Ιστορικά πειράματα και ανακαλύψεις – Μέρος Α΄

Σε αυτή τη σειρά άρθρων θα παρουσιάσουμε ορισμένα «ιστορικά» πειράματα φυσικής, τα οποία συνέβαλαν καθοριστικά στην εξέλιξη διάφορων φυσικών θεωριών, σε διάφορους κλάδους. Ορισμένα εξ αυτών ίσως μοιάζουν απλά, σχεδόν απλοϊκά – με την αυστηρή έννοια του όρου, κάποια μάλιστα δεν είναι πειράματα αλλά παρατηρήσεις. Ωστόσο, η σημασία τους ήταν (και είναι) τεράστια. Στο άρθρο αυτό θα αναφερθούμε σε τρία τέτοια «απλά» πειράματα.

1. Μελέτη της ελεύθερης πτώσης των σωμάτων από τον Γαλιλαίο

Την εποχή του Γαλιλαίου, γύρω στο 1580, η φυσική της κίνησης ήταν επηρεασμένη από τις ιδέες του Αριστοτέλη, ο οποίος υποστήριζε – μεταξύ άλλων – ότι τα βαρύτερα σώματα πέφτουν γρηγορότερα.

Ο Γαλιλαίος με τα πειράματά του απέδειξε ότι δύο σώματα διαφορετικής μάζας, αν αφεθούν από το ίδιο ύψος, φτάνουν ταυτόχρονα στην επιφάνεια της Γης. Αυτό σημαίνει ότι η επιτάχυνση είναι ανεξάρτητη από τη μάζα του σώματος ή με άλλα λόγια ότι η ταχύτητα δύο σωμάτων διαφορετικής μάζας αυξάνεται με τον ίδιο ρυθμό, αν τα σώματα αυτά αφεθούν ελεύθερα σε ένα πεδίο βαρύτητας.

Αν και η διάσημη ιστορία σύμφωνα με την οποία ο Γαλιλαίος άφησε 2 σφαίρες διαφορετικής μάζας από τον κεκλιμένο πύργο της Πίζας δεν έχει επιβεβαιωθεί, γνωρίζουμε ότι ο Γαλιλαίος διεξήγε πολλά πειράματα με σώματα διαφορετικής μάζας σε κεκλιμένα επίπεδα. Είναι πολύ εύκολο να αναπαράξετε αν θέλετε ένα τέτοιο πείραμα¹! 

Στη σύγχρονη εποχή, η υπόθεση του Γαλιλαίου έχει επιβεβαιωθεί με πολλά πειράματα σε συνθήκες χαμηλής βαρύτητας. Δείτε ένα από αυτά στη Σελήνη, στη διάρκεια της αποστολής Apollo 15 εδώ:

2. Η ανάλυση του λευκού φωτός από τον Νεύτωνα

Η δεύτερη ανακάλυψη στην οποία θα αναφερθούμε έγινε μεταξύ 1666 και 1672 από τον Νεύτωνα. Ο Νεύτωνας χρησιμοποιώντας ένα πρίσμα ανακάλυψε ότι το λευκό φως μπορεί ν’ αναλυθεί σε χρώματα, τα οποία σήμερα γνωρίζουμε ότι αποτελούν το οπτικό μέρος του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Επιπλέον, ανακάλυψε ότι η δέσμη αυτή χρωμάτων, αν διέλθει από ένα δεύτερο πρίσμα οδηγεί σε «συνδυασμό» των χρωμάτων και παίρνουμε ξανά λευκό φως.

Η διάθλαση ² του λευκού φωτός εξηγεί το φαινόμενο του ουράνιου τόξου αλλά έχει επιπλέον σημαντικές εφαρμογές στην οπτική. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η κατασκευή τηλεσκοπίων, όπου η χρωματική αυτή απόκλιση/αποπλάνηση ³ (chromatic aberration) μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικά σφάλματα.

3. Ανακάλυψη της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου (Βραβείο Νόμπελ 1978)

Το 1964, δυο ερευνητές των εργαστηρίων Bell (Bell Labs), οι A. Penzias και R. Wilson πειραματίζονταν με μια νέα, υπερευαίσθητη κεραία ραδιοκυμάτων. Επειδή ήταν απαραίτητο οι μετρήσεις τους να είναι ακριβείς, προσπάθησαν συστηματικά να εξαλείψουν όσο το δυνατόν περισσότερο κάθε είδος θορύβου (για παράδειγμα ψύχοντας την κεραία ώστε να μειώσουν στο ελάχιστο τυχόν θερμικές παρεμβολές).

Οι προσπάθειές τους ωστόσο απέτυχαν, καθώς οι ερευνητές συνέχιζαν να ανιχνεύουν ένα “θόρυβο” που έμοιαζε να έρχεται από κάθε διεύθυνση του ουρανού, μέρα και νύχτα ⁴. Η συνεχής παρουσία του παράξενου αυτού σήματος τους οδήγησε στην υπόθεση ότι είναι μάλλον εξωγαλαξιακής προέλευσης, καθώς δεν ταυτιζόταν με τη θέση κάποιας άλλης γνωστής πηγής εντός του Γαλαξία.

Την ίδια περίπου περίοδο, οι R. Dicke, J. Peebles και D. Wilkinson, ερευνητές στο Princeton University ήθελαν να μετρήσουν τη διάχυτη ακτινοβολία, η οποία σύμφωνα με τις υποθέσεις τους, αποτελούσε «κατάλοιπο» της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang). Οι Penzias και Wilson, επικοινώνησαν με την ομάδα του Princeton και σήμερα η ανακάλυψή τους αποτελεί μια από τις σημαντικότερες ενδείξεις υπέρ του Big Bang. Η ανακάλυψη αυτή μάλιστα τους απέφερε το βραβείο Nobel φυσικής το 1978. Σήμερα γνωρίζουμε ότι η ακτινοβολία αυτή αντιστοιχεί σε θερμοκρασία περίπου 2.7 βαθμών Kelvin (περίπου -270 βαθμούς Κελσίου). Είναι γνωστή ως μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου καθώς αντιστοιχεί σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στο μικροκυματικό μέρος του φάσματος, το οποίο είναι ορατό μόνο με ειδικά τηλεσκόπια. Συστηματικές μελέτες έχουν δείξει ότι είναι εξαιρετικά ισοτροπική, δηλαδή δεν παρατηρούμε σημαντικές αλλαγές στην έντασή της ανάλογα με το τμήμα του ουρανού που παρατηρούμε – οποιεσδήποτε ανομοιογένειες είναι της τάξης του 0.1% !

¹ Για να κατασκευάσετε ένα κεκλιμένο επίπεδο, θα χρειαστείτε μια επιφάνεια (π.χ. μια σανίδα) όσο το δυνατόν πιο λεία, την οποία θα βάλετε υπό γωνία ως προς ένα οριζόντιο επίπεδο (π.χ. ένα τραπέζι). Δοκιμάστε να αφήσετε ένα αυτοκινητάκι ή ένα άλλο σώμα (κατά προτίμηση επίσης αρκετά λείο) να κινηθεί από την κορυφή του κεκλιμένου επιπέδου και μετρήστε το χρόνο που χρειάζεται για να φτάσει στη βάση του – αν το κινητό σας διαθέτει χρονόμετρο, μπορείτε να έχετε ικανοποιητική ακρίβεια στις μετρήσεις σας. Αλλάξτε τώρα τη γωνία του κεκλιμένου επιπέδου και επαναλάβετε. Δοκιμάστε ξανά με σώματα διαφορετικής μάζας! Τι παρατηρείτε; Σημειώνουμε εδώ ότι οι παραπάνω οδηγίες δε θα οδηγήσουν σε εκτέλεση του πειράματος με ιδανικές συνθήκες, καθώς με απλά αντικείμενα η συνεισφορά της τριβής θα είναι ενδεχομένως σημαντική.

²  Διάθλαση είναι η αλλαγή στη διεύθυνση διάδοσης ενός κύματος όταν αυτό εισέρχεται σε ένα διαφορετικό μέσο. Στην περίπτωση του φωτός, χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η φαινόμενη ανύψωση αντικειμένων που είναι βυθισμένα π.χ. σε νερό, όπως ένα καλαμάκι που φαίνεται λυγισμένο μέσα σε ένα γεμάτο ποτήρι.

³ Η αποπλάνηση του φωτός είναι η αλλαγή στη φαινόμενη θέση μιας φωτεινής πηγής όταν αυτή βρίσκεται σε σχετική κίνηση με τον παρατηρητή. Δείτε το σχετικό άρθρο στη σελίδα της ομάδας μας! https://2science.gr/questions/aberration/

⁴ Σε μια μάλλον αστεία στιγμή, χρειάστηκε να διώξουν τα περιστέρια από την κεραία και να την καθαρίσουν, χωρίς ωστόσο ο θόρυβος να μειωθεί!