[البالود]

إما فيزياء أو جمع طوابع !

دائماً ما حاول الإنسان تفسير الكون من حوله. ففي الحضارات القديمة، جعل الإنسان الكواكب والشمس والقمر آلهة. كما أنه فسر الظواهر الطبيعية بقدرات خارقة لهذه الآلهة . فالعواصف هي معارك بين الآلهة و الكوارث التي تنزل بالبشر هي غضب لهذه الالهة.
ثم جاء أرسطو ورأى أن الأرض ثابتة و هي مركز الكون و الشمس والكواكب تدور حولها. ثم رسم بطليموس منظومةً تجعل الأرض هي المركز والكواكب والشمس تدور حولها في مدارات دائرية و تنتهي بطبقة أخيرة تلف الكون الذي نراه و هي سماء مليئة بالنجوم البعيدة التي لا يعرف ما بعدها. و كان هذا التصور موافق للتصورات الدينية لأنه يجد مكاناً للفردوس والجحيم. ثم يأتي تصور نقولا كوبرنيكوس الذي جعل الشمس هي مركز الكون، تدور حولها الأرض و بقية الكواكب. ثم يأتي منظار جاليليو ليكون هو الفاصل بين كل هذه التنظيرات وتكون المشاهدة هي الدليل على أن الأرض هي التي تدور حول الشمس.




::. أرسطو

تطورت نظرة الإنسان للكون و لتفسير ظواهره مع إجراء التجارب والحسابات وتطبيق المنهج العلمي.
مع نيوتن، أصبح المكان نسبياً ولكن ظلّ الزمنُ مطلقاً. و على هذا الأساس، بُنيت قوانينه و تم تحديد سرعة الأجسام بدقة و وتم تحديد المسافة التي تقطعها. وقدم نيوتن تفسيراً لسبب كون مدارات الكواكب حول الشمس اهليلجية.
و مع اكتشاف قوانين الثرمودايناميك والنظرية الحركية و الميكانيك الإحصائي و مع اكتشاف الكهرباء وابتداء العصر الميكانيكي أو عصر الآلة، أصبح علم الفيزياء علماً مكتملاً بلا ثغرات في نظر الفيزيائين. و مع نظريات ماكسويل و اكتشافاته في مجال الكهرومغناطيسية، أصبح علماءُ القرن التاسع عشر يعتقدون أنهم وصلوا إلى نهاية العلوم والاختراعات.

وينسب الى ألبرت ميكلسون رئيس قسم الفيزياء في جامعة شيكاغو عام 1899قوله :

“في حين أنه ليس من المأمون أبدا بأن مستقبل العلوم الفيزيائية يخبئ أعاجيب أكثر إثارة للدهشة من روائع الماضي، إلا أنه يبدو من المحتمل أن تكون أغلب المبادئ الأساسية الكبرى قد استقرت بصورة راسخة، وأنه ينبغي البحث أساساً عن المزيد من الانجازات والتطبيقات الدقيقة لهذه المبادئ على جميع الظواهر التي تلفت أنظارنا ..”

لكن، مع اكتشاف الأشعة السينية والذرات المشعة، والأهم من ذلك حلُّ معضلة تفسير اشعاع الجسم الأسود، ظهرت فيزياء جديدة تحكي عن الانقطاع والكمّات بدل الاتصال والسببية وتحكي عن ثنائية الجسيم والموجة؛ فالجسيمات هي موجات والموجات جسيمات.
ففي عام 1900م ، كان ماكس بلانك يرصد اشعاع الاجسام الحارة والغيرعاكسة ( ما يطلق عليها اسم الجسم الاسود) ويحاول تفسير ظاهرة تغيُّر شدة الاشعاع مع الطول الموجي. ما جاء به بلانك هو أن الفعل كمومي وما يعرف بثابت بلانك هو وحدة كمّ الفعل أي أن الاشعاع جسيمي و ليس موجي كما كان عند ماكسويل.





::. ألبرت آينشتاين و ماكس بلانك


عند ماكسويل، كان تصوره للاشعاع على أنه موجات. ولكن العمل الثوري الذي قدمه بلانك وضّحَ لنا أن الاشعاع عبارة عن جسيمات.
في عام 1905م، ظهرت فكرة الفوتون لأول مرة على يد آينشتاين، حيث شرح أن الضوء عبارة عن كمّات طاقة تسمى فوتونات. هذه الفوتونات جسيمات لها خواص الموجات. لقد شرح الطبيعة الجسيمية للضوء و هذا هو بداية الثنائية.
وفي نفس هذا العام، وضع آينشتاين الخطوط العريضة لنظريته النسبية والتي من أهم فروضها أن سرعة الضوء ثابتة بغض النظر عن سرعة المصدر الضوئي أو حركة المشاهد. والفرض الآخر هو أن السرعات لم تعد مطلقة، لأن الزمن أصبح نسبياً.
كان تصورنا للزمن كخط مستقيم ممتد من الماضي إلى المستقبل، خطاً مستمراً ثابثاً. كان الزمان و المكان مقدارين مستقلين يشكلان مسرحاً للحوادث ولكن مع النظرية النسبية، أصبحا مقدارين يؤثران ويتأثران وتغيرت نظرتنا للعالم إلى عالم متحرك ديناميكي.
لتحديد موقع جسيم في ما في الفضاء، نحتاج إلى أربعة أعداد هي إحداثيات في فضاء ذي أربعة أبعاد يسمى الزمكان.
كانت الجاذبية في نظر نيوتن قوة تقرب بين جسمين تزداد بازدياد كتلتيهما وبقِصَرُ المسافةِ بينهما. الفكرة الثورية التي قدمها آينشتاين هي أن الجاذبية لم تعد قوة، لكنها نتيجة لانحناء الزمكان. فالأرض تدور في مدار منحنٍ حول الشمس، ليس بسب قوة جذب ببن الأرض والشمس، و لكنها تسلك مساراً أقربَ إلى الخط المستقيم في فضاء الزمكان المنحني.
وفي عام 1911م، اكتشف رذرفورد – أبو الفيزياء النووية – أن للذرة نواة. كان ذلك حين قام بالتجربة الهامة التي أطلق فيها جسيمات ألفا على رقائق الذهب فلم تسر الجسيمات كلها في خطوط مستقيمة بل انحرف بعضها وارتد بعضها الآخر لانها اصدمت بجسم ثقيل هو نواة الذرة..

وقد بلغت الثقة بايرنست رذرفورد (توفي عام 1937م) درجة حتى قال :

” كل العلم إما علم فيزياء أو جمع طوابع.”

::. ايرنست رذرفورد


في عام 1917م، نشر آينشتاين بحثه في خواص الفوتون. إن الفوتون، عند آينشتاين، ينطلق كطاقة عند انتقال الالكترون من مدار ذي طاقة أعلى إلى مدار ذي طاقة أقل. وشرح أيضا كيفية تحفيز الفوتون بفوتون آخر له نفس الطول الموجي مما ينتج لنا اشعاعاً شديداً هو ما يعرف اليوم بالليزر (أن نجبر الذرات على ان تبعث فونوناتها معا وهي متطاورة او لها نفس الطول الموجي). و كلمة ليزر Laser هي الحروف الأولى من
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
ميكانيكا الكم تمثل ثورة في علم الفيزياء لأنها أدت إلى انهيار معتقدات كانت سائدة وغيرت مفهوم الحقيقة وطبيعة المادة وكيفية رؤيتنا لها. و أهم مبدأ تقوم عليه هذه النظرية هو مبدأ اللايقين – أو الارتياب الذي قدمه الفيزيائي هايزنبرغ. كان هايزنبرغ لاحظ أنه عندما ندرس حركة الالكترون أوالجسيم ونحاول تعيين موقعه، فإننا نخطئ في تحديد سرعته بدقة. وعندما نلاحظ سرعته بدقة فإننا نخطئ في تعيين موقعه بدقة. وعلى أساس مبدأ اللايقين هذا، فإن الالكترونات تتصرف في بعض الظروف كأمواج لأنها غير ذات موقع معين بل منتشرة في حيز حسب توزيع محتمل. وتتصرف في أحيان أخرى كجسيمات. لقد وجدنا أن للأجسام ( الالكترون) طبيعة موجية كما وجدنا أن للموجات ( الضوء مثلا) طبيعة جسمية. إن تصوراتنا للعالم من خلال مكانيكا الكم هو محض حسابات في الاحتمالات والامكانيات ولا حقيقة ثابتة كما عودتنا الفيزياء الكلاسيكية القديمة. إن هذه النظرية هي التي جلبت لنا ثورة التقنية الحديثة التي أسست للترانزيستور وشرائح السليكون فكان التلفزيون والكمبيوتر والشاشات الدقيقة والراديو والهواتف وتفسر هذه النظرية الكيمياء الحديثة والبيولوجيا.


::. هايزنبرغ الشاب

تحول العالم من العصر الميكانيكي الى العصر الكمّي أو ما نسميه بالعصر الكتروني. عند بداية ظهور ميكانيكا الكم وجد العلماء التقليديون انها مجرد نظريات لتفسير اشعاع الجسم الأسود وأطلق عليها بعضهم اسم “فيزياء الأولاد” لأن هايزنبرغ و دي برولي و شرودنجر كانوا مجرد شبان ( هايزنبرغ كان عمره 26 عاما حين وضع مبدأ اللايقين). ولكن مع تطور تطبيقات هذه الفيزياء و تقديمها تفسيرا جديداً لمعظم تفسيرات النظريات القديمة وتفوقها عليها، أصبحت أهم فروع الفيزياء.
فيزياء الكم تشرح فيزياء الجسمات الصغيرة ( الذرة فما أصغر). وكلما صغرت الجسيمات كان تأثير قوانين الكم أكثر وضوحاً وفعلاً. قد تكون فيزياء الكم لدى البعض، فيزياء أشباح لأنها تتعامل مع أجسام غير مرئية ولكن أثر هذه الأشباح كبير. فمن يتخيل حياتنا من دون رقاقات الكترونية و ترانزستورات وأجهزة بشاشات وبدون التلفزيون و والكمبيوتر و بدون اشعة إكس والليزر والمجاهر الالكترونية و بدون ذاكرات نحملها في جيوبنا وحصليتنا الكبيرة من الاختراعات الحديثة التي تتقدمها تقنية النانو. صحيح أن واضعي قوانين فيزياء الكم و مؤسسيها لم يحلموا يوما بكل هذه الاختراعات، لكن قوانينهم و نظرياتهم مازالت حافزاً على مزيد من الاختراعات.
في عام 1995 قام العلماء بتجربة تمرير الضوء في مُكَثف آينشتاين وبوز (تبريد الالكترونات لدرجة التكثيف حتى يصبح طولها متداخل أو متراكب لتصبح حركتها بطيئة جداً حتى تكاد تكون معدومة). أهم ما نتج عن التجربة هو أن الضوء قلّت سرعته عند مروره في المُكَثف. و ما يطمح له العلماء الآن هو إبطاء الضوء لدرجة حتى يتمكنوا من تخزين ونقل المعلومات بواسطته بدلاً من الالكترونات. و يتخيل العلماء أن اشكال الكمبيوتر و والمعالجات ستتغير خلال السنين القادمة. و الكمبيوترات الكمومية قادمة و كل ما يحتاجه العلماء هو بعض الوقت.
رغم كل ما قدمت هذه النظريات من ثروة و رغم أهميتها العملية‘ فإنها قد تبدو صعبة الفهم على الكثيرين. والكثير من طلابنا و خريجينا لم يشعروا بقيمتها ويرونها مجرد فلسفة محضة و نظريات أشبه بالطلاسم. ونجد خريج علوم أو هندسة الحاسب الآلي يستخف بميكانيكا الكم في حين أن هذا الحاسب الذي يعمل عليه هو أحد تطبيقاتها. و نجد طبيباً يستخف بفكرة الزمكان وبالنسبية في حين أنه يخضع مريضه إلى العلاج بالاشعاع ويصور أعضاء المرضى بالأشعة الفوق صوتية (Ultra Sound ) أو يصحح نظر مريضه بالليزر وكلها تطبيقات للفيزياء الحديثة. إن من نسميهم فنيي أشعة في المستشفيات ما هم إلا فيزيائين.
مازالت نظرية الكم والنسيبة متناقضتان ولكن الفيزيائيين يعتقدون أنهم في الطريق إلى جمع هاتين النظريتين فيما يسمونه (بالتوحيد الكبير) أو ( نظرية كل شيء). من ضمن هذه المشاريع التوحيدية الكبرى هو العمل على اثبات فرضية (الأوتار الفائقة) وتعتبر نظريات ستيفن هوكنغ في تفسير الثقوب السوداء و اشعاع الثقب الأسود من أوائل المحاولات الناجحة في الجمع بين النظريتين حيث استخدم مبدأ اللايقين وميكانيكا الكم في النظرية النسبية. ويشتغل بعض العلماء اليوم في المصادمات العملاقة من أجل خلق أكوان جديدة ومعرفة كيف بدأت الحياة.

::. زينب أبو حسين

مصادر:

1. قصة الفيزياء، لويد متز و جيفرسون هين ويفر
2. البحث عن اللانهاية، حل أسرار الكون، غوردون فريزر و ايغيل ليلستول و إنجه سيليفاك
3. موجز تاريخ الزمن، ستيفن هوكنج
4. أساسيات الفيزياء، ف. بوش
5. من الذرة إلى الكوارك، سام تريمان – عالم المعرفة 327

.

وتقبلي خالص الود والتقدير