نعني بالفيزياء؛ دراسة العالم من حولنا
بطرح بعض أعمق الأسئلة في التاريخ البشري
كيف يعمل الكون؟
ما الذي يحكم المادة مع بعضها؟
وما هي القوة الغريبة اللّبقة التي تسقط لك تفاحة؟
إلا أنّ قوتها كفيلة لحبس القمر في مداره
حاجتنا للفهم ألهمت بعض أعظم اكتشافات البشرية
انطلاقاً من تحرير قوة الذرة المرعبة
إلى كشف هوية طبيعة الضوء بحد ذاته
إلى كشف القوى التي تحكم كوننا جميعه مع بعضه البعض
هذه هي الإكتشافات الأعظم في مجال الفيزياء
أعظم 100 اكتشاف الحلقة التاسعة بعنوان الفيزياء (تقديم (بيل ناي
هذا الفضول الذي يدفعنا لفهم العالم من حولنا ليس بجديد
في الواقع، لطالما رافقنا منذ الأزل
اليونانيون القدامى على سبيل المثال كانوا أول من طوّر فكرة أن الطبيعة تسير وفق مجموعة قوانين
هذا تقدمٌ هائل
لقد أعطونا مفهوم آلية عمل الكون وطريقة سير الأشياء
تمثلت المشكلة بأنّ معظم مفاهيمهم كانت خاطئة تماماً
ويعود السبب بأن قوانين الفيزياء تبدو أحياناً وأنها تتحدى الفطرة السليمة
كأول اكتشافاتنا العظيمة
# قانون الأجسام الساقطة#
لنحو ألفيّ عام تقريباً، كان يُعتقد أنّ الأجسام الأثقل تسقط أسرع من الأجسام الأخف
هذا الإدراك البديهي استند على مشاهدات (أجراها الفيلسوف اليوناني (أرسطو
والناس صدقوه لإنه يوافق الفطرة السليمة
لكن في القرن الـ 17، عزم (جاليليو جاليلي) على إختبار قانون (أرسطو)
تقول الأسطورة أن تجربته تضمنت إسقاط كرتين بكتلتين مختلفيتن من أعلى قمة برج (بيزا) المائل
(لمشاهدة تجربة (جاليليو على أرض الواقع
(قمت بزيارة لمركز أبحاث (ناسا غلين (في (كليلفلاند) في (أوهايو
(والتقيت بـ (ستيفن سايمونز مدير مشروع بحوث إنعدام الجاذبية #دائرة إنعدام الجاذبية#
فهذه هي الحجرة إذاً؟ - أجل -
هذه حجرة الفراغ تمتد متراً وعشرين سنتيمتر تحت الأرض
ينبغي بنا سحب جميع الهواء لنحصل على هبوط جيد في الثقالة المِكروية
(والمسألة بأسرها متعلقة بـ (أرسطو
أجل إنها كذلك
إنما اعتقد (أرسطو) أن الأجسام ذات الكتل المختلفة ستسقط بمعدلات سرعة مختلفة
والذي يبدو منطقياً - يبدو منطقياً للغاية -
فعبر مسار تاريخ البشر كله سقطت الأجسام ذات الكتل المختلفة بمعدلات سرعات مختلفة
على سبيل المثال لو كان لديك ريشةً وكرة لعبة كرة الطاولة
كلاهما غرضان خفيفان جداً لكنهما سيسقطان بمعدلات مختلفة #ستيف سايمونز - مدير المشروع#
لتوضيح الإختلاف بين جسمين يمتلكان الحجم والشكل نفسه بدرجة كبيرة
لكن كتلة مختلفة بكل وضوح
هذه كرة جولف وهذه كرة لعبة كرة الطاولة
وإن ألقيناهما سيسقطان بمعدل السرعة ذاته
(من خلال تجربة (جاليليو وجد أن الأجسام الأثقل
تبدو وأنها تسقط أسرع من الأجسام الأخفّ بفعل مقاومة الهواء
تعرقل مقاومة الهواء سرعة الأجسام الأخف أكثر من تلك الأثقل
الطريقة الثانية لإجراءها تتم كما لو أننا نحجب التجربة
وذلك يُمكن تمثيله بآثار الهواء على هذه الورقة وحينها سيسقطون بمعدل السرعة ذاته
إذاً ماذا لدينا هنا؟
لدينا جهاز يُلغي الجاذبية لخمس ثوانٍ كما أننا تجاوزنا مقاومة الهواء بإستخدامه
بطرد جميع الهواء من خزاّن الفراغ الضخم هذا
حضّرنا تجربةً لإجراءها اليوم
للوقوف على إمكانية استخدام طفاية الحريق خاصتنا الجديدة على متن محطة الفضاء الدولية
فسنرى إذاً إن كان غاز الهيليوم أفضل من غاز ثاني أكسيد الكربون كمخمد حريق
شغّلي الجهاز من فضلك (يا (أنيتا
ستقوم بإسقاط المركبة الكبيرة إذاً؟ - وها هي تسقط -
خمس ثواني وترتطم الآن
يُمكنك الإحساس بكامل الهزّة عندما ترتطم المركبة بالأرض
دعني أصطحبك لحجرة الفراغ حيث يُمكننا استعراض التجربة ورؤية ما حدث
(تحدي (جاليليو) لقانون (أرسطو كان بمثابة نقطة تحوّل في العلم
دوّن تحديه بداية إختبار القوانين المسلّمة في مجال العلم من خلال التجريب
وتجارب (جاليليو) على الأجسام الساقطة مهّدت بداية فهمنا للتسارع الحاصل بفعل الجاذبية
لقد أقلع لقد أقلعنا
إنها قوة سنتغلب عليها بعد 400 عامٍ تقريباً
أحمل في يدي اليسرى ريشة وفي يمناي مطرقة # مهمة أبوللو 15 - الثاني من أغسطس 1971#
وسألقي بهما آملاً أن يصلا الأرض في نفس الوقت
ما رأيكم بهذا؟ كان (جاليليو) محقاً
قانون الجذب العام
ندين بإكتشافنا العظيم التالي (للسيد (إسحاق نيوتن
الذي وُلد في إنجلترا (في العام نفسه الذي تُوفي فيه (جاليلو
تقول الأسطورة بأن (نيوتن) كان مسترخياً في بستانٍ ذات مرة
عندما شاهد تفاحةً تسقط من شجرة
جعلته تلك الحادثة البسيطة يتساءل عن سبب سقوط التفاحة على الأرض
بينما يُواصل قمر شهر أغسطس الشاحب إبحاره في السماء
كانت لحظة اكتشاف فطرية للرجل الشاب
أدرك أن القوة الجاذبة نفسها لها تأثير مماثل على التفاحة والقمر
فكّر ملياً وانتابه شعورٌ بأن جميع تلك التفاحات تُؤثر عليها قوة ما تُسقطها لأسفل #سبنسر آر. ويرت - مؤرخ علمي#
واللافت بالموضوع أنّه سافر في تفكيره من تفاحات البستان إلى القمر
لقد أدرك أنّ هذه القوة في كل مكان شيءٌ لم يسبق أن فكّر به أحد
استنتج (نيوتن) أن القمر يُحاول السفر بمسار مستقيم في الفضاء عابراً الأرض
تُلزم قوة جذب الأرض القمر في مساره
يُبقي ذلك القمر محاصراً في مداره حول كوكب الأرض
لكن القمر يلزم الأرض مكانها أيضاً بفعل قوة جذبه
اكتشف (نيوتن) ما يُسمى بقوانين الجاذبية الكونية
كونيةٌ لإنّ العلاقة تُطبق على جميع الأجسام في النظام الكوني
بما في ذلك التفاح والأقمار والكواكب
عندما تؤثر قوّة جذب لجسم ضخم كالقمر على الأرض، قد تقع أشياء هائلة
كإنحسار وفيضان محيطات الأرض
مياه المحيط القريبة من القمر
تتعرض لجذب أكبر مما تتعرض إليه مياه الأرض الأبعد عن القمر
فكأنها تُسحب للخارج قليلاً وبينما تدور الأرض يُسبب ذلك في إنتفاخ المياه
وبدوران الأرض حول القمر نحصل على مستويات أعلى وأدنى للماء
كان إثبات (نيوتن) بأنّ جميع الأجسام تمتلك قوة جذب خاّصة بها بمثابة اكتشاف بارز في العلم
لكنّه اكتشافنا العظيم التالي الذي يّبين أنّه كان بعيد عن إتمام ما بدأه
قوانين الحركة
لأناس كُثر يُجسد (إسحاق نيوتن) الفيزياء
وما يدفعهم لذلك هو مجموعة كتب ثلاثية كتبها تحمل اكتشاف (نيوتن) الثاني، إنها قوانين الحركة
تُفسّر القوانين حركة جميع الأجسام المادية
،لتسهيل فهم قوانين الحركة الثلاث فكّر برياضة الهوكي على الجليد
الأمر شديد البساطة، اضرب قرص الهوكي وستمضي متزحلقةً عبر الجليد
يُمكنك ملاحظة أنّ السطح أملس وأنّ القرص كأنه يسير لأجلٍ غير مسمى #قانون نيوتن الأول:الجسم المتحرك يبقى متحرك
عندما تضرب القرص بعصاك فإنه يتسارع وطبيعة التسارع من السكون إلى الحركة #قانون نيوتن الثاني: القوة= الكتلة × التسارع#
يُمكن تفسيره بقانون الحركة الثاني أو بالأحرى حسابه بإستخدام القانون الثاني
ينص القانون الثالث أنه عند ضرب القرص بالعصا
فإنّ العصا تكتسب قوة مساوية لضرب القرص ومعاكسة لإتجاهه
أو بصيغة أخرى عندما يلكم لاعب هوكي لاعباً آخر في وجهه
يُرجح وأن يكسر له عنقه #قانون نيوتن الثالث: كل فعل له رد فعل مساوي ومعاكس#
كانت قوانين (نيوتن) في الحركة تبصّر جريء على ميكانيكية طريقة عمل الكون
لقد وضعت حجر الأساس لما يُعرف الآن بالفيزياء الكلاسيكية
القانون الثاني للديناميكا الحرارية
هذا علم ديناميكا الحرارة على أرض الواقع
علم تحوّل الحرارة إلى طاقة ميكانيكية
إنها الطاقة التي يعوّلُ عليها في تشغّيل مكائن الثورة الصناعية
يُمكن تحويل طاقة الحرارة إلى طاقة حركة
كتشغيل ذراع محرك أو مكبس أو توربين
لإستخدامهم في ضخ الماء أو تشغيل نولٍ لصناعة الأقمشة #فيليب شيو - مؤلف في مجال العلوم#
لتسيير قارب خلال الماء أو تحريك قطار على سكك الحديد
يُرجى الآن من هذه الآليات خفض قيمة الإنفاق التشغيلية
والحصول على إنتاج أكبر بكمية الوقود التي ستستخدمها
لذا بدأ الناس يدرسون كيف تعمل محركات الحرارة ومحركات البخار على أكمل وجه
من بين أولئك الذين درسوها كان (العالم الألماني (رودولف كلاسيوس
الذي بلور في عام 1865 اكتشافنا العظيم التالي
والذي صار يُعرف بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية
ينص القانون أنه في أي تبادل طاقةٍ حراري كتسخين الماء في مرجل المحرك البخاري
تُهدر دوماً بعض الطاقة
"أطلق (كلاسيوس) كلمة "إنتروبي لتوضيح سبب أن كفاءة محرك البخار محدودة
فكان جزءٌ من طاقتها يضيع دوماً في عملية تحويلها لشغل ميكانيكي
،كانت فراسة بالغة الأهمية حوّلت طريقة فهمنا لعمل الطاقة
لا يوجد محرك حراري %تصل كفاءته 100
،أثناء حركة السيارة
كم هو مقدار الطاقة الكامنة في الوقود الذي يوجد في الخزان
والتي تستفيد منها حقاً لتحريك السيارة وأنت تركبها؟
،عشرون بالمئة فحسب أين تُهدر بقية الطاقة؟
تُهدر على تسخين رصفة الطريق وتسخين الإطارات، كما أن إسطوانات المحرك تزداد سخونة
تهترأ الإسطوانات وتتآكل القطع
يدعوك هذا للتفكير في مدى مضيعة هذه العمليات
بينما كان قانون الديناميكا الحرارية الثاني القوة المحركة خلف الثورة الصناعية
أدخل اكتشافنا الثاني العالم إلى حقبة العصر الحديث
الكهرومغناطيسية
،إنه أحد أعظم إنجازات القرن العشرين (سد هوفر)
يبلغ ارتفاعه 221 متراً ويزن 6.6 مليون طن
مولدات السد البالغ عددها 17 تنتج قوة تعادل حوالي ثلاثة ملايين حصان من الكهرباء
تُولد الكهرباء بإستخدام مجال مغناطيسي
اكتشف العلماء كيف يُحدثون مجالاً مغناطيسياً بالكهرباء
عن طريق تمرير تيارٍ كهربائي خلال لفات من الأسلاك
والنتيجة هي مغناطيس كهربائي
،مرر التيار الكهربائي وسيتولد مجال مغناطيسي اقطع التيار وسيتلاشى المجال المغناطيسي
في عام 1831، كان مُجلِّد كتب مهتم بالكهرباء (يُدعى (مايكل فاراداي
أول من تمكن من عكس العملية مستخدماً مجالاً مغناطيسياً لتوليد الكهرباء
مولد الكهرباء في أبسط أشكاله عبارة عن ملفٍ سلكي يقع بين قطبيّ المغناطيس
اكتشف (فاراداي) أنه عندما يتحرك المغناطيس والسلك بقرب بعضهم البعض فإن تياراً يسري عبر السلك
تعمل جميع مولدات الكهرباء وفق هذا المبدأ البسيط
ترك (فاراداي) بعض الملاحظات حول تجاربه
لكن بعد سنوات أظهرت مدى أهميتها (لفيزيائيٍ يُدعى (جيمس كلارك ماكسويل
الذي استعملها للإسهام في فهمنا لطريقة عمل الكهرومغناطيسية
لمعرفة المزيد عن هذا الإكتشاف
(قمت بزيارة لمتحف العلوم في (بوسطن
ما هذا الجهاز إذاً؟
حسناً، إنه مولد ونحن نستخدمه هنا في المتحف للحديث عن الصواعق والإحتياط منها
والقليل عن ما ذكرته لتوّك حول العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية #مايكل ألكساندر - مدير العلاقات العامة#
لدينا هذا كبرهان وهو قفص عصفور ضخم
يُمكننا الإستفادة منه لتوضيح كيف أنّ الكهرباء والمغناطيسية متداخلتان
أتود تجريبه؟ - أجل بالطبع -
تجربة واحدة خيرٌ من آلاف مقترحات خبير - من بعدك -
إحدى الأشياء التي ساعدنا ماكسويل) في فهمها)
هي كيف أنّ المجال الكهرومغناطيسي يتوزع على سطح موصل
كالمعدن المصنوع منه هذا القفص
،والآن، إذا شئت متى ما بدأت في إطلاق بعض الشرارات
إن وضعت اصبعك على الوجه الداخلي لهذا القضيب
سأعلم أنك مستعد لبدء التجربة
إن كان (ماكسويل) محقاً، فإنّ مقدار الكهرباء الضخمة التي تبلغ فولتيتها 1.5 مليون فولت
والمتولدة بوساطة هذا المولد ستوزّع نفسها بدقة حول محيط خارج القفص
ولن تكون قادرة على إختراق الفراغ الداخلي
حالياً، آمل أن يكون (جيمس ماكسويل) محقاً
مستعد؟ - أجل -
سنباشر الآن، ضع إصبعك هناك سنجرّب حظنا
....إنها
ما الذي حدث إذاً؟
صعقت الكهرباء القفص وذلك ولّد مجالاً مغناطيسياً
تلك الصاعقة هي التيار الكهربائي
ضربت القفص وذلك جعل من القفص بأكمله مغناطيساً عملاقاً
المغناطيس بدوره يخلق مجالاً كهربائياً آخراً
وذلك المجال الكهربائي المحيط بخارج القفص يدفع جميع التيارات الكهربائية لأقصى أطراف السطح
ذلك مدهش، شكراً جزيلاً لك - شكراً لقدومك -
لن أنسى ذلك أبداً كانت تجربة استثنائية. أنا بخير
إن أردتم أن تعرفوا كيف كان سيكون العالم (من دون عمل (فاراداي) و(ماكسويل
تخيلوا العالم بلا كهرباء
بلا أجهزة مذياع أو تلفاز أو هواتف نقالة أو أقمار اصطناعية أو أي وسائل اتصالات حديثة أو حواسيب
،تصوروا أنكم في القرن الـ 19 ذلك ما سيكون عليه الأمر
(ما لم يعرفه (فاراداي) و(ماكسويل
أن اكتشافهما سيُلهم شابّاً من شأنه أن يفكّ أسرار الضوء
وعلاقته مع قوة الكون المرعبة
النسبية الخاصة
في عام 1905، كان العالم العلمي مقلوباً رأساً على عقب بإكتشافنا العظيم التالي
نُشرت إحدى النظريات الثورية العديدة من قبل عالمٍ شاّبٍ مغمور
يعمل في دائرة تسجيل براءات الإختراع في (بيرن) في سويسرا
(يُدعى (ألبيرت آينشتاين
لنعرف عن (آينشتاين) وإكتشافه
(قمت بزيارة لـ (ميتشيو كاكو (عالم فيزياء في جامعة (سيتي) في (نيويورك
قال (آينشتاين) مرةً أنّ جميع الأفكار يجب وأن تُعرض للأطفال #ميتشيو كاكو - مؤلف كتاب العوالم المتوازية#
،وإن عجز الأطفال عن فهمها فالنظرية بلا جدوى
.عندما كان طفلاً، قرأ كتب الأطفال انتشرت الكهرباء في مطلع القرن
والناس أعجبوا بأسلاك التلغراف
وكان هناك كتاباً نشره (برنستين) يقول
تخيّل نفسك تتسابق جنباً إلى جنب مع إشارة تلغراف داخل السلك
هناك نعتقد تاريخياً أنّ (آينشتاين) خطر بباله فكرته المدوية، من كتاب أطفال
،عندما كان (آينشتاين) مراهقاً كان مُلهَماً بذكريات كتب الأطفال
لتخيل ما قد يحدث لو كنت تمتطي شعاعاً ضوئياً
لقد تأمّل هذه الفكرة للسنوات العشرة القادمة
وبدأ يُفكر بالضوء والزمن والفضاء
أدرك أن نظرية (نيوتن) التي تُفيد بأنّ الفضاء ،والزمن كانا راسخين بشكل قطعيّ
لا يمكن تطبيقها إذا اقتربنا من سرعة الضوء
إنطلاقاً من هذا الإدراك، صاغ ما أطلق عليه النظرية النسبية الخاصة
(في عالم (نيوتن ،الفضاء والزمن لطالما كانا منفصلين
إن كانت الساعة العاشرة على كوكب الأرض فالساعة العاشرة على كوكب الزهرة
فالساعة العاشرة على كوكب المشتري وهي العاشرة في سائر أنحاء الكون
كان الزمن كالسهم، متى ما رمتيه فلا يعود أبداً ولا يحيد أبداً
جاء (آينشتاين) وقال تريثوا قليلاً
الزمن كالنهر، نهرٌ يتسكع في الأرجاء حول النجوم يزيد من سرعته ويخفضها
،قطعاً إنّ الفضاء والزمن يتغيران ذلك قلب كل شيء
كل شيء نعرفه حول الذرات وحول الأجسام والكون تغيّر حالما تغيّر الزمن والفضاء أيضاً
برهن (آينشتاين) نظريته بالإستعانة بما أطلق عليه التجارب الفكرية
أشهر تجربة فكرية هي مفارقة التوأم
لديك توأمين على الأرض، تُرسل أحدهم على متن مركبة فضائية إلى الفضاء
وبالطبع فإن ذلك الشخص يتسارع بسرعة تلامس سرعة الضوء ويتباطأ أحياناً
فعندما يتلاقى الإثنين، فإن التوأم على متن مركبة الفضاء أصغر سناً من التوأم الموجود على الأرض
الزمن يدقّ بمعدلات مغايرة عبر الكون
اعتماداً على ماذا؟ - اعتماداً على سرعتك المتجهة -
كلما تحركت بشكلٍ أسرع كلما تباطأت دقّات الزمن
لقد أجرينا الآن هذه التجربة على نطاق ضيق بوجود رائد فضاء يحوم في المدار، صحيح؟
صحيح، إن كان لديك رائد فضاء في الفضاء الخارجي فالزمن يدقّ أبطأ عند محطة الفضاء
.لهذا تأثير على جميع الأقمار الإصطناعية انظر لأقمار أنظمة التموضع العالمي
تخال أنها دقيقة جداً فيمكنك تحديد موقعك ضمن مساحة ستة أمتار على كوكب الأرض
حتى تُحدد الشارع الكائن فيه - صحيح -
فالأقمار الإصطناعية إذاً تسير حول الأرض بسرعة كبيرة تبلغ 29 ألف كم/ساعة
لذلك عليك أخذ النسبية بعين الإعتبار
الآن إن كانت الساعتان ليستا متزامنتين
إن كانت ساعة الفضاء الخارجية تدق أبطأ من ساعة كوكب الأرض
حينها يكون نظام التموضع العالمي عديم الجدوى
،بعد أشهر قليلة من نشره نظريته عن النسبية الخاصة تبعها (آينشتاين) بإكتشافنا العظيم التالي
أشهر معادلة كُتبت على مدار التاريخ
( الطاقة(ط)= الكتلة(ك) * مربع سرعة الضوء (س^2
"ط" تساوي "ك" في مربع "س" لعلها أشهر معادلة معروفة
ما مصدرها؟
استخدم (آينشتاين) النسبية ليبين أنه مع اقترابك من سرعة الضوء تحدث تشوّهات غريبة
تتباطأ دقّات الزمن، يتقلص الفضاء ويثقل وزنك
كلما تحركت بسرعة أكبر ازداد وزنك
فكّر بهذا الآن، تحوّلت طاقة الحركة لتجعلك أثقل
ك" أتت من السرعة المتجهة" والطاقة
،إليك كيف فعلها، لقد تخيّل وميض وميضٌ يضرب شعاعاً ضوئياً
،إنه يعرف تماماً مقدار الطاقة الخارجة من الوميض لكّن الوميض الذي بيّنه أخفّ وزناً
وزن الوميض أقل عند مقابلته للشعاع الضوئي
لذلك فإن "ط" الضوء مكتسبة من "ك" الوميض
"والمعدل هو مربع "س هكذا جاء بالمعادلة
أشارت المعادلة أيضاً أنّ الطاقة الهائلة تحتوي مقداراً قليلاً من المادة
افترض أنّي رميت كرة بيسبول وأنت التقطتها
كلما زادت سرعة الرمية زاد مقدار طاقتها
لكن ماذا عندما تبلغ مرحلة السكون؟ عندما استعرض (آينشتاين) المعادلة
وجد أنها تمتلك مقداراً كبيراً من الطاقة حتى وهي في وضع سكون
في الواقع عندما تقوم ببعض الحسابات فيتبين أنها تمتلك طاقةً هائلة
كان اكتشاف (آينشتاين) وثبةٌ عملاقة في مجال العلم
كان بمثابة اللمحة الأولى الحقيقية على طاقة الذرة
بينما كان العلماء يُجاهدون محاولين استساغتها
ألقى اكتشافنا التالي العظيم الإثارة في مرمى العلم مجدداً
نظرية الكم
وثبة كمّية هي أصغر وثبة ممكنة في الطبيعة
لكن ثبت وأنها خطوة هائلة في التفكير
الأجسام دون الذرة كالإلكترونات
بوسعها التنقل من نقطة لأخرى دون أن تشغل أيّ فراغ بينهم
إنه أمرٌ مستحيل في عالمنا لكنه نطاق شائع حول الذرة
في عالم دون الذرات، الذرات ومكوناتها يحكمها مجموعة قوانين مغايرة تماماً لما ينطبق
على أجسام المادة الأكبر
(وصف عالم ألماني يُدعى (ماكس بلانك هذه القوانين بما دعاه نظرية الكمّ
وهي اكتشافنا العظيم التالي
ظهرت نظرية الكم في القرن الـ 19 فقد كان هناك أزمة فيزياء على درجة كبيرة
أزمة؟ - أزمة -
ستُكتشف ظاهرة جديدة (تنتهك قوانين (نيوتن
السيدة (ماري كيوري) فرضاً نقّحت شيئاً يُدعى راديوم
يملك الراديوم خاصية سحرية بتوقده في الظلام
،كانت الطاقة تصدر من العدم وكانت الجسيمات تصدر من العدم
فنّد ذلك قانون حفظ الطاقة كانت الطاقة تصدر من العدم
حوالي القرن التاسع عشر اعتقد الناس أن الطاقة لا تفنى
وأنه يُمكن تجزأة الكهرومغناطيسية لأصغر أجزاءها دونما نهاية
وحوالي القرن التاسع عشر أيضاً تحلى الفيزيائي العظيم (ماكس بلانك) بالشجاعة
لقوله أن الطاقة تُوجد في حزم تُسمى الكمّ
وماذا دعاه لقول ذلك؟
لإنك لو افترضت أن الضوء سقط على هذه الحزمة
لأمكنك حينها تفسير شتى أنواع الظواهر المختلقة التي كنّا نراها
ففي المستوى الأساسي من مستويات الذرة هناك تأثيرٌ كمّي، فالطاقة تُوجد في حزم
عنى ذلك بالمناسبة أنّ المادة تمتلك خاصية موجية
وهذا ما نُطلق عليه ميكانيكا الكم؟ - أجل صحيح -
لم تكن الآن تلك هي الطريقة التي يُفترض وأن يكون الكون مبنيٌّ عليها
،كانت الذرة ككرة البولينغ كيف لكرة البولينغ أن تتمتع بخواص موجية؟
حتى العام 1925، كتب العالم (الفيزيائي النمساوي (إرفين شرودنغر
معادلة الموجة التي تحكم الإلكترون
،هذه إحدى أعظم إنجازات فِكر الإنسان صرنا فجأةً قادرين على ولوج الذرة نفسها
إذاّ فالذرات أمواج، والذرات جسيمات لكن هناك ترابط غامض يعتريها، صحيح؟
أصبت، بعدها ببعضة سنين
أقدم (ماكس بورن) زميل آينشتاين) على الخطوة الجديرة بالثقة)
كان السؤال المطروح: إن كانت المادة موجة فما هو التمويج؟
قال (ماكس بورن) إنّ التمويج هو إحتماية إيجاد الذرة في أي نقطة معطاة
أحياناً نُعطي طلابنا الخريجين المسألة
احسب احتمالية تلاشيك وتجسيدك مجدداً في الناحية الأخرى من الجدار
إنّ هذا منافٍ للعقل
أنّى لك أن تستيقظ صباحاً فتجد نفسك على المريخ؟ أنّى أن تخلد للنوم فتستيقظ على المشتري؟
إنه ضربٌ من الجنون، ومع ذلك يُمكنك حساب إحتمالية حدوثه
إحتماليته ضعيفة - ضعيفةٌ جداً -
حتى لو اضطروا للبقاء أحياءً حتى دمار الكون
لكن بالنسبة للإلكترون، فالأمر يحدث دائماً ذلك ما نُمسيه بالإلكترونيات
جُل عجائب العصر الإلكتروني الحديث وأشعة الليزر والرقائق الإلكترونية تُشير جميعها في النهاية
أنّ الإلكترونات التي تجهل عن مكانها يُمكن أن تتواجد في مكانين في الوقت نفسه
كيف يعقل وأن تتواجد في مكانين في الوقت نفسه؟ لإنك في الحقيقة تجهل أين مكان الأشياء
سبّب هذا متاعب كثيرة حتى أنّ آينشتاين) فرغ أخيراً من نظرية الكم)
وقال: لا يمكنني تصديق أنّ الربّ يلعب النرد مع الكون
،مع كل ذلك الغموض وتنامي الشك ظلّت نظرية الكم أفضل نموذج نملكه
لعالم دون الذرة
طبيعة الضوء
:طرح القدماء سؤالاً جوهرياً مما صُنع الكون؟
ظنوّا أنه مصنوع من التراب والهواء والنار والماء
لكن إن كان العالم يتكون مما سبق، فما عساه الضوء إذاً؟
لا يسعك وضعه في صندوق لا يسعك هزّه أو لمسه
سريع الزوال إلاّ أنه في كل مكان
الضوء في كل مكان ولا مكان والجميع يدرك وجوده بديهياً
لكن السؤال هنا، ما هو الضوء؟
وتلك متلازمة الفيزياء لآلاف السنين
!متلازمة الفيزياء؟
برغم ذلك، ألا يصنع هذا الحدث يومك؟ أليس سبباً يدعوك لزيارة المكتب؟
(صحيح، لهذا يلجأ بعض أعظم العقول لـ (نيوتن الذي وضع أول دراسة حاسمة عن طبيعة الضوء
نيوتن) على سبيل المثال) استعمل الضوء الأبيض من الشمس
ووجهه عبر منشور وبيّن أن جميع ألوان قوس المطر تُستخلص من الضوء الأبيض
،موضحاً أنّ الضوء الأبيض مركب حقيقي مزيج من الأحمر والبرتقالي والأصفر والأزرق
هل أمكنه تكوينه أيضاً؟
أجل، برهن أيضاً أنّ ألوان الطيف المرئي الأحمر والأصفر والبنفجسي يُمكنها الإمتزاج لخلق الضوء الأبيض
فكّر (نيوتن) بالضوء على أنّه
جُسيمات، أطلق عليها كُريات ضئيلة جداً تصنع سيلاً يُسمى ضوءاً
،إذاً بات لدينا أول نظرية عن الضوء حقيقة أنّ الضوء قائم على الجسيمات
إلاّ أنّ هناك نظرية بديلة، نظرية منافسة لنظرية (نيوتن) تقول أنّ الضوء موجة
(وقد كان هناك شخص يُدعى (يانغ برهن منذ سنوات أن الضوء يمتلك خواص موجية
،خذ ركوب الأمواج فرضاً كل راكب يعلم أن بوسعه ركوب موجة محيط
،لكن إن أقبلت عليك موجة ثانية من زاوية أخرى تتداخل الموجتان، فتعطيانك نمطاً متداخلاً
وحينها إن لم تتوخى الحذر قد تتسبب في مصرعك
أظهر (يانغ) ذلك مع الضوء
جعل الضوء يشعّ عبر ثقب متناهي الصغر
وجاء بثقب آخر يشع منه الضوء وجعل تلك الموجتان تتصادمان مع بعضهما البعض
فنتج عن ذلك نمطٌ متداخل جميل
لدينا الآن إذاً نظريتين منافستين للضوء
نظرية (نيوتن) بأنّ الضوء يتّسم بخواص جسمية ونظرية (يانغ) والآخرون بموجية الضوء
الآن إنه (آينشتاين) من خطا الخطوة التالية
،عندما قال (آينشتاين)، وهنا تقع عبقريته قال لعلّ الإثنان محقان
لعل (نيوتن) برهن أن الضوء يمتلك خواص جسمية وبرهن (يانغ) أن للضوء خواص موجية
وأنّ الإثنين عبّرا بطريقة مختلفة عن الشيء نفسه
تخيل الضوء كالفيل
فإذا لمست الخرطوم تحسب الفيل ثعباناً
،وإذا لمست قدميه تحسب الفيل شجرة برغم ذلك فإنّ الفيل جامعٌ لكل هذه الميزات
،لذا جاء (آينشتاين) بمفهوم الإزدواجية إزدواجية الخواص الجسمية والموجية
ما الذي أمامنا؟
،لدينا هنا شعاع ليزر غازيّ الهيليوم والنيون إنه يشعّ ميلّي واط من الطاقة
وهو يبرهن أن للضوء طبيعة جسمية وموجية على حدٍ سواء
انظر لهذا، يبدو حقاً وأن الضوء يتكون من جسيمات
إنه شعاع دقيق وشديد التماسك ما يعني أن جميع الأمواج تهتز بتناغم
هذا إن كانوا أمواج - صدقت -
يضرب الشعاع الآن هذه الدعامة الثنائية وهنا يبدأ الشعاع بالتداخل مع نفسه
تبدأ الأمواج بالتقاطع وأخرى تخلق هذا النمط
إذاً كما شاهدنا هنا تبدأ الموجة بالتشتت
،الآن لو كانت الأمواج مجرد فوتونات ،أجسام أحادية، ستكون هذه نقطة حمراء بسيطة
،لكنها ليست نقطة حمراء إنها أشبه بهيئة الموجة
يُبرهن ذلك في تجربة واحدة طبيعة الضوء المتصفة بأنها جسيمية وموجية، أي ازدواجية الضوء
تطلب الأمر ناتج مجهودات ثلاث عباقرة عبر ثلاثة قرون
لمساعدتنا في فهم الضوء كما نعرفه اليوم
لولاهم، لعلنا نعيش اليوم في العصور المظلمة
النيوترون
الذرة، صغيرةٌ لدرجة يصعب تصورها
تستوعب حبة رملة واحدة 72 على يمينها 18 صفر من الذرات #72000000000000000000#
معرفة ما تتكون منه الذرة قادنا إلى إكتشافنا العظيم التالي
(لمعرفة أحداث القصة، قصدت مختبر (فيرمي (خارج (شيكاغو) لمقابلة عالم الفيزياء (جون وورميرسلي
حتى قبل مئة عام علم الناس حجم أهمية الذرة
وخطر لهم أنّ الإلكترونات والبروتونات تنتشر بإنتظام دقيق عبر الذرة
وأطلقوا عليه نموذج طبق الحلوى المزيّن بالزبيب
فقد جاء ببالهم أنّ الإلكترونات كالزبيب على كعكة فاكهة ينتشر داخل حشوة الكعكة
،في مطلع القرن التاسع عشر
أجرى الفيزيائي (إيرنست رذرفورد) تجربةً ليتعرف بصورة أدق على بنية الذرة
أطلق جسيمات "ألفا" المشعة صوب صفيحة رقاقة ذهب
وقد أراد مشاهدة ما يحدث عندما يُصيب جسيم "ألفا" الذهب، خانته التوقعات فيما حدث
فمعظم جسيمات "ألفا" واصلت المسير دون انحراف ودون تغيير كبير في زاويتها
ماذا حدث إذاً؟ - وجد شيئاً مختلفاً تماماً -
ذكر أنّ الأمر كما لو أنّك أطلقت قذيفة مدفعية عيار 380 مم على منديل ورقي
وارتدت القذيفة عائدةً إليك
ارتدت بعض جسيمات "ألفا" مباشرةً من على رقاقة الذهب
فالسبيل الوحيد لحدوث ذلك هو وجود تركيزٍ للمادة عالي الكثافة في حيزٍ صغير داخل الذرة
وليس انتشارٌ كحبات الزبيب
أطلق (رذرفورد) على تركيز الكثافة العالي هذا بالنواة
(ما نقوم به هنا في مختبر (فيرمي مكملٌ لتجربته #ويليام جون ووميرسلي - فيزيائي#
نخلق تصادماً بين شعاعٍ من البروتونات وشعاع من نقيض البروتونات لنعرف مما يتكون البروتون
(بفضل اكتشاف (رذرفورد
بات العلماء يعلمون الآن أنّ بنية الذرة تشمل البروتونات والإلكترونات والنواة
لكن الفضل يعود لـ (جيمس تشادويك) تلميذ رذرفورد) بوضع اللمسة الأخيرة بإكتشافه للنيوترون)
"نحن نقف الآن داخل الكاشف "دي 0
وهو أحد كاشفات الجسيمات (في مُعجّل مختبر (فيرمي
ذلك الأنبوب هناك تدور فيه البروتونات ومضادات البروتون
ومرحلة التصادم تكون على مسافة أقدام من يمينك
وكل تلك الأدوات في الجوار هي المعدات التي نستخدمها في كشف نتيجة تلك التصادمات
يأخذنا هذا إلى تاريخ اكتشاف النيوترون إلى حدٍ ما
تمكن (تشادويك) من إجراء التجربة مبيّناً أن النواة تتكون من البروتونات والنيوترونات
استخدم (تشادويك) وسيلة كشف ذكية وهذا ما نحن بصدد فعله الآن
،لم يبني جهازاً ضخماً كهذا استخدم دهن الشمع
كالمستخدم في الشموع؟ - أجل صحيح -
ما فعله (تشادويك) بالشمع هو اعتراض الجسيمات المنبعثة من العملية الإشعاعية
وحينها باتت جميع المسائل واضحة
غيّر اكتشاف النيوترون التاريخ
في عام 1939، مجموعة علماء بقيادة الفيزيائي (إنريكو فيرمي) استخدموا النيوترون
،كرصاصة لشطر الذرة مشعلين فتيل العصر النووي
المواد فائقة التوصيل
يُعد مختبر (فيرمي) موطناً لأحد أكبر معجلات الجسيمات في العالم
حلقات تحت الأرض بطول 7.25 كيلومتر حيث تُعجّل جسيمات دون الذرة لتبلغ سرعة الضوء
ثم تصطدم مع بعضها البعض
يتطلب إنجاز هذا العمل عون اكتشافنا العظيم التالي
فائقات التوصيل
من هو مكتشف فائقات التوصيل؟ لماذا تُعد بالغة الأهمية؟
في وقت سابق للحرب العالمية الأولى في العام 1909 أو ما يقاربه
كان الفيزيائي الهولندي (المدعو بـ (هيكك كاميلنغ أونيس
أول من اكتشف طريقة تحويل غاز الهيليوم إلى سائل
ومتى ما أمكنه ذلك، تسنى له استعمال الهيليوم المُسال كسائل مُبرِّد لتبريد موادّ أخرى
أراد دراسة خواص المواد عند درجات حرارة منخفضة جداً
إحدى الأشياء التي اهتمّ بها الناس في حينها
كيف أنّ مقاومة المعدن الكهربائية على سبيل المثال تعتمد على درجة الحرارة
هل تزيد أو لعلّ مقاومتها ترتفع فرضاً عند درجات حرارة شديدة الإنخفاض
فجلب (أونيس) عينة زئبق نقية ووضعها في جهاز يُشبه هذا
وغمرها في سائل الهيليوم ووعاء تبريد
وقاس مقاومتها الكهربائية بينما كان يُخفّض الحرارة
ووجد أنه بينما تنخفض درجة الحرارة تقل المقاومة تدريجياً
وفجأةً عندما بلغ حرارة تبعد 4.2 درجة عن الصفر المطلق، انعدمت المقاومة
باتت صفراً مطلقاً
يُمكن لهذا الزئبق توصيل الكهرباء دون أدنى مقاومة دون فقدان للطاقة ودون إهدار للتيار مطلقاً
وذلك ما أطلق عليه الموصلية الفائقة
كي نشاهد الموصل الفائق يعمل على أحسن صورة
سننزل في هذا النفق الواقع تحت براري (إلينوي) بعشرة أمتار
(هذا نفق معجّل مختبر (فيرمي
لدينا في هذا النفق حلقة ضخمة من مغناطيس فائق الموصلية
الذي نستخدمه لتعجيل وإحتواء البروتونات ومضادات البروتون التي نستخدمها لدراسة خواص المادة
إنه نفقٌ طويل بمسافة 6.5 كيلومتر ولهذا حضّرنا وسيلة نقل لك
! يا لروعتها - أوليست جميلة - إنها كذلك -
فنحن نستخدم موصلات فائفة هنا
يُتيح الموصل الفائق سريان التيار الكهربائي دون إهدار للطاقة
يُمكننا استخدامهم لتوليد حقل مغناطيسي قوي وهذا ما نفعله هنا، هذه مغانط
نحن إذاً نستخدم المغانط للإبقاء على البروتونات ومضادات البروتون في حالة دوران متواصلة
(داخل معجل (تفيفترون حول هذه الحلقة الكبيرة
،إنهم يدورون بسرعة تقارب سرعة الضوء ذلك تفوق سرعتنا الحالية بـ 3000 كيلومتر/ث
إنها سرعة منعشة لتصلها بهذه العربة
يغمرني شعورٌ رائع - صحيح -
(تعجيل الجسيمات في مختبر (فيرمي يتطلب طاقةً هائلة
تزيد كلفتها عن مليون دولار من الإستهلاك الكهربائي شهرياً
لتبريد موصلات المختبر الفائقة لدرجة 265 مئوية تحت الصفر
حيث تتدفق عندها الكهرباء دون مقاومة
يكمن التحدي الفنيّ الآن بإيجاد موصلات فائقة تعمل عند درجات حرارة أعلى بتكلفة أقل
عودة إلى الثمانينيات، وجد باحثان في شركة (آي بي أم) في سويسرا نوعاً من المواد
يتمتع بخواص الموصل الفائق عند درجة حرارة أعلى بـ 38 درجة مئوية من هذا الجهاز
إنّ 38 درجة مئوية فوق الصفر المطلق لا تُعد أيضاً الدرجة التي نصبو إليها في مبرّدنا
بالطبع كأسنا المقدسة ستكون العثور على موصل فائق عند درجة حرارة الغرفة
ولو استغل ذلك في صناعة موصل كهربائي سيصنع ثورة عالمية
فجميع الأجهزة في بيتك التي تستخدم تياراً كهربائياً أو ماتورات كهربائية ستتغير لتكون أكثر كفاءة
الكوارك
يتبنى اكتشافنا التالي مسعى العثور على أصغر جزءٍ من المادة في الكون
اُكتشف الإلكترون أولاً
تلاه البروتون
وأخيراً النيوترون
،لدى العلم الآن نموذجاً جديداً للذرة مكعبات البناء الصغيرة التي تشكّل كل مادة
ومتى ما طُورت المعجلات القادرة على جعل جسيمات دون الذرة تتصادم مع بعضها بسرعة الضوء تقريباً
اُكتشفت بضع جسيمات جديدة ناتجة عن عملية الإصطدام
العديد منها في الواقع، حتى أنّ الفيزيائيون " صاروا يطلقون على الكتلة بـ "حديقة الجسيمات
في أواخر الأربعينيات ومطلع الخمسينيات عندما ظهر اكتشاف الجسيمات الغريبة
أعرت المسألة أهمية بالغة
،لكنه كان حقل علمي شاذ عندها لا يتطلع المرء للعمل به #ميري جيل مان-فيزيائي نظري#
(بدأ الفيزيائي الأمريكي (ميري جيل مان
يلاحظ أنماطاً في المصفوفة المربكة لجميع العناصر الجديدة في حديقة الجسيمات
استخدم ميزةً عامة لفصل الجسيمات في عائلات مختلفة
أثناء إجراء العملية عزل المكونات الأصغر لنواة الذرة
الأجزاء الحقيقية التي يتكون منها البروتون والنيوترون
كباحث نظري، لم أخال أنيّ حقاً سأكتشف أشياءً جديدة
،لكني فعلت ويمكنك أن تسميه اكتشافاً بطريقة ما
ما فعلته هو افتراضي أنّ النيوترون والبروتون لم يكونان أوليّين كما ظن الجميع
إنما كانا يتكونان من جسيمات أصغر تُدعى كواركات تتمتع بخصائص غريبة
صنعت كواركات (جيل مان) لجسيمات دون الذرة ما صنعه الجدول الدوري للعناصر الكيميائية
وحاز في عام 1979 على جائزة نوبل للفيزياء
تصنيفه لأجزاء المادة الأصغر أعاد النظام للفوضى التي تعاني منها حديقة الجسيمات
"أظن أنّ وقع كلمة "كوارك كان ملائم لهذه الوجودات الأساسية
يبدو اسماً ملائماً للوجودات الأساسية التي تتكون منها النيوترونات والبروتونات والميزونات
،لكني لا أعرف تهجئتها اعتقدت أنها ك-دبليو-أو-آر-كي
(لكن بينما كنت أقلّب صفحات كتاب (فينغانس ويك لـ (جيمس جويس) كما أفعل بين حين وآخر
لاحظت شطر قصيدة يقول "ثلاث كواركات لإجتماع مارك" #كواركات هنا بمعنى نعيق الغراب#
وقلت "ثلاثة" رقم هام للكواركات بعد كل شيء
"ولعله يجدر بي تهجئتها بـ "كيو-يو-إيه-آر-كي
آمن (جيل مان) بحقيقة الكواركات لكنه لم يتوقع أبداً لأحدٍ أن يجدهم
تنبثق إحدى أقدم الدلائل على صواب فكرة الكوارك (من تجارب صديقٍ لي في (معجّل ستانفورد الخطي
والتي تتناثر فيها الإلكترونات حول البروتونات
وما كانوا يفعلونه في الأساس هو إلتقاط صورة مجهرية إلكترونية للبروتون
ومن غير ريب، وجدوا ثلاث كواركات
القوى النووية
بحثنا عن إجابات للأسئلة التي تدور حول الكون المحيط بنا
حملنا من المستوى دون المجهري للذرة والكوارك لأبعد أقاصي المجرة وما بعدها
اكتشافنا العظيم التالي
يمثّل في الواقع خلاصة جهود قرون قدّمها رجال ونساء في مجال العلم
(منذ ظهور اكتشاف (إسحاق نيوتن) و(مايكل فاراداي اعتقد العلماء أنّ هناك قوتان أساسيتان في الطبيعة #الجاذبية، المغناطيسية#
لكن في عشرينيات القرن اكتشف العلماء أنّ هناك قوتان إضافيتان تعمل، تُعرفان بالقوى النووية #القوة الشديدة، القوى الضعيفة#
ما يمنحنا في الإجمال أربع قوىً أساسية في الطبيعة
تعمل كل واحدة وفق مدىً مختلف
لدينا الجاذبية التي تبقينا على الأرض
لولا الجاذبية لكُنا نهيم في الفضاء الخارجي بسرعة ألف ميل بالساعة
ذلك ما يبقينا على اليابسة - لكان أمراً عجيباً -
ولكان أفسد حياتك حقاً - سيمسي لعب البيسبول أمراً صعباً -
ستكون تختنق في الفضاء الخارجي - أجل هذه مجرد أشياء -
ثم لدينا قوة الكهرومغناطيسية المتمثلة بالضوء الذي يُنير العالم والراديو والتلفاز وكل تلك القوى الكهرومغناطيسية
ثم لدينا القوتين النوويتين اللتان تعملان وفق مدان ضيقان جداً
لدينا القوة النووية الشديدة التي تُحافظ على عناصر النواة معاً
والقوة النووية الضعيفة التي تعطينا النشاط الإشعاعي
وذلك ما يرفع حرارة مركز الأرض في الواقع
ذلك ما يبقي مركز الأرض ساخناً بعد بضع مليارات سنة
ذلك هو مصدر طاقة البراكين والزلازل والصفائح التكتونية
إنها القوة الضعيفة المتمثلة بوضوح بالحرارة
كيف لك أن ترصد القوة الضعيفة؟ كيف لك أن تعلم بوجودها؟
"نعلم أنها موجودة بفضل جهاز عدّاد "جايغر
يمكن لهذه الجسيمات الإنبثاق من الذرة وتمزيق ذرة أخرى
يولّد ذلك شحنة كهربائية صغيرة، يمكنك قياس "هذه الشحنة وهي تُصدر صوت طقطقة في عداد "جايغر
كيف تستبين شدة القوة النووية؟
القوة النووية الشديدة حكاية أخرى لإنها ما يحكم الذرات مع بعضها
ولهذا نحتاج محطمات ذرات
نحتاج صدم الجسيمات وتفجيرهم إلى شظايا
يقارن أحدهم هذه التجربة بمحاولة معرفة كيف يعمل البيانو لو ألقيته لينزلق على بيت الدرج
وتستمع لتلك الدندنات كلها بينما يتحطم البيانو منزلقاً على السلالم
،ذلك ما نفعله بالضبط نحن نحطّم الذرات تحطيماً
لدينا إذاً قوة الجاذبية وقوة الكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة والقوة الشديدة، ما التالي؟
نعلم أنّ القوى الكمّية يمكن تلخيصها بشيء يُدعى نموذجاً قياسياً
لعلها أقبح نظرية معروفة للعلم لكنها ناجحة جداً على مستوى دون الذرة
يحلو لي تصورها بجلب شريط لاصق ولصق آكل نمل وسمكة قرش وزرافة معاً
ثم أطلق على هذا الحيوان الشنيع أنقى نموذج تطوري للطبيعة
يفترض وأن يكون النموذج القياسي هو النظرية المطلقة
ومع ذلك هي نظرية قبيحة
ثم لدينا الجاذبية وهي جميلة وباهرة ورفيعة المستوى
تستند على سطوح منحنية
المرء يبكي لجمالها، يبكي الفيزيائيون (بحق عندما يشاهدون معادلة (آينشتاين
،ولا شك أنّ القوتان تندمجان معاً "يدعى ذلك بنظرية "معادلة الكون
النظرية التي توحّد القوى الأربعة في قوة واحدة عظيمة وُجدت منذ بداية الزمان
لا نعلم إن كنا سنرى قوة عظيمة تضم قوى الطبيعة الأربعة الأساسية
لا نعلم إن كان سيسعنا يوماً كتابة فيزياء نظرية معادلة الكون
لكن ما هو مؤكد
كل اكتشاف يقودنا لإستطلاع أكثر
ونحن البشر مخلوقاتٌ محبة للإستطلاع تقودنا غريزة الإدراك والإطّلاع والإستكشاف
ترجمة مهند مسلّم frozendocs.blogspot.com