Τα δέκα ωραιότερα επιστημονικά πειράματα

Ερατοσθένης, Γαλιλαίος, Νεύτων, Γιανγκ, Φουκό, Ράδερφορντ, Μίλικαν

---

Τα επιστημονικά πειράματα που κατάφεραν να συναρπάσουν τον κόσμο, τον τελευταίο αιώνα, είτε αφορούσαν τη διάσπαση υποατομικών σωματιδίων, τη χαρτογράφηση του ανθρώπινου DNA είτε την ανάλυση της φωτεινότητας μακρινών αστέρων, κόστισαν κατά κανόνα εκατομμύρια δολάρια, για να πραγματοποιηθούν και να τροφοδοτήσουν πανίσχυρους ηλεκτρονικούς υπολογιστές με ποταμούς δεδομένων, από την επεξεργασία των οποίων προέκυψαν τα τελικά συμπεράσματα των ερευνητών. Ορισμένες επιστημονικές ερευνητικές ομάδες απέκτησαν, σε αυτόν το δρόμο, διαστάσεις ολόκληρων επιχειρήσεων.
Σε τελευταία ανάλυση, όμως, η επιστήμη αφορά τη διάνοια ενός συγκεκριμένου ερευνητή, ο οποίος πασχίζει να αποκωδικοποιήσει κάποιο μυστήριο της Φύσης. Για τον λόγο αυτό, επιστήμονες που εκλήθησαν να καταγράψουν τα δέκα ωραιότερα πειράματα της ιστορίας, προτίμησαν εκείνα που έγιναν από έναν άνθρωπο, με λιγοστούς έστω βοηθούς. Τα περισσότερα πειράματα που συμπεριελήφθησαν στον κατάλογο έγιναν σε απλά τραπέζια εργαστηρίου και δεν απαιτούσαν τη χρήση κανενός είδους υπολογιστή.
Κοινό τους γνώρισμα είναι ότι αποτελούν την επιτομή της ομορφιάς στην επιστήμη. Αυτή είναι η ομορφιά με την κλασική της έννοια: η λογική απλότητα του εξοπλισμού, όπως και η λογική απλότητα της ανάλυσης, μοιάζουν αναπόφευκτες και αγνές όσο και οι δομικές γραμμές αρχαιοελληνικού ρυθμού. Η σύγχυση της άγνοιας παραμερίζεται ξαφνικά, αποκαλύπτοντας ορισμένα νέα δεδομένα της Φύσης. Ο κατάλογος που δημοσιεύεται στο περιοδικό Physics World στοιχειοθετήθηκε ανάλογα με τη δημοτικότητα, με την πρώτη θέση να δίνεται σε ένα ιστορικό πείραμα που απέδειξε την κβαντική φύση του φυσικού κόσμου. Η επιστήμη, όμως, είναι συσσωρευτική διαδικασία και τα πειράματα αυτά μας δίνουν μία πανοραμική άποψη 2.000 ετών ανακαλύψεων.
10. Εκκρεμές του Foucault και η παλινδρομική κίνηση
Όταν επιστημονική ομάδα τοποθέτησε πέρυσι εκκρεμές στο Νότιο Πόλο, ουσιαστικά επανέλαβε τη διάσημη επίδειξη του Φουκό στο Παρίσι το 1851. Χρησιμοποιώντας ατσάλινο σύρμα μήκους 110 μέτρων, ο Γάλλος επιστήμονας Ζαν Μπερνάρ Λεόν Φουκό κρέμασε μεταλλική σφαίρα βάρους 31 κιλών από τον θόλο του Πανθέου, προτού τη θέσει σε κίνηση. Το κοινό παρακολούθησε έτσι με ενθουσιασμό το εκκρεμές να μεταβάλει ελαφρά την πορεία του σε κάθε παλινδρόμησή του. Το πείραμα απέδειξε ότι η περιστροφή της Γης επηρεάζει την παλινδρομική κίνηση του εκκρεμούς. Κατάταξη: 10
9. Η ανακάλυψη του πυρήνα από τον Ράδερφορντ
Όταν ο Έρνεστ Ράδερφορντ πειραματιζόταν με τη ραδιενέργεια στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ το 1911, τα άτομα εθεωρείτο ότι αποτελούνταν από μεγάλους όγκους με θετικό ηλεκτρικό φορτίο, στο εσωτερικό των οποίων βρίσκονταν ενσωματωμένα τα ηλεκτρόνια -κάτι σαν ένα σφαιρικό κέικ γεμάτο με σταφίδες. Όταν, όμως, η ερευνητική ομάδα του Ράδερφορντ βομβάρδισε φύλλο χρυσού με μικροσκοπικά θετικά φορτισμένα σωματίδια, ανακάλυψαν ότι μικρό ποσοστό από αυτά επέστρεφε πίσω. Ο Ράδερφορντ κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα άτομα δεν είναι συμπαγή αλλά «κούφια». Η περισσότερη μάζα τους θα πρέπει να βρίσκεται σε μικρό πυρήνα, με τα ηλεκτρόνια να περιστρέφονται γύρω του. Κατάταξη: 9
8. Το πείραμα του Γαλιλαίου με τα κυλιόμενα σφαιρίδια που κυλούν
Ενισχύοντας τις θεωρίες του, ο Γαλιλαίος πειραματίσθηκε με σφαιρίδια, τα οποία ακολουθούν αυλάκι σε επιφάνεια ξύλου, που έχει κλίση ως προς το οριζόντιο επίπεδο. Απέδειξε έτσι ότι η απόσταση που διανύει το αντικείμενο είναι ανάλογη με το τετράγωνο του χρόνου. Αυτό σημαίνει ότι σε διπλάσιο χρόνο το σώμα καλύπτει τετραπλάσια απόσταση και αποκτά διπλάσια ταχύτητα, καθώς επιταχύνει συνέχεια εξαιτίας της βαρύτητας. Με αυτόν τον τρόπο, ο Γαλιλαίος απέδειξε τον νόμο της ομαλά επιταχυνόμενης κίνησης, που έπαιξε καθοριστικό ρόλο για την ανακάλυψη του θεμελιώδους νόμου της Μηχανικής από τον Νεύτωνα. Κάτι που αναγνώρισε και ο τελευταίος δηλώνοντας: «Μπόρεσα να δω μακριά γιατί στηριζόμουν σε ώμους γιγάντων». Κατάταξη: 8
7. Η μέτρηση της περιφέρειας της Γης από τον Ερατοσθένη
Την 12η μεσημβρινή του θερινού ηλιοστασίου στην αιγυπτιακή πόλη Ασσουάν, ο ήλιος βρίσκεται ακριβώς πάνω από τον παρατηρητή. Τα αντικείμενα δεν έχουν σκιά και το φως του ήλιου πέφτει κάθετα μέσα σε πηγάδι. Παρατηρώντας τις σκιές στην Αλεξάνδρεια, που βρίσκεται βορειότερα από το Ασσουάν, ο Ερατοσθένης, βιβλιοθηκάριος της βιβλιοθήκης της Αλεξάνδρειας τον 3ο αιώνα π.Χ., διαπίστωσε ότι διέθετε όλες τις αναγκαίες πληροφορίες για να υπολογίσει την περιφέρεια της Γης, την οποία μέτρησε σε 250.000 στάδια, απόκλιση μόλις 5% από το πραγματικό μέγεθος. Μία εντυπωσιακή επίδοση, αν αναλογισθεί κανείς τα πενιχρά τεχνικά μέσα της εποχής του. Κάτι ακόμη σημαντικότερο: Μία επιβεβαίωση της σφαιρικής φύσεως του πλανήτη μας, σε μια εποχή όπου κυριαρχούσε η ιδεοληψία της επίπεδης Γης. Κατάταξη: 7
6. Η ράβδος στρέψεως του Kάβεντις
Η θεωρία της βαρύτητας του Νεύτωνα έδωσε το έναυσμα στον Βρετανό φυσικό Χένρι Κάβεντις να ελέγξει πειραματικά την ισχύ της. Χρησιμοποιώντας ξύλινο κοντάρι δύο μέτρων, στις άκρες του οποίου είχε προσαρμόσει σφαιρίδια, κρεμασμένο από σύρμα, επιβεβαίωσε με μεγάλη ακρίβεια την ορθότητα της εξίσωσης του Νεύτωνα για τη βαρύτητα. Επιπλέον, ανακάλυψε την βαρυτική σταθερά -μια μέχρι τότε απροσδιόριστη παράμετρο, που υπεισέρχεται στον νόμο του Νεύτωνα για τη βαρύτητα. Με τη σειρά της, αυτή η ανακάλυψη του έδωσε τη δυνατότητα να εκτιμήσει, σε μια πρώτη προσέγγιση, την πυκνότητα και τη μάζα της Γης. Κατάταξη: 6
5. Πείραμα συμβολής φωτός από τον Γιανγκ
Ο Νεύτωνας είχε τεράστιο κύρος, αλλά δεν είχε πάντοτε δίκιο. Οι θεωρίες του είχαν οδηγήσει μεγάλη μερίδα του επιστημονικού κόσμου του 19ου αιώνα να πιστέψει ότι το φως αποτελείται από αόρατα, μικροσκοπικά σωματίδια και όχι από κύματα -μια εναλλακτική θεωρία, που υποστήριζε ο Ολλανδός ερευνητής Χόιχενς, εφευρέτης ενός από τα τελειότερα ρολόγια της εποχής του. Το 1803, ο άγγλος ιατρός και φυσικός Τόμας Γιανγκ απέδειξε πειραματικά ότι το φως αποτελείται από κύματα, δικαιώνοντας τον Χόιχενς. Το πείραμα του Γιανγκ έγινε με τον διαχωρισμό μιας ηλιακής ακτίνας, που περνά μέσα από μικρή οπή χαρτιού, σε δέσμη φωτεινών και σκοτεινών λωρίδων, που εναλλάσσονται κανονικά. Οι φωτεινές λωρίδες εμφανίζονταν στα σημεία ένωσης των κορυφών των κυμάτων και οι σκοτεινές στα σημεία ένωσης κορυφής κύματος με κοίλο άλλου κύματος. Έναν αιώνα αργότερα, η Κβαντική Φυσική ήρθε να συμφιλιώσει τον Νεύτωνα με τους Χόιχενς - Γιανγκ, αποδεικνύοντας ότι το φως αποτελείται από υβριδικά «σωμάτια-κύματα», με αποτέλεσμα άλλοτε μεν να εκδηλώνει σωματιδιακές ιδιότητες και άλλοτε κυματικές. Κατάταξη: 5
4. Διάθλαση ηλιακού φωτός μέσω πρίσματος από τον Νεύτωνα
Η κοινή λογική την εποχή του Νεύτωνα, στα μέσα του 17ου αιώνα, υποστήριζε ότι το λευκό φως είναι η καθαρότερη μορφή φωτός και ότι τα χρωματιστά φώτα πρέπει να είναι αποτέλεσμα μεταλλαγής. Ο Νεύτων τοποθέτησε γυάλινο πρίσμα στο ηλιακό φως και απέδειξε ότι συμβαίνει το ακριβώς αντίθετο: Το λευκό φως του ήλιου διαθλάται σε φάσμα χρωμάτων -κάτι ανάλογο με το ουράνιο τόξο. Με άλλα λόγια δεν είναι «καθαρό» αλλά αποτελεί σύνθεση όλων των «καθαρών» χρωμάτων. Τρία από αυτά τα χρώματα, τα λεγόμενα βασικά, αρκούν για να συνθέσουν το λευκό φως. Κατάταξη: 4
3. Η ηλεκτρισμένη σταγόνα λαδιού από τον Μίλικαν
Οι επιστήμονες μελετούν τον ηλεκτρισμό από την εποχή της αρχαιότητας. Ο Αμερικανός επιστήμονας Ρόμπερτ Μίλικαν ήταν, όμως, αυτός που υπολόγισε με ακρίβεια το φορτίο των ηλεκτρονίων το 1909. Χρησιμοποιώντας δοχείο ψεκασμού αρώματος, ο Μίλικαν ψέκασε μικροσκοπικές σταγόνες ελαίου σε διαφανές δοχείο. Στην κορυφή και το πάτωμα του δοχείου, ο Μίλικαν τοποθέτησε μεταλλικές πλάκες, συνδεδεμένες με μπαταρίες, κάνοντας τη μία πλάκα να έχει θετικό φορτίο και την άλλη αρνητικό. Καθώς κάθε σταγονίδιο ελαίου αποκτούσε μικρό ηλεκτρικό φορτίο, στην πορεία του μέσω του αέρα, η ταχύτητα καθόδου του μπορούσε να ελεγχθεί από τη μεταβολή της τάσης στις πλάκες. Όταν το ηλεκτρικό φορτίο αυτό έφθανε να εξισωθεί με τη δύναμη της βαρύτητας, τα σταγονίδια αιωρούνταν, μένοντας ακίνητα στον αέρα. Το μικρότερο δυνατό ηλεκτρικό φορτίο, που μπορούν να έχουν τα σταγονίδια, είναι εκείνο ενός και μόνο ηλεκτρονίου. Κατάταξη: 3
2. Το πείραμα του Γαλιλαίου για την πτώση των αντικειμένων
Στα τέλη του 16ου αιώνα όλοι πίστευαν ότι τα βαρύτερα αντικείμενα πέφτουν ταχύτερα απ΄ ό,τι τα ελαφρότερα, ακολουθώντας τη διδασκαλία του Αριστοτέλη, του Έλληνα φιλόσοφου η σκέψη του οποίου κυριαρχούσε στον Μεσαίωνα. Ο καθηγητής Μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο της Πίζας, Γαλιλαίος Γαλιλέι, τόλμησε τότε να αμφισβητήσει τις κοινώς αποδεκτές επιστημονικές απόψεις. Ο θρύλος θέλει τον Γαλιλαίο να ρίχνει δύο αντικείμενα διαφορετικού βάρους από τον κεκλιμένο πύργο της πόλης, τα οποία προσγειώθηκαν την ίδια στιγμή. Δεν γνωρίζουμε αν το διάσημο, τουριστικό μνημείο της Πίζας έπαιξε όντως ρόλο σε αυτήν τη σπουδαία επιστημονική ανακάλυψη. Εκείνο που γνωρίζουμε είναι ότι ο Γαλιλαίος πραγματοποίησε σειρά ανάλογων πειραμάτων στο εργαστήριό του, χρονομετρώντας την πτώση διαφόρων αντικειμένων με δικής του ευρεσιτεχνίας διατάξεις -εκείνη την εποχή δεν υπήρχαν ρολόγια. Με αυτά τα πειράματα, ο Γαλιλαίος απέδειξε ότι όλα τα αντικείμενα, ανεξάρτητα από το βάρος τους, πέφτουν με την ίδια επιτάχυνση, εφόσον δεν υπάρχει ή μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα η αντίσταση του αέρα. Η τομή του Γαλιλαίου ήταν με μια έννοια η ληξιαρχική πράξη γέννησης της σύγχρονης επιστήμης, που δίνει προτεραιότητα στο πείραμα και την παρατήρηση αντί του θεωρητικού στοχασμού. Ο Γαλιλαίος απέδειξε ότι το πείραμα επικρατεί της ανθρώπινης διάνοιας, έστω και εκείνης του Αριστοτέλη. Κατάταξη: 2
1. Το νοητό πείραμα διπλών εγκοπών του Γιανγκ για τη συμβολή των ηλεκτρονίων
Ο Nιούτον και ο Γιανγκ έσφαλαν και οι δύο στις εκτιμήσεις τους σχετικά με τη φύση του φωτός. Αν και δεν αποτελείται απλά από σωματίδια, δεν μπορεί να περιγραφεί ακριβώς ως κύμα. Για τα πρώτα πέντε χρόνια του 20ού αιώνα, ο Μαξ Πλανκ και ο Aλμπερτ Aϊνστάιν απέδειξαν, ο κάθε ένας από την πλευρά του, ότι το φως εκπέμπεται και απορροφάται σε «πακέτα», που ονομάζονται φωτόνια. Άλλα πειράματα, όμως, συνέχισαν να δείχνουν ότι το φως είναι επίσης κυματοειδές. Χρειάσθηκε η διατύπωση της κβαντικής θεωρίας, μέσα στις επόμενες δεκαετίες, για να συμβιβασθούν θεωρητικά οι παραπάνω παρατηρήσεις. Οι φυσικοί ονόμασαν έτσι τα σωματίδια του φωτός «κυματοπακέτα». Για να επεξηγήσουν τη θεωρία τους, οι επιστήμονες υπέδειξαν ένα νοητικό πείραμα, παρόμοιο με εκείνο του Γιανγκ, μόνο που στη θέση φωτεινής δέσμης πρότειναν να χρησιμοποιηθεί δέσμη ηλεκτρονίων. Με θεωρητικά επιχειρήματα έδειξαν ότι το πείραμα θα οδηγήσει σε φωτεινούς και σκοτεινούς κροσσούς, όπως και στο φως, επιβεβαιώνοντας την κυματική, υπό ορισμένες συνθήκες και σωματιδιακή, υπό άλλες, φύση του φωτός. Το νοητικό πείραμα άσκησε τεράστια επίδραση στην επιστημονική σκέψη του εικοστού αιώνα. Χρειάστηκε να περάσουν αρκετές δεκαετίες ώστε το εν λόγω πείραμα να πραγματοποιηθεί και στην πράξη, σε συνθήκες εργαστηρίου, δικαιώνοντας απολύτως τους εμπνευστές του.

πηγή: http://users.uoa.gr