در بمباران آلومینیوم توسط آلفا، طیف پیوسته از بتا مثبت ( الکترون مثبت یا پوزیترون) مشاهده میشود که با قطع چشمه همچنان ادامه دارد. آنها در واقع چیزی مهمتر را تلویحاً اعلان کردند که همانا اولین رادیواکتیویته مصنوعی بشمار میرفت.
کشف کوری ها انگیزه ای شد برای دیگران که سایر عناصر طبیعی را در معرض بمباران قرار داده ببینند چه خواهد شد. اینبار مرکز توجه در رُم است که فرمی با کمک همکاران به این مهم دست بردند. اما بجای آلفا از نوترون بعنوان ذره پرتابه جدید الاکتشاف بهره بردند. چرا؟ زیرا میدانیم آلفا با دو بار مثبت خود هرچه به هسته هدف نزدیکتر شود با دافعه شدیدتری روبرو شده و لذا آهنگ انجام واکنش بشدت کاهش می یابد. اما نوترون خنثی است و بدون مانع میتواند وارد هسته هدف شود. پس عناصر جدول تناوبی را یک به یک آزمودند. در بهار 1934 آنها سنگین ترین عنصر طبیعی یعنی اورانیوم را هم به نیت تولید عناصر سنگین تر امتحان کردند که امروز میدانیم ایزوتوپ رادیواکتیو اورانیوم تشکیل شده به نپتونیوم تجزیه میگردد. برای عناصر سنگین از جهت بار مثبت زیاد هسته، نوترون بهترین پرتابه است. ضمناً تیم فرمی متوجه شد که نوترون با عبور از پارافین شدت عمل بیشتری در ماده هدف خواهد داشت که بلافاصله فرمی فرآیند کند شدن نوترون را تدوین کرده امروزه در کتب درسی موجود است. طی 3 سال بعدی، او و همکاران با کار پیگیر توانستند حدود 40 ماده جدید رادیواکتیو بسازند. اما نکته مهم در نتایج بمباران اورانیوم بود که در جداسازی شیمیائی محصول متوجه مقادیر ناچیزی از عناصر میانی جدول شدند که قابل انتظار نبود. دیگران و از جمله اتوهان و خانم میتنر در برلین آزمایش فرمی با اورانیوم را تکرار کردند. همین نتایج مورد تأیید آنها هم قرار گرفت که بطور معما گونه با مواد رادیواکتیوی روبرو شدند که بیشتر به عناصر میانی جدول تناوبی شباهت داشت تا آنچه انتظار داشتند عناصر ماوراء اورانیوم باشد.
یکی از علل سردرگمی همه این تیم های تحقیقاتی مختلف ناشی از این تمایل طبیعی ذهن انسان است که وقتی در جستجوی چیزی است، خود بخود متمایل است باینکه آنچه قبلاً در ذهن خود پرورده به آن برسد. چشم ها دوست دارد چیزی را ببیند که ذهن بدان باور دارد. این نه مشکلی فقط در علم، که در زیر بدان خواهیم پرداخت، بلکه مشکل اساسی تری در بنیاد باورهای ماست که عقب افتادگی فرهنگی از نتایج مستقیم آن است. باری، انتظار طبیعی تیم های مختلف تحقیقاتی همه متوجه این بود که فقط شاهد عناصر سنگین تر ماوراء اورانیوم باشند. درست در سال 1938 که فرمی در حال دریافت نوبل فیزیک بود، هان و اشتراسمان (شاگرد هان) در آلمان نتیجه درست آزمایشات مکرر خود را بطور غیررسمی اعلام کردند. در مقاله ای که 1939 رسماً منتشر شد متذکر این سردرگمی شدند که در عوض آنچه تصور میکردند در محصول بمباران اورانیوم عناصر رادیوم، آکتنیوم، و توریوم باشد، در واقع عناصر میانی مثل باریوم، لانتانوم، و سریوم هستند! موجودی این مواد آنقدر اندک بود که جز از طریق هم رسوبی نمیشد جداسازی کرد. هیچ دلیلی برای این مشاهده عجیب نمیتوانست موجود باشد مگر احتمالاً دوتکه شدن هسته اورانیوم. هان که قبلاً با او در جوار راذرفورد آشنا شده بودیم بعداً بخاطر این کشف مهم برنده نوبل رادیوشیمی در 1944 شد، هرچند اعتقاد بر اینست که همکارش، میتنر، نیز در این افتخار میبایست با وی شریک میبود.
اما هنوز آن اهمیتی که ما برای این فرآیند در ذهن داریم بوجود نیامده بود و تصور کاملاً باطلی است که فکر شود دانشمندان و محققینی که از ابتدای این داستان از آنان نام برده شد کوشش آنان معطوف به تولید بمب اتمی بوده. باری، وقتی هیتلر اتریش را به آلمان ضمیمه کرد، میتنر دریافت که جای تأمل نیست و اواخر 1938 به هلند و سپس به سوئد گریخت. هان نتایج قطعی آزمایش اورانیوم را پیش از انتشار، طی نامه ای برای وی ارسال کرد تا او هم در جریان باشد. نامه را میتنر به برادرزاده خود بنام "فریش" که او هم از آلمان به سوئد گریخته بود و قبلاً در آزمایشگاه های فیزیک اتمی کار میکرد نشان داد و هردو را بفکر انداخت که گویا هسته اورانیوم به دو بخش بزرگ پاره میشود. با اینکه مدل قطره مایع را بوهر قبلاً در فاصله 1935 تا 1937 برای هسته های سنگین تدوین کرده بود اما کسی بفکر ارتباط آن با شکافت هسته نیافتاده بود و اصلاً اینکه یک نوترون آنقدر پرزور باشد که بتواند باعث شکسته شدن یک هسته سنگین شود غیر قابل تصور بود. این دو طی چند هفته با استفاده از مدل قطره مایع توانستند به راز شکسته شدن هسته اورانیوم پی برده و حتی انرژی آزاد شده را بطور نظری حدود 200 میلیون الکترون ولت تخمین بزنند، 40 برابر قوی تر از آلفا! نقطه عطف داستان در ژانویه 1939 صورت میگیرد که فریش که حالا به انستیتو تحقیقاتی بوهر در کپنهاگ پیوسته این آزمایش را تکرار کرده و با کمک اتاقک یونیزاسیون و بلندگوئی که بدان متصل بود توانست متوجه پالس های بزرگی شود حاکی از انرژی خیلی زیاد این پاره های شکافت. فقط در این مرحله بود که انرژی شگرف شکافت اورانیوم خود را برای اولین بار بدون حجاب ظاهر ساخته شکی باقی نمیگذاشت. در فاصله چند روز پس از اعلام نتایج رسمی، چهار یا پنج آزمایشگاه دیگر نیز بلافاصله نتایج را تأیید کردند. حالا دیگر این یک موضوع پنهانی نبود.
در این شرایط، یعنی اوایل 1939، واکنش شکافت اورانیوم کشف شده اما همچنان در حوزه تحقیقات علمی است و بحثی درباره امکان بهره برداری های عملی از آن در میان نیست. اکنون برای اینکه پدیده شکافت از حوزه علم بسمت حوزه کاربردی رود 2 چیز واجب و ضروری است. اول اینکه انرژی فوق العاده زیاد واکنش محرز شده باشد که البته دیدیم شد. دوم، واکنش زنجیری وجود داشته باشد یعنی در هر شکافت نوترونهائی اضافی رها شود که هریک خود شکافت دیگری را منجر شود. اگر این دومی هم واقعاً محرز باشد، آنگاه دو کاربرد متضاد پیش رو خواهد بود. یکی واکنش زنجیری کنترل نشده واگرا که منجر به انفجاری بزرگ میشود که همان بمب اتمی، یا دقیقتر بمب هسته ای، میباشد. کاربرد دوم استفاده کنترل شده آن است که میتواند استفاده صلح آمیز از این منبع انرژی جدید در قالب نیروگاه اتمی باشد. این استفاده دوگانه و گاه متباین از علم و تکنولوژی را در دیگر عرصه ها هم شاهدیم. اینکه کدام کاربرد اولویت خواهد داشت باید یادمان باشد که در این ایام، آلمان نازی اتریش را منضم کرده و با تدارک حمله به لهستان در سپتامبر سال 1939 جهان را در مقابل جنگ جهانی دوم قرار داده است. و نکته مهمتر اینکه دانشمندان آلمانی خود از دست اندرکاران اصلی کشف این پدیده بوده و بر کاربرد های احتمالی آن باید واقف باشند.
درباره نوترون اضافی برای ادامه واکنش زنجیری، قوانین فیزیک هسته ای حکم میکند که حتماً باید وجود داشته باشند زیرا پاره های شکافت که در میانه جدول تناوبی قرار میگیرند نسبت به نمونه های پایدار خود نوترونهای اضافه تری دارند که باید بنوعی از شرّ آنها خلاص شوند. ممکنست با تلاشی بتا باشد که زمانبر است و یا ممکنست در لحظه شکافت آنرا از دست بدهند. فقط در حالت اخیر است که واکنش زنجیری عملاً قابل استفاده خواهد بود. البته بعدها معلوم شد هردو قسم وجود دارد. اما این مطلب در آن زمان دانسته نبود و لذا فرمی که رُم را از ترس فاشیست ها ترک کرده و اکنون استاد دانشگاه کلمبیا است تصمیم میگیرد واکنش زنجیری را خود در عمل بیآزماید. مقادیری کمک از دولت تقاضا و دریافت میکند اما آن اندازه نیست که کارگشا باشد (حدود 6000 دلار برای خرید گرافیت). اواسط 1939 که جنگ رسماً آغاز شده، عده ای از دانشمندان اروپائی پناهنده به آمریکا از ترس اینکه هیتلر مجهز به دانش مزبور دنیا را تسخیر کند نامه ای به روزولت نوشته اهمیت موضوع را تذکر داده تقاضای کمک اساسی کردند. جزئیات داستان را همه میدانند. باری، باید گفت که در همین احوال که بوهر روی تئوری خودش کار میکرد بر اساس محاسبات متوجه شد که شکافت ایزوتوپ 238 نیازمند نوترون با انرژی 1MeV یا بالاتر است حال آنکه ایزوتوپ 235 با فراوانی 7 در 1000 با نوترون کُند هم شکافته میشود. بعبارت دیگر، اگر کاری بخواهند بکنند باید این ایزوتوپ بدرد خور را جداسازی کنند. نوترونهای آنی نیز بطور متوسط به تعداد 2.5 برآورد شد. عالی! یعنی از لحاظ نظری واکنش زنجیری امکانپذیر است. منتها تجربه چیز دیگریست.
تا 1942، بوروکراسی دولت آمریکا نسبت به موضوع انرژی اتمی دیرباور بوده تمایل بر این داشت که امکانات موجود از نظر مالی و مهندسی بیشتر موقوف به برآوردن نیازهای نظامی در زمینه رادار و امثال آن باشد. کل کمکی که به پروژه فرمی در دانشگاه کلمبیا شده بود از چند ده هزار دلار تجاوز نمیکرد. در همین برهه حدود 1 میکروگرم پلوتونیوم-239 نیز بکمک سیکلوترون دانشگاه برکلی تهیه و ملاحظه شد آن نیز برای شکافت مناسب است. قابل توجه است که متشابهاً مقادیر بسیار اندکی از ایزوتوپهای اورانیوم که تهیه و آزمایش شده بود از طریق اسپکتروگراف جرمی جداسازی شده بود. اکنون دو راه حل متفاوت بسمت سلاح اتمی پیش رو بود: یا ساخت تجهیزات عظیم جداسازی صنعتی برای تولید ایزوتوپ اورانیوم-235 یا تجهیزات عظیم دیگری از قبیل رأکتورهای اتمی تا جذب نوترون در اورانیوم طبیعی تولید پلوتونیوم کرده آنرا بطرق معمول شیمیائی استخراج کنند. هریک از اینها فقط با بسیج و پشتیبانی گسترده دولت میسر بود ولاغیر و طبعاً نمیتوانست کار چند استاد دانشگاهی باشد. تازه بعد از آماده شدن سوخت هسته ای، پروژه بزرگتر، سرهم کردن آن بعنوان سلاح هسته ای بود که کار ساده ای نبود. نهایتاً این دانشمندان پناهنده اروپائی بودند که بالاخره عملی بودن این پروژه را در کمیته هائی که برای بررسی تشکیل شده بود نشان دولت داده او را مجاب ساختند. بنظر میرسد اگر شرایط جنگ در میان نمیبود شاید این پروژه هرگز انجام نمیشد یا احتمالاً موکول به زمان دیگری در آینده میشد. این از معدود مواردی است که نه دولت، بلکه فشار دانشمندان به دولت بود که انجام پروژه ای جنگی را شکل داد که دلیل آن پیشتر ذکر شد.
بزودی معلوم میشود که حل مسائل پیش رو، نیازمند فنونی بکلی جدید و ایجاد صنایعی بکلی متفاوت از پیش است. اینجاست که اسلوب کار بکلی عوض شده و علم و فن دست در دست هم برای انجام پروژه ای مشخص دست بکار میشوند: پیش بسوی سلاح اتمی. بالاخره در سپتامبر 1942، در میانه جنگ جهانی، پروژه مانهاتان به منظور تهیه مواد لازم و ساخت سلاح اتمی تصویب میشود. این پروژه از زمان تصویب تا 16 جولای 1945 که سلاح مزبور اولین بار تست شد کمتر از 3 سال طول کشید! چقدر هزینه شد؟ حدود 3 میلیارد دلار! که با توجه به ابعاد گسترده آن مبلغ زیادی محسوب نمیشد. تبعات و عوارض جانبی آن و شبهات ایجاد شده در مطالب بعدی پی گرفته خواهد شد.
خلاصه اینکه، برخلاف عقیده رایج، پیشرفت فیزیک اتمی در نیمه اول قرن بیستم نه به نیت تولید سلاح اتمی بلکه صرفاً همسو با وظیفه اصلی آن یعنی شناخت حقایق این حوزه بوده است. در این مسیر هیچ چیز از پیش مشخص نیست و گاه حوادث غیر مترقبه مسیر علم را تغییر میدهد. تا پیش از کشف شکافت اورانیوم در 1939 ابداً تصوری در مورد آنچه بزودی پیش خواهد آمد وجود نداشت. در حالیکه دولت آمریکا علاقه ای به درگیر کردن خود در وجه نظامی علوم اتمی نداشت، این دانشمندان بودند که با سماجت او را وادار به اینکار کردند. وقوع جنگ جهانی و ترس از غلبه فاشیسم، دانشمندان حوزه اتمی را واداشت مسیر علم را صرفاً به نیت پیش دستی بر آلمان نازی تغییر دهند لذا استفاده از سلاح اتمی برای ژاپن ابداً متصور نبود. حجم فعالیت علمی و فنی که از 1939 تا 1945 انجام گرفت بیسابقه است و محتوای کتب مهندسی هسته ای که امروزه تدریس میشود عمدتاً محصول همین 6 سال است! اما بزرگترین غنیمت جنگی که نصیب آمریکا شد چه بود؟ آن نه دارائی و مستملکات، بلکه جلب و جذب توده بزرگی از بزرگترین مغزهای دوران چه در خلال جنگ و چه بعد آن بوده است. کشوری که در ردیف اول قدرت هاست، پیشآهنگی خود را در درجه نخست، مدیون نیروی انسانی ماهری میداند که یا خود در محیطی آزاد تربیت کرده یا انگیزه ای بوجود آورده تا بهترین ها از سراسر دنیا خود بخود جلب و جذب آن شوند. مؤید آن تعداد دانشمندان آمریکائی شرکت کننده در کنفرانس های فیزیک در اروپا تا قبل جنگ جهانی دوم است که بزحمت به یک یا دو نفر میرسید اما بعد از جنگ ورق بکلی برگشت.
