شبهاتی درباره علم و فن (2)
در تعقیب داستان شکل گیری علوم هسته ای و تحول بعدی آن بسمت کاربردهای فن آورانه، بخش مربوط به راذرفورد با دستآوردهای بیشتر و درخشان تر وی ادامه می یابد. او با همکاری شیمیدانی بنام "سادی" راز اصلی تجزیه رادیواکتیو را بالاخره گشود. او مشخص کرد که، احتمال تجزیه هر اتم رادیواکتیو در واحد زمان عددیست ثابت مستقل از زمان که مقدار آن بستگی به نوع ماده داشته و معمولاً با نماد لاندا نمایش داده میشود. امروزه این مطلب ممکنست بنظر ساده آید ولی به هیچ وجه بدیهی نیست که اتفاقاً خلاف آن طبیعی است. زیرا در زندگی واقعی برای ما آدمها و سایر جانداران عدد مشابه در احتمال مرگ (تجزیه) یک فرد همواره تابعی از زمان است چه اینکه فرد هرچه پیرتر شود احتمال فوت او افزایش می یابد (ن.ک. به 1395/4/26). نگاه ژرفتر، شگفت زدگی بیشتر. حیرتی که در وادی علم به محقق دست میدهد فراتر از امثال داستانهای جن و پری و قالیچه پرنده است. در همین سالها بود که اصطلاح "ایزوتوپیک" توسط سادی ابداع شد. جالب است که اولین بار این حقیقت از دل مشاهدات رادیواکتیو عیان شد و دیدند که چندین رادیوم با اعداد جرمی متفاوت وجود دارد. بعبارت دیگر مشاهده شد که برخی مواد رادیواکتیو با اینکه از لحاظ شیمیائی یکسانند ولی خواص رادیواکتیو متفاوت دارند. بعدها پس از کشف نوترون مشخص شد که تفاوت تعداد نوترون موجد ایزوتوپ های یک عنصر است که در مواد پایدار نیز بچشم میخورد. امروز که به عقب مینگریم مغز ما از درک پیچیدگی و ابهامی که در مشاهدات تجربی با آن دست بگریبان بوده اند به معنای واقعی کلمه داغ میشود. این معضلات هر آدم سهل انگاری را در همان ابتدا از ادامه کار منصرف میساخت. گفت آسان گیر بر خود کارها کز روی طبع/ سخت می گردد جهان بر مردمان سختکوش.
شخصیت دیگری که در این تحقیقات ظاهر میشود "اتوهان" آلمانی است. او در 1905 مدت کوتاهی با راذرفورد در مک گیل همکاری کرده و در 1906 به آلمان باز میگردد تا تحقیقات خودش را در ادامه پیگیری کند. او از 1907 بمدت 30 سال با خانم لیزمیتنر فیزیکدان روی رادیوشیمی که رشته جدیدی شده بود کارکرد که به کشف جدید و بسیار مهمی منجر میشود که موضوع بخش های بعدی داستان ماست. با بازگشت به راذرفورد، او علاقمند به گشودن راز سرچشمه انرژی رها شده در تجزیه رادیواکتیو است. هم او و هم کوری و عده ای دیگر انرژی مربوطه را اندازه گرفته و با کمال شگفتی به عدد بزرگی رسیدند. او بلافاصله نتیجه گرفت که گرمای درون کره زمین ممکن است ناشی از مواد رادیواکتیو درون آن باشد. لرد کلوین قبلاً محاسباتی انجام داده بود که با توجه به آهنگ سرد شدن زمین، برای مدت سپری شده از گوی آتشین اولیه تا زمان حال عددی بدست آورده بود کمتر از چیزی که شواهد زمین شناسی مینمود. راذرفورد وقتی گرمای رادیواکتیو را هم لحاظ کرد بنظر رسید مشکل حل شده است. امروزه مشخص شده که در سیارات نیز این چشمه گرمائی وجود دارد. تصور کنید عصائی در دست دارید که بی هیچ علتی گرم و گرمتر شده تا آنجا که دست شما را بسوزاند و اجباراً آنرا روی زمین پرت کنید. اگر فرعونی باشد و عمل شما را ببیند یقیناً بشما ایمان خواهد آورد. اگر در گذشته ها نشدنی مینمود امروز کاملاً ممکن است. اگر جنس عصا را از رادیوم بگیرید عیناً اتفاق خواهد افتاد همانطور که امروزه میله های سوخت نیروگاه اتمی، در غیاب خنک کننده رافع حرارت، ملتهب شده ممکنست ذوب و منجر به حوادث ناگواری شود که اتفاق هم افتاده است.
راذرفورد در 1907 به انگلستان برمیگردد و کرسی خالی فیزیک در دانشگاه منچستر را احراز میکند. دپارتمان مزبور دستیاری داشت بنام "گایگر" که اکنون با راذرفورد همکار میشود و با اختراع کنتوری که بنام خودش مشهور است کار شمارش ذرات رادیواکتیو را تسهیل خواهد کرد. تا آن زمان کار شمارش با روش سنتیلاسیون بود که ذرات آلفا با صفحه آغشته به سولفید روی برخورد کرده چشمک کم سوئی ایجاد میکرد که فقط در تاریکی کامل قابل رؤیت بود. بهمین طریق بود که او و گایگر با زحمت زیاد و شمارش تک تک چشمک ها توانست موجودیت آلفا را بعنوان هسته هلیوم اثبات کند. چیزی که قبلاً بعنوان حدس و گمان بود اکنون ماوراء هر شبهه ای اثبات شد. جایزه نوبل در شیمی سال 1908 بهمین دلیل بخاطر کشف ماهیت آلفا به وی تعلق یافت.
اما مهمترین کار راذرفورد در ارتباط با هسته اتم است. سالها بود که میدانستند چون اتم خنثی است پس به تعداد الکترونها باید بار مثبت در اتم باشد. اما چگونه؟ در 1898 فرض تامسون بر این بود که اتم متشکل از یک بستر یکنواخت از بار مثبت است که الکترونها در آن غوطه ورند که به لحاظ مشابهت، به مدل کیک کشمشی مشهور شد. اولین آزمایشات برای پژوهش در درستی این مدل توسط گایگر و مارسدن (دانشجوی راذرفورد)، به توصیه و سرپرستی راذرفورد در 1911 آغاز شد. در این آزمایش، آلفاهای نشر یافته از رادیوم بسمت یک ورقه نازک طلا پرتاب میشد که پس از عبور از آن با برخورد به صفحه فلورسان واقع پشت آن حضور خود را نشان میدادند. طبعاً انتظار میرفت که آلفا از میان توده اتم بسادگی عبور کند که اغلب هم همینطور بود. منتها گاهی معدود ذرات آلفا با زاویه بزرگ به عقب برمیگشتند حاکی از برخورد با جسمی سخت! چند هفته بعد از این آزمایشات راذرفورد محاسبات معروف خود را که امروزه در کتب درسی مندرج است بر پایه این نتایج تجربی انجام و مدل جدید اتم که حالا تقریباً کل جرم در حجم بسیار کوچکی با بار مثبت متمرکز است را به جهان اعلام کرد که به مدل اتم راذرفورد مشهور شد. درباره وضع الکترون ها جز اینکه اطراف هسته میچرخند چیزی بیشتر نگفت که تفصیل آنرا بعداً نیلز بوهر بعهده گرفت.
در اینجا ذکر چند نکته برای روشن شدن ذهن پژوهندگان حائز اهمیت است. اول اینکه گمانه زنی یک چیز است و کار علمی دقیق یک چیز دیگر. پیش از این تحقیق هرآینه ممکن بود هر کس دیگری بطور کیفی مدعی شود که اتم دارای یک هسته متمرکز در مرکز است. هرکسی آزاد است نظری ارائه کند. کما اینکه چند هزار سال پیشتر، دموکریتوس یونانی در بحث قابلیت تقسیم ماده اظهار کرد که حد نهائی آن "اتم" تقسیم ناپذیر است. که صد البته در نوع خود و زمان خود شاهکار بود ولی کار دقیق علمی به معنای اخص کلمه محسوب نمیشد. با بیان این نوع گزاره ها چیزی اثبات نمیشود. دوم اینکه، توجه به این نکته لازم است که کار علمی فعالیت توأم تجربه و استدلال عقلی با هم است. آزمایش گایگر و مارسدن بتنهائی چیزی برای گفتن نداشت. محاسبه راذرفورد اگر با حقایق تجربی پشتیبانی نمیشد آن نیز گمانه زنی میبود و نه اثبات چیزی. ترکیب ایندو با هم است که ماوراء حدس و گمان به دانش میانجامد. ذهنیت تجربی نزد ما متاسفانه به دلیل رواج روحیه محفوظات و تحقیر مستمر علم و حقایق علمی از سوی ارباب دیانت مغفول مانده است. در دانشگاه ها و مراکز علمی هم اگر کار تحقیقاتی انجام میشود، عمدتاً در مسیر تقلید کارهای دیگران است و نه کمر همت بستن برای گشودن مسأله ای از هزاران سوألات بی پاسخ در حیطه علم.
برای خروج از این بن بست هزاران ساله، صدراعظم، میرزا حسین خان سپهسالار، در 1873 ناصرالدین شاه را برای آشنائی با فرنگ و شاید آماده ساختن او برای پذیرش اصلاحات به سفر به اروپا ترغیب کرد. البته که با خوشنودی شاه هم روبرو شده و دو سفر دیگر تا 1889، جمعاً 3 سفر، بفرنگ تشریف بردند. اما نتیجه اش چه شد؟ شاید در بازگشت از همان سفر اول اقداماتی برای اصلاحات شروع شد چه شاه قلباً مایل به ترقی و خروج از دوران سیاه بود. منتها جوّ حاکم بر کشور اجازه نمیداد و ریشه های بدآموزی چنان عمیق بود که مُصلحی نستوه را میطلبید. ضمن اینکه هرگونه اصلاحات به محدود کردن اختیارات بی حد و حصر شاه نیز منجر میشد. پس نتیجه ای جز خرید برخی اشیاء به هزینه خالی تر شدن خزانه نداشت. مظفرالدین شاه نیز سه سفر به فرنگ داشت اولین آن در 1899 و آخرین آن 1903. این فاصله 30 ساله سفرهای پدر و پسر مقارن بود با اوج کشفیات و اختراعات خیره کننده در غرب. خوشبختانه آنها و خیل ملازمانشان، از نزدیک شاهد عینی تمام ترقیات بودند اما گوئی حجابی در مغز بود تا اهمیت زیرساخت هائی که منجر بدین نتایج شد درک نشود. بگواه تاریخ، حتی شخص روشن بینی مانند امیرکبیر با همه جسارت و صداقتی که داشت در همان ابتدای اصلاحات خودش با دشمنی ارتجاع روبرو شد. معروف است که وقتی فرمان آبله کوبی را صادر کرد، ارتجاع شروع به دشمنی و کارشکنی کرد. حجابی مسموم بر افکار عامه مستولی بود. هوای مسموم در مکتب خانه های تنگ و تاریک و نشر تلقینات مسموم از فراز منابر در گستره ای به وسعت کشور. محیط و جوّ مسموم اجازه حرکتی خارج از عرف را نمیدهد. با این وجود، تلاش معدود روشنفکران که در نتیجه آشنائی با افکار جدید از این سد عبور کرده بودند نهایتاً بکمک سایر میهن دوستان منجر به ثمر رسیدن انقلاب مشروطه در 1906 شد که خود داستانی جداگانه است.
باری، کار مهم دیگر راذرفورد بعد از کشف مسأله هسته، موضوع مهم شکستن هسته اتم برای اولین بار بود. مهمترین دارائی او در طی این آزمایشات حدود 300 میلی گرم رادیوم بود که مولد ذرات پرتابه او یعنی آلفا بود. در 1919 نتیجه آزمایش خود در این باره با عنوان "برخورد آلفا با اتمهای سبک" را منتشر کرد. برخورد ذرات پر انرژی آلفا با ازت هوا موجب شکستن آن به پروتون و یکی از ایزوتوپهای اکسیژن میشد. ممکنست ظاهر قضیه امروز برای ما ساده نماید اما او حدود 3 سال متمادی روی نتایج آزمایشات دقت وسواس گونه بکار برد پیش از آنکه این نتیجه شگفت انگیز اعلان رسمی شود. نکته اول جدید بودن سوژه است زیرا برای اولین بار حاکی از کیمیاگری و تبدیل عناصر است که آرزوی پیشینیان بوده اما حالا به سبکی دیگر. یا از زاویه ای دیگر، حاکی از فروریختن تصور اتم بعنوان غیر قابل تقسیم است که حالا با این مشاهده ثابت شد در علم هیچ چیز مقدس نیست. این یعنی باید شجاعت داشت و آنجا که شواهد ایجاب نماید باید در آنچه لایتغیر تصور میشود تجدید نظر کرد. نکته دوم صبر و تحمل در اعلام هرگونه نظریه عجولانه است، خصیصه ای که امروز کمتر شاهد آنیم. امروزه همه میخواهند با چاپ سریع چند مقاله، که گاهی توأم با نتایج مشکوک است، به نام و نوائی رسیده و جای خود را بعنوان استاد فن محکم کنند. نکته سوم دقت و پشتکار است. عکس اتاقک ابری که مسیر ذرات آلفا را نشان میدهد در اینجا آورده ایم. این همان عکس اصلی است که راذرفورد نتیجه گیری خود را بر مبنای آن استوار ساخت. چه کس دیگری جز چشمان دقیق او میتوانست مسیرمحصولات شکست را دیده و چنان نتیجه گیری غیر معمولی را اعلام کند؟ راذرفورد عمدتاً یک تجربه گرا بود و کمتر به مباحث تئوریک علاقمند بود. هرچه باشد تا آزمایشی صورت نگرفته باشد و مشاهداتی منظم درج نشده باشد، هیچ تئوریسینی نمیتواند از پیش خود چیزی را ببافد و بعنوان کار علمی عرضه کند. او از 1920 تا 1937 که فوت شد رئیس آزمایشگاه مشهور کاوندیش بود و اوقات او عمدتاً صرف هدایت و راهنمائی پژوهشگران جوان میشد. سنت تجربه گرائی که از کاوندیش و آزمایشگاه خود او آغاز شده بود با ستاره هائی مثل ماکسول، رالی ، تامسون، و اینبار راذرفورد یک به یک ادامه دهنده مسیر علم گردیدند.
صحنه بعدی در ادامه داستان ما به "نیلز بوهر" اختصاص دارد. او که تحصیلات خود را در رشته فیزیک در دانمارک گذرانده بود عمدتاً روی مایعات و کشش سطحی کار کرده بود که بعدها هم بدردش خورد. بعد کسب دکترای خود در 1911 راهی انگلستان شد تا زیر نظر تامسون در آزمایشگاه کاوندیش تجربه عملی یاد گیرد. در این هنگام 26 ساله بود. بعد چند ماهی، در همانسال، عازم منچستر شد تا در آزمایشگاه راذرفورد دوره های تکمیلی درباره اندازه گیری های رادیواکتیو را زیر نظر او طی کند. اگر یادمان باشد مهمترین کار راذرفورد نقش او در تبیین هسته اتم بود. منتها گردش الکترونهای منفی حول هسته با بار مثبت متضمن یک ناپایداری مهم بود که او فعلاً از آن چشم پوشیده بود. طبق الکترودینامیک کلاسیک که مدتها قبل توسط ماکسول تبیین شده بود حرکت شتابدار بار الکتریکی متضمن تابش الکترومغناطیسی است که منجر به کاهش انرژی بار متحرک میشود. متشابهاً حرکت دایروی الکترونها و شتاب مربوطه بعد مدت کوتاهی منجر به فرو افتادن حلزون وار آنها در هسته شده و فاتحه اتم خوانده میشود! چه باید کرد؟ نیازمند یک راه حل رادیکال هستیم تا اتم را از نابودی نجات داد. اینجاست که حضور بوهر جوان تازه وارد شاید بتواند کمکی در حل مشکل باشد. او مدتی بدون نتیجه مشغول سروکله زدن با مشکل شد. بنظر میرسید کلید حل معما در ثابت تازه وارد پلانک، h، باشد که در 1900 با آغاز عصر کوانتوم توسط پلانک پیش کشیده شده بود. اما چطور؟ تا اینکه در 1913 یکی از دوستان بوهر به وی توصیه کرد نظری به فرمول بالمر درباره خطوط طیفی اتم هیدروژن بیاندازد. بوهر سالها بعدها گفت که به محض دیدن فرمول ناگهان همه چیز برایش حل شد. فرمول مزبور یک رابطه عددی بین طول موج های خطوط طیفی هیدروژن در ناحیه مرئی است.
در رابطه با تبیین اتم هیدروژن و ساخت مدلی که خطوط طیفی را توجیه کند بوهر مجبور شد فرضیاتی بشرح زیر اختیار کند: 1- اتم راذرفورد بعنوان اتم پایه، 2- مادام که الکترون روی مدارهای مجاز است تابش نخواهد کرد، 3- اقتباس از فرض انیشتن در پدیده فوتوالکتریک که تفاضل انرژی الکترون در مدارات مجاز برابر حاصلضرب فرکانس نوری که بصورت تابش از اتم خارج میشود در عددی ثابت است. در فرض دوم او مقرر کرد که مداری مجاز است که انتگرال اکسیون مضرب درستی از این عدد ثابت باشد. این عدد ثابت همان عدد پلانک است که با خود، کوانتوم را وارد مقوله فیزیک کرد. لذا بسیاری از فیزیکدانان عصر با این توجیهات موافق نبودند ولی مدلی که بوهر بنا کرد تمام خصوصیات طیف نشری اتم هیدروژن را بدرستی و به دقت پیشگوئی کرده جائی برای حاشا باقی نگذاشت. این یک انقلاب در فیزیک بود، منتها مدل او، بعداً معروف به اتم بوهر، جای آشتی با فیزیک کلاسیک باقی گذاشته مقرر کرد که با بزرگ و بزرگتر شدن مدار یعنی دور شدن الکترون از هسته، پیشگوئی فیزیک کوانتوم همان میشود که فیزیک کلاسیک مقرر کرده که به اصل انطباق مشهور شد. ادامه این داستان و نتایج مترتب بر علم و فن در مطالب آتی دنبال خواهد شد.
خلاصه اینکه، حیطه علم، پر از شگفتی و رویدادهای نامنتظره است. گاهی نتایج مزبور با دنیائی که بدان عادت داریم در تضاد است اما چنان متقاعد کننده است که چاره ای جز تسلیم نیست. در زندگی اجتماعی اغلب عکس این رایج است زیرا انسان اسیر عادت هاست و اگر آموزه ای نو متکی بر مبانی علمی عرضه شود که نفع همگانی در پذیرش آن باشد، تار و پود عادت ها دست بردار نخواهد بود بویژه که اگر منافع طبقاتی خاصی در گرو استمرار عادتها باشد. اما چرا نتایج علمی بسادگی قابل فهم و لذا پذیرش نیست؟ علت اصلی، قواعد و نظم خاص آن است که فقط اقلیتی با ذهن پویا و جویا اشتیاق و تحمل بودن در این چارچوب را دارند. در داستان حاضر محورعلم کاملاً هویداست که همانا "شناخت" حقایق است چه کاربردی بر آن مترتب باشد چه نباشد که این رویکرد بنیادین علم است. در حالیکه در تصور عامه هدف علم لزوماً معطوف به کاربردهای خاص است. شرح اشعه ایکس و رادیواکتیویته و پیامدهای آن خود مثال خوبی بر تأیید رویکرد بنیادین است. البته رویکرد دومی نیز هست که هدف، شناخت نیست بلکه مشکلی در علم یا فن وجود دارد و برای حل آن یا رسیدن به هدفی ویژه باید تحقیقات را یک به یک تا رسیدن به مقصود انجام داد. مثلاً برای فرستادن انسان به کره ماه لازمست هزار و یک مسأله علمی گشوده شود که طی آن دانش نظری و فنی در شاخه های دیگر نیز گسترش می یابد. در جامعه ای که عقل و عقلانیت محترم نباشد، درک و فهم از علم، در بهترین حالت، محدود به همین نوع اخیر است که معمولاً با کپی برداری یا دزدی صنعتی و جاسوسی و صدالبته حجم خوبی از پروپاگان نیز همراه است. پس آنچه بنیادین است توجه به خِرد و ارج نهادن به آن است که اگر چنین باشد هر جامعه ای با هر رنگ و مذهبی خود بخود رویکرد اساسی یعنی توجه به شناخت را فرا راه خود قرار خواهد داد که رویکرد دوم از نتایج طبیعی آن است- چون صد آید نود هم پیش ماست.
یکی از مراحل کارعلمی گمانه زنی است که البته تا به محک تجربه در نیاید یا با دستآوردهای قبلی جفت و جور نباشد به دانش تبدیل نخواهد شد. از آنسو، اطلاعات تجربی تا بکمک ریاضیات در قالب مدلی هماهنگ با دانش مرسوم شکل نگیرد، آن نیز صرفاً مشتی مشاهدات تجربی باقی خواهد ماند. نمونه های زیادی از این مقوله در داستان حاضر دیده و بعدها نیز خواهیم دید. دو نمونه باستانی آنرا پیشتر دیده بودیم، گمانه زنی اتم دموکریتوس و اندازه گیری و مدل سازی متین اراتوستن از شعاع کره زمین. نمونه آخری نشان از آن دارد که علم و روش آن مختص زمان حاضر نیست هرگاه خِرد حاکم باشد تبعات نیک آن خود بخود جاری میشود. هرزمان هم که خرد زیرپا گذاشته شود، حتی اگر قرن 21 باشد، سقوط به چاه جهل و جنون حتمی است! روش علمی مختص غرب هم نیست که بیخردان ترویج آنرا تبلیغ غرب یا غربزدگی قلمداد میکنند. ابوریحان بیرونی نمونه کلاسیک آن بشمار میرود. از دوره پیش از اسلام چیزی زیاد نمیدانیم زیرا کتب که شاهدی بر مدعا باشند تقریباً همه توسط سپاه مسلمین سوزانده شد تا فقط یک کتاب باقی باشد. تغییر نگرش و آموزه های اساسی بسمت تحقیر خرد نهایتاً باعث برچیده شدن دستآوردهای آن نیز شد چه اینکه اندازه مغز و ظرفیت های آن همه جا یکسان است و آنچه موجب تفاوت است جوّ حاکم بر محیط و استمرار طولانی مدت آن است.
