در یکی از راهروهای ساختمان پارنل دانشگاه کوئینزلند استرالیا، پشت یک محفظهی شیشهای، آزمایشی جریان دارد که برای تماشایش باید صبر عجیبی داشته باشید. داخل محفظه، قیفی میبینید که انگار از انتهایش تودهای سیاه و براق خارج میشود.
خلاصه صوتی
خلاصه صوتی، ساختهشده با هوش مصنوعی
اگر یک دقیقه، یک ساعت یا حتی چند روز تمام به صحنه خیره بمانید، متوجه هیچ تغییری نمیشوید. همهچیز کاملاً ثابت و بیحرکت به نظر میرسد. حتی چند ماه هم برای این آزمایش زمان چندان بلندی به حساب نمیآید.
شما در حال تماشای حرکت دهمین قطره از آزمایشی هستید که حدود صد سال پیش آغاز شد و همچنان ادامه دارد؛ آزمایش قطره قیر که از سال ۱۹۳۰ تا امروز، فروافتادن ۹ قطره را ثبت کرده است؛ بله، شاید شکلگیری و سقوط هر قطره بیش از یک دهه زمان ببرد.
و عجیب اینکه دانشمندانی که دههها از آزمایش قطره قیر مراقبت کردند و عمرشان را پای آن گذاشتند، تقریباً همیشه همان چند ثانیهی کوتاهی را که منتظرش بودند، با بدشانسی تمام از دست دادند.
توهم جامد بودن؛ راز مادهای که جریان دارد
اگر تکهای قیر را روی میز بگذارید، هیچ نشانهای از مایعبودن نمیبینید. قیر شکل خودش را حفظ میکند، روی سطح پخش نمیشود و حتی زیر ضربه میتواند ترک بخورد یا خرد شود؛ اما همین ماده در بازههای زمانی بسیار طولانی، رفتار کاملاً متفاوتی را نشان میدهد.
قیر سیالی با ویسکوزیته فوقالعاده بالا محسوب میشود و در دمای اتاق با سرعتی بسیار کمتر از آنچه چشم انسان بتواند دنبال کند تغییر شکل میدهد. مولکولهایش آزادی حرکت یک مایع معمولی را ندارند، اما کاملاً قفل هم نشدهاند؛ بنابراین ماده تحتتأثیر گرانش بهتدریج راه خود را به سمت پایین باز میکند.
قیری که زیر ضربه چکش خرد میشود، در گذر زمان مثل یک مایع رفتار میکند
پس میتوانیم عامل اصلی را ویسکوزیته بدانیم؛ معیاری برای مقاومت یک سیال در برابر جاریشدن. مثلاً براساس دادههای بهدستآمده از همین آزمایش طولانیمدت، ویسکوزیتهی قیر حدود ۱۰۰ میلیارد برابر آب برآورد میشود.
صحنهی افتادن یک قطره آب را در نظر بگیرید و بعد فرض کنید روند زمان را آنقدر آهسته کردهایم که فروافتادن همان یک قطره، بهجای کسری از ثانیه، بیش از دوازده سال طول میکشد.
در نهایت شاید مسئله این نباشد که قیر جامد است یا مایع، لااقل با همان ذهنیتی که در مورد سنگ و آب داریم. رفتار این ماده به بازهای بستگی دارد که فرصت مشاهدهاش را پیدا میکنیم. در طول چند دقیقه چیزی نمیبینیم؛ ولی در طول سالها، جریان خودش را نمایان میکند.
آزمایشی که قرار نبود ۱۰۰ سال طول بکشد
سال ۱۹۲۷ توماس پارنل، نخستین استاد فیزیک دانشگاه کوئینزلند، قصد داشت یک واقعیت علمی ساده را به دانشجویانش ثابت کند. او اصلاً به دنبال راهاندازی پروژهی عظیم تحقیقاتی نبود؛ فقط میخواست با نمایشی آموزشی و جمعوجور نشان دهد مادهای که در ظاهر مثل سنگ، سخت و شکننده به نظر میرسد، میتواند در سکوت جریان پیدا کند.
پارنل مقداری قیر را گرم کرد، آن را داخل یک قیف شیشهای با انتهای بسته ریخت و سه سال تمام به آن دست نزد! او میخواست قیر کاملاً خنک شود، داخل قیف بهخوبی جا بیفتد و حبابهای هوای بهتلهافتاده خارج شوند. بالاخره در سال ۱۹۳۰، پارنل انتهای قیف را برید.
از آن لحظه، آزمایش عملاً به دست گرانش سپرده شد. قرار نبود کسی دکمهای فشار دهد یا هر روز چیزی را اندازه بگیرد؛ کافی بود قیر فرصت داشته باشد تا رفتار واقعیاش را نشان دهد؛ ولی قیر درون قیف هیچ عجلهای برای اثبات تئوری پارنل نداشت، انگار مفهوم فرصت در مقیاس این ماده معنای دیگری پیدا میکرد. چکیدن اولین قطره سالها زمان برد و قطره بعدی هم چندان سریعتر نرسید.
توماس پارنل تنها میخواست یک مفهوم ساده فیزیک را نشان دهد، نه اینکه پروژهای صدساله بسازد
پارنل آنقدر زنده ماند که بفهمد دو قطرهی اول افتادهاند؛ ولی خودش لحظهی سقوط قطرهها را به چشم ندید و هر دو بار را از دست داد.
آزمایشی که با چند وسیله ساده و برای نمایش یک ویژگی فیزیکی شروع شده بود، کمکم از تقویم یک ترم دانشگاهی، بعد از تقویم یک سال و در نهایت از عمر طراحش عبور کرد. پارنل درگذشت، اما محفظه شیشهای و قطره قیر سیاهرنگش، بدون حضور مردی که آغازگر تحقیقات بود به مسیر کُند خود ادامه دادند.
دستگاه نه نتیجه نهایی مشخصی داشت که در تاریخی مشخص به پایان برسد و نه کسی میتوانست بدون خرابکردن اصل آزمایش روندش را تندتر کند؛ ولی سالها بعد، مجموعه قیف و قیر دوباره توجه فیزیکدان دیگری را جلب کرد.
مردی که ۵۲ سال منتظر یک قطره ماند
پس از مرگ پارنل، محفظه شیشهای قیر برای سالها فراموش شد؛ هرچند زمان بهدور از چشم دانشجویان؛ آرامآرام کار خودش را انجام میداد. سال ۱۹۶۱، جان مینستون، فیزیکدان دانشگاه کوئینزلند محفظه را یافت و شیفته این نمایش بیصدای فیزیک شد.
مینستون آزمایش را از انزوای کمد بیرون آورد، در معرض دید عموم قرار داد و مسئولیتی را پذیرفت که احتمالاً خودش هم نمیدانست بیش از نیمقرن ادامه پیدا میکند. از آن به بعد، هر قطره به رویدادی تبدیل شد که ممکن بود سالها منتظرش بمانند و در چند ثانیه از دستش بدهند.
جان مینستون ۵۲ سال مراقب این آزمایش بود اما با بدشانسی تمام، لحظه سقوط را از دست داد
قیر بدون هیچ اعتنایی به برنامهریزیهای انسانی راه خودش را میرفت و اهمیتی به وفاداری مینستون نمیداد. قطره ششم آخر هفته پایین افتاد؛ زمانی که دانشگاه خالی بود و هیچ چشمی تماشایش نمیکرد.
سال ۱۹۸۸ مینستون برای قطره هفتم، عملاً نزدیک دستگاه کشیک میداد، چون قطره به شکلی وسوسهانگیز شکلگرفته بود. روزی در دانشگاه کنفرانسی علمی جریان داشت و مینستون تصمیم گرفت برای چند دقیقه از محل دور شود و نوشیدنی بگیرد. وقتی برگشت، قطره افتاده بود. سالها انتظار و فقط چند دقیقه دیر رسیدن؛ سرنوشت ۵۲ سال وفاداری مینستون چنین رقم خورد.
درست در همان سال ۱۹۸۸، اتفاق مهم دیگری هم افتاد که مینستون و قیر را در تقابلی ناخواسته قرار داد. مدیران ساختمان پارنل تصمیم گرفتند محیط را مدرن کنند و سیستم تهویهمطبوع نصب کردند. انسانها میخواستند محیط اطراف را به کنترل خود درآورند؛ اما این مداخله تکنولوژیک، زمانبندی همهچیز را به هم ریخت.
سرمای کولرها، قیر را خنکتر و ویسکوزیته آن را بهشدت بیشتر کرد و بهتبع نیروی مقاومت ماده در برابر جاذبه بیشتر شد و زمان انتظار برای قطرههای بعدی، از چند سال به بیش از یک دهه افزایش یافت.
درست در لحظه چکیدن قطره هشتم، برق رفت و تکنولوژی هم تسلیم این ماده لجباز شد
با نزدیکشدن به سال ۲۰۰۰ و بلوغ قطرهی هشتم، مینستون دیگر نمیخواست روی شانس و حضور فیزیکی حساب کند، پس سراغ تکنولوژی ثبت تصویر رفت. یک دوربین ویدیویی روی محفظه تنظیم شد تا دیگر هیچ راه فراری برای ماده لجباز باقی نماند؛ اما گویی طبیعت قصد داشت دستاوردهای بشر را دست بیندازد.
درست در همان لحظهای که قطرهی هشتم پس از ۱۲ سال انتظار در حال جداشدن بود، برق قطع شد. دوربین از کار افتاد، صفحهی مانیتورها سیاه شد و زمانی که جریان الکتریسیته برگشت، قطره کف ظرف قرار داشت! یک شکست تمامعیار دیگر برای ناظرانی که حالا خستهتر از همیشه بودند.
ثبت رسمی قطره نهم
فاصله عجیب میانمدت انتظار و مدت اتفاق به آزمایش قطره قیر شخصیت دیگری بخشید. مسئله دیگر فقط اندازهگیری جریان یک ماده نبود؛ ارزش آزمایش با صبرکردن برای لحظهای تعریف میشد که احتمال داشت در خواب، در تعطیلات، هنگام خروج کوتاه از اتاق یا حتی وسط یک قطع برق از دست برود.
آگوست ۲۰۱۳، مینستون از دنیا رفت؛ انگار تایملاین این پدیده، روی فرکانس غیاب تنظیم شده بود. تنها چند ماه بعد، در آوریل ۲۰۱۴، قطرهی نهم چکید و سقوطش رسماً از سوی دانشگاه کوئینزلند اعلام شد.
مینستون درگذشت و چند ماه بعد، قطره نهم در برابر چشم هزاران بیننده فروافتاد
البته ماجرا کمی پیچیدهتر از سقوطهای قبلی پیش رفت، چون قطره نهم مثل قطرههای قبلی داخل ظرف نیفتاد بلکه به قطرههای قبلی کف ظرف رسید و همین تماس بهعنوان پایان چرخه نهم ثبت شد. این بار هیچ مشکلی در کار نبود؛ برق قطع نشد؛ دوربینها روشن ماندند و دهها هزار نفر از سراسر جهان، بهصورت آنلاین این رویداد را تماشا کردند.
در ویدیوی زیر تایملپس سه ساله آزمایش را از آوریل ۲۰۱۲ تا آوریل ۲۰۱۵ مشاهده میکنید.
پخش از رسانه
ویدیوی سقوط قطره نهم، فراتر از یک موفقیت آزمایشگاهی، اندوه مردی را تداعی میکند که تمام زندگیاش را صرف تماشای چیزی کرد که همیشه چند دقیقه، چند ساعت، یا چند ماه از او جلوتر بود. بااینحال آزمایش وارد دور بعدی انتظار شد، انتظاری که همین حالا هم برای قطرهی دهم ادامه دارد.
چرا هر قطره دیرتر از قطره قبلی میافتد؟
اگر بادقت به تاریخ سقوط قطرهها نگاه کنیم، متوجه بینظمی آشکاری میشویم، چراکه فاصله زمانی بین سقوط قطرهها ثابت نیست و هر قطره نسبت به قطرهی قبلی، به زمان بسیار بیشتری برای جداشدن نیاز دارد. قطرههای اول در بازههای ۷ تا ۹ساله افتادند، اما قطرههای اخیر بیش از ۱۲ تا ۱۳ سال زمان بردهاند.
در واقع دو عامل مهم فیزیکی و محیطی دستبهدست هم دادهاند تا سرعت روند سقوط قطره را به شکل چشمگیری کاهش دهند. عامل اول را میتوانیم مداخلهی انسانی و تغییرات دمایی بدانیم. نصب سیستم تهویهمطبوع در ساختمان پارنل در اواخر دهه هشتاد میلادی، دمای محیط را کاهش داد. قیر حساسیت بالایی نسبت به دما دارد و حتی چند درجه خنکتر شدن هوا، گرانروی آن را تصاعدی بالا میبرد.
کاهش دمای محیط و کم شدن وزن قیر داخل قیف، سرعت سقوط قطرهها را به شدت کم کرد
طبق مستندات موزه فیزیک دانشگاه کوئینزلند، همین افت دمای محیط باعث شد تا مقاومت قیر در برابر جاریشدن افزایش یابد و روند سقوط آهستهتر از دهههای ابتدایی پیش برود.
اما عامل دوم که از نظر مکانیکی جذابیت بیشتری دارد، به قوانین پایه فیزیک سیالات برمیگردد؛ یعنی کاهش فشار بهدلیل کمشدن جرم. سال ۱۹۳۰، قیف پر از قیر بود و تمام این جرم فشرده، با نیروی جاذبه به سمت پایین فشار میآورد. این فشار مضاعف، باعث میشد قطرههای اول با سرعت بیشتری به سمت دهانه رانده شوند و شکل بگیرند.
با افتادن هر قطره، بخشی از جرم کلی قیر داخل قیف کم میشود. در نتیجه، وزن ستون باقیمانده کاهش مییابد و نیروی کمتری برای هلدادن قیر به سمت پایین وجود دارد.
رفتار موادی مانند قیر در شاخهای از علم مواد به نام رئولوژی بررسی میشود؛ حوزهای که رابطه میان نیرو، میزان تغییر شکل و زمان را بهویژه در مایعات و جامدات نرم توصیف میکند. همین اصول در طراحی و تولید پلیمرها، مواد صنعتی و حتی مدلسازی حرکت گدازه نیز کاربرد دارند.
مفاهیمی مثل جامد و مایع بودن به متغیر زمان وابستهاند و جهان اطراف ما پر از پدیدههایی است که با سرعتی بسیار کمتر از ظرفیت ادراک بصری ما در جریاناند. ازسویدیگر آزمایش پارنل امکان محاسبه دقیق و برآورد ویسکوزیته فوقالعادهزیاد قیر را فراهم کرد؛ عددی که در کوتاهمدت در هیچ آزمایشگاهی قابلاندازهگیری نبود.
رقابت بر سر طولانیترین رکورد گینس
آزمایش قطره قیر (Pitch Drop) رکورد گینس را برای طولانیترین «آزمایش آزمایشگاهی در حال اجرا» در اختیار دارد؛ ولی وقتی از رکوردها حرف میزنیم، تعریف ما از آزمایش نیز اهمیت پیدا میکند. مثلاً اگر پدیدههای میدانی و فضای باز را هم بهحساب بیاوریم، تست توماس پارنل کنار رقبای سرسختی قرار میگیرد.
در بریتانیا، پروژهای کشاورزی بهنام Broadbalk از سال ۱۸۴۳ کلید خورده و همچنان در حال اجراست. در این پروژه، بخشهای مختلف یک مزرعه گندم طی نسلهای متمادی برای بررسی اثر کودها و مدیریت خاک مقایسه میشوند. مؤسسه تحقیقاتی Rothamsted، این پروژه را بهعنوان طولانیترین آزمایش علمی جهان معرفی میکند.
باوجود ثبت رکورد گینس، آزمایشهای دیگری در کشاورزی و الکترونیک رقیب این قطرهها هستند
برخی هم زنگ الکتریکی آکسفورد را طولانیتر آزمایش علمی جهان میدانند؛ دستگاهی که از سال ۱۸۴۰ میلادی تاکنون بیوقفه زنگ میزند و برآورد میشود تا امروز حدود ۱۰ میلیارد بار به صدا درآمده باشد.
عجیب اینکه هیچکس ترکیب دقیق شیمیایی، تعداد لایهها و مواد بهکاررفته در داخل باتریهای زنگ آکسفورد را با قطعیت نمیداند؛ زیر احتمالاً باز کردنشان دستگاه را از بین میبرد به این آزمایش ۱۸۰ساله خاتمه میدهد.
آزمایشی که احتمالاً از ما هم بیشتر عمر خواهد کرد
انتظارها برای افتادن دهمین قطره آزمایش قیر توماس پارنل ادامه دارد و باوجود تمام گمانهزنیهایی که در گوشهوکنار اینترنت درباره زمان دقیق آن دستبهدست میشود، دانشگاه کوئینزلند هیچ تاریخ رسمی و قطعی برای این پدیده اعلام نمیکند؛ چراکه تجارب پیشین نشان میدهند این ماده هرگز به پیشبینیهای تقویمی انسانها پایبند نمیماند.
بااینحال بررسی روندهای قبلی سرنخهای جالبی به ما میدهد. طبق الگوهای ثبتشده، فاصله زمانی بین سقوط قطره هشتم و نهم حدود ۹ درصد افزایش یافت. اگر همین نرخ رشد را برای قطره دهم هم اعمال کنیم، پروسه شکلگیری و سقوط قطره روی کاغذ حدود ۱۷۵ ماه طول خواهد کشید. پس شاید قطره دهم حوالی دسامبر ۲۰۲۸ (آذر یا دی ۱۴۰۷) پایین بیفتد.
امروز برای تماشای این پدیده نیازی نیست حتماً به استرالیا سفر کنید، چون محفظه پخشزندهی اختصاصی خودش را دارد. میتوانید بهراحتی مرورگرتان را باز کنید و به جمع هزاران نفری بپیوندید که در سراسر جهان منتظر سقوط قطرهی دهماند.
توماس پارنل پروژهای را آغاز کرد که هرگز پایانش را ندید. جان مینستون بیش از نیمقرن از محفظهی شیشهای مراقبت کرد و مهمترین ثانیههای آزمایش را از دست داد. حالا نسل دیگری، سرورها و دوربینها را روشن نگه میدارد تا بالاخره لحظه جداشدن قطره بعدی را ثبت کند.
شاید جذابترین نکته درباره کندترین آزمایش آزمایشگاهی جهان، نتیجه فیزیکی یا محاسبه ویسکوزیته یک سیال نباشد. گاهی طبیعت برای نشاندادن رفتاری ساده به تجهیزات پیشرفته و مفصل ندارد؛ فقط زمانی بیشتر از عمر کسی میخواهد که نخستینبار پرسش را مطرح میکند.
