درگستره اتم   اظهار نظر دوئل کارمند اداره ثبت اختراعات مبنی بر اینکه دیگر چیزی برای اختراع باقی نمانده است، موجی از خشم و عصبانیت، مشابه خشمی که در صورت بروز چنین نظری در این روزگار ایجاد می کند، به وجود نیاورد. در حقیقت در آغاز قرن بیستم بسیاری از دانشمندان واقعا بر این عقیده بودند که گذشته از افزودن چند رقم اعشاری دیگر به دقت ثابت های فیزیکی، دیگر کاری برای انجام دادن وجود ندارد. به نظر می رسید، فیزیک که در حقیقت نقش شاهزاده علم را طی قسمت اعظم این قرن برعهده داشته است، برای کار در زمینه مهندسی برق بسیار مناسب است.

البته لازم به ذکر است که همه بر این عقیده نبودند که به پایان جاده علم رسیده ایم. تعداد کمی از فیزیکدانان عقیده داشتند ممکن است نکات بسیار با اهمیتی در نتایج غیر عادی بعضی از آزمایش های هوشمندانه آنان نهفته باشد. برای مثال، تلاش های انجام شده برای اندازه گیری سرعت زیاد و باورنکردنی نور نشان داد که مقدار آن ثابت است و چه به سمت منبع نور حرکت کنیم و چه از آن دور شویم، سرعت نور بدون تغییر می ماند. این مسئله بسیار مشکل ساز بود.

زیرا ریاضیاتی را که برای توصیف رفتار امواج به کار می رفت، نقض می کرد و نور هم به شکل موج حرکت می کند. مشکل دیگر به نور نشر شده از اجسام با دمای بالا مربوط می شد، چرا که نمی توانستند رنگ نور نشر شده را توجیه کنند.

در آغاز شکاکین از این نابهنجاری ها چشم پوشی می کردند، چرا که بر این عقیده بودند که از عدم دقت در کارهای آزمایشگاهی به وجود آمده است. اما پس از آنکه این آزمایش ها بارها و بارها تکرار شد و نتایج یکسانی به دست آمد، عقاید نگران کننده ای گسترش پیدا کرد. شاید توصیف طبیعت که موجب چنان پیشرفت های عظیمی در قرن نوزدهم شده بود و اقعا کامل نبود و همانند قسمت پیدای یک کوه یخ، فقط نشان دهنده قسمت کوچکی از تمام آن بود.

تلاش های انجام شده برای درک لایه های عمقی تر طبیعت به دو انقلاب بزرگ علمی قرن بیستم، یعنی نسبیت و تئوری کوانتوم منجر شده است. تئوری نسبیت تعبیر تازه ای برای درک ما از ماده، انرژی، فضا و زمان ارائه می دهد. درک مبانی تئوری کوانتومی از آن هم مشکل تر است.

آن قواعدی که در حوزه قابل درک برای انسان معتبر است، در مراکز اتم اعتبار خود را از دست می دهد. ایده هم ارزی ماده و انرژی که در قالب تئوری نسبیت بیان شده است، در نیمه های قرن در سلاح های نظامی و نیروگاه ها به کار گرفته شد. مکانیک کوانتوم نیز، با توجه به کاربردهایش در ترانزیستورها و استفاده ده ها عدد ترانزیستور در رادیو و تلویزیون و میلیون ها عدد از آن در کامپیوترهای شخصی، تأثیر شگرفی بر زندگی روزمره ما داشته است.

لیزر یکی دیگر از فناوری هایی است که از تئوری کوانتوم ناشی شده است. پیش از پایان قرن بیستم به پرکاربردترین ابزار همه ادوار تبدیل شد. از جمله موارد کاربرد بسیار زیاد آن می توان به برش استیل، ضبط موسیقی و اعمال جراحی قلب اشاره کرد.

● نسبیت

اگر به فهرست نام های دانشمندان توجه کنیم، اسمی را در صدر همه این نام ها می بینیم: آلبرت اینشتین. اینشتین در مجامع علمی از اعتبار ویژه ای برخوردار است، چرا که وی با انجام رشته ای از اکتشاف های هوشمندانه، تصور ما از مفاهیم فضا و زمان و ماده و انرژی را تغییر داده است. برای بسیاری از مردم نام وی با یک کلمه که عموما اشتباه نیز درک شده است، گره خورده است: نسبیت.

نسبیت به ما می گوید نحوه کارکرد ظاهری جهان- مواردی مثل اجسام با چه سرعتی حرکت می کنند، زمان با چه سرعتی عبور می کند - به این نکته بستگی دارد که ما در کجا قرار داریم. اگر با سرعتی کاملا نزدیک سرعت نور حرکت کنیم ساعات کند می شود. با سفر به مرکز سیاهچاله، که در آن جرم ستاره رمبش (collapse) یافت است، زمان متوقف می شود.

مشهورترین و در عین حال بدنامترین جنبه تئوری نسبیت، هم ارزی جرم (M) و انرژی (E) است. این هم ارزی در رابطه ای خلاصه شده است که حتی دانشجوی رشته ادبیات هم آن را می داند:

E=MC۲ قسمت وحشتناک داستان این است که ثابتC این دو کمیت را به یکدیگر مربوط می کند. این ثابت سرعت نور یعنی عددی بسیار بزرگ است و هنگامی که در خود ضرب می شود به عدد بسیار بزرگ تبدیل می شود که تقریبا غیر قابل درک است. کافی است فقط چند کیلوگرم جرم در یک آن به انرژی تبدیل شود تا هیروشیما سوخته و به تلی از خاکستر تبدیل شود. اما اگر جرم به آرامی به انرژی تبدیل شود انرژی لازم برای حرکت طولانی مدت یک زیر دریایی در اعماق آب فراهم می شود.

● تئوری کوانتوم

تا سال ۱۹۱۱ چارچوب کلی ساختار اتم مشخص شده بود. قسمت اعظم جرم اتم در مرکز آن که منطقه ای بسیار کوچک است و هسته نام دارد متمرکز بود. اوایل دانشمندان ساختار اتم را به منظومه شمسی کوچکی تشبیه می کردند که هسته دارای بار مثبت، نقش خورشید را برعهده دارد. الکترون ها نیز که ذرات باردار منفی هستند همانند سیاراتی هستند که به گرد خورشید می گردند. این تشبیه برای تصور قلمروی که آنچنان کوچک و غیر قابل مشاهده است، کمک بسیار مؤثری محسوب می شد، اما نمایش کاملا دقیقی از اتم به حساب نمی آمد. گام بزرگ بعدی را نظریه پرداز بزرگ دانمارکی نیلزبور (Niels Bohr) برداشت.

وی ایده های نو ماکس پلانک (Max Plank) فیزیکدان آلمانی را که می گفت انرژی به صورت ذرات مجزا از هم، همانند دانه های شن یک ساعت شنی منتقل می شود و همانند عبور رودخانه به صورت قسمت هایی از یک جریان پیوسته نیست، به دنیای اتم وارد کرد.

در سال ۱۹۱۳ تصور می شد که ابرهای الکترونی، مدارهای ثابتی را اشغال کرده اند و سطوح انرژی ثابتی دارند ، که این سطوح انرژی با جذب یا نشر یک ذره انرژی که فوتون (Photon) نام دارد، تغییر می کند. فیزیکدانانی که ساختار هسته ای را دقیقتر کاویدند، دریافتند که هسته اتم یک جنگل تمام عیار از ذرات زیر اتمی با طول عمر متفاوت جدید سامان یافت. این تئوری فرض می کند که جهان از تعداد کمی ذرات مشخص که کوآرک (quark) نام دارند، تشکیل شده است. بسته به آرایش این ذرات و روش انجام آزمایش ها، کوآرک ها حضور خود را به شکل یکی از این ذره زیر اتمی آشکار می سازند. هم اکنون، مفهومی که مدل استاندارد (Standard Model) نامیده می شود، اغلب (و البته نه همه) اسرار قلمرو کوانتوم را کشف می کند.

طی این روند بود که تمام انواع تجهیزات مفید سربرآوردند: از تصویر برداری مغناطیسی هسته (MRI) که قادر به شناسایی غده سرطانی موجود در قسمت های داخلی بدن است، گرفته تا لیزر که می توان آن را چنان دقیق تنظیم کرد که سلول های سرطانی را از بین ببرد بدون آنکه به بافت های سالم اطراف آن آسیبی وارد کند. علی رغم همه این پیشرفت های عظیم که حاصل شده است، هنوز یک راز ناگشوده باقی مانده است. تئوری نسبیت می تواند دنیای بسیار بزرگ اطراف ما و نحوه عملکرد نیروهای گرانشی در گیتی را به شیوه ای بسیار عالی تشریح کند. تئوری کوانتوم هم برای تفسیر قلمروهای بسیار کوچک، یعنی فواصل درون اتم به کار می رود.

چیزی که هنوز حاصل نشده است و فیزیکدانان امیدوارند طــی آزمایش های قرن بیست و یکم بـه آن دسـت یـابـنـد، تئـوری هـمـه چیــز (Theory of every thing) نام دارد. پاداش عظیم دستیابی به این بینش توانایی استفاده از الکترومغناطیس برای ایجاد گرانش است، همانطور که با کلید می توان چراغ را روشن و خاموش کرد.

پیشرفت های صورت گرفته در زمینه علوم پزشکی طی قرن بیستم مدیون توصیفات غنی و عمیقی است که از دنیای طبیعی توسط زیست شناسان طی ۲۰۰ سال گذشته صورت گرفته است. این مشاهدات عمیق نهایتا منجر به کشف آنتی بیوتیک ها شد، که همانند گلوله ای در مقابل آلودگی ها می مانند و واکسن هایی که عملا فلج اطفال را ریشه کن کردند، شد. بزرگترین شکاف موجود در آگاهی ما از سیستم زنده با کشف DNA، پر شد. با پر شدن این شکاف، زیست شناسان توانستند با ارائه یک نظریه منسجم چگونگی تشکیل و عملکرد حیات را شرح دهند.