شکلاتی که آب شد و جهان را تغییر داد؛ داستان جالب کشف مایکروویو
وقتی مولکول‌های آب در معرض امواج مایکروویو قرار می‌گیرند، میدان الکتریکی این امواج مدام تغییر جهت می‌دهد و باعث می‌شود مولکول‌ها نیز پیوسته بچرخند و جهت‌گیری خود را تغییر دهند.
به نقل از دیجیاتو، اما این دستگاه چگونه بدون شعله غذا را گرم می‌کند؟ چرا گاهی یک قسمت غذا آن‌قدر داغ می‌شود که زبانمان را می‌سوزاند، درحالی‌که قسمت دیگر هنوز سرد است؟
و آیا امواج نامرئی آن واقعاً سرطان‌زا هستند؟ پاسخ این سؤال‌ها به داستان کشفی برمی‌گردد که از یک آزمایشگاه نظامی آغاز شد.
یک اتفاق عجیب در آزمایشگاه؛ شکلاتی که بی‌دلیل آب شد! سال ۱۹۴۵ است و جنگ جهانی دوم به روزهای پایانی خود نزدیک می‌شود.
در همین روزها، مهندسان شرکت آمریکایی «ریتیون» (Raytheon) در آزمایشگاه‌های خود مشغول توسعه و بهبود سامانه‌های راداری هستند؛ فناوری پیشرفته‌ای که می‌تواند هواپیماهای دشمن را از فاصله‌های دور، حتی در تاریکی شب، شناسایی کند. در میان این مهندسان، مردی به‌نام پرسی اسپنسر روی یکی از مهم‌ترین قطعات سامانه‌های راداری کار می‌کند؛ دستگاهی به‌نام مگنترون که قادر است امواج الکترومغناطیسی قدرتمندی تولید کند.
روزی هنگام کار در آزمایشگاه، اتفاقی غیرمنتظره توجه اسپنسر را جلب کرد. او متوجه شد شکلاتی که در جیبش داشت، ذوب شده است؛ درحالی‌که نه در معرض شعله قرار گرفته بود و نه با سطح داغی تماس داشت.
این اتفاق برای اسپنسر عجیب بود و او را به فکر فرو برد: چه چیزی می‌توانست بدون تماس مستقیم، شکلات را گرم کند؟ اسپنسر به دستگاهی مشکوک شد که در نزدیکی آن مشغول کار بود؛ مگنترون، قطعه‌ای که امواج الکترومغناطیسی قدرتمندی برای سامانه‌های راداری تولید می‌کرد.
این امواج نامرئی در فضا منتشر می‌شدند و با بازتاب از اجسام، به شناسایی موقعیت آن‌ها کمک می‌کردند. اما آیا ممکن بود همین امواج، انرژی خود را به مواد غذایی منتقل کنند و باعث گرم‌شدن آن‌ها شوند؟
البته اسپنسر نخستین کسی نبود که به اثر گرمایی امواج الکترومغناطیسی پی می‌برد. پیش از او نیز پژوهشگرانی از امواج رادیویی برای گرم‌کردن مواد استفاده کرده بودند.
بااین‌حال، آنچه اسپنسر را متمایز می‌کرد، توجه به کاربردی تازه بود: آیا می‌شد از فناوری رادار برای پخت سریع غذا استفاده کرد؟ او تصمیم گرفت به‌جای حدس‌زدن، این احتمال را آزمایش کند.
کنجکاوی درباره یک شکلات ذوب‌شده، به‌تدریج به ایده‌ای تبدیل شد که قرار بود شیوه پخت‌وپز را در میلیون‌ها آشپزخانه جهان تغییر دهد. پرسی اسپنسر، مهندس آمریکایی و مخترع مایکروویو، در کنار تجهیزات آزمایشگاهی؛ او با کشف کاربرد امواج راداری در گرم‌کردن غذا، مسیر ساخت یکی از پرکاربردترین وسایل آشپزخانه را هموار کرد.
(عکس: آرشیو خانوادگی اسپنسر / مؤسسه اسمیتسونین) از ترکیدن ذرت‌ها تا تولد اولین مایکروویو جهان اسپنسر برای اینکه مطمئن شود امواج مگنترون باعث ذوب‌شدن شکلات شده‌اند، تصمیم گرفت آزمایش دیگری انجام دهد. این بار چند دانه ذرت را در نزدیکی دستگاه قرار داد.
طولی نکشید که دانه‌ها یکی پس از دیگری ترکیدند و به پاپ‌کورن تبدیل شدند. دلیل این اتفاق، گرم‌شدن آب موجود در دانه‌های ذرت بود.
با افزایش دما، فشار بخار درون دانه‌ها بالا رفت تا جایی که پوسته سخت آن‌ها شکافت. این آزمایش نشان داد که امواج مگنترون واقعاً می‌توانند مواد غذایی را گرم کنند.
اما اسپنسر به همین نتیجه قانع نشد و آزمایش بعدی را با یک تخم‌مرغ انجام داد؛ آزمایشی که پایان چندان تمیزی نداشت! طبق روایت‌های تاریخی، تخم‌مرغ بر اثر افزایش فشار بخار درون آن منفجر شد و محتویاتش به بیرون پاشید.
در یکی از روایت‌های مشهور حتی آمده است که این انفجار صورت یکی از همکاران اسپنسر را کثیف کرد. حالا دیگر مشخص بود که این امواج، کاربردی فراتر از شناسایی هواپیماهای دشمن دارند.
اما، برای استفاده از آن‌ها در آشپزی یک مشکل مهم وجود داشت: چگونه می‌شد امواج را در فضایی مشخص نگه داشت و انرژی آن‌ها را به‌طور کنترل‌شده به غذا منتقل کرد؟ اسپنسر و همکارانش برای حل این مشکل، محفظه‌ای فلزی طراحی کردند که امواج مایکروویو را درون خود نگه می‌داشت.
امواج پس از ورود به محفظه از دیواره‌های فلزی منعکس می‌شدند و بخشی از انرژی آن‌ها جذب مواد غذایی می‌شد. بنابراین، ایده ساخت دستگاهی برای پخت غذا با امواج الکترومغناطیسی شکل عملی‌تری پیدا کرد.
در ۸ اکتبر ۱۹۴۵، اسپنسر درخواست ثبت اختراعی با عنوان «روشی برای فرآوری مواد غذایی» را ارائه کرد که در ژانویه ۱۹۵۰ به ثبت نهایی رسید. دو سال پس از ارائه این درخواست، شرکت ریتیون نخستین دستگاه تجاری خود را با نام «رادارنج» (Radarange) روانه بازار کرد.
البته رادارنج هیچ شباهتی به مایکروویوهای جمع‌وجور امروزی نداشت. نمونه‌های اولیه این دستگاه غول‌پیکر، نزدیک به دو متر ارتفاع و حدود ۳۴۰ کیلوگرم وزن داشتند.
برخی مدل‌ها حتی با گردش آب خنک می‌شدند و قیمتشان به حدود ۵۰۰۰ دلار می‌رسید؛ رقمی سرسام‌آور که خرید آن را از توان بیشتر خانواده‌ها خارج می‌کرد. به‌همین‌دلیل، رستوران‌ها و آشپزخانه‌های تجاری نخستین مشتریان این فناوری بودند.
نمایش یکی از نخستین مایکروویوهای رادارنج ساخت شرکت ریتیون در ۷ اکتبر ۱۹۴۶، در هتل والدورف آستوریا نیویورک؛ دستگاهی بزرگ که پیشگام مایکروویوهای خانگی امروزی بود. در سال ۱۹۵۵، ریتیون مدل کوچک‌تری را برای مصارف خانگی با قیمت ۱۲۹۵ دلار معرفی کرد، اما قیمت بالا همچنان مانع فروش گسترده آن بود.
سرانجام در سال ۱۹۶۷، شرکت آمانا، از زیرمجموعه‌های ریتیون، مایکروویوی رومیزی با قیمت حدود ۴۹۵ دلار عرضه کرد که نقش مهمی در عمومی‌شدن این فناوری داشت. با گذشت زمان، دستگاه‌ها کوچک‌تر و ارزان‌تر شدند و مایکروویو به‌تدریج جای خود را در آشپزخانه‌های سراسر جهان باز کرد.
به این ترتیب، فناوری که برای شناسایی هواپیماهای جنگی توسعه یافته بود، به وسیله‌ای برای گرم‌کردن غذای روزمره تبدیل شد. اما مایکروویو چگونه بدون شعله و تماس با یک منبع گرمایی، غذا را در چند دقیقه داغ می‌کند؟
پاسخ این سؤال در رفتار امواج الکترومغناطیسی و مولکول‌های تشکیل‌دهنده غذا نهفته است. سال ۱۹۵۵؛ وقتی فناوری رادار برای نخستین‌بار در قالب یک اجاق مایکروویو خانگی به آشپزخانه‌ها راه یافت.
دستگاهی لوکس که هنوز کمتر خانواده‌ای توان خرید آن را داشت. امواج نامرئی چگونه بدون آتش، غذا را داغ می‌کنند؟
برای اینکه بفهمیم مایکروویو چگونه غذا را بدون شعله یا تماس با یک منبع داغ گرم می‌کند، باید ببینیم درون این دستگاه چه اتفاقی می‌افتد. در اجاق‌های معمولی، گرما ابتدا به سطح غذا می‌رسد و سپس به‌تدریج به بخش‌های داخلی منتقل می‌شود.
اما مایکروویو از روش متفاوتی استفاده می‌کند: به‌جای گرم‌کردن هوای اطراف غذا، انرژی را از طریق امواج الکترومغناطیسی به آن منتقل می‌کند. در قلب این دستگاه، قطعه‌ای به‌نام مگنترون قرار دارد که امواج مایکروویو را تولید می‌کند.
فرکانس این امواج در بیشتر دستگاه‌های خانگی حدود ۲٫۴۵ گیگاهرتز است، یعنی میدان الکتریکی آن‌ها در هر ثانیه نزدیک به دو میلیارد و ۴۵۰ میلیون بار نوسان می‌کند. امواج تولیدشده از طریق یک مسیر فلزی وارد محفظه پخت می‌شوند و با مواد غذایی برهم‌کنش می‌کنند.
اما این امواج چگونه غذا را داغ می‌کنند؟ برای پاسخ باید سراغ یکی از فراوان‌ترین ترکیبات موجود در غذا برویم: آب.
مولکول‌های آب از نظر الکتریکی ساختاری قطبی دارند، یعنی بار الکتریکی در آن‌ها به‌صورت یکنواخت پخش نشده و یک سمت مولکول اندکی مثبت‌تر و سمت دیگر اندکی منفی‌تر است. وقتی مولکول‌های آب در معرض امواج مایکروویو قرار می‌گیرند، میدان الکتریکی این امواج مدام تغییر جهت می‌دهد و باعث می‌شود مولکول‌ها نیز پیوسته بچرخند و جهت‌گیری خود را تغییر دهند.
البته مولکول‌های آب نمی‌توانند آزادانه و بدون مقاومت حرکت کنند. آن‌ها دائماً با مولکول‌های اطراف خود برهم‌کنش دارند و تحت‌تأثیر پیوندهای هیدروژنی قرار می‌گیرند.
درنتیجه، بخشی از انرژی امواج هنگام این حرکت‌ها و برهم‌کنش‌ها به گرما تبدیل می‌شود. آب تنها ماده‌ای نیست که انرژی مایکروویو را جذب می‌کند؛ یون‌های محلول، نمک‌ها و سایر ترکیبات موجود در غذا نیز در این فرایند نقش دارند.
درنتیجه، مواد غذایی مختلف با سرعت یکسانی گرم نمی‌شوند. نکته جالب اینکه برخلاف یک تصور رایج، فرکانس ۲٫۴۵ گیگاهرتز فرکانس تشدید طبیعی مولکول‌های آب نیست.
آب می‌تواند در محدوده گسترده‌ای از فرکانس‌ها، انرژی امواج الکترومغناطیسی را جذب کند و انتخاب این فرکانس به عوامل فنی و کاربردی نیز مربوط می‌شود. یکی از باورهای نادرست درباره مایکروویو این است که غذا را از داخل به بیرون می‌پزد.
درحالی‌که امواج مایکروویو تنها تا عمق مشخصی در غذا نفوذ و به‌تدریج بخشی از انرژی خود را به آن منتقل می‌کنند. عمق نفوذ این امواج به عواملی مانند میزان رطوبت، ترکیب و دمای غذا بستگی دارد و در بسیاری از مواد غذایی مرطوب، معمولاً از چند سانتی‌متر فراتر نمی‌رود.
به‌همین‌دلیل، در غذاهایی که حجم زیادی دارند یا از چندین لایه تشکیل شده‌اند، بخش‌های داخلی بیشتر از طریق انتقال گرما از نواحی اطراف گرم می‌شوند. درنتیجه، ممکن است سطح غذا کاملاً داغ شده باشد، اما قسمت میانی آن همچنان سرد بماند.
البته عمق نفوذ امواج تنها دلیل گرم‌شدن نامساوی غذا نیست. پدیده دیگری به‌نام تداخل امواج نیز در محفظه مایکروویو رخ می‌دهد که می‌تواند باعث ایجاد اختلاف دما حتی میان نقاط نزدیک به یکدیگر شود.
چرا یک طرف غذا داغ است، اما طرف دیگر هنوز سرد مانده؟ احتمالاً برایتان پیش آمده که غذایی را در مایکروویو گرم کنید، اما هنگام خوردن متوجه شوید یک قسمت آن به‌شدت داغ، اما قسمت دیگر هنوز سرد مانده است.
دلیل این اختلاف دما به نحوه حرکت و برهم‌کنش امواج مایکروویو مربوط می‌شود. امواج مایکروویو پس از ورود به محفظه دستگاه، بارها به دیواره‌های فلزی برخورد می‌کنند و بازتاب می‌یابند.
درادامه، امواج بازتاب‌شده با یکدیگر ترکیب می‌شوند و پدیده‌ای به‌نام تداخل امواج را به‌وجود می‌آورند. در این حالت، امواج در برخی نقاط یکدیگر را تقویت می‌کنند و شدت میدان الکتریکی افزایش می‌یابد، درحالی‌که در نقاط دیگر اثر هم را کاهش می‌دهند و میدان ضعیف‌تر می‌شود.
این برهم‌کنش می‌تواند الگوهایی به‌نام امواج ایستاده ایجاد کند که در آن‌ها شدت میدان الکتریکی در نقاط مختلف یکسان نیست. درنتیجه، قسمت‌هایی از غذا که انرژی بیشتری جذب می‌کنند، سریع‌تر گرم می‌شوند، اما در نواحی دیگر، افزایش دما آهسته‌تر اتفاق می‌افتد.
بنابراین، نقاط داغ و سرد در غذا شکل می‌گیرند. برای درک بهتر این پدیده، دو موج را روی سطح آب تصور کنید که به یکدیگر می‌رسند.
در بعضی نقاط، امواج روی هم قرار می‌گیرند و ارتفاع بیشتری پیدا می‌کنند؛ در نقاط دیگر، اثر یکدیگر را کاهش می‌دهند. اتفاق مشابهی در محفظه مایکروویو رخ می‌دهد، با این تفاوت که امواج الکترومغناطیسی در فضایی سه‌بعدی منتشر می‌شوند و ظرف و خود غذا نیز بر نحوه توزیع آن‌ها تأثیر می‌گذارند.
طول موج امواج مورد استفاده در بیشتر مایکروویوهای خانگی در فضای آزاد حدود ۱۲٫۲ سانتی‌متر است. همین ویژگی باعث می‌شود شدت میدان الکتریکی در فاصله‌هایی نسبتاً کوتاه تغییر کند.
در آزمایش‌های آموزشی حتی می‌توان این تفاوت را با مشاهده نقاطی که پنیر یا شکلات زودتر ذوب می‌شوند، نشان داد. البته تداخل امواج تنها عامل گرم‌شدن نامساوی غذا نیست.
ترکیب مواد غذایی نیز نقش مهمی در این مسئله دارد. میزان آب، چربی و نمک، همراه با شکل و اندازه غذا، بر مقدار انرژی جذب‌شده تأثیر می‌گذارد.
به‌عنوان مثال، لازانیا از لایه‌های مختلفی مانند پنیر، سس، گوشت و خمیر تشکیل شده است که رطوبت و ترکیب یکسانی ندارند. بنابراین، ممکن است بعضی قسمت‌های آن سریع‌تر از بخش‌های دیگر گرم شوند.
این تفاوت در غذاهای منجمد حتی محسوس‌تر است؛ زیرا بخش‌های ذوب‌شده و قسمت‌هایی که هنوز یخ‌زده‌اند، امواج مایکروویو را به یک اندازه جذب نمی‌کنند. حالا دلیل چرخش صفحه داخل مایکروویو نیز روشن‌تر می‌شود.
وقتی ظرف می‌چرخد، قسمت‌های مختلف غذا از نواحی متفاوت میدان الکتریکی عبور و فرصت بیشتری برای جذب انرژی پیدا می‌کنند. این حرکت به توزیع یکنواخت‌تر گرما کمک می‌کند، هرچند نمی‌تواند اختلاف دما را به‌طور کامل از بین ببرد.
اما این ویژگی مایکروویو سؤال مهم دیگری را مطرح می‌کند: اگر امواج این دستگاه می‌توانند انرژی خود را به مواد غذایی منتقل کنند و دمای آن‌ها را افزایش دهند، آیا ممکن است برای سلول‌های بدن انسان نیز خطرناک باشند؟ و آیا نگرانی درباره سرطان‌زا بودن مایکروویو پایه علمی دارد؟
آیا مایکروویو واقعاً سرطان‌زاست؟ حقیقتی که علم درباره آن می‌گوید یکی از رایج‌ترین نگرانی‌ها درباره مایکروویو، احتمال سرطان‌زا بودن امواج آن است.
این نگرانی تا حد زیادی به واژه تابش برمی‌گردد؛ کلمه‌ای که معمولاً ما را به یاد تشعشعات هسته‌ای، آسیب به DNA و بیماری سرطان می‌اندازد. اما آیا امواج مایکروویو واقعاً چنین خطری دارند؟
برای پاسخ به این سؤال، ابتدا باید تفاوت میان انواع تابش را بشناسیم. در فیزیک، تابش الکترومغناطیسی تنها به پرتوهای خطرناک محدود نمی‌شود.
نور خورشید، امواج رادیویی، سیگنال‌های تلفن همراه و حتی نور چراغ خانه نیز از همین خانواده هستند. آنچه این تابش‌ها را از یکدیگر متمایز می‌کند، فرکانس و انرژی آن‌هاست.
به‌عنوان مثال، پرتوهای ایکس و گاما به‌اندازه‌ای پرانرژی هستند که می‌توانند الکترون‌ها را از اتم‌ها جدا کنند. به این دسته، تابش یون‌ساز گفته می‌شود.
چنین پرتوهایی قادرند به ساختار مولکول‌های زیستی، از جمله DNA، آسیب برسانند و در شرایط مشخص، خطر ابتلا به سرطان را افزایش دهند. اما امواج مایکروویو در گروه تابش‌های غیریون‌ساز قرار می‌گیرند.
انرژی هر فوتون این امواج بسیار کمتر از مقداری است که برای جداکردن الکترون از اتم یا شکستن مستقیم پیوندهای شیمیایی معمول لازم است. بنابراین، مایکروویو برخلاف پرتوهای ایکس و گاما، نمی‌تواند از طریق یون‌سازی مستقیم به DNA آسیب برساند.
البته این به معنای بی‌خطر بودن امواج مایکروویو در هر شرایطی نیست. همان‌طور که این امواج می‌توانند غذا را گرم کنند، در صورت مواجهه با شدت بسیار بالا، قادرند دمای بافت‌های بدن را نیز افزایش دهند و باعث سوختگی یا آسیب حرارتی شوند.
چشم‌ها از جمله اندام‌هایی هستند که در برابر گرمای شدید حساسیت بیشتری دارند. بااین‌حال، مایکروویوهای خانگی به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که امواج درون محفظه دستگاه باقی بمانند و به بیرون نفوذ نکنند.
دیواره‌های فلزی و شبکه مشبک روی شیشه در، از خروج بخش عمده این امواج جلوگیری می‌کنند. همچنین، در دستگاه‌های استاندارد، سیستم‌های ایمنی به‌محض بازشدن در، تولید امواج را متوقف می‌کنند تا از مواجهه مستقیم افراد با تابش مایکروویو جلوگیری شود.
اما سؤال اصلی همچنان باقی است: آیا استفاده روزمره از مایکروویو خطر ابتلا به سرطان را افزایش می‌دهد؟ بررسی‌های علمی تاکنون نشان نداده‌اند که استفاده معمول از مایکروویوهای سالم و استاندارد، خطر ابتلا به سرطان را افزایش می‌دهد.
البته آژانس بین‌المللی پژوهش درباره سرطان امواج فرکانس رادیویی را در گروه 2B، یعنی «ممکن است برای انسان سرطان‌زا باشند»، قرار داده است. این طبقه‌بندی براساس شواهد محدود درباره برخی انواع مواجهه، به‌ویژه استفاده از تلفن همراه، انجام شده است و به معنای اثبات سرطان‌زا بودن مایکروویوهای خانگی نیست.
یکی دیگر از نگرانی‌های رایج این است که آیا غذا پس از گرم‌شدن در مایکروویو، رادیواکتیو می‌شود؟ پاسخ منفی است؛ زیرا امواج مایکروویو تنها انرژی خود را به غذا منتقل می‌کنند و باعث افزایش دمای آن می‌شوند، بدون اینکه خاصیت رادیواکتیوی در آن ایجاد کنند.
همچنین، این تصور که مایکروویو ویتامین‌ها و مواد مغذی غذا را از بین می‌برد، درست نیست. ارزش غذایی در تمام روش‌های پخت ممکن است تحت‌تأثیر دما و مدت حرارت‌دهی قرار بگیرد.
حتی در برخی موارد، سرعت بالاتر پخت و نیاز کمتر به آب در مایکروویو می‌تواند به حفظ بهتر بعضی ویتامین‌ها نسبت به جوشاندن طولانی‌مدت کمک کند. در مجموع، شواهد علمی استفاده صحیح از مایکروویوهای استاندارد را روشی ایمن برای گرم‌کردن غذا می‌دانند.
بااین‌حال، این دستگاه کاملاً بدون خطر نیست؛ خطراتی که برخلاف تصور رایج، بیشتر به سوختگی، گرم‌نشدن کامل غذا و استفاده از ظروف نامناسب مربوط می‌شوند تا امواج سرطان‌زا. اگر اسپنسر آن روز به شکلات ذوب‌شده توجه نمی‌کرد، چه می‌شد؟
امروز کافی است غذایی را داخل مایکروویو بگذاریم و دکمه شروع را فشار دهیم تا چند دقیقه بعد آماده خوردن شود. کاری بسیار ساده و روزمره که کمتر کسی به فناوری پیچیده پشت آن فکر می‌کند؛ فناوری که روزگاری برای شناسایی هواپیماهای جنگی توسعه یافته بود.
اما جالب‌ترین بخش این داستان، خود دستگاه نیست، اتفاقی است که به اختراع آن منجر شد. پرسی اسپنسر می‌توانست آن روز شکلات ذوب‌شده را از جیبش بیرون بیاورد و بدون توجه به علت ماجرا به کارش ادامه دهد.
در عوض، تصمیم گرفت بفهمد چه چیزی باعث گرم‌شدن آن شده است. همین کنجکاوی سرآغاز آزمایش‌هایی شد که درنهایت مایکروویو را به آشپزخانه‌های جهان رساند.
شاید اگر اسپنسر آن روز به شکلاتش توجه نمی‌کرد، شخص دیگری بعدها همین فناوری را توسعه می‌داد. اما داستان او یادآور نکته مهمی در تاریخ علم است: گاهی مرز میان یک اتفاق معمولی و یک کشف بزرگ، تنها سؤالی است که درباره آن می‌پرسیم.
حالا تصور کنید فردا با پدیده‌ای عجیب روبه‌رو شوید که هیچ توضیح روشنی برایش ندارید. آیا آن را اتفاقی بی‌اهمیت می‌دانید یا کنجکاو می‌شوید علتش را پیدا کنید؟
شاید آنچه امروز از کنارش می‌گذریم، درست مانند شکلات اسپنسر، سرنخ کشفی باشد که هنوز کسی به آن پی نبرده است.
