اگر آب‌پاش را برعکس کنیم، به کدام طرف می‌چرخد؟ سؤالی که فاینمن هم جواب نداد
کروتز دهه‌ها بعد نوشت که از آن لحظه، حدود پنج بار فشار را افزایش دادند و آب با جریانی آزاد و مداوم از دستگاه عبور می‌کرد، ولی آب‌پاش دیگر تکان نخورد.
ویلر، استاد راهنمای فاینمن، ماجرا را خلاصه‌تر تعریف کرد. لحظه‌ی اولِ اعمال فشار، لرزش کوچکی دیده شد، اما با ادامه‌ی جریان، هیچ واکنشی در کار نبود. پس فاینمن فشار را بیشتر کرد. بعد بیشتر و باز هم بیشتر.
بطری شیشه‌ای تاب نیاورد و منفجر شد. آب و تکه‌های شیشه کف اتاق سیکلوترون پخش شد. سرایدار آمد و کمک کرد خرده‌شیشه‌ها را جمع کنند و آب را تی بکشند. حکم هم صادر شد؛ فاینمن از آن روز حق ورود به آزمایشگاه سیکلوترون را نداشت.
کروتز بعدها نوشت نمی‌داند فاینمن منتظر چه چیزی بود، اما تصورات مبهم خودش درباره‌ی برگشت‌پذیری زمان، درست مثل بطری، خرد شد. فاینمن هم چیزی روشن‌تر نگفت و سال‌ها بعد، وقتی ماجرا را در کتاب خاطراتش تعریف کرد، از نتیجه حرفی نزد.
مسئله‌ی واقعی از همین‌جا شروع می‌شود که اگر آب‌پاش جز همان تکان اول حرکتی نکرد، چرا فاینمن فشار را تا مرز انفجار بالا برد؟ شاید منتظر چرخشی بود که نیامد و شاید جواب ساده‌تر از آن بود که هیچ‌کس، حتی فاینمن، تصورش را بکند.
سایه‌ی ماخ؛ معمایی که از فاینمن سن بیشتری داشت
ماجرای پرینستون نکته‌ی جالبی داشت؛ هیچ‌کدام از کسانی که در راهروهای دانشکده سر آب‌پاش بحث می‌کردند، ظاهراً خبر نداشتند جواب این سؤال حدود نیم‌قرن پیش در کتابی معروف نوشته شده است.
سال ۱۸۸۳، ارنست ماخ، فیزیک‌دان و فیلسوف اتریشی، کتابی به نام «علم مکانیک» منتشر کرد که بعدها روی اینشتین جوان تأثیر عمیقی گذاشت. نام ماخ برای ما بیشتر با عدد ماخ و سرعت هواپیماهای مافوق‌صوت آشناست، اما در فصل سوم همین کتاب، او به سراغ دستگاهی رفت که شباهت عجیبی به آب‌پاش فاینمن داشت.
ارنست ماخ نیم قرن پیش از فاینمن همین آزمایش را با هوا انجام داده بود
ماخ به‌جای آب از هوا کمک می‌گرفت. او یک چرخ کوچک با بازوهای خمیده را به یک توپ لاستیکی توخالی وصل کرد. با فشردن توپ، هوا از نوک بازوها بیرون می‌زد و چرخ، درست مثل آب‌پاش حیاط، به چرخش درمی‌آمد. هیجان اصلی در مرحله بعد ظاهر می‌شد، چون وقتی توپ را رها می‌کرد، هوا از بیرون به داخل بازوها مکیده می‌شد. ماخ دقیق نگاه کرد و نوشت که دستگاه «چرخش مشخصی» نشان نمی‌دهد.
جواب ماخ ساده و آرام بود و کسی هم سر آن جنجال و هیاهو راه نینداخت. توضیحش هم شهودی به نظر می‌رسید؛ هوایی که بیرون می‌زند، باریکه‌ای منظم و جهت‌دار می‌سازد، اما هوایی که به داخل کشیده می‌شود، از همه طرف می‌آید و هل‌دادن‌هایش یکدیگر را خنثی می‌کنند. ماجرا تمام شد؛ دست‌کم برای چند دهه.
فاینمن خودش بعدها فهمید که معما مال او نیست. سال ۱۹۶۶ سردبیر مجله‌ی فیزیک تیچر از او خواست درباره‌ی آب‌پاش بنویسد. فاینمن پیشنهاد را نپذیرفت، به‌عنوان «مسئله‌ی فاینمن» اعتراض کرد و سردبیر را به کتاب ماخ ارجاع داد.
ولی نام‌ها همیشه به دست صاحبانشان نمی‌افتند. کتاب خاطرات فاینمن، با آن روایت شیرین از بطری منفجرشده، به لیست پرفروش‌های جهان راه پیدا کرد و معما برای همیشه نام او را گرفت. نکته‌ی جالب‌تر اینکه که هم ماخ و هم فاینمن، چیزی ندیدند. شاید چیزی برای دیدن وجود نداشت، شاید هم چیزی بود که چشم و دستگاه‌های آن روز به آن نمی‌رسید.
نیم‌قرن دعوا بر سر یک آب‌پاش
پس از مرگ فاینمن در سال ۱۹۸۸، معمای آب‌پاش به‌جای آرام‌گرفتن، تازه جان گرفت. هر کس روایتی داشت و هر روایت، جواب دیگری را رد می‌کرد. جیمز گلیک، روزنامه‌نگار علمی، در زندگی‌نامه مشهورش با نام نابغه (۱۹۹۲) ماجرا را به نقطه‌ای عجیب رساند.
او نوشت فاینمن و ویلر با وسواس جواب سؤال را از همه پنهان نگه داشتند، و چند سطر بعد مدعی شد جواب فاینمن از ابتدا روشن بوده، آب‌پاش نمی‌چرخد. توضیحی که گلیک برای اثبات حرفش آورد هم چیزی جز تکرار استدلال قدیمی ماخ نبود؛ همان آب ورودی که از همه طرف می‌آید.
آزمایش‌ها از سکون تا چرخش در دو جهت، نتایج متناقضی نشان دادند
چند سال بعد، پای چهره‌ای غیرمنتظره هم به بحث باز شد. مریلین ووس ساوانت، نویسنده‌ای که خودش را صاحب بالاترین ضریب هوشی ثبت‌شده معرفی می‌کرد، در یکی از ستون‌های ۱۹۹۶ مجله‌ی پرید روایتی از آزمایش فاینمن نوشت و اعلام کرد پرونده بسته می‌شود چون آب‌پاش معکوس حرکت نمی‌کند.
آزمایشگاه‌ها هم صدای واحدی نداشتند، مثلاً در مرکز اجرتون دانشگاه MIT، یک آب‌پاش هوامکش به نمایش گذاشته شد که هیچ حرکتی نداشت. در مقابل، برگ و کولیر در ۱۹۸۹، و دو سال بعد همراه با فرل، ادعا کردند آب‌پاش معکوس به سمت آب ورودی می‌چرخد؛ یعنی درست خلاف جهت آب‌پاش معمولی. گزارش‌های دیگری هم آمد که با دست‌کاری در شکل داخلی دستگاه، چرخش در هر دو جهت دیده می‌شد.
نظریه‌پردازها هم بیکار ننشستند و وارد میدان شدند. بیشتر محاسبات به این نتیجه می‌رسیدند که یک آب‌پاش معکوس ایده‌آل، وقتی جریان آب پایدار شد، هیچ گشتاوری حس نمی‌کند. شاید لحظه‌ی شروع کمی تکان بخورد، اما بعد می‌ایستد. روایت ویلر و کروتز از تکان اولیه‌ی آب‌پاش فاینمن هم با همین تصویر جور درمی‌آمد.
پس چرا جواب‌ها این‌قدر پراکنده به نظر می‌رسید؟ مقصر اصلی نه فیزیک، که دشمن قدیمی و بی‌سروصدا بود؛ فاکتور اصطکاک که بسیاری از معادلات را تغییر می‌داد. هر اثری که آب‌پاش معکوس را به حرکت وامی‌داشت، آن‌قدر ضعیف بود که اصطکاک محور دستگاه به‌راحتی خنثی‌اش می‌کرد.
اصطکاک محور، اثر ضعیف چرخش معکوس را پیش از دیده‌شدن خنثی می‌کرد
به بیان ساده‌تر، دستگاه‌ها چیزی نمی‌دیدند چون صدای اثر از صدای خطا ضعیف‌تر بود. فقط در چند آزمایش که اصطکاک به حداقل رسید و جریان آب قوی بود، چرخشی کم‌جان و معکوس دیده شد.
یک قرن بعد صورت‌مسئله کمی عوض شد. دیگر سؤال این نبود که آب‌پاش به کدام طرف می‌چرخد؛ مهم این بود که چطور می‌شود چنین چیز ظریفی را دید. قبل از اینکه بخواهیم سراغ جواب نهایی برویم، باید یک‌قدم به عقب برویم و ببینیم یک آب‌پاش معمولی اصلاً چرا می‌چرخد.
چرا آب‌پاش معمولی می‌چرخد؟ موشکی روی چمن
اگر تا حالا شیلنگ آبی را بی‌هوا رها کرده باشید، دیده‌اید چطور مثل ماری وحشی به هر طرف می‌پیچد. یا بادکنکی را که باد کرده‌اید و رها می‌کنید، در هوا ویراژ می‌دهد. هر دو مورد درس قانون سوم نیوتن را با زبانی پرسروصدا تکرار می‌کنند، هر چیزی که با فشار به بیرون پرتاب شود، پرتاب‌کننده‌اش را در جهت مخالف هل می‌دهد.
آب‌پاش حیاط هم همین قاعده را دنبال می‌کند، فقط با یک پیچ‌وتاب. آب از مرکز وارد می‌شود، در بازوها جلو می‌رود و در انتهای هر بازو، جایی که لوله خم شده، با سرعت به بیرون می‌زند. هر فوران آب، نوک بازو را به عقب هل می‌دهد و چون بازوها روی محوری آزاد سوارند، نتیجه‌ی این هل‌دادن‌ها چرخش کل دستگاه می‌شود.
وران آب، بازوهای آب‌پاش معمولی را مانند پیشران موشک به عقب هل می‌دهد
ریستروف، فیزیک‌دانی که بعدها معما را حل کرد، آب‌پاش معمولی را نسخه‌ای چرخان از موشک می‌داند؛ موشکی که به‌جای آسمان، دور خودش می‌چرخد.
فیزیک‌دان‌ها برای این حرکت چرخشی از مفهومی به نام تکانه‌ی زاویه‌ای استفاده می‌کنند. بازوهای خمیده‌ی آب‌پاش، آب را به شکلی به بیرون هدایت می‌کنند که حرکت آن نسبت به محور مرکزی آب‌پاش، تکانه‌ی زاویه‌ای ایجاد می‌کند. طبق قانون پایستگی تکانه‌ی زاویه‌ای، آب‌پاش در جهت مخالف به چرخش درمی‌آید، ساده و تمیز.
