الكاتب: Khaled Khattab

معنى العدم هو واحد من أهم الأسالة التي عجزت الفيزياء عن تفسيرها حتى الآن. حتى الفلاسفة اختلفوا على وضع معنى واضح وصريح يفسر طبيعة العدم. فما هو العدم من وجهة نظر الفيزياء والفلسفة؟

الفراغ لا يعني العدم

حاول أن تغلق عينيك لمدة دقيقة وتفكر في العدم. تحاول بصعوبة منع مخيلتك من تخيل أي شيء مادي، ولكنك تفشل في النهاية. فعند التفكير في الأمر ترى نفسك تتخيل أما كلمة “اللاشيء” أو اللون الأسود، وهما في الواقع شيء. محاولتك أيضًا لتخيل الفراغ بين النجوم أو الكواكب محاولة خاطئة، فما بينهم ليس لاشيء بل هو فضاء يحتوي على إشعاع وعلى قوى مختلفة مثل الجاذبية. وبالتالي مفهوم العدم لا يعني الفراغ الذي تراه. ولتخيل الفرق العدم وما تراه بشكل أوضح، حاول أن تتخيل صندوق خالي. بتفريغ الهواء من داخل الصندوق أيضًا أصبح لديك صندوق فارغ من أي شيء قد تراه أو تشعر بوجوده. ولكن كيف يرتكز الصندوق في مكانه؟ من خلال قوة الجاذبية التي تؤثر عليه وبالتالي الصندوق يحتوي على شيء، ولكنك ليس بالضرورة أن تراه.

وبالتفكير في الجاذبية من خلال نظرية النسبية العامة لأينشتاين، نجد أن الجاذبية هي تغير في الزمان والمكان. وبالتالي فلتفريغ الصندوق من الجاذبية يجب أن نزيل الزمان والمكان. وكما قال عالم الفيزياء النظرية الأمريكي «شون كارول – Sean Carroll» “ربما يكون من الأفضل التفكير في لا شيء على أنه غياب حتى للمكان والزمان، بدلاً من المكان والزمان بدون أي شيء فيهما”. [1]

المراحل الفيزيائية للعدم

نشر الفيلسوف الأمريكي «روبرت كون – Robert Kuhn» مقال عام 2013 بعنوان «مراحل اللاشيء – Levels of nothing». عبر كون عن العدم بشكل بعيد عن التخيل أو الفرضيات ووضع له مراحل فقط ليجعل التفكير له ترتيب معين. وقسم كون مراحل العدم إلى مراحل للأشياء الملموسة والغير ملموسة والمنطقية عند البعض والغير منطقية عند غيرهم. وبالتالي، وحد كون مراحل العدم لتشمل الفكر الإنساني ككل. ويمكننا ترتيب أول 6 مراحل عند كون بالشكل الفيزيائي التالي: [2]

تعتبر أبسط المراحل هي المرحلة الأولى أو كما أطلق عليها كون “اللاشيءالأول”. ولا يطلب اللاشيء الأول أي معرفة علمية أو فيزيائية مسبقة لمحاولة تخيله. فالمرحلةالأولى عبارة عن إزالة الأشياء البسيطة التي تراها بعينك. فمثلًا في مثال الصندوق الذي يحوي طعام، نصل للاشيء الأول بإزالة الطعام الذي بداخل الصندوق. ولكن بالطبع اللاشيءالأول ليس اللاشيء المطلق الذي نبحث عنه، وإن كان لك خلفية علمية بسيطة ستقول: ماذا عن الهواء بداخل الصندوق؟ وهنا تأتي المرحلة الثانية وهي المرحلة التي ندرك عندها وجود هواء بداخل الصندوق يجب إزالته. ولكن بنظرة فيزيائية حديثة أعمق سترى وجود العديد الجسيمات التي تتدفق من خلالنا أو من حولنا كالنيوترينو مثلًا. وإزالة ذلك النوع من الجسيمات هي المرحلة الثالثة. المرحلة الرابعة هي ببساطة إزالة جميع الطاقات أو الإشعاعات من حولك أو المجالات كالمجال المغناطيسي. وحتى الآن فلا وجود للمادة ولا الطاقة ولا الإشعاع، فما الذي تبقى؟

في ميكانيكا الكم حتى الفراغ له طاقة تسمى بطاقة تقلبات الفراغ. الفراغ أيضًا يحتوي على جسيمات افتراضية تتكون وتلاشي بعضها البعض مرة أخرى. ولكن على الرغم من عدم قدرتنا على اكتشاف تلك الجسيمات مباشرة إلا أن تأثيرها على المواد حولها يمكن ملاحظته. وبإزالة تلك الجسيمات وطاقة الفراغ من الصندوق نحصل على المرحلة الخامسة. ويتبقى لنا المرحلة الأخيرة من المراحل الفيزيائية للعدم، وهي إزالة الزمان والمكان. في تلك المرحلة وباختفاء الزمان والمكان، تختفي قوانين الفيزياء كلها تبعًا لهم. وبالتالي فمرحلة السادسة هي المرحلة التي تختفي عندها كل قوانين الفيزياء.

عند تلك اللحظة لا يوجد مادة، ولا إشعاعات، ولا طاقة، ولا جسيمات افتراضية، ولا زمان، ولا مكان، ولا حتى قوانين الطبيعة. فما الذي تبقى لنا في الصندوق من وجهة نظر روبرت كون؟

.

لماذا يوجد شيء بدلًا من عدم وجود أي شيء

لم يكتف روبرت كون بإزالة كل العناصر الفزيائية من الصندوق، ولكنه قرر ضم المعتقدات الإنسانية لهم. على سبيل المثال، إن كنت تؤمن بأي معتقد ديني فيجب أن تزيل كل المخلوقات التي يمكن أن تكون موجودة، الملائكة مثلًا. وتلك هي مرحلة اللاشيء السابعة لكون. أما المرحلة الثامنة نصل لها بإزالة كل العلاقات الرياضية من منطق وأعداد وقيم. ولكنها ليست النهاية، فمازال يوجد أخر مرحلة عند كون. مرحلة اللاشيء التاسعة هي عند إزالة أي احتمال لوجود أو خلق أي شيء من جديد، حتى لو لم يكن هناك شيء. وبالتالي لكي يصل روبرت كون لترتيب صحيح للاشيءفقد أزال كل الأشياء الفيزيائية حتى قوانين الطبيعة، ثم المعتقدات والراضيات وحتى أي احتمال لوجود أي شيء

واتجه الفلاسفة، عوضًا عن سؤال “ما هو العدم؟”، للبحث عن سبب عدم وجود العدم. لماذا يوجد شيء بدلًا من عدم وجود أي شيء؟ واختلفت إجابات الفلاسفة على ذلك السؤال. فأحد أشهر الإجابات هو أن العدم شيء سخيف وطبيعي أكثر أن يتواجد شيء عوضًا عن عدم وجود أي شيء على الأطلاق. أما الإجابة الثانية هي أنه لا يوجد تفسير، أو بشكل أخر هو أن الرد على ذلك السؤال غير ضروري. والإجابة الأخيرة هي أن ذلك هو أفضل اختيار موجود، فالعدم لن يصل بالكون لشيء جيد.[3]  وفي النهاية فلا يوجد معنى واضح للعدم المطلق وأنه شيء نسبي يختلف تعريفه حسب تعريف الشيء نفسه. فمن رأيك هل يوجد أي إجابة أخرى يمكن أن تُعرف بها معنى العدم؟

المصادر

[1] What Is Nothing?

[2] Levels of Nothing by Robert Lawrence Kuhn

[3] Nothingness

تعتبر سرعة الضوء ثابثا مسلمًا به في الفيزياء الحديثة. فثباث سرعة الضوء هو المبدأ الذي قامت عليه نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين، وهي أقصى سرعة يمكن أن يصل لها شيء. فما هي طبيعة الضوء؟ وهل يمكن تجاوز سرعة الضوء في الفراغ؟

قياس سرعة الضوء

قد يبدو قياس سرعة الضوء قديمًا في القرن السابع عشر أمرا مستحيلًا، ولم يكن محل اهتمام العلماء حينئذ. فقد كانت الإمكانيات المتاحة لا تستطيع قياس مثل تلك السرعات، واعتبرت سرعة الضوء سرعة لانهائية. ولكن استطاع عالم الفلك الدنماركي «أولي رومر – Ole Roemer» قياس سرعة الضوء عام 1676.[1] ولم يكن قياس سرعة الضوء هو ما يَسعى إليه، بل كان يعمل على دراسة أحد مدارات كوكب المشتري مدار «آيو IO».

اهتم رومر بدراسة هذا المدار لأن قياس معدل دوران أقمار ذاك المدار حول المشتري سيساعد المسافرين في تحديد الوقت بدقة. ولكنه اكتشف وجود تأخر في ذلك المعدل حين تبتعد الأرض عن المشتري، فاستنتج من خلال ذلك سرعة الضوء. بعد ذلك، تطورت قياسات سرعة الضوء حتى أصبحت لا تقتصر على القياسات الفلكية، بل على أجهزة معملية كذلك.[2] كتجربة مقياس التداخل للعالمين الأمريكيين «ألبرت ميكلسون – Albert Michelson» و«إدوارد مورلي – Edward Morley».

معادلات ماكسويل

يعتبر العالم «جيمس كلارك ماكسويل – James Clerk Maxwell» واحدا من أهم العلماء في تاريخ الفيزياء. حيث غَير ماكسويل مَجرى الفيزياء تمامًا باستنتاج معادلاته الأربع الشهيرة بـ “معادلات ماكسويل”. وتنص هذه المعادلات على:

1. الشحنة الكهربائية الخارجة من سطح مغلق تساوي مجموع الشحنات الكهربائية داخل ذلك السطح. وذاك هو قانون جاوس للمجال الكهربائي.
2. لا يوجد مغناطيس أحادي القطب، فالمغناطيس يحتوي على قطب شمالي وقطب جنوبي. ويسمى ذلك بقانون جاوس للمجال المغناطيسي.
3. نتيجة للتغير في المجال المغناطيسي ينشأ تيار كهربائي مستحث ليقاوم ذلك التغير. ويدعى قانون فارادي.
4. أما القانون الرابع فهو قانون أمبير الذي ينص على العلاقة بين المجال الكهربائي الثابت والمجال المغناطيسي. عدل ماكسويل في المعادلة ليجعلها تصف المجال الكهربائي المتغير أيضا. وساعدت المعادلة لاحقًا في استنتاج حركة الضوء في الفراغ.

وحد ماكسويل المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي لأول مرة بتلك المعادلات في مجال موحد يسمى المجال الكهرومغناطيسي. ويتحرك المجال الكهرومغناطيسي في الفضاء بسرعة ثابثة تساوي 299792458 متر في الثانية والتي تقترب من سرعة الضوء المقاسة حينها. ومن خلال نموذج ماكسويل للكهرومغناطيسية، فإن طبيعة الضوء ـ حسب ماكسويل ـ ما هي إلا موجة كهرومغناطيسية تسير بسرعة ثابثة هي سرعة الضوء.

الضوء كجسيم وكموجة

طبيعة الضوء كما استنتج ماكسويل هو موجة كهرومغناطيسية. والموجات الكهرومغناطيسية لا تقتصر فقط على الضوء، ولكنها طيف كامل يبدأ من موجات الراديو حتى أشعة جاما. وكل نطاق في ذاك الطيف له تردد معين وطول موجي معين تناظرهم طاقة معينة. وفي ظل عدم احتياج الضوء (أو الموجات الكهرومغناطيسية عمومًا) لوسط تنتقل من خلاله فسرعتها تسجل أعلى مستوياتها في الفراغ.

افترض العالم «ماكس بلانك – Max Planck» أن الموجات الكهرومغناطيسية هي عبارة عن كميات صغيرة من الطاقة. وإذا خصصنا ذلك فقط على الضوء، يمكننا أن نقول إن الضوء عبارة عن كم صغير من الطاقة اسمه فوتون. وبالتالي فالضوء هو جسيم (فوتون) وموجة هي (الموجة الكهرومغناطيسية).

واستنتجت النسبية الخاصة لأينشتاين تكافؤ الطاقة والكتلة في المعادلة الشهيرة (الطاقة = الكتلة X مربع سرعة الضوء)، إذ يجب على جسم ما أن تقترب كتلته من الصفر ليصل إلى سرعة الضوء. معمليًا، فإن إيصال جسيم ما لسرعة الضوء هو أمر مستحيل. أما عن سفر الإنسان بهذه السرعة فيجب أن تقترب كتلته من الصفر كما ذكر. ولكن فرضية الثقوب الدودية توفر فرصة للسفر بسرعة أكبر من سرعة الضوء، ولكن من خلال سرعة عالية، بل باختصار المسافة.[3]

المصادر

[1] Roemer’s Speed of Light
[2] On the relative motion of the Earth and the luminiferous ether
|[3] What is wormhole theory?

واحدة من أهم ألغاز الفيزياء حاليًا هي سبب تكون كل شيء حولنا من المادة وليس من المادة المضادة. وحسب دراسات يابانية حديثة فحل تلك المعضلة يكمن في جسيم النيوترينو. فهل النيوترينو هو سر بقاء المادة؟

معضلة المادة والمادة المضادة

تتكون الأشياء من حولنا من مواد مختلفة وتتكون تلك المواد من جسيمات صغيرة مختلفة. وأشهر تلك الجسيمات مثلًا الإلكترون والبروتون. وفي عام 1928 افترض العالم الإنجليزي «بول ديراك – Paul Dirac» وجود جسيم مماثل تمامًا للإلكترون، ولكنه عكسه في الشحنة وهو مضاد الإلكترون. ومن نفس المنطلق لكل جسيم نعرفه يوجد جسيم مضاد، وكذلك إذا كانت المواد التي نعرفها تتكون من الجسيمات فلابد من وجود مواد تتكون من مضادات الجسيمات. [1]

فمثلًا، نرى حولنا الأرض والهاتف وأي شيء حولنا حتى نحن مكونين من مادة، من جسيمات صغيرة. ولكن هل رأيت كوكب ما مكون من مادة مضادة؟ هل رأيت حولك شيء يتكون من مادة مضادة؟ هل استطاع العلماء اكتشاف أي شيء يتكون من مادة مضادة؟ الإجابة لا. ومن جانب آخر، يفترض النموذج المعياري للجسيمات تساوى الجسيمات مع الجسيمات المضادة في الكون. وتسمى تلك المعضلة بمعضلة المادة والمادة المضادة وهي واحدة من أهم ألغاز الفيزياء التي لم تحل حتى الآن.

عندما يجتمع الجسيم مع الجسيم المضاد له فإنهما يلاشيان بعضهما ويتحولا لكم من الطاقة. وإذا تعمقنا في تلك العملية سنجد أن مع تساوي عدد الجسيمات مع الجسيمات المضادة، فلما لم يختف الكون في بداية نشأته؟ وكيف لم تلاش كل الجسيمات نظائرها من الجسيمات المضادة؟ وهو الذي يجعلنا نفكر فيما قد يحدث في ذلك الوقت يمنع عملية التلاشي. أو وجود جسيم قادر على أن يتخطى تلك المرحلة لينجو بالجسيمات لبر الأمان ونرى كوننا كما نراه الآن.

النيوترينو

يعد النموذج المعياري للجسيمات هو أكثر نموذج مقبول في فيزياء الجسيمات. ويقسم النموذج المعياري الجسيمات لعائلات رئيسية تبعًا لإحدى خصائص الجسيمات. واحدة من تلك العائلات تسمى اللبتونات. تحتوي عائلة اللبتونات على (إلكترون – ميوون- تاو – نيوترينو إلكترون – نيوترينو ميوون – نيوترينو تاو) والجسيمات المضادة لهم. والنيوترينو هو جسيم كتلته تكاد تكون صفر واثناء تحركه يتغير من نوع لآخر، أي يتحول من نيوترينو إلكترون إلى نيوترينو تاو مثلا.

ولكن الخاصيتين التي تجعلنا نفكر في النيوترينو كحل لمعضلة المادة والمادة المضادة هما:

1. أن النيوترينو المضاد والنيوترينو لهم متعادلان أي يحملان نفس الشحنة.
2. وأن النيوترينو نادرًا ما يتفاعل مع المادة حيث يمر في أجسامنا يوميًا العديد من تلك الجسيمات، ولكنها لا تتفاعل معها.

والآن كيف يمكن للنيوترينو أن يكون حل المعضلة؟

محاولة حل المعضلة بواسطة النيوترينو

يعمل مسرع البروتونات بقرية «توكاي – Tokai» باليابان على إنشاء شعاع مكثف من النيوترينوات ميون ونظيرها المضاد. وتم إرسال ذلك الشعاع إلى كاشف «كاميوكاند الفائق Super-Kamiokande». ولذلك اسم المشروع T2K أي من توكاي إلى كاميوكاند. [2]

خلال رحلة النيوترينوات تتغير دوريًا من نيوترينو ميوون إلى نيوترينو إلكترون. والنيوترينو المضاد ايضًا يتغير بنفس الهيئة من نيترينو مضاد ميوون إلى نيوترينو مضاد إلكترون. وهنا يظهر الأختلاف. فدراسة مشروع T2K وجدت اختلاف في زمن تحول النيوترينو عن نظيره المضاد بحوالي دقيقة. ومازالت الأبحاث والتطويرات في المشروع قائمة لأثبات ذلك الاختلاف. فوجود ذلك الاختلاف يعطي الأفضلية للمادة أن تتكون في بداية الكون أسرع من المادة المضادة مما يفسر ما نراه حاليًا.

ولكن تعمل الدراسة حاليًا على إيجاد نتائج أكثر دقة حتى يتم الاعتراف بها في مجتمع الفيزياء. فمن خلال النظريات الحالية لإيجاد سر بقاء الكون، هل ترى أن النيوترينو يمكن أن يكون هو سر بقاء المادة؟ شاركنا برأيك في التعليقات.

المصادر

[1] Antimatter

[2] The T2K Experiment

تشير أحدث الدراسات في مختبر Cern بسويسرا إلى أن الكون لم يكن من المفترض أن يوجد من الأساس. فحتى الآن لا يوجد سبب واضح لوجود الكون حاليًا. إذن فما هو لغز وجود الكون؟ وما الحلول الممكنة لذلك اللغز؟

عملية الإبادة

“ماذا إذا التقيت بالشخص المضاد لك في مكاٍن ما من الكون؟ ستختفي أنت وهو وتتحول أجسامكما إلى طاقة”.

يعتمد ذلك السؤال، الفلسفي، وأجابته على ما توصل له علماء فيزياء الجسيمات. إذ يتكون الكون من عنصرين أساسيين، مادة و طاقة، وكلٍ منهما يتكون من جسيمات أصغر تسمى جسيمات أولية. ويقسم علماء فيزياء الجسيمات تلك الجسيمات الأولية من خلال نموذج يسمى «النموذج المعياري – The standard model». وأشهر الجسيمات الأولية التي تتكون منها المادة، مثلي أنا وأنت والأرض، هي البروتونات والإلكترونات. [1]

وفي عام 1928، اقترح العالم الإنجليزي «بول ديراك – Paul Dirac» وجود جسيم مماثل للإلكترون، ولكنه موجب، أي عكسه في الشحنة. وتم تأكيد فرضية ديراك عام 1932 عن طريق العالم الأمريكي «كارل أندرسون – Carl Anderson». وفتح ذلك الاكتشاف الباب لوجود جسيمات أولية مماثلة للجسيمات المعروفة، ولكنها معاكسة لها في الشحنة، وأطلق عليها الجسيمات المضادة.

وعند اجتماع الجسيم مع الجسيم المضاد له يلاشيان بعضهما البعض، وينتج كم من الطاقة في عملية تسمى «الإبادة – Annihilation». تخيل إذا التقيت بشخص مماثل لك تمامًا، ولكنه مكون من مادة مضادة، فسيلاشي كل منكما الأخر وتتحول أجسامكما لطاقة. وتلك هي معضلة نشأة الكون!

يفترض النموذج المعياري لفيزياء الجسيمات تساوي عدد الجسيمات والجسيمات المضادة عند الانفجار العظيم. ولكن كيف لم تتلاش الجسيمات مع الجسيمات المضادة عند نشأة الكون في عملية تمنع الكون من أن يكون موجودًا من الأساس؟

البحث عن حل

حاول علماء فيزياء الجسيمات التجريبية خلال السنوات الماضية البحث فيما إذا كان هناك أي عدم تماثل بين الجسيمات والجسيمات المضادة. فوجود عدم تماثل بينهما يعني وجود أفضلية لوجود المادة حولنا بعكس المادة المضادة، أي وجود الكون كما نراه على حساب دماره عند النشأة. وكانت أخر تلك التجارب عام 2017 في مختبر «سِرن – CERN» في سويسرا والتي كانت بهدف قياس العزم المغناطيسي للبروتون المضاد. وكانت من أصعب تجارب سِرن، ولكنها تمت بدقة وصلت ل 68%. وجاءت نتيجة البحث على تشابه العزم المغناطيسي للبروتون والبروتون المضاد والذي يقربنا جدًا من استنتاج التماثل التام بين خصائص الجسيمات والجسيمات المضادة. [2]

عدم التناظر عند الانفجار العظيم

واحد من أهم مبادئ فيزياء الجسيمات هو تناظر «الشحنة – Charge» و«التكافؤ – Parity» و«الوقت – Time» أو الCPT. ويعنى ذلك المبدأ أن إذا انعكس الكون واستُبدلت المادة بالمادة المضادة ورجع الزمن للوراء لن يحدث تغيير في قوانين الفيزياء. وعلى ذلك فإن عدم التماثل سيخل بمبدأ ال CPT. والقليل من عدم التناظر كافي لتفسير سبب وجود كميات من المادة حولنا مقارنة بالمادة المضادة، فلم نرصد حتى الآن كوكب من مادة مضادة مثلًا! ولكننا لم نرصد غياب التناظر حتى الآن. وعلى جانب آخر، لا نعلم ما حدث بالفعل في اللحظات الأولى من الانفجار العظيم. بل وتبقى صحة نظرية الانفجار العظيم محل جدل حتى الآن.

هل عجزنا عن تفسير لغز نشأة الكون؟

ليست نهاية المطاف بعد، إذ يعمل الباحثون على تطوير التجارب ويستمرون في البحث عن أي دليل بخصوص عدم التماثل. ويحاول علماء فيزياء الجسيمات التجريبية حاليًا دراسة تأثير قوة الجاذبية في حالة الجسيمات المضادة. فنحن نعلم مثلًا أن الأرض (مادة) تجذب الإنسان (مادة)، أي أن المواد تجذب بعضها البعض من خلال قوى الجاذبية. فماذا عن المواد المضادة؟ هل تجذب المادة المضادة بعضها أم تتنافر؟ وهل تنجذب أم تتنافر المادة مع المادة المضادة؟ [3] [4]

من المتوقع أن يكون التفاعل بين المادة المضادة والمادة هي قوة تجاذب عند المسافات القصيرة. وأن قوة الجاذبية للمواد المضادة مع بعضها هي قوة جذب لا تنافر. ولكن حتى يظهر أي دليل سيبقي واحد من أهم الألغاز في الفيزياء الحديثة هو لغز وجود الكون. [4]  

المصادر
[1] The Standard Model: How far can it go and how can we tell?
[2] A parts-per-billion measurement of the antiproton magnetic moment
[3] LHCb sees new form of matter–antimatter asymmetry in strange beauty particles
[4] Gravitational matter-antimatter impact interactions

تعتبر المواد فائقة التصويل مواد توصل الكهرباء بصورة عادية في الظروف الطبيعية. ولكن عند ظروف معينة تتحول تلك المواد لمواد بخصائص كهربية ومغناطيسية فائقة. فما هي الموصلات الفائقة؟ وما هي تطبيقاتها؟

توصيلية الموصلات الفائقة ودرجة الحرارة

تنقسم المواد في الطبيعة، من حيث توصيليتها للكهرباء، لثلاثة أنواع: مواد موصلة للكهرباء ومواد عازلة للكهرباء، وأشباه الموصلات. توصل المواد الموصلة للكهرباء الكهرباء بشكل جيد عكس المواد العازلة، أما أشباه الموصلات فتوصيليتها بين المواد الموصلة والمواد العازلة وتوصل الكهرباء عند معالجتها بشوائب معينة. لكن عام 1911 اكتشف العالم الهولندي «هايك أونز – Heike Onnes» نوع آخر من المواد وهي المواد فائقة التوصيل للكهرباء. [1]

كان أونز يعمل على قياس توصيلية المواد عند درجات الحرارة المنخفضة. ولاحظ عند قياسه لتوصيلية الزئبق عند درجة حرارة 4.2 كلفن، انعدام مفاجئ لمقاومة الزئبق للكهرباء. ويفسر اكتشاف أونز أول خاصية فيزيائية للموصلات الفائقة وهي انعدام مقاومتها الكهربية فجأة عند وصولها لدرجة حرارة معينة. وتوضح الصورة التالية كيف تتغير مقاومة الزئبق خطيا مع درجة الحرارة حتى تصل لنقطة تنعدم فيها المقاومة فجأة.  وتسمي درجة الحرارة التي عندها تتحول المادة لموصل فائق «درجة حرارة حرجة – Critical Temperature».

النفاذية المغناطيسية المثالية للموصلات الفائقة

تتميز الموصلات الفائقة بخاصية أخرى عن باقي المواد وهي «النفاذية المغناطيسية المثالية – perfect diamagnetism». وتعني النفاذية المغناطيسية المثالية أن المادة لا يخترقها أي مجال مغناطيسي. وذلك لأن المادة تنشأ مجال مغناطيسي عكس المجال المغناطيسي المؤثر عليها فيلاشي تأثيره. وتسمى تلك الخاصية «تأثير مايسنر – Meissner effect» والتي اكتشفها العالمان الألمانيان «ميسنر – Meissner» و«أوشنفيلد – Ochsenfeld» عام 1933. [2]

ولكن مع زيادة شدة المجال المغناطيسي المؤثر على المادة فائقة التوصيل، يبدأ المجال باختراق المادة وتتحول بعدها لمادة موصلة عادية. وتسمي شدة المجال المغناطيسي التي عندها تتحول المادة الفائقة التوصيل لموصل عادي «المجال المغناطيسي الحرج – critical magnetic field». في الصورة التالية علاقة بين درجة الحرارة والمجال المغناطيسي يوضح كيف يجب على المادة أن تبقي تحت درجة الحرارة الحرجة والمجال الحرج لتحافظ على توصيليتها الفائقة.

وبالتالي، الموصلات الفائقة هي مواد موصلة تنعدم مقومتها الكهربية تحت درجات حرارة معينة ولها نفاذية مغناطيسية مثالية.   وليست كل المواد جيدة التوصيل للكهرباء يمكن أن تكون فائقة التوصيل، فالنحاس نفسه ليس من الموصلات الفائقة.

تاريخ تطور الموصلات الفائقة

كان أول اكتشاف للمواد فائق التوصيل الكهربي كما ذكرنا هو مع تبريد العالم أونز للزئبق باستخدام الهيلوم المسال. واكتشاف أونز فتح مجال كامل للبحث في الموصلات الفائقة مثل مادة النيوبيوم عند درجة حرارة 9.3 كلفن وسبائكها عند حوالي 23 كلفن. حتى عام 1986 عندما أحدث العالمان «جورج بيدنورز – Georg Bednorz» و«أليكس مولر – Alex Müller» طفرة في مجال الموصلات الفائقة. أكتشف بيدنورز ومولر الموصلات الفائقة في المواد السيراميكية والذي تصل درجات الحرارة الحرجة لها ل 90 كلفن. مما تسبب في حصولهما على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1987. وتسمى الموصلات الفائقة التي تصل درجات حرارتها الحرجة لأعلى من 77 كلفن بالموصلات فائقة في درجات الحرارة العالية (HTSC). [3]

تطبيقات المواد فائقة التوصيل للكهرباء

انعدام مقاومة الموصلات الفائقة لمرور التيار وكونها مواد مغناطيسية قوية جعلت منها مواد ذات مستقبل عظيم في مجالات الصناعة. فخطوط النقل الكهربي يمكن أن تكون باستخدام موصلات فائقة بدلًا من الموصلات العادية. سيوفر ذلك طاقة كبيرة تستهلك في الموصلات العادية، بل وستدوم لمدة أطول من الموصلات العادية. صنع ماتور من مادة فائقة التوصيل يمكن أن يوفر كم أكبر من الطاقة المتولدة، بل وبحجم أصغر بكثير من الماتور العادي. [3]

ونظرًا لاعتماد أجهزة مثل أجهزة التصوير المغناطيسي على المغناطيسات القوية الثابتة الشدة، فإن استخدام الموصلات الفائقة حل مناسب. بالمثل فإن مصادمات الجسيمات حول العالم أيضًا على المغناطيسات القوية وبالتالي فالموصلات الفائقة ستوفر الكثير في صنعها وتطويرها.

يعد القطار المغناطيسي المعلق في اليابان أشهر تطبيق على الموصلات الفائقة. حيث استغلت اليابان قوة النفاذية المغناطيسية للموصلات الفائقة لخلق قطار معلق بدون أي احتكاك مع القطبان.

المصادر

[1] The discovery of superconductivity

[2] New Theory of Superconductivity. Method of Equilibrium Density Matrix. Magnetic Field in Superconductor

[3] The Early Years of Superconductivity

تعد أشباه الموصلات مواد توصيليتها للكهرباء ليست عالية كتلك التي في الموصلات ولا ضعيفة جدًا كتلك التي في المواد العازلة. ولكن بسببها قد تقوم حروب بين الدول ومجازر في أفريقيا. فما هي أشباه الموصلات وتطبيقاتها؟

تأثير أشباه الموصلات على الاقتصاد العالمي

تأسس عام 1987 الشركة التايوانية لصناعة أشباه الموصلات (TSMC) والتي تستحوذ على حوالي 55% من سوق أشباه الموصلات في العالم. فالهيمنة التايوانية في صناعة أشباه الموصلات قد تكون من أهم الأسباب التي تمهد غزو الصين لتايوان [1]. بل وتسببت الصين في تهديد الأمن القومي البريطاني بعد سيطرتها على معظم شركات أشباه الموصلات في بريطانيا [2]. والأصعب من كل ذلك هو عمليات القتل والاغتصاب والسرقة في دول إفريقية مثل الكونغو للتنقيب غير الشرعي عن المواد التي تستخرج منها أشباه الموصلات. وقد تكون شركات كبرى، مثل Apple للهواتف وTesla للسيارات، مسؤولة عن تلك الكوارث في دول إفريقيا [3].

فما الضرورة القصوى التي تراها تلك الدول في أشباه الموصلات؟ هل هي بنفس أهمية البترول لتقوم بسببها مثل تلك الحروب؟ وهل هي بنفس قيمة الألماس كي يقتل بسببها أبرياء أفريقيا؟

أشباه الموصلات وخصائصها الفزيائية

يمكن تقسيم المواد في الطبيعة حسب توصيليتها الكهربية إلى مواد موصلة للكهرباء وشبه موصلة وعازلة. المواد الموصلة هي مواد تسمح بمرور التيار الكهربي بسهولة خلالها، أما المواد العازلة هي مواد لا يمر خلالها التيار الكهربي. وبين توصيلية المواد الموصلة والعازلة للكهرباء توجد المواد شبه الموصلة مثل السيليكون أو الجرمانيوم.

ولفهم تفاصيل اختلاف توصيل المواد للكهرباء يجب أن ننظر للتركيب الذري لتلك المواد. حيث تتكون المواد من نواة موجبة الشحنة تدور حولها إلكترونات سالبة الشحنة، والإلكترونات هي الجسيمات المسؤولة عن التيار الكهربي. فهناك نوعان من الإلكترونات، إلكترونات التكافؤ وإلكترونات التوصيل. إلكترونات التكافؤ هي إلكترونات قريبة من النواة وحركتها ليست حرة وتكون في حيز يسمى منطقة التكافؤ. أما الإلكترونات الحرة هي بعيدة عن النواة وحرة الحركة وبالتالي هي المسؤولة عن مرور تيار كهربي لذلك فهي تقع في حيز يسمى حيز النقل.

كلما كانت الإلكترونات أقرب للنواة كانت طاقتها أقل، وبالتالي فإن مستويات التكافؤ أقل طاقة من مستويات النقل. في المواد العازلة مستويات النقل بعيدة جدًا عن مستويات التكافؤ، أي بينهما فجوة كبيرة. وبالتالي، تحتاج إلكترونات التكافؤ طاقة تساوي طاقة تلك الفجوة كي تعبر إلى مستويات النقل وتصبح إلكترونات حرة. أما في المواد الموصلة فلا وجود لتلك الفجوة حيث تتداخل مستويات التكافؤ مع مستويات النقل وبالتالي سهولة في حركة الإلكترونات داخل المواد الموصلة. أما المواد الشبه موصلة فالفجوة بين مستويات التكافؤ ومستويات النقل ليس ضخمة كتلك التي في العوازل وليس منعدمة مثل الموصلات.  [5] 

التأثير الكهروضوئية

حصل العالم ألبرت أينشتاين عام 1921 على جائزة نوبل في الفيزياء لتفسيره ظاهرة التأثير الكهروضوئي. تشرح الظاهرة الكهروضوئية كيفية انتقال إلكترونات من مستويات أقل في الطاقة إلى مستويات أعلى في الطاقة وذلك عن طريق سقوط ضوء (أو فوتونات وهي الجسيمات الكمومية من الضوء) على سطح مادة معينة. ومعنى ذلك أن إلكترونات التكافؤ في أشباه الموصلات إذا سقط عليها ضوء له طاقة تساوي طاقة الفجوة ستعبرها وتصبح إلكترونات نقل مسؤولة تعمل على نقل التيار الكهربي. [5]

وأصبح التأثير الكهروضوئي رائد في التكنولوجيا الحديثة حيث يستخدم في تطبيقات مثل الخلايا الشمسية. لذلك يسعى العلماء لتطويرها كي تكون بديل آمن للبترول وغيره باستخدام أشباه الموصلات.

تطعيم أشباه الموصلات بالشوائب لجعلها موصلة

تحتوي أي ذرة على مجموعة من المستويات التي يكون في كل منهم مجموعة من الإلكترونات. ولكي تكون أي ذرة مستقرة يجب أن يحتوي أخر مستوي إلكتروني لها على 8 إلكترونات. فمثلًا، عنصر السيليكون (Si) يحتوي أخر مستوى إلكتروني فيه على 4 إلكترونات وبالتالي فهي تحتاج أن ترتبط بأربع إلكترونات خارجيين كي تكون مستقرة. وبالتالي، نرى في بلورة السيليكون النقية (أي مجموعة من ذرات السيليكون مرتبطة ببعضها) ذرة السيليكون ترتبط بأربع ذرات سيليكون في كل اتجاه وبالتالي يصبح مجموع إلكتروناتها الخارجية 8 إلكترونات.

ولكي تصبح تلك البلورة موصلة للكهرباء فإنها تحتاج لتعديل بسيط. وذلك بتبديل ذرة سيليكون بذرة يحتوي أخر مستوى فيها على خمس إلكترونات مثل الزرنيخ (As). وبالتالي فإن إلكترونات الزرنيخ سترتبط بأربع روابط سيليكون وسيبقي إلكترون حر دون أن يرتبط ويصبح ذلك الإلكترون هو المسؤول عن التوصيل الكهربي. وتسمى بلورة شبه الموصل المطعمة بذلك النوع من التطعيم ب (n-type) أو النوع السالب.

أما النوع الأخر من التطعيم هو النوع الموجب P-type. وفي ذلك النوع تطعم البلورة بذرة لها ثلاث إلكترونات فقط في المستوى الأخير كذرة البورون (B). حيث ترتبط إلكترونات البورون الثلاثة بثلاث روابط فقط من السليكون وتبقي الرابطة الرابعة ناقصة وكأن بها فجوة موجبة الشحنة. وبالتالي فالفرق بين أشباه الموصلات من النوع السالب والموجب هو: احتواء النوع السالب على إلكترون سال حر أما النوع الموجب يحتوي على فجوة موجبة حرة.

أشباه الموصلات في الإلكترونيات الحديثة

توصيل البلورة الموجبة مع البلورة السالبة يعطينا تركيبة مهمة جدًا تسمى الوصلة الثنائية PN Junction. يتصل الجزئين ببعضهما ويتكون بينهما منطقة تسمى منطقة النضوب وهي متعادلة الشحنة وتمنع مرور الإلكترونات لمنطقة الفجوات والعكس.

عند توصيل الوصلة الثنائية ببطارية بحيث يكون طرف البطارية السالب مع طرف الوصلة السالب ويكون طرف البطارية الموجب مع طرف الوصلة الموجب. في تلك الحالة تتنافر إلكترونات الجزء السالب من الوصلة نحو منطقة النضوب بعيدًا عن طرب البطارية السالب وكذلك الطرف الموجب من الوصلة. وبتلك الطريقة تقل مساحة منطقة النضوب وتستطيع الإلكترونات المرور لمنطقة الفجوات والعكس للفجوات وبالتالي يمر تيار كهربي في تلك الدائرة.

أما عند عكس طرفي البطارية، ستعكس العملية بالكامل. ستنجذب إلكترونات الطرف السالب من الوصلة نحو طرف البطارية الموجب وكذلك بالنسبة لطرف الوصلة الموجب مع طرف البطارية السالب. وبذلك ستزيد مساحة منطقة النضوب وتصعب عملية مرور الإلكترونات لمنطقة الفجوات وبالتالي لا يمر تيار في تلك الدائرة.

وبذلك قد تحكمنا في مرور التيار الكهربي في الدائرة عن طريق الوصلة الثنائية. والوصلة الثنائية هي أساس الإلكترونيات الحديثة حيث إن فكرة عملها طورت معظم الإلكترونيات المستخدمة حاليًا. مثلا، الدايود بكل أنواعه والترانزستور وغيرهم من مكونات الدوائر الإلكترونية كلها قائمة على فكرة عمل الوصلة الثنائية. [6]

في النهاية فإن هاتفك أو جهاز الحاسوب أو حتى تقنية معينة في سيارتك، كل ذلك يعتمد على أشباه الموصلات. فالدولة التي تتحكم في سوق أشباه الموصلات ستتحكم في كل التكنولوجيا الحديثة حاليًا ومستقبلًا. وعلى الرغم من كل ما ستشهده البشرية من تطور بسبب أشباه الموصلات، فإن ضريبتها أرواح الأبرياء وحروب متوقعة بين الدول.    

المصادر

[1] Will China invade Taiwan?

[2] Semiconductors: Chinese takeover of UK’s leading chipmaker doesn’t need a security review – here’s why

[3] Blood minerals are electronics industry’s dirty secret

[4] Valence band

[5] Photoelectric Effect: Explanation & Applications

[6] PN Junction Diode

كان أول توحيد بين قوتين أساسيتين هو التوحيد القوة المغناطيسية مع القوة الكهربية تحت مسمى القوة الكهرومغناطيسية. ويعتبر أول الخطوات ذلك التوحيد هو اكتشاف التأثير المتبادل بين المجال الكهربي والمغناطيسي كما في الحث الكهرومغناطيسي. فما هو الحث الكهرومغناطيسي؟ وما هي تطبيقاته؟

المجال المغناطيسي

عرفت الحضارات القديمة المواد المغناطيسية والخصائص المصاحبة لها، كقدرتها على جذب معدن الحديد مثلًا. فكان يعتقد بعض فلاسفة الإغريق أن المغناطيس له روح لأنه يجذب الحديد، كما قال طاليس [1]. ولكن ظهرت الدراسات العلمية الحقيقة لظاهرة المغناطيسية عام 1269 ميلاديًا على يد العالم «بيتر بيريجرينوس – Peter Peregrinus». عمل بيتر على وصف العديد من الخصائص المغناطيسية للمغناطيس، كما أنه أول من استخدم مصطلح قطب مغناطيسي. ألهمت أعمال بيتر الكثير من العلماء بعده ك «وليام جيلبرت – William Gilbert» الذي وصف مغناطيسية الأرض في كتابه «المغناطيس – De Magnete».

يتكون المغناطيس من قطبين شمالي (N) وجنوبي (S). الأقطاب المتشابهة تتنافر والأقطاب المختلفة تتجاذب. ووصف العالم «مايكل فاراداي – Michael Faraday» طريقة تفاعل المغناطيس مع مغناطيس آخر أو مع المعادن عن طريق مفهوم خطوط القوى. وخطوط القوى (أو خطوط الفيض) تتمثل كخطوط في الفراغ تخرج من القطب الشمالي ويستقبلها القطب الجنوبي.

وتسمى عدد خطوط الفيض التي مرت في مساحة معينة باسم «كثافة الفيض – magnetic flux». ويستخدم مصطلح كثافة الفيض لتبسيط وصف التأثير المتبادل بين المجال المغناطيسي والمجال الكهربي.

التأثير المتبادل بين المجال المغناطيسي والكهربي

لاحظ العالم الدنماركي «هانز أورستيد – Hans Ørsted» عام 1820 حيود إبرة تجاه القطب الجنوبي عند مرور تيار كهربي بالقرب منها [2]. وكانت ملاحظة أورستيد هي أول خطوة نحو توحيد القوى الكهربية مع المغناطسية كقوة واحدة هي القوة الكهرومغناطيسية. وتفسير ما حدث في تجربة أورستيد هو أن مرور التيار كهربي ينتج عنه مجال مغناطيسي وذلك الذي صاغه رياضيًا «أمبير – Ampère».

وعكس تلك الظاهرة هو خَلق مجال كهربي عن طريق وجود مجال مغناطيسي في ظاهرة تسمى «الحث الكهرومغناطيسي – Electromagnetic induction». وأول من اكتشف الحث الكهرومغناطيسي هو مايكل فاراداي عن طريق بعض التجارب التي نشر نتائجها عام 1831 [3]. وشرط الحث الكهرومغناطيسي هو تغير في خطوط المجال المغناطيسي مع الزمن. ولتوضيح معنى ذلك الشرط تخيل ملف على شكل حلقة دائرية ومغناطيس يمكنه ان يعبر من خلال تلك الحلقة.

 ينتج التيار الكهربي في الحلقة الدائرية فقط عند تغير عدد خطوط الفيض المار داخل الحلقة مع الزمن. افترض أن المغناطيس يقترب من الحلقة فستزيد عدد خطوط الفيض مع اقترابه وعند تلك اللحظة سيتولد تيار كهربي مستحث داخل الحلقة. والعكس عند ابتعاد المغناطيس عن الحلقة فسيقل عدد خطوط الفيض وبالتالي ينشأ تيار مستحث نتيجة هذا التغير في خطوط الفيض. أما إذا ظل المغناطيس ساكن بلا حركة مثلًا فلن ينشأ تيار مستحث داخل الحلقة.

ويحدد اتجاه التيار عن طريق قاعدة وضعها العالم «إميل لينز – Emil Lenz». وقاعدة لينز هي أن التيار يمر في الحلقة بحيث يُنشئ مجال مغناطيسي يلاشي التغير الناشئ عن تحرك المغناطيس. فمثلًا إذا اقترب المغناطيس من الحلقة، يمر التيار في الحلقة بشكل ينتج عنه مجال مغناطيسي يحاول إبعاد المغناطيس عن الحلقة.

المولّد الكهربي

للحث المغناطيسي تطبيقات عديدة، ولكن أشهر ما قد ترى منهم هو المولّد الكهربي الذي تقوم فكرته على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي. اخترع مايكل فاراداي أول مولد كهربي وأسماه «مولد قرص فاراداي – Faraday disk generator». والمولّد الكهربي من اسمه ينتج طاقة كهربية عن طريق طاقة حركية تُبذل بسبب ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي. وبالتالي فالمولّد الكهربي هو جهاز يحول الطاقة الحركية لطاقة كهربية.

يتكون المولد في الأساس من مغناطيسين، أحدهما شمالي والآخر جنوبي، كلاهما مسؤولان عن توليد خطوط الفيض اللازمة للحث الكهرومغناطيسي. وفي المنتصف ملف كهربي يدور بشكل دوري بين المغناطيسيين. مع دوران الملف يتغير عدد خطوط الفيض الذي يعبر من خلال الملف حيث لا تعبر خطوط الفيض إذا كان الملف موازي لخطوط الفيض، وتعبر أقصى عدد لخطوط الفيض إذا كان الملف عمودي على خطوط الفيض. ونتيجة لتغير خطوط الفيض خلال الملف، ينتج تيار كهربي مستحث داخل الملف. وهكذا تتحول الطاقة الحركية الناتجة عن دوران الملف إلى طاقة كهربية.

المصادر

[1] Ancient Greece: The Science of Magnetism is Born

[2] experiments on the effect of a current of electricity on the magnetic needle

[3] The field concepts of Faraday and Maxwell

يعد قانون أوم حجر الأساس في وصف الدوائر الكهربية. ويُستخدَم في استنتاج العديد من المتغيرات التابعة لمرور التيار في الدائرة الكهربية، كالفقد الحراري الناتج عن مرور التيار. فما هو قانون أوم؟ وكيف يمكن صياغته من خلال حركة الجسيمات داخل الدائرة الكهربية؟

شدة التيار

يعبر التيار عن حركة الشحنات الكهربية خلال الموصل الكهربي سواء كانت شحنات موجبة أو شحنات سالبة. ولكننا نميل إلى أن نعبر عن اتجاه التيار باتجاه الشحنات الموجبة. فمثلا إذا طبق مجال كهربي (ورمزه E واتجاه من المصدر الموجب إلى المصدر السالب، كطرفي البطارية) على طرفي موصل ما، فإن اتجاه التيار سيكون في نفس اتجاه المجال الكهربي.

أما شدة التيار (ويرمز لها بالرمز I) فهي عدد الشحنات الكهربية (يرمز لها بالرمز q) المارة خلال زمن معين (t). وبالتالي يمكن التعبير عن شدة التيار رياضيًا بالمعادلة الآتية: I=q/t.

ويمكننا النظر لمعني شدة التيار بشكل أعمق من خلال وصفها بتأثير المجال الكهربي على حركة الجسيمات. لنفترض موصل كهربي من النحاس على شكل أسطوانة وتتحرك الإلكترونات على سطحه حركة عشوائية. عند تطبيق مجال كهربي على السلك فإن حركة الإلكترونات تتأثر بقوة كهربية فاتجاه معاكس لاتجاه المجال. ونتيجة لتلك القوة فإن الإلكترونات تتحرك بسرعة تسمى «سرعة الجرف – drift velocity» في عكس اتجاه المجال. وقيمة سرعة الجرف اقل بكثير من قيمة سرعة حركة الإلكترونات العشوائية داخل الموصل بمقدار حوالي 10¹¹ م/ث. وتتمثل العلاقة الرياضية بين شدة التيار والمجال الكهربي كالتالي: I=σAE. ويدل الرمز A على المساحة التي يعبر منها التيار أما σ فهي التوصيلية الكهربية وهي ثابت خاص بكل مادة. ومن العلاقة الرياضية السابقة، فكلما اشتد المجال الكهربي زاد معه شدة التيار. [1]

تأثير فرق الجهد على شدة التيار

نشر «جورج أوم –  Georg Ohm» عام 1827 كتابه «The galvanic circuit investigated mathematically» والذي وضح فيه كيف تتأثر شدة التيار بفرق الجهد بين طرفي الموصل [2]. فرق الجهد يعبر عن مدى شدة المجال الكهربي على بعد مسافة معينةL)). أي يمكن تمثيل فرق الجهد من العلاقة: V=E.L. وبالتالي يمكن كتابة قانون شدة التيار بالشكل الآتي: I=σAV/L. وبالتالي فإن فرق الجهد يتناسب طرديًا مع شدة التيار فكلما ذاد فرق الجهد زاد التيار المار في الموصل. أما القيمة التي تساوي A/Lσ فهي تعبر عن مقلوب المقاومة الكهربية (R). وبالتالي يمكن كتابة قانون أوم بشكل ابسط ليكون: V=IR.

المقاومة الكهربية

المقاومة الكهربية هي ممانعة الموصل لمرور التيار، وبالتالي فإذا كان الموصل جيد التوصيل للكهرباء فمقاومته الكهربية أقل والعكس صحيح. وترتبط المقاومة الكهربية بكفاءة الموصل فقيمة المقاومة تتناسب أيضًا مع قيمة الفقد الحراري الناتج عن مرور التيار في ذلك الموصل.

شذوذ معظم الإلكترونيات الحديثة عن قانون أوم

تختلف المواد في توصيليتها الكهربية (σ) عن بعضها، حيث تتناسب التوصيلية مع بعض الخصائص المرتبطة بحركة الإلكترونات داخل المادة. وواحدة من تلك الخصائص هي زمن التصادمات بين الإلكترونات، فكلما زاد زمن التصادمات بين كل إلكترون زادت التوصيلية الكهربية. وترتبط أيضا بعدد الإلكترونات الحرة، فكلما زاد عددها زادت التوصيلية الكهربية.

في الموصلات كلما ارتفعت درجة الحرارة، زاد عدد التصادمات وبالتالي يقل زمن التصادم وتقل معه التوصيلية. ولكن الإلكترونيات الحديثة تصنع معظم مكوناتها من أشباه الموصلات. وأشباه الموصلات تزداد فيها عدد الإلكترونات الحرة بشكل كبير جدًا بزيادة درجة الحرارة، على عكس الموصلات فعدد إلكتروناتها الحرة شبه ثابت. فعند زيادة درجة حرارة اشباه الموصلات يقل زمن التصادمات، ولكن يزيد عدد الإلكترونات الحرة بشكل أكبر بكثير مما يجعل التوصيلية تزيد، عكس الموصلات.

ذلك الاختلاف جعل الإلكترونيات الحديثة القائمة على اشباه الموصلات تشذ عن قانون أوم المعروف في الدوائر الكهربية المعتادة. بل وأعطى أيضا الإلكترونيات خصائص أحدث تربط الكهربية بمجالات أوسع من الطاقة، كربط الكهرباء بالطاقة الشمسية في الخلايا الشمسية.

المصادر

[1] Fermi energy, metals and the drift velocity of electrons

[2] The galvanic circuit investigated mathematically

[3] Temperature Dependence of Electrical Resistivity of (III, Mn)V Diluted Magnetic Semiconductors

تعد ظاهرة البرق والرعد واحدة من الظواهر التي تأخر تفسيرها حتى القرن الثامن عشر ميلادي. نتيجة لتأخر وضع سبب علمي لتلك الظاهرة، نتج الكثير من الأساطير والمعتقدات بشأنها في مختلف الحضارات عبر الزمن. فما هو التفسير العلمي لظاهرة البرق والرعد؟ ولم يحدثا معًا؟ وما سبب حدوث الرعد بعد البرق وليس قبله؟

البرق والرعد في الحضارات القديمة

ارتبطت ظاهرة البرق والرعد بالآلهة في الحضارات القديمة للإنسان منذ أن كانت سبب في إبعاد الحيوانات والتدفئة والإنارة. فاعتقد اليونانيون قديمًا أن البرق هو سلاح الإله زيوس، بل وقدسوا كل بقعة ضربتها صاعقة. أما في الحضارة الاسكندنافية، فكان ثور هو إله الرعد، فكان يضرب به كل أعدائه. وتطول الأمثلة، ولكن لم تسلم ظاهرة البرق والرعد من الافتراضات غير الطبيعية من الإنسان. ورغم محاربة بعض الفلاسفة، مثل سقراط وأرسطو، تلك التخاريف الناتجة عن عدم معرفة سبب حقيقي لتلك الظاهرة، استمر الإنسان في اعتبارها ظاهرة مقدسة لزمن طويل. [1]

ظل الوضع كما هو حتى عام 1752 م عندما اكتشف «بنجامين فرانكلين – Benjamin Franklin» الطبيعة الكهربية للبرق والرعد المصاحب له. وتفسر الظاهرة بإحدى أساسيات الفيزياء الكهربية البسيطة وهي ظاهرة «الحث الكهروستاتيكي – Electrostatic induction».

ما هو الحث الكهروستاتيكي ؟

من المعروف أن الجسيمات المشحونة كهربيًا تتنافر إذا كان لديها نفس الشحنة وتتجاذب إذا اختلفت شحناتها. افترض أن هناك لوح ما يحتوي على عدد متساوٍ من الشحنات الموجبة والسالبة. فإذا اقتربت شحنة ما من ذلك اللوح فإنها ستجذب عدد كبير من الشحنات المخالفة لها في الشحنة لاتجاهها، ويكون ذلك اللوح مشحون في ذلك الجنب أو الاتجاه بشحنة تلك الجسيمات. فمثلا، إذا اقتربت شحنة سالبة من قضيب به عدد متساوٍ من الشحنات، فإن الشحنات الموجبة ستتجه باتجاه الشحنة السالبة الخارجية، ويصبح القضيب مشحونًا بشحنة موجبة في ذلك الاتجاه. [2]

ولكن كيف تفسر تلك الظاهرة الكهربية البرق؟ يلزمنا ذلك معرفة ماهية البرق أولًا.

ما هو البرق وكيف يحدث؟

ترتبط ظاهرة البرق بسماء ملبدة بالسحب. والسحب هي عبارة عن جزيئات مياه متبخرة متجمعة في مكان واحد. ويتكون الماء من شحنات كهربية موجبة الشحنة لعنصر الهيدروجين وسالبة الشحنة لعنصر الأوكسجين. ولأن الأرض عبارة عن أكبر خزان للشحنات الكهربية الموجبة، أي يمكن اعتبارها شحنة موجبة ضخمة المقدار. لذا، اكتملت الأركان، فبنفس فكرة الحث الكهروستاتيكي، فإن الأرض موجبة الشحنة تجذب الشحنات السالبة من السحب باتجاهها.

كلما قصرت المسافة بين السحب والأرض زاد الحث وزاد معه الجهد الكهربي بينهما، أي زاد ميل تلك الشحنات إلى أن تنجذب لبعضها. وعلى الرغم من أن الهواء الجوي مادة عازلة للكهرباء، لكن هناك نقطة يصل فيها الجهد لقيمة ضخمة تحوّل الهواء لمادة موصلة للكهرباء. لذا فنهاية تلك العملية هي زيادة متواصلة في الجهد حتى نقطة معينة يستطيع فيها الهواء تفريغ كل تلك الشحنات مرة واحدة إلى الأرض. [3]

بالتالي، فإن شعاع البرق الذي تراه ما هو إلا تفريغ لحظي للشحنات من السحاب للأرض. وهناك نوع آخر من البرق في السحب نفسها، ويحدث بسبب اختلاف درجات الحرارة داخل السحب. وها قد عرفنا ماهية البرق وتفسيره، إذا فما هو الرعد؟ ولم يلازم البرق؟ وما سبب حدوثه بعد البرق وليس قبله؟

ما هو الرعد وتفسيره؟

نتيجة لتفريخ الشحنات، تزداد حرارة الجو عند منطقة الصاعقة زيادة حادة مفاجئة ينتج عنها عدة تغيرات. من ضمن تلك التغيرات زيادة ضغط الجو فجأة، وعليه فإن جسيمات الهواء تتمدد وتتذبذب بسرعة مرتفعة جدًا، وينتج عن ذلك التذبذب السريع صوت الرعد!

بالتالي، الرعد هو عبارة عن موجات صوتية تنتقل بين جسيمات الهواء عند منطقة الصاعقة. أما البرق فهي موجات ضوئية تظهر نتيجة تفريع الشحنات اللحظي. وسرعة الموجة الضوئية أكبر بكثير من سرعة الموجة الصوتية، لذلك نرى البرق قبل سماع صوت الرعد. [3]

المصادر

The Lightning Book, MIT Press [1]

[2] Fundamentals of physics / David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. -9^th ed. Section 23 (GAUSS’ LAW)

[3] The Lightning Discharge

تفسر الكهرباء الساكنة الخصائص الكهربية للأجسام دون مرور أي تيار كهربي خلالها. والحث الكهروستاتيكي هو واحد من الظواهر الهامة التي تفسر العديد من السلوكيات الكهربية للأجسام وكيف تتأثر بالشحنات الخارجية. ومن أشهر الظواهر الحياتية التي تفسرها تلك الظاهرة هي الصعق الكهربائي بالبرق. فما هو الحث الكهروستاتيكي؟ وكيف يفسر ذلك النوع من الصواعق الكهربية؟

حركة الشحنات الكهربية

تتكون الأجسام الكبيرة من جسيمات صغيرة لها خواص كهربية حيث تنقسم تلك الجسيمات إلى جسيمات موجبة الشحنة وجسيمات سالبة الشحنة. والجسيمات المتشابهة في الشحنة تتنافر أما المختلفة في الشحنة تتجاذب. تسمى الأجسام التي تحتوي على شحنات سالبة أكثر من الموجبة بجسم سالب الشحنة، والعكس للأجسام الموجبة الشحنة.[1]

وتتحرك الشحنات الكهربية في أي جسم حركة تساعدها للوصول إلى حالة اتزان كهروستاتيكي. والاتزان الكهروستاتيكي هو أن تترتب الشحنات ترتيب ما بحيث يكون الجسم متعادل كهربيًا. ولكن يتغير ترتيب الشحنات مع اقتراب أي مؤثر كهربي خارجي في ظاهرة تسمى الحث الكهروستاتيكي.

الحث الكهروستاتيكي

تتغير توزيعة الشحنات في الأجسام عند اقتراب جسم مشحون بشحنة ما من الجسم. فمثلًا اقترب جسم سالب الشحنة من جسم متعادل، فتترتب شحنات الجسم بحيث تكون الجسيمات الموجبة فيه في اتجاه الجسم السالب.  ومعنى أن تكون ترتيب الشحنات الموجبة أكثر من السالبة في مكان ما في الجسم يترتب على التكوين الداخلي الجسم.[1]

تسمي الجسيمات المكونة للأجسام بالذرات وتتكون الأجسام بترتيب معين لتلك الذرات. وتحتوي الذرة على نواة موجبة وإلكترون سالب الشحنة، ولكن الإلكترون له حرية الحركة داخل الجسم. فعندما يقترب جسم سالب من الجسم المتعادل فتتنافر الإلكترونات وتبقى النوى كما هي فيكون مجموع الشحنات في تلك المنطقة موجب. أما إذا اقترب من الجسم المتعادل جسم موجب تنجذب الإلكترونات تجاه ذلك الجسم وتكون شحنة تلك المنطقة سالبة.[1]

الشحن بالحث الكهروستاتيكي

يمكن استغلال الحث الكهروستاتيكي لشحن جسم متعادل كهربيًا بشحنة أما موجبة أو سالبة. فمثلًا عند اقتراب جسم سالب من جسم متعادل فالشحنات الموجبة تتجمع تجاه الجسم السالب. فإذا وصل الجسم عندها بالأرض موجبة الشحنة فستمتص الشحنات السالبة التي نفرت في اتجاه واحد من الجسم، وسيصبح عنده الجسم مشحونًا بشحنة موجبة. تظهر الفكرة أوضح في سبب الصعق بالبرق مثلًا أو تطبيقات مماثلة لنفس الفكرة.[1]

الصعق الكهربائي بالبرق

يفقد الإنسان شحنته السالبة عندما يسير على الأرض موجبة الشحنة ويتحول جسمه لجسم موجب الشحنة. أما البرق فهو عبارة عن تفريغ كهربي للجسيمات سالبة الشحنة في السحب إلى الأرض موجبة الشحنة. ولكن عندما يكون جسم ما مشحون بشحنة موجبة، ولكنه أقرب للسحب من الأرض، كالإنسان في تلك الحالة، فإن التفريغ الكهربي يكون أقرب إلى أن يحدث بين السحب وذلك الجسم.[2]

وتلك هي فكرة صنع أجسام تمتص الصواعق، حيث توجد في معظم البيوت مثل تلك الأجسام بمقاومة عالية حتى إذا ضربت صاعقة المنزل يحمي ذلك الجسم المنزل من أي ضرر. وبالتالي أولى خطوات تجنب الصواعق هي الابتعاد عن الأشجار أو الاجسام المعزولة الطويلة نسبيًا.

المصادر

[1] Fundamentals of physics / David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. —9 th ed. Section 23 (GAUSS’ LAW).

[2] The Lightning Discharge

يؤثر الجسم المشحون كهربيًا على جسم آخر مشحون كهربيًا بقوة تسمى القوة الكهربية. وينتقل تأثير القوة الكهربية للشحنة الكهربية عن طريق ما يسمى بالمجال الكهربي. فما هي طبيعة المجال الكهربي؟ وكيف يتأثر بالشحنة الكهربية؟

الشحنة الكهربية

تتواجد في الطبيعة العديد من الجسيمات الصغيرة المختلفة والتي يتكون منها الأجسام الأكبر التي نراها. وواحدة من الخصائص التي تميز تلك الجسيمات هي الشحنة الكهربية. والشحنة الكهربية أما أن تكون سالبة أو موجبة أو متعادلة كهربيًا. تتجاذب الجسيمات المتشابهة في الشحنة إلى بعضها البعض وتتنافر إذا كانت متشابهة في الشحنة. [1]

تميل الأجسام لأن تكون متعادلة كهربيًا، أي عدد الشحنات الموجبة يساوي عدد الشحنات السالبة. وبالتالي عندما يحتوي جسم ما علي فيض من الشحنات السالبة فإنه يميل للانجذاب للأجسام التي تحتوي على فيض من الشحنات الموجبة. وتتم عملية التجاذب والتنافر عن طريق القوة الكهربية التي تنتقل بواسطة المجال الكهربي. [1] فما هو المجال الكهربي؟ وكيف تتأثر به الجسيمات المشحونة كهربيًا؟

المجال الكهربي

يمثل المجال الكهربي القوة الكهربية التي يؤثر بها جسم مشحون عل جسم مشحون آخر. وافترض العالم الإنجليزي «مايكل فاراداي – Michael Faraday » المجال الكهربي على إنه خطوط مستقيمة تخرج من الشحنة الكهربية لتنتشر في الفضاء حولها. والقوة كمية متجهة أي أنها تُعرف من خلال قيمتها واتجاهها، فمثلًا نقول الجسم “أ” يؤثر بقوة معينة في اتجاه الجسم “ب “. وبما أن المجال يعبر عن القوة الكهربية، فالمجال أيضًا كمية متجهة يتم التعبير عنه من خلال المقدار والاتجاه. تكون الشحنة الموجبة باعثة لخطوط المجال والشحنات السالبة مستقبلة لخطوط المجال. [1][2]

على رغم من تطور مفهوم المجال في الوقت الحالي إلا أن فرض فاراداي لخطوط المجال مازال يستخدم حتى الآن. ويستخدم هذا الفرض في تبسيط معظم الظواهر من حولنا، ومن أهم تلك الظواهر هي ظاهرة قفص فاراداي.

قفص فاراداي

اخترع فاراداي اعتمادًا على فرض المجال الكهربي قفص لا يتضرر ما بداخله من أي شحنات كهربية خارجية تؤثر على القفص. فعلى سبيل المثال، شخص ما يقف داخل القفص وتم التأثير على القفص بفرق جهد كبير فلن يتأثر الشخص داخل القفص بذلك الجهد. [2]

وتعتمد فكرة القفص على أن القفص مكون من معدن موصل للكهرباء عند تعرضه لفيض من الشحنات فإنها تتوزع بانتظام على كل القفص. والشحنات المُوزعة على القفص لكل منها مجال كهربي خاص بها. وجود الآن شحنتين في جهتين متقابلتين من القفص سيجعل محصلة المجال الكهربي بينهما داخل القفص تتلاشى. حدث ذلك لأنهما متساويين في المقدار، ولكنهما عكس بعضهما في الاتجاه. بتعميم تلك النتيجة على كل شحنات القفص لن نحصل على أي مجال كهربي داخل القفص. فعندما يضرب البرق السيارة وبداخلها أحد لا يتأثر الشخص بالبرق، فبنفس فكرة القفص لا يتأثر ما بداخل السيارة بالمجال الخارجي. وتستخدم أيضًا فكرة قفص فاراداي في حماية الأجهزة من أي إشارات خارجية غير مرغوب بها. [1] فبالرغم من بساطة فكرة المجال التي فرضها فاراداي ما كان وصل العالم لما هو عليه من أنظمة حماية. فبتلك الافتراضات البسيطة يتغير العالم.

المصادر

[1] Fundamentals of physics / David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. —9 th ed. Section 22 (Electric Fields), Section 24 (Electric Potential)
[2] Michael Faraday: A Life From Beginning to End (Biographies of Inventors)

يعد مفهوم الكهرباء واحدً من أعقد المفاهيم عبر الزمن وأهمها. إذ ساعدنا الفهم الأشمل للكهربية بتطوير علم الفيزياء بالكامل وتغير وجهة نظرنا عما يدور في كوننا. فما هي الكهرباء؟ وما سبب وجودها؟

تاريخ الكهرباء

تعرف الإنسان على الكهرباء من خلال سمك الرعاش، والذي اعتقد القدماء المصريين أنه يحمي باقي الأسماك. إلاّ أن أول الاستنتاجات العلمية للكهربية كانت بالصدفة عندما لاحظ الفيلسوف «طاليس – Thales» التجاذب بين المغنيتيت والكهرمان عند فركه بالحرير. [1]

وبقي الوضع كما هو حتى عام 1600م، عندما فسر العالم الإنجليزي «وليام جيلبيرت – William Gilbert» تلك الملاحظات تفسيرًا دقيقًا. جاءت تلك الملاحظات في كتابه «De Magnete» عندما وضح الفرق بين التجاذب الناتج عن مغناطيس والناتج عن الكهرباء الساكنة.

وكانت الطفرة في مجال الكهربية مع العالم «شارل أوغستان دي كولوم – Charles-Augustin de Coulomb» عام 1785م. إذ فسر كولوم الكهربية تفسيرًا عميقًا ووضع الخصائص التي تتصرف بها قوى الكهربية. [2] فما هو تفسير وجود الكهرباء إذن؟ وكيف تعمل؟

الشحنات الكهربية

يوجد في الطبيعة أنواع مختلفة من الجسيمات الصغيرة، وتختلف كل منها في خصائصها. فمثلًا يوجد جسيمات معينة تنجذب مع أحد أنواع الجسيمات، ولكنها تتنافر مع جسيمات أخرى. فإذا قسمنا الجسيمات إلى نوعين موجب وسالب، فالجسيم الموجب سيتنافر مع الجسيم الموجب مثله، ولكنه سينجذب إلى الجسيم السالب.

يصف قانون كولوم حركة وتفاعل تلك الجسيمات مع بعضها، وقد أوضح من خلاله أن التفاعل بين أي جسيمين مشحونين يضعف بزيادة تربيع المسافة بينهم (أي مقدار المسافة مضروب في نفسه). [2]

وتتكون كل المواد في الطبيعة من جسيمات تسمى ذرات، وتختلف كل مادة عن الأخرى في ترتيبهم وتوزيعهم. والذرة تتكون من جسيمين أساسيين هما:

1. قلب الذرة وتسمى النواة ولها شحنة موجبة
2. إلكترون سالب الشحنة يدور حول تلك النواة.

وتتكون المواد الصلبة من خلال ترتيب معين للذرات مكونة بحر من الإلكترونات على سطح المادة. وعند فرك الكهرمان بالحرير، تنتقل الإلكترونات السالبة إلى الحرير ويصبح الكهرمان موجب الشحنة (لاحتوائه على جسيمات موجبة أكثر من السالبة).
وبالتالي ينجذب الكهرمان بعد فركه مع المغنيتيت عند اقترابهما ليعوّض الشحنات السالبة التي فقدها. وتسمي حركة انتقال الشحنات تلك بالكهرباء الساكنة. ويمكنك ملاحظة الكهرباء الساكنة عند ظهور شرر عند خلع ملابسك المصنعة من البوليستر في غرفة مظلمة. [3]

البطاريات وتوليد التيار

هناك العديد من الطرق لتوليد التيار الكهربي، ولكن الفكرة الرئيسية في توليد التيار هي البطاريات. وقد صنع «أليساندرو فولتا – Alessandro Volta» أول بطارية في التاريخ. واعتمدت بطارية فولتا على وجود محلولين مختلفين في الشحنة مفصولين عن بعضهما بطبقة تمنع مرور الشحنات داخل البطارية. ويوجد سلك عند طرفي البطارية تنتقل من خلاله الشحنات. ويمثل تدفق الشحنات فيما يعرف باسم السلك التيار الكهربي، وتكون الكهرباء في تلك الحالة كهرباء متحركة. [4]

وتسمح المعادن بمرور التيار خلالها بشكل أفضل من غيرها من المواد. وبشكل عام يمكننا تقسيم المواد على حسب توصيلها للكهرباء لثلاثة أنواع:

• موصلة
• شبه موصلة
• عازلة

فكلما كان سطح المادة يحوي إلكترونات حرة أكثر كان أفضل في توصيل التيار.  ويجتهد العلماء حاليًا في تطوير أشباه الموصلات للاستخدامات الكهربائية وذلك لتنوع خصائصها الكهربائية عن الموصلات. إذ تستخدم أشباه الموصلات في خلايا الطاقة الشمسية والإلكترونيات الحديثة. أما تطوير البطاريات فهو أمر لا يقل أهمية ونرى ذلك في الظهور الدوري لأنواع حديثة من البطاريات.  

المصادر:

1. BioScience
2. Histoire de l’Academie royale des sciences
3. Fundamentals of physics / David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. —9 th ed. Section 21 (Electric Charge).
4. Volta’s Electrical Battery Inventio

تعد القطط واحدة من أقرب الحيوانات الأليفة للبشر، وقد شغلت طريقة تواصلها معهم اهتمام العلماء تزامنًا مع زيادة تربيتهم في المنازل منذ أواخر القرن التاسع عشر. فما هي لغة التواصل بين القطط والبشر؟

محاولات لتفسير لغة القطط

ابتكر البروفيسور «ألفونس ليون جريمالدي – Alphonse Leon Grimaldi» عام 1895م طريقة لمعرفة ما تقوله القطط في مواقف عديدة من اليوم. تتمثل تلك الطريقة في صنع لغة للقطط وذلك بترجمة كل كلمة تقولها في مواقف عديدة يوميًا. فمثلًا في قاموس جريمالدي عندما تقول القطط «ايليو- Aelio» فهي تقول طعام وهكذا في أهم الكلمات اليومية. وعلى الرغم من أن عدد كلمات لغة القطط قليلة إلا أنها تختلف باستخدام القطط لنغمات متعددة في الكلمة الواحدة. ويعتقد جريمالدي أن لغة القطط مأخوذة من اللغة الصينية نظرًا للتشابه بينهم حتى في صغر عدد الكلمات وتنوعها باستخدام نغمات مختلفة. واستشهد جريمالدي بتشابه لغة القطط مع الصينية بغيرها عن باقي اللغات، وحب الصينيون الشديد للقطط كدليل على صحة ما يعتقد. [1]

وحتى بعد مرور العديد من السنوات لا يزال بعض العلماء يعتقدون بوجود ترابط بين لغات القطط. ولكن لا يتفق كل العلماء مع هذا الرأي، فمع مرور الزمن ظهرت نظريات أكثر لطرق تواصل القطط.

طرق تواصل القطط

قام «نيكولاس نيكاسترو – Nicholas Nicastro» و«مايكل أورين Michael Owren» عام 2003 بإجراء تجربة على أصوات عدد من القطط ومجموعة بشر مستمعين. وفسر نيكولاس نتائج تجربته بأن القطط لا تملك لغة معينة، بل تستطيع التلاعب بصوتها لتجعل الشخص يفعل ما تريد. فمثلًا يبدو صوت القطة أكثر لطافة في أوقات تبنيها لتجذب المتبني لها. وبالتالي بدل من محاولة تفسير كلمات القطط فتفسير صفاتها الصوتية هو الأنسب لوصف سلوكيتها. [2]

ويوجد مشروع حاليًا بقيادة «سوزان شوتز- Susanne Schotz» يهدف لدراسة احتمالية تأثر صوت القطط بالمكان والبشر المحيطين به. وسيكون المشروع قائم على مجموعتين من القطط في السويد المجموعة الأولى من ستوكهولم والأخرى من لوند. ونتائج التجربة ستساعدنا في فهم أكبر لصوتيات القطط وتأثرهم بالبشر حولهم. [3][4]

نصائح لتواصل أفضل مع قطك  

نشرت الكاتبة «ساندي روبنز – Sandy Robins» عام 2014 كتاب بعنوان «الكتاب المقدس الأصلي للقطط: المصدر النهائي لكل الأشياء – The Original Cat Bible: The Definitive Source for All Things Cat». تشرح ساندي فيه كل ما يخص القطط من بدايتها مع البشر حتى الآن وتطورها عبر العصور. وفيما يخص جزء التعامل الأمثل مع القطط إليك بعض النصائح لتواصل أفضل مع قطك:

• انتبه لتصرفات قطك، فانتباهك لحركاته وتصرفاته والأصوات التي يصدرها عندما يطلب شيئًا ما يسهّل عليك تفسير سلوكياته.
• قبّل قطك، القبلات عند القطط ليست بالطريقة التي نستخدمها نحن. ولتقبيل قطك، انظر لعينيه وابتسم ثم أغمض جفنيك ببطء وغالبًا ما ترد القطط تلك القبلات لصاحبها بالمثل.
• رد عليه عندما يحاول التواصل معك بالمواء، كلامك مع قطك يحسّن التواصل بينكما.
• حدثه بصوت هادئ ولا تربط اسمه بصفات أو كلمات سلبية، لأن تكرارك لاسمه يساعده على حفظه والاستجابة لك حين مناداته. [5][6]
• ربّت عليه وتحدث إليه بنغمة لطيفة ومحببة.

في النهاية القطط من أقرب الحيوانات الأليفة للبشر ومن الضروري دراسة أفضل الطرق للتواصل معهم. فاحذر أن تجرح أو تهين قطك، حتى لو لم تقصد فأنت الآن صديقه الوحيد.

المصادر
[1] Grimaldi’s “Discovery of the Cat Language”: A theory in need of revival (or perhaps not?)
[2] Classification of domestic cat (Felis catus) vocalizations by naive and experienced human listeners.
[3] Do you understand what your cat is saying?
[4] MELODY IN HUMAN–CAT COMMUNICATION (MEOWSIC)
[5] Feline vocal communication
[6] How do cats communicate with each other?

هل سبق وقدمت لك قطتك إحدى فرائسها كالفأر مثلا؟ هل رأيتها يومًا تصطاد الحشرات حولها وكأنها تلهو؟ فلما تصطاد القطط دومًا؟ وهل لذلك علاقة بجوعها؟

حافز القطط للصيد

تميل القطط لأكل اللحوم في الغالب بدلًا من الطعام النباتي وذلك نتيجة لطبيعتها الناتجة عن التطور. فنرى أنياب القطط الحادة البارزة لتساعدها على قطع اللحوم. وحتى طبيعة الجهاز الهضمي للقطط يُصعب عليها أكل النبات، ولكنه يهضم اللحوم بسهولة. ونتيجة لاحتواء طعام القطط المُصنع على نسبة كبيرة من الأرز والذرة، فتحاول القطط تعويض احتياجاتها للحوم بالصيد. ولكن، حتى لو وفرت لقطتك اللحوم الكافية ستراها أيضًا تميل للصيد، ولكن دون أن تأكل فريستها.

تميل القطط للصيد فقط لوجود رغبة في الصيد. يعتقد العلماء أن تصرف كهذا مرتبط بطبيعتها كحيوان، حتى لو لم تكن بحاجة للحوم. وتتمرن القطط على الصيد وهي تلعب، حتى لو كانت تطارد الحشرات. وتُعلم القطط الأم اطفالها الصيد وهم صغار فالأمر كالورث الذي ينقله جيل لآخر. وباستخدام قوانين فيزيائية بسيطة نرى القطط تملك مهارات يمكن ألا تتواجد في كثير من حيوانات أخرى. وتستطيع القطط أن تكشف مكان الفريسة، حتى لو كانت متخفية أيضًا بتفسير فيزيائي بسيط.

الفعل ورد الفعل

تستخدم القطط إحدى قوانين الفيزياء الأساسية وهو قانون الفعل ورد الفعل. تستطيع القطط من خلال ذلك المبدأ أن تحدد ما إذا كانت الفريسة متخفية في مكان ما أم لا. ويعتقد العلماء أن القطط تحلل الموقف ليس فقط من خلال ما ترى، ولكن مما تسمع أيضًا. فمثلا عندما يهتز صندوق ما فتبدأ القطط تحلل ما إذا كان صوت ما صدر خلال تلك الهزة أم لا. وأجرى علماء من جامعة كيوتو في اليابان تجربة على عدد من القطط حيث هزوا عدد من الصناديق مجموعة منها تحتوي على أجسام وأُخرى فارغة ثم قلبوا تلك الصناديق. كشفت نتائج التجربة أن القطط كانت تنظر لوقت أطول وتحدق بالصناديق التي تصدر أصواتًا وتستعد لمواجهة الجسم عند قلب الصندوق.

وكل تلك المهارات لا تدل إلا على أن القط صياد ماهر يستطيع الصيد حتى في أسوء الظروف. وكغريزة فطرية للقطط فهي تصطاد، ولكن لما قد تهديك فرائسها؟

لما قد تهديك قطتك فأرًا؟

يعتقد العلماء أن من المحتمل أن تهديك فريستها لعدة أسباب. واحد من تلك الأسباب هو اعتقاد القطط أن البشر يغيبون فترات طويلة على مدار اليوم في الصيد. وتصطاد القطط لتساهم في زيادة غنيمة اليوم والمشاركة بمهاراتها في تلك المهام الضرورية كما ترى. وبالتالي فقد يكون قطك يشعر بالمسؤولية تجاه المنزل فيرى أن من واجبه أن يشارك. واعتقاد آخر وهو أن القطط بحاجة لمزيد من اللحوم كما شرحنا. وفي النهاية، هل يوجد طريقة تحد من صيد القطط للفئران أو أي فريسة أخرى؟ والاجابة لا، حتى إطعامهم جيدًا لن يوقفهم فالصيد شيء داخلي بالنسبة لهم كما لو كان هواية.

المصادر

https://icatcare.org/understanding-the-hunting-behaviour-of-pet-cats-an-introduction

https://basepaws.com/blogs/news/how-do-cats-hunt

https://www.wired.co.uk/article/cats-laws-of-physics

تتميز القطط بتصرفات أنيقة تعطيها جاذبية خاصة عن غيرها من الحيوانات. وتعد طريقة شرب القطط واحدة من تلك التصرفات المميزة. فكيف تشرب القطط السوائل وتحافظ على مظهرها في نفس الوقت؟

تتحدى القطط الجاذبية في العديد من المواقف، فنرى مثلًا كيف تسقط من أعلى الطوابق المرتفعة وتنجو. ولكن لا يتوقف الأمر هنا، فالقطط تعرف كيف تستخدم الجاذبية بمثالية حتى عندما يتعلق الأمر بطريقة شربها للسوائل.

اختلاف طريقة القطط في الشرب عن باقي الحيوانات

تحرص القطط على الحفاظ على نظافتها ونظافة ما تشربه كالحليب مثلًا. فنرى مثلًا الكلاب تشرب عن طريق وضع لسانها في الإناء ثم لفه للخلف وغرف المشروب بلسانها كالملعقة. أما القطط فعلى عكس معظم الحيوانات تستطيع أن تشرب دون وضع لسانها داخل المشروب. وبطريقة مماثلة تلف أيضًا القطة لسانها للخلف، ولكن لتلمس فقط سطح السائل. وتسحب القطة لسانها بسرعة كبيرة بمجرد ملامسة سطح السائل لسطح لسانها لتُنشأ بذلك عمود لحظي من السائل. وتعتمد القطط في تلك العملية على مهارتها في موازنة عمود السائل. [1]

تعرف القطط اللحظة التي يجب عليها أن تغلق فمها لتشرب السائل، فليس مبكرًا بحيث تحصل على أكبر كم من السائل ولا متأخرًا بحيث لا تسحب الجاذبية العمود ويعود مجددًا للإناء. ولكن سرعة حركة لسان القط بمعدل أكثر من مرة في الثانية صَعب مهمة اكتشاف ذلك الأمر. [2]

الملاحظة والتحليل

ينظر الباحثون للأمور التي تبدو تقليدية للبعض بعين فضول. فنرى مثلا «رومان ستوكر-Roman Strocker» أثناء تناول فطوره ينظر لقطّه بالصدفة وهو يشرب فيتساءل كيف يفعل ذلك. وليبدأ ستوكر في تحليل الموقف استعان بكاميرة تصوير سريع من معمله وذلك لصعوبة ملاحظة الأمر بعيننا لسرعة حركة لسان القط. استعان ستوكر بمجموعة باحثين آخرين وشاهدوا مجموعة من الفيديوهات المصورة لأنواع أخرى من القطط (كالأسود والنمور وغيرهم من نفس الفصيلة). كانت نتيجة تحليل كل تلك المعطيات أن القطط توازن بين قوة رد الفعل والجاذبية لعمود السائل كما وضحنا من قبل. [3]

توقع سرعة حركة لسان القط وعلاقتها بكم السائل الذي يحصل عليه القط في كل لفة كان أمر رياضي من تحليل مجموعة الفيديوهات. ولكن لدراسة أعمق لتلك الظاهرة صنع العلماء روبوت عبارة عن لوح زجاجي يتحرك بسرعات محددة يحاكي لسان القط. وكان اللوح عندما يلمس سطح الماء ويرتفع بسرعة عالية يصنع عمود من السائل تمامًا مثل القط. [1] ولكن لأي مدى يمكن أن نصل بتلك الدراسة؟

الاستفادة المستقبلية من تلك الظاهرة

أوضحت التجربة أهمية موقع القط بالنسبة للإناء، فكلما كان القط بعيدًا عن السائل كان أفضل. تزيد فرصة حصول القط على قدر أكبر من المشروب بالبعد أكثر عن السائل، أما قربه يجعل فمه يتبلل ويحجب رؤيته. [1]

تلك الدراسة أيضًا قد تفيد التكنولوجيا الحديثة لصناعة الروبوتات، خصوصًا تلك التي تتعامل مع السوائل. فأنظر عزيزي القارئ كيف من ملاحظة قد تكون تافهة للبعض لأول وهلة أن تكون مصدر تطوير حقيقي حاليًا. فلا تستخف بما تراه حولك من ظواهر تقليدية، أنظر واسأل فبتلك التفاصيل الصغيرة يتغير العالم.

المصادر

[1] https://www.britannica.com/explore/savingearth/the-physics-of-cat-lapping

[2] https://www.youtube.com/watch?v=vP-ozt0WJvQ

[3] https://news.mit.edu/2010/cat-lapping-1112