تُعرف خرائط التدفق «flowcharts» بأنها مخططات توضح تسلسل الخوارزمية من البداية حتى النهاية وهي عبارة عن تمثيل مرئي لتسلسل الخطوات والقرارات اللازمة لأداء المهمة المحددة.
تجدر الإشارة إلى أنه لا توجد معلومات واضحة حول مخترع هذه الخرائط ولكن أول معيار موحد لخرائط التدفق قدّمها الزوجان “فرانك وليليان جيلبرت” في عام 1921 في عرض تقديمي لأعضاء الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين بعنوان:” مخططات العمليات: الخطوات الأولى في إيجاد أفضل طريقة للقيام بالعمل”.
بعد ذلك، في ثلاثينيات القرن الماضي، قام المهندس الصناعي “ألان إتش موجينسن” بتدريب بعض المشاركين في مؤتمرات تبسيط العمل في نيويورك. بدأ المشاركون من هذا المؤتمر مثل “أرت سبياتجر” و”بِن جراهام” في استخدام خرائط التدفق في مجالات تخصصهم، مما ساعد في نشر استخدام مخطط التدفق.
كانت هذه الخرائط وسيلةً شائعةً لوصف خوارزميات الحاسوب ولا تزال تستخدم لهذا الغرض. يمكن اعتبار التقنيات الحديثة مثل مخططات لغة النمذجة الموحدة «UML activity diagrams» على أنها امتداد لخرائط التدفق.
في سبعينيات القرن الماضي، انخفضت شعبية خرئط التدفق عندما أصبحت طرفيات الحاسوب التفاعلية ولغات البرمجة من الجيل الثالث أدواتً شائعةً للتجارة، إذ يمكن التعبير عن الخوارزميات بشكل أكثر إيجازًا كرمز مصدر في مثل هذه اللغة، بالإضافة إلى التعقيد الشديد الناتج عن استخدام خرائط التدفق لوصف الخوارزميات التي تحتوي على أوامر التنقل والقفز.
من اليسار الزوجان فرانك وليليان ومن اليمين المهندس ألان موجينسن وبن جراهام
الرموز المستخدمة في تمثيل خرائط التدفق
رمز طرف المخطط: ويُمثل بإطار بيضاوي .
الإدخال أو الإخراج: ويُمثل بشكل متوازي الأضلاع ويستخدم لإدخال البيانات أو لعرض النتائج .
العملية أو المعالجة: تُمثل بإطار مستطيل ويستخدم للعمليات الحسابية أو عمليات المعالجة.
اتخاذ القرار: ويُمثل بشكل معين ويشير إلى وجود تفرع في العملية لاتخاذ قرار معين.
خطوط الاتجاه: تشير إلى اتجاه سير العملية.
الرموز المستخدمة في خرائط التدفق
توجد العديد من الأنواع لخرائط التدفق المستخدمة في تمثيل الخوارزميات كخرائط التدفق التتابعية البسيطة وهذا النوع يخلو من التكرارات والتفرعات بعكس خرائط التكرار البسيط والمعقد وخرائط التفرع التي تتضمن اختيار القرارات وفيما يلي مثال توضحي بسيط لخريطة تدفق تحوي كل من التكرار والتفرع في نفس الوقت. دعنا نطلق على هذا المخطط اسم خريطة التدفق للاستيقاظ من النوم كما هو موضح بالصورة التالية.
خريطة التدفق للاستيقاظ من النوم
التركيب اللغوي والجُمل والتعبيرات في لغات البرمجة
يُعرف التركيب اللغوي «syntax» بأنه القواعد التي توضح كيفية استخدام لغة فكما للغات البشرية قواعد نحوية خاصة بها، يوجد كذلك لغات قواعد خاصة بكتابة الجمل في لغات البرمجة.
إن أخطأت سهوًا في كتابة جملة ما ستظهر لك رسالة «syntax error» والتي تدل على أن هنالك خطأ نحوي في الكود البرمجي فمثلا في برنامج الماتلاب يوجد الأمر الشهير «clc» الذي يقوم بمسح نافذة الأوامر.
في حالة كتابة «cls» بدلًا عن «clc» سيتظهر لك رسالة «syntax error». وأيضًا في لغة البايثون «Python»، تُكتب كلمة “print” دائمًا بأحرف صغيرة ثم يتبعها وسيط – الشيء الذي تريد طباعته-. إذا لم تكتب (“print (“Hello World تمامًا كما هو موضح هنا، فستتلقى خطأً في التركيب اللغوي للجملة.
تختلف الجمل تبعًا للغات البرمجة وأيضًا في لغة البرمجة نفسها هناك جمل بسيطة وجمل معقدة وبشكل عام تحتوي الجملة الواحدة على واحد أو أكثر من العناصر التالية:
بيانات الإدخال: – على سبيل المثال، اسأل المستخدم سؤالاً أو اجمع قيمة من جهاز استشعار.
بيانات المعالجة: – على سبيل المثال، أضف قيمتين معًا أو اتخذ قرارًا عندما تصل القيمة إلى مبلغ معين.
بيانات الإخراج: – عرض بعض النتائج أو تشغيل صوت.
التعبيرات: يتم استخدام التعبيرات داخل الجُمل عند التعامل مع القيم. على سبيل المثال، 2 + 2 هو تعبير يُرجع قيمة 4. أما في برنامج حاسوبي، من الممكن أن يكون ذلك تعبيرًا لحساب عمرك. وبهذا نصل إلى نهاية مقالنا الذي تحدثنا فيه عن خرائط التدفق والتعابير والتراكيب اللغوية في البرمجة.لقراءة الجزء الأول من سلسلسة تعلم الخوارزميات اضغط هنا.
سلسلة تعلم الخوارزميات: ما هي الخوارزميات؟ تُعرف «الخوارزميات-Algorithms» بأنها مجموعة من الخطوات المحددة والمتسلسلة التي تنفذ من أجل حل مشكلةٍ ما أو من أجل تنفيذ مهمة محددة. في عصرنا الحالي يكاد لا يخلو أي علم من تطبيق مفاهيم الخوارزميات بأشكالها المختلفة ويشاع استخدام الخوارزميات في مجال علوم الحاسوب ولكن الخوارزميات ليست بمفهوم حديث النشأة بل ظهر مفهومها بشكل أو بآخر في الحضارات القديمة وسميت بهذا الاسم نسبة إلى العالم محمد بن موسى الخوارزمي الذي أوجد هذا المصطلح في القرن التاسع الميلادي.
ما هي الخوارزميات في علم الحاسوب؟
تعرف الخوارزميات في علم الحاسوب بأنها مجموعة من التعليمات البرمجية التي ينفذها الحاسب الالي لتحقيق مهمة معينة. تُنفذ هذه التعليمات على مجموعة من البيانات تعرف باسم المدخلات ونتيجة لذلك نحصل على حل للمشكلة المحددة ويعبر عنه بالمخرجات. تتباين الخوارزميات من حيث درجة الصعوبة وطريقة البحث عن الحل فقد تكون سهلة كمثال معرفة ما إذا كان الرقم زوجيًا أم فرديًا أو قد تكون بالغة الصعوبة مثل خوارزمية معرفة أقصر الطرق مسافة للوصول إلى مدينة معينة عبر المئات من الطرق المتاحة. بداية تكتب الخوارزمية بصيغة الكود الزائف «اpseudo code» وهي طريقة منطقية لكتابة الأوامر ولكن ليست شفرة برمجية حقيقية فعلى سبيل المثال يمكن كتابة خوارزمية تحديد ما إذا كان العدد زوجيًا أم فرديًا بصيغة كود زائف بالطريقة التالية:
قم بإدخال عدد معين X
اقسم العدد المدخل على الرقم 2
إذا كان ناتج القسمة بدون باقٍ فإن العدد المُدخل زوجي
عدا ذلك فإن العدد المدخل فردي
هناك طرق أخرى للتعبير عن الخوارزمية أشهرها ما يعرف بمخططات التدفق «flow charts» التي توضح تسلسل الخوارزمية من البداية حتى النهاية وهي عبارة عن تمثيل مرئي لتسلسل الخطوات والقرارات اللازمة لأداء المهمة المحددة. تجدر الإشارة إلى أن لكل شكل هندسي في مخطط التدفق مدلول معين وسيتم تناولها بالتفصيل في المقالات القادمة. يمكن تمثيل الخوارزمية السابقة على شكل مخطط تدفق كالتالي:
مخطط التدفق لمعرفة ما إذا كان العدد زوجيًا أم فرديًا
نتيجةً للتقدم المتسارع للعلم والتقنية في عصرنا وصعوبة المسائل التي تحتاج إلى حل، يلجأ العلماء والباحثين إلى تصميم خوارزميات تمتاز بالكفاءة والسرعة. فعلى سبيل المثال تنظيم ومراقبة السير في الطرق السريعة، وتحليل الجينيوم البشري، و شبكات التواصل الاجتماعي التي يتجاوز مستخدميها مئات الملائيين، تحتاج كل تلك المواضيع إلى خوارزميات فائقة السرعة لمعالجتها وتحليلها إذ أن الحواسيب العادية حتى وإن كانت قدرتها الحاسوبية فائقة فإنها لا تستطيع التعامل مع المسائل المعقدة بكفاءة. لذا عند تصميم خوارزمية ما ينبغي التركيز على كفاءتها في التعامل مع المدخلات الضخمة وسرعتها في الحصول على المخرجات المطلوبة.
أنواع الخوارزميات
نظرًا لتنوع المجالات العلمية ولخصوصية كل قسم فيها، فإن كل قسم على حدا لديه مشاكله الخاصة وبالتالي يحتاج لخوارزميات معينة لحل تلك المشاكل. بشكل عام هناك مجموعة من الخوارزميات تُعتبر الأساس وأما البقية فيتم اشتقاقهن بشكل أو بآخر من تلك الخوارزميات الأساسية وهي:
بالإضافة إلى ذلك، هناك العديد من الخوارزميات المتعلقة بالذكاء الاصطناعي وعلم التشفير وخوارزميات التحسين وخوارزميات تنقيب البيانات. سيتم تغطية أهم الخوارزميات بالتفصيل في المقالات القادمة.
يتكون الإشعاع الشمسي من فوتونات تتصرف كالموجات الكهرومغناطيسية أي أنه يمكن وصف كل موجة من الإشعاع الشمسي بخصائص محددة لها تردد وطول موجي وطاقة معينة. يغطي الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الشمس مجموعة كبيرة جدًا من الأطوال الموجية، بدءً بالموجات الراديوية ومرورًا بالأشعة تحت الحمراء والطيف المرئي للضوء والأشعة فوق البنفسجية ووصولًا إلى الأشعة السينية وأشعة غاما. يعرف الطول الموجي للموجة بأنه المسافة الفاصلة بين قمتين متتاليتين للموجة ويتناسب عكسيًا مع تردد الموجة فالموجات التي لديها طول موجي أكبر يكون ترددها أصغر والعكس صحيح. ومن ناحية أخرى تتناسب طاقة الموجة طرديًا مع ترددها، فكلما انخفض تردد الموجة كلما كانت طاقتها منخفضة أيضًا. على سبيل المثال، يتراوح الطول الموجي للموجات الراديوية من 1 سنتيمتر إلى 1 كيلومتر وتقاس طاقتها بالنانو إلكترون فولت (1نانوإلكترون فولت = 0.000000001 إلكترون فولت) في حين أن «الأشعة فوق البنفسجية-Ultraviolet Radiation» لديها طول موجي صغير جدًا يتراوح بين 10 نانومتر و 100 نانومتر بينما تصل طاقتها إلى حوالي 100 إلكترون فولت. أما«الطيف المرئي-Visible Spectrum» من الإشعاع الشمسي فيقع في طول موجي يتراوح بين 400 نانومتر و 700 نانومتر.
خصائص التردد والطول الموجي والطاقة لكل مكون من مكونات الطيف الكهرومغناطيسي الشمسي
قدرة الخلايا الشمسية على امتصاص الإشعاع الشمسي
تبعث الشمس العديد من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي بكميات طاقة مختلفة. نلاحظ من خلال الصورة أدناه أن حوالي 43% من إجمالي الطاقة المشعة المنبعثة من الشمس موجودة في الأجزاء المرئية من الطيف الكهرومغناطيسي. بينما 49% من الطاقة المنبعثة من الشمس تقع في نطاق الأشعة تحت الحمراء الجزء المتبقي في الأشعة تحت الحمراء و 7% في نطاق الأشعة فوق البنفسجية. تصنع الخلايا الشمسية من مادة السيليكون البلوري ويمكن لهذه الخلايا الشمسية تحويل جزء صغير فقط من الطيف الشمسي إلى كهرباء بكفاءة. لا يتم امتصاص جزيئات الضوء منخفضة الطاقة، لأنها لا تملك ما يكفي من الطاقة لسد فجوة النطاق للمادة التي تصنع منها الخلايا الشمسية. على النقيض من ذلك، يمكن امتصاص الفوتونات عالية الطاقة، ولكن في عدد قليل من بيكو ثانية (10-12 ثانية) يتم تحويل الكثير من طاقتها إلى حرارة. وهذا يحد من الكفاءة القصوى إلى 30 بالمائة فقط. الجدير بالذكر أن حوالي 85% من الخلايا الشمسية المتوفرة تجاريًا تُصنع من مادة السيليكون البلوري ولكنها تمتص أشعة الشمس بشكل فعال فقط في المنطقة المرئية من الطيف الشمسي. تغطي مواد أخرى شبه موصلة مناطق مختلفة قليلاً من الطيف الشمسي، ولكن من الواضح أن أكثر الخلايا الشمسية كفاءة هي تلك التي تشمل كل منطقة من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء.
تتركز معظم الطاقة في مدى الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية
تطوير خلايا شمسية تحصد الطاقة من الطيف الضوئي الغير مرئي
اكتشف فريق من الباحثين في جامعتي «RMIT»و«UNSW» في استراليا وجامعة «Kentucky» في الولايات المتحدة الأمريكية تقنية لاستخدام الأكسجين لنقل ضوء منخفض الطاقة إلى جزيئات يمكن تحويلها إلى كهرباء. تتضمن التقنية استخدام أشباه الموصلات الدقيقة المعروفة بالنقاط الكمومية لامتصاص ضوء الطاقة المنخفض ومن ثم تحويله إلى ضوء مرئي حتى تستطيع الخلايا الشمسية حصد الطاقة منه. تمكن الباحثون من تحقيق بنيىة تحويل تصاعدية باستخدام أشباه موصلات بلورية مصنوعة من مركب السولفايد المزود بالاكسجين. تستطيع هذه التقنية امتصاص الفوتونات الواقعة في مدى الاشعة تحت الحمراء القريبة أو التي توجد تحت فجوة الطاقة لمادة السيليكون. يُعرف«upconversion-التحويل المتصاعد»بأنه العملية التي يتم من خلالها الجمع بين فوتونين في وسط غير خطي لإنتاج فوتون عالي الطاقة مع تردد يمثل مجموع تلك الفوتونات.
طيف الامتصاص والانبعاث للمواد المستخدمة في التجربة على أطوال موجية تصل حتى 1200 نانومتر
تطبيقات أخرى
لا تنحصر تطبيقات هذه التقنية في تطوير خلايا شمسية تحصد الطاقة من الطيف الضوئي الغير مرئي فحسب، بل من الممكن استخدام الجسيمات النانوية ذات البنية الالكترونية المناسبة لكشف وتصوير «الأوكسجين الإفرادي-singlet oxygen»، والذي اكتشف دوره مؤخرا في تنظيم المقوية الوعائية وضغط الدم في العملية الالتهابية.
في الآونة الأخيرة، ذاع صيت العملات الرقمية :«البيتكوين-Bitcoin» ،«إيثريوم-Ethereum»،«لايت كوين-Litecoin» وغيرهم. بل تخطت قيمة البيتكوين حاجز ال 9000 دولار في التداولات السوقية للعملة. إن الحديث عن العملات الرقمية مستفاض ولا يكفي مقال واحد لشرحها ولكننا سنخصص مقالنا هذا للحديث عن كيفية تعدين عملة البتكوين وبالتحديد عن كمية الكهرباء اللازمة لتعدين عملة البيتكوين. تُعرف عملة البيتكوين بأنها شكل رقمي من النقود، ولكن على عكس العملات الورقية التي اعتدت عليها، لا يوجد بنك مركزي يسيطر عليها. بدلاً من ذلك، يتم تشغيل النظام المالي في بيتكوين بواسطة آلاف أجهزة الكمبيوتر الموزعة في جميع أنحاء العالم. يمكن لأي شخص المشاركة في التعدين عن طريق تحميل برنامج مفتوح المصدر.
مصطلحات هامة
قبل الاسترسال في شرح كيفية تعدين عملة البيتكوين وأثر ذلك على استهلاك الكهرباء، سنستعرض بعض المصطلحات الهامة المتعلقة بعملة البتكوين:
«سلسلة الكتل-blockchains» أو البلوكشين: يعرف البلوكشين بأنه عبارة عن سجل إلحاقي: بمعنى أنه يمكن فقط إضافة البيانات إليه والاحتفاظ بسجلات كل معاملة فيه. بمجرد إضافة المعلومات، يكون من الصعب للغاية تعديلها أو حذفها. يفرض البلوكشين هذا عن طريق تضمين مؤشر إلى الكتلة السابقة في كل كتلة لاحقة. ولتقريب المفهوم أكثر لنفرض أن شخصًا ما أرسل عملة بيتكوين، تدعى هذه العملية ب «المعاملة-transaction». في العملات التقليدية يتم توثيق المعاملات التي تتم داخل المتجر أو عبر الإنترنت بواسطة البنوك وأنظمة نقاط البيع والإيصالات الفعلية. بالمثل يحقق معدنو عملة البيتكوين نفس التأثير بدون هذه المؤسسات من خلال تجميع المعاملات معًا في “كتل” وإضافتها إلى سجل عام يسمى “سلسلة الكتل”. ثم يحتفظ العقد بسجلات لتلك الكتل حتى يمكن التحقق منها في المستقبل.
«التجزئة-Hash» أو الهاش: هي دالة تحول الأحرف والأرقام المدخلة إليها إلى شفرة محددة بطول ثابت. يتم إنشاء الهاش باستخدام خوارزميات معينة وهو ضروري لإدارة عملية البلوكشين. يكون كل هاش فريد من نوعه، ويؤدي تغيير حرف واحد فقط في كتلة بيتكوين إلى تغيير تسلسل الهاش تمامًا.
كيفية تعدين عملة البيتكوين
لكي يحصل معدنو البيتكوين بالفعل على بيتكوين، يجب أن يحدث شيئان. أولاً، يجب عليهم تأكيد كل معاملة والتأكد من شرعية كل واحدة منها. قد تكون المعاملات نظريًا صغيرة مثل معاملة واحدة بقيمة 1 ميغا بايت، ولكن غالبًا ما تكون عدة آلالاف منها، اعتمادًا على كمية البيانات التي تخزنها كل معاملة. هذا هو الجزء السهل.
ثانيًا، من أجل إضافة كتلة من المعاملات إلى البلوكشين، يجب على المُعدنيين حل مسائل حسابية معقدة في الرياضيات، تسمى أيضًا “إثبات العمل”. ما يفعلونه في الواقع هو محاولة التوصل إلى عدد سداسي عشري مكون من 64 رقمًا أو خانة، يسمى “التجزئة” أو الهاش كما ذكرنا سابقًا، وهو أقل من أو يساوي الهاش المستهدف. اعتمادًا على قوة وحدة المعالجة المركزية في الحاسوب المستخدم للتعدين ، يمكن أن يولد الحاسوب المستخدم تجزئات بمعدل ميجا هاش في الثانية (مليون هاش أو تجزئة بمعنى آخر) ، أو جيجا هاش في الثانية ، أو حتى تيرا هاش في الثانية في الثانية ، وذلك من أجل تخمين الشفرة المكونة من 64 رقم سداسي عشري (النظام السداسي عشري يستخدم بكثرة في علم الحاسوب خلافًا لنظام العد العشري الذي نستخدمه في الحياة اليومية فمثلا العدد 15 في النظام العشري يقابله حرف F في النظام السداسي عشري) .الأمر أشبه بالمقامرة فمستوى الصعوبة لتخمين الشفرة عالي جدًا بحيث يستعصي على الحواسيب العادية حلها. يمكن تشبيه ذلك بأن تقوم بشراء تذكرة يانصيب 44500 مرة لكي تفوز بالجائزة.
هل لا زال فهم عمليات التخمين يُستعصى عليك؟
إن كانت الإجابة ب “نعم” فإليك تشبيهًا مفيدًا سيساعدك في تخيل صعوبة حل الشفرات أثناء عملية تعدين عملة البيتكوين: افترض أن لديك ثلاثة أصدقاء وأردت أن تجري مسابقة تخمين رقم معهم، وأخبرهم أنك تفكر في رقم يقع بين 1 و100، قم بكتابة هذا الرقم على قطعة من الورق وأغلقه في مظروف. لا يتعين على أصدقائك تخمين الرقم بصورة دقيقة، بل أخبرهم أن الفائز بالتخمين هو أول شخص يخمن أي رقم أقل أو يساوي الرقم الذي قمت بكتابته على الورقة ولا يوجد أي حد لعدد التخمينات التي يقومون بها. على سبيل المثال، دعنا نقول إنك اخترت الرقم 19 وقمت بكتابته على الورقة. إذا خمن صديقك الأول الرقم 21، فسيخسر لأن 21 أكبر من 19. وإذا خمن صديقك الثاني الرقم 16 واختار صديقك الثالث الرقم 12، فقد توصلوا نظريًا إلى إجابات قابلة للتطبيق، لأن كلا العددين المختارين أقل من 19. تخيل الآن أنك تطرح سؤالًا ” ما هو الرقم الذي أفكر فيه “، لكنك لا تسأل ثلاثة أصدقاء فقط، ولا تفكر في رقم يتراوح بين 1 و100. بل تسأل ملايين من الأشخاص الذين يعملون في تعدين العملات المحتملين والعدد الذي تفكر به مكتوب بالنظام السداسي عشري ومكون من 64 رقمًا. الآن ستعلم أنه سيكون من الصعب للغاية تخمين الإجابة الصحيحة. لا يقتصر الأمر على المُعدنيين للتوصل إلى التجزئة الصحيحة، ولكن يجب عليهم أيضًا أن يكونوا أول من يفعل ذلك.
نظرًا لأن تعدين البيتكوين هو في الأساس عملية تخمين، فإن الوصول إلى الإجابة الصحيحة قبل شخص آخر هو أمر يتعلق بسرعة معالجة البيانات لجهاز الحاسوب الخاص بك. قبل عقد واحد فقط، كان يمكن إجراء تعدين البيتكوين بشكل تنافسي على أجهزة الكمبيوتر المكتبية العادية. مع مرور الوقت، أدرك المُعدنون أن كروت الرسومات المستخدمة بشكل شائع لألعاب الفيديو يمكن استخدامها لجعل عملية التعدين أكثر فعاليةً لذا بدأوا في استخدام هذه الكروت بكثرة. وفي عام 2013، بدأ مُعدنو البيتكوين في استخدام أجهزة حاسوبية مصممة خصيصًا لتعدين العملة المشفرة بأكبر قدر ممكن من الكفاءة ، تسمى بالدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC) وتتراوح أسعار هذه الأجهزة من عدة مئات من الدولارات إلى عشرات الآلاف ولكن كفاءتها في تعدين البيتكوين متفوقة. اليوم، تُعد عملية تعدين البيتكوين تنافسيةً للغاية بحيث لا يمكن القيام بها بشكل مربح إلا مع أحدث أجهزة ال ASICs. عند استخدام أجهزة حاسوب مكتبية أو وحدات معالجة الرسومات أو الإصدارات القديمة من ASICs، فإن تكلفة استهلاك الطاقة تتجاوز في الواقع الإيرادات المتولدة. حتى مع وجود أحدث وحدة معالجة بيانات، فنادرًا ما يكفي جهاز حاسوب واحد للتنافس مع ما يسميه عمال التعدين ب “برك التعدين” لذا يلجأ البعض للتعاون مع بعض وربط عدو أجهزة حاسوبية إما بشكل واقعي أو افتراضي وذلك لمضاعفة قوة وحدة معالجة البيانات.
أنظمة تبريد للحواسيب التي تعمل في مجال تعدين عملة البيتكوين
استهلاك الطاقة العالية
يقدر استهلاك الكهرباء في العالم أثناء تعدين البيتكوين حوالي سبعة جيجاوات من الكهرباء، أي ما يعادل 0.21 ٪ من الإمداد العالمي هذه هي الطاقة التي ستولدها سبع محطات للطاقة النووية في وقت واحد. ومن ناحية أخرى، يعادل استهلاك تعدين البيتكوين للطاقة تقريبًا نفس استهلاك سويسرا على مدار عام كامل. في شهر يونيو عام 2017، أنتج معدنوعملة البيتكوين حوالي 5 كوينتيليون شفرة تجزئة مكونة من 256 خانة ثنائية كل ثانية – 5 كوينتيليون تساوي 5 مع 18 أصفار بعدها-. لا يوجد كيان يتتبع مقدار القوة اللازمة للحفاظ على هذا المستوى من الحسوسبة. لكن تقديرات الباحثين المستقلين تشير إلى أنها تبلغ حوالي 500 ميغاواط -وهو ما يكفي لتزويد حوالي 325000 منزل بالطاقة.
ملحوظة: ذكرنا سابقًا أن شفرة الهاش مكونة من 64 رقمًا من النظام السادس عشري ثم ذكرنا لاحقًا أن المُعدّنيين أنتجوا في شهر يونيو عام 2017 شفرة بطول 256 خانة ثنائية، في الواقع يمكن التعبير عن أي رقم في النظام السادس عشري بشفرات ثنائية ذات 4 خانات في النظام الثنائي لذا عدد مكون من 64 خانة في النظام السادس عشري يماثل عدد مكون 256 خانة في النظام الثنائي، فمثلًا F في النظام السادس عشري هي 1111 في النظام الثنائي وهي أيضًا 15 في النظام العشري.
تشتد المنافسة بين الساحرين«روبرت»و«بوردن» في الفيلم الرائع «The Prestige» ويحاولا إبهار الجمهور بخدعهما السحرية ويسعى كل منهما للتفرد بالشهرة فما يقدم أحدهما عرضًا حتى يأتي الآخر ليكتسحه بعرض أكثر دهشة وهكذا تستمر المنافسة حتى يقرر«روبرت» طلب مساعدة العالم تسلا بإعطائه جهاز ملف تسلا Tesla coil الذي سيستخدمه لاحقًا لخداع الجمهور بالانتقال آنيًا من مكان إلى آخر عبر الكهرباء المتولدة من ملف تسلا. حسنًا، في الحقيقة لا يعمل بنفس المنوال المذكور آنفًا إذ لا يستخدم لنقل البشر بل يستخدم في الواقع لنقل الكهرباء لاسلكيًا. عُرف العالم تسلا بابتكاره للعديد من الاختراعات المدهشة وكان يتوق لنقل الكهرباء لاسلكيا لأي مكان في العالم واقترب من تنفيذ هذه الفكرة عن طريق اختراعه المدهش ملف تسلا Tesla coil والذي يعتبر أول جهاز قادر على نقل الكهرباء لاسلكيًا والذي أحدث تغييرًا جذريًا في نظرة العالَم والعُلماء للكهرباء واستخداماتها معتمدًا على استغلال الطاقة الكهرومغناطيسية ومفهوم الرنين المغناطيسي.
ما هو ملف تسلا Tesla coil ؟
ملف تسلا هو جهاز يتكون من جزئين أساسيين ملف أولي وملف ثانوي، كلًا منهما مُتصل بالمكثِّف الخاص به، ويعمل المكَثِف عمل البطارية كمصدر لتخزين الطاقة الكهربية. يتصل الملفان ببعضهما البعض عن طريق مسافة فارغة يملأُها الهواء بين قطبين كهربيين لخلق الشرارة الكهربية والتي وتُعرف باسم «شرارة الفجوة-Spark gap». وبالرغم من أن ملف تسلا يحتاج إلى مصدر خارجي ذي جهد كهربي عالي، إلا أنه يتم توصيل مصدر خارجي للطاقة ذي جهد كهربي اعتيادي منخفض مُتصل بمحوِّل يقوم بتحويل الجهد الكهربي المُنخفض إلى جهد كهربي عالي يكفي لتغذية النظام بأكمله.
صورة مفصلة لمكونات جهاز ملف تسلا
كيف يعمل ملف تسلا Tesla coil ؟
في البداية لكي نوضح مبدأ عمل ملف تسلا، سنقوم بتبسيط مفهومي التيار والجهد لكهربائي. يُعرف التيار الكهربائي بأنه سيل من الشحنات الكهربائية، في حين أن الفرق في الجهد الكهربائي بين مكانين هو ما يدفع هذا التيار ويجعله يتحرك. بمعنى آخر يمكن تشبيه التيار بالماء، والجهد الكهربائي بتلة جبلية ومن هنا بالإمكان التمييز بين الجهد العالي والجهد المنخفض، فالجهد الكهربائي العالي يشبه تلة شديدة الانحدار يمكن أن يتدفق منها التيار بسرعة بينما الجهد المنخفض يشبه سهل شبه مسطح مع عدم وجود تدفق للمياه تقريبًا. تكمن قوة ملف تسلا في عملية تدعى بالحث الكهرومغناطيسي أي أن المجال المغناطيسي المتغير يولد جهد كهربائي يجبر التيار على السريان. على العكس من ذلك، يولد التيار الكهربائي المتدفق مجالًا مغناطيسيًا عندما يسري التيار عبر ملف من الأسلاك، إذ تولد مجالًا مغناطيسيًا يملأ المنطقة المحيطة بالملف في نمط معين، كما هو موضح في الصورة أدناه على شكل خطوط كهرومغناطيسية.
خطوط الفيض المغناطيسي حول الملف
وبالمثل، في حالة وجود مجال مغناطيسي متدفق عبر مركز سلك ملفوف، سيتولد جهد كهربائي في السلك، مما يتسبب في سريان التيار الكهربائي. يتناسب الجهد الكهربائي-أو التل-طرديًا مع عدد لفات السلك فعلى سبيل المثال سيولد المجال المغناطيسي المتغير داخل ملف من مكون من 50 لفة عشرة أضعاف جهد الملف ذي الخمس اللفات فقط. هذه بالضبط هي الطريقة التي يعمل بها المحول الكهربائي الذي تجده معلقًا على أعمدة خرسانية في منطقة سكنك حيث يوصل الملف الابتدائي للمحول مع مصدر للتيار المتناوب حينما يسري تيار كهربائي في لفات الطرف الابتدائي ينتج فيض مغناطيسي والمجال المغناطيسي المتردد ينشأ عنه مرور خطوط الفيض ذات قوة متغيرة بالقلب الحديدي للمحول، فتقطع هذه الخطوط ملفات الثانوي، ومن ثم ينشأ في ملفات الثانوي جهد كهربائي أي أن المجال المغناطيسي الناشئ من الملف الابتدائي يتسبب في توليد جهد في الملف الثانوي عن طريق ما يسمى بالحث الكهرومغناطيسي لذا يستعمل في رفع أو خفض الجهد الكهربائي إلى أي مستوى مرغوب وذلك بناء على عدد لفات الملف الابتدائي والثانوي. ينبغي الملاحظة هنا أن المجال المغناطيسي الناتج يمكن احتوائه عبر القلب الحديدي للمحول لكن ماذا عن ملف تسلا هل يمكن احتواء ذلك المجال الناتج؟
المحول الكهربائي
يتشابه ملف تسلا والمحول الكهربائي من حيث مبدأ العمل، ولكن في حالة ملف تسلا فإن الجهد الكهربائي يتغير بصورة هائلة جدًا. أولاً، يُستخدم محول أساسي عالي الجهد مصنوع مسبقًا من قلب حديدي لرفع الجهد من 120 فولت إلى ما يقرب من 10000 فولت. يتم لف السلك الذي يحتوي على 10000 فولت في ملف واحد كبير عدد لفاته قليلة-يمثل الملف الابتدائي-. يحتوي الملف الثانوي على آلاف اللفات من الأسلاك الرفيعة. يؤدي هذا إلى رفع الجهد الكهربائي إلى ما بين 100000 فولت ومليون فولت. لا يمكن احتواء هذا الجهد الهائل في القلب الحديد كما في حالة المحول الكهربائي العادي وبدلاً من ذلك، يُفصل بين الملفات بواسطة الهواء كما هو موضح في ملف تسلا أدناه:
الملف الابتدائي ذو الحجم الكبير وعدد اللفات القليلة أما الملف الثانوي فعدد لفاته كثيرة وسلكها رفيع
كما وضحنا سابقًا يتطلب ملف تسلا وجود مكثف حيث يعمل على تخزين الشحنات وإطلاقها في صورة شرارة واحدة ضخمة. تحتوي دائرة الملف على مكثف وفاصل صغير يسمى فجوة الشرارة. عندما يتم تشغيل الملف، تتدفق الكهرباء عبر الدائرة وتملأ المكثف بالشحنات، مثل البطارية. تولد هذه الشحنات جهدًا كهربائيًا في الدائرة، وتحاول عمل جسر اتصال عبر فجوة الشرارة يمكن أن يحدث هذا فقط عندما تتراكم كمية كبيرة جدًا من الشحن في المكثف. ومع استمرار تدفق كمية كبيرة من الطاقة يؤدي ذلك إلى انهيار المجال المغناطيسي سريعًا وتوليد تيار كهربي في الملف الثانوي. وتدافُع وتضاغُط الجهد الكهربي خلال الهواء الفاصل بين الملفين الأَوَّلي والثَانوي يُؤدي إلى خلق شرارات كهربية في منطقة فجوة الشرارة الفاصلة بين الملفين. ويستمر تدفق الطاقة بين الملفين بسرعات هائلة مُؤديةً إلى انتقال تلك الطاقة إلى الملف الثانوي والمُكَثِّف الخاص به. مما يجعل مقدار الشُحنة الكهربية المُتجمعة في الملف الثانوي عالية جدًا، فتنطلق على هيئة انفجارات وتَشَعّبَات مذهلة للتيار الكهربي ذات جهد كهربي عالي وقادرة على إضاءة لمبات الفلورسنت على بُعد أقدام بدون استخدام أي أسلاكٍ توصيلية. وتندرج طريقة عمل ملف تسلا تحت مبدأ تحقيق ظاهرة «الرنين المغناطيسي-Resonance» إذ يتم إطلاق التيار الكهربائي من الملف الأولي للملف الثانوي في الوقت المناسب، مؤديًا إلى تَضَاعف الطاقة المُنتقلة إلى الملف الثانوي كما لو كُنت تدفع شخصًا ما على أُرجوحةٍ لتجعلها ترتفع إلى أقصى حدٍ ممكن.
تطبيقات وأمثلة عملية
لايزال ملف تسلا يستخدم بشكل أو بآخر في بعض الأجهزة والأنظمة فالراديو والتلفاز يستخدمان نوع مصغر من ملفات تسلا ويمكن استخدامه في توليد الأشعة السينية والأنوار الفسفورية وأيضًا في صناعة القداحات ذات القوس الكهربي بالإضافة إلى استخدامه في مجال الترفيه لإنشاء البرق الاصطناعي. في النهاية نتركك عزيزي القارئ مع هذه المقطوعة الموسيقية التي أولفت بمساعدة ملف تسلا.
يُعد الإظلام التام Blackout من أكبر الأخطار التي تهدد الشبكة الكهربية، وتمثل حالة فشل الشبكة الكهربائية في الحفاظ على ثبات الجهد والتردد مما يؤدي إلى خروج كل وحدات التوليد من الخدمة ومن ثم انقطاع الكهرباء عن كل الأحمال أي على الدولة بأكملها. تتكون الشبكة الكهربائية من محطات توليد متصلة ببعضها البعض لتغذي الأحمال الكهربائية، وللمفارقة لا يوجد عنصر واحد من عناصر الشبكة الكهربية يمكنه أن يخزن الطاقة بمعنى أن الطاقة المولدة تُستنفذ دائما لحظيًا بشكل دائم، وبما أن سرعة انتقال التيار الكهربائي من المصدر للحمل تقارب سرعة الضوء. فلابد من استمرار التوازن بين الطلب والتوليد، فهناك طلب على الطاقة من ملايين المستهلكين ومن الالاف المصانع وفي نفس الوقت يجب على محطات التوليد توفير هذا الطلب لحظيًا وهذا ما يكسب نظم القدرة الكهربائية التعقيد الشديد، وبمجرد أن يختل هذا التوازن تسقط المنظومة كلها ويحدث الإظلام التام Blackout.
كيف يحدث الإظلام التام Blackout ؟
يجب التنبيه أولًا أن حوادث الإظلام التام ليست مجرد فصل جزء من الشبكة لغرض الصيانة أو لغرض جدولة الأحمال بل هي خروج كامل الشبكة الكهربائية عن العمل ولتبسيط ذلك دعنا نأخذ هذا السيناريو على سبيل المثال: ولنفترض مثلًا أنه في وقت من أوقات الذرّوة، حيث يعمل نظام القدرة الكهربائية تعمل على أقصى قدرة توليد ممكنة كما في فصل الصيف في المناطق العربية، ثم لسبب ما حدث عطل في محطة من محطات التوليد فتوقفت وخرجت من الخدمة فجاءةً. فعندما تخرج هذه المحطة يجب على المحطات الأخرى أن تعمل وبسرعة على توفير الطاقة اللازمة لتعويض النقص الناتج عن خروج تلك المحطة، ولكننا في وقت الذروة كما ذكرنا وكل الوحدات تعمل بأقصى قدرة ولا تستطيع أن تتحمل أي زيادة في الأحمال، وعندما يبدأ حدوث زيادة في تحميل المولدات تضطر نظم حماية هذه الوحدات إلى إخراجها من الشبكة حتى لا يحترق المولد فيزداد الوضع سوءًا، وقد تتوالى عمليات الخروج حتى نصل إلى حالة الإظلام التام.
أسباب حوادث الإظلام التام Blackout
في الحقيقة تختلف مسببات حدوث الإظلام التام باختلاف الموقع الجغرافي للدولة فمن أسباب حدوثه في المناطق الباردة هي العواصف الثلجية بينما موجات الحر في المناطق الحارة تُعد من المسببات التي تؤدي إلى فشل منظومة القدرة الكهربائية ومن العوامل الطبيعية المسببة للإظلام التام الزلازل والفيضانات وحرائق الغابات والصواعق. إضافة إلى العوامل الطبيعية السابق ذكرها، يتسبب البشر في حوادث الإظلام التام عن طريق الهجمات الإرهابية والحروب وأشهر حوادث الإظلام التام ترتبط دائًما بفترات الصيانة أو عمل مناورات خاطئة ، ومفهوم المناورة أن يتم فصل خط معين وتتوزع أحماله على خطوط أخرى بناءً على دراسة مُسبقة تؤكد تحمل هذه الخطوط للحمل الزائد المتوقع عليها ، وتؤكد أيضًا تحمل وحدات التوليد في بعض المحطات للتوزيع الجديد للحمل ، ولكن أحيانًا ونتيجة أخطاء كارثية في حساب تدفق القدرة يتم السماح بعمل المناورات ثم نتفاجأ بأن الخطوط أو وحدات التوليد لا تتحمل الحمل الجديد وتبدأ في الخروج بصورة متتابعة. السؤال الأهم الآن كيف يتم استرجاع الكهرباء بعد حوادث الإظلام التام؟
كيفية استعادة الشبكة بعد حدوث الإظلام التام Blackout
يجب أن تعرف أولًا أنك لكى تولد كهرباء فإنك تحتاج لكهرباء، بمعنى أنه بعد حدوث الإظلام التام فليس من السهولة أن تبدأ مرة أخرى في تشغيل محطات التوليد، لأن أي محطة لكى تبدأ في إنتاج الكهرباء فإنها تحتاج لقدرة كهربية قد تصل لعدة ميجاوات لمجرد بدء تشغيل مساعدات المحطة كالإنارة وأنظمة التبريد والمحركات والضواغط وأنظمة التحكم وبما أننا في حالة انقطاع تام للكهرباء فليس أمامك سوى طريقين لاستعادة الشبكة:
إما بتشغيل المحطات التي بها وحدات توليد ديزل خاصة بفترة الإظلام التام إذ تبدأ هذه الوحدات بالتوليد ذاتيًا، فتساعد في بدء تشغيل المحطة، ومن ثم يظهر إنتاج هذه المحطة على الشبكة، فتستخدمه المحطات الأخرى في تغذية «أحمال المساعدات-Auxiliaries loads» بها.
أو يمكن في هذه المرحلة الاستفادة من الربط الدولي لتمرير كمية من الطاقة إلى الشبكة من إحدى الدول المجاورة تكفي لبدء تشغيل مساعدات محطات التوليد لكي تستطيع المحطات أن تبدأ بالتوليد.
أشهر حوادث الإظلام التام
في الرابع عشر من شهر أغسطس عام 2003 في الولايات المتحدة الأمريكية خرج من الخدمة ما يقارب 63 جيجا وات من الأحمال وتأثر 50 مليون نسمة من انقطاع التيار الكهربائي حيث فصلت 531 وحدة توليد و 400 خط نقل كهربائي والسبب في ذلك هو عدم استقرار الجهد في الشبكة الكهربائية نتيجة لنقص القدرة.
حادثة الإظلام التام في البرازيل وباراغواي: في العاشر من شهر نوفمبر عام 2009 توقف سد «إيتابيو-Itapiu» الكهرومائي على الحدود بين باراغواي والبرازيل فجأةً عن إنتاج 17000 ميجاوات من الطاقة، انتشرت الانقطاعات بسرعة عبر البلدين. بشكل مريب، جاء انقطاع التيار الكهربائي بعد يومين من نشر تقرير يشير أن انقطاع التيار الكهربائي البرازيلي السابق كان بسبب مجموعة من المخترقين أو الهاكرز. وذكرت مجلة «CBS» الإخبارية في وقت لاحق أن حادثة 2009 كانت أيضًا من عمل المخترقين، لكن وثيقة ويكيليكس دحضت هذا الادعاء في النهاية إذ تبين أن الأمطار الغزيرة والعواصف القوية هي السبب وراء حدوث دائرة قصر في الثلاثة المحولات الرئيسية وخطوط الجهد العالي وبالتالي خروج السد عن الخدمة بشكل كلي.
من المحتمل أن تكون قد شاهدت أحد المشاهد التالية عند متابعتك لمسلسل أو فلم خيال علمي: إنارة الإضاءة بمجرّد مرور شخص عبر ردهات المنزل، تشغيل التلفاز والأجهزة الإلكترونية عبر الأوامر الصوتية، استخدام سِوار ذكي حول المِعصم ليقيس معدلات نشاط الجسد، وإخبارك عندما تحتاج شرب الماء أو الراحة، أو حتى حرق مزيد من الدهون، وأيضًا السيارات ذاتية القيادة التي توصل الشخص وجهته عبر الطرق الأقل ازدحامًا بينما يستمتع الراكب بقراءة جريدته اليومية أو يتصفح هاتفه الذكي. كل تلك المشاهد ما هي إلا تطبيق عملي لما يُسمى بإنترنت الأشياء. في هذا المقال سنتعرف على مكونات نظام إنترنت الأشياء IOT وأهم تطبيقاته.
ما هو إنترنت الأشياء IOT ؟
ببساطة بالنظر إلى المصطلح إنترنت الأشياء سنجد أنه يتكون من ركيزتين رئيسيتين: “انترنت” و “أشياء” لذا يمكن تعريفه بأنه أسلوب تقني يهدف إلى ربط الأجهزة بالإنترنت لتتراسل البيانات المستمدة من البيئة المحيطة بها عن طريق أجهزة استشعار وتناقل هذه البيانات عبر وسائل اتصال. وتُدعى غالبًا بالأجهزة المتصلة أو الذكية لأنها تستطيع التواصل مع الأجهزة الأخرى المرتبطة بها بعمليةٍ تعرف باتصال آلةٍ بآلةٍ «machine-to-machine» ، والتفاعل مع المعلومات التي تُجلب من الجهاز الآخر. ويستطيع البشر التفاعل معها لتهيئتها وبرمجتها وإعطائها تعليمات، ولكنها تقوم بمعظم علمها دون أي تدخلٍ بشري يُذكر . أصبح وجود مثل هذه الأجهزة ممكنًا بفضل جميع عناصر الهاتف الذكي الصغيرة المتوفرة بكثرةٍ هذه الأيام بالإضافة إلى كون الاتصال الدائم بالإنترنت هو الحالةُ الافتراضية لشبكاتنا المنزلية أو شبكات العمل.
تاريخ إنترنت الأشياء IOT ؟
في عام 1999 قدم خبير التكنولوجيا في معهد ماساتوش «كيفين اشتون-Kevin Ashton» مقترح إنترنت الأشياء في محاضرة توضيحية في مكان عمله في شركة «بروكتر اند جمبل-Proctor & Gamble» حيث خطرت له فكرت استعمال رقاقات راديو لاسلكية«RFID» في نظام التوريد عبر الإنترنت لمنتجات أحمر الشفاه وذلك عن طريق توصليها مع مستقبل لاسلكي ليتمكّن من رصد المبيعات وقائمة الجرد وإعطاء إشارةٍ عند الحاجة إلى مخزونٍ إضافيٍّ، حيث افترض بأن مثل هذه البيانات المجمعة ستساعد على حلّ العديد من المشاكل في العالم الحقيقي. في عام 2010 بدأ مفهوم إنترنت الأشياء يكتسب بعض الشعبية. إذ تسربت معلومات تشير إلى أن خدمة من جوجل «StreetView» لم تقدم صورًا بزاوية 360 درجة فحسب، بل قامت أيضًا بتخزين الكثير من البيانات من شبكات الوايفاي الخاصة بالأشخاص. واعتبرت هذه الخدمة بداية لاستراتيجية جديدة منليس فقط لفهرسة الإنترنت ولكن أيضًا لفهرسة العالم المادي. وفي العام ذاته، أعلنت الحكومة الصينية أنها ستجعل إنترنت الأشياء من أولوياتها الاستراتيجية في خطتها الخمسية. «LPWAN»
معمارية نظام إنترنت الأشياء IOT
يتكون نظام إنترنت الأشياء من أربعة مكونات أساسية: 1- أجهزة الاستشعار 2- أجهزة الاتصال 3-أنظمة معالجة البيانات 4-واجهة المستخدم. وفيما يلي سنشرح بإيجاز كل مكون وما يفعله.
أجهزة الاستشعار / الأجهزة: في البداية، تقوم أجهزة الاستشعار أو الأجهزة بجمع البيانات من بيئتها. يمكن أن تكون هذه بسيطًة مثل قراءة درجة الحرارة أو معقدة مثل أنظمة بث الفيديو. يمكن تجميع مستشعرات متعددة معًا أو يمكن أن تكون المستشعرات جزءًا من جهاز يقوم بأكثر من مجرد استشعار الأشياء. على سبيل المثا ، يحتوي هاتفك على مستشعرات متعددة (كاميرا ، مقياس تسارع ، نظام تحديد المواقع ، إلخ) ، ولكن هاتفك ليس مجرد مستشعر. ومع ذلك ، سواء كان جهاز استشعار مستقل أو جهاز كامل ، في هذه الخطوة الأولى يتم جمع البيانات من البيئة عن طريق شيء ما.
أجهزة الاتصال: بعد ذلك ، تُرسل هذه البيانات إلى السحابة الإلكترونية وهي نظام تخزين للبيانات في الإنترنت ، لكنها تحتاج إلى طريقة للوصول إلى هناك! يمكن توصيل المستشعرات / الأجهزة بالسحابة من خلال مجموعة متنوعة من الأساليب بما في ذلك: الهاتف الخلوي والقمر الصناعي و الوايفاي والبلوتوث والشبكات منخفضة الطاقة واسعة النطاق «LPWAN»أو الاتصال مباشرة بالإنترنت عبر إيثرنت. يحتوي كل خيار على ميزات محددة من حيث استهلاك الطاقة والنطاق وعرض النطاق الترددي. يرجع اختيار خيار الاتصال الأفضل إلى تطبيق إنترنت الأشياء المحدد ، لكنهم جميعا ينجزون نفس المهمة: توصيل البيانات إلى السحابة.
أنظمة معالجة البيانات: بمجرد وصول البيانات إلى السحابة ، ينفذ البرنامج نوعًا من المعالجة عليه. قد يكون هذا بسيطًا جدًا، مثل التحقق من أن قراءة درجة الحرارة ضمن النطاق المقبول. أو قد يكون معقدًا للغاية ، مثل استخدام تقنية الرؤية الحاسوبية على الفيديو لتحديد الأشياء (مثل المتسللين في منزلك). ولكن ماذا يحدث عندما تكون درجة الحرارة مرتفعة جدًا أو إذا كان هناك دخيل في منزلك؟ هنا يأتي دور المستخدم.
واجهة المستخدم: بعد ذلك، تصبح المعلومات مفيدة للمستخدم النهائي بطريقة ما. يمكن أن يكون ذلك عن طريق تنبيه للمستخدم إما عن طريق البريد الإلكتروني ، أو رسائل نصية أو رسائل تنبيه . على سبيل المثال ، إرسال تنبيه نصي عندما تكون درجة الحرارة مرتفعة جدًا قي مستودات التخزين للشركات. أيضًا، قد يكون لدى المستخدم واجهة تسمح له بتسجيل الوصول بشكل استباقي إلى النظام. على سبيل المثال، قد يرغب المستخدم في التحقق من تسجيلات الفيديو في منزله عبر تطبيق الهاتف أو متصفح الويب. ومع ذلك، فهو ليس دائمًا شارعًا باتجاه واحد. اعتمادًا على تطبيق إنترنت الأشياء، قد يتمكن المستخدم أيضًا من تنفيذ ما يريده. على سبيل المثال، قد يضبط المستخدم عن بُعد درجة الحرارة في مستودعات التخزين عبر تطبيق على هاتفه. ويتم تنفيذ بعض الإجراءات تلقائيًا. بدلاً من انتظار ضبط درجة الحرارة، يمكن للنظام القيام بذلك تلقائيًا من خلال قواعد محددة مسبقًا. وبدلاً من الاتصال بك فقط لتنبيهك من أحد المتسللين ، يمكن لنظام إنترنت الأشياء أيضًا إخطار السلطات المختصة تلقائيًا.
مخطط توضيحي لمكونات نظام إنترنت الأشياء IOT
تطبيقات إنترنت الأشياء في الزراعة
ومن أبرز تطبيقات إنترنت الأشياء في الزراعة الذكيّة ما يسمى بالزراعة الدقيقة، أي النهج المستخدم في إدارة المزارع والتحكم في المحاصيل من خلال تكنولوجيا المعلومات والاتصالات وأجهزة الاستشعار وأنظمة التحكم عن بعد، والآلات ذاتية التشغيل، بهدف الحصول على بيانات دقيقة، واستثمار هذه البيانات في توجيه الزراعة توجيهًا دقيقًا نحو إنتاج أكبر بتكلفة أقل، وإنتاج محاصيل ذات جودة عالية. على سبيل المثال تتيح أجهزة الاستشعار عن بعد الموضوعة في الحقول للمزارعين الحصول على خرائط تفصيلية لكل من التضاريس والموارد في المنطقة، فضلًا عن قياس المتغيرات مثل الحموضة ودرجة حرارة التربة، والرطوبة، كما يمكنها أيضًا التنبؤ بأنماط الطقس لأيام وأسابيع قادمة. تساعد الزراعة الدقيقة المعتمدة على إنترنت الأشياء على اتخاذ القرارات الأفضل لتحسين الإنتاج الزراعي، إضافة لذلك تلعب البيانات التي يتم جمعها وتحليلها، دورًا كبيرًا في رصد الآفات الزراعية، وتحديد كمية المبيدات المطلوبة بدقة تجنبًا للاستخدام المفرط في استعمالها، وكذلك تساعد عمليات جمع وتحليل البيانات في الاستخدام الرشيد لمياه الري.
تطبيقات إنترنت الأشياء IOT في الزراعة
آفاق مستقبلية
في السنوات القادمة سنشهد تغير جذري في طريقة حياتنا ومزاولتنا للأعمال والفضل بضلك يعود لتقنية إنترنت الأشياء التي ستجعل كل شيء ممكنًا إن صح القول وخصوصًا مع زيادة سرعات الإنترنت والنطاق الترددي التي توفره تقنية الجيل الخامس للاتصالات 5G. ومع ذلك تضل معضلة الأمان وحماية الخصوصية أحد أكبر المشكلات التي تواجه إنترنت الأشياء. إذ تعاني الكثير من الأجهزة من خلل في البرمجيات مما يجعلها عرضة للإختراق وتتبع موقعها والتنصت على المستخدمين وابتزازهم.
يُعد موضوع عمر البطارية من أكثر الأمور التي تثير اهتمام مستخدمي الهواتف الذكية وأجهزة الابتوب وخاصة مع الاستعمال اليومي لهذه الأجهزة. كثر الحديث وتزايد الجدل حول مواضيع شحن بطارية الهاتف والابتوب فمنهم من يقول لا تستخدم هاتفك أثناء الشحن ويسدي بايعو بطاريات الهواتف والابتوب نصائح لمشتريها بوجوب شحن البطارية الجديدة لمدة لا تقل عن ست ساعاتٍ وآخرون يعتقدون بضرورة شحن البطارية حتى تصل إلى شحنها الكامل وهكذا. الكثير من المواضيع التي أثيرت حول شحن بطارية الهاتف والابتوب ليس لها أي دليل علمي يؤيدها وفي هذا المقال سنستعرض معكم أهم الحقائق المتعلقة بشحن البطارية وكيف يمكنك إطالة عمرها وتجنب العادات السيئة المرتبطة بعملية الشحن.
بطاريات الليثيوم أيون
تُعرف بطاريات الهواتف الذكية والابتوب ببطاريات الليثيوم-أيون ويمتاز هذا النوع من البطاريات بقابلية إعادة الشحن والتفريغ لدورات عديدة وتمتاز بإمكانية تصنيعها بأحجام مختلفة فقد تصنع بحجم صغير جدا لاستخدامها في الدارات الالكترونية أو بحجم كبير يكفي لتشغيل سيارة تسلا الكهربائية أو الطائرات الكهربائية حديثة الصنع أو حتى استخدامها في تخزين الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. الجدير بالذكر أن بطاريات الليثيوم أيون لا تعتمد في عملها على تفاعل كيميائي يقوم بتدمير الأقطاب، ولكن تعتمد على انسياب أيونات الليثيوم ذهاباً وأياباً بين قطبي الكاثود والأنود. مرت بطارية الليثيوم أيون بمراحل تطوير عديدة حتى وصلت إلى الشكل الذي نعرفه حاليًا ونتيجة للجهود المبذولة في تطوريها فقد قررت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم أن تمنح جائزة نوبل في الكيمياءعام 2019 للعلماء المساهمين في تطويرها.
التركيب الداخلي لبطارية الليثيوم أيون
كيف تقرأ مواصفات البطارية والشاحن بشكل احترافي؟
إذا ألقيت نظرةً على أي بطارية هاتف أو لابتوب ستجد مطبوع عليها مواصفات مكتوبة من قبل شركة التصنيع، ومن أهم هذه المواصفات:
سعة البطارية: وتكتب على شكل رقم متبوع ب «mAH» أو«AH» فمثلًا لو أخذنا على سبيل لمثال البطارية الموضحة بالصورة أدناه ستلاحظ هذا الرقم «mAH» فماذا يعني هذا الرقم؟ يشير هذا الرقم الى سعة البطارية ويعني أن البطارية يمكن ان تعطي تيار مقداره «2000mA» لمدة ساعة واحدة فقط ومن ثم تُفرغ البطارية من الشحن. هل يمكن سحب تيار اكثر من «2000mA» ؟ نعم يمكن سحب تيار من البطارية مقداره «4000mA» ولكن لمدة نصف ساعة فقط او تيار مقداره «8000mA» لمدة ربع ساعة فقط هذا ما يفسر نفاد بطارية الموبايل بسرعة عند فتح حزم البيانات أو الوايفاي أو عند تشغيل الفيديوهات أو تشغيل الألعاب حيث يُسحب تيار أعلى وتفرغ البطارية بسرعة.
الجهد الأسمي وهي كمية الجهد بين قطبي البطارية. فلو أخذنا على سبيل المثال البطارية التي في الصورة أدناه جهدها الأسمي هو «3.7 فولت» ومعناها أنه في حالة تشغيل البطارية فإن الجهد المقاس بين قطبيها مقداره «3.7 فولت» ويختلف جهد البطارية باختلاف حجمها ونوعها أيضًا.
يعمل الشاحن على تحويل الجهد المتردد المأخوذ من مقابس الكهرباء إلى جهد مستمر ثابت بقيمة بمعينة لغرض شحن البطارية إذ لا يمكن شحن البطارية مباشرة من التيار المتردد لأنه يغير من قطبيه خمسين أو ستين مرة في الثانية الواحدة وذلك على حسب تردد الشبكة الكهربائية 60 هرتز أو 50 هرتز. من أهم المواصفات التي يجب التركيز عليها عند شراء شاحن هاتف ذكي أو شاحن بطارية هما كمية الجهد والتيار للشاحن. فمثلًا إذا كان لدينا شاحن هاتف ذكي مطبوع عليه هذه المواصفات :«current=2A» «voltage =5 volts» هذا يعني أن خرج الجهد للشاحن هو 5 فولت والتيار الإسمي لشاحن هو 2 أمبير وبالتالي فأن القدة الكهربائية لهذا الشاحن هي 10 وات وهي عبارة عن حاصل ضرب التيار في الجهد . ولو قمنا بمقارنة ذلك الشاحن مع شاحن آخر مواصفاته: (voltage =5 volts ) (current=1 A) فسنجد أن الشاحن السابق يمتاز بسرعة شحن أكبر بمقدار الضعف مقارنة بالشاحن الأخير الذي قدرته الكهربائية (5 وات).
هل يجب شحن بطارية الهاتف والابتوب الجديدة لفترة طويلة قبل استخدامها؟
عند شرائك لبطارية لهاتفك الذكي أو لجهاز الابتوب، ينصحك البائع بضرورة شحنها لمدة لا تقل عن ستٍ أو ثمان ساعات ولكن هل ذلك صحيح؟ حسنًا تلك المقولة السابقة ما هي إلا نصيحة صادقة قد فات آوانها فقديمًا كانت الشركات ترفق تحذيرًا على منتجاتها الالكترونية التي تستخدم بطاريات من نوع «نيكل كاديميوم-Nickel Cadmium» إذ كان التحذير يشدد على ضرورة شحن البطارية لفترة طويلة قبل استخدامها والسبب في ذلك هو أن بطارية النيكل-كاديميوم تتمتع فيما يعرف باسم «تأثير الذاكرة-memory effect» إذ تتحدد سعة البطارية وقدراتها، اعتمادًا على طريقة الشحن، وطول أو قصر المدة في البداية، ما يكشف عن سر تلك النصيحة الصادقة آنذاك، والتي أصبحت بلا فائدة الآن لأن أغلب بطاريات الهواتف والابتوبات هي من نوع ليثيوم أيون والتي لا تخضع لتأثير الذاكرة ويمكن أن تستعمل البطارية مباشرة بعد الشراء فعادة ما تكون مشحونة بنسبة 50% أو أكثر.
تأثير الذاكرة في بطاريات النيكل كاديميوم
هل عمر البطارية يتحدد بعدد مرات شحن وفصل البطارية من الشاحن؟
يُقاس عمر البطارية الهاتف بعاملين هما عمق الشحن و«دورات الشحن-charge cycles». فمثًلا يبلغ عمر بطاريات هاتف «iPhone» ما بين 400 و 500 دورة ، بينما يقدر موقع «BatteryUniversity» -المتخصص بعلم البطاريات- أن متوسط عمر بطارية ليثيوم أيون يتراوح 300 و 500 دورة. ومن هنا يحصل التباس في الفهم إذ يفترض الكثيرون بشكل خاطئ أنه في كل مرة تقوم بشحن هاتفك يتم احتسابها كدورة شحن واحدة. ومنطقهم يسير على هذا النحو: عندما تقوم بشحن هاتفك مرة واحدة كل يوم، وبالتالي فإن دورات الشحن 400-500 تساوي أقل من عامين ، أليس كذلك؟في الواقع ، تعرف “دورة الشحن” الواحدة بأنها عملية الشحن والتفريغ الكامل للبطارية. على الرغم من إمكانية توصيل هاتفك للشحن كل يوم، إلا أن هذا لا يساوي عدد الدورات الواحدة. إذا شحنت هاتفك بنسبة 100 بالمائة في الصباح و 50 بالمائة في نهاية اليوم ، فقد استخدمت 50 بالمائة. إذا قمت بشحنه مرة أخرى إلى 100 بالمائة واستخدمت 50 بالمائة أخرى في اليوم التالي، فإنك لم تستخدم سوى دورة واحدة على مدار يومين.
هل من الجيد ترك البطارية تُفرغ تمامًا قبل شحنها مرة أخرى؟
بشكل عام عندما تكون البطارية مشحونة تمامًا أو فارغة تمامًا فإن ذلك يضعها تحت إجهادٍ وضغط كبيرين. وتكون البطارية في أتم راحتها إن صح القول عندما تكون نسبة الشحن فيها 50% لأن هذا يعني أن نصف أيونات الليثيوم المتحركة تكون في طبقة أكسيد كوبالت الليثيوم والنصف الآخر يتواجد في طبقة الجرافيت. ونتيجة لهذا التوازن تعاني البطارية أقل قدر من الضغط على البطارية في هذه الفترة ، وتزيد من عدد دورات الشحن التي يمكن أن تتحملها البطارية. وبحسب نصائح الخبراء إذا أردت أن تحافظ على عمر بطاريتك لأطول فترة ممكنة، فاحرص على الاحتفاظ بشحنها بين 20% و80%. ولتجنب مشكلة نضوب البطارية، تم اعتماد نظام إدارة بطارية في الهواتف الحديثة يحتوي على ميزات سلامة تعمل على إيقاف تشغيل الهاتف عندما يصل إلى مستوى طاقة معين. كما يمكنك تفعيل وضع التنبيه بنضوب البطارية عند وصولها لنسبة 20%.
تجنب الحرارة العالية
ليس من باب المبالغة، ولكن الحرارة هي بالفعل العدو الأول لعمر البطارية إذ أن تعريض البطارية لحرارة عالية يُعد سببًا رئيسًا لتقليص عمر البطارية. وبشكل عام، تحقق جميع البطاريات عمر خدمة مثالي إذا تم استخدامها عند درجة حرارة 20 درجة مئوية أو أقل قليلاً. فعلى سبيل المثال، إذا كانت البطارية تعمل عند 30 درجة مئوية بدلاً من درجة حرارة الغرفة الأكثر اعتدالًا (20 درجة مئوية)، فإن عمر دورة البطارية سيقل بنسبة 20 في المائة. وعند تشغيلها في درجة حرارة 40 مئوية، سيقل عمر دورة البطارية إلى 40 في المائة ، وإذا تم شحنها وتفريغها عند 45 درجة مئوية ، فإن عمر الدورة هو نصف ما يمكن توقعه إذا تم استخدامه عند 20 درجة مئوية.
ماذا عن استخدام الابتوب او الهاتف أثناء الشحن؟
حسنًا، هذا الموضوع شائك ومحل جدل بين الخبراء، ولكن المرجح أنه ليس هناك أضرار على البطارية في حالة استخدامها أثناء الشحن فعند استخدامك لجهاز الابتوب وهو موصل على الشاحن فإن التيار المسحوب بواسطة جهاز الابتوب سيكون من الشاحن مباشرة وليس من البطارية بينما تذهب القدرة الزائدة فقط إلى البطارية. ولكن يجب الانتباه إلى ضرورة استعمال شاحن أصلي وذي جودة عالية إذ أنه في حالة شحن بطارية الهاتف مثلًا بشاحن ذي جودة رديئة واستخدامه أثناء الشحن قد يؤدي ذلك إلى رفع درجة حرارة البطارية وفي بعض الأحيان قد تنفجر.
نصائح أخيرة
يمكنك إطالة عمر بطاريتك عزيزي القارئ باتباع الطرق التالية:
التقليل من إضاءة الشاشة وسطوعها
وضع الهاتف في وضعية الطيران في حالة عدم استخدام الانترنت اةو الاتصال
إيقاف أي برنامج أو تطبيق يعمل بالخلفية وأنت لاتحتاجه وخاصة البلوتوث وتطبيقات تحديد الموقع
تفعيل وضع توفير الطاقة
تجنب تعريض بطاريتك لحرارة مرتفعة جدًا أو منخفضة جدًا
يُقال أن الرياضيات هي اللغة التي كتب بها الكون، بعض أفرع هذا العلم اكتشفت منذ الالاف السنين كالحساب والهندسة بينما البعض الآخر يُعد حديث الظهور نسبيًا كالتفاضل والتكامل وعلم الاحتمالات والهندسة التحليلية. إذا أتيح لك عزيزي القارئ السفر عبر الزمن إلى بدايات القرن السابع عشر ستلاحظ أن أعداد الكتب والمؤلفات المتعلقة بالرياضيات كانت شحيحة، ولكن هذا الوضع تغير تمامًا مع ظهور عالم الرياضيات الفرنسي دي فيرما الذي يُعد الأب الروحي لنظرية الاحتمالات والنظرية الحديثة للأعداد.
نشأته
ولد دي فيرما في السابع من أغسطس عام 1601 في مدينة بومنت دي لومان في فرنسا وتلقى تعليمه الابتدائي في مدرسة فرنسيسكيان المحلية وفيما بعد درس القانون في مدينة تولوز أو في مدينة بوردو حسب بعض الروايات. كان فيرما متبحرًا في شتى مجالات العلوم والأعمال الأدبية وأيضًا اللغات. ومن خلال دراسته لنظام الإحداثيات القديمة توصل إلى أن مجموعات النقاط ذات الخصائص المعينة، يمكن تسهيلها من خلال تطبيق الجبر على الهندسة من خلال نظام الإحداثيات الذي عرف فيما بعد بنظام الإحداثيات الكارتيزية التي يمكن التعبير بواسطتها عن الأشكال الهندسية باستعمال معادلات جبرية، وهي معادلات توافق إحداثيات النقاط الممثّلة للشكل الهندسي. وفي عام 1631 حصل فيرما على شهادة البكالوريا في القانون من جامعة أورليانز. وعمل في البرلمان المحلي في تولوز، وأصبح مستشارًا في عام 1634.
أهم أعمال دي فيرما
توصل العالم فيرما من خلال دراسته للمنحنيات إلى معادلة القطع المكافئ الشهيرة. ويعرف القطع المكافئ بأنه قطع مخروطي اختلافه المركزي يساوي الواحد الصحيح؛ نتيجة لذلك تكون كل القطوع المكافئة متشابهة بمعنى أن لها نفس الشكل مهما تغير حجمه. للقطع المكافئ العديد من التطبيقات في الحياة العملية فمثًلا أطباق أجهزة الإرسال والاستقبال الرادوية تُصمم على شكل قطع مكافئ بحيث تتركز الموجات الكهرومغناطيسية في نقطة محددة. وأيضًا توصل العالم فيرما إلى معادلة القطع الناقص وهو المنحنى الذي يكون اختلافه المركزي أكبر من الواحد الصحيح أو بعبارة أخرى هو المنحنى الذي يحقق الخاصية التالية: مجموعة النقاط التي تتميز بكون فرق مسافة هذه النقاط عن نقطتين ثابتتين ( تدعى البؤرتين ) هو عدد ثابت. يمكنك ملاحظة شكل القطع الناقص عندما تقذف حجرين في وقت واحد في بركة مياه راكدة ، ستلاحظ أن التموجات تتجه إلى الخارج في دوائر متحدة المركز. تتقاطع هذه الدوائر في نقاط لتشكل منحنى يعرف باسم القطع الناقص. و تظهر جليًا تطبيقات القطع الزئد في مجال الهندسة حيث تُصمم أبراج تبريد المفاعلات النووعية على شكل قطع ناقص وذلك لتعزيز مقاومتها للرياح ولتقليل تكلفة البناء.
تُصمم أبراج تبريد المفاعلات النووية على شكل قطع زائد
تطويره لنظرية الأعداد
سعى العالم فيرما لإقناع باسكال بالانضمام إليه في البحث في نظرية الأعداد. ومن خلال دراسته لكتاب «حساب ديوفانتوس-diophantus arithmetica»-عالم رياضيات يوناني عاش في القرن الثالث الميلادي- ،اكتشف فيرما نتائج جديدة في ما يعرف بالحساب المتقدم، العديد من النتائج التي توصل إليها كانت تتعلق بخصائص الأعداد الأولية وهي الأعداد الصحيحة الموجبة الأكبر من العدد واحد، والتي تقبل القسمة على عددين فقط هما العدد نفسه والواحد دون باقٍ؛ مثل الأعداد 5، 7، 11 ومن أجمل النتائج التي توصل إليها النظرية القائلة بأن أي عدد أولي ناتج من هذه العلاقة 4n + 1 يمكن التعبير عنه بشكل فريد كمجموع مربعين مثلا العدد 13 يمكن التعبير عنه بالعلاقة السابقة بالتعويض عن قيمة n بالعدد 3 (1+3×4) والذي يمكن التعبير عنه كمجموع مربعين كالتالي (2^2+2^3).
كتاب الحساب للعالم الاغريقي ديوفانتوس
مبرهنة فيرما الأخيرة
بالرغم من أن فيرما عالم رياضي إلا أنه كان يعمل في مجال القضاء في فرنسا وكانت الرياضيات هوايته المفضلة إذ كان يعكف على حل المسائل في كل مساء عند عودته من العمل. وفي ذات ليلة خطر على باله تساؤل حول معادلة شبيه بمعادلة فيثاغورس للمثلث القائم (X^2 +Y^2= Z^2) وكان يبحث عن الحلول الكلية للأعداد لتلك المعادلة وبالطبع هناك عدد لا نهائي من الأرقام الطبيعية التي يمكن التعويض بها في تلك المعادلة بصورة صحيحة (2^3+2^4= 2^5) و (2^6+2^8=2^10) ….إلخ. في تلك اللحظة سأل فيرما نفسه: ماذا لو قمت بتعديل هذه المعادلة فبدلًا عن استخدام الأس التربيعي، نستخدم الأس التكعيبي أو الأس الرابع أو الخامس وبشكل عام أس المعادلة أكبر من العدد 2 (n>2)، فهل توجد حلول لتلك المعادلات أو بمعنى آخر هل هذه المعادلة مثًلا صحيحة إذا كانت قيمة الأس أكبر من العدد 2 (X^n +Y^n= Z^n)؟ انهمك فيرما في التفكير لإجاد حلول لتلك المعادلات ولكنه لم يجد حلول لتلك المعادلات وعندئذ اعتقد بأنه توصل إلى إثبات أنه لا يوجد حلول لتلك المعادلات بلا أدنى شك. وفي ذلك شيء من الغرابة عزيزي القارئ: لماذا يوجد عدد لانهائي من الحلول للمعادلة ذات الأس التربيعي بينما لا يوجد أي حل لتلك المعادلات اللانهائية المرفوعة لأي أس أكبر من الرقم 2؟ الجدير بالذكر أن فيرما توصل لذلك الاثبات بنفسه وكتب تعليق موجز على هامش احدى صفحات نسخته من كتاب حساب ديوفانتوس حيث يقول: ” اكتشفت برهنًا رائعًا لهذه الفرضية ولكن الهامش لا يتسع لكتابته”. كلّف ذلك الهامش الضيق علماء الرياضيات من بعده حوالي 350 عامًا حتى يتوصلوا لذلك الإثبات من جديد. وأخيرًا تمكن عالم رياضيات البريطاني أندرو وايلز من إثبات فرضية فيرما بين عامي 1993 و 1995 والذي توج بجائزة الأكاديمية النرويجية للعلوم والآداب في عام 2016 تكريمًا لجهوده والتي يعتبرها البعض جائزة نوبل للرياضيات وحصل على مكافئة مالية تُقدر بسبعين ألف دولار.
توالت الممارسات العنصرية في الولايات المتحدة الأمريكية منذ الوهلة الأولى لتأسيسها. وطالت هذه الممارسات العديد من الأعراق والأجناس كالهنود الحمر والأمريكيين ذوي الأصل الياباني والأمريكيين ذوي الأصل الأفريقي وتنوعت أهدافها ما بين الاستغلال الاقتصادي والسعي لإثبات فكرة سمو العرق الأبيض وتميزه عن سواه من الأعراق. في هذا المقال سنأخذك في جولة تاريخية تتعرف فيها عن نماذج من تاريخ العنصرية في امريكا.
العنصرية ضد السكان الأصليين
بمجرد وصول المستكشفون الأوربيون لشواطئ أمريكا الشمالية، قام الوافدون الجدد على المنطقة بسلسة أعمال ممنهجة لإخضاع السكان الأصليين وغزو أراضيهم. أعتقد الأوربيون بأن السكان الأصليين متوحشون ووثنيون فسعوا إلى إجبارهم على اعتناق مبادئ الحضارة الأوروبية ونشر التعاليم المسيحية بالقوة. أدت تلك الأعمال إلى إبادات جماعية بحق السكان الأصليين وتهجيرهم من أراضيهم إضافة إلى محاولات القضاء على الإرث الثقافي للسكان الأصليين فضلاً عن الاستيعاب القسري من خلال مؤسسات مثل المدارس السكنية وإنشاء “المحميات الهندية”. بالإضافة إلى ذلك ، سعوا إلى تكوين صور نمطية من خلال الأعمال السينمائية ووسائل الإعلام على أن السكان الأصليين متوحشون ومتعطشون للدماء وذلك تبريرًا لجرائمهم. وتُعد مجزرة غنادينهوتن من أشهر المجازر التي اُرتكبت بحق الهنود الحمر. فنتيجة للازدراء والعنصرية المتزايدة ضد السكان الأصليين ، أقدمت مجموعة من رجال الميليشيات البيضاء في عام 1782على قتل 96 من هنود ديلاوير المسيحيين في ولاية بنسالفينيا، حيث قاموا بضربهم حتى الموت باستخدام مطرقات خشبية وفؤوس. ولكي تتخيل عزيزي القارئ حجم المجازر التي ارتكبت بحق السكان الأصليين يكفي أن تعرف الإحصائية التالية: أصدرت حكومة الولايات المتحدة الأمريكية أكثر من 1500 تصريح لشن الحروب والغارات على الهنود الحمر ونتيجة لذلك تقلص عدد سكان الهنود الحمر مع نهاية آخر حرب في آواخر القرن التاسع عشر إلى 283000 نسمة وذلك من أصل حوالي 5 مليون إلى 15 مليون نسمة من السكان الأصليين الذين كانوا يعيشون في أمريكا الشمالية عندما وصل إليها المستكشف كولومبس عام 1492.
مجزرة غنادينهوتن عام 1782
جماعة كو كلوكس كلان العنصرية
تأسست جماعة «جماعةكو كلوكس كلان-ku klux klan» -أو ما تُعرف اختصارًا ب«KKK»- إبان الحرب الأهلية الأمريكية التي انتصر فيها الشمال على الجنوب. جاء تأسيس هذه الجماعة كردة فعل على قوانين إلغاء العبودية التي سنتها الحكومة الاتحادية الأمريكية وتمددت لتشمل كل ولاية جنوبية تقريبًا بجلول عام 1870 وأصحبت رمزًا لمقاومة الجنوبيين لسياسات عصر إعادة الإعمار التي تبنها الحزب الجمهوري آنذاك والتي تهدف لتحقيق المساواة السياسية والاقتصادية لذوي البشرة السوداء. وشن أعضاؤها حملات سرية من الترهيب والعنف موجهة ضد الزعماء الجمهوريين البيض والسود على حدٍ سواء. وعلى الرغم من تمرير الكونغرس قانونًا يهدف إلى الحد من إرهاب جماعة كلان، إلا أن الجماعة رأت أن هدفها الأساسي -استعادة سيادة البيض -تحقق من خلال الانتصارات الديمقراطية في المجالس التشريعية للولايات عبر الجنوب في سبعينيات القرن التاسع عشر. بعد فترة من التراجع، أعادت الجماعات البروتستانتية البيضاء إحياء كلان في أوائل القرن العشرين، وأحرقت الصلبان وشهدت مسيرات واستعراضات ومسيرات تدين المهاجرين والكاثوليك واليهود والسود والعمل المنظم. وشهدت حركات الحقوق المدنية في ستينيات القرن الماضي ارتفاعًا في العنف من قبل جماعة كو كلوكس كلان ،بما في ذلك قصف المدارس والكنائس السوداء والعنف ضد النشطاء البيض والسود في الجنوب.
تاريخ العنصرية في امريكا
نشأة جماعة كو كلوكس كلان ونزعتها الدينية المتطرفة
أُعلن عن تأسيس أول فرع لجماعة كو كلوكس كلان عام 1866 في مدينة بولاسكي بولاية تينيسي الأمريكية. ووقف خلف تأسيس الجماعة من يُسمون أنفسهم بالمحاربين القدامى وأعضاء الجيش الكونفدرالي الذين قاتلوا السود في الحرب الأهلية وكانوا يرفضون إعادة توحيد الولايات المتحدة. وفي صيف عام 1867، التقت الفروع المحلية للجماعة في مؤتمر تنظيمي وأسست ما أطلقوا عليه “إمبراطورية الجنوب غير المرئية”. اختار المؤسسون الجنرال الكونفيدرالي الرائد ناثان بيدفورد فورست كأول زعيم للجماعة وكان يُطلق عليه لقب “المشعوذ العظيم” و يرجع أصل تسمية هذه الجماعة إلى الكلمة اليونانية «kyklos» والتي تعني حلقة أو دائرة. عُرفت الجماعة بطابعها الديني المتشدد حيث كانت تستفتح مؤتمراتها بحرق الصليب ويرتدي أعضاؤها زي الأشباح مع قناع ذي شكل مخروطي حتى يظن السود أن أرواح جنود الكنفدراليين القتلى ظهرت لتنتقم منهم. ومع مرور الوقت خفت بريق هذه الجماعة نتيجة لتضييق الحكومة والقوانين عليهم حتى أتى القسيس «وليام جوزيف سيمونز-William Joseph Simmons» الذي أعاد الحياة إلى جماعة كلان وتضاعف أعداد الجماعة حتى وصلت إلى ذروتها في عشرينيات القرن الماضي بحوالي خمسة مليون عضو وهذا رقم كبير مقارنةً بعدد سكان الولايات المتحدة الأمريكية في ذالك الوقت. أطلق القسيس جوزيف سيمونز على نفسه لقب المشعوذ الإمبراطوري وألّف كتاب يعتبر بمثابة الكتاب المقدس ُيدعى «كلوران-Kloran» ويحتوي على تشريعات وطقوس خاصة بالجماعة وأيضًا مراسيم الاجتماعات والحفلات.
طقوس جماعة كو كلوكس كلان
قوانين جون كرو
وهي عبارة عن مجموعة من القوانين الحكومية والمحلية التي شرعت الفصل العنصري. يُعود أصل تسميتها إلى شخصية هزلية متخلفة لتعمم الفكرة بأن كل السود على هذه الشاكلة. استمرت هذه القوانين منذ حقبة ما بعد الحرب الأهلية حتى عام 1968 وكانت تهدف إلى تهميش الأمريكيين ذوي الأصل الأفريقية من خلال حرمانهم من الحق في التصويت أو الوظائف أو الحصول على التعليم أو غيرها الفرص. غالبًا ما واجه أولئك الذين حاولوا تحدي قوانين جيم كرو الاعتقال والغرامات والعقوبات بالسجن والعنف والموت. تعددت أساليب الفصل العنصري في مختلف الولايات الأمريكية إذ كانت بعض الولايات تمنع ركوب ذوي البشرة السوداء مع الأمريكيين البيض في المواصلات العامة وكانت هناك مرافق مخصصة لذوي البشرة السوداء ويمنع عليهم مشاركة البيض المأكل والمشرب ودورات المياه والمدارس. وبعض الولايات خصصت مقطورات محددة من القطار للسود ودور سينما وكراسي انتظار مقسمة على أساس اللون.
الفصل العنصري في دورات المياه
العنصرية ضد الأمريكيين من أصل ياباني
قصف سلاح الجو الياباني ميناء “بيرال هاربور” في هاواي عام 1941 وأعقب ذلك القصف حملات عنصرية ضد الأمريكيين ذوي الأصل الياباني في سيناريو مشابه لما حدث للمسلمين في أمريكا بعد هجمات الحادي عشر من سبتمبر. أصبح الأمريكيون اليابانيون أهدافًا للمضايقة والتمييز والمراقبة الحكومية باعتبارهم جواسيس للإمبراطور الياباني آنذاك. لم يقف الأمر عند هذا الحد، ففي عام 1942 وقع الرئيس الأمريكي فرانكلين روزفلت أمرًا تنفيذيا يسمح باعتقال الأمريكيين اليابانيين واعتبرهم أعداء للدولة. أُرسل أكثر من نصف 120 ألف أمريكي ياباني إلى المخيمات بالرغم من أنهم ولدوا وترعرعوا في الولايات المتحدة ولم تطأ أقدامهم أبدًا أرض اليابان وكان نصف الذين أرسلوا إلى المخيمات من الأطفال. ووفقًا لتقرير نشرته هيئة نقل الحرب والتي كانت تدير المخيمات عام 1943 أنه تم إيواء الأمريكيين اليابانيين في “ثكنات مغطاة بطبقة من الهيكل البسيط وبدون سباكة أو مرافق للطبخ “. هذه المساكن المكتظة كانت قاتمة ومحاطة بأسلاك شائكة حتى أن الرئيس روزفلت نفسه أطلق عليهن اسم معسكرات الاعتقال. يمكنك مشاهدة تلك المعسكرات عزيزي القارئ في الموسم الثاني مسلسل «The Terror».
ما حقيقة اكتشاف كونٍ موازٍ يسير فيه الزمن إلى الوراء ؟
تناقلت بعض المواقع الاخبارية ومنصات التواصل الاجتماعي موخرًا خبر اكتشاف كونٍ موازٍ يسير في الزمن إلى الوراء. مصدر هذه الإشاعة هو إساءة فهم لمقالٍ نُشر في الثامن من أبريل في مجلة «New Scientist» . في هذا المقال سنستعرض حقيقة وجود كون موازٍ يسير فيه الزمن إلى الوراء وسنعرف الحقيقة من مصدرها وليس مما يكتبه الصحفيون في مقالاتهم.
من هنا بدأت القصة
نشرت صحيفة «ديلي ستار–DailyStar» البريطانية مقالًا عن اكتشاف وكالة ناسا لجسيمات قد تكون من خارج كوننا. وفي التجربة استخدمت وكالة ناسا بالونًا عملاقًا يحلّق فوق القارة القطبية حيث لا وجود لضوضاء راديوية قد تشوش على النتائج ويحمل الهوائي الدافع العابر للقارة القطبية أو ما يُعرف اختصارًا «أنيتا–ANITA» وهو عبارة هوائي راديوي موجهة إلى الأرض لاكتشاف الموجات الراديوية المنبعثة من النيوترينوات عالية الطاقة في حالة تصادمها مع ذرات الموجودة في الجليد. ولاحظ العلماء، أن هناك رياحًا مستمرة لجسيمات عالية الطاقة تأتي من الفضاء الخارجي وبعضها أقوى بمليون مرة من أي شيء يمكن توليده على الأرض، وأضاف العلماء أن الجسيمات منخفضة الطاقة «نيوتريونات–neutrinos» تستطيع المرور عبر الأرض وتتفاعل بالكاد مع مادة كوكبنا، إلا أن الأجسام ذات الطاقة الأعلى تتوقف بسبب المواد الصلبة الأرضية. وأضافت صحيفة ديلي ستار إلى أن الجسيمات عالية الطاقة لا يمكن اكتشافها إلا وهي تنزل من الفضاء الخارجي، مضيفة أن اكتشاف جزئي أثقل «نيوترينو تاو– tau neutrino» وهو يخرج من الأرض يعني أن هذه الجسيمات تسير للخلف بمرور الوقت، ما يعد دليلًا على وجود كونٍ موازٍ.
هوائي أنيتا
تفسير خاطئ للأبحاث العلمية
تجذب عناوين الأكوان المتوازية سماع الكثيرين وتتصدر أخبارها الصفحات الأولى ولكن ما يهمنا هنا هو معرفة الحقيقة من لسان الخبراء والباحثين أنفسهم وليس ما يصيغه ويُئَوله الصحفيون. كل ما يدور حول موضوع اكتشاف كونٍ موازٍ لا تسري فيه قوانين الفيزياء الحالية أتى من ثلاث أوراق بحثية:
الورقة الأصلية من أنيتا التي أكتشف فيها الباحثون جسيمات عالية الطاقة.
الورقة البحثية الثانية لباحثين من جامعات أمريكية والتي افترضت أن النتائج المتحصلة من قبل أنيتا يمكن أن تقدم دليلًا على وجود الكون المتماثل حيث تهيمن المادة المضادة على هذا الكون ويمكن أن يسير فيه الزمن إلى الوراء ومن هنا أتت ادعاءات الكون الموازي وذلك عند قراءة هذه الجملة الموجودة في هذه الورقة العلمية ” وفي هذا السيناريو، يُعاد تفسير الكون قبل الانفجار العظيم وبعد الانفجار العظيم على نموذج (كون-كون مضاد) أُنشئ من لا شيء”
الورقة البحثية الثالثة لباحثين من مرصد «أيس كيوب نيترينو–IceCube Neutrino» والتي نشرت في مجلة «The Astrophysical Journal» وتقترح هذه الورقة الحوجة إلى البحث عن تفسيرات بديلة لنتائج أنيتا.
ومع ذلك فأن الاستنتاج الحقيقي الوحيد هو أن الأحداث المكتشفة من قبل أنيتا لا يمكن تفسيرها بالنموذج القياسي للكون. وعلى إثر إعلان نتائج أنيتا حول اكتشاف نيوتيرونات ذات طاقة عالية تنبعث من الأرض ولكن من مصدر مجهول، سارع الباحثون في مرصد ايس كيوب في محاولة البحث عن مصدر هذه الجسيمات. يقبع مرصد أيس كيوب نيترينو في القرب من القطب المتجمد الجنوبي ويتكون من 5160 كاشف ضوئي مدفونيين تحت الجليد لغرض اكتشاف النيوتريونات التي تمر عبر ذرات الهيدروجين والأكسجين وتتفاعل معها. وبهذا يعتبر مرصد ايس كيوب أداة رائعة لمتابعة مايكتشفه هوائي أنيتا لأنه في حالة اكتشاف حدث شاذ من قبل هوائي أنيتا فمن المفترض أن يكون مرصد أيس كيوب قد اكتشف الكثير من المعلومات عن ذلك الحدث. تقول الباحثة «أناستاسيا باربان–Anastasia Barban» من جامعة جينيف في سويسرا “هذا يعني أنه يمكننا استبعاد فكرة أن هذه الأحداث جاءت من مصدر نقطة مكثفة –أو بعبارة أخرى من كونٍ موازٍ- ، وذلك لأن احتمالات رؤية أنيتا لحدث وعدم رؤية أيس كيوب لأي شيء ضئيلة جدًا.”
مرصد أيس كيوب في القطب المتجمد الجنوبي
ما الذي خَلُصت إليه الأبحاثُ العلمية؟
النتائج المنشورة لفحص اكتشافات أنيتا باستخدام مرصد أيس كيوب تُختتم بعبارات مثل “غير متناسقة مع التفسير الكوني” و “الفيزياء الجديدة” ، وتُصاغ على النحو التالي: “إن التفسير الفيزيائي الفلكي لهذه الأحداث الشاذة في ظل الافتراضات النموذجية القياسية مقيد بشدة بغض النظر عن المصدر”. وهذه الخلاصة حُرفت عن معناها الأصلي إلى معانٍ أخرى غير صحيحة. فالمعنى الصحيح: “لا نعرف حتى الآن من أين أتت هذه الإشارات.” أما المعنى الخاطئ: “جاءت هذه النيوترينوات عالية الطاقة من كونٍ موازٍ”. وفي نهاية هذا المقال وجب التنويه عزيزي القارئ إلى الحرص على التدقيق والتأكد من صحة الأخبار العلمية وعدم تصديق كل ما تقرأه في الصحف حتى وإن افتتحت مقالاتها بعباراتٍ طنانة مثل “اكتشفت وكالة ناسا”.
في آواخر القرن التاسع عشر، اُخترع كرسي الإعدام الكهربائي على يد موظفي شركة العالم الشهير توماس ألفا إديسون في مدينة ويست أورنج الأمريكية. اعتبر كاتبي السيرة الذاتية لتوماس أديسون هذا الاختراع وصمة عارٍ في تاريخه حتى أن كثيرًا منهم ينأون عن تدوين هذا الإختراع في فهارس كتبهم. كان توماس إديسون يطمح إلى إلغاء عقوبة الإعدام تمامًا في الولايات المتحدة ، لكن في الوقت ذاته كان يعتقد أن الصعق بالكهرباء سيكون أسرع وأقل إيلامًا من الشنق و وافقه الرأي حكام مدينة نيويورك آنذاك. وفي سنة 1889، وجّه القضاء الأميركي تهمة القتل العمد إلى المتهم «ويليام كيملر–William Kemmler»، فخلال تلك الفترة أقدم كيملر على قتل زوجته حيث هشّم جسدها باستخدام فأس عندما كان تحت تأثير الكحول وعند بزوغ فجر السادس من شهر أغسطس سنة 1889 سِيق كيملر من زنزانته إلى غرفة الإعدام حيث كان بانتظاره كرسي مصنوع من خشب البلوط مزودْ بجهاز صعق كهربي ونطق بكلماته الأخيرة ” أيها السادة ، أتمنى لكم التوفيق جميعًا أعتقد أنني ذاهب إلى مكان جيد. افترى عليّ الصحفيون كثيرًا وهذا كل ما لدي لأقوله.” ثم رُبط رأسُ كيملر بأقطاب كهربائية وصُعق بحوالي 1000 فولت لمدة سبعة عشر ثانية حتى قرر طبيبان أن كيملر قد فارق الحياة وتم إيقاف التيار الكهربي. وفجاءةً صرخ أحدهم، “يا إلهي ، إنه لايزال حيًا!” فقد كان كيملر يتنفس وقلبه ينبض. وقام السّجان مرة أخرى بتشغيل جهاز الصعق ورفع جهد الجهاز إلى 2000 فولت وبعد أربع دقائق توفى كيملر واستغرق جسده عدة ساعات ليبرد. ووصفته الصحف بأنه “البائس الفقير”. كانت هذه القصة المأسوية لأول تجربة إعدام بالكرسي الكهربي ولكن ماهي ملابسات اختراع هذا الجهاز وكيف يعمل؟
حرب التيارات
يُطلق مصطلح «حرب التيارات–the current war» على الصراع الذي نشأ بين عالمي الكهرباء الشهيرين نيكولا تسلا وتوماس إديسون. ففي عام 1882 أنشأ توماس إديسون أول محطة لتوليد الكهرباء في العالم في مدينة نيويورك ليضيء منطقة منهاتن بتياره المستمر، ولكن كانت هناك مشكلة تكمن في طبيعة التيار المستمر حيث لا يمكن رفعه أو خفضه باستخدام المحولات وبالتالي نقله إلى أماكن بعيدة خلافًا للتيار المتردد الذي اكتشفه نيكولا تسلا وهذا أدى إلى التأثير على صناعات إديسون واستثماراته. يذكر بعض المؤرخين أن توماس إديسون أيّد فكرة استخدام التيار المتردد في عملية الإعدام، وذلك حتى يُثبت للناس خطورة التيار المتردد وبالتالي يعزفون عن اقتناء الأجهزة التي تعمل بالتيار المتردد.
كيفية عمل كرسي الإعدام الكهربائي
في البداية يُشدّ وثاق الشخص المحكوم عليه بالإعدام على الكرسي باستخدام أدوات ربط حتى لا يتحرك أثناء صعقه. ثم تُغطى عينيه وذلك حسب طلبه أو لا. وبعد ذلك يوضع أحد الأقطاب الكهربائية لجهاز الصعق على رأسه بينما يوضع القطب الآخر في المناطق السفلية للمحكوم عليه بالإعدام وعادةً على رجله. وبذلك يتوفر مسار مناسب للتيار الكهربي من أعلى رأسه حتى أخمص قدمه و يتم التحكم بكمية التيار الكهربائي بواسطة شخص مدرب على ذلك وأيضًا يتحكم بتشغيل أو إيقاف جهاز الصعق. ولكن بعض عمليات الإعدام لم تسر حسب المخطط لها ففي عام 1982 ظل جسد «فرانك كابولا–Frank J. Coppola» يشتعل نارًا لما يُقارب 55 ثانيةً وأثناء إعدامه سمع الشهود أصوات أزيز لحمه وهو يُقلى عندما اشتعلت النيران في رأس كابولا وساقيه، وامتلأت غرفة الإعدام بسرعة بالدخان وأصبح من الصعب للغاية مشاهدة كوبولا وهو يتلوى ألمًا بمهشدٍ يشبه مشاهد التعذيب في العصور الوسطى. الجدير بالذكر أن عقوبة الإعدام بالكرسي الكهربائي لازلت قائمة في بعض ولايات أمريكا كولاية تينيسي وفيرجينيا وألاباما وأركنساس.
يدين المجتمع الحديث بالكثير للعالم نيكولا تسلا، فاختراعاته لاتزال تستخدم حتى الآن فهو يعد الأب الروحي للتيار المتردد الذي يستخدم في إنارة المنازل وتشغيل المصانع وهو من أوائل من تبنوا فكرة التحكم بالأجهزة عن بعد والراديو. سجل نيكولا تسلا حوالي 300 براءة اختراع في شتى المجالات وبالرغم من كثرتها إلا أن بعض أفكار و اختراعات نيكولا تسلا لم تر الضوء حتى الان .
كاميرا الأفكار
في حلقة «Crocodile» من مسلسل الخيال العلمي السوداوي «Black Mirror» استخدمت مُحققة شركة التأمين جهازًا لعرض صور من ذاكرة الإنسان تُسجل ما رأته عيونُ الشهود في مسرح الحادث لكشف الجاني. الجدير بالذكر أنّ هذه الفكرة الغريبة خطرت لتسلا قبل أكثر من قرن؛ ففي مقالٍ نُشر في صحيفة “كانساس سيتي” أخبر تسلا الصحفيين عن العديد من المشاريع التي يعمل عليها بما في ذلك جهاز يُستخدم لتصوير الأفكار. وذكر تسلا أنه في العام 1893 بينما كان منخرطًا في بعض الأبحاث طرأت له فكرة أن الصورة المتكونة في العقل يجب أن تنتج لها صورة منعكسة على شبكية العين وعندئذٍ يمكن قراءة تلك الصورة باستخدام جهازٍ مناسبٍ. ويضيف تسلا ” إذا ثبُت فعلًا إنعكاس الأفكار كصورٍ على شبكية العين، فإن الأمر يتعلق فقط بإضاءة تلك المنطقة والتقاط الصور، ومن ثم استخدام الطرق العادية المتوفرة لعرض الصورة على الشاشة”.
الكهرباء اللاسلكية
ربما كان أعظم طموح لتسلا هو حلمه في نقل الطاقة لاسلكيًا عبر مسافات طويلة، باستخدام الهواء فقط كوسيط. من الممكن إضاءة المصابيح لاسلكيًا باستخدام طريقة تسمى «الإقتران الحثّي–inductive coupling» ، لكن تلك الطريقة لا تُجدي نفعًا في حالة نقل الطاقة لمسافاتٍ طويلة. مؤخرًا، طوّرالباحثون العديد من التقنيات التي ربما جعلت حلم تسلا أقرب إلى الواقع. تتراوح تطبيقات نقل الكهرباء لاسلكيًا من الشحن اللاسلكي للأجهزة الرقمية في المنزل إلى مصادر الطاقة المحتملة لمصاعد الفضاء. ومع ذلك، لا تزال هناك بعض العوائق. حتى النماذج الأولية المستخدمة في النقل اللاسلكي قصير المدى للكهرباء تظهر أن المهندسين أمامهم طريق طويل قبل أن تتمكن هذه التقنيات المبتكرة من استبدال الأنظمة الحالية وأن تصبح مستخدمة على نطاق واسع.
يظهر في الصورة برج«Wardenclyffe» وهو أحد اختراعات نيكولا تسلا لنقل الكهرباء لاسلكيًا
موجات المدّ الاصطناعية
فكّر نيكولا تسلا باختراع سلاح فتاك وهي موجة المد الاصطناعية، حيث اعتقد أنها ستكون خط الدفاع النهائي ضد قوات العدو. ستصبح السفن الحربية العملاقة أمام هذا السلاح عديمة الجدوى كما كان يأمل تسلا . أطلق تسلا على آلة التفجير اسم«telautomatons» وتصوّر بأن هذه الآله ستحمل عدة أطنان من مواد شديدة الانفجار إلى القرب من الهدف البحري المحدد وتفجيرها هنالك وبحسب ما ذكره تسلا فإن فقاعة الغاز الناتجة من الانفجار سيكون بمقدورها توليد موجات مديّة تصل إلى ارتفاع 100 قدم تقريبًا وهو ما يكفي لنسف السفن الحربية العلاقة آنذاك. لكن هذه المرة لم تفلح أفكار العبقري تسلا وذلك لأن موجات المد والجزر لا تعمل بالطريقة التي تصورها، وأكدت ذلك كل من الولايات المتحدة والاتحاد السوفيتي من خلال تجارب تفجير قنابل نووية في المحيطات في أربعينيات وخمسينيات القرن الماضي.
آلة الزلازل
في عام 1893 ، مُنح تسلا براءة اختراع لمتذبذب ميكانيكي يعمل بالبخار يمكن الاستفادة من اهتزازه لتوليد الكهرباء. ولكن أثناء معايرة هذه الآلة للتجربة، بدأت تهز مختبره في مدينة نيويورك بعنف لدرجة أنه أدى إلى انهيار المبنى تقريبًا. ألهم هذا الاختراعُ العالمَ تسلا لإمكانية استخدامه لاكتشاف الخصائص الجيولوجية للأرض ولتحديد مواقع المعادن تحت الأرض. لم يتمكن تسلا أبدًا من بناء آلة الزلازل الخاصة به ، لكن العلماء والمهندسين يستخدمون نفس المبدأ للقيام بما يتخيله تسلا بالضبط.
صورة لآلة الزلال التي اخترعها العالم نيكولا تسلا
البث الحي
في مقطع إخباري نشر في السادس والعشرين من يناير عام 1926 ، توقع تسلا أنه من خلال تطبيق مبادئ الراديو ، سيتمكن الناس من مشاهدة الأحداث البعيدة عن طريق أجهزة صغيرة توضع في جيوبهم، وفقًا لوكالة أسوشيتد برس. تم وصف الفكرة المستقبلية في مقابلة نشرت في مجلة «Collier’s Weekly» ، حيث يقول تسلا: “سنكون قادرين على مشاهدة مراسم تنصيب الرؤساء، أو مشاهدة مباريات لعبة البيسبول ، وأيضًا مشاهدة المعارك الحربية كما لو كنا حاضرين.”
ما مدى دقة أنظمة الذكاء الاصطناعي في تمييز العواطف البشرية ؟
حظي الوجه البشري بإهتمام شعبي وعلمي على حد سواء، فهو يُعدّ نافذة إلى الروح لكشف مايُكنّه الإنسان من مشاعر وعواطف، يذكر عالم الأحياء الشهير تشارلز داروين في كتابه “التعبير عن العواطف عند الإنسان والحيوان” أنّ تعابير الوجه مرتبطة بالعواطف كبقايا بيولوجية لأفعال خدمت ذات مرة أغراضًا تتعلق بالبقاء. تُعدُّ أبحاث داروين لحركات وتعابير الوجه اللبنةَ الأولى لنظرية الانفعالات لصاحبها «تومكينز – Tomkins» . عرّف تومكينز الانفعالات على أنها استجابات بيولوجية فطرية لمثيرات مختلفة تظهر في الجهاز الصوتي والجهاز العضلي خصوصًا في منطقة الوجه وافترض في نظريته أن هناك عدد محدود من العواطف التي يُعبر عنها من خلال تعابير الوجه. في الآونة الأخيرة طعنت بعض الأبحاث في صحة وجهة النظر التقليدية التي تربط بين تعابير وجه الانسان والمشاعر المرتبطة بهذه التعابير. وبالرغم من أن نظرية الانفعالات لاتزال تحظى بتأييد من الأغلبية إلا أنه يوجد دليل علمي حاسم يربط بين المشاعر الفريدة وتعابير الوجه فمثلًا يمكن أن يشعر الإنسان بعاطفة ما بدواخله دون أن يعبر عنها في وجهه وبالتالي يمكننا القول أنه لا يمكن التعبير عن كل عواطف الإنسان من خلال تعابير الوجه. ومن هذا المنطلق تواجه أنظمة الذكاء الاصطناعي المتخصصة في تمييز العواطف البشرية معضلات كثيرة في تمييز العاطفة فهي مبنية على قواعد بيانات تربط بعض تعابير وعالم الوجه بحالات عاطفية وفقًا لمحددة التصنيفات أو الأبعاد أو الفئات المتبعة في خوارزميات الذكاء الاصطناعي.
مقارنة تمييز العواطف البشرية بين الإنسان والذكاء الاصطناعي
لدى الانسان مقدرة هائلة في تمييز وفهم المشاعر وخاصة للأشخاص القريبين منه، فبمجرد أن تلقي نظرة على وجه شخصٍ ما، بإمكانك تحديد ما إذا كان سعيدًا أو حزينًا أو قلقًا. ويرجع ذلك بفضل قدرة الدماغ البشرية على تحليل الصور وفهم المشاعر. وعلى جانب أخر، اكتسبت تقنيات الذكاء الاصطناعي القدرة على تمييز الصور من خلال نماذج تعلم الالة التي يمكنها التعرف على الوجوه ومتابعة حركتها ويظهر ذلك جليًا في تقنية فتح الهواتف الذكية باستخدام صورة الوجه أو في خاصية الأمان المستخدم لدى شركة فيسبوك والتي تتطلب أخذ صورة لوجهك. ليس ذلك فقط، بل بإمكان الذكاء الاصطناعي معرفة مشاعرك عن طريق صورة وجهك فقط. لكن مع كل هذا التقدم لايزال الذكاء الاصطناعي متأخرًا عن الإنسان من حيث مقدرته على تمييز المشاعر وذلك بحسب دراسة أجريت في جامعة دوبلن سيتي. أجرى فريق الدراسة البحث على ثمانية من الأنظمة المستخدمة لتمييز العواطف الإنسانية من خلال تعابير الوجه وقارنوا أداء التعرف على المشاعر بأداء المراقبين البشريين. وجد الباحثون أن دقة تمييز العواطف بالنسبة للمراقبين البشريين هي 72% بينما تباينت دقة التعرف بواسطة أجهزة الذكاء الاصطناعي من 48% إلى 62%.
منهجية البحث
يقول المؤلف الرئيسي للدراسة الدكتور«داميان دوبري – Damien Dupré» “من السهل جدًا تطوير أنظمة الذكاء الاصطناعي التي تدّعي التعرف على عواطف البشر من تعابير وجوههم. ومع ذلك، يعتمد معظمها على أدلة علمية غير حاسمة حيث تستند على أن كل البشر يعبرون عن عواطفهم بنفس الطريقة.” تستند أنظمة التعرف على المشاعر البشرية إلى ستة عواطف أساسية فقط -السعادة، الحزن، الغضب، الخوف، المفاجأة، والاشمئزاز-ولكنها لا تستطيع تمييز المشاعر المختلطة بشكل جيًد. تحتاج الشركات التي تستخدم مثل هذه الأنظمة إلى أن تدرك أن النتائج التي تم الحصول عليها لا تًعدّ مؤشرًا للعاطفة التي يشعر بها الإنسان، ولكنها مجرد مقياس لمدى تطابق وجه الشخص مع وجه من المفترض أن يتوافق مع إحدى تلك العواطف الستة. تعمل أنظمة تتميز المشاعر ببساطة عن طريق مقارنة صورة للوجه مع صور مخزنة في قواعد بيانات ضخمة تحتوي على المشاعر الأساسية الستة. تقوم إحدى تقنيات الذكاء الاصطناعي – مثل الشبكات العصبية الاصطناعية-بتحليل صورة الوجه وحساب مقدار التشابه مع المشاعر الأساسية الستة وبناء على ذلك تحتسب صورة الوجه تلك على أنها في سعادة أو في حزن أو غيرها.
اشتملت الدراسة التي أجريت في جامعة دبلن على 937 مقطع فيديو أُخذت عينات منها من قاعدتي بيانات ضخمتين تحتويان على صور للمشاعر الستة الأساسية. اختيرت قاعدتي بيانات ديناميكيتين معروفتين لتعبيرات الوجه: «BU-4DFE»من جامعة بينغهامتون في نيويورك والأخرى من جامعة تكساس. صنفت صور المشاعر الستة في كلتا القاعدتين إلى فئات مميزة لتعبيرات الوجه، وتحتوي هذه الفئات إما على تعابير وجه منفتحة أو عفوية. كانت جميع التعبيرات التي تم فحصها ديناميكية لتعكس الطبيعة الواقعية لسلوك الوجه البشري. أظهرت النتائج أن دقة أنظمة الذكاء الاصطناعي في تمييز التعابير العفوية للوجوه البشرية منخفضة وأضافت المؤلفة المشاركة للدكتورة «إيفا كرومهوبر – Eva Krumhuber» المتخصصة بعلم النفس وعلوم اللغة بجامعة كاليفورنيا: “لقد قطع الذكاء الاصطناعي شوطًا طويلًا في تمييز تعابير الوجوه البشرية ، ولكن بحثنا يشير إلى أنه لا يزال هناك مجال للتحسين في التعرف على المشاعر الإنسانية الحقيقية”.
صورة توضح نتائج دقة تمييز العواطف البشرية باستخدام أنظمة مختلفة للذكاء الاصطناعي
خداع الذكاء الاصطناعي
تواجه أيضًا أنظمة الذكاء الاصطناعي التي تستخدم «الشبكات العصبية العميقة –Deep Neural Networks» لتصنيف الصور بعض الصعوبات في تمييز الصور حيث أوضح الباحث «نجوين – Nguyen» الذي يعمل حاليا في جامعة«أوبورن – Auburn» بولاية ألاباما الأمريكية- أن مجرد تدوير الاشياء في صورة كان كافيًا لتضليل بعض من أفضل أنظمة تصنيف الصور . وصرّح الباحث«هندريكس –Hendrycks» وزملاؤه بأنَّه حتى الصور الطبيعية غير المعدلة يمكنها خداع أحدث برامج التصنيف، وإيقاعها في زّلاتٍ لا يمكن التنبؤ بها، مثل تصنيف فطر في صورة ما على أنَّه قطعة من معجنات «البريتزل –pretzel »، أو تصنيف حشرة يعسوب على أنَّها غطاء بالوعة .تتجاوز المشكلة مسألة التعرف على الاشياء، إذ إن أي نظام ذكاء اصطناعي يستخدم الشبكات العصبية العميقة لتصنيف المدخلات، مثل الكلام، يمكن خداعه. ويمكن أيضًا عرقلة عمل برامج الذكاء الاصطناعي التي تُستخدم في ألعاب الفيديو. ففي عام ،2017على سبيل المثال، ركزت عالمة الحاسوب «ساندي هوانج –Sandy Huang»– طالبة دكتوراة في جامعة كاليفورنيا بمدينة بيركلي الامريكية- وزملاؤها على الشبكات العصبية العميقة التي دُربَت على الفوز في ألعاب الفيديو بأجهزة الـ«أتاري –Atari »، من خلال عملية تسمى التعلم التعزيزي . وفي هذا الإطار، يُوضع هدف لنظام الذكاء الاصطناعي. وعبر الاستجابة لمجموعة من المدخلات، يتعلم النظام من خلال التجربة والخطأ ما ينبغي فعله للوصول إلى هذا الهدف. وهذه هي التقنية التي تستند إليها برامج الذكاء الاصطناعي الخارقة الممارسة للألعاب، مثل «ألفا زيرو –AlphaZero» وروبوت لعبة البوكر «بلوريباس –Pluribus»ومع ذلك.. استطاع فريق هوانج أن يجعل برامج الذكاء الاصطناعي تخسر في الالعاب، عن طريق إضافة بكسل عشوائي أو اثنين إلى الشاشة. وبيّن «آدم جليف –Adam Gleave» -طالب الدكتوراة في مجال الذكاء الاصطناعي بجامعة كاليفورنيا في مدينة بيركلي الامريكية– وزملاؤه أنَّه من الممكن إقحام عنصر في بيئة نظم ذكاء اصطناعي، لينفذ سياسة ُ خادعة مُصممة لتُعرض لك استجابة هذه النظم؛ فعلى سبيل المثال في بيئة محاكاة، في نظام ذكاء اصطناعي مخصص لألعاب كرة القدم، ستلاحظ أن اللاعبين المُّدربين على ركل الكرة لتستقر في مرمى يحرسه حارس مرمى في النظام يفقدون قدرتهم على تسجيل الأهداف عندما يبدأ حارس المرمى في التصرف بطرق غير متوقعة، مثل السقوط على الأرض.
يسعى الإنسان لتسخير موارد الطبيعة لما يعود عليه بالنفع والرفاهية منذ أن وجد على هذه الأرض، ويشمل ذلك استغلال الموارد الطبيعية لتوليد الكهرباء. في الآونة الأولى، اُستخدم الوقود الأحفوري لتوليد الكهرباء وبالرغم من آثاره السلبية على البيئة لايزال يُستخدم حتى الآن، ثم تبع ذلك استغلال الطاقة المستدامة كالرياح وطاقة المد والجزر والطاقة الشمسية. كل تلك الطرق مألوفة للكثيرين، لكن في هذا المقال سنناقش واحدةً من أغرب الطرق حيث طور فريق من العلماء جهاز لتوليد الكهرباء باستخدام البكتيريا، هذا النوع من البكتيريا عُثر عليه في شواطئ نهر بوتوماك في الولايات المتحدة الأمريكية.
توليد الكهرباء عن طريق بكتيريا الجيوباكتر
تمكن الباحثون من اكتشاف ميكروب استثنائي ينتمي إلى عائلة بكتيريا الجيوباكتر التي تمتاز بقدرتها على أكسدة المركبات العضوية والمعادن. فيما مضى لاحظ العلماء قدرة بكتيريا الجيوباكتر على إنتاج «المغنيتيت –Magnetite» وهو أحد أكاسيد الحديد ويعرف باسم أكسيد الحديد الأسود ويمتاز بخصائص مغناطيسية. ولكن مع مرور الوقت، اكتشف العلماء قدرة هذا الكائن على إنتاج الأسلاك النانوية البروتينية الموصلة للكهرباء. لسنوات عدة حاول العلماء استغلال هذه الهبة الطبيعية، ومؤخرًا نجح فريق من العلماء في تصميم جهاز أطلقوا عليه اسم «Air-gen» والذي يقول عنه مهندس الكهرباء «جون ياو–Jun Yao» ” نجحنا في توليد الكهرباء حرفيًا من الهواء الرقيق!” ،قد يبدو هذا الادعاء مبالغًا فيه، ولكن في دراسة حديثة أجراها الباحث “ياو” وفريقه تصف كيف يمكن لهذا الجهاز أن يولد الكهرباء بدون أي شيء سوى وجود الهواء حوله. كل ذلك بفضل الأسلاك النانوية البروتينية الموصلة للكهرباء التي تنتجها فصيلة من عائلة «بكتيريا جيوباكتر–Geobacter» وتُعرف باسم «Geobacter.sulfurreducens».
آلية العمل
يتكون جهاز «Air-gen» من طبقة رقيقة من الأسلاك النانوية البروتينية -المنتجة بواسطة بكتيريا جيوباكتر- بسماكة 7 ميكرومتر فقط، يتم وضعها بين قطبين مصنوعين من الذهب كما هو موضح في الشكل أدناه، تُعرّض هذه الطبقة للهواء مما يُسبب امتصاص البخار الموجود في الهواء الجوي عن طريق هذه الأسلاك النانوية. يؤدي تدرج نسبة الرطوبة إلى انتشار البروتونات في هذه الأسلاك وتولد تيار كهربائي مستمر يسري بين قطبي الجهاز. الجدير بالذكر أن هذا الاكتشاف أتى بمحض الصدفة عندما لاحظ الباحث “ياو” أنه عند توصيل الأسلاك النانوية بالأقطاب الكهربائية بطريقة معينة يتولد تيارًا كهربيًا عن طريق هذه الأجهزة. يقول “ياو” : “من الضرورة توفير رطوبة حول هذا الجهاز وذلك لكي تتمكن الأسلاك النانوية من امتصاص الماء مما ينتج عنه حدوث فرق جهد كهربي في الجهاز”.
يظهر في الشكل صورة مجهرية للأسلاك النانوية البروتينية المنتجة بواسطة بكتيريا جيوباكتر بالإضافة إلى صورة مبسطة لجهاز «Air-gen».
أظهرت الدارسات السابقة قدرة بعض المواد الكربونية المعدلة هندسيًا على استغلال رطوبة الجو لتوليد الكهرباء ولكن كانت بكميات صغيرة ولا تستمر سوى لبضع ثوان. على النقيض من ذلك ، ينتج «Air-gen» جهدًا مستمرًا يبلغ حوالي 0.5 فولت، وكثافة تيار تبلغ حوالي 17 ميكروأمبير لكل سنتيمتر مربع ويستمر توليد التيار لما يقارب عشرين ساعة قبل أن يقوم الجهاز بعملية الشحن الذاتي. بالطبع كمية الطاقة المنتجة باستخدام هذه الطريقة لاتزال أيضًا صغيرة ولا يمكن استخدامها في التطبيقات اليومية، ولكن ذكر فريق البحث بأنه يمكن مضاعفة هذه الطاقة عن توصيل أجهزة متعددة مما يسمح بتوليد طاقة كافية لشحن الأجهزة الصغيرة مثل الهواتف الذكية والأجهزة الإلكترونية الشخصية الأخرى. تعد هذه الطريقة صديقة للبيئة ولا تخلف أي نفايات، فقط كل ما تحتاجه هو ذلك الميكروب الاستثنائي بالإضافة إلى الرطوبة.
طموحات مستقبلية
يسعى الباحثون إلى الاستفادة من هذه التقنية على نطاق واسع كإمداد المنازل بالكهرباء عبر الأسلاك النانوية المدمجة في طلاء الجدران. يقول “ياو ” بمجرد أن ننتج هذه الأسلاك بكميات تجارية كبيرة، أتوقع تمامًا أن نتمكن من إنشاء أنظمة ضخمة من شأنها أن تسهم بشكل كبير في إنتاج الطاقة المستدامة.” ما يعيق تحقيق هذه الإمكانات المذهلة هي الكمية المحدودة من الأسلاك النانوية التي تُنتج . ولكن في بحث ذي صلة أجراه أحد أعضاء الفريق -عالم الأحياء الدقيقة ديريك لوفلي- أوضح إمكانية وجود حل لهذه المشكلة وهي هندسة الأنواع الأخرى من البكتيريا وراثيا ، مثل بكتيريا «إي كولاي –E. coli» لإنتاج الأسلاك النانونية البروتينية بكميات ضخمة. يقول لوفلي “حولنا بكتيريا إي كولاي إلى مصنع للأسلاك النانوية البروتينية “. وبالتالي سيفتح ذلك آفاقًا جديدة في تطبيق هذه التقنية على نطاق واسع. نُشر هذا البحث في دورية «Nature» في شهر فبراير الماضي.
