اگرچه دانشمندان تاکنون توانسته‌اند جزءهای تشکیل‌دهنده‌ی ذره‌های زیر اتمی را در شتاب‌دهنده‌ها از یکدیگر جدا کنند، توالی ژنوم انسان را کشف و فعالیت ستارگان دوردست را تجزیه و تحلیل کنند، اما هنوز هم آزمایش‌هایی توجه دانشمندان را به خود جلب می‌کند که میلیون‌ها دلار هزینه را در بر داشته و جریان بزرگی از اطلاعات ایجاد می‌کند؛ آزمایش‌هایی که پردازش آن‌ها توسط ابر رایانه‌ها ماه‌ها به طول می‌انجامد. بسیاری از این گروه‌های پژوهشی توسعه پیدا کرده‌اند و برای انجام فعالیت با هم مشارکت می‌کنند.
اما باید اذعان کرد که مفاهیم علمی به ذهن‌های منحصر به فردی که خود را درگیر کشف راز و رمزهای جهان کرده‌اند، راه می‌یابد. هنگامی که رابرت پی.کریس، از عضوهای گروه فلسفه دانشگاه ایالتی نیویورک واقع در استونی بروک و مورخ آزمایشگاه ملی بروکهان از فیزیکدانان خواست که زیباترین آزمایش‌های کل تاریخ را نام ببرند، مشخص شد که ده نفرِ نخست بیشتر به طور انفرادی کار کرده‌اند و دستیاری نداشتند.
اغلب آزمایش‌هایی که درشماره‌ی September ۲۰۰۲ مجله‌ی دنیای فیزیک (Physics World) فهرست شده‌اند را می‌توان روی یک میزکار معمولی انجام داد و به وسایل محاسبه‌ای پیشرفته‌تر از خط‌کش و ماشین‌حساب نیاز ندارند. چیزی که در همه‌ی این آزمایش‌ها مشترک است بیانگر همان مفهومی است که دانشمندان از آن به عنوان زیبایی نام می‌برند. نمودهای این زیبایی کلاسیک را می‌توان این‌گونه شرح داد: سادگی منطقی دستگاه‌های مورداستفاده و سادگی منطقی تجزیه و تحلیل اطلاعات. به عبارت دیگر، پیچیدگی و دشواری پدیده‌ها، به طور موقت به کناری گذاشته می‌شود و نکته‌ی تازه‌ای از راز و رمزهای طبیعت کشف می‌شود.
فهرست چاپ شده در این مجله به ترتیب عمومیت آن رتبه‌بندی شده است. در رتبه‌ی نخست، آزمایشی قرار دارد که به وضوح ماهیت کوانتومی جهان فیزیکی را نشان می‌دهد. این موارد بار دیگر به ترتیب دوره زمانی مرتب شده‌اند که نتیجه‌ی آن هم‌اکنون پیش روی شماست. این فهرست نگرش جالبی از تاریخ دو هزارساله‌ی اکتشاف را پیش روی ما قرار می دهد.
● اراتوستن: اندازه‌گیری محیط زمین
در ظهر انقلاب تابستانی در یکی از شهرهای مصر که امروزه اسوان نامیده می‌شود، خورشید مستقیم می‌تابد؛ اجسام هیچ سایه‌ای ندارند و نور خورشید تا انتهای یک چاه عمیق نفوذ می‌کند.
اراتوستن که کتابدار کتابخانه‌ی اسکندریه در قرن سوم پیش از میلاد بود، هنگامی که این مطلب را خواند، دریافت که اطلاعات لازم برای محاسبه‌ی محیط زمین را در اختیار دارد. وی همان روز و همان ساعتی که در بالا گفته شد، آزمایشی ترتیب داد و مشاهده کرد که پرتوهای خورشید در اسکندریه تا حدودی مایل بوده و حدود هفت درجه از خط عمود انحراف دارد.
حالا دیگر فقط محاسبه‌ای هندسی باقی مانده بود. فرض کنید زمین گرد است، در این صورت محیط دایره‌ی آن ۳۶۰ درجه است. با این تفسیر اگر دو شهر از یکدیگر ۷ درجه دور باشند، می‌توان گفت به اندازه‌ی هفت سیصد و شصتم یا یک پنجاهم یک دایره‌ی کامل از هم فاصله دارند. با اندازه‌گیری فاصله‌ی دو شهر مشخص شد که این دو ۵ هزار استادیوم (واحد طول برابر با حدود ۱۸۵ متر) از یکدیگر دورند. اراتوستن نتیجه گرفت که محیط زمین ۵۰ برابر این فاصله یعنی ۲۵۰ هزار استادیوم است. از آن‌جا که دانشمندان در مورد طول واقعی یک استادیوم یونانی اختلاف‌نظر دارند، غیر‌ممکن است بتوانیم دقت این اندازه‌گیری را تعیین کنیم. اما طبق بعضی از محاسبه‌ها گفته می‌شود خطای این اندازه‌گیری حدود ۵ درصد است (رتبه‌ی۷ )
● گالیله: آزمایشچیزهای در حال سقوط:
تا حدود سال‌های ۱۵۰۰ میلادی، مردم فکر می‌کردند چیزهای سنگین سریع‌تر از اجسام سبک سقوط می‌کنند. هر چه باشد، این سخنِ ارسطو است. این که یک دانشمند یونان باستان توانسته بود، همچنان سلطه‌ی خود را حفظ کند، بیانگر این است که علم طی قرون وسطی چقدر تنزل کرده بود.
گالیلئوگالیله که استاد کرسی ریاضیات در دانشگاه پیزا بود، آن‌قدر جسارت داشت که دانشِ پذیرفته شده را با چالش روبه‌رو کند. این داستان ازجمله ماجراهای معروف تاریخ علم است: گفته می‌شود وی دو چیز با وزن‌های مختلف را از بالای برج کج شهر رها کرد و نشان داد که آن چیزها در یک زمان به زمین می‌رسند. به چالش طلبیدن باورهای ارسطو ممکن بود برای گالیله به قیمت از دست دادن شغلش تمام شود، اما وی با این کار نشان داد که داور نهایی در موضوع‌های علمی، رویدادهای طبیعی است نه اعتبار افراد. (رتبه‌ی ۲)
● گالیله: آزمایش سقوط توپ‌ها از سطح شیبدار
گالیله به بازپیرایی باورهای خود در مورد چیزهای در حال حرکت ادامه داد. وی یک تخته که حدود ۶ متر طول و ۲۵ سانتی متر عرض داشت را انتخاب کرد و شیاری را در مرکز آن طوری حفر کرد که تا جایی که امکان دارد، صاف و مستقیم باشد. وی سطح را شیبدار کرد و توپ‌های برنجی را درون این شیارها غلتاند و زمان سقوط را با یک ساعتِ آبی اندازه‌گیری کرد. ساعت آبی یک مخزن بزرگ آب بود که آبش از لوله‌های نازک به یک ظرف منتقل می‌شد. وی پس از هر بار آزمایش و رها کردن توپ میزان آب تخلیه‌شده را وزن می‌کرد.
گالیله به وزن کردن مقدار آب تخلیه شده، زمان را اندازه گرفت و آن را با مسافتی که گلوله طی کرده بود، مقایسه می‌کرد. ارسطو پیش‌بینی کرده بود که سرعت گلوله‌های غلتان ثابت است: اگر مدت‌زمان حرکت را دو برابر کنید، مسافت طی شده دو برابر می‌شود. اما گالیله نشان داد که مسافت طی شده با مجذور زمان متناسب است؛ اگر مدت‌زمان حرکت را دو برابر کنید، مسافت طی شده چهار برابر می‌شود. علت آن نیز این است که توپ در اثر جاذبه‌ی گرانشی مرتباً شتاب می‌گیرد. (رتبه‌ی ۸)
● نیوتن: تجزیه‌ی نور خورشید با منشور
اسحاق نیوتن در همان سالی که گالیله درگذشت، متولد شد. وی در سال ۱۶۶۵ میلادی از ترینیتی کالج کمبریج فارغ‌التحصیل شد. سپس، دو سال خانه‌نشین شد تا بیماری طاعون را که همه‌گیر شده بود، از سر بگذراند. وی از این که خانه‌نشین بود، چندان ناراضی نبود؛ چراکه مشغول فعالیت‌های علمی بود.
در آن سال‌ها این تفکر رایج بود که نورِ سفید خالص‌ترین نوع نور است (باز هم باورهای ارسطو) و بنابراین نورهای رنگی، تغییرشکل‌یافته‌ی نورهای سفید هستند. نیوتن برای آزمایش این نظریه، دسته‌ای از پرتوهای خورشید را به منشور تاباند و نشان داد که خورشید به طیفی از رنگ‌ها تجزیه می‌شود.
البته مردم، رنگین‌کمان را در آسمان مشاهده می‌کردند اما از تفسیر صحیح آن ناتوان بودند. نیوتن توانست به درستی نتیجه‌گیری کند که رنگ‌های قرمز، نارنجی، قهوه‌ای، سبز، آبی، نیلی، بنفش و رنگ‌های بین این‌ها، تشکیل‌دهنده‌ی نور سفید هستند. نور سفید در نگاه اول بسیار ساده به نظر می‌رسید، اما پس از نگاه دقیق‌تر مشخص شد که نور سفید تلفیقی زیبا از نورهای گوناگون است. (رتبه‌ی ۴)
● کاوندیش: آزمایش ترازوی پیچشی
یکی دیگر از فعالیت‌های نیوتن پیشنهاد نظریه‌ی گرانشی بود که بیان می‌کرد قدرت جاذبه بین دو جسم با مجذور جرم‌هایش افزایش و به نسبت مجذور فاصله‌ی بین آن دو کاهش می‌یابد. اما این پرسش باقی بود که قدرت این جاذبه‌ی گرانشی چقدر است؟
در پایان دهه‌ی اول قرن هجدهم، هنری کاوندیش تصمیم گرفت به این پرسش پاسخ دهد. وی یک میله‌ی چوبی را که حدود دو متر طول داشت، انتخاب کرد و سپس یک گلوله‌ی کوچک فلزی به هر طرف این میله‌ی چوبی وصل کرد تا شبیه یک دمبل شود. سپس آن را با سیمی آویزان کرد. پس از آن دو گلوله سربی را که حدود ۱۶۰ کیلوگرم جرم داشتند، به توپ‌های کوچک دو سر میله‌ی چوبی نزدیک کرد تا نیروی گرانشی لازم برای جذب کردن آن‌ها ایجاد شود. گلوله‌ها حرکت کردند و در نتیجه سیم تاب برداشت.
کاوندیش با وصل کردن یک قلم کوچک در دو طرف میله توانست میزان جابه‌جایی ناچیز گلوله‌ها را اندازه بگیرد. وی برای محافظت دستگاه، از جریان هوا، آن را، که ترازوی پیچشی نامیده می‌شود، درون اتاقکی قرار داد و با یک تلسکوپ میزان جابه‌جایی را خواند. وی با این دستگاه توانست مقداری را که به ثابت گرانشی معروف است، با دقت بسیار زیادی اندازه‌گیری کند و با استفاده از ثابت گرانشی، چگالی و جرم زمین را به دست آورد. اراستوتن توانست محیط زمین را اندازه بگیرد اما کاوندیش جرم زمین را به دست آورد: x۶/۱۰۲۴۰ . (رتبه‌ی۶)
● یانگ: آزمایش تداخل نور
باورهای نیوتن همیشه صحیح نبود. پس از استدلال مختلف به این نتیجه رسید که نور تنها از ذره‌هایی تشکیل شده است و نه از موج. در سال ۱۸۰۳ توماس یانگ پزشک و فیزیک‌دان انگلیسی تصمیم گرفت این نظریه را بیازماید. وی سوراخی را در پرده‌ی پنجره ایجاد کرد و آن را با یک مقوا که به وسیله‌ی سوزن شکاف کوچکی در آن ایجاد کرده بود، پوشاند. سپس، نوری را که از این شکاف عبور می‌کرد با استفاده از یک آینه منحرف کرد.
در مرحله‌ی بعد، ورقه‌ی نازکی از کاغذ انتخاب کرد که فقط یک سی‌ام اینچ (حدود یک میلی‌متر) ضخامت داشت و آن را به طور دقیق در مسیر عبور نور قرار داد تا پرتو نور را به دو قسمت تقسیم کند. نتیجه‌ی این آزمایش طرحی از نوارهای متناوب روشن و تاریک بود: این پدیده را فقط با فرض این که پرتوهای نور همانند موج رفتار می‌کنند، می‌توان تفسیر کرد. نوارهای روشن وقتی مشاهده می‌شوند که دو قله موج با یکدیگر هم‌پوشانی و یکدیگر را تقویت کنند، اما نوارهای سیاه وقتی ایجاد می‌شوند که یک قله موج با موج مخالف آن ترکیب شود و یکدیگر را خنثی کنند.
این آزمایش سال‌های بعد با استفاده از یک مقوا که در آن دو شکاف برای تقسیم نور به دو پرتو ایجاد شده بود، تکرار شد و به همین دلیل به آزمایش شکاف دوگانه نیر مشهور است. این آزمایش بعدها به معیاری برای تعیین حرکت شبه‌موجی تبدیل شد؛ حقیقتی که یک قرن بعد، هنگامی که نظریه‌ی کوانتوم آغاز شد اهمیت بیش از اندازه‌ای یافت. (رتبه‌ی ۵)
● فوکو: چرخش کره‌ی زمین
فوکو در سال ۱۸۵۱ در پاریس آزمایش بسیار مشهوری را به انجام رساند که پس از گذشت سالیان متمادی، سال گذشته در قطب جنوب دوباره تکرار شد. این دانشمند آونگی را در قطب جنوب نصب کرد و به تماشای حرکت این آونگ پرداختند. جین برنارد فوکو دانشمند فرانسوی یک گلوله‌ی آهنی ۳۰ کیلوگرمی را به انتهای یک مفتول متصل و از سقف کلیسایی آویزان کرد و آن را به حرکت درآورد تا به سمت عقب وجلو حرکت کند. سپس برای آن که نحوه‌ی حرکت این آونگ به خوبی مشخص شود، قلمی را به انتهای گلوله‌ای که روی بستری از شن‌های نرم و مرطوب در حال نوسان بود، قرار داد.
تماشاچیان در کمال شگفتی مشاهده کردند که آونگ به طرز غیرقابل توجیهی در حال چرخش است یعنی مسیر حرکت رفت و برگشتی آن در هر تناوب با تناوب قبلی متفاوت است. اما واقعیت امر این است که این کف کلیسا بود که به آرامی حرکت می‌کرد و به این ترتیب فوکو توانست با قانع‌کننده‌ترین روشِ ممکن نشان دهد که زمین حول محور خود در حال گردش است.
در عرض جغرافیایی پاریس، آونگ طی هر ۳۰ ساعت یک چرخش کامل را در جهت عقربه‌های ساعت انجام می‌دهد؛ در نیمکره‌ی جنوبی همین آونگ خلاف جهت عقربه‌های ساعت به حرکت درمی‌آید و در نهایت روی خط استوا حرکت در اصل چرخشی نبود. همان طور که دانشمندان عصر جدید نشان دادند زمان تناوب حرکت چرخشی پاندول در قطب جنوب برابر ۲۴ ساعت است. (رتبه‌ی ۱۰)
● میلیکان: آزمایش قطره‌ی روغن
از دوران باستان دانشمندان، الکتریسیته را مورد بررسی قرار داده بودند؛ پدیده‌ی پیچیده‌ای که هنگام رعد و برق از آسمان نازل می‌شد، یا با کشیدن شانه به موها می‌توانستند به راحتی آن را ایجاد کنند. در سال ۱۸۹۷ فیزیک‌دان انگلیسی جی.جی.تامسون اثبات کرد که الکتریسیته از ذره‌هایی که دارای بار منفی هستند، یعنی الکترون‌ها، به وجود می‌آید. (آزمایشی که در واقع بایستی یکی از موردهای این فهرست باشد) و کار اندازه‌گیری بارِ این ذره‌ها در سال ۱۹۰۹ به رابرت میلیکان، دانشمند آمریکایی، محول شد.
وی با استفاده از یک عطرپاش، قطره‌های ریز روغن را به درون اتاق کوچک شفافی اسپری کرد. در بالا و پایین این اتاق کوچک صفحههای فلزی قرار داشتند که به باطری متصل بودند و در نتیجه یکی از صفحه‌ها مثبت و صفحه‌ی دیگر منفی بود. از آن‌جا که این قطره‌ها هنگام عبور در هوا دارای مقدار جزئی بار الکتریکی می‌شد، می‌توان سرعت سقوط این قطره‌ها را با تغییر ولتاژ صفحههای فلزی تنظیم کرد.
هنگامی که نیروی الکتریکی به طور دقیق با نیروی گرانشی برابر شود، قطره‌های روغن همانند ستارگان درخشان در پس‌زمینه تاریک به نظر می‌رسند و در هوا معلق می‌مانند. میلیکان این قطره‌ها را یکی پس از دیگری مورد ملاحظه قرار داد، ولتاژ صفحه را تغییر داد و به مشاهده‌ی تأثیر آن پرداخت. وی پس از انجام آزمایش‌های متعدد به این نتیجه رسید که بار الکتریکی یک مقدار مشخص و ثابت دارد. کوچک‌ترین بار این قطره‌ها چیزی نیست به جز بار یک الکترون منفرد. (رتبه‌ی ۳)
● رادرفورد: کشف هسته
در سال ۱۹۱۱ که ارنست رادرفورد در دانشگاه منچستر سرگرم آزمایش در مورد رادیواکتیویته بود، گمان می‌رفت که اتم‌ها از گلوله‌های نرم و باردار مثبتی تشکیل شده‌اند که توسط ذره‌هایی با بار منفی احاطه می‌شوند؛ مدل کیک کشمشی. اما هنگامی که وی و دستیارانش ذره‌های باردار مثبت کوچکی را که ذره‌ی آلفا نامیده می‌شدند، به صفحه‌ی نازکی از طلا تاباندند، در شگفتی تمام مشاهده کردند که درصد اندکی از این پرتوها به سمت عقب برگشتند. به عبارت دیگر این ذره‌ها پس از برخورد با اتم‌ها کمانه کرده‌اند.
رادرفورد نتیجه گرفت اتم‌های واقعی چندان هم نرم نیستند. قسمت اصلی جرم این اتم‌ها باید در مرکز اتم‌ها، که امروزه هسته‌ی اتم می‌نامیم، قرار داشته باشد و الکترون‌ها این هسته‌ها را احاطه کرده‌اند. با وجود تغییرهایی که نظریه‌ی کوانتوم در آن ایجاد کرد، این تصویر از اتم‌ها هنوز هم به قوت خود باقی است. (رتبه‌ی ۹)
● کلاوس جانسون: تداخل یک الکترون منفرد
نه گفته‌های نیوتن و نه یانگ هیچ کدام در مورد ماهیت نور به طور کامل صحیح نبود. هرچند که به سادگی نمی‌توان گفت نور از ذره تشکیل شده است. خاصیت‌های آن را فقط با استفاده از ماهیت موجی نیز نمی‌توان به طور کامل تشریح کرد.
طی ۵ سال اول قرن بیستم ماکس پلانک و آلبرت اینشتین نشان دادند که نور در بسته‌هایی که فوتون نام دارد، جذب و نشر می‌شود. اما آزمایش‌هایی برای تعیین ماهیت دقیق نور همچنان ادامه داشت. بعدها تئوری کوانتوم متولد شد و طی چند دهه توسعه یافت و توانست دو نظریه‌ی پیشین را با یکدیگر آشتی داده و نشان دهد که هر دو می‌توانند صحیح باشند؛ فوتون‌ها و سایر ذره‌های زیراتمی (همانند الکترون‌ها، پروتون‌ها و…) دو چهره از خود بروز می‌دهند که مکمل یکدیگرند؛ بنابراین به گفته‌ی یک فیزیک‌دان در دسته‌ی Wavices قرار می‌گیرند.
فیزیکدانان برای شرح دادن این مطلب اغلب از یک آزمایش نظری شناخته‌شده استفاده می‌کنند. آن‌ها ابزارهای آزمایش شکاف دوگانه‌ی یانگ را به کار می‌برند، اما به جای آن که نور معمولی به کار ببرند از پرتو الکترون استفاده می‌کنند. بر اساس قانون‌های مکانیک کوانتوم، جریان ذره‌ها به دو پرتو تفکیک می‌شوند، پرتوهای کوچک‌تر با یکدیگر تداخل می‌کنند و همان الگوی آشنای نوارهای متناوب تاریک و روشن را که توسط نور ایجاد شده بود، از خود نشان می‌دهند. یعنی ذره‌ها همانند موج عمل می‌کنند. بر اساس مقاله‌ای که در فیزیکس‌ورد منتشر شد و توسط پیتر راجرز سردبیر مجله نگاشته شده است تا سال ۱۹۶۱ هیچ‌کس این آزمایش را در عمل به انجام نرساند تا این که کلاوس جانسون در این سال موفق به انجام این آزمایش شد. در آن هنگام هیچ‌کس از نتایج به دست آمده چندان شگفت‌زده نشد و نتیجه‌های به دست آمده همانند بسیاری از موردهای دیگر بدون آن که نامی از کسی در میان باشد به دنیای علم وارد شد. (رتبه‌ی ۱)
منبع: From the New York Times: Science&#۰۳۹;s ۱۰ most beautiful experiments
Robert P Crease,The most beautiful experiment,Physics World, September ۲۰۰۲