التصنيف: هندسة

كيف غير رودولف ديزل ومحركه العالم؟ وكيف ساهم في تطور الحضارة البشرية؟:

لمدة أربعين عام حتى عام 1872 كان البخار المزوّد الأساسي للطاقة في المصانع والقطارات (كان مردود الآلات العاملة على البخار 10% في أحسن الحالات أي عشرة بالمائة فقط من الطاقة المقدمة يتحول إلى عمل مفيد) ولكن النقل المدني كان يعتمد على الأحصنة وهذا بالطبع غير عملي.

كان الخيار الآخر هو محركات الاحتراق الداخلي التي ستتطورعلى يد أهم العلماء في القرن العشرين وهو رودولف ديزل الذي ساهم محركه بشكل كبير في تغيير شكل الحضارة البشرية وساهم في تطور العالم التجاري والصناعي وغير في شكل الاقتصاد العالمي.

بدايات رودولف ديزل

ولد «رودولف ديزل Rudolf Diesel عام 1858 في فرنسا، تغيرت حياته بعد سماعه محاضرة في الديناميكا الحرارية؛ إذ تعلم أنّه بالإمكان نظريًا تحويل كامل الحرارة في محرك الاحتراق الداخلي إلى عمل مفيد، ومن ثمّ جنّد نفسه لتحويل هذه النظرية إلى أرض الواقع.

أنشأ ديزل عام 1885 أول ورشة عمل له لتطوير محركه الذي يعمل بانضغاط الهواء وستستمر عملية التطوير 13 عاما ً حتى حصوله على أول براءة اختراع.

وبعد أن أدرك أهمية ما يفعل، سجل اختراعه،المسمى محرك الديزل، برقم 608,845 وبدأ تجاربه لتطويره حيث كاد أن يموت عندما انفجر في أحد المرات التي كان يختبر فيها المحرك.

وبحلول عام 1898، كانت محركاته تستخدم لتشغيل خطوط الأنابيب والمحطات الكهربائية والسيارات والشاحنات والمصانع في جميع أنحاء العالم، وقد أصبح ديزل مليونيراً ولكن لاشيء يبقى على حاله.

نجاحاته واخفاقاته

تطلبت مرحلة الاختبار عدة سنوات وواجه ديزل المشاكل مرارًا وتكرارًا، وبحلول عام 1897 أجرى ديزل ما مجموعه ست سلاسل من الاختبارات وكان على وشك اليأس عدة مرات. وفي أوغسبرغ عام 1893 بدأ تصميم النموذج الأولي بشوط 200mm لكل 400mm ولكن للأسف لم ينجح الاختبار، وبعد سلسلة من التحسينات والتطويرات والاختبارات التي أجراها ديزل نجحت التجربة ففي 17 فبراير1897، أجرى البروفيسور موريتز شروتر من جامعة ميونخ التقنية اختبار القبول الرسمي للمحرك وحدد مردوده 26.2٪ وكانت هذه القيمة العالية لم يسبق لها مثيل من قبل في أي محرك وبعد عام قامت شركة سولزر السويسرية بانتاج هذا المحرك.

على خلاف محرك البنزين، الذي يبدأ دارته بشمعة اشتعال، تبدأ دارة محرك الديزل بانضغاط الهواء لإشعال الوقود.

ومع بداية الحرب العالمية الأولى ازدادت الأهمية الاقتصادية لمحركات الديزل وأصبحت الحكومات تستخدمه في النقل الحربي كالغواصات والقاطرات والقطارات والسفن الحربية.

على الرغم من أن السيارات العاملة على محرك الديزل كانت أغلى ثمنًا ولكن أكثر اقتصادية ولكن للأسف لم تعجب الزبائن.

كيف كانت نهاية رودولف ديزل وماذا حل بمحركه؟

في عام 1912، بعد حوالي 15 عامًا من ولادة اختراعه، تعرض لانتقادات علنية بسبب آرائه التقليدية حول المحرك، لقد رآه كعمل متكامل بينما رآه الآخرون أنه عمل خام قيد التطوير، اهتم بالترويج للمحرك بدلاً من العمل عليه وتطويره، وفي نفس العام كتب أن بعض المصانع أصبحت جاهزة بشكل كاف لبناء محركه مما أثار غضب زملاءه المهندسين وابتعد تلقائيا ً عن الأوساط العلمية والتجارية مما أدى إلى تعرضه لانهيار عصبي حيث أصح يائساً ويعاني من الاكتئاب.

اختفى ديزل في ظروف غامضة  عام 1913 في القنال الانجليزي من على سفينة في رحلة من انجلترا ووجدت جثته بعد عشرة أيام طافية في المحيط.

يقال أن ديزل من الممكن أن يكون قد انتحر وفق رواية أسرته ومعظم كتاب سيرته ووفقاً لرواية بعض منظري المؤامرة من الممكن أن يكون قد قتل على يد منافسيه.

ظهرت أول السيارات العاملة على محركات الديزل عام 1930، أثناء رحلة من إنديانابوليس إلى نيويورك بعد 17 عام من وفاة مبتكر هذا المحرك. 

عند انتهاء مدة براءة اختراع المحرك، أخذته عدة شركات وعملت على تطويره وأصبح له دور كبير في تشكيل العالم الحديث والتجارة العالمية، فقد جعل التجارة البحرية أقل تكلفة وانتشر استخدامه في الآلات الزراعية والمرافق الصناعية ومختلف مجالات الحياة.

محرك ديزل حديث

المصادر

dieselnet
ENERGYFACTOR
BBC
NEWSDAY
MAN MUSUM

إن إعداد الجيل القادم للمستقبل يحتاج إلى فهم ثغرات سوق العمل. وأجهزة الحاسوب والذكاء الاصطناعي لا تستطيع الوصول إلى المهارات البشرية، حيث المكان المناسب للإبداع. فبات لا يمكن التقليل من أهمية الإبداع في عالم أصبح رقميًا، فالمنافسة أصبحت على أشدها. لاسيما بعد أن أشار المنتدى الاقتصادي العالمي-2020 أن الإبداع لا يقل أهمية عن الذكاء الاصطناعي في وظائف المستقبل. لكن غالبًا ما يرتبط الإبداع بالفنون والأعمال الأدبية، فما محل العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات من الإبداع؟ وأيهما أكثر إبداعًا: الفنون أم العلوم؟

إلى أي مدى أصبح الإبداع عاملاً هامًا فى النجاح الوظيفي؟

تأتي الدعوة للاهتمام بتدريس المواد في جميع التخصصات بشكل مختلف ينطوي على مفاتيح الإبداع في الوقت الذي يظهر فيه بحث جديد يؤكد أن الإبداع أصبح كفاءة أساسية في جميع التخصصات أكثر من أي وقت مضى، فقد أصبح عاملاً حاسمًا لضمان النجاح الوظيفي في المستقبل.

على الموسيقي صاحب الرؤية الفريدة أن يكافح من أجل تأليف لحن جديد بإيقاع جميل على النفوس، فلا سبيل له إذَا إلا الإبداع. وعلى المهندس الذكي أن يحل مشكلة وجود قنوات المياه والمرافق الاخرى بينما يضع دائرة كهربية، فلن يجد بغير الإبداع حلاً لها.

إذا اعتقدت أن أدوات ومعايير الإبداع مختلفة في هاتين المشكلتين، فأنت مُخطئ! على الرغم من أن للموسيقي أوتاره وأدواته وللمهندس أدواته، إلا أن أساليب الإبداع متشابهة للغاية. فلا يحتاج أي منهما سوى الانفتاح على الأفكار الجديدة، وتوظيف التفكير المتشعب، واعتماد المرونة والحياد عن الطرق التقليدية.

دراسة جديدة ستغير طرق التعليم

كثيرّا ما ارتبط مصطلح الإبداع في أذهان الطلاب بالفنون والآداب فقط. ظنًا منهم أن مجالات العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات مجالات صماء، تخضع للقوانين فقط لا مجال للإبداع فيها.

حتى صدور هذه الدراسة، لم نكن نعلم ما إذا كان الإبداع في العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات هو نفسه الإبداع في كل شئ، أو إذا ما كان هناك شيء فريد حول الإبداع في تلك المجالات.

تعاون الباحث «ديڨيد كروبلي-David Cropely» من جامعة جنوب استراليا، والباحث «كيم فان برويكهوفن-Kim Van Broekhoven» من جامعة ماستريخت، في دراسة للتحقيق في وجود اختلافات بين الإبداع في العلوم والإبداع في الفنون. أجريت الدراسة على 2277 طالبًا تتراوح أعمارهم بين 17 و 37 عامّا، بينهم 2147 طالبًا مُسجلين بمساقات العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات، و130 طالبًا مسجلين بالمساقات الأدبية والفنون.

مرت الدراسة بثلاث خطوات:

الخطوة الأولى: اختبرت الكفاءة الذاتية الإبداعية للطلاب، وثقتهم في قدراتهم الإبداعية. فقد طُلب من  الطلاب التفاعل بالموافقة أو عدم الموافقة مع عبارات مثل: “أنا جيد في ابتكار أفكار جديدة” و “لدي خيال جيد”، وغيرها.

المرحلة الثانية: اختبرت تفكيرهم المتباين، فقد طُلب منهم تكوين أكبر عدد من الأفكار لمشكلة محددة، مثل تحسين استخدام القطارات العامة.

وفي المرحلة الثالثة والأخيرة: طُلب منهم أن يسجلوا حلولاً معينة بمعايير معينة لمشكلات في جميع المجالات. وقد حدد الباحثون حدًا أدنى من الاختلافات والفروق بين أداء طلاب الفنون وطلاب العلوم.

فالإبداع هو كفاءة متعددة الأوجه، تتضمن مواقف وتصرفات ورؤى ومهارات ومعارف متشابهة. كما يعَرَّف الإبداع أنه الميل إلى توليد أفكار وبدائل واحتمالات لحل مشكلة والتواصل مع الآخرين. ولكي تميل لأن تكون مبدعًا، يجب أن تكون قادرًا على رؤية الأشياء بعين جديدة، أو من منظورٍ مختلف. كما يجب أن تكون قادرّا على توليد أفكارٍ جديدة. وعلى الرغم من ذلك، فلا تقيس اختبارات الإبداع عدد البدائل التى يمكن إيجادها فحسب. بل تقيس أيضّا مدى تفرد تلك البدائل؛ فالقدرة على توليد البدائل الصالحة أو حتى رؤية الأشياء بشكل مختلف لا يحدث عن طريق التغيير فقط. فهو مرتبط بصفاتٍ أُخرى أكثر جوهرية في التفكير، مثل المرونة والغموض والقدرة على التنبؤ، فالإبداع ليس عملاً سهلاً.

الفائدة

قد ساعدت تلك الدراسة على تقديم نظرةً ثاقبةً حول كيفية تقييم أنظمة التعليم للقدرات الإبداعية. بالإضافة إلى إمكانية إتباع المعلمين نهج شامل لتدريس الإبداع، ودمجه في المناهج واعتماده مبدءًا هامًا في جودة الأنشطة التعليمية، بشكل أكثر عمومية وشمولية أيًا كان مجال الدراسة، مبتعدين عن النهج التقليدى في تناول المحتوى الدراسي.

وأخيرًا، يجب على الطلاب في القرن الحادي والعشرين أن يكونوا أكثر انفتاحًا على التنوع المذهل للإمكانات المتاحة لهم في التعليم؛ تلبيةً لمتطلبات وظائف العصر، فلا يمكن الآن أن نتساءل أيهما أكثر إبداعًا: الفنون أم العلوم؟ فلقد أصبح لكل طالب فرصته لخلق مساره الفريد الخاص به، لإن الإبداع هو الأساس المتين لضمان الازدهار وعدم النجاح فحسب.

المصادر:

csun
sciencedaily
weforum

ما المقصود بفكرة الحتمية الكونية؟ وما هو رأي ميكانيكا الكم في الحتمية السببية؟

في عشرينيات القرن الماضي احتدم النقاش وحمي الجدال بين العالمَين أينشتاين وماكس بورن وكان صدامًا بين فلسفتين، بين مذهبين متناقضين في التصوّرات الميتافيزيقيّة لطبيعة الواقع وما يمكننا أن نتوقّعه من التصوير العلميّ لهذا.  في ديسمبر من العام 1926 كتب أينشتاين “إنّ لنظرية ميكانيكا الكمّ فوائد جمة، لكنها لا تقرِّبنا من سر الإله”. أنا على يقين تام بأن الله لا يلعب النَّرْد”. كتب أينشتاين هذا في ردِّه على خطاب من الفيزيائي الألماني ماكس بورن. كان ماكس يقول إنّ قلب نظرية ميكانيكا الكم الجديدة ينبض بالشك والعشوائية، وكأنه يعاني من اضطراب النَّظْم القلبي. فحين كانت الفيزياء قبل نظرية الكمّ قِوامها أنّا إذا أدخلنا مُدخلًا معينًا، نحصل على مخرج محدد، بَدَا قِوام ميكانيكا الكمّ أنّا إذا أدخلنا مُدخلًا معينًا نحصل على مُخرج باحتماليّة ما، وفي بعض الحالات يمكننا الحصول على مُخرج آخر. في هذا المقال سنتعرف على مفهوم الكون الحتمي وعلى رأي نظرية ميكانيكا الكم في مفهوم حتمية الكون.

ما المقصود بفكرة الحتمية الكونية؟

اعتقد العديد من جهابذة العلماء كنيوتن ولابلاس وأينشتاين بأن الكون يعمل تمامًا كالساعة، أي بقوانين محددة ودقيقة وما علينا سوى اكتشاف هذه القوانين نتمكّن من التنبؤ بالمستقبل تنبؤًا دقيقًا لا يُساوره الرّيب. يُعرف هذا المنهج بالفلسفة باسم الحتمية السببية وهي الاعتقاد بأنه يمكن استنتاج المستقبل بناءً على الحاضر وقوانين الطبيعة.

طُور المعتقد الفلسفي بالحتمية لأول مرة من قبل الفلاسفة اليونانيين ما قبل سقراط مثل هيراقليطس وليوكيبوس بين القرنين السابع والثامن قبل الميلاد. في السنوات اللاحقة، بنى أرسطو عليها، لكن الفلاسفة الرواقيين هم من قدموا أهم المساهمات وشاعوا هذه الفلسفة. تتجذر فكرة الحتمية بالتأكيد في فكرة فلسفية شائعة جدًا، الفكرة القائلة بأنه يمكن تفسير كل شيء، من حيث المبدأ، أو أن كل شيء له سبب كافٍ للوجود والوجود كما هو، وليس غير ذلك. بعبارة أخرى، تكمن جذور الحتمية فيما أسماه “ليبنيز” مبدأ العقل الكافي ولكن منذ أن بدأت صياغة النظريات الفيزيائية الدقيقة بطابع حتمي ظاهريًا، أصبحت الفكرة قابلة للفصل عن هذه الجذور. غالبًا ما يهتم فلاسفة العلم بالحتمية أو اللاحتمية في النظريات المختلفة، دون أن يبدأوا بالضرورة من وجهة نظر حول مبدأ «لايبنتز-Leibniz».

لا يتعلق مفهوم الحتمية السببية بالكون فقط بل ذهب بعض الحتميين للقول بأن سلوك البشر تحدده مورثاتهم مسبقًا من البيئة التي نشأوا فيها أو من خلال التفاعلات الكيميائية في دماغهم وبالتالي فخياراتنا وقراراتنا هي مجرد نتائج حتمية تحددها قوانين الطبيعة والتي إن استطعنا فهمها فسنكون قادرين على التنبؤ بسلوك البشر تنبؤًا حتميًا. بعبارة أخرى، أنت لا تمتلك إرادة حرة وليس لديك حرية الاختيار فيما تفعله ولكن عارض هذا الرأي الكثير من العلماء وطوّرا نظرياتهم بخصوص مفهوم الإرادة الحرة. الحقيقة ليس هذا مجرد نقاش فلسفي بل هو موضوع هام ومتعلق بالمسؤولية الأخلاقية، فهل يجب أن نعاقب المجرم إذا لم يكن الجرم الذي اقترفه نابعًا من إرادته بل نتيجة حتمية لقوانين الطبيعة-مُقدّر له ومكتوب بواسطة قوانين الطبيعة-؟

الحتمية وعلم الفيزياء الكلاسيكية

حتى نهاية القرن التاسع عشر، كان علم الفيزياء يسير بشكل عام على نهج وفلسفة العالم “إسحاق نيوتن”. فقد كانت آلية عمل قوانين الفيزياء مفهومة جيداً، ولا شيء فيها يدعو إلى القلق. فالسببية والحتمية منسوجتان في صُلب قوانين الطبيعة. وكل ما نحتاجه لمعرفة حالة الكون المستقبلية هو معرفة شروطه الحالية فقط. بمعنى آخر، بات الكون أشبه بآلة عملاقة تعمل بدقة الساعة، لا يصيبها الخلل ولا الملل منذ أن أُطلقت للعمل. فإذا ما علمنا عن موضع وسرعة كوكب أو نجم ما أو حتى ذرة شاردة في الكون في لحظة معيَّنة، يمكننا تحديد كل حركات هذا النجم أو تلك الذرة في المستقبل تحديدًا دقيقًا، شرط أن نأخذ في الحسبان جميع التأثيرات الخارجية. وبهذه الطريقة نستطيع، من حيث المبدأ، عبر استخدام قوانين الفيزياء أن نحدِّد حالة كل ما في الكون، من أكبر مجراته إلى أصغر ذراته. عندها فقط ستكون صورة الكون المستقبلية ماثلة أمام أعيننا، تماماً كالماضي.

ما الذي قصده أينشتاين في قوله ” إنّ الله لا يلعب بالنرد مع الكون”؟

ما الذي قصده أينشتاين بالضبط عندما قال هذا؟ لفهم طبيعة اعتراض أينشتاين، من المهم تقدير الدور الذي تلعبه الحتمية في الفيزياء الكلاسيكية. وفقًا لمعادلات الفيزياء الكلاسيكية -من حيث المبدأ-يمكن حساب جميع الأحداث المستقبلية والتنبؤ بها بدقة تامة.

إذا كان من الممكن معرفة الموقع الدقيق وسرعة كل ذرة وكل جسيم آخر في الكون، وإذا كان بإمكان المرء اختراع جهاز حاسوب ذي قدرات هائلة للغاية، فيمكن عندئذٍ استخدام معادلات الفيزياء الكلاسيكية لحساب كل شيء يمكن أن يحدث على الإطلاق في المستقبل. سيكون من الممكن أيضًا تشغيل هذه المعادلات للخلف لمعرفة كل ما حدث في الماضي. في الواقع، وفقًا للفيزياء الكلاسيكية، يمكن تحديد المستقبل يتحدد بدقة من قبل الحاضر. يشبه الكون ساعة كبيرة ومعقدة، تتحرك للأمام بطريقة معقدة، ولكن يمكن التنبؤ بها تمامًا. أيّد أينشتاين هذه الرؤية للكون؛ وفقًا للفيزياء الكلاسيكية، لا دور للصدفة أو الاحتمال وهذا يعني أن إله الفيزياء الكلاسيكية لا يلعب النرد. ولكن مع تقديم تفسير بورن لميكانيكا الكم صورة مختلفة، لم يعد الكون قابلاً للتنبؤ به كما كان في الفيزياء الكلاسيكية.

تفسير ماكس بورن لميكانيكا الكم

وفقًا لبورن وطريقته في التفكير حول ميكانيكا الكم، فإن الإلكترون (أو أي جسم كمي آخر) يمتد عبر حجم الفضاء الذي تغطيه الدالة الموجية. عندما نقيس موقع الإلكترون، فإنه دائمًا ما يشبه النقطة دون أي مدى مكاني. ومع ذلك وقبل أن يُقاس، يكون الإلكترون في نفس الوقت في جميع المواقع التي تغطيها دالة الموجة الخاصة به، أي أنه فعال في العديد من الأماكن وكلها في نفس الوقت. بهذا المعنى، تتمتع الإلكترونات والأجسام الكمومية الأخرى بنوع من الوجود الاحتمالي، حيث توجد في جميع الأماكن الممكنة وتقوم بكل الأشياء الممكنة في جميع الأوقات الممكنة.

يمكن وصف ذلك أيضًا من منظور مبدأ اللايقين لهايزنبرج. وفقًا لهذا المبدأ، كلما تم تحديد موقع الكائن الكمي بدقة أكبر، كلما قلت قدرتنا على تحديد سرعته بشكلٍ دقيق، والعكس صحيح. لذا، ما تقوله ميكانيكا الكم هو أن الجسيم الكمي لا يمكن أن يكون في مكان واحد فقط ويتحرك بسرعة واحدة فقط.

تخيل إلكترون يُوصف من خلال دالة موجية تبلغ ذروتها بشكل حاد في مكانين، والتي سنسميها الموقعين “أ” و “ب “. الآن، دعنا نفترض أن شكل الدالة الموجية يغطي المواقع “أ” و”ب” بالتساوي وبنفس المدى. في هذه الحالة، إذا تم أُجريت تجربة لقياس موقع الإلكترون، فستكون هناك فرصة بنسبة 50٪ للعثور عليه في الموقع “أ” وفرصة بنسبة 50٪ العثور عليه في الموقع “ب”.

قد يبدو هذا المثال مطابقًا لرمي قطعة نقود معدنية والذي يقدم نتيجتين متساويتين في الاحتمال -50% للشعار 50% للكتابة-. ومع ذلك، قد تفشل مثل هذه المقارنة في أن تأخذ في الاعتبار شيئًا مهمًا حول الدور الذي يلعبه الاحتمال في ميكانيكا الكم.

عند رمي قطعة معدنية فإن احتمالية ظهور الشعار أو الكتابة هي بالتساوي 50% لكل منهما (حقوق الصورة: W. Scott McGill/Shutterstock)

عندما ترُمى عملة معدنية وتُغّطى، فمن الممكن تشبيهها بالإلكترون المذكور أعلاه. يمكن أن يكون الوجه الذي ظهر شعارًا أو كتابةً. الاختلاف الجوهري هو أنه في الوقت الحالي يتم تغطية العملة المعدنية، وقد حدث النتيجة بالفعل إما للشعار أو الكتابة ونحن لا نعرف ذلك حتى الآن. في حين أن الإلكترون في التجربة المذكورة أعلاه موجود في نفس الوقت في كلا الموقعين “أ” و “ب “.

توضح هذه التجربة أنه حتى لو كنا نعرف كل شيء عن الإلكترون، حتى لو عرفنا الشكل الدقيق لدالة الإلكترون الموجية، فلا يزال هناك احتمال بنسبة 50٪ أن يتم العثور عليه في الموقع “أ”، وفرصة بنسبة 50٪ أن يكون يمكن العثور عليها في الموقع “ب”. لذا، فإن الكون لا يتصرف بشكل حتمي  بل يحمل في ثناياه على الدوام جزءًا من العشوائية وهذا ما تم تأكيده في مؤتمر «سولفاي-Solvay» عام 1927 بحضور كوكبة من علماء الفيزياء آنذاك.

صورة جماعية لكوكبة من علماء الفيزياء في مؤتمر سولفاي

المصادر

thegreatcoursesdaily
Stanford University
aeon
simplypsychology

نبذة عن تاريخ المعلومات: ما هو شيطان ماكسويل؟ وما هي نظرية شانون في الاتصالات؟ على مدى الثلاثمائة عامٍ الماضية، طورنا طرقًا جديدةً مذهلةً لتسخير الطاقة واستخدمنا هذه القدرة لتغيير بيئتنا ونمط حياتنا ولكن كل هذه المباني الضخمة والهياكل العملاقة التي نراها من حولنا هي مجرد نوع واحد من النظام المرئي الذي أنشأناه هنا على كوكب الأرض. هناك نوع آخر من النظام غير المرئي، شيء سخرته الطبيعة منذ مليارات السنين ذلك الشيء نسميه المعلومات. إن مفهوم المعلومات في غاية الغرابة وفي الواقع، إنها لفكرة صعبة للغاية حتى تستوعبها من أول وهلة. ولكن في رحلة محاولة فهمها، سيكتشف العلماء أن المعلومات هي جزء أساسي من كوننا. في هذا المقال سنسبر أغوار حكاية المعلومات وسنتعرف على القوة الهائلة التي تنبعث جراء التلاعب بها. وسنعرف كيف اكتشفنا قوة الرموز وكتابة الأكواد وكيف أحدثت أجهزة الحواسيب ثورة في فهمنا للكون. وسنتعرف على كيفية انهيار العالم إلى الفوضى وعن إمكانية استخدام المعلومات لإنشاء النظام وكل ما يحيط بنا.

بلاد ما بين النهرين: موطن بدء رحلة المعلومات

للوهلة الأولى، قد تتراءى لك أن المعلومات فكرة مباشرة للغاية؛ إذ توجد في كل مكان في عالمنا وتمتلئ أدمغتنا بها ونتبادلها باستمرار فيما بيننا. لكن المعلومات كانت من أدق التفاصيل وأصعب المفاهيم التي كان على العلم أن يتعامل معها ولقد كان فهمها وتسخيرها عمليةً طويلةً وصعبةً للغاية. يمكن إلقاء الضوء على قوة المعلومات لأول مرة منذ أكثر من 5000 عام، عندما ابُتكرت تقنية ثورية كانت هي الأساس لتكوين العالم الحديث. على مر السنين، توصلت البشرية إلى بعض الأشياء الرائعة ولكن من بين جميع الاختراعات البشرية، هناك اختراع مميز حقًا. إنه الأكثر تحويلًا وتدميرًا، يجمع بين الإبداع والبساطة، هذا الاختراع هو الكلمة المكتوبة. يكمن جوهر الكتابة في الإرسال وتخزين المعلومات، فالكلمات تسمح للأفكار أن تدوم عبر الزمن. كُتبت أقدم النصوص على ألواح من الطين في بلاد ما بين النهرين أو ما يُعرف حاليًا بالعراق

كانت فكرة الكتابة نابعة ثقافة السومريين؛ إذ بدأوا برسم علامات تصويرية للتعبير عن الأفكار واستمر هذا الوضع ردحًا من الزمن حتى قام شخص ما ربما عن طريق الصدفة، بكتابة الرموز الرسومية على ألواح الطين ليس لما يمثله بشكلٍ مرئي فقط ولكن بالنسبة لصوت ذلك الشيء المراد الكتابة عنه. ونتج عن ذلك قفزة العملاقة في تاريخ البشرية، فمن خلال الجمع بين الصور الصوتية المختلفة، كان بإمكان سكان بلاد ما بين النهرين القدماء التعبير عن أي فكرة يمكن تخيلها. كان جوهر هذا الاختراق هو الرؤية، على سبيل المثال، كيف يمكن كتابة الكلمات المجردة مثل: اعتقاد، وفكرة، علم؟ هذه كلمات لا يمكن التعبير عنها برموز لكن وفقًا للنظام السومري الذي يعتمد على الصور الصوتية يمكن التعبير عن تلكم الكلمات المجردة وللتوضيح أكثر بدمج صورة غزال-بالإنجليزية البريطانية النطق الصوتي دييا -وصورة العين –النطق الصوتي هو آي-نحصل على تعبير لكلمة (آيدييا idea) أليس هذا مذهلًا؟ فقط بنحت صورة للغزال وصورة للعين على اللوح الطيني جنبًا إلى جنب تمكن السومريون من كتابة كلمة “فكرة” على سبيل المثال وبهذه الطريقة استطاعوا تحويل الكلمات والأفكار المجردة إلى رموز.

لوح طيني للملك السومري “أور نامو” الذي عاش في عام 2100 قبل الميلاد

هذه كانت البداية فقط؛ إذ لم يدرك البشر بعد القوة الحقيقية للرموز. لمدة 4000 عام، كانت الكتابة إلى حد كبيرهي تقنية المعلومات الوحيدة التي يستخدمها البشر ولكن بحلول القرن التاسع عشر، خلال الثورة الصناعية الكبرى، بدأت الأمور تتغير. في خضم دوامة الأفكار والاختراعات، ستظهر سلسلة من التقنيات التي تبدو غير متصلة والتي بدأت جميعها في التلميح إلى القوة الهائلة للمعلومات. ستأتي كل هذه التقنيات من أصول عملية للغاية وغير نظرية للغاية. سيكتشف البشر في أن المعلومات كانت مفهومًا أعمق وأقوى بكثير مما كان يدركه أي شخص وستُطور واحدة من أولى سلالات تقنيات المعلومات الجديدة في مدينة ليون الفرنسية في نهاية القرن الثامن عشر على يد الحائك الشهير «جوزيف جاكارد-Joseph Jacquard».

منول جاكارد وبطاقاته المثقوبة

كانت مدينة “ليون” الفرنسية في القرن الثامن عشر موطنًا لبعض أفضل الحرفيين في العالم وكانت أيضًا مكانًا للرفاهية والعظمة، وقبل كل شيء المال. بفضل الأرستقراطيين والمصرفيين الأثرياء والعصريين الذين عاشوا هناك، أصبحت موطنًا لأكبر صناعة حرير في العالم. ما جعل مدينة ليون مشهورة حقًا هو الديباج وهو نسيج جميل ومنسوج بشكل معقد ويتطلب إنتاجه عمالة مكثفة بشكل لا يصدق؛ إذ يمكن لفريق من رجلين يعملان بجدٍ ليوم واحد إنتاج حوالي شبر واحد من الديباج في أحسن الأحوال. كان الطلب على أقمشة ليون الفاخرة هائلاً ولكن عملية نسج الحرير كانت بطيئة ومؤلمة. ولكن بفضل جندي ونساج يدعى “جوزيف ماري جاكارد” طُور جهاز للمساعدة في تسريع عملية النسيج. هذا الجهاز سيكشفُ فيما بعد حقيقة أساسية فيما يتعلق بالمعلومات. في عام 1804، حاز جاكارد على براءة اختراع لواحدة من أكثر الآليات تعقيدًا التي بنتها البشرية على الإطلاق وأطلق عليه اسم ” منول جاكارد” أو”نَول جاكارد”. تُعد هذه الآلة معجزة إبداعية؛ إذ يمكن برمجتها لنسج أي نمط يمكن للمصمم التفكير فيه دون الاضطرار لتغيير تركيبها الهيكلي.

وسر هذه الآلة كان مجرد بطاقة مثقوبة. تحمل البطاقة المثقوبة بداخلها جوهر التصاميم التي ينسجها المنول. عندما تُدخل هذه البطاقات المثقبة في النول، فإنها تعمل على خفض ورفع الخيوط، أي تعمل على إعادة تشكيل النمط في الحرير. يمكن تقسيم أي تصميم يمكن أن يخطر ببالك وترجمته إلى سلسلة من البطاقات المثقوبة التي يمكن نسجها بعد ذلك بواسطة النول. تتم ترجمة المعلومات من الصورة إلى بطاقة التثقيب إلى القماش النهائي.

بطاقات جاكارد المثقوبة

إنها آلة لنسج المنسوجات وهذه هي مهمتها، لكن لا يوجد شيء محدد حول نوعية النسيج الذي يجب أن تنسجه. ما هو موجود في المعلومات المشفرة على البطاقات. لذا، إذا كنت ترغب في ذلك، قم ببرمجة البطاقات، وهذا يعني إرشادها إلى ما يجب القيام به. وهذا له صدى كبير لما جاء لاحقًا. أحدث منول جاكارد ثورة في صناعة الحرير. لكن في جوهرها كان شيئًا أعمق، شيئًا أكثر عالمية من أصولها الصناعية وقدرتها على تسريع النسيج. كشف النول الستار حول قوة استخلاص المعلومات. لقد أظهر أنه يمكنك أخذ جوهر شيء ما، واستخراج المعلومات الحيوية وتمثيلها في شكل آخر. كشفت الكتابة أنه يمكنك استخدام مجموعة من الرموز لالتقاط اللغة المنطوقة. الآن ، أظهر جاكارد أنه برمزين فقط – ثقب أو مساحة فارغة ، كان من الممكن التقاط المعلومات في أي صورة يمكن تخيلها. هذه صورة لجاكارد منسوجة بالحرير.

الصورة أدناه هي لجاكارد منسوجة بالحرير وهي مفصلة بشكل مذهل بالآلاف من الغرز. ومع ذلك، يمكن تخزين جميع المعلومات التي تحتاجها لالتقاط هذه الصورة الحية في سلسلة من البطاقات المثقوبة عددها 24000. هذه الصورة هي مثال رائع لفكرة بعيدة المدى حقًا. أن أبسط الأنظمة -في هذه الحالة، البطاقات التي تحتوي على سلسلة من الثقوب المثقوبة فيها -يمكنها التقاط جوهر شيء أكثر تعقيدًا. إذا كان باستطاعة 24000 بطاقة مثقوبة إنشاء صورة كهذه، ماذا سيحدث إذا كان لديك 24 مليونًا؟ أو 24 تريليون بطاقة؟ ما هي الأنواع الجديدة من المعلومات المعقدة التي يمكن التقاطها وتمثيلها؟ لقد عثر جاكارد على فكرة عميقة وبعيدة المدى بشكل لا يصدق. طالما لديك ما يكفي منها، يمكن استخدام الرموز البسيطة لوصف أي شيء في الكون كله.

صورة جاكارد منسوجة بالحرير ومطرزة بالالاف من الغرز

نبذة عن تاريخ المعلومات: إرسال المعلومات

أثبتت ترجمة المعلومات إلى رموز مجردة لتخزينها ومعالجتها أنها فكرة قوية للغاية. لكن الطريقة التي تُرسل بها المعلومات لم تتغير منذ آلاف السنين. قبل ظهور تكنولوجيا الاتصالات، كانت تُرسل الرسائل بواسطة شخص يمكنه الركض بسرعة كبيرة، أو من خلال ركوبه يركب على ظهر حصان أو على متن سفينة. كانت النقطة هي أنه يمكنك فقط إرسال المعلومات بأسرع ما يمكن إرساله. ولكن في القرن التاسع عشر، زادت السرعة التي يمكن بها إرسال المعلومات بشكل كبير، وذلك بفضل وسيلة نقل معلومات جديدة لا تصدق وهي الكهرباء. بعد فترة وجيزة من اكتشاف الكهرباء، ازدادت الحماسة حول قدرتها كوسيلة لنقل الرسائل. تُعتبر الكهرباء هي الوسيط الأمثل لإرسال المعلومات فهي لا تتأثر بظروف الطقس السيئة وتمتاز بسرعة عائلة في نقل المعلومات ولكن كانت هناك مشكلة واحدة كبيرة تواجه هؤلاء في أوائل القرن التاسع عشر الذين أرادوا استخدام الكهرباء كوسيلة للتواصل. كيف يمكن استخدام مثل هذه الإشارة البسيطة لإرسال رسائل معقدة؟

 في عام 1809، طور العالم «صموئيل سومرينج-Samuel Soemmering» جهازًا مذهلًا لنقل المعلومات فإذا أراد المرسل إرسال الحرف A، يرسل تيارًا عبر أحد الأسلاك. وعند المستقبل يوجد خزان مليء بالسائل، يعمل التيار الكهربائي على إحداث تفاعل كيميائي مما تسبب في ظهور الفقاعات فوق الحرف A. هذه العملية برمتها بارعة، وإن كانت شاقة بعض الشيء ولكن الشيء الممتع حقًا هو أن على المرسل إخبار المستلم بذلك إنه على وشك إرسال إشارة، يفعل ذلك عن طريق إرسال تيارات كهربائية إضافية حتى تظهر المزيد من الفقاعات، وتدفع ذراع لأعلى مما يؤدي إلى قرع الجرس.

آلة صاموئيل التي استخدمها لإرسال الحروف الأبجدية

بعد “سومرينج”، حاول الكثيرون حل مشكلة إرسال الرسائل باستخدام الكهرباء ولكنهم جميعًا عانوا من وجود رموز معقدة للغاية. في أربعينيات القرن التاسع عش، اسُتبدلت جميع الأجهزة القديمة بجهازٍ مذهل يستطيع إرسال الإشارات بطريقة التي لا تزال تُستخدم حتى يومنا هذا. طور الفنان ورجل الأعمال صموئيل مورس مع زميله ألفريد فالي جهازًا لم يكن مميزًا في تقنيته بل في الشفرة البسيطة والفعالة التي استخدموها لنقل رسائلهم. تمامًا مثل بطاقات جاكارد المثقوبة، تكمن عبقرية شفرة مورس وفيل في بساطتها.إذ يمكن كتابة أحرف الأبجدية باستخدام مجموعة من النبضات القصيرة والطويلة من التيار الكهربائي، اقترح فالى أن الحروف الأكثر تكرارا في اللغة الإنجليزية يُرمز لها بأقصر رمز. فمثلًا يتم إرسال الحرف  E بهذه الشفرة (.) بينما يتم إرسال الحرف  X بهذا الشكل (-..-) وهذا يعني أنه يمكن إرسال الرسائل بسرعة وكفاءة.  كان مزيج الكود مع الجانب المادي لهذا الجهاز بما فيه من بطاريات وأسلاك هو البداية الفعلية لجهاز جديد تمامًا وهو التلغراف الكهربائي.

نبذة عن تاريخ المعلومات: التلغراف الكهربائي

كشف التلغراف مرة أخرى عن قوة ترجمة المعلومات من وسيط إلى آخر. حُفظت المعلومات في البداية في أدمغة البشر ومن ثم حفر البشر هذه المعلومات في الطين والورق والبطاقات المثقوبة. الآن، بفضل مورس، يمكن للمعلومات أن تتواجد في الكهرباء وهذا جعلها أخف وزنًا وأسرع بشكل لا يمكن تصوره مما كانت عليه من قبل. في غضون سنواتٍ قليلةٍ فقط، انتشرت شبكة التلغراف في جميع أنحاء العالم لتضع أسس عصر المعلومات الحديث. ما بدأ باختراع الكتابة منذ آلاف السنين قد تُوج بربط الكوكب بأكمله في شبكة من الأسلاك تحمل معلومات مجردة للغاية بسرعات لا تصدق.

نبذة عن تاريخ المعلومات: ما هو شيطان ماكسويل؟

بالنسبة لأشخاصٍ عاشوا في نهاية القرن التاسع عشر، ربما بدا أن القدرة البشرية على التلاعب في المعلومات ونقلها كانت في أوجها. لا يمكن أن يكونوا أكثر خطًأ. سوف تكشف المعلومات عن نفسها على أنها مفهوم أكثر أهمية وأكثر جوهرية مما يمكن لأي شخص أن يتخيله. سرعان ما أصبح واضحًا أن المعلومات لا تتعلق فقط بالتواصل البشري. لقد كانت فكرة بعيدة المدى من ذلك بكثير. سيتم التلميح إلى الطبيعة الحقيقية للمعلومات أولاً بفضل مشكلة غريبة، يحلم بها عالم فيزياء اسكتلندي لامع بدا وكأنه يفكر في شيء آخر تمامًا. كان جيمس كليرك ماكسويل أحد أعظم العقول في القرن التاسع عشر ومن بين اهتماماته العديدة، انبهر ماكسويل بعلم الديناميكا الحرارية الذي يهتم بدراسة الحرارة والحركة التي نشأت مع ظهور المحرك البخاري. كان ماكسويل من أوائل من فهموا أن الحرارة هي في الحقيقة مجرد حركة للجزيئات فكلما كان الشيء أكثر سخونة، زادت سرعة حركة جزيئاته والعكس صحيح. ستقود هذه الفكرة ماكسويل إلى أن يحلم بتجربة فكرية غريبة جدًا لعبت فيها المعلومات دورًا مهمًا.

 افترض ماكسويل ذلك ببساطة من خلال معرفة ما يجري داخل صندوق مليء بالهواء، راودته فكرة أنه سيكون من الممكن جعل نصف الصندوق أكثر سخونة والنصف الآخر أكثر برودة بمعنى آخر، تخيل بناء فرن بجوار الثلاجة بدون استخدام أي طاقة. يبدو الأمر جنونيًا، لكن حجة ماكسويل كانت مقنعة للغاية. وتيمكن تلخيص فكرته كالتالي: تخيل شيطانًا صغيرًا يجلس على الصندوق، ويمتاز برؤية جبارة بحيث يمكنه أن يراقب بدقة حركة جميع جزيئات الهواء داخل الصندوق.

الآن، وبشكل حاسم يتحكم شيطان ماكسويل بالصندوق ويقسمه إلى نصفين، وفي كل مرة يرى جزيئًا سريع الحركة يقترب من الحاجز من الجانب الأيمن، يفتحه ويسمح له بالمرور إلى اليسار. وفي كل مرة يرى جزيئًا بطيئًا يقترب من الحاجز الأيسر، يفتحه ويسمح للجزيء بالمرور إلى اليمين. وبمرور الوقت سوف تتراكم كل الجزيئات الساخنة سريعة الحركة على الجانب الأيسر من الصندوق وكل جزيئات الباردة بطيئة الحركة على اليمين. بشكل حاسم، قام الشيطان بهذا الفرز بدون أي شيء سوى معلومات حول حركة الجزيئات. بمعنى آخر،  يقول شيطان ماكسويل يقول أنه بمجرد الحصول على معلومات حول الجزيئات، يمكنك إنشاء نظام من الفوضى ولكن سرعان ما تلاشت هذه الفكرة في  القرن التاسع عشر. أظهر علم الديناميكا الحرارية بوضوح شديد أنه بمرور الوقت، ستزداد إنتروبيا الكون واضطرابها دائمًا إذ تتجه كل الأشياء في الكون إلى الانهيار. لكنّ شيطان ماكسويل اقترح أنه يمكنك إعادة الأشياء معًا دون استخدام أي طاقة على الإطلاق، فقط باستخدام المعلومات يمكنك إنشاء النظام. سيُثبَت مع مرور أنها مشكلة صعبة للغاية لحلها لأسباب ليس أقلها أنّ ماكسويل اللامع قد توصل إلى فكرة وُلدت قبل وقتها بكثير. إنه لأمر مدهش، التأثير الذي أحدثه على الفيزياء، وأنه توصل إلى هذا المفهوم المعقد للغاية وأنه توقع مسبقًا فكرة المعلومات بشكل ما. لم يكن هناك في الواقع في ذلك الوقت، لم يكن هناك شيء من هذا القبيل.  لم يكن لدى ماكسويل حقًا حل، لقد طرحه كمصدر قلق وتركه مفتوحًا وتبع ذلك حوالي 120 عامًا من النقاش والتطوير المثير للغاية لمحاولة حل ومعالجة هذا الفكرة.

شيطان ماكسويل

إذن ما الذي كان يحدث مع شيطان ماكسويل؟

قد يبدو الأمر بعيد المنال وخياليًا، لكن تخيل عزيزي القارئ الاحتمالات إذا استطعنا بناء آلة في العالم الحقيقي يمكنها محاكاة أفعال الشيطان. يمكننا استخدامها لتسخين فنجان من القهوة أو لتشغيل محرك أو تشغيل مدينة وكل ذلك باستخدام لا شيء أكثر من مجرد معلومات. يبدو الأمر كما لو أنه يمكننا إنشاء نظام في الكون دون بذل أي طاقة. شعر العلماء بشكل بديهي أنه يجب أن يكون هنالك خطأ في هذه الفكرة. كانت المشكلة أن الأمر سيستغرق أكثر من 100 عام لحل المشكلة. فبينما كان لغز ماكسويل محل جدل، حدث شيء غير متوقع تمامًا، إذ اُبتكر جهاز جديد يمكنه أداء مهام لا تصدق ومعقدة تمامًا عن طريق معالجة المعلومات ببساطة. هذا الجهاز هو ما يعرف باسم الحاسوب أو جهاز الكمبيوتر.

آلان تورينج الأب الروحي للكمبيوتر

يُعد “آلان تورينج” أول شخص تصور الكمبيوتر الحديث وهي آلة وظيفتها الوحيدة هي التلاعب بالمعلومات ومعالجتها. ظهرت فكرة تورينج المذهلة لأول مرة في ورقة رياضية نشرت عام 1936. في حياته القصيرة، قدّم تورينج أفكارًا جديدة ورائدة لمجموعة كاملة من الموضوعات، بدءًا من التشفير وانتهاءً بعلم الأحياء. لكن بالنسبة لمعظم العلماء، تُعد المفاهيم التي قدّمها في الورقة العلمية ذات الست وثلاثين صفحة هي التي ميزته حقًا وجعلته يستحق لقب “العبقري”.

نشر تورينج ورقته العلمية عندما كان عمره 24 سنة فقط وكانت حول الأعداد المحسوبة مع تطبيق على «مسألة اينتشدينجسبر-Entscheidungsproblem» لحلها بناءً على أسس المنطق الرياضي. المدهش في ذلك هو أن فكرة الكمبيوتر الحديث ظهرت ببساطة كنتيجة لمنطق تورينج الرائع. شرع تورينج في فهم ما إذا كان يمكن إجراء عمليات معينة في الرياضيات ببساطة عن طريق اتباع مجموعة من القواعد. وهذا ما سيجعله يفكر في أجهزة الكمبيوتر. في عام 1936، كان لكلمة “كمبيوتر” معنى مختلف تمامًا عما تفعله اليوم؛ إذ كانت تعني شخصًا حقيقيًا بقلم رصاص وورقة يشارك في العمليات الحسابية. وظفت البنوك العديد من هؤلاء الأشخاص وغالبيتهم من النساء لتسديد مدفوعات الفائدة ووظفتهم دائرة الإيرادات الداخلية لتحديد مقدار الضريبة المراد تحصيلها كما وظفتهم المراصد لحساب البيانات الملاحية.

ما فعله تورينج في ورقته البحثية عام 1936 هو طرح سؤال بسيط ولكنه عميق: “ما الذي يدور في ذهن الشخص الذي يجري عملية حسابية؟” للقيام بذلك، كان عليه أولاً أن يتجاهل كل التفاصيل الزائدة عن الحاجة بحيث يبقى جوهر عملية الحساب فقط. تساءل تورينج، “ما الذي يدور في دماغ الكمبيوتر البشري؟” إنه نظام بيولوجي معقد للغاية قادر على الوعي والتفكير والبصيرة ولكن بالنسبة لتورنج، لم يكن أي من هؤلاء مهمًا لعملية الحساب أيضًا. أدرك تورينج أنه لحساب شيء ما، يجب اتباع مجموعة من القواعد بدقة. رأى عقل تورينج اللامع أن أي حساب له جانبان: البيانات والتعليمات الخاصة بما يجب فعله بالبيانات وسيكون هذا هو مفتاح رؤيته. كان على تورينج إيجاد طريقة لجعل الآلات تفهم التعليمات مثل الجمع والطرح والقسمة والضرب وهكذا، بنفس الطريقة التي يعمل بها البشر. بعبارة أخرى، كان عليه أن يجد طريقة لترجمة التعليمات هذه إلى لغة يمكن للآلات فهمها. ومن خلال منطق لا تشوبه شائبة، فعل تورينج ذلك بالضبط، فما قد يبدو لك كسلسلة عشوائية من الآحاد والأصفار، هو بالنسبة لآلة الحوسبة مجموعة من التعليمات يمكن قراءتها خطوة بخطوة وإخبار الآلة بالتصرف بطريقة معينة.

لذلك، بينما يمكن لجهاز كمبيوتر بشري(الإنسان) أن ينظر إلى رمز عملية الضرب (X) ويفهم العملية المطلوبة، يجب أن يفسر هذا الرمز لجهاز الكمبيوتر بالشكل التالي مثلًا (11000111) تُخزن هذه التعليمات فيما يُعرف حاليًا بذاكرة الكمبيوتر. وكلما أردت أن تجعل جهازك أكثر فاعلية، ينبغي أن تكون حجم الذاكرة أكبر. يمكن أن تحمل الذواكر الأكبر تعليمات معقدة ومتعددة الطبقات حول كيفية معالجة وطلب أي نوع من المعلومات التي يمكن تخيلها. بذاكرة كبيرة بما يكفي، سيكون الكمبيوتر قادرًا على تنفيذ عدد غير محدود من المهام تقريبًا. تكمن القوة الحقيقة لفكرة تورينج في تحويل التعليمات إلى رموز يمكن للآلة فهمها؛ إذ تسمح لك بإعادة إنشاء ليس فقط صورة أو صوت بسيط، ولكن يمكن إنشاء نظام يتغير ويتطور بل استطاع العلماء إنشاء محاكاة للكون كله ولسلوك الثقوب السوداء. من خلال التلاعب بالرموز البسيطة، تستطيع أجهزة الكمبيوتر قادرة على التقاط الجوهر وترتيب العالم الطبيعي نفسه.

سيكون من السهل جدًا التفكير في أنه بعد أن أصبحت أفكار تورينج حقيقية، سيُطلق إطلاق العنان للقوة الحقيقية للمعلومات ولكن تورينج كان نصف القصة فقط؛ إذ يتطلب عصر المعلومات الحديث فكرة أخرى، فكرة من شأنها تحديد طبيعة المعلومات أخيرًا وعلاقتها بنظام الكون وفوضى. هذه الفكرة كانت من إبداع من عالم رياضيات ومهندس موهوب وغريب الأطوار يُدعى«كلاود شانون-Claude Shannon».

ما هي نظرية شانون في الاتصالات؟

في عام 1948، نشر كلاود شانون ورقة علمية حول النظرية الرياضية للاتصالات. قد يبدو العنوان جافًا بعض الشيء ولكنها تُعد واحدة من أهم الأوراق العلمية في القرن العشرين. لم يقتصر الأمر على وضع الأسس لشبكة اتصالات العالم الحديث، بل أعطانا رؤى جديدة للغة البشرية في أشياء نقوم بها بشكل حدسي مثل التحدث والكتابة. عمل شانون في مختبرات بيل في نيو جيرسي التي تُعد الذراع البحثية لمؤسسة “بيل للهواتف” الشهيرة.

واجهت شبكة هواتف بيل مشكلة كبيرة فقد كانوا ينقلون كميات هائلة من المعلومات يوميًا جميع أنحاء العالم ولكن لم تكن لديهم فكرة حقيقية عن كيفية قياس هذه المعلومات بشكل صحيح، أي أن كل عملهم بُني بالكامل على شيء ما لم يفهموه في الواقع. ولكن كل ذلك سيتغير بفضل موظفهم العبقري شانون، ففي ورقته العلمية توصل شانون إلى شيءٍ لا يصدق تمامًا؛ إذ استطاع تفسير المفهوم الغامض للمعلومات وتمكن من تحديده. الجدير بالذكر أنه لم يفعل ذلك باستخدام بعض التعريف الفلسفي المصاغ بذكاء بل وجد بالفعل طريقة للقياس

المعلومات الواردة في الرسالة بشكل مذهل، أدرك شانون أن كمية المعلومات في الرسالة لا علاقة لها بمعناها. بدلاً من ذلك، أظهر أن الأمر مرتبط فقط بمدى غرابة الرسالة. لذا فإن الأخبار التي نسمعها يوميًا بالتلفاز ونقرأها بالصحف هي أخبار لأنها غير متوقعة وكلما كانت غير متوقعة، زادت أهميتها. لذلك إذا كانت أخبار اليوم مماثلة لأخبار الأمس، فلن تكون هناك أخبار على الإطلاق. وسيكون محتوى المعلومات هذا صفرًا. بمعنى آخر، أصبح لدينا علاقة بين عدم التوقع والمعلومات.

ورقة شانون العلمية في تظرية الاتصالات

لم يتوقف شانون عند هذا الحد بل أعطى المعلومات وحدة قياس خاصة بها. ولكن كيف فعل هذا؟ أظهر شانون أن أي رسالة تهتم بإرسالها يمكن ترجمتها إلى أرقام ثنائية أي سلسلة طويلة من الآحاد والأصفار. لذلك يمكن كتابة تحية بسيطة مثل مرحبا “Hello” على الشكل التالي مثلًا (010010001000100). أدرك شانون أن تحويل المعلومات إلى أرقام ثنائية سيكون عملاً قويًا للغاية من شأنه أن يجعل المعلومات قابلة للتحكم فيها أظهر شانون في ورقته البحثية أن الرقم الثنائي الفردي – أحد هذه الآحاد أو الأصفار – هو الوحدة الأساسية للمعلومات. فكر في الأمر على أنها ذرة معلومات أي أنها أصغر قطعة ممكنة. ثم بعد تحديد هذه الوحدة الأساسية، أعطاها الاسم الشهير الذي نعرفه حاليًا “البت” والذي يعني خانة ثنائية. بفضل شانون، أصبحت البت اللغة المشتركة لجميع المعلومات.

يمكن تحويل أي شيء سواءً الأصوات والصور والنصوص إلى سلسلة من الخانات الثنائية. أسس شانون نظرية جديدة بعيدة المدى فالأفكار التي بدأ استكشافها ستشكل حجر الزاوية لما نسميه الآن “نظرية المعلومات”. لقد اتخذ مفهومًا مجردًا -معلومات -وحوله إلى شيء ملموس فما كان مجرد فكرة غامضة أصبح الآن قابلاً للقياس.

صعوبة قياس كمية المعلومات للعمليات الطبيعية

إن فكرة التحويل الأشياء إلى خانات ثنائية وإضفاء السمات الرقمية لها، من شأنها أن تغير بشكل جذري العديد من جوانب المجتمع البشري لكن المعلومات ليست مجرد شيء يصنعه البشر. كل “جزء” من المعلومات التي أنشأناها وكل كتاب وكل فيلم، بل ومحتويات الإنترنت بالكامل لا ترقى بحجمها عند مقارنتها بمحتوى معلومات الطبيعة وذلك لأنه حتى أكثر الأحداث الضيئلة تحتوي على كمية مذهلة من المعلومات. فعلى سبيل المثال، تخيل كم عدد أجزاء المعلومات التي ستحتاجها لوصف ذلك التفاعل الجميل والمعقد للقوانين الفيزيائية الي تجري في جداول وأطر زمنية عادةً ما تكون غير محسوسة بالنسبة لنا. لكن حتى هنا ما زلت ترى جزءًا بسيطًا فقط من تعقيد الطبيعة. تخيل التفاعل بين تريليونات تريليونات من الذرات كم هي كمية “البتات” التي ستحتاجها لوصف هذه العملية؟

لكن المدهش أنه بفضل أفكار تورينج وشانون يمكننا وصف النماذج ومحاكاة الطبيعة بتفاصيل أكبر. لكن هذه ليست نهاية القصة فالمعلومات على ما يبدو ليست مجرد وسيلة لوصف الواقع. في السنوات القليلة الماضية اكتشفنا أن المعلومات هي في الواقع جزء لا يتجزأ من العالم المادي. إنها فكرة يصعب حقًا التعامل معها ولكن جميع المعلومات، من سيمفونية بيتهوفن إلى محتويات القواميس حتى أفكارنا العابرة تحتاج إلى أن تتجسد في شكل من أشكال النظام المادي. بشكل مثير للدهشة، يعود الفضل لفهمنا للعلاقة الحقيقية بين المعلومات والواقع لشيطان ماكسويل.

نبذة عن تاريخ المعلومات: ما هو شيطان ماكسويل؟ وهل يستطيع شيطان ماكسويل كسر قوانين الطبيعة حقًا؟

كما ذكرنا سابقًا استطاع شيطان ماكسويل استخدام معلومات جزئيات الهواء لإنشاء نظام في صندوق من الهواء بدأ مضطربًا تمامًا. علاوة على ذلك، يمكنه القيام بذلك دون بذل أي جهد. يبدو أن المعلومات قادرة على كسر قوانين الفيزياء. حسنًا، هذا ليس صحيحًا. السبب وراء عدم تمكن شيطان ماكسويل من الحصول على الطاقة مجانًا يكمن في رأسه. ما تم اكتشافه هو الشيطان في الحقيقة لا يستخدم أكثر من المعلومات لإنتاج طاقة مفيدة. لكن هذا لا يعني أنه يحصل على شيء مقابل لا شيء. تذكر كيف يعمل الشيطان؟ يكتشف جزيئًا سريع الحركة على جانب واحد من الصندوق، ويفتح الباب ويسمح له بالمرور إلى الجانب الآخر. لكن في كل مرة يفعل ذلك، عليه أن يخزن معلومات حول سرعة هذا الجزيء في ذاكرته. سرعان ما تمتلئ ذاكرته وبعد ذلك لا يمكنه الاستمرار إلا إذا بدأ في حذف المعلومات. سيتطلب هذا الحذف بشكل حاسم منه بذل طاقة. يحتاج الشيطان إلى الاحتفاظ بسجل للجزيئات التي تتحرك وإذا كان جهاز حفظ السجلات محدود الحجم، في مرحلة ما سيضطر الشيطان إلى محوه. هذه عملية لا رجعة فيها وتزيد من إنتروبيا النظام.

ما تم اكتشافه هو أن هناك حدًا أدنى معينًا ومحدودًا من الطاقة، والمعروف باسم «حد لانداور-Landauer limit»، وهو كمية الطاقة المطلوبة لحذف جزء واحد من المعلومات وهذا الحد متناهي الصغر بل إنه أقل من تريليون تريليون من كمية الطاقة في جرام من السكر ولكنها حقيقية وهي جزء من النسيج الأساسي للكون. بشكل مثير للدهشة، يمكننا الآن إجراء تجارب حقيقية تختبر جوانب فكرة ماكسويل. باستخدام الليزر وجزيئات الغبار الدقيقة، اكتشف العلماء في جميع أنحاء العالم العلاقة بين المعلومات والطاقة بدقة لا تصدق. لا تزال تجربة ماكسويل الفكرية التي راودته في عصر المحركات البخارية في طليعة البحث العلمي اليوم.

 يربط شيطان ماكسويل بين اثنين من أهم المفاهيم في العلوم وهما دراسة الطاقة ودراسة المعلومات ويظهر أن الاثنين مرتبطان ارتباطًا وثيقًا. ما نعرفه الآن هو أن المعلومات، بعيدًا عن كونها مفهومًا مجردًا، تخضع لنفس قوانين الفيزياء مثل أي شيء آخر في الكون. المعلومات ليست مجرد فكرة مجردة وليست مجرد صيغة رياضية تكتبها على الورقة. المعلومات في الواقع تحملها شيء ما أي أن هناك ناقل حيث توجد المعلومات سواء كان خذا الوسط حجر طيني أو كتاب أو قرص مضغوط فهذا يعني أن المعلومات تتصرف وفقًا لقوانين الفيزياء. لذلك لا يمكن كسر قوانين الفيزياء. ما تعلمته البشرية خلال آلاف السنين الماضية هو أنه لا يمكن فصل المعلومات عن العالم المادي. لكن هذا ليس عائقا. ما يجعل المعلومات قوية للغاية هو حقيقة أنه يمكن تخزينها في أي نظام مادي نختاره. في الوقت الحالي، يستكشف العلماء طرقًا جديدة لمعالجة المعلومات باستخدام كل شيء بدءًا من الحمض النووي ووصولًا إلى الجسيمات الكمومية. يأمل العلماء أن يؤدي هذا العمل إلى دخول عصر معلومات جديد. ما نعرفه الآن هو أننا في بداية رحلتنا لإطلاق العنان لقوة المعلومات. كان من الواضح دائمًا أن إنشاء نظام مادي -الهياكل التي نراها حولنا – لها تكلفة. نحن بحاجة إلى القيام بعمل لإنفاق الطاقة لبنائها. لكن في السنوات القليلة الماضية، تعلمنا أن طلب المعلومات وإنشاء الهياكل الرقمية غير المرئية للعالم الحديث له أيضًا تكلفة لا مفر منها.

 بقدر ما تبدو المعلومات مجردة وأثيرية، فإننا نعلم الآن أنه يجب دائمًا تجسيدها في نظام مادي وهذه فكرة مثيرة بشكل لا يصدق. فكر في الأمر بهذه الطريقة -يمكن استخدام قطعة من الصلصال لكتابة قصيدة ويمكن أن تحمل جزيئات الهواء صوت السمفونية. والفوتون الفردي يشبه فرشاة الدهان.  يمكن اعتبار كل جانب من جوانب الكون المادي بمثابة لوحة بيضاء نستخدمها لبناء الجمال والبنية والنظام.

المصادر

BBC
britannica
scientificamerican

ما هي المحاكاة الحيوية؟ وما هي أهم تطبيقاتها؟ تعرف :«المحاكاة الحيوية-Biomimetics» بأنها عملية محاكاة «النماذج-models» والأنظمة  وعناصر الطبيعة بقصد استخدامها  في حل بعض المشاكل المعقدة التي تواجه البشرية وهو علم حديث النشأة. اُشتقت كلمة «Biomimetics» من الكلمة اليونانية «βίος» وتعني الحياة و «μίμησις»و تعني المحاكاة أو التقليد.

ما هي أهم المحطات الرئيسية والبدايات في تاريخ علم المحاكاة الحيوية؟

مع مطلع القرن العشرين، استلهم البشر العديد من التقنيات من الكائنات الحية وفي فيما يلي أهم تلك التقنيات:

1903 أول نموذج طيران: نجاح نموذج «الأخوين رايت-Orville and Wilbur Wright’s» في الطيران لأقل من دقيقة، حيث كانت آلية التحكم بالجناح مستوحاة من الطريقة التي تستخدم فيها الطيور تيارات الهواء لتكسب قوة دفع وتغيير الاتجاه.

1969 البداية: استخدم عالم الفيزياء الحيوية «أوتو شميت-otto Schmitt» مصطلح «المحاكاة الحيوية-biomimicry» لأول مرة.

1986 تطوير المركبات الفضائية: اختبرت وكالة ناسا وشركة «3M» الأمريكية تكنولوجيا مستوحاة من الأخاديد الموجودة في جلد سمكة القرش، عبارة عن أسنان صغيرة تُربط مع الغلاف الخارجي للمركبة الفضائية بمادة لاصقة لتقليل قوة الإعاقة للهواء وتجعل من المحرك النفاث أفضل من حيث الحركة الهوائية.

1997 الكتاب الأهم للمحاكاة الحيوية: ألفت الكاتبة والعالمة «جانين بينيوس- Janine Benyus» كتابها «Biomimicry: Innovation Inspired by Nature»، وهي الآن تعتبر المبشرة الأهم بعلم المحاكاة الحيوية.

2012 عبوات مائية: أنتجت جامعة بوسطن عبوات ماء مستوحاة من خنفس صحراء ناميب الذي يسحب الماء عن طريق جمع الماء المتكاثف بواسطة المضخات المكروسكوبية الموجودة في الجزء الخلفي من جسمه، بالتالي تجمع هذه العبوات الرطوبة الجويّة وتقوم بتخزين حتى 3 ليترات من الماء القابل للشرب كل ساعة.

2014 ابتكار بطارية تخزين: صمم علماء ومهندسين من جامعة هارفارد بطارية من جزيئات ذات أساس كربوني متوفرة في الطبيعة تدعى«الكينونات-quinone»، مشابهة لتلك التي تخزن الطاقة في النباتات والحيوانات.

أهم التطبيقات التقنية والهندسية المستوحاة من الكائنات الحية

على الرغم من البراعة المذهلة والقدرة الهندسية التي أظهرها البشر على مدى آلاف السنين الماضية ، فإننا نبحث باستمرار عن إلهام جديد وطرق لتحسين تصميماتنا ونمط حياتنا. ليس غريبًا أن يتخذ البشرمن الطبيعة مرجع لهم نظرًا لأن الكائنات الحية مرت بمراحل التطور خلال ملايين السنين حتى وقتنا الحاضر لذا فمن المنطقي أن يصمم البشر تقنياتهم اعتمادًا على تصميم الكائنات الحية وفيما يلي أبرز تلك التقنيات:

1 – بدلة السباحة المستلهمة من جلد سمكة القرش: استخدمت في الأولمبياد الصيفية لعام  2008 حيث ارتداها السباح مايكل فيليبس، وتظهر تحت المجهرمؤلفة من عدد لا نهائي من الأسنان الصغيرة التي تتحرك محاذية لاتجاه جريان الماء مما يسهل عملية السباحة.

2–  بدلة غوص مستوحاة من جلد السمور: يتألف جلد السمور من طبقة كثيفة من الدهن تجعله دافئًا أثناء الغوص والسباحة، وأيضا ً  يمتلك فرو كثيف يحصر الجيوب الهوائية الدافئة بين الطبقات مما يجعله جافًّا، وقد صمّم المهندسون بمهعد ماساتشوستس للتكنولوجيا جلود مطاطية تشبه الفرو ويمكن استخدامها مثلا ً في بذلات الغوص.  

3- لاصق «فيلكرو-Velcro»: المستخدم في الأحذية والذي استوحاه المهندس السويسر «جورج دي ميسترال-George de Mestral» من «القشوروالشوك-burrs» الموجودة في جلد الكلب.

4-عنفات مستوحاة من الحيتان : اكتشف العلماء في جامعة دوك في أميركا أن النتوءات الموجودة في الحافة الأمامية لزعنفة الحوت تقلل حوالي 32 بالمائة من قوة الإعاقة وتزيد من قوة الرفع 8 بالمائة، وتقوم الشركات حاليًّا  بتطبيق هذه الفكرة على شفرات عنفات الرياح  ومراوح التبريد وأجنحة الطائرات.

5- أشكال الطائرت المستوحاة من شكل أسراب الطيور: يزيد التشكيل على شكل حرف V لأسراب الطيور من القدرة على الطيران بمقدار 70 بالمائة، عندما يقوم أحد الطيور بخفق جناحيه، تنشأ قوة رفع صغيرة ترفعه للخلف وعندما يمر كل طائر يضيف طاقته إلى السرب مساعدًا باقي الطيور على البقاء في حالة الطيران. فكر علماء من جامعة ستانفورد باستخدام هذا التكتيك عند التقاء طائرات الساحل الغربي للولايات المتحدة مع الساحل الشرقي، حيث تتجمع الطائرات على شكل V مما يوفر حوالي 15 المائة من استهلاك الوقود مقارنة مع الطيران المنفرد.

6- الطلاء المستوحى من زهرة اللوتس: يوجد على سطح زهرة اللوتس نتوءات شبيهة بالأظافر تعمل على منع جزيئات الغبار من التجمع على الورقة، وقد قامت شركة Ispo الألمانية بتطوير طلاء يملك نفس الخواص .

7- تجميع الماء المستوحى من خنفساء ستينوكارا: تمتلك خنفساء ستينوكارا التي تعيش في الصحاري مضخة تجمع الرطوبة المتكاثفة والضباب ويحاول العلماء من معهد ماساتشوستس ابتكار مواد بنفس هذه الخاصية تقوم بجمع المياه من الهواء.

وأخيرًا تكمن أهميّة المحاكاة الحيوية في كون النماذج المستوحاة من الطبيعة مستدامة بيئيًّا، وتوفر في استهلاك الطاقة، وتقلل من الهدر، وتقلل من كلفة التصنيع، والكثير من الميزات الأخرى.

المصادر

treehugger
sciencefocus
wikipedia
foreignpolicy

أطول سفينة شحن شراعية مستدامة في العالم

نشأة السفن البحرية وتطورها عبر السنوات؟

أظهرت لنا العديد من الألواح التاريخية والحاويات المكتشفة استخدام السفن في التجارة البحرية والاستكشاف قبل 4000 سنة قبل الميلاد وتسيير قوى الرياح لصالح التقدم البشري.

وشهدت البحار على مر السنين تطور النقل البحري من استخدام الرياح كمصدر رئيسي لتسيير تلك الرحلات واستخام الوقود الأحفوري فيما بعد في بداية الثورة الصناعية خلال القرنين المنصرمين.1

ويحتل النقل البحري حوالي 90% من نسبة التجارة العالمية والتي تساهم بدورها في انبعاثات وقود الشحن بنسبة تصل إلى 30% من أكاسيد النيتروز المنبعثة في الغلاف الجوي، 9 % من أكاسيد الكبريت و 3% من ثنائي أكسيد الكربون.

واستجابةً للمخاوف المتزايدة بشأن الاحتباس الحراري؛ حددت المنظمة البحرية الدولية التابعة للأمم المتحدة هدفاً لخفض الانبعاثات بنسبة 40% بحلول نهاية هذا العقد.2

حلول بيئية بديلة لسفن الشحن التقليدية

تدرس العديد من الشركات طرق استبدال وسائل الشحن البحرية التقليدية بوسائل نقل صديقة للبيئة ومستدامة؛ من أمثلتها الشركة السويدية Wallenius Marine والتي أعلنت منذ أسبوعين عن سفينة نقل بحري مستدامة وصديقة للبيئة بخفض انبعاث السفينة إلى 90% وسعتها الكبيرة لاستيعاب 7000 سيارة واعتماده الأساسي على طاقة الرياح.

جاء هذا الإعلان في لقاء تلفزيوني مع كبير مسؤولي التشغيل Per Tunell ومهندس العمارة البحرية Carl-Johan Söder لكشف الستار عن سفينة النقل Oceanbird، حيث أوضح بير رؤية الشركة في قيادة الطريق نحو الشحن المستدام، وترحب بانضمام الآخرين إليها؛ لأنها لا تراها منافسة، بل اتجاه على الجميع اتخاذه. ومن خلال شفافية المشروع، تريد الشركة إلهام الآخرين لاختبار الحد الأقصى لما هو ممكن. لأننا بحاجة إلى إجراء تغيير ولا يمكنه الانتظار بعد الآن.3

مواصفات Oceanbird

تعد سفية oceanbird في منتصف عملية التصميم في الوقت الحالي، لكن ما أظهرته التصميمات الأولية هو 5 صواري (الأشرعة المجنحة) من المعدن وبعض المواد المركبة تشبه إلى حد كبير أجنحة الطائرات لكنها تدور حول محورها 360 درجة؛ قابلة للامتداد لتصل لارتفاع 80 متر وهو ارتفاع قياسي مقارنة بالسفن النقل الحالية. مما يعطي السفينة ارتفاعاً يصل إلى 105 متر فوق خط الماء. ولكن بفضل الهيكل التلسكوبي للصواري يمكن خفضها ليصل ارتفاع السفينة الكلي فوق خط الماء 45 متر لتتمكن من العبور أسفل الجسور وتقليل مساحة السطح المعرضة للرياح أثناء العواصف لتقليل سرعة السفينة.

ستتمكن سفينة الشحن التي يبلغ طولها 200 متر وعرضها 40 متر من عبور المحيط الأطلسي في غضون 12 يوماً بدلاً من 7 أيام بواسطة ناقلات الشحن التقليدية.
وكإجراء أمان؛ سيتم تجهيز السفينة أيضاً بمحرك إضافي مدعوم بالطاقة النظيفة. وستكون السفينة الأولى في الإنتاج سفينة شحن، ويمكن تطبيق المفهوم على السفن بجميع أنواعها، مثل السفن السياحية.4

وتعتزم الشركة على إجراء الاختبارات الأولية مع شركائها: مركز KTH للتكنولوجيا في ستوكهولم وSSPA. حيث ستشمل هذه الاختبارات نموذج أولى يبلغ فيها ارتفاع الأشرعة 7 أمتار في الحوض والمياه المفتوحة خلال الخريف.

سيتم تطوير التصميم في جوانب مختلفة من خلال إدخال بيانات جديدة من الاختبارات في عمليات المحاكاة. بالإضافة إلى اختبار التسرب في حوض مناورة SSPA من نهاية سبتمبر. وستكون هذه اختبارات فريدة حيث سيتم تزويد النموذج بمراوح من أجل التقاط التأثيرات الديناميكية الهوائية والمائية في النموذج الأولي.3

الغرض من Oceanbird ورؤية رواد المشروع

منذ أن أسس Olof Wallenius شركة Wallenius في عام 1934، ركزت الشركة على المدى الطويل للاستدامة ، فيما يتعلق بالابتكار التكنولوجي وظروف العمل للطاقم. ومع Oceanbird، تتخذ الشركة خطوة كبيرة للاقتراب من رؤيتها للشحن الخالي من الانبعاثات، بينما تضع في الوقت نفسه معياراً جديداً للصناعة بأكملها.4

اقرأ أيضاً: كيف نستطيع التقليل من الإنبعاثات الكربونية في العمارة؟

المصادر:

1 britannica
2 techxplore
3 Walleniusmarine
4 oceanbirdwallenius

في كل عصر هناك عباقرة يغيرون مسار التاريخ. أنت تعرف الكثير عن نيوتن، وأينشتاين، وأديسون، والخوارزمي، وأرسطو، وغيرهم. أما في العالم القديم، فلا أحد يضاهي إموحتب في شهرته وعبقريته. يمثل إموحتب الوجه المشرق للحضارة المصرية القديمة وريادتها. وفقًا لما تداوله القدماء، كان إمحوتب وزيرًا وكاهنًا ومهندسًا وطبيبًا وحكيمًا وفلكيًا. تميز ونبغ في كل شيء، وشملت اهتماماته كافة مناحي الحياة.

الوزير

إمحوتب-تعني الآتي في سلام بالمصرية القديمة-معروف بأنه وزير الملك زوسر، وباني هرمه المدرج. ترجح بعض المصادر أيضًا أنه عمل في خدمة خلفاء زوسر من ملوك الأسرة الثالثة. ولد إموحتب بين العامة، وبفضل مواهبه أصبح الرجل الأكثر نفوذًا في مصر. حمل ألقابًا عديدة منها:

• الأول بعد ملك مصر العليا
• مدير القصر الكبير
• مستشار ملك مصر السفلى
• كاهن هليوبوليس الأكبر
• كبير النحاتين والبنائين

يبدو أن زوسر كان معجبًا للغاية بوزيره حيث دونت هذه الألقاب على آثار الملك الشخصية خلافًا للقاعدة السائدة بتدوين اسم الملك فقط عليها.

المهندس

تكونت المقابر قبل زوسر من مصطبة واحدة. لكن الأمر اختلف على يد إمحوتب الذي بنى الهرم المدرج المكون من ست مصاطب بارتفاع 61 مترًا. يعد هرم زوسر أقدم بناء هرمي في التاريخ. كما يعد أول بناء من الحجر الجيري في التاريخ. حيث استخدم الحجر الجيري المقطوع على شكل طوب بدلا من استخدام الطوب المصنوع من الطين. تم بناء الهرم للداخل بدلًا من بنائه بشكل عمودي لتقليل الجهد المطلوب لبنائه. الأحجار منحنية قليلًا للداخل نحو المركز لتزيد استقرار بنيته وتقلل فرصة انهياره. يحتوي الهرم من الخارج على 13 بابًا كلها مزيفة عدا بابًا واحدًا. أعاد إمحوتب تصميم المقابر كليًا محافظًا على التقاليد القديمة في نفس الوقت، فالأعمدة تشبه حزم البردي والقصب، والنقوش والزخارف هي نفسها المستخدمة في المقابر الطينية.

يرجح العلماء أيضًا مساهمة إموحتب في بناء هرم الملك “سيخمخت” الذي لم يكتمل لوفاته بعد 6 سنوات فقط من توليه الحكم، تاركًا خلفه قاعدة ومصطبة أولى لهما ذات الطابع المعماري الخاص بإمحوتب. كما حمل الهرم غير المكتمل لولي عهده “خابا”-الذي توفي قبل إتمامه أيضا-الطابع ذاته. لا نعرف من بنى هذين الهرمين بالتحديد. إما إمحوتب، أو من تأثروا بطابعه في البناء.

الطبيب

بالرغم من غياب الأدلة العائدة إلى عصر إموحتب حول ممارسته الطب، إلا أنه اشتهر قديمًا بقدراته الشفائية كون الكاهن الأكبر في الدولة القديمة هو كذلك الطبيب الأكبر. كما تعتبر بردية إدوين سميث التي تعود لسنة 1600 قبل الميلاد-أي بعد قرون من وفاة إمحوتب- نسخة حديثة عن مخطوطة طبية كتبها إمحوتب بنفسه. اشتملت البردية المسماة نسبة لجامع الآثار الذي اشتراها في القرن التاسع عشر على وصف 48 إصابة مختلفة وكيفية تشخيصها وعلاجها. على عكس معظم المراجع القديمة، قليلًا ما أتت البردية على ذكر السحر أو استعماله. كما تعد أول مخطوطة تتعرض لأخلاقيات الطب، حيث يبتدئ الطبيب توقعاته للمريض بذكر إذا ما كان المرض قابلًا للعلاج أم صعب العلاج أم يستحيل علاجه، بما يفسح المجال للثقة بين الطبيب ومريضه، ويحافظ على سمعة الطبيب بإخباره سلفًا باحتمالية فشل العلاج.

الإله

ظل إمحوتب موضع احترام وتقدير من المصريين والحكام طوال عهد الأسرة الثالثة. وبعد وفاته بحوالي مئة عام اعتبره المصريون نصف إله. وبحلول عصر رمسيس الثاني أطلق عليه ابن الإله بتاح. وفي عصر الأسرة 26 في فترة الغزو الفارسي أصبح إلها كاملًا للشفاء. ثم أصبح خلال حكم اليونانيين والرومان نظيرًا للإله “اسكبيلوس” إله الطب، وبنيت له معابد في ممفيس وجزيرة فيلة حيث كان يتوافد المرضى ويبيتون هناك طلبًا للشفاء. ونقش اسمه في معابد الأباطرة “تيبيريوس” و”كلوديوس” كإله للشفاء.

ترك إمحوتب خلفه تراثًا ثريًا من الشعر والكتابات الدينية والملاحظات العلمية والهندسية التي لم تصلنا ولكنها ذكرها الكتاب القدماء الذين أتوا بعده.

لقد كان إمحوتب رائدًا عظيمًا فتح الباب لمن بعده بفضل فكرته الفريدة في استخدام الحجر الجيري لأول مرة في البناء. لولاه لما وجدت أهرامات الجيزة والمعابد الشامخة في مصر والتي نقل عنها اليونانيون ثم الرومان. مثلت عبقريته تحولًا في تاريخ الهندسة والطب، وألهم من أتوا بعده حتى اشتد عود الحضارة المصرية القديمة وأصبحت سيدة العالم القديم بفضل إمحوتب وغيره الكثيرين الذين ظلوا جنودًا مجهولين في كافة نواحي الحضارة. واستحق أن يرفعه المصريون من منزلة العامة إلى سماء الآلهة.

المصادر

1.Britannica
2.Ancient.eu
3.Pubmed

سلسلة تعلم الخوارزميات: ما هي خوارزميات البرمجة الديناميكية؟  تُعرف خوارزميات البرمجة الديناميكية بأنها طريقة حل مشكلة معقدة عن طريق تقسيمها إلى مجموعة من المشاكل الفرعية الأبسط، وحل كل مشكلة فرعية مرة واحدة فقط وتخزين حلولها باستخدام بنية بيانات قائمة على الذاكرة كالمصفوفة أو الخريطة مثلًا. ومن ثم فهرسة كل حل من حلول المشكلة الفرعية بطريقة ما بناءً على قيم معلمات الإدخال الخاصة به وذلك لتسهيل البحث.

لذلك في المرة التالية التي تحدث فيها نفس المشكلة الفرعية، بدلاً من إعادة حساب حلها، يبحث المرء أو الحاسوب ببساطة عن الحل المحسوب مسبقًا وبالتالي توفير وقت الحساب. لتقريب مفهوم خوارزميات البرمجة الديناميكية أكثر تخيل أن شخصًا ما طلب منك حساب مجموع 1+1+1+1+1+1 فبعد أن تقوم بالحساب ستقول له ان الإجابة هي 6. الآن إذا طلب منك +1 للسؤال السابق وطلب منك الإجابة بسرعة فم الذي ستقوم به؟

بالتأكيد لن تقوم بالحساب من جديد لأنك لا زلت تتذكر الجواب السابق وبالتالي ستقوم بإضافة الرقم 1 للجواب السابق 6 وستكون إجابتك للسؤال الجديد هو 7 وهذا بالضبط ما تقوم به خوارزميات البرمجة الديناميكية إذ تُخزن النتائج التي نحصل عليها من المسائل الفرعية وبهذا تنتفي الحاجة إلى إعادة حساب تلك النتائج في وقت لاحق.

كيفية حل مسائل البرمجة الديناميكية؟

يمكن تلخيص خطوات حل مسائل البرمجة الديناميكية كالتالي:

1. تحديد إذا ما كانت المسألة ذات طبيعة برمجة ديناميكية أم لا: بشكل عام، يمكن حل جميع المشكلات او المسائل التي تتطلب تعظيم أو تقليل كمية معينة أو مشاكل العد التي تنص على حساب الترتيبات في ظل ظروف معينة أو المسائل الاحتمالية باستخدام البرمجة الديناميكية. بالإضافة، تلبي جميع مسائل البرمجة الديناميكية خاصية المسائل الفرعية المتداخلة، كما أن معظم المسائل الديناميكية التقليدية تلبي أيضًا خاصية البنية الفرعية المثلى أي أنه بالإمكان الحصول على الحل المثالي للمسألة المعطاة بجمع الحلول المثالية للمسائل المتفرّعة عن المسألة الرئيسية وبمجرد ملاحظة هذه الخصائص في مسألة معينة، تأكد من أنه يمكن حلها باستخدام خوارزميات البرمجة الديناميكية
2. تحديد مقدار انتقال الحالة: بعد التأكد من أن المسألة يمكن حلها بواسطة البرمجة الديناميكية تأتي خطوة تحديد مقار انتقال الحالة. تُعرف الحالة على أنها مجموعة من المعلمات التي يمكن أن تحدد بشكل فريد موقفًا معينًا في مشكلة معينة. يجب أن تكون مجموعة المعلمات هذه صغيرة قدر الإمكان لتقليل مساحة الحالة ونوضحها لاحقًا بمثال تطبيقي.
3. صياغة العلاقة بين الحالات: بعد أن نحدد مقدار انتقال الحالة تأتي خطوة تحديد العلاقة التي تربط بين الحالات السابقة والحالات الحالية وتُعد هذه الخطوة من أصعب الخطوات التي يمكن أن يواجهها المبرمج أثناء حل مسائل البرمجة الديناميكية.
4. إضافة التحفيظ أو الجدولة إلى الحالة: وفي هذه الخطوة تُخزّن الإجابة عن حالة معيّنة في جدول البحث وذلك لاستدعائها مرة أخرى إن تطلب الأمر ذلك دون الحاجة إلى حسابها مرة أخرى.  عند استخدام طريقة التحفيظ، في كل مرّة نحتاج فيها إلى إيجاد حلٍّ لمسألة فرعية، نبدأ بالبحث في جدول البحث، فإن كانت القيمة محسوبة مسبقًا موجودة فيه فسنعيد حينئذٍ تلك القيمة، وإلا سنحسب القيمة ونضع النتيجة في جدول البحث ليتسنى لنا إعادة استخدامها في وقت لاحق. سنقوم بتوضيح هذه الخطوات في مثال مسألة حقيبة الظهر.

مسألة حقيبة الظهر «The knapsack problem»

تنتمي مسألة حقيبة الظهر إلى فئة من مسائل “NP”، والتي تعني “زمن كثيرة الحدود غير الحتمية” ويُشير هذا الاسم إلى الكيفية التي تجبر بها هذه المسائلُ جهاز الحاسوب على المرور بالعديد من الخطوات للوصول إلى حل، ويزداد العدد بشكل كبير بناءً على حجم المدخلات. لتبسيط مفهوم مسألة حقيبة الظهر، لنفترض أنك بصدد السفر إلى منطقة ما لزيارة أصدقائك ولديك العديد من الهدايا في داخل حقيبتك ولكن شركة الطيران تسمح لك بحمل وزن معين فقط ولا يجب أن تتعداه فقررت في هذه الحالة تعبئة الحقيبة بعدد معين من الهدايا بحيث تمثل أكبر قيمة ولا تتعدى وزنها الحد المسموح به من الوزن بعبارة أخرى نعبئها بما خف وزنه وغلا ثمنه.

من الواضح في البداية أنَّ ما يجب فعله هو اختبار كل المجموعات الممكنة، وحساب قيمتها ووزنها، ثم اختيار المجموعة التي تحقق الحد المقبول للوزن والحد الأقصى للقيمة. هذا يفي بالغرض إذا كان عدد العناصر قليلا، لكن الأمر يصبح أصعب مع عدد كبير منها ولتوضيح صعوبة الأمر دعنا نبدأ بالمثال التالي: افترض أن لديك في الحقيبة خمسة عناصر والمطلوب منك اختيار العناصر التي تحقق أعلى قيمة وفي الوقت ذاته لا يتجاوز وزنها الحد المسموح به وهو 10 كيلو جرام وكانت العناصر كالتالي: العنصر الأول قيمته 5 دولار ووزنه 4 كيلو جرام.

العنصر الثاني قيمته 10 دولار ووزنه 8 كيلو جرام. العنصر الثالث قيمته 3 دولار ووزنه 3 كيلو جرام. العنصر الرابع قيمته 2 دولار ووزنه 5 كيلو جرام والعنصر الخامس قيمته 3 دولار ووزنه 2 كيلو جرام. بعد القليل من التفكير ستجد أن العنصر الثاني والعنصر الخامس هما أفضل عنصران يحققان أعلى قيمة (13 دولار) وفي الوقت ذاته لا يتجاوزان الوزن المسموح (10 كيلو جرام).

الآن، ماذا لو كان عدد العناصر كبيرًا للغاية؟ إذا استخدمت الطريقة التقليدية للحل ستسهلك الكثير من الوقت لمعرفة مجموعة العناصر التي تحقق شرطي القيمة المثلى والوزن المسموح به بمعنى اخر لو كان لديك 10 عناصر فإن عدد المجموعات الفرعية التي ستقوم بفحصها هو 1024 مجموعة فرعية ومن ثم ستقوم باختيار أنسب مجموع تحقق الشرطين السابقين.

حل مسألة حقيبة الظهر بواسطة خوارزمية البرمجة الديناميكية

تحقق مسألة حقيبة الظهر شرط البرمجة الديناميكية إذ أنه بالإمكان الحصول على الحل المثالي للمسألة المعطاة بجمع الحلول المثالية للمسائل المتفرّعة عن المسألة الرئيسية. لحل المثال السابق دعنا نرمز للوزن بالرمز w وبما ان الحد المسموح به هو 10 كيلو جرام إذن w=10 .

أيضًا نرمز للعناصر بالرمز n. الخطوة الأولى للحل هو تكوين مصفوفة ثنائية الأبعاد أو بمعنى آخر جدول عدد صفوفه (n+1)  وعدد أعمدته (w+1) يعني في مثالنا هذا سيكون عدد الصفوف (5+1=6) وذلك لأنه لدينا 5 عناصر بينما عدد الأعمدة (10+1=11)  وذلك لأن أقصى وزن مسموح به 10.

يمثل رقم العمود j سعة وزن حقيبة الظهر الخاصة بنا. لذلك، القيم في العمود 5، على سبيل المثال، تفترض أن حقيبة الظهر الخاصة بنا يمكن أن تحتوي على 5 وحدات وزن. بعد ذلك نبدأ بملء الجدول بالقيم المحسوبة مع ملاحظة أن الصف رقم 0 يمثل الحالة التي لا يوجد لدينا عناصر للاختيار من بينها لذا يجب أن تكون القيمة القصوى التي يمكن تخزينها في أي حقيبة ظهر في هذه الحالة 0.

بالمثل، في العمود 0، بالنسبة للحقيبة التي يمكن أن تحتوي على 0 وحدة وزن، لذا  فإن القيمة القصوى التي يمكن تخزينها فيه  هي 0. أما بالنسبة لبقية الاعمدة والصفوف فنتبع التالي: لحساب الحد الأقصى للقيمة التي يمكننا الحصول عليها من العنصر i، نحتاج أولاً إلى مقارنة وزن العنصر i بسعة وزن الحقيبة.

من الواضح، إذا كان وزن العنصر أكبر مما يمكن أن تحمله الحقيبة، فلا يمكننا تضمينه، لذلك ليس من المنطقي إجراء الحساب. في هذه الحالة، يكون حل هذه المشكلة هو ببساطة القيمة القصوى التي يمكننا الحصول عليها بدون العنصر i (أي القيمة الموجودة في الصف أعلاه، في نفس العمود). ومع ذلك، لنفترض أن وزن هذا العنصر أقل من سعة حقيبة الظهر.

بالتالي لدينا خيار إدراجه، إذا كان من المحتمل أن يؤدي إلى زيادة الحد الأقصى للقيمة التي يمكن الحصول عليها. وبالتالي، فإن الحد الأقصى للقيمة التي يمكن الحصول عليها من خلال تضمين العنصر i هو = قيمة العنصر i نفسه + القيمة القصوى التي يمكن الحصول عليها مع السعة المتبقية من الحقيبة. بمعنى آخر، نريد الاستفادة الكاملة من سعة حقيبة الظهر الخاصة بنا وعدم ترك أي سعة متبقية تذهب سدى.

وبتطبيق ما سبق على المثال السابق نتحصل على الجدول الآتي:

من الجدول نلاحظ أن أقصى قيمة تحصلنا عليها هي 13 والتي تنتج من جمع قيمة العنصر الثاني (10دولار) مع العنصر الخامس (3دولار) والذان في نفس الوقت لم يتجاوزا الوزن المسموح به 10 كيلو جرام.

ما أهمية خورزميات البرمجة الديناميكية؟

تكمن أهمية خوارزميات البرمجة الديناميكية في تقليل الوقت المستغرق لحساب المسائل الرياضية إذ تعمل على تخزين قيم هذه المسائل الفرعية وفي كل مرة تُصادف فيه المسألة الفرعية مرة أخرى، فإنها تبحث فقط عن القيمة بينما الخوارزميات العودية تعمل على تنفيذ ذلك بشكل متكرر، مع الاستمرار في استدعاء الوظيفة في كل مرة احتجنا إلى القيم السابقة. لمتابعة الأجزاء السابقة من سلسلة تعلم الخوارزميات اضغط هنا وهنا وهنا.

المصادر

brilliant.org
smithsonian magazine
geeksforgeeks 1
geeksforgeeks 2
plus.maths