اواخر قرن هجدهم، در سال‌های منتهی به انقلاب کبیر فرانسه، آنتوان لاوازیه، مشهور به پدر علم شیمی که بعدها اعدام انقلابی شد، در یادداشتی نوشت: «اگر زمین به منطقه بسیار سردی مثلا جایی نزدیک مدار مشتری منتقل شود، آنگاه آب رودخانه‌ها و اقیانوس‌ها به کوه‌های یخ تبدیل می‌شود. هوا به صورت گاز نامرئی باقی نمی‌ماند بلکه به حالت مایع درمی‌آید. در این دما مایعات جدیدی به وجود می‌آید که ما چیزی درباره آنها نمی‌دانیم.» صد سال از این سخنان پیامبرانه گذشته بود، اما هنوز خبری از این «مایعات جدید» نبود. همه تلاش‌های شیمی‌دانان و فیزیک‌دانان تجربی به بن‌بست خورده‌بود. در چنین شرایطی در آستانه کریسمس سال ۱۸۷۷، جمع زیادی از پژوهشگران فرانسوی در محل آکادمی علوم پاریس، دور هم جمع شده‌بودند تا سخنرانی مهمی را از زبان مهندس معدنی از اهالی شایتون فرانسه بشنوند…
در قرن نوزدهم میلادی مسابقه بزرگی بین فیزیک‌دانان و شیمی‌دانان بزرگ عصر درگرفته بود؛ مسابقه‌ای برای رسیدن به مایعات جدید با سردکردن گازهای گوناگون. در این بین هرکس که به روش بهتری برای رسیدن به دماهای پایین‌تر دست می‌یافت، می‌توانست گازهای بیشتری را به مایع تبدیل کند.
نخستین قهرمان این مسابقه کایته (Louis Paul Cailletet) بود؛ مهندس معدن فرانسوی. او دستگاهی برای میعان گازها تحت فشار ابداع کرده‌بود و برای اولین گام سراغ استیلن رفت. استیلن را تحت فشار ۶۰ اتمسفر (۶۰ برابر فشار جو در سطح دریا) قرار داد. اما قبل از رسیدن به این فشار، مخزن اصلی که گاز در آن تحت فشار بود، سوراخ شد و گاز خارج شد. کایته که درحال نگاه کردن به لوله شیشه‌ای حاوی استیلن بود، پیش از سوراخ شدن مخزن متوجه مه رقیق شد. آزمایش را دوباره تکرار کرد و از میعان استیلن مطمئن شد. وقتی خاطرش از روش ابداعیش برای میعان گازها تحت فشار جمع شد، سراغ مساله اصلی رفت: «میعان اکسیژن». کایته با این روش توانست در منفی ۲۹ درجه سانتی‌گراد و با فشار ۳۰۰ اتمسفر، اکسیژن مایع به دست آورد.
در آن روزهای پایانی سال ۱۸۷۷ در محل آکادمی علوم پاریس، درحالی که کایته در اجتماع دانشمندان بزرگ فرانسوی در حال شرح روش و دستاورد خود بود، تلگرافی به دست دبیر جلسه رسید. دبیر آکادمی پس از پایان سخنرانی کایته بالا رفت و متن تلگراف یک فیزیکدان سوئیسی را قرائت کرد:
«امروز اکسیژن در فشار ۳۲۰ اتمسفر و دمای منفی ۱۴۰ درجه سانتی‌گراد، به حالت مایع درآمد.»
امضا: رائول پیکته (Raoul-Pierre Pictet)
حالا، مسابقه برای رسیدن به پیش‌بینی لاوازیه، شروع شده‌بود. روش پیکته با روش کایته متفاوت بود. پیکته از چندین چرخه پیاپی (پلکانی) استفاده کرده‌بود تا دما را به منفی ۱۴۰ درجه سانتی‌گراد برساند. اما هدف کایته و بسیاری دیگر از مهندسان در آن زمان ساخت دستگاهی بود که بتواند به‌طور مستقیم دما را کاهش دهد. کاربرد اصلی چنین دستگاهی در کشتی‌هایی بود که باید گوشت منجمد را از استرالیا به اروپا منتقل می‌کردند تا خوراک جمعیت روزافزون آن زمان اروپا را تامین کنند. تنها یک هفته بعد از نمایش جالب میعان اکسیژن در آکادمی علوم فرانسه، کایته در زمان تعطیلات سال نو، اعلام کرد که نیتروژن را مایع کرده‌است. به این ترتیب هوا که ترکیب نیتروژن و اکسیژن است، به حالت مایع درآمده‌بود.
آزمایش‌های کایته تاثیر زیادی روی یک دانشمند لهستانی با نام زیگموند ربلوسکی (Zygmunt Florenty Wróblewski) گذاشت. در آن زمان دانشگاه قدیمی یاجیلونین در شهر کراکو به خاندان هابسبورگ تعلق داشت. به این ترتیب اصل و نسب آلمانی ربلوسکی، صرف نظر از نام لهستانیش، تاثیر زیادی بر عضویت او در هیات علمی این دانشگاه داشت. او به محض پایان یافتن تحصیلاتش برای تدریس به این دانشگاه آمد و در دانشکده شیمی به کسی برخورد کرد که او نیز مانند خودش در دهه سوم عمرش بود. این شخص الشوسکی (Karol Olszewski) نام داشت و به میعان گازها علاقه‌مند بود، اما تجهیزاتش بسیار ناقص و قدیمی بودند.
ربلوسکی دست به کار شد و پیشرفته‌ترین دستگاه‌ها را به موسسه مشهور ابزارسازی دوکرته در پاریس سفارش داد. در ۱۸۸۳ با استفاده از روش کایته، اکسیژن مایع به آرامی در داخل دستگاه آنها می‌جوشید. آنها با اصلاح تجهیزات کایته اکسیژن مایع را به حالت پایدار درآورده بودند.
همکاری ربلوسکی و الشوسکی ۶ ماه بیشتر طول نکشید. هرچند مقاله چاپ شده در «سالنامه فیزیک و شیمی» به نام هر دو آنها است، اما آنها دچار اختلاف شدند. ربلوسکی دوباره به دانشکده فیزیک برگشت و الشوسکی هم به کارهایش در دانشکده شیمی ادامه داد. درحالی که هر دو به یک موضوع یعنی «میعان گازها» علاقه‌مند بودند، اما مثل دو قطب آهنربا از هم دوری می‌کردند.
پنج سال بعد، در یکی از شب‌هایی که ربلوسکی تا دیروقت درحال کار در آزمایشگاه بود، چراغ نفتی روی میزش واژگون شد و شراره‌های آتش، او را در کام خود کشید. امروزه یادداشت‌های نیمه سوخته او در تالار قدیمی دانشگاه یاجیلونین در معرض دید همگان است. در محلی نه چندان دورتر در همان تالار، یادداشت‌های طلبه بلندآوازه‌ای قرار دارد که چهارصد سال پیش از او در این مکان می‌زیست؛ نیکولاس کوپرنیکوس.
به این ترتیب، در سال‌هایی که به قول لاپلاس، دیگر چیز بنیادی برای کشف‌کردن باقی نمانده‌بود و باید کرکره فیزیک نظری را پایین می‌کشیدند (اینجا را بخوانید) مسابقه برسر تولید «مایعات جدید» تبدیل به یک رقابت جدی در سراسر اروپا شد و دانشگاه‌ها و دانشکده‌های شیمی و فیزیک و مهندسی بر سر کسب چنین عناوینی رقابت می‌کردند.
بین سال‌های ۱۸۹۲ تا ۱۸۹۴ کامرلینگ اونز (Heike Kamerlingh Onnes) فیزیکدان تجربی بزرگ هلندی، با استفاده از چرخه‌های پیاپی سرماسازی، متیل کلراید، اتیلن و اکسیژن را در فشارهای مختلف، به حالت مایع درآورد. تاسیسات او در دانشگاه لیدن، برجسته‌ترین نمونه دستگاه‌های سرماسازی دنیا در آن زمان بودند که تا سال ۱۹۲۶ هم به کار ادامه دادند. از این زمان (اوایل دهه ۱۸۹۰) تا اواسط دهه ۱۹۳۰، این آزمایشگاه مشهورترین پژوهشگاه دنیا در زمینه فیزیک دماهای کم بود که سرانجام یک نوبل هم به‌خاطر کارهای اونز در کشف پدیده ابررسانایی دریافت کرد.
در واپسین سال‌های قرن نوزدهم، دو هدف جدی سر راه سرماسازان قرار داشت. گام اول «میعان هیدروژن» بود. اونز پس از میعان این گازها به سراغ هیدروژن رفت. پیش‌از این، کایته، پیکته، ربلوسکی و الشوسکی هر کدام جداگانه ادعا کرده‌بودند که هیدروژن را مایع کرده‌اند اما ثابت شده‌بود که همگی اشتباه کرده‌اند.
به موازات پیشرفت‌های آزمایشگاهی، پژوهش‌های نظری درباره گازها و مایعات درحال پیشرفت بود. نتایج کارهای دانشمند نظریه پرداز هلندی، یوهانس واندروالس (Johannes Diderik van der Waals) در سال ۱۸۷۲ در ۳۵ سالگی، در زمینه پیوندهای بین مولکولی منتشر شده‌بود که دستاوردهای تجربی اخیر، آنها را تائید می‌کرد. ماکسول در توصیف واندروالس جوان در مجله نیچر در سال ۱۸۷۳ چیزی به این مضمون نوشت: «زود باشد که این واندروالس، آتش در خرمن سوختگان علوم مولکولی زند!» طبق این نظریه او، دمای میعان هیدروژن باید ۳۰ کلوین (منفی ۲۰۷ درجه سانتی‌گراد) می‌بود درحالی که کمترین دمای قابل دسترسی در آن زمان ۵۵ کلوین (منفی ۱۸۲ درجه سانتی گراد) بود.
سال ۱۸۹۵ هامپسون (William Hampson) از انگلیس و لینده (Carl von Linde) از آلمان، جداگانه ولی همزمان به روش جدیدی برای میعان گازها رسیدند. سیستم طراحی‌شده توسط آنها ساده بود و با استفاده از چند چرخه پیاپی به دماهای پایین دسترسی پیدا می‌کردند. این سیستم تبدیل به استاندارد سرماسازی شد.
در اوایل سپتامبر ۱۸۹۴ تایمز چاپ لندن مقاله‌ای از سر جیمز دوار (Sir James Dewar) استاد دانشگاه کمبریج چاپ کرد با موضوع «میعان هیدروژن». دوار که مشهورترین کارش اختراع فلاسک (برای حفظ دمای مایعات) است، آن زمان ۵۲ سال داشت. دوار حالا به جمع شرکت‌کنندکان مسابقه سرماسازی پیوسته بود.
مردی کوتاه قامت با استعداد فوق العاده، با مهارت تجربی بالا و خلق‌وخوی هنرمندانه، اینها ویژگی‌های شوالیه دانشمند بریتانیای کبیر، پروفسور سر جیمز دوار بود. او هفتمین پسر یک مهمان‌خانه‌دار اسکاتلندی بود که مهارت در کارهای دستی و تجربی را به خاطر کار در دوران نوجوانی پیش یک نجار ویولن ساز کسب کرده‌بود. دوار فارغ‌التحصیل دانشگاه ادینبورو در رشته شیمی و عضو برجسته انستیتو پادشاهی بریتانیای کبیر بود. او اولین کسی بود که اکسیژن را در انگلستان مایع کرده‌بود و به‌طور مداوم پیگیر پیشرفت‌های فیزیک دمای سرد در اروپا بود. به خاطر کارهای او واژه‌ای جدید به واژگان علمی اضافه شد، که کریوستات (از منشاء یونانی Cryos= سرد) که برای فلاسک نگهداری مایع در دمای پایین و کریوژنیک برای هنر تولید سرما به‌کار می‌رود.
ایده دوار مخلوط کردن ۸۰ درصد حجمی هیدروژن با ۲۰ درصد حجمی نیتروژن بود تا بتواند دمای میعان هیدروژن را بالا بیاورد و به حد توانایی دستگاه‌ها برساند. مقاله تایمز با این جملات آغاز می شود: «سرجیمز از اعلام اینکه هیدروژن مایع را در فلاسک خلاء خود به‌طور پایدار تولید کرده، پرهیز می‌کند و اظهارنظر قطعی در این خصوص که جز هیدروژن مایع چه چیز دیگری می‌تواند در فلاسک باشد، نامیسر است.»
در شماره فوریه ۱۸۹۵، مجله «فیلوسوفیکال مگزین» مقاله‌ای از الشوسکی در ۲۵ صفحه چاپ کرد که تمام کارهای انجام شده توسط او به زبان انگلیسی گردآوری شده‌بود. او در مقدمه این مقاله آورده بود: «به دو علت ترجمه انگلیسی کارهایم را در اختیار خوانندگان می‌گذارم: اول آنکه کارهایم در نشریات متعدد و به زبان‌های گوناگون ترجمه شده بنابراین خواننده انگلیسی زبان ممکن است نتواند به همه آنها دسترسی داشته‌باشد و دوم اینکه مدتی است که شخصی به اسم «دوار» کارهایم را بدون ذکری از نام من تکرار کرده‌است!»
می‌توان گفت که دلایل الشوسکی مخصوصا دلیل دوم تا حدودی غیرعقلانی و ناعادلانه است. چون مدارک ثبت‌شده نشان می‌دهد که دوار در بعضی از کارها جلوتر از الشوسکی بوده و غیرعقلانی چون الشوسکی زبان زهرآگین دانشمند اسکاتلندی را دست کم گرفته‌بود. اولا دوار در مقاله سال ۱۸۸۶ خود در مورد شهاب‌سنگ‌ها به‌طور مبسوط به کارهای الشوسکی پرداخته بود. اما نکته دوم و جالب‌تر نامه جوابیه دوار بود: «شخصا از دیدن چاپ انگلیسی مقالات پروفسور الشوسکی خوشحال شدم. با اعتمادی که به ویراستاران فیلوسوفیکال مگزین دارم خواستار چاپ مجدد مقالات پروفسور ربلوسکی هستم تا دعاوی پروفسور الشوسکی در مورد پیشکسوتی، مورد قضاوت جامعه علمی قرار گیرد.» دوار ضربه را به‌جای حساس وارد کرده بود!
دوار بالاخره توانست در ماه مه ۱۸۹۸، ۲۰ سی‌سی هیدروژن مایع تولید کند. اندازه‌گیری‌ها نشان می‌داد که چگالی ماده مایع‌شده با چگالی مورد انتظار هیدروژن کاملا هم‌خوانی دارد. دوار می‌خواست بداند که دمایی که به آن رسیده چقدر است. اما دماسنج الکتریکی (ترموکوپل) که روی دستگاه سوار بود، عدد مضحکی را نشان می‌داد و ظاهرا از کار افتاده‌بود. به‌نظر می‌رسد که دوار به مرز جدیدی از قوانین طبیعت رسیده بود که از آنها سر در نمی‌آورد، نزدیکی به صفر مطلق و ابررسانایی!
ترموکوپل دمای ۳۵ درجه کلوین (منفی ۲۰۲ درجه سانتی‌گراد) را نشان می‌داد. درحالی که از نظریه عدد کمتری برای دمای میعان گاز هیدروژن به دست می‌آمد. بالاخره دوار کلافه شد و به سراغ دماسنج‌های گازی رفت. او با استفاده از دماسنج هیدروژن رقیق، عدد ۲۰ کلوین (منفی ۲۱۷ درجه سانتی‌گراد) را استخراج کرد. دوار سال‌های بعد به بهینه‌کردن دستگاهش پرداخت و توانست تا منفی ۲۲۵ درجه سانتی‌گراد پایین بیاید. او در آن زمان توانست هیدروژن را به حالت جامد هم دربیاورد. حالا آخرین پله و آخرین گاز مایع‌نشده باقی مانده‌بود: «گاز نجیب هلیوم».
هلیوم سال ۱۸۷۱ کشف شد. لرد کلوین (William Thomson, 1st Baron Kelvin) با جمع‌بندی کارهای کیرشهوف، بونسن، یانسن، فرانک و لاک‌یر در زمینه طیف‌سنجی گاز رقیقی که در تاج خورشید پیدا شده‌بود، در انجمن پادشاهی کشف هلیوم را اعلام کرد. حالا چهار نفر در راند آخر مسابقه سرد برای میعان هلیوم باقی‌مانده‌بودند: رمزی از انگلستان، سرجیمز دوار، الشوسکی و کامرلینگ اونز. آنها با روش‌های مختلف تا دمای ۹ کلوین (منفی ۲۲۸ درجه سانتی گراد) رسیده‌بودند اما هلیوم همچنان به صورت گاز باقی مانده‌بود. کارهای نظری عددی بین ۵ کلوین تا ۶ کلوین را نشان می‌داد. به‌نظر می‌رسید که با دستگاه‌های فعلی که همگی از ایده کایته استفاده می‌کردند، رسیدن به این دما عملا غیرممکن باشد.
ده سال طاقت‌فرسا از زمان میعان هیدروژن می‌گذشت و هیچ نتیجه‌ای حاصل نشده‌بود. در ژوییه ۱۹۰۸ دوار مقاله‌ای با عنوان «نقطه حضیض دما» منتشر کرد و دشواری‌ها و رنج و عذاب‌هایی را که در این راه پیش رو داشت را مفصلا تشریح کرد و در پایان گفت که با داشتن ۱۰۰ تا ۲۰۰ لیتر هلیوم گازی خالص، خواهد توانست هلیوم مایع تولید کند. اما در زیر آن مقاله در پانوشت سردبیر، این جمله ذکر شده‌بود: «پروفسور کامرلینگ اونز در تاریخ ۹ جولای ۱۹۰۸ هلیوم را مایع کرد.» این جمله داغ‌ترین مسابقه سرد تاریخ علم بشری را پایان داد؛ برنده کامرلینگ اونز از دانشگاه لیدن هلند.
سکانس پایانی نمایش در دانشگاه لیدن می‌گذرد. دانشمندی که در ۲۹ سالگی در سال ۱۸۸۲، کرسی استادی این دانشگاه را به‌دست آورده‌بود، نجیب‌زاده‌ای از خاندان اونز در خرونینگن در شمال هلند بود. کارهای او از زمان شروع مسابقه سردسازی و مایع‌سازی گازها تا پایان نشان می‌دهد که تلاش‌های عظیم او در مقایسه با دیگران به دویدن لاکپشتی می‌ماند که سرانجام مسابقه را از خرگوش‌ها برده‌بود. او در نخستین گام، آزمایشگاه‌هایش را با تربیت نیروهای متخصص در زمینه‌های مختلف فعال کرد. برنامه‌ریزی پژوهش علمی او، نشانگر وجود یک سیاستمدار زیرک در راس آزمایشگاه بود.
حمله نهایی از نهم ژوییه آغاز شد. ۷۵ لیتر هوای مایع با تولید ۲۰ لیتر هیدروژن مایع در ساعت ۵:۴۵ صبح ۱۰ ژوییه وارد مرحله بعدی شد. ساعت ۱:۳۰ ظهر چرخه مایع‌سازی هلیوم آغاز شد. کار بسیار حساس بود و کمترین اشکالی منجر به ازبین رفتن آزمایش می‌شد. ساعت ۴:۲۰ بعدازظهر، چرخش گاز هلیوم در دستگاه آغاز شد. دماسنج مدت زیادی حرکت خاصی از خود نشان نداد و سپس ناگهان افت کرد اما در ساعت ۷:۳۰ دقیقه بعدازظهر دماسنج متوقف شد. درحالی که آخرین قطرات هیدروژن مایع که در فرآیند سرماسازی هلیم به‌کار می‌رفتند درحال تمام‌شدن بودند. سروصدای این آزمایش در تمام دانشگاه لیدن پیچیده بود. کلاس‌ها تمام شده‌بود و اکثر استادان و دانشجویان پشت درهای آزمایشگاه اونز منتظر نتیجه بودند. درحالی که در آخرین دقایق دیگر امیدی به میعان هلیوم نبود پروفسور شرایند ماکرز گفت شاید عدم تغییر عقربه دماسنج به خاطر غوطه‌ورشدن آن در مایع جوشان باشد. با این کار از زیر دستگاه مرکزی نوری داخل ظرف تاباندند و با کمال تعجب، ناگهان سطح مایع به‌وضوح آشکار شد. ظرف اصلی مملو از هلیوم مایع بود. کامرلینگ اونز مسابقه را برد و آخرین گاز طبیعی را هم به حالت مایع درآورد.
منابع:
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsnr.2013.0047
https://www.greatpoles.pl/index.php/historical-poles/47-zygmunt-wroblewski
https://codepen.io/roemba/pen/VeRRNE
https://www.rigb.org/our-history/iconic-images/dewar-lecture (تصویر انستیتو پادشاهی)
https://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/cold/cold.html
کتاب‌ها:
دما، ی. آ. اسمورودینسکی، ترجمه: لطیف کاشیگر، انجمن فیزیک ایران، ۱۳۷۲
صفر مطلق (سرگذشت فیزیک دماهای کم)، کورت مندلسون، ترجمه: مرتضی قریب، انجمن فیزیک ایران، ۱۳۷۱
