اتم

به یاد نمی‌آورم نخستین باری که اتمی دیدم چه زمانی بود، اما نخستین باری که آن‌ها را در کلاس علوم مطالعه کردیم را به‌خوبی به یاد دارم؛ و مرا مسحور خود کردند. پیچیدگی‌شان در نقاشی‌هایی که به ما نشان می‌دادند، و اینکه چگونه می‌توانستند به هم بپیوندند و ترکیبات را بسازند، مرا بر آن داشت که بیشتر بدانم: دربارهٔ آن‌ها، جایگاهشان در جدول تناوبی، ذره‌هایشان، و حتی دربارهٔ اینکه چگونه برای تولید انرژی خانه‌های ما استفاده می‌شدند، بسیار خواندم.

مدت‌ها بعد برنامه‌نویسی یاد گرفتم، و خواستم آنچه را در کلاس‌ها و کتاب‌ها آموخته بودم بازتاب دهم. می‌خواستم اتمی بسازم، آن را در حال حرکت ببینم، هر یک از اجزایش را واقعی به نظر برسانم؛ آن‌ها را ترکیب کنم و شاید چیزی بزرگ‌تر در یک شبیه‌ساز بسازم. اما اتفاقی غیرمنتظره افتاد: دیگر جوانی کنجکاو نبودم، بلکه بزرگ‌سالی با شیوهٔ تفکری متفاوت بودم. پس از نو شروع به پژوهش کردم. و نتیجه شگفت‌انگیز بود: پس از سال‌ها خواندن کتاب دربارهٔ این موضوع، تنها چند ساعت تفکر انتقادی کافی بود تا جزئیاتی را که پیش‌تر ندیده بودم، آشکار کند.

اگرچه روایت‌ها بسیار متفاوت‌اند، تقریباً همهٔ آن‌ها به دوران باستان بازمی‌گردند و بسیار شبیه این روایت‌اند:

«می‌گویند نخستین مطالعات دربارهٔ اتم‌ها به دوران باستان بازمی‌گردد، هنگامی که دانش‌پژوهان کنجکاو در پی آن بودند که هر چیز را به چند بخش می‌توان تقسیم کرد. پس از مطالعات طولانی به این نتیجه رسیدند که اشیا را تنها تا حدی می‌توان تقسیم کرد، به‌طوری که در پایان قطعاتی چنان کوچک و نامحسوس باقی می‌ماند که آن‌ها را اتم نامیدند.»

برای درک این ایده، تصور کنید بی‌نهایت بی‌حوصله‌اید و هر چیز قابل‌تقسیمی را برمی‌دارید —یک خلال دندان، یک برگ، یک تکه میوه— و آن را نصف می‌کنید. و دوباره. و دوباره… تا جایی که دیگر نتوانید. و بفرمایید: اتمی به دست آوردید! …یا دست‌کم ایده این‌گونه بود.

اگر می‌توانستیم زمان را متوقف کنیم و به همین روایت بسنده کنیم، می‌توانستم شبیه‌ساز خود را بدون دردسر بسازم: کافی بود سیبی را به دو نیم، به سه نیم… تقسیم کنم، حدی تعیین کنم و تمام. اما این تنها آغاز داستان بود.

آنچه در ادامه می‌آید، محصول جانبی مطالعه‌ای عمیق دربارهٔ حقایق و کشفیات تاریخی است که به‌تدریج آنچه را امروز اتم می‌نامیم شکل دادند.

در آغاز قرن نوزدهم، شیمی‌دانی بریتانیایی به نام جان دالتون، در نبود جدول تناوبی و نمادهایی برای نمایش عناصر شیمیایی، سامانهٔ نمایش گرافیکی خود را خلق کرد. او اساساً فهرستی از عناصر شناخته‌شده —طلا، نقره، کربن، اکسیژن…— تهیه کرد و کنار هر یک دایره‌ای با طرحی متفاوت در درون آن کشید تا بتواند آن‌ها را از هم تشخیص دهد.

دالتون اتم‌ها را کره‌های ریز، جامد و تقسیم‌ناپذیر تصور می‌کرد که معمولاً آن‌ها را «ذره‌های نهایی» می‌نامید؛ چیزی شبیه حد نهایی ماده، جایی که دیگر نمی‌توان آن را تقسیم کرد. کار او توانست، یک‌بار برای همیشه، مفهوم انتزاعی اتم را با آزمایش‌های شیمیایی پیوند دهد، به همین دلیل او را در طول تاریخ پدر نظریهٔ اتمی می‌شناسند.

تقریباً یک قرن بعد، دانشمند بریتانیایی دیگری به نام جوزف جان تامسون، در تلاش برای تبیین ماهیت پرتوهای کاتدی، استدلال کرد که آن‌ها از ذره‌های ریزی تشکیل شده‌اند که الکتریسیته حمل می‌کنند. برای توضیح اینکه این ذره‌ها از کجا می‌آیند، استدلال کرد که آن‌ها درون اتم‌ها زندگی می‌کنند، چیزی شبیه کشمش‌های درون یک پودینگ، و حتی نظریه‌ای اتمی بر پایهٔ همان پودینگ کشمشی ساخت.

شایان ذکر است که تامسون هرگز حتی یکی از آن ذره‌ها را به جهان نشان نداد: او آن‌ها را از آزمایش‌هایش استنتاج کرد، آن‌ها را ندید. با این حال، این ایده در سال ۱۹۰۶ جایزهٔ نوبل را دریافت کرد و به‌عنوان یک واقعیت حک شد. از آن پس، اتم دیگر یک فرضیهٔ متواضعانه نبود و به چیزی تبدیل شد که هیچ‌کس جرئت زیر سؤال بردنش را نداشت. این رویدادها قواعد بازی را برای دانشمندان آن دوران به‌کلی تغییر داد و اتم و نظریه‌هایش را به سکوی پرشی مطمئن به‌سوی موفقیت بدل کرد.

سال‌ها بعد، دانشمندی نیوزلندی به نام ارنست رادرفورد نیز پژوهش‌های خود دربارهٔ رادیواکتیویته را به اتم‌ها پیوند داد و استدلال کرد که آن‌ها ایستا نیستند مانند پودینگ تامسون، بلکه چیزی بسیار شبیه یک منظومهٔ شمسی کوچک‌مقیاس‌اند. او همچنین قطعه‌ای جدید افزود —هسته‌ای بسیار ریز که تقریباً تمام جرم در آن متمرکز بود— و بر پایهٔ آن نظریهٔ اتمی جدیدی ساخت.

مدل جدید سیاره‌ای اتم چیزی شبیه هسته‌ای بسیار کوچک و با بار مثبت بود که ذره‌های با بار منفی (الکترون‌ها) به دور آن می‌چرخیدند و نوعی سامانهٔ مداری را می‌ساختند. قطعهٔ سوم، نوترون، هنوز پدیدار نشده بود: تا سال ۱۹۳۲ ظاهر نشد. رادرفورد به پاس پژوهش‌هایش دربارهٔ مواد رادیواکتیو، در سال ۱۹۰۸ جایزهٔ نوبل را دریافت کرد.

تقریباً هم‌زمان با موفقیت رادرفورد، جوانی دانمارکی به نام نیلز بور، در تلاش برای اصلاح خطاهای مدل سیاره‌ای اتم، سطوح مداری، سطوح انرژی، جهش میان مدارها و حتی گسیل و جذب نور را — که آن را موج الکترومغناطیسی می‌پنداشت — به آن افزود. بور با کارش آنچه را که پیش‌تر نقشه‌ای نظری برای تبیین برخی پدیده‌ها بود، به چیزی بدل کرد که برای فهمیدنش باید تخته‌سیاه‌ها را پر می‌کردی. نیلز بور در نتیجهٔ سهمش در ساختار اتم‌ها، در سال ۱۹۲۲ جایزهٔ نوبل را برد.

آنچه پس از بور آمد، فهرستی تقریباً بی‌پایان از ذهن‌های درخشان بود. همهٔ آن‌ها نظریه‌هایی هرچه دیوانه‌وارتر دربارهٔ اتم‌ها —هرگز پیش از آن دیده‌نشده— افزودند و دستگاه ریاضی خود را تا سطوحی نجومی رشد دادند. راستش را بخواهید، پس از ساعت‌ها خواندن دربارهٔ این موضوع، نگاه کردن به هر مدل اتمی مانند نگاه کردن به سورتمهٔ بابانوئل بود: چیزی که به‌شکلی افراطی تبلیغ شده بود اما هیچ‌کس هرگز نتوانسته آن را ببیند.

با توجه به اینکه مدل‌های اتمی نقشه‌ای خیالی هستند، پرسشی صادقانه‌تر مطرح می‌شود: آیا تا به حال چیزی شبیه اتم دیده شده است؟ پاسخ کوتاه ناراحت‌کننده است: به این بستگی دارد که از دیدن چه منظوری داریم.

برای توضیح بهتر، تصور کنیم به سیبی نگاه می‌کنیم: نور از سطح آن بازتاب می‌یابد، به ما می‌رسد و تصویرش را در چشمان ما می‌سازد. اما در زیر حدود ۲۰۰ نانومتر این ترفند دیگر کار نمی‌کند: نور معمولی دیگر تصویری از آنچه وجود دارد بازنمی‌گرداند؛ به نظر می‌رسد بدون ترسیم آن، از کنارش می‌گذرد و به راه خود ادامه می‌دهد، گویی آن چیز شفاف است. تنها نوری بسیار خاص —فوق‌العاده شدید، مانند نوعی که در شتاب‌دهنده‌های بزرگ ذرات تولید می‌شود— توانسته به آن مقیاس نزدیک شود، و با این حال آنچه ارائه می‌دهد نه عکس، بلکه الگوهاست: سایه‌نماها و سایه‌ها.

علم، با استفاده از هر فناوری در دسترسش، به‌طرزی شگفت‌انگیز پیش رفته است: می‌تواند سایه‌نماهای محو را مکان‌یابی کند، آن‌ها را بشمارد، یکی‌یکی مرتبشان کند، میدان الکتریکی را در مقیاس‌هایی باورنکردنی کوچک اندازه بگیرد. اما هر یک از این دستاوردها اندازه‌گیری‌ای است که لباس تصویر پوشیده، نه یک نگاه مستقیم. آنچه امروز «عکسی از اتم‌ها» می‌نامیم، همچنان یک نقشه است —بسیار بهتر از نقشهٔ تامسون یا بور، اما در نهایت نقشه‌ای بیش نیست—. و باید آرام و بدون هیجان گفت: ردّ آن را با دقتی خارق‌العاده اندازه گرفته‌ایم؛ اما دیدنشان، به معنای ساده‌ای که سیبی را می‌بینیم، هنوز نه. و همین موضوع تقریباً برای هر چیز بسیار کوچک یا بسیار دور نیز صادق است.

فرضیه‌ای تقریباً دور از ذهن، اما حیاتی: اگر با وجود بعیدبودنش، تصمیم می‌گرفتیم اتم را یک‌جا حذف کنیم، هر یک از مدل‌هایش را از کلاس‌های درس و از تک‌تک شاخه‌های دانش پاک کنیم، چه اتفاقی می‌افتاد؟

نخستین چیزی که رخ می‌داد، آشوبی کامل در کلاس‌ها و آموزش بود. کتاب‌های درسی می‌بایست بازنویسی می‌شدند و بیش از ۲۰۰ سال تاریخ پاک می‌شد. میلیون‌ها صفحه پر از «حفره‌های» مفهومی، واژه‌های خط‌خورده یا اصطلاحات ممنوعه می‌شد که متون را کاملاً ناخوانا می‌کرد. معادلات شرودینگر، ساختارهای لوئیس و نمودارهای پیوند مولکولی فاقد یک پیش‌فرض بنیادی می‌شدند و به خط‌خطی‌هایی بی‌معنا بدل می‌شدند. پایان‌نامه‌های کاملی که به فناوری نانو، فیزیک هسته‌ای یا زیست‌شیمی اختصاص داشتند، یک‌باره باطل می‌شدند.

علم، از سوی خود، متوقف نمی‌شد: به دنبال راه‌های دیگری —ریاضی، فلسفی— می‌گشت تا آنچه را که اتم پیش‌تر توضیح می‌داد، تبیین کند. زیرا جهان همچنان از همان چیز ساخته می‌شد. ما تنها نقشه را پاک کرده بودیم، نه سرزمین را.

هرقدر هم که بعید به نظر برسد، پشت همهٔ این تلاش —و هزاران نفری که تمام زندگی خود را وقف ترسیم بهتر اتم کرده‌اند— شرط‌بندی‌ای نهفته است: کاوش در اینکه ماده در سطحی عمیق‌تر از چه ساخته شده، جهانی سرشار از امکانات را نوید می‌دهد.

تبدیل عناصر شیمیایی می‌تواند شدنی شود. راکتورهای هسته‌ای هم‌اکنون عناصری مانند اورانیوم را به پلوتونیوم و سزیم تبدیل می‌کنند. بمباران عناصر سبک‌تر با ذرات نیز می‌تواند آن‌ها را به عناصر سنگین‌تر تبدیل کند. با این حال، هر یک از این تبدیل‌ها بسیار پرهزینه و غیرعملی است و علاوه بر آن، مقادیر بسیار ناچیزی به دست می‌دهد. همهٔ این‌ها چیزی است که می‌تواند تغییر کند اگر فرایند را بهتر می‌فهمیدیم و می‌توانستیم آن را در سطحی پایین‌تر کنترل کنیم.

به شوخی بگوییم، می‌توانستیم سنگ‌ها را به طلا یا الماس تبدیل کنیم، بانک‌ها را پر کنیم و سپس دوباره آن‌ها را به سنگ برگردانیم؛ و حتی فراتر برویم و عناصر شیمیایی جدیدی با ویژگی‌های جدید بسازیم: موادی که با گرانش مقابله می‌کنند، ابررساناهایی در دماهای بالا… داستانی بی‌پایان.

جایزهٔ دوم هم‌اکنون روشن است، و نه در آزمایشگاه بلکه در خانهٔ شما: بخش قابل‌توجهی از برق جهان از تلاشی عظیم می‌آید که به همهٔ ما امکان بهره‌مندی از آن را می‌دهد. درک بهتر ماده می‌تواند راه‌هایی برای تولید انرژی که هنوز نمی‌شناسیم بگشاید، بسیار بهتر و کارآمدتر از راه‌های کنونی. البته بدون نادیده گرفتن امکان استفاده از آن برای مقاصد غیرصلح‌آمیز، که در طول تاریخ نتایجی تراژیک به بار آورده است.

اما همه‌چیز به تراژدی منجر نمی‌شد. پشت این پژوهش‌ها امید بهبود فناوری‌هایی مانند تصویربرداری رزونانس مغناطیسی هسته‌ای نهفته است که برای تشخیص بیماری‌ها ضروری است؛ یا یافتن راه‌های جدیدی برای پردازش اطلاعات که می‌تواند رایانه‌های آینده را به مرزهایی غیرقابل‌تصور برساند. و بی‌گمان بلندپروازانه‌ترین و خیالی‌ترین هدف از همه، هدفی کهن رخ می‌نماید: فهمیدن اینکه زمان چیست و شاید، کنترل آن.

همهٔ این‌ها توضیح می‌دهد چرا بسیاری هرگز قلم را زمین نمی‌گذارند و به پژوهش ادامه می‌دهند. اگر نقشه‌ای چنین محو و خیالی مانند اتم توانسته ما را تا اینجا برساند، اگر می‌توانستیم ماده را در پایین‌ترین سطحش بفهمیم و کنترل کنیم، تا کجا پیش می‌رفتیم؟

در پایان، شبیه‌سازم چیزی جز یک تلاش ساده نماند. همان‌طور که حدس زده‌اید، شبیه‌سازی یک اتم روی رایانه مانند تلاش برای گرفتن پروانه‌ها با چشم‌بند بود. با این حال، همهٔ این‌ها مرا نه‌تنها به علاقه‌مندی به اتم‌ها و مدل‌های خیالی‌شان کشاند، بلکه به رویارویی با کل جهانی از دانش رهنمون شد که زمانی مسحورمان کرده بود و که، در عمق، تعداد کمی از ما واقعاً آن را می‌شناسیم.