هل السفر عبر الزمن أصبح ممكناً وما علاقة الجاذبية بذلك؟
منذ أكثر من مئة عام توصل العالم الفيزيائي الشهير ألبرت أينشتاين إلى فكرة تعبر عن الآلية التي يعمل بها الوقت وأطلق عليها اسم النسبية، انطلق أينشتاين من مبادئ الفيزياء الكلاسيكية والتي تنص على أن الكون مؤلف من ثلاثة أبعاد رئيسة ليضيف أينشتاين بعداً رابعاً وهو الزمان، وانطلق بقوله أن الزمان والمكان مترابطين معاً وأطلق على هذا الترابط اسم الزمكان. افترض أينشتاين بنظريته إمكانية أنثناء نسيج الزمكان بفعل الجاذبية ولكي نستطيع فهم الفكرة بشكل مبسط يمكن اعتبار نسيج الزمكان عبارة عن قطعة من الأسفنج يجلس عليه شخص ما، فعند جلوس هذا الشخص فإنه سيؤثر عليها بقوة الأمر الذي سيؤدي إلى حدوث انحناء أو تشوه في شكل هذا النسيج، الأمر ذاته يحصل إذا ما اعتبرنا نسيج الزمكان هو قطعة الأسفنج وقوة الشخص هي قوة الجاذبية.
أخبرنا أينشتاين أيضا أن الأجسام لا تستطيع التحرك بسرعة أكبر من سرعة الضوء والمقدرة ب 186 ألف ميل بالثانية، وأن الوقت يتباطئ ويتسارع اعتماداً على السرعة التي تتحرك بها الأجسام بالنسبة إلى الأشياء الأخرى، أي أننا كلما تحركنا بشكل أسرع كلما كان مرور الوقت أبطأ وكثيراً ما تستخدم هذه النظرية بكتب وقصص الخيال حيث يفترض الكاتب سفر الأبوين أو أحد الأصدقاء بواسطة مركبة فضائية ذات سرعات كبيرة للغاية(سرعات قريبة من سرعة الضوء) في رحلة إلى الفضاء البعيد ليعودوا بعد مدة فيجدوا صغارهم قد أضحوا عجائز، إلا أنهم أي (المسافرين) لم يتقدموا في العمر سوا القليل!.
توفر نظرية أينشتاين العديد من السيناريوهات للسفر عبر الزمن منها :
1_ السفر من خلال الثقوب السوداء : على الرغم من استحالة الأفلات من الجاذبية الساحقة للثقوب السوداء افترض العالم هوكينغ إمكانية السفر إذا ما تمكنا من بناء سفينة قادرة على الهروب من جاذبية الثقب بسرعة كبيرة، فإذا استطاعت هذه المركبة الدوران حول هذا الثقب فإن الطاقم الذي في المركبة سيقضون نصف المدة التي سيقضيها أقرانهم على كوكب الأرض، لنتخيل أنهم تمكنوا من الدوران لمدة خمس سنوات، هذه الخمس سنوات ستمر على أقرانهم في كوكب الأرض كعشر سنوات. على الرغم من استحالة الفكرة في وقتنا الحالي إلا أننا نأمل أن تتحقق في المستقبل.
2_ الأوتار الكونية : تفترض هذه النظرية وجود أنابيب ضيقة من الطاقة تمتد عبر كامل طول الكون المتوسع باستمرار ومن المحتمل أن تشكل هذه الأنابيب مناطق رقيقة البنية تحوي على كميات كبيرة من الكتلة مما يؤدي إلى تشوه نسيج الزمكان حولها بقوة مما يجعل السفر عبر الزمن ممكناً.
في الختام نقول نعم السفر عبر الزمن حقيقي ولكنه ليس على الأرجح كالسفر الذي نشاهده في الأفلام وقصص الخيال العلمي فهو ليس فتحة دائرية زاهية اللون نتنقل من خلالها بين العصور لمحاربة الأشرار بل الأمر أكثر تعقيداً، السفر الذي نقصده هو السفر بإجزاء من الثانية الذي يتجلى بشبكات تحديد المواقع والأقمار الصناعية، فيما اعتبر بعض العلماء نظرنا إلى المجرات والكواكب البعيدة بواسطة التلسكوب هو سفر عبر الزمن وذلك لأن وصول الضوء المنبعث منها إلينا يحتاج وقتاً طويلاً وهذا يعني أننا عندما ننظر إلى هذه المجرات فأننا ننظر إلى الماضي.
تخيل مصدر طاقة لا حدود له عمليًا وليس له تكلفة وقود ولا يصدر منه أي انبعاثات لثاني أكسيد الكربون. ذلك المصدر موجود بالفعل وهي الشمس التي تشرق وتغرب أمام ناظريك كل يوم. تأتي الطاقة الشمسية في شكل إشعاع كهرومغناطيسي وهو في الأساس موجات حرارة وضوء تُشعها الشمس. تخيل كمية الإشعاع الشمسي الذي يسقط على سطح الأرض خلال عام وهو بالطبع يختلف حسب الموقع الجغرافي أو بحسب بعد المنطقة عن خط الاستواء ماذا لو أمكننا تسخير كل هذا الإشعاع لتوليد الطاقة؟ لتصور الأمر بشكلٍ أوضح، يتلقى كل متر مربع من سطح الأرض طاقة كافية سنويًا لتشغيل مروحة سقف متوسطة الحجم بينما يتلقى مترين مربعين ما يكفي لتشغيل تلفزيون، وقد تكفي ثلاثة أمتارٍ مربعة لتشغيل غسالة صغيرة. الآن ألق نظرة سريعة وشاهد عدد الأمتار المربعة من المساحات الفارغة الموجودة في كل مكان في العالم وستتيقن أن لدينا كمية طاقة هائلة يمكننا تسخيرها والاستفادة منها. لكن كيف بدأ البشر في تسخير الطاقة الشمسية عبر التاريخ؟ وما كان دور السيليكون في صناعة الخلايا الشمسية؟ هذا ما سنعرفه في السطور القادمة من هذا المقال.
العدسات الحارقة
من الناحية النظرية، استخدام البشر الطاقة الشمسية في وقت مبكر من القرن السابع قبل الميلاد استخدموا ضوء الشمس لإشعال الحرائق بواسطة العدسات المكبرة. في وقت لاحق من القرن الثالث قبل الميلاد، استخدم الإغريق والرومان المرايا لإضاءة المشاعل للاحتفالات الدينية. أصبحت هذه المرايا أداة طبيعية يشار إليها باسم “المرايا المحترقة” ووثقت الحضارة الصينية استخدام المرايا لنفس الغرض لاحقًا في عام 20 بعد الميلاد.
العدسات الحارقة
توجد طريقة تاريخية أخرى لحصاد الإشعاع الشمسي لا يأخذها الكثير من الناس في الاعتبار عند التفكير في الطاقة الشمسية وهي استخدامها في التصميم المعماري. لطالما شُيدت المباني مع مراعاة دفء الشمس فمن القرن الأول وحتى القرن الرابع قبل الميلاد بُنيت الحمامات الرومانية بنوافذ كبيرة موجهةٍ للجنوب والتي من شأنها التقاط طاقة الشمس بطريقةٍ أكثر فعالية مما يحافظ على الحمامات دافئة بشكل معتدل في الشتاء. في وقت لاحق من القرن الثالث عشر الميلادي، وضع أسلاف الأمريكيين الأصليين في “بويبلو” المعروفين باسم “أناسازي” أنفسهم في مساكن مواجهة للجنوب على المنحدرات لالتقاط دفء الشمس خلال أشهر الشتاء الباردة. الجدير بالذكر أن هذه الممارسة المعمارية مستمرة حتى يومنا هذا.
مصيدة “هوراس دي سوسور” الشمسية
مع تزايد استخدام الزجاج خلال القرن الثامن عشر، أدرك الكثيرون قدرته على احتجاز الحرارة الشمسية وقد لاحظ «هوراس دي سوسور-horace de saussure» هذه الظاهرة وهو أحد علماء الطبيعة البارزين في أوروبا في تلك الفترة وكتب ما يلي: “إنها لحقيقةٌ معروفة وحقيقة ربما كانت معروفة منذ أمدٍ طويل أن أي مكان يصبح أكثر سخونة عندما تمر أشعة الشمس عبر الزجاج سواءً كان ذلك المكان غرفةً أو عربةً أو أي شيئًا آخر “. كان هذا العالم الفرنسي السويسري مندهشًا تمامًا من أن هذه الظاهرة الشائعة لم تؤد إلى أي بحث تجريبي حول درجة الحرارة القصوى التي يمكن بلوغها في مصيدة زجاجية للحرارة الشمسية. عند تجربة الطاقة الشمسية، فضّل معاصروه العمل بالمرايا المحترقة والتي يمكن أن تؤدي أعمالاً مذهلة مثل حرق الأشياء عن بعد أو إذابة أصعب المعادن في غضون ثوانٍ. في عام 1767، شرع دي سوسور في تحديد مدى فعالية مصائد الحرارة الزجاجية في جمع طاقة الشمس.
قام دي سوسور أولاً ببناء مصيدة شمسية مصغرة بسماكة خمسة جدران بناها من خمسة صناديق مربعة من الزجاج كل صندوق يحوي الصندوق الآخر، وقطّع قواعد الصناديق بحيث يمكن تكديس الصناديق الخمسة الواحدة داخل الأخرى فوق طاولة خشبية سوداء. بعد تعريض الجهاز للشمس لعدة ساعات، ومع تدوير هذه المصيدة بحيث تصطدم الأشعة الشمسية دائمًا بالأغطية الزجاجية للصناديق بشكل عمودي، قاس دي سوسور درجة الحرارة. كان الصندوق الخارجي هو الأبرد، وزادت درجة الحرارة في الصناديق الداخلية. سجل الجزء السفلي من الصندوق الداخلي أعلى درجة حرارة -189.5 درجة فهرنهايت أي ما يعادل 89.5 درجة مئوية وهي تقارب درجة غليان الماء.
مصيدة “هوراس دي سوسور” الشمسية
اكتشاف التأثير الكهروضوئي
في عام 1839، اكتشف العالم إدموند بيكريل التأثير الكهروضوئي من خلال تجربة الخلايا الإلكتروليتية: خلال هذه العملية، أدرك “بيكربل” أنه يتم إنتاج المزيد من الكهرباء إذا تعرضت الخلايا لأشعة الشمس. يُعرف التأثير الكهروضوئي بأنه ظاهرة توليد التيار الكهربي عند تعريض بعض المواد للضوء وهذه الخاصية هي ما تمتاز بها أشباه الموصلات كالسيليكون والجرمانيوم واللذان يُعدان العنصران الأساسيان في صناعة الخلايا الشمسية. أُحرز مزيد من التقدم في عام 1876، عندما اكتشف مجموعة من العلماء أن السيلينيوم يمكن أن يحول الضوء إلى كهرباء بدون حرارة. استخدام السيلينيوم بعد ذلك لإنشاء أول خلية شمسية في عام 1883 وسُجلت براءة اختراع أول سخان مياه يعمل بالطاقة الشمسية بعد ذلك بعشر سنوات.
تفسير أنشتاين للتأثير الكهروضوئي
قبل أينشتاين، لاحظ العلماء هذا التأثير ولكنهم كانوا متحيرين من سلوكه لأنهم لم يفهموا طبيعة الضوء تمامًا. في أواخر القرن التاسع عشر، قرر الفيزيائيان جيمس كليرك ماكسويل في اسكتلندا وهندريك لورنتز في هولندا أن الضوء يبدو وكأنه يتصرف كموجة أُثبت ذلك من خلال رؤية كيف تُظهر موجات الضوء التداخل والحيود والتشتت وهي أمور سمات في جميع أنواع الموجات بما في ذلك الموجات في الماء. في عام 1900، حاول عالم الفيزياء “ماكس بلانك” تفسير انبعاث الضوء من الأجسام الساخنة ووجد أن الطاقة الضوئية تنبعث على هيئة حزم اسماها “الكمات” وأن مقدار الكم يعتمد على تردد الإشعاع ويرتبط بما يُعرف بثابت بلانك.
بعد ذلك في عام 1905 جاء أينشتاين ليوسع نظرية بلانك في تفسيره لظاهرة التأثر الكهروضوئي. يظهر التأثير الكهروضوئي عندما يسقط الضوء على معدن ويؤدي هذا إلى انبعاث الكترونات على الفور من ذلك المعدن ولكن إذا كان تردد الضوء منخفضًا فلن تبعث أي الكترونات. أوضح أينشتاين أنه بغض النظر عن كثافة الضوء الساقط على المعدن فإن الضوء يعمل كجسيم اسماه الفوتون ويمنح طاقته لأحد الالكترونات مما يؤدي ذلك إلى تحرير الإلكترون في حالة إذا كان تردد الضوء الساقط مناسبًا للإلكترون في المعدن وهكذا فُسرت العلاقة التي اكتشفها بلانك بين الطاقة والتردد أنه عند انخفاض تردد الضوء الساقط فلن تنبعث الإلكترونات. بعبارة أخرى، يعني ذلك أن الفوتونات لا تحتوي على طاقة كافية لتحرير الإلكترونات. منُح أينشتاين جائزة نوبل في الفيزياء وذلك لتفسيره التأثير الكهروضوئي والذي انتشرت تطبيقاته فيما بعد لتعم كافة المجالات التقنية حيث اُستخدمت الخلايا الكهروضوئية في بداية الأمر في الكشف عن الضوء باستخدام أنبوبة فارغة بها كاثود -قطب سالب- ليبعث إلكترونات، وأنود -قطب موجب- ليجمع التيار الناتج ومن ثم تطوّرت تلك الأنابيب الضوئية إلى «وصلات ثنائية-Diodes» ضوئية مصنوعة من أشباه موصلات والتي تُستخدم في تطبيقات مثل الخلايا الشمسية والدوائر الدقيقة والألياف البصرية في الاتصالات.
تفسير أينشتاين للتأثير الكهروضوئي: يمنح الفوتون طاقته لأحد الالكترونات مما يؤدي ذلك إلى تحرير الإلكترون
استخدام السيليكون في تصنيع الخلايا الشمسية
ذكرنا سابقًا أن الخلايا الكهروضوئية كانت تصنع من السيلينيوم ولكن الخلايا الشمسية التي نعرفها نعرفها اليوم مصنوعة من السيليكون. يعتبر البعض أن الاختراع الحقيقي للألواح الشمسية يُنسب لكل من “داريل شابين” و”كالفن فولر” و”جيرالد بيرسون” وذلك لابتكارهم لأول خلية السيليكون كهروضوئية في مختبرات بيل في عام 1954. يعتقد الكثيرون بأن هذا الحدث يمثل الاختراع الحقيقي لتكنولوجيا الكهروضوئية لأنه كان المثال الأول لتقنية الطاقة الشمسية التي يمكنها بالفعل تشغيل جهاز كهربائي لعدة ساعات في اليوم. يمكن لأول خلية شمسية من السيليكون تحويل ضوء الشمس بكفاءة تبلغ أربعة بالمائة، أي أقل من ربع ما تستطيع الخلايا الحديثة القيام به. الجدير بالذكر أن بعض الشركات حاليًا صنعت خلايا شمسية بكفاءة تتعدى 30% وإن كنت ترغب بمعرفة المزيد عن مفهوم الكفاءة الكهربائية يمكنك الرجوع لهذا المقال. قد تتساءل عزيزي القارئ ما هي السمة المميزة في عنصر السيكليون ليكون العنصر المثالي لتصنيع الخلايا الشمسية؟
لماذا يُستخدم السيليكون في صناعة الخلايا الشمسية؟
يُعتبر السيليكون واحد من أكثر العناصر توافرًا في الطبيعة ويوجد بشكل أساسي في رمال الصحاري على هيئة أكاسيد السيلكون. لكن ما يجعل السيليكون عنصرًا مميزا في تصنيع الخلايا الشمسية هو تركيبه الكيميائيي الفريد؛ إذ تحتوي ذرة السيليكون على 14 الكترون موزعة على ثلاث مستويات طاقة. مستويين الطاقة الاول والثاني الاقرب للنواة يكونان ممتلأن تماماً بالالكترونات والمستوى الثالث أو المستوى الخارجي يحتوي على 4 الكتورنات فقط اي يكون نصفه ممتلئ والنصف الاخر فارغ حيث ان المدار يكتمل بـ 8 الكترونات. وتسعى ذرة السيليكون لان تكمل النقص في عدد الالكترونات في المستوى الخارجي ولتفعل ذلك فإنها تشارك أربع الكترونات من ذرات سيليكون مجاورة وبهذا ترتبط ذرات السيليكون بعضها البعض في شكل تركيب بلوري وهذا التركيب البلوري له فائدة كبيرة في الخلية الكهروضوئية بلورة سيليكون نقية وللعلم بلورة السيليكون النقية لا توصل التيار الكهربي بكفاءة لانه لا يوجد الكترونات حرة لتنقل التيار الكهربي حيث ان كل الالكترونات قد قيدت في التركيب البلوري. ولهذا ولكي يتم استخدام السيليكون في الخلية الشمسية فإننا بحاجة إلى إجراء تعديل بسيط في التركيب البلوري وذلك عن طريق عملية تطعيم ذرات عناصر أخرى تسمى عملية «تطعيم-doping» وهذه الذرات الاضافية تُعرف باسم «شوائب-impurities» وهي ضرورية لعمل الخلية الشمسية. تعمل الشوائب في ذرات السليكون على السليكون النقي بالطاقة وتجعل بعض الكترونات السيليكون تتحرر وتترك مكانها شاغر ويطلق على هذا المكان الشاغر اسم «الفَجوة-hole». تعمل هذه الفجوة على السماح لالكترون في الجوار بالانتقال اليها تاركاً فجوة اخرى وهكذا تستمر حركة الالكترونات في اتجاه وحركة الفجوات في الاتجاه المعاكس وهذه الحركة هي تيار كهربي. منذ اختراع الخلايا الشمسية سعى العلماء لتطوير كفاءتها وفي الوقت الحالي نجد محطات طاقة شمسية تزود المدن والمصانع بالكهرباء ولكن ليس هذا فحسب فتطبيقات الخلايا الشمسية لم تقتصر على تزويد المنشئات والأحمال في كوكبنا فقط بل وصل استخدامها أيضًا للفضاء الخارجي.
كيف تُزود الأقمار الصناعية بالكهرباء؟
تُستخدم الطاقة الشمسية في الواقع في الفضاء الخارجي لتشغيل الأقمار الصناعية. في عام 1958، استخدم القمر الصناعي “Vanguard I” لوحة صغيرة بقدرة واحد واط لتشغيل أجهزة الراديو الخاصة به. في وقت لاحق من ذلك العام، زُودت المركبات الفضائية “Vanguard II” و “Explorer III” و “Sputnik-3” بتقنية الخلايا الشمسية وفي عام 1964، أطلقت وكالة ناسا أول مركبة فضائية من طراز Nimbus ، وهو قمر صناعي قادر على العمل بالكامل على ألواحٍ شمسية بقدرة 470 واط وفي عام 1966، أطلقت وكالة ناسا أول مرصد فلكي مداري في العالم مدعومًا بألواح شمسية تبلغ قدرتها واحد كيلوواط.
إذا كان جوابك “فضي”، فأنت مخطئ. وإذا كان “لا لون على الإطلاق”، فأنت مخطئٌ أيضًا. ابتداءً، هناك إجابة واضحة: المرآة هي أي لون تشير إليه.
لكن بحكم التعريف، اللون الفعلي لأي غرضٍ هو اللون الّذي لا يعكسه ذلك الغرض. لذا فإن (على سبيل المثال) الأوراق الصفراء تظهر هذا اللون لأنها تمتص جميع الأطوال الموجية الأخرى للضوء، وتبعثر اللون الأصفر ليصل إلى عينك.
تعكس المرآة كل الألوان بشكل مثالي، لذا مبدئيًا، ألا يجب أن يكون لون المرآة أبيض؟ ربما إلى حدٍ ما، إلّا أن المرآة لا تعكس الألوان بنفس الطريقة التي تعكس بها الصبغة (كالصبغة الصفراء في الأوراق).
تعكس هذه الأوراق الصفراء الضوء الأصفر في جميع الاتجاهات دفعةً واحدة، بغض النظر عن اتجاه الضوء الساقط عليها. لكن المرآة تعكس الضوء من خلال شيء يسمى «الانعكاس المرآوي-specular reflection»، مما يعني أنها تعكس الضوء الساقط عليها اعتمادًا على كيفية سقوطه.
كما أوضح فيل بليت في عام 1996:
“القميص الأبيض يعكس الضوء في كل مكان في جميع الاتجاهات. إذ حتى لو سقط عليه الضوء الأحمر والأزرق من نفس الاتجاه، فقد يتناثران في اتجاهات مختلفة. من ناحية أخرى، تعكس المرآة الضوء الأزرق والأحمر في نفس الاتجاه، وبالتالي فإن المرآة في الواقع تنشئ صورة لمصدر الضوء.”
لهذا السبب، نطلق أحيانًا على لون المرايا أنه الأبيض “الذكي”. لكن بالطبع، هذه التسمية ليست علمية. كما أننا عندما نصف لون المرآة باللون الأبيض “الذكي”، فإننا نشير إلى أنها مرآةٌ مثاليةٌ تمامًا، ومثل هذه المرآة غير موجودةٍ عمليًا. في الواقع، كشفت الأبحاث مفاجأةً بأن المرايا تعكس في الواقع طولًا موجيًا واحدًا للضوء أفضل قليلاً من الأطوال الموجية الأخرة – وهو الضوء الواقع في نطاق 510 نانومتر، أو بعبارةٍ أخرى، اللون الأخضر.
لذلك فإن المرايا هي في الواقع خضراء بشكلٍ طفيف. ربما تكون قد رأيت ذلك بنفسك، عند النظر في نفق المرآة. أجرى الباحثان ريموند ل. لي جونيور وخافيير هيرنانديز أندريس تجربةً في غرينادا بإسبانيا عام 2004، في أحد أشهر المعالم السياحية في متاحف العلوم؛ «نفق المرآة-mirror tunnel».نفق المرآة عبارة عن مرآتين تواجهان بعضهما البعض مع فتحتين لغرض النظر خلالهما. وجد الباحثون أنه عندما يرتد انعكاس المرايا ذهابًا وإيابًا أكثر من 50 مرة، يصبح الطول الموجي الأخضر هو الطول الموجي السائد الذي يمكننا رؤيته.
تاريخ الفيزياء الكلاسيكية، من هو غاليليو غاليلي؟ وماهي إنجازاته؟
ولد غاليليو في 15 فبراير 1564 وهو الابن الاكبر للموسيقي المعروف لفنشنزو غاليلي، كان مهوسًا بالفلك والرياضيات إلا أن والده أحب مهنة الطب فأجبره على دراستها، أُرسل غاليليو إلى جامعة بيزا في عام 1583 لدراسة الطب ولكن بسبب بعض المشاكل والصعوبات المالية لم يستطع غاليليو تحقيق حلم أبيه وغادر الجامعة في عام 1585 تاركًا خلفه حلم أبيه منطلقًا نحو أحلام
شغفه بالفلك والفيزياء
واصل غاليليو دراسة علم الرياضيات والفيزياء والفلك بعد خروجه من الجامعة وبدأ يضع أفكاره حول الأجسام المتحركة ونشر مايعرف باسم المبادئ الهيدروستاكية لوزن الكميات الصغيرة، الأمر الذي جلب له بعض الشهرة واكسبه منصبًا تدريسيًا في جامعة بيزا، وفي أثناء عمله في جامعة بيزا أجرى غاليليو بعض التجارب على حركة الأجسام الساقطة فتوصل في نهاية المطاف إلى أفكار خرج بها عن الفكر الأرسطي السائد آنذاك والقائل أن الأجسام الثقيلة تسقط أسرع من الأجسام الخفيفة، ليقف غاليليو من أعالي برج بيزا المائل ويجري تجربته الشهيرة التي استطاع من خلالها إثبات خطأ فرضية أرسطو، إذ قام بإسقاط جسمين مختلفين في الكتلة من قمة برج بيزا المائل لإثبات أن زمن السقوط الحر لا يعتمد على الكتلة إنما يعتمد على ارتفاع السطح الذي سقط منه الجسم.
تحديات
خسر غاليليو منصبه التدريسي في جامعة بيزا لكن سرعان ما وجد غاليليو منصبًا جديدًا في جامعة بادو حيث قام بتدريس علم الهندسة والميكانيكا والفلك، عمل غاليليو لمدة زادت عن ثمانية عشرة عامًا استطاع من خلالها كسب شعبية واسعة، وفي عام 1609 سمع غاليليو عن اختراع التلسكوب في هولندا ومن غير أن يرى مثالًا تطبيقًا أقدم على تطوير المعطيات التي بين يديه ليبني أول تلسكوب استطاع به رصد الجبال والوديان على سطح القمر وأكبر أربعة أقمار لكوكب المشتري وحلقات زحل.
اكتشافاته ونبوغه
بعد أن بنى غاليليو تلسكوبه شرع يبحث عن الأدلة والبراهين التي تدعم صحة نظرية كوبرنيكوس القائلة بأن الشمس هي مركز المجموعة الشمسية، واستطاع من خلال تتبع الأطوار التي يمر بها كوكب الزهرة إثبات صحة نظرية كوبرنيكوس، لكن رد الكنسية كان سريعاً حيث استدعت الكنسية في روما غاليليو وأدانته بالهرطقة وحكمت عليه بالسجن المؤبد ليخفف الحكم بعد ذلك إلى الإقامة الجبرية، كما أجبرت الكنسية غاليليو على التخلي عن تأييده للأفكار كوبرنيكوس وفرضت قيود على كتاباته وقامت بمنع تداولها.
بالإضافة إلى اكتشافته في علم الفلك والفيزياء استطاع غاليليو تصميم مايعرف باسم المنظار الحراري وهو اختراع شبيه بما يعرف الآن باسم موازين الحرارة، حيث اعتمد غاليليو في تصميمه على ارتفاع وانخفاض كثافة السائل وذلك تبعًا لتغير درجة حرارة السائل. وفي 8 يناير عام 1642 توفي غاليليو بعد إصابته بالحمى وخفقان بالقلب تاركًا خلفه الكثير والكثير من الأعمال التي ساهمت في إشعال شرارة الثورة العلمية، ليلقب غاليليو فيما بعد بلقب أبو العلم الحديث.
قدمت الكنسية في القرن العشرين اعتذرًا عن الطريقة التي تم التعامل بها مع قضية غاليليو وفي التسعينات أرسلت وكالة ناسا الفضائية مهمة إلى كوكب المشتري أطلق عليها اسم غاليليو وذلك تكريمًا له وتخليدًا لذكراه.
جائزة نوبل في الفيزياء 2020 تُثبت نظرية النسبية العامة، أخذ مفهوم “الثقب الأسود” معانٍ جديدةً في العديد من أشكال التعبير الثقافي ولكن بالنسبة لعلماء الفيزياء، فإن الثقوب السوداء هي نقطة النهاية الطبيعية لتطور النجوم العملاقة. أُجري أول حساب للانهيار الدراماتيكي لنجم هائل في نهاية الثلاثينيات من قبل الفيزيائي “روبرت أوبنهايمر” الذي قاد فيما بعد مشروع مانهاتن الذي بنى أول قنبلة ذرية. عندما ينفد الوقود من النجوم العملاقة التي تبلغ كتلتها أكبر من الشمس عدة مرات، فإنها تنفجر أولاً على شكل مستعرات أعظمية ثم تنهار إلى بقايا شديدة الكثافة ثقيلة للغاية لدرجة أن الجاذبية تسحب كل شيء إلى داخلها حتى الضوء. أُخذت فكرة “النجوم المظلمة” بالاعتبار منذ زمن بعيد حتى نهاية القرن الثامن عشر كما هو موضح في أعمال الفيلسوف وعالم الرياضيات البريطاني “جون ميشيل” والعالم الفرنسي الشهير “لابلاس”. كلاهما استنتج أن الأجرام السماوية يمكن أن تصبح كثيفة لدرجة أنها ستكون غير مرئية – وحتى سرعة الضوء الهائلة لن تُسعفها من الهروب من جاذبيتها. بعد أكثر من قرن بقليل-عندما نشر ألبرت أينشتاين نظريته العامة عن النسبية-، وصفت بعض الحلول لمعادلات النظرية الصعبة مثل هذه النجوم المظلمة. حتى مطلع ستينيات القرن الماضي، كانت هذه الحلول تعتبر تكهنات نظرية بحتة تصف المواقف المثالية التي تكون فيها النجوم وثقوبها السوداء مستديرة ومتماثلة تمامًا. ولكن لا يوجد شيء مثالي في الكون وقد كان “روجر بنروز” الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء 2020 أول من نجح في إيجاد حل واقعي لجميع المواد المنهارة بما فيها من نتوءات وعيوب طبيعية.
لغز الكوازارات «quasars»
عادت مسألة وجود الثقوب السوداء إلى الظهور في عام 1963 مع اكتشاف الكوازارات وهي ألمع الأجسام في الكون. منذ ما يقرب من عقد من الزمان، كان علماء الفلك في حيرة من أمرهم بسبب الأشعة الراديوية من مصادر غامضة، مثل 3C273 في كوكبة العذراء. وأخيرًا كشف الإشعاع الواقع ضمن طيف الضوء المرئي عن الموقع الحقيقي للكوازار- 3C273 والذ اتضح أنه بعيد جدًا لدرجة أن الأشعة الصادرة منه يستغرق وصولها إلى الأرض أكثر من مليار سنة. وكما هو معروف، إذا كان مصدر الضوء بعيدًا جدًا، فلا بد أن يكون له شدة تساوي ضوء عدة مئات من المجرات وقد أطلق العلماء على مصادر الضوء تلك اسم “كوازار”. سرعان ما وجد علماء الفلك الكوازارات التي كانت بعيدة جدًا لدرجة أنها أطلقت إشعاعها في الطفولة المبكرة للكون. السؤال الذي يطرأ الآن؟ من أين يأتي هذا الإشعاع المذهل؟ هناك طريقة واحدة فقط للحصول على هذا القدر من الطاقة ضمن الحجم المحدود للكوازار أي من سقوط المادة في ثقب أسود فائق الكتلة.
الحل في مفهوم الأسطح المحاصرة
هل يمكن للثقوب السوداء أن تتشكل في ظل ظروف واقعية ؟ حيّر هذا السؤال الفائز بجائزة نوبل هذا العام “روجر بنروز”. الجواب، كما يتذكره لاحقًا، أثناء نزهة مع زميل له في لندن في خريف عام 1964، حيث كان “بنروز” أستاذًا للرياضيات في كلية “بيركبيك”. عندما توقفوا عن الحديث لوهلةٍ لعبور الشارع، ظهرت فكرة في ذهنه. في وقت لاحق من ظهر ذلك اليوم، بحث عنه في ذاكرته وكانت هذه الفكرة -التي أسماها الأسطح المحاصرة – هي المفتاح الذي كان يبحث عنه دون وعي، وهي أداة رياضية ضرورية لوصف الثقب الأسود. يجبر السطح المحاصر جميع الأشعة على التوجه نحو المركز وذلك بغض النظر عما إذا كان السطح منحنيًا للخارج أو للداخل. باستخدام الأسطح المحاصرة ، تمكّن “روجر بنزور” من إثبات أن الثقب الأسود يخفي دائمًا “التفرد”، وهو الحد الذي ينتهي فيه الزمان والمكان وكثافته لا حصر لها وحتى الآن لا توجد نظرية لكيفية التعامل مع هذه الظاهرة الغريبة في الفيزياء. أصبحت الأسطح المحاصرة مفهومًا مركزيًا في إكمال إثبات بنروز لنظرية التفرد إذ أن الأساليب الطوبولوجية التي قدمها تُعد من أفضل الأدوات لدراسة كوننا المُنحني.
طريق ذو اتجاه واحد حتى نهاية الزمان
بمجرد أن تبدأ المادة في الانهيار ويتشكل سطح محاصر، لا شيء يمكن أن يوقف الانهيار من الاستمرار. لا مجال للعودة ، كما في القصة التي رواها الفيزيائي والحائز على جائزة نوبل “سوبراهمانيان شاندراسيخار” في طفولته في الهند. تدور القصة حول اليعسوب ويرقاتها التي تعيش تحت الماء. عندما تكون اليرقة جاهزة لفتح أجنحتها ، فإنها تَعِدُ بأنها ستخبر أصدقاءها كيف تبدو الحياة على الجانب الآخر من سطح الماء. ولكن بمجرد أن تمر اليرقة عبر السطح وتطير بعيدًا مثل اليعسوب لا تعود. ونتيجةً لذلك، لن تسمع اليرقات الموجودة في الماء قصة الحياة على الجانب الآخر.
وبالمثل، يمكن لكل مادة أن تعبر أفق حدث الثقب الأسود في اتجاه واحد فقط. ثم يحل الوقت محل المكان وتتجه جميع المسارات المحتملة إلى الداخل ، حيث يحمل تدفق الوقت كل شيء نحو نهاية لا مفر منها عند التفرد كما هو موضح في الصورة أدناه. لن تشعر بأي شيء إذا سقطت في أفق الحدث لثقب أسود فائق الكتلة ومن الخارج، لا أحد يستطيع رؤيتك تسقط، وتستمر رحلتك نحو الأفق إلى الأبد. إن التحديق في ثقب أسود غير ممكن ضمن قوانين الفيزياء المعروفة؛ إذ أن الثقوب السوداء تخفي كل أسرارها وراء آفاق أحداثها.
عندما ينهار نجم ضخم بفعل جاذبيته، فإنه يشكل ثقبًا أسودًا ثقيلًا لدرجة أنه يلتقط كل شيء يمر عبر أفق الحدث. حتى الضوء لا يستطيع الهروب. في أفق الحدث، يحل الزمان محل المكان ويشير إلى الأمام فقط. يحمل دفق الزمان كل شيء نحو «التفرد-singularity» الأبعد داخل الثقب الأسود حيث تكون الكثافة لانهائية وينتهي عندها الزمان. يُظهر مخروط الضوء مسارات أشعة الضوء للأمام وللخلف بمرور الوقت. عندما تنهار المادة وتشكل ثقبًا أسود فإن المخاريط الضوئية التي تعبر أفق الحدث للثقب الأسود ستتحول إلى الداخل، باتجاه التفرد. وبذلك لن يرى المراقب الخارجي أبدًا أن أشعة الضوء تصل إلى أفق الحدث ، بل تدفعه فقط. ولا أحد يستطيع رؤية أزيد من ذلك
الثقوب السوداء تتحكم في مسارات النجوم
على الرغم من أننا لا نستطيع رؤية الثقب الأسود، إلا أنه من الممكن تحديد خصائصه من خلال مراقبة كيفية توجيه جاذبيته الهائلة لحركات النجوم المحيطة. يقود العالمان الحائزان على نوبل في الفيزياء 2020 “راينهارد جينزل” و”أندريا غيز” مجموعات بحثية منفصلة تستكشف مركز مجرتنا- درب التبانة- والتي تبدو من المسقط العمودي مشكل قرص مسطح يبلغ عرضه حوالي 100000 سنة ضوئية كما هو موضح في الصورة أدناه، ويتكون من الغازات والغبار ومئات المليارات من النجوم وأحد هذه النجوم هو شمسنا. من وجهة نظرنا على الأرض ، تحجب السحب الهائلة من الغاز والغبار بين النجوم معظم الضوء المرئي القادم من مركز المجرة. كانت التلسكوبات التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء وتكنولوجيا الراديو هي أول ما سمح لعلماء الفلك برؤية قرص المجرة وتصوير النجوم في المركز. باستخدام مدارات النجوم كمرشدين ، توصل جينزل و غيز إلى الدليل الأكثر إقناعًا حتى الآن على وجود جسم فائق الكتلة مختبئ في مركز مجرتنا ويُعد الثقب الأسود هو التفسير الوحيد الممكن.
مجرة درب التبانة والتي تبدو من المسقط العمودي كقرصٍ مسطح يبلغ عرضه حوالي 100000 سنة ضوئية كما هو موضح في الصورة أعلاه، ويتكون من الغازات والغبار ومئات المليارات من النجوم وأحد هذه النجوم هو شمسنا
للتعرف على مساهمات الفائزين في جائزة نوبل في الفيزياء 2020 اضغط هنا.
مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2020 للعلماء، “روجر بنروز” و” راينهارد جينزل” و”أندريا غيز” وذلك لاكتشافاتهم لواحدة من أكثر ظواهر الكون غرابةً وهي الثقوب السوداء.
أثبت “روجر بنروز” أن الثقوب السوداء ما هي إلا نتيجة مباشرة للنظرية النسبية العامة لصاحبها العالم “أينشتاين”، بينما اكتشف كل من رينهارد جينزل وأندريا غيز أن جسمًا ثقيلًا وغير مرئي يتحكم في مدارات النجوم في مركز مجرتنا-مجرة درب التبانة-.
هذا ويُعد الثقب الأسود الفائق التفسير الوحيد المعروف حاليًا. في هذا المقال سنتعرف معًا على تفاصيل جائزة نوبل في الفيزياء لهذا العام.
من هم العلماء الثلاثة الذين حازوا على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2020؟
روجر بنروز
وُلد عام 1931 في كولشيستر في المملكة المتحدة. نال شهادة الدكتوراة في عام 1957 من جامعة كامبريدج في المملكة المتحدة، ويعمل حاليًا أستاذًا بجامعة أكسفورد بالمملكة المتحدة.
رينهارد جينزل
وُلد عام 1952 في “باد هومبورغ” في ألمانيا. نال شهادة الدكتوراة عام 1978 من جامعة بون بألمانيا، ويعمل حاليًا مديرًا لمعهد ماكس بلانك للفيزياء في ألمانيا وأستاذًا بجامعة كاليفورنيا، بيركلي، الولايات المتحدة الأمريكية
أندريا جيز
من مواليد 1965 في مدينة نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية. نالت شهادة الدكتوراة في 1992 من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، باسادينا، الولايات المتحدة الأمريكية، وتعمل أستاذًا في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس، الولايات المتحدة الأمريكية.
ما هي إسهامات العلماء الثلاثة الذين حازوا على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2020؟
روجر بنروز
استخدم روجر بنروز أساليب رياضية بارعة لإثبات أن الثقوب السوداء هي نتيجة مباشرة لنظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين.
لم يكن أينشتاين نفسه يعتقد أن الثقوب السوداء موجودة بالفعل، تلك الوحوش ذات الوزن الهائل التي تَلقفُ كل ما يلِجُ إليها ولا شيء يستطيع الهروب منها حتى الضوء.
في شهر يناير من العام 1965 –أي بعد عشر سنوات من وفاة أينشتاين- أثبت روجر بنروز أن الثقوب السوداء يمكن حقًا تكوينها ووصفها بالتفصيل!
تخفي الثقوب السوداء في نواتها حالة تفرّد تتوقف فيها كل قوانين الطبيعة المعروفة، ولا تزال مقالته العلمية الرائدة أهم مساهمةً في نظرية النسبية العامة منذ أينشتاين.
راينهارد جينزل وأندريا غيز
قاد كل من راينهارد جينزل وأندريا جيز فريقًا من علماء الفلك الذين ركزوا اهتمامهم منذ أوائل التسعينيات على منطقة تسمى “القوس A” في مركز مجرتنا.
تمكّن هذا الفريق من تعيين مدارات ألمع النجوم الأقرب إلى منتصف مجرة درب التبانة بدقة عالية. وجدت كلتا المجموعتين شيئًا غير مرئي وثقيل، مما أجبر هذا الخليط من النجوم على الدوران حوله.
تحتوي هذه الكتلة غير المرئية على حوالي أربعة ملايين كتلة شمسية مضغوطة معًا في منطقة ليست أكبر من نظامنا الشمسي. ومن هنا يطرأ السؤال التالي: ما الذي يجعل النجوم في مركز مجرة درب التبانة تتأرجح بمثل هذه السرعات المذهلة؟
وفقًا لنظرية الجاذبية الحالية، هناك مُرشح واحد فقط قادر على فعل هذا الشيء – ثقب أسود فائق الكتلة-. طور “جينزل” و”غيز” طرقًا للرصد بمساعدة أكبر التلسكوبات في العالم عبر السحب الضخمة لغازات النجوم والغبار الكوني وحتى مركز مجرة درب التبانة.
مع تقدم تقنيات الرصد، ابتكر العالمان تقنيات جديدة للتعويض عن التشوهات التي يسببها الغلاف الجوي للأرض، وعملوا على بناء أدوات فريدة والتزموا بأبحاث طويلة المدى، فأعطانا عملهم الرائد الدليل الأكثر إقناعًا حتى الآن على وجود ثقب أسود هائل في مركز مجرة درب التبانة.
فتحت اكتشافات الفائزين على جائزة نوبل في الفيزياء هذا العام آفاقًا جديدةً لدراسة الأجسام المدمجة وفائقة الكتلة. لكن هذه الأشياء الغريبة لا تزال تطرح العديد من الأسئلة في أذهان العلماء وتتطلب إجابات وتحفز عجلة البحث في المستقبل.
لا تنحصر الأسئلة فقط حول الهيكل الداخلي لهذه الأجسام، ولكن أيضًا تدور حول كيفية اختبار نظريتنا عن الجاذبية في ظل الظروف القاسية في المنطقة المجاورة مباشرة للثقب الأسود.
الجاذبية تمسك الكون في قبضتها
ربما تكون الثقوب السوداء هي أغرب نتيجة لنظرية النسبية العامة، فعندما قدم ألبرت أينشتاين نظريته في تشرين الثاني (نوفمبر) 1915، قلبت هذه النظرية جميع المفاهيم السابقة عن المكان والزمان رأسًا على عقب.
قدمت النظرية أساسًا جديدًا تمامًا لفهم الجاذبية التي تشكّل الكون على نطاق واسع. منذ ذلك الحين، وضعت هذه النظرية حجر الأساس لجميع الدراسات والأبحاث المتعلقة بالكون ولها أيضًا استخدام عملي في واحدة من أكثر أدوات التنقل شيوعًا لدينا وهي أنظمة ال “GPS”.
تصف نظرية أينشتاين كيف أن كل شيء وكل شخص في الكون يقع في قبضة الجاذبية. تربطنا الجاذبية بالأرض، وتحكم مدارات الكواكب حول الشمس ومدار الشمس حول مركز مجرة درب التبانة، وتؤدي الجاذبية إلى ولادة النجوم من السحب النجمية، كما تتسبب في موت النجوم عند انهيارها وتعطي الجاذبيةُ الفضاءَ شكله المعروف وتؤثر على مرور الوقت؛ إذ أن الكتلة الثقيلة تعمل على إنحناء الفضاء وتبطئ الوقت.
يمكن لكتلة ثقيلة للغاية أن تقطع وتغلف جزء من الفضاء مُكوِنةً ما يُعرف باسم الثقب الأسود. جاء أول وصف نظري لما نسميه الآن بالثقب الأسود بعد أسابيع قليلة من نشر النظرية العامة للنسبية.
على الرغم من المعادلات الرياضية المعقدة للغاية للنظرية، كان عالم الفيزياء الفلكية الألماني “كارل شوارزشيلد” قادرًا على تزويد أينشتاين بحل يصف كيفية ثني الكتل الثقيلة للزمان والمكان.
أظهرت دراسات لاحقة أنه بمجرد تكوين الثقب الأسود، فهو يحيط به “أفق حدث” يدور حول الكتلة في مركزه مثل الحجاب. يظل الثقب الأسود مختبئًا إلى الأبد داخل أفق الحدث. كلما زادت الكتلة، زاد حجم الثقب الأسود وأفقه.
بالنسبة لكتلة تعادل الشمس، قد يبلغ قطر أفق الحدث ثلاثة كيلومترات تقريبًا، أما بالنسبة لكتلة مثل الأرض، فلن يبلغ قطره أكثر من تسعة ملليمترات فقط!
وفقاً لما نشاهده في الأنظمة النجمية الخارجية، قد تأخذ عملية تشكل الكواكب بضعة ملايين من السنين، في قصة مجموعتنا الشمسية، قد تكون أخذت هذه العملية ما يقرب من 10 مليون سنة فقط، بينما عمر مجموعتنا هو 4.5 بليون سنة، ومن المرجح للشمس أن تعيش حوالي 5 بلايين أخرى من السنين، إذا فهذا أشبه بفترة حمل مدتها شهر، لامرأة تعيش 80 سنة!
قصة مجموعتنا الشمسية
يمكننا التعرف على تاريخ المجموعة الشمسية عن طريق ملاحظة النجوم الأخرى، التي تحوي أنظمة كوكبية بدائية، في طريقها نحو التشكل، والتكوين بصورة شبيهة بصورة مجموعتنا، تمكن الفلكيون من رصد بعد الأنظمة النجمية الأولية، إذ أنه وكما ناقشنا في جزء سابق من هذه السلسلة، تتكون النجوم بفعل الجاذبية التي تضغط الغازات سويًا حتى تزيد من حرارتها، مساعدة على احداث الاندماج النووي، ومما لا عجب فيه أن الجاذبية لا تضغط كل الغاز الموجود في محيطها، إذ تتبقى بعض الغازات التي تسبح حول النجم على شكل قرص، ومن ثم تهدأ هذه الغازات وتتجمع مع بعضها البعض، وتبرد، لتكون ما يعرف بالكواكب، على ما يبدو أن هذه هي الطريقة التي تكون بها نظامنا الشمسي.
لكن قد يبدو لنا أن هناك بعض الأماكن التي تفتقد الكواكب في مجموعتنا، فهناك «حزام الكويكبات-Asteroid belt»، و «حزام كويبر-Kuiper belt» الذي يحتوي على كوكب بلوتو، والذان يحتويان على مجموعة ضخمة من الصخور والجليد، دون أدنى تكون لأي كوكب، فلماذا إذا؟
حزام الكويكبات
ظهرت بعض الفرضيات لتبرير هذا الشأن، وهي تفترض بأن نظامنا الشمسي في طفولته لم يكن بهذه السكينة، إذ دخلت الكواكب مع بعضها البعض في تصادمات شديدة، هناك فرضية تقول بأن «المشترى-Jupiter» قد سافر في بدايته إلى داخل المجموعة الشمسية، حيث «الكواكب الصخرية-rocky planets»، ولكنه لم يهوى إلى داخل الشمس بفضل سرعته، إذ قذفته الشمس إلى الخارج مرة أخرى، وفي هذه الأثناء فقد بعضًا من كتلته، التي شكلت حزام الكويكبات الذي نراه.
لكن ماذا عن حزام كويبر؟
هناك العديد من الفرضيات بشأن نبتون وأورانوس، حيث أن بعض الفرضيات ترجح حدوث تبادل في الأماكن بين هذين الكوكبين، إذ أدى هذا التبادل وحركة الجذب والتنافر إلى فقدان البعض من كتلتهما، مما كون حزام كويبر.
الخلاصة
في الواقع هناك العديد من الفرضيات التي لا سبيل لنا للتأكد منها بشأن قصة مجموعتنا الشمسية، وفقاً لما نمتلكه من أدوات البحث العلمي الحالية، لكن مما لا ريب فيه أن العلم كل يوم يصير متأكدًا أكثر من بعض الأمور، فلا سبيل لمعرفة الحقيقة أفضل من العلم.
من كورس ل Coursera مقدم من «جامعة أمستردام-Amsterdam
ما هي إيجابيات وسلبيات تقنية النانو؟ تُعرف تقنية النانو بأنها العلم الذي يهتم بدراسة المادة على المقياس النانوميتري والذي يتراوح من 1 إلى 100 نانومتر. يستغل العلماء تقنية النانو لدراسة وتطبيق أشياء متناهية في الصغر ويمكن استخدامها في جميع مجالات العلوم الأخرى، مثل الكيمياء والبيولوجيا والفيزياء وعلوم المواد والهندسة. إن فكرة تقنية النانو ليست حديث النشأة إذ يُعتقد أن أول تطبيق لتقنية النانو يعود للقرن الرابع الميلادي لكأس الملك الروماني «لايكورجوس-Lycurgus» الموجودة في المتحف البريطاني. يحتوي هذا الكأس على جسيمات ذهب وفضة نانوية، حيث يتغير لون الكأس من الأخضر إلى الأحمر عندما يوضع فيه مصدر ضوئي. اكتسب الكأس اسمه من حقيقة أنه يحتوي على مشاهد تمثل وفاة الملك ليكورجوس وذلك وفقًا للأسطورة اليونانية والرومانية، حيث حاول الملك ليكورجوس قتل “أمبروسيا” – أحد أتباع الإله ديونيسوس-. وفقًا لهذه النسخة من الأسطورة، حُول أمبروسيا إلى نبيذ من قبل الآلهة التي التفت حول الملك لايكورجوس وضيقت الخناق عليه حتى الموت ويظهر ديونيسوس أيضًا على فنجان الكأس مع تابِعين يسخران من الملك الهالك. ولكن بعيدًا عن الحكايات الأسطورية، متى ظهرت البدايات الفعلية لتقنية النانو؟
كأس الملك الروماني «لايكورجوس-Lycurgus»
“هنالك مُتسعٌ كبيرٌ في القاع“
بدأت الأفكار والمفاهيم الحديثة لتقنية النانو في محاظرة للفيزيائي الشهير ريتشارد فاينمان بعنوان ” هنالك مُتسعٌ كبيرٌ في القاع”” وذلك في اجتماع الجمعية الفيزيائية الأمريكية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا «CalTech» في التاسع والعشرين من ديسمبر عام 1959، وذلك قبل فترة طويلة من ظهور مصطلح تقنية النانو. في محاضرته، وصف فاينمان عملية يمكن للعلماء من خلالها التحكم في الذرات والجزيئات الفردية والتلاعب فيها. بعد أكثر من عقد من الزمان، صاغ البروفيسور “نوريو تانيجوتشي” مصطلح تقنية النانو أثناء استكشافاته للآلات فائقة الدقة . وفي عام 1981، ومع تطوير مجهر المسح النفقي الذي يمكنه “رؤية” الذرات الفردية، بدأت تقنية النانو الحديثة بالظهور.
العالم ريتشارد فاينمان اثناء إحدى محاضراته
المفاهيم الأساسية في علم النانو وتقنية النانو
من الصعب تخيل مدى صغر حجم تقنية النانو. النانومتر الواحد هو جزء من المليار من المتر ، أو 10^-9 من المتر. فيما يلي بعض الأمثلة التوضيحية: هناك 25400000 نانومتر في البوصة ويبلغ سمك ورقة صحيفة الأخبار حوالي 100000 نانومتر! وعلى سبيل المقارنة، إذا كانت قطعة الرخام بحجم واحد نانومتر، عندئذٍ سيكون حجم الكرة الأرضية واجد متر فقط!. يتضمن علم النانو وتكنولوجيا النانو القدرة على رؤية الذرات والجزيئات الفردية والتحكم فيها. يتكون كل شيء على الأرض من الذرات كالطعام الذي نأكله والملابس التي نرتديها والمباني والمنازل التي نعيش فيها وحتى أجسادنا تتكون من ذرات. ولكن شيئًا متناهيًا في الصغر مثل الذرة يستحيل رؤيته بالعين المجردة. في الواقع، من المستحيل رؤيته باستخدام المجاهر المستخدمة عادةً في فصول العلوم بالمدرسة الثانوية.
اُخترعت المجاهر اللازمة لرؤية الأشياء بالمقياس النانوي مؤخرًا نسبيًا أي منذ حوالي 30 عامًا وبمجرد حصول العلماء على الأدوات المناسبة، مثل مجهر المسح النفقي (STM) ومجهر القوة الذرية (AFM)، بزغ عصر تقنية النانو الحديثة. على الرغم من أن تقنية النانو الحديثة بدأت في الآونة الأخيرة، إلا أن المواد النانوية قد استخدمت لعدة قرون، إذ تُكوّن جزيئات الذهب والفضة ذات الحجم البديل ألوانًا في نوافذ الزجاج الملون في كنائس العصور الوسطى منذ مئات السنين. لم يكن الفنانون في ذلك الوقت يعرفون أن العملية التي استخدموها لإنشاء هذه الأعمال الفنية الجميلة أدت بالفعل إلى تغييرات في تكوين المواد التي كانوا يعملون بها. يجد العلماء والمهندسون اليوم مجموعة متنوعة من الطرق لصنع المواد على المقياس النانوي للاستفادة من خصائصها المعززة مثل القوة العالية والوزن الخفيف والتحكم المتزايد في طيف الضوء والتفاعل الكيميائي الأكبر من نظرائهم على نطاق واسع.
ما هي إيجابيات وسلبيات تقنية النانو؟
تظهر تطبيقات تقنيات النانو جليًا في مجالات العلوم الطبيعية والتطبيقية ففي مجال علم المواد توفر الإضافات النانوية أو المعالجات السطحية للأقمشة مقاومة للتجاعيد والتلطيخ ونمو البكتيريا عليها. كما يمكن للأفلام النانوية الشفافة الموجودة على النظارات وشاشات الكمبيوتر والكاميرا والنوافذ والأسطح الأخرى أن تجعلها طاردة للماء والبقايا ومضادة للانعكاس وتنظف ذاتيًا ومقاومة للأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة تحت الحمراء وتجعلها مضادة للضربات الميكروبات كما تعززمقاومتها للخدش أو تزيد من توصيل بعض المواد للكهرباء.
أيضًا ساهمت تقنية النانو بشكل كبير في التقدم الكبير في الحوسبة والإلكترونيات مما أدى إلى أنظمة أسرع وأصغر وأكثر قابلية للنقل يمكنها إدارة وتخزين كميات أكبر وأكبر من المعلومات فعلى سبيل المثال، أصبحت الترانزستورات -وهي المفاتيح الأساسية التي تمكن كل الحوسبة الحديثة- أصغر بشكل لا يصدق من خلال تقنية النانو ففي مطلع القرن الحالي، كان حجم الترانزستور النموذجي من 130 إلى 250 نانومتر وفي عام 2014، طورت شركة “Intel” ترانزستورًا بحجم 14 نانومترًا، ثم أنشأت شركة “IBM” أول ترانزستور بحجم سبعة نانومتر في عام 2015، ثم طور مختبر لورانس بيركلي الوطني ترانزستور بحجم واحد نانومتر فقط عام 2016!
أما في المجال الطبي، فتستخدم الجسيمات النانوية في توصيل الأدوية إلى أجزاء معينة داخل جزء الإنسان وتستعمل أيضا في صناعة أجهزة اختبار الحمل وأيضًا تستخدم الجسيمات النانوية في تدمير الخلايا السرطانية وغيرها. في خضم هذه التطبيقات الجمة يطرأ السؤال التالي: هل هناك مخاوف أو تهديدات للسلامة والصحة جراء استخدام تقنيات النانو؟
يقول مؤيدو تقنية النانو إنها ستحدث ثورة في الزراعة وأنظمة الغذاء العالمية وذلك مع استكشاف التطبيقات التي يمكن أن تقلل من الهدر وتجعل الطعام أكثر أمانًا وتساعد في إنشاء “محاصيل فائقة الجودة” في محاولة لتفادى التسمية المثيرة للجدل للأطعمة المعدلة وراثيًا (الأطعمة المعدلة وراثيًا). إذا نجحت، فقد تساعد في التغلب على ضعف المحاصيل وسوء التغذية ولكن لا تزال هناك تحديات كبيرة تحيط بتقنية النانو.
يعتبر علم تكنولوجيا النانو متطورًا، ولكنه بسيط بما يكفي ليكون في متناول الجميع على مستوى العالم لذلك ليس من المستغرب أن العديد من البلدان النامية قد شرعت بالفعل في تسويق التكنولوجيا. لكن ازدهار هذه التكنولوجيا الجديدة نسبيًا يثير أيضًا مخاوف بشأن سلامتها على المدى الطويل لصحة الإنسان والبيئة، حيث يدعو العديد من العلماء إلى تنظيم ورقابة أفضل وأكثر تنسيقًا دوليًا للاستخدامات المتكاثرة للجسيمات النانوية.
الجدير بالذكر أن الدول النامية قد استيعدت من المحادثات المتعلقة بتنظيم تقنيات النانو ولا تزال هناك حاجة إلى تنظيم أفضل للتقنية على المستويين الوطني والعالمي لضمان تلبية التكنولوجيا لاحتياجات الفقراء بأقل قدر من المخاطر على الناس. إذن، ما هي أحدث الأفكار في استخدام تقنية النانو في الأمن الغذائي ، وماذا يمكن أن تفعل، وما هي مخاوف السلامة المحيطة بها؟ يشير مصطلح تقنية النانو عمومًا إلى أي استخدام للجسيمات النانوية (بين 1 و 100 نانومتر) ويمنحها حجمها الصغير خصائص غير عادية يمكن أن تؤثر على ملمس الأطعمة ومظهرها ونكهتها وهي تُستخدم بالفعل كإضافات غذائية.
كما يجري العمل على استكشاف منتجات جديدة تحتوي على هذه الجسيمات لصنع عبوات قابلة للتحلل وتحسين مدة الصلاحية ومنع التسمم الغذائي والنفايات. فعلى سبيل المثال، قد تخبرك مستشعرات النانو الموجودة في تغليف المواد الغذائية قريبًا ما إذا كان الطعام قد تعرض لأشعة الشمس وبالتالي تدهورت جودته. يخطط بعض العلماء لاستخدامه لتحسين التغذية حيث يدرسون استخدام مستحلبات النانو – الزيت في مخاليط الماء ذات القطرات الصغيرة – كسواغات (الأطعمة التي تعمل على تحسين النشاط الحيوي للأطعمة التي يتم تناولها معهم). يمكن أن يزيد ذلك من تناولنا للمغذيات من الفاكهة والخضروات – وهو استخدام واعد بشكل خاص في معالجة سوء التغذية ونقص المغذيات الدقيقة.
يدرس العلماء حاليًا استخدام المواد النانوية لتحسين توصيل الأسمدة ومبيدات الآفات وإنتاج محاصيل لا يمكن اعتبارها معدلة وراثيًا بالمعنى الحرفي ويستكشف فريق Landry استخدام الأنابيب النانوية الكربونية لتغيير جينات النبات دون إدخال الحمض النووي الغريب في جينوم النبات نفسه ، مما قد يؤدي إلى محاصيل معدلة جينيًا لا تعتبر معدلة وراثيًا. بالنظر إلى المعارضة الشعبية الكبيرة والمستمرة للمحاصيل المعدلة وراثيًا في الدول النامية، يمكن أن يكون هذا النهج طريقة أكثر قبولًا لتقديم فوائد مثل مقاومة الجفاف أو الفيضانات. أظهر الفريق مؤخرًا أنه يمكن استخدام الأنابيب النانوية الكربونية لتوصيل آلية تعديل الجينات المعروفة باسم CRISPR / Cas9 داخل خلايا النبات – من خلال جدار الخلية والغشاء – وهو أمر يصعب القيام به. يسمح التعديل الجيني بعد ذلك بالتحسين الجيني الدقيق لإنشاء محاصيل مقاومة لمبيدات الأعشاب والحشرات والأمراض والجفاف ولديها القدرة على إنتاج محاصيل أفضل دون هذا النوع من المخاوف العامة المحيطة بالتعديل الوراثي.
مخاوف الصحة والسلامة
لكن في مواجهة هذه المسيرة التكنولوجية، أظهر البعض مخاوفهم بشكل متزايد بخصوص الافتقار إلى دراسات طويلة الأمد حول تأثير المواد النانوية على صحة الإنسان والبيئة. تقول “ماتيلد ديتشيفري”، رئيسة قسم المعلومات في Avicenn :
“الشفافية واليقظة تجاه المخاطر محدودة للغاية وما زلنا في الظلام. لا أحد يعرف ما إذا كانت آمنة وكيف تكون آمنة على المدى الطويل نظرًا لأن معظم أبحاث السلامة قد أجريت في المختبر أو على الخلايا أو الفئران وفي أماكن غير واقعية”
وتضيف الباحثة “زهرة راتراي” من جامعة “ستراثكلايد” في اسكتلندا: “لقد عملت في مشاريع كان فيها ضرر واضح ، وقمت أيضًا بمراجعة بعض المنشورات الحديثة التي لم تُنشر بعد وكان هناك دليل واضح من عملهم على وجود كان تأثيرًا سامًا لهذه الجسيمات “. خلصت مراجعة أجريت عام 2017 لسلامة الجسيمات النانوية في الغذاء إلى أن بعضها قد يكون له “تأثير ضار” وأن الاختبارات الأفضل لهذه التأثيرات كانت “مطلوبة بشكل عاجل”. تشمل الآثار الضارة المحتملة ترشيح جزيئات الفضة النانوية المستخدمة في تغليف الأطعمة ، والتي يمكن أن تقتل البكتيريا الغير ضارة في الأمعاء. مثال آخر هو ثاني أكسيد التيتانيوم، “TiO2 “، المعروف أيضًا باسم “E171” ويستخدم كمبيض للطعام ، والذي ثبت أنه يتراكم في أنسجة الفئران وله تأثيرات سامة عند جرعات معينة. ومع ذلك ، فقد وجدت دراسات أخرى أنها ليست سامة وأن الصناعة التي تجعل المواد تزعم أنها آمنة. لا تزال هناك حالة من عدم اليقين ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن تأثيرات الجسيمات النانوية تعتمد على مجموعة واسعة من العوامل المعقدة والمتشابكة بما في ذلك حجمها وهيكلها وطلائها وجرعاتها، بالإضافة إلى ما تستهلكه.
لم تتوقف السماء عن سحرنا يومًا، حتى أننا نجد القمر، والنجوم مذكورين في كثير من أغانينا، فالسماء بنجومها كانت وما زالت مصدر إلهام لنا نحن البشر، لكن ما هي النجوم وكيف تتكون؟ ولماذا يهتم العلماء بدراسة النجوم؟
أكثر النجوم في كوننا هي نجوم صغيرة ذات كتلة قليلة، بحجم شمسنا أو أصغر، وهي أبرد بكثير من يا النجوم، لذا فلونها أحمر وتُدعى بال «أقزام حمراء-Red dwarfs»، ولكنها ليست مشوقة للحد الكافي، فنحن نتحدث هنا عن النجوم العملاقة، التي هي أكبر من شمسنا على الأقل ب 8 مرات، وقد تسطع أكثر بمليون مرة من سطوع الشمس!
تعيش هذه النجوم حياة مغايرة تمامًا لحياة شمسنا، ففي نهاية حياتها تنفجر في إنفجار خلاب مهيب يدعى بال«سوبرنوفا-Supernova»، تاركة خلفها لوحة جميلة من أجمل وأبهى الألوان، مثل التي نراها في السدم التي يعج كوننا بها، كما لعبت هذه النجوم دورًا حيويًا في تشكيل كوننا بشكله الحالي، فبعد الانفجار العظيم بفترة وجيزة، لم يكن هناك أي مصدر للضوء، كان الظلام والصمت يخيمان على كوننا بأسره، فيما يعرف باسم «العصور الكونية المظلمة-Cosmic dark ages»، ولكن بعد حوالي 100 مليون سنة، تكونت هذه النجوم العملاقة، التي عاشت حياة قصيرة، ثم انفجرت في حدث السوبرنوفا العظيم، وتوالت الأجيال النجمية، جيلًا بعد جيل بمرور الزمن، وأثناء فترة حياة تلك النجوم كان إشعاعها ورياحها النجمي يزيدان من حرارة الغازات من حولهم، مؤديين إلى حدوث عملية «التأين-Ionization»، محدثة ثقوبًا وفقاعات في تلك الغازات من حولها، وعلى مدار الوقت، تقوم تلك النجوم بتغيير شكل المجرات التي تحتويهم، مؤدية إلى شكل كوننا الحالي الذي نعيش فيه.
لماذا يهتم العلماء بدراسة النجوم من الأساس؟
أحد أكثر الأشياء إثارة للدهشة في كوننا هو التنوع الكبير للعناصر، تلك العناصر التي نحن وكل ما حولنا مصنوعون منها، ومن أمثلة هذه العناصر هو عنصر الأوكسجين الذي نتنفسه، وأيضًا عنصر الكربون، الذي هو حجر الأساس لجميع المركبات العضوية، ويلعب دورًا محوريًا في تكوين أنسجتنا وعضلاتنا، كذلك عنصر الكالسيوم، الموجود في أسناننا وعظامنا، وكذلك عنصر الحديد الذي يجري في دمنا.
على الرغم من ذلك التنوع، فالعناصر التي كانت موجودة بعد الانفجار العظيم هي الهيدروجين، والهيليوم، وقليل من الليثيوم، إذا من أين أتت كل تلك العناصر؟
يعتقد المجتمع العلمي أن الفضل في ذلك يرجع إلى النجوم، ولكن كيف ذلك؟
كيف تُشكّل النجوم العناصر؟
يبدأ الأمر بقوة الجاذبية، حيث تضغط الجاذبية الغازات سويًا، مؤدية إلى زيادة حرارتها، حتى تصل درجة الحرارة في المركز إلى ما يزيد عن المليون درجة، هذه الدرجة عالية بما يكفي للسماح بعملية الاندماج النووي، حيث تندمج ذرتان من ذرات الهيدروجين لتكوين ذرة من الهيليوم، ولكن هذا في النجوم التي هي بحجم شمسنا أو أكبر قليلًا، حيث أن النجوم العملاقة لا تتوقف عند هذا الحد، وإنما تستمر بدمج ذرات الهيليوم لتكوين الكربون والأوكسجين.
إذا كان النجم كبيرًا كفاية، فإنه سيستمر في دمج العناصر وصولًا إلى عنصر الحديد، ومن ثم تنفجر تلك النجوم العملاقة، في مشهد مهيب، مطلقة ما بجعبتها من مادة إلى الفضاء الشاسع، مضيفة عناصر جديدة إلى جدولنا الدوري.
يبدو غريبًا أليس كذلك؟ فالأوكسجين الذي تتنفسه بينما تقرأ هذا المقال الآن مصنوع في نواة أحد النجوم كتلك التي تراها في سماء الليل، أضف إلى ذلك أنك أنت نفسك تتكون من ذرات صنعت في نواة أحد النجوم أيضًا!
إنه لشيء مبهر بحق، ولا يسعنا إلا أن نقول أكثر من قول عالم الفيزياء الفلكية الشهير «كارل ساجان-Carl Sagan»: “أنت مصنوع من غبار النجوم”.
تاريخ الفيزياء الكلاسيكية، من هو نيكولاس كوبرنيكوس؟ وما علاقته بنظرية مركزية الشمس؟
بدايات نيكولاس كوبرنيكوس
ولد نيكولاس في 19 فبراير1473 في مدينة ثورن في بولندا. كان والده تاجراً ومسؤولاً محلياً، وما أن بلغ نيكولاس العاشرة من العمر حتى توفي والده، فرعاه عمه الذي كان أسقف في الكنيسة الكاثوليكية.
ضمن العم حصول كوبرنيكوس على تعليم جيد وفي عام 1496م سافر كوبرنيكوس إلى إيطاليا لدراسة القانون وفي عام 1503م عاد إلى بولندا، وعمل كسكرتير خاص لعمه لمدة سبع سنين. توفي العم في عام 1512م، وانتقل كوبرنيكوس إلى مدينة فراونبيرج، وعمل في منصب إداري في الكنيسة على الرغم من دراسته للقانون إلا أنه كان مولعاً بعلم الرياضيات والفلك.
لمعان كوبرنيكوس
في عام 1530 وضع كوبرنيكوس نظريته التي استطاعت أن تنسف المبادئ التي بني عليها علم الفلك الكلاسيكي، حيث افترض أرسطو أن الأرض هي مركز الكون وأن النجوم والكواكب تدور حولها، مستنداً بذلك بقوله أن الأرض لا يبدو أنها تتحرك من منظور المراقب الموجود على الأرض، وأنها تتسم بالصلابة والاستقرار وعدم الحركة، وبمعنى آخر أنها مستقرة بشكل تام.
يمكن تبسيط الفكرة السابقة بقولنا أنه لا يمكن لأي شخص متواجد على سطح الأرض أن يشعر بحركتها، ومن هذا المنطلق افترض أرسطو أن الأرض ثابتة وأن النجوم والكواكب تدور حولها.
العالم نيكولاس كوبرنيكوس
بقيت هذه الفرضية سائدة لعصور عديدة، إلى أن تبنى كوبرنيكوس الفكرة القائلة بأن الأرض تدور دورة واحدة يومياً حول محورها، وسنوياً حول الشمس. وتحدى الفكرة السائدة آنذاك والتي تنص على أن الأرض هي مركز الكون، وأن كافة الأجرام والكواكب تدور حولها.
صراع مع الكنيسة
لكن فكرة كوبرنيكوس هذه لم تبصر النور إلا بعد وفاته، لأن كوبرنيكوس كان على يقين ودراية تامة بأنه سيتهم بالهرطقة في حال نشرت ورقته البحثية هذه. وعلى الرغم من أن الكنيسة آنذاك حاولت وبشدة قمع كافة الحجج المتعلقة بصحة نظرية كوبرنيكوس، إلا أن جل محاولاتها باءت بالفشل.
أضحت نظرية كوبرنيكوس بمثابة الشرارة التي انطلقت منها بدايات علم الفلك الحديث، تبنى غاليليو نظرية كوبرنيكوس واستطاع إثبات صحتها وذلك باستخدام التلسكوب. تبنى كبلر نظرية كوبرنيكوس أيضاً واستطاع إثباتها عن طريق عمليات حسابية معقدة وعديدة ليتوصل في نهاية المطاف إلى ثلاث نقاط رئيسة وهي ما يعرف باسم (قوانين كبلر لحركة الكواكب).
وبعد قرن جاء نيوتن وأزال ما تبقى من شكوك حول صحة نظرية كوبرنيكوس، باستخدام معادلات رياضية عرفت باسم قانون (التربيعي العكسي). استطاعت نظرية كوبرنيكوس تفسير العديد من الظواهر الكونية كتعاقب الفصول الأربعة.
توفي كوبرنيكوس في عام 1543م عن عمر يناهز السبعين عاماً تاركاً خلفه أفكاراً ونظريات لاتزال قائمةً إلى يومنا هذا.
كوننا محكوم بأربع قوى فيزيائية، فكل ما نراه في حياتنا من أحداث يمكن الحكم عليه من خلال التفاعل بين هذه القوة الأربعة، إذًا ما هي القوى التي تحكم الكون؟
1- «القوة الكهرومغناطيسية-Electromagnetic force»
القوة الكهرومغناطيسية هي القوة التي تسبب الترابط بين الجسيمات ذات الشحنة الموجبة، ونظيراتها ذات الشحنة السالبة، إذ أنها هي السبب في تجاذب الالكترونات والبروتونات، كما أن لكل قوة من بين هذه القوة الأربعة جسيمًا ليحملها، فعلى سبيل المثال لا الحصر، الجسيم الذي يحمل القوة الكهرومغناطيسية هو الفوتون، وهو جسيم يسير بسرعة الضوء إذ أنه منعدم الكتلة، لكنه مليء بالطاقة، فتقوم الالكترونات بتبادل الفوتونات بينها وبين البروتونات للحفاظ على ترابطهم في الذرة، يمكنك تصور الأمر على أنه مباراة كرة قدم، فالجزيئات هي اللاعبون، بينما التفاعل بينهم محكوم بحركة الكرة فيما بينهم.
2- «القوة النووية القوية-Strong nuclear force»
وهي القوة التي تسبب الترابط بين البروتونات وبعضها البعض داخل نواة الذرة، لتشكيل العناصر الثقيلة، إذ أن البروتونات ذات شحنة موجبة إلا أنها لا تزال متجاذبة ومتحدة في نواة الذرة، بسبب القوة النووية القوية، كما أنها أيضًا هي السبب في ترابط الكواركات داخل البروتونات، والجسيم الحامل لهذه القوة هو «الجلون-gluon»، فتقوم الكواركات بتبادل الجلونات فيما بينها، لتحافظ على ترابطها داخل البروتونات.
3- «القوة النووية الضعيفة-weak nuclear force»
تتسبب هذه القوة فيما يعرف بالتحلل الإشعاعي، مثل «إشعاع بيتا-Beta radiation»، وهذه القوة ليست ذات جسيم حامل واحد، ولكن ثلاثة جسيمات حاملة لها وهم W plus, W minus, Z boson، وهم يختلفون عن الفوتونات والجلونات في أمر الكتلة، فالفوتونات والجلونات منعدمة الكتلة، لكن هذه الجسيمات لها كتلة.
4- «الجاذبية-Gravity»
ما نتحدث عنه هنا هو ما يعرف ب «النموذج المعياري- Standard model»، وهو ما طوره الفيزيائيون في أوائل ستينيات القرن الماضي، ومن أشهر هؤلاء الفيزيائيون هو «فيلتمان-Veltman»، لكن نموذج فيلتمان حوى بعض الأخطاء القاتلة، إذ نصت نظريته بتنبؤات سخيفة، كما أن نموذج فيلتمان لا يكون صحيحًا إلا إذا كانت الجزيئات منعدمة الكتلة، لكنها إن كانت كذلك لطارت في الفراغ بسرعة الضوء، ولحل هذا الإشكال، صاغ «بيتر هيجز-Peter higgs» معادلاته، لوصف ما سُمّي بعد ذلك ب «حقل هيجز-higgs field»، إذ أخبر هيجز بأن كتلة الجسيمات لا تأتي من داخلها، وإنما هناك حقل غير مرئي، تتفاعل الجسيمات معه أثناء حركتها، فيُبطئ من حركتها، على سبيل المثال، إذا وجدنا جسيمًا ثقيلًا، فهذا يعني أنه يتفاعل بشدة مع حقل هيجز، وليس أن كتلة الجسيم نتيجة لتركز المادة بداخله.
إذًا فالأمر بسيط الآن، علينا فقط أن نجد جسيم هيجز، وعندها سيكون هذا دليلًا على وجود حقل هيجز، وقد حدث بالفعل، فقد وجد الفيزيائيون «بوزون هيجز-Higgs boson» عام 2012، وهذا هو ما يعطي الجسيمات كتلتها.
مما لا يشك فيه عاقل هو وجود الجاذبية وتأثيرها فيما حولنا، فهي التي تسببت بسقوط التفاحة، وهطول الأمطار، وترابط الأرض والقمر، ودوران الأرض حول الشمس، والكثير والكثير من الأشياء الأخرى، لكن الفيزيائيون لا يعرفون جسيمًا ليحمل هذه القوة، إذ أنها قوة كبيرة لتكون محمولة بجسيم واحد، ولكن مما لا شك فيه كذلك أنهم منهمكون في البحث عن هذا الجسيم بحثًا عن فهم أفضل عن ماهية القوى التي تحكم الكون.
من كورس ل Coursera مقدم من «جامعة أمستردام-Amsterdam university».
سلسلة التاريخ الكبير: مم يتكون الكون؟ لطالما سحرنا الكون بغموضه، لكن في القرن الماضي، تمكن العلماء من إزالة بعض من الغموض الذي يحيط بالكون، كما اكتشفنا بعض الأمور المثيرة، على سبيل المثال علمنا أن الفراغ ليس عدمًا كاملًا، ولكنه يحوي «تقلبات كمومية-Quantum fluctuations» تُنشئ جزيئات ومضاداتها، ليتحد الجزيء و مضاده ليعودوا كما كانوا فراغًا، ولكن هذا الاكتشاف المثير قد يدفعك للتساؤل عن ماهية المادة من الأساس، في الواقع، نحن نعرف الكثير، دعونا نناقش في سلسلة التاريخ الكبير: مم يتكون الكون؟
1- الالكترونات
كما نعلم جميعا تدور الالكترونات حول نوى الذرات بسرعة تقارب سرعة الضوء، وهذا لا يسمح لنا بقياس سرعته و تحديد مكانه في نفس اللحظة، تقف قوانيننا عاجزة أمام هذا الجزيء الصغير ذو الشحنة السالبة.
2- «الكواركات-Quarks»
تحتوي نواة الذرة على البروتونات والنيوترونات، واللذان بدورهما يوجد بداخلهما جزيء أصغر، يدعى بالكوارك، وحجم الكوارك أصغر من حجم البروتون بألف مرة، إذ أن كل بروتون يحتوي على ثلاث كوراكات، وكل نيوترون يحتوي على ثلاثة أيضًا، كما أن للكواركات أنواع مثل : «الكوارك العلوي-Up quark»، «الكوارك السفلي-Down quark»، وغيرهم، إلا أن هذان النوعان هما ما يكوّنان المادة التي في كوننا، و يحتوي البروتون على كواركان علويان وكوارك سفلي، بينما يحتوي النيوترون على كواركان سفليان وكوارك علوي.
3- «الالكترون نيوترينو-Electron neutrino»
ليس مكونًا من مكونات الذرة، لكنه يغمر كوننا بجسيماته طوال الوقت، جسيماته القادرة على اختراق كل شيء دون أن نشعر بها، إذ أن في الثانية الواحدة يخترق مئة بليون من هذا الجسيم إبهامك! لا تزال خصائص النيوترينو مجهولة لدى المجتمع العلمي، كما أننا لا نعرف أي دور يلعب في بناء كوننا، ربما نجيب عن هذه الأسئلة في المستقبل القريب.
4- «المادة المضادة-Antimatter»
كانت المادة المضادة افتراضًا تنبأت به معادلات العالم «بول ديراك-Paul Dirac» في عام 1926، إلا أننا استطعنا إنتاجها في المعامل، كما رصدناها في التقلبات الكمومية، إذ أن الالكترون له جسيم مضاد بشحنة موجبة ويدعى بال «بوزيترون-Positron»، كما أن للبروتون جسيمًا مضادًا كذلك، ويدعى بال «البروتون المضاد-Antiproton»، فلكل جسيم من جسيمات المادة جسيمًا مقابلًا من جسيمات المادة المضادة.
عندما يلتقي جزيء بنظيره من المادة المضادة، يتحدان سويًا ليفنيا ويتحولا إلى طاقة وفقًا لمعادلة ألبرت أينشتاين الشهيرة E=MC^2، التي تنص على أن المادة والطاقة ما هما إلا وجهان لعملة واحدة، وهذه بالضبط هي فكرة «المسرعات الجزيئية-Particle Accelerators»، حيث يقوم الفيزيائيون بتسريع الجسيمات لتصطدم ببعضها منتجةً طاقة هائلة، وبحسب كمية الطاقة تنشأ جسيمات جديدة، إذ اكتشفنا نوعًا أثقل من الكواركات، وهو «الكوارك القمي-Top quark»، ونوعا أثقل من الالكترونات، وهي «الميونات-Muons»، ونوعا أثقل من النيوترونات، وهي ال «ميون نيوترينو-Muon neutrino»، وكل هذا عن طريق مصادمة الجزيئات ببعضها البعض، لتنتج طاقة، ومن ثم تتركز هذه الطاقة لتتحول إلى جسيمات جديدة.
ولكن لماذا لا نجد المادة المضادة بوفرة في الطبيعة مثل المادة؟ ولماذا هذه الجسيمات بالتحديد؟ وهل توجد جسيمات أخرى؟
كل هذه أسئلة لا نعرف لها إجابة في الوقت الحالي، لكن لربما كنت أنت أيضًا المجيب عليها، والفائز القادم بجائزة نوبل في الفيزياء.
بعد أن أعددت مشروبك المفضل في سلام، وجلست في شرفة بيتك الهادئة بعد منتصف الليل، تنظر إلى السماء بعجب، فإذا القمر يتوسط المشهد بنوره الفضي الساحر، محاطًا بمجموعة بالكثير والكثير من النجوم، ووسط هذا الجو الشاعري الجميل تتساءل: “كيف بدأ كل هذا؟”.
الحقيقة أننا نعرف كيف بدأ كوننا الجميل، لقد بدأ بداية عنيفة، بدأ ب «انفجار عظيم-Big bang»، ولكن كيف نعرف هذا؟ وما هي الأدلة على هذا الادعاء؟ تابع معنا سلسلة التاريخ الكبير ج١: الانفجار العظيم
1- توسع الكون
بدأ الأمر في بدايات القرن العشرين حينما وجه العلماء تليسكوباتهم نحو السماء، كان الاعتقاد السائد آنذاك أن الكون هو عبارة عن تجمع نجمي يحوي جوالي 400 بليون نجم، له أربعة أذرع، ويدعى ب«مجرة درب التبانة-Milky way galaxy»، لكن هؤلاء العلماء اكتشفوا اكتشافًا قد مثل ثورة علمية في ذلك الوقت، اكتشفوا أن مجرتنا ليست وحيدة!
بل أن هناك العديد من المجرات الأخرى، لم تكن تلك المجرات موجودة فقط، بل أنها كانت تبتعد عنّا، وأنه كلما كانت المجرة أبعد، كلما تحركت أسرع، فيما يعرف باسم «قانون هابل-Hubble’s law» نسبةً إلى العالم «إدوين هابل-Edwin Hubble».
لذا فإن كانت المجرات تبتعد عنا، فهي غدًا ستكون أبعد، كما أنها كانت أقرب إلينا في البارحة، فلنرجع الشريط إذًا للخلف، وسنرى أن المجرات تصبح أقرب مع التراجع في الزمن أكثر وأكثر، حتى يصبح الكون كله كتلة غازية ساخنة.
ومع بعض الحسابات يمكننا حساب عُمر كوننا، وبالفعل أطلق العلماء لأياديهم العنان لصياغة حسابات رياضية لحساب عمر الكون، ألا وهو 13.8 بليون سنة.
في بدايات الكون، كانت درجة الحرارة عالية جدا، عالية بشكل لا يسمح للنجوم أو المجرات أو الكواكب بالتكون، بل حتى أنها لا تسمح بوجود الذرات نفسها!
كانت الغازات ساخنة للغاية حتى بدأت في عملية «التأين-Ionizing»، كانت كل المادة في الكون منصهرة في حساء كوني من البلازما، حيث تندمج نوى الذرات، وتخرج الالكترونات عن مساراتها، والبلازما تنتج الكثير من الضوء والاشعاع لكنها تحتبسهم بداخلها، ولكن بعد أن أتم الكون 300 ألف سنة من عمره، هبطت درجة حرارته إلى 3000 درجة نتيجة للتوسع، رغم أنها درجة عالية نسبيًا، إلا أنها تسمح بتكون الذرات، لذا أصبح هناك مجال للإشعاع بأن يتحرك بحُرية أكثر، وكلما زاد عمر الكون كلما زاد الطول الموجي لهذا الإشعاع، فأصبحت هذه الموجات كانت موجات ميكروويف.
ثم رصدها العلماء وكونوا صورة لخلفية كوننا الميكرووية، فقد رصدوا إشعاعًا قادمًا من أولى سنوات الكون، فهذا أيضًا دليل على أن لكوننا بداية.
3- نسبة الهيليوم:
في نواة شمسنا الدافئة، تؤدي قوى الجاذبية الشمسية إلى التحام نوى ذرات الهيدروجين، حيث تتحد ذرتا هيدروجين لتكوين ذرة هيليوم واحدة، وهذا ما يحدث في النجوم فيما يعرف بعملية «الاندماج النووي-Nuclear fusion»، فإذا قمنا ببعض الحسابات استنادًا إلى عمر الكون، وإلى قوانيننا الفيزيائية المعروفة، فنستطيع التنبؤ بأن في ظروف كهذه، ستكون نسبة الهيليوم في يومنا هذا هي 1:10 من المادة الموجودة في الكون، ثم نأتي على أرض الواقع لنقيس نسبة الهيليوم وتكون المفاجأة، نسبة الهيليوم مطابقة لحساباتنا في ظروف كون بانفجار عظيم!
وهذا أيضًا يعتبر دليلًا قويًا على صحة نظرية الانفجار العظيم. لكن قد يسأل سائل: “هل نعلم كل شيء عن الكون الآن؟”
و الإجابة هي: “لا وبكل تأكيد”
إذ أن كل ما نعلمه عن كوننا كميًا هو 5% فقط من الكون. كل المادة التي نحن مصنوعون منها نحن والنجوم، لا تحظى إلا بنصيب 5% فقط من الكون.
فنحن لا نعلم ما يجعل المجرات متماسكة بهذا الشكل، فأطلقنا عليها اسم «المادة المظلمة-Dark matter»، كما أننا لا نعرف طبيعة القوة التي تتسبب في توسع الكون من الأساس، ونسميها «الطاقة المظلمة-Dark energy»، كما أننا أيضًا لا نعرف ما تسبب ببداية الكون، لا نعلم ما هو سبب الانفجار العظيم، إذ أن الكون كان كثيفًا وساخنًا للغاية بدرجة لا تسمح لقوانيننا الفيزيائية المعهودة بالعمل.
فهناك الكثير والكثير الذي لا نعلمه عن الكون وعنّا، في الواقع نحن نجهل عن الكون أكثر مما نعلم، وكما ترى عزيزي القارئ، هناك الكثير من جوائز نوبل في انتظار من يجيب عن هذه الأسئلة، ومن يدري؟ أليس من الممكن أن يكون أنت من يفعل؟
أربعة عقود من التعرض للمواد المشعة أودت بحياة العالمة ماري كوري، ولكن بالمقابل منحت الحياة لملايين المرضى ممن أصيبوا بالسرطان، وبذلك أصبحت أول امرأة تفوز بجائزة نوبل، وأول من يحصل عليها مرتين في مجالين مختلفين.
سنتعرف في هذا المقال على العالمة ماري كوري وأهم اكتشافاتها.
ماريا سكلودوفسكا
ولدت ماريا في وارسو في بولندا عام 1867، كانت ابنة مدرس فيزياء، وكانت طالبة موهوبة، انتقلت في عام 1891 للدراسة في السوربون في باريس. مع أعلى درجات الشرف، حصلت ماري على شهادة في العلوم الفيزيائية عام 1893 وفي الرياضيات عام 1894، وفي ذلك العام التقت بيير كوري، الفيزيائي والكيميائي الفرنسي الشهير الذي قام بعمل مهم في المغناطيسية، تزوجا ماري وبيير في عام 1895، إيذانًا ببداية شراكة علمية من شأنها أن تحقق شهرة عالمية، ولقد أمضوا زواجهما في العمل جنبًا إلى جنب، وتبادلوا الاكتشافات العلمية الرائدة وجائزة نوبل.
أهم اكتشافات ماري وبيير كوري
كانت ماري كوري تبحث عن موضوع في أطروحتها للدكتوراه، وبدأت في دراسة اليورانيوم، والذي كان في صميم اكتشاف بيكريل للنشاط الإشعاعي في عام 1896. مصطلح النشاط الإشعاعي الذي يصف ظاهرة الإشعاع الناجم عن التحلل الذري، صاغته في الواقع ماري كوري.
في مختبر زوجها، درست البتشبلند المعدني، والذي يعتبر اليورانيوم العنصر الأساسي فيه، وأبلغت عن احتمال وجود عنصر أو أكثر من العناصر المشعة الأخرى في المعدن. انضم إليها بيير كوري في بحثها، وفي عام 1898 اكتشفوا البولونيوم، الذي سمي على اسم موطن ماري الأصلي بولندا، والراديوم. بينما كان بيير يبحث في الخصائص الفيزيائية للعناصر الجديدة، عملت ماري على عزل الراديوم كيميائيًا من البيتشبلند، إذ أنه على عكس اليورانيوم والبولونيوم، لا يوجد الراديوم بشكل حر في الطبيعة، وقد قامت ماري ومساعدها أندريه ديبيرن بتكرير عدة أطنان من البتشبلند بشق الأنفس لعزل عُشر جرام من كلوريد الراديوم النقي في عام 1902.
بناءً على نتائج هذا البحث، كانت حصلت على درجة الدكتوراه في العلوم في يونيو 1903 وفي وقت لاحق من العام تقاسمت جائزة نوبل في الفيزياء مع زوجها بيير وبيكريل، وكانت أول امرأة تفوز بجائزة نوبل، وتم تعيين بيير كوري رئيسًا للفيزياء في جامعة السوربون عام 1904، كما واصلت ماري جهودها لعزل الراديوم النقي.
جائزة نوبل للمرة الثانية
في 19 أبريل 1906، قُتل بيير كوري في حادث في شوارع باريس، كانت وفاة زوجها بمثابة ضربة مريرة لماري، ولكنها كانت أيضًا نقطة تحول حاسمة في حياتها المهنية، إذ تعهدت بمواصلة عملها.
في مايو 1906 تم تعيينها في مقعد زوجها في جامعة السوربون، وبذلك أصبحت أول أستاذة في الجامعة.
في عام 1910، نجحت مع ديبيرن أخيرًا في عزل الراديوم المعدني النقي، ولهذا الإنجاز، كانت هي الحائزة الوحيدة على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1911، مما يجعلها أول شخص يفوز بجائزة نوبل الثانية.
أثر اكتشاف ماري وبيير في التطبيقات الطبية
أصبحت ماري مهتمة بالتطبيقات الطبية للمواد المشعة، وعملت في مجال الأشعة خلال الحرب العالمية الأولى وإمكانية استخدام الراديوم كعلاج للسرطان. ابتداءً من عام 1918، بدأ معهد الراديوم في جامعة باريس العمل تحت إشراف كوري ومنذ بدايته كان مركزًا رئيسيًا للكيمياء والفيزياء النووية.
إيرين كوري
كانت ابنة كوري، إيرين كوري، تعمل أيضًا كيميائية فيزيائية، وحصلت مع زوجها فريدريك جوليو على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1935 لاكتشاف النشاط الإشعاعي الاصطناعي.
وفاة ماري كوري
توفيت ماري كوري عام 1934 بسبب سرطان الدم الناجم عن أربعة عقود من التعرض للمواد المشعة، وكانت مساهمتها في الفيزياء هائلة، ليس فقط في عملها الخاص، الذي تجلت أهميته من خلال منحها جائزتي نوبل، ولكن بسبب تأثيرها على الأجيال اللاحقة من علماء الفيزياء النووية والكيميائيين.
في عام 1995 تم دفن رماد ماري كوري في بانثيون في باريس. كانت أول امرأة تحصل على هذا الشرف لإنجازاتها الخاصة، وتم أيضًا الحفاظ على مكتبها ومختبرها في Curie Pavilion في معهد Radium كمتحف Curie.
تاريخ الفيزياء الكلاسيكية، من هو يوحنا النحوي؟ وما هو قانون الدفع؟
هو جون فيلوبونوس المعروف أيضًا باسم يوحنا النحوي ؛ فيلسوف مسيحي عاش في مدينة الإسكندرية في الفترة الممتدة ما بين 490_570 للميلاد. اهتم يوحنا بالتعليق على كتابات أرسطو وألف عددًا كبيرًا من الأطروحات الفلسفية واللاهوتية.
كانت تفسيرات يوحنا مثيرة للجدل في كثير من المواضع، حيث استطاع الخروج عن الفكر الأرسطي الأفلاطوني التقليدي، وطرح أسئلة منهجية تؤدي في نهاية المطاف إلى التجريبية في العلوم الطبيعة.
لم تقتصر كتابات يوحنا النحوي على الفلسفة فحسب؛ بل امتدت لتشمل العلوم الفيزيائية أيضاً، فاستطاع \ أن يبني نظريته في الدفع على أنقاض مبادئ نظرية أرسطو، حيث وضع الأخير هذه النظرية ليفسر كيف تستطيع القذائف أن تتحرك بعكس الجاذبية، مجيبًا بذلك عن بعض التساؤلات المطروحة آنذاك، مثل: لماذا يستمر السهم في الطيران بعد أن يترك خيط القوس.
رأى أرسطو أن القذيفة تستمر بالحركة نتيجة اضطراب في الهواء ناتج عن القذيفة ذاتها ولخص أرسطو نظريته بالقول بأن “استمرار الحركة يعتمد على استمرار القوة وأن الحركة لجسم ما عبر وسيط تخلق اضطراب وهذا الاضطراب لا يدعم الحركة ولكن يساهم في إبطائها”.
عدل يوحنا على نظرية أرسطو لتشمل فكرته القائلة :إن الجسم المدفوع يكتسب قوة تسمى القوة الدافعة، أو يظهر ميلًا يدفعه للحركة القسرية من العامل المسبب للحركة الابتدائية، وأن هذه القوة تسبب استمرار الجسم بالحركة، ولكن هذه القوة تستهلك نفسها بنفسها وبالتالي مصير هذه الحركة القسرية أن تفنى عائدة إلى حالة الحركة الطبيعة.
ويمكن تبسيط الفكرة السابقة بقولنا أن المقذوف يتحرك بسبب قوة حركية تؤثر عليه من قبل المحرك وهذه القوة تستهلك نفسها أثناء الحركة مما يؤدي في نهاية المطاف إلى فناء هذه القوة وعودة الجسم لحركته الطبيعة.
وفي القرن الحادي عشر ناقش ابن سينا نظرية يوحنا، ووافقه الرأي بأن الدفع يصل للقذيفة عن طريق الرامي، ولكن وعلى عكس يوحنا النحوي الذي اعتقد أن قوة الدفع أمر مؤقت سيفنى في نهاية المطاف رأى ابن سينا أن الدفع مستمر ويحتاج لقوة خارجية كمقاومة الهواء كي يتبدد.
تم التعديل على نظرية ابن سينا من قبل أبو البركات هبة الله البغدادي وذلك في القرن الثاني عشر قبل نشرها في المجتمع العلمي الغربي في القرن الرابع عشر على أيدي جان بوريدان. مهدت هذه النظرية الطريق لظهور مفاهيم كالعطالة والتسارع وكمية الحركة في الميكانيكا الكلاسيكية.
ونختم بالقول بأن قوة الدفع من الظواهر الفيزيائية التي اهتم بها العلماء بدراستها وذلك لما لها من أهمية في المجالات الحياتية المختلفة كتفسير حركة الصواريخ والطائرات النفاثة والمكوك الفضائي وصناعة المحركات.
