الوسم: فيزياء

يعتبر قياس الجرعة الإشعاعية أولوية في المجال الطبي، حيث يمكن لأصغر خطأ في القياس أن يؤثر بشكل كبير على حياة مريض أو يودي بحياته. ومما يزيد الطين بلة، أنه لا يحس بهذه الجرعات التي يتلقاها أثناء عملية العلاج الإشعاعي حتى وإن كانت قاتلة. فما هي الجرعة الإشعاعية؟ وكيف يتم قياسها؟

مفاهيم أساسية في قياس الجرعة الإشعاعية

تم إرساء مجموعة من المفاهيم في علم  قياس الجرعات من أجل قياس الآثار البيولوجية للإشعاعات على الأجسام الحية، بالإضافة إلى قياس الطاقة التي تخلفها هذه الإشعاعات في الجسم المتعرض لها.  

الجرعة الممتصة

تمثل «الجرعة الممتصة (D)-Absorbed Dose» كمية الطاقة التي يمتصها كل كيلوغرام من وسط ما إثر تعرضه لمختلف أنواع الإشعاعات النووية. وتقاس هذه الكمية بوحدة «الغراي-Gray» التي تكافئ جولا واحدًا من الطاقة لكل كيلوغرام [1].

الجرعة المكافئة

تم استحداث مفهوم «الجرعة المكافئة (H)-Equivalent Dose» من أجل الأخذ بعين الاعتبار اختلاف الأثر البيولوجي باختلاف نوع الإشعاع. فالتعرض لنفس الجرعة الممتصة لا يعني بالضرورة إلحاق نفس الضرر بالأنسجة البيولوجية. ويلعب نوع الإشعاع دورًا مهمًا في تحديد درجة الضرر. فمثلًا، نجد أن 0.5 غراي من إشعاعات ألفا تعادل 1 غراي من إشعاعات غاما من حيث أثرها البيولوجي على الخلايا الحية [1].

وللحصول على الجرعة المكافئة، يجب ضرب الجرعة الممتصة في معامل يدعى «العامل المرجح للإشعاع (W_R)- «radiation weighting factor والذي يعكس قابلية نوع محدد من الإشعاع على إحداث ضرر بيولوجي. وتتعلق قيمة W_R بكثافة التأيين (فقدان الذرة لأحد إلكتروناتها) الذي يسببه الإشعاع. فعلى سبيل المثال، نجد أن 1=W_R لدى جسيمات ألفا التي تنتج كمية هائلة من الأيونات المنتَجَة على طول مسارها في الجسم (مليون زوج أيوني لكل ميليمتر). بينما تأخذ  قيمة 1=W_R عند جسيمات بيتا التي تنتج حوالي 10 آلاف زوج أيوني (أيون موجب وآخر سالب) لكل ميليمتر [1].

وتقاس الجرعة المكافئة بوحدة «السيفرت (Sv)-Sievert » في النظام المعياري الدولي [1].

الجرعة الفعالة

تختص الجرعة الفعالة في كونها تأخذ بعين الاعتبار النسيج الذي يحدث فيه التفاعل مع الإشعاع. فلكل نسيج أو عضو من أعضاء الجسم، حساسية مختلفة للإشعاع، حيث تتضرر بعض الأجهزة في الجسم أكثر من غيرها عند التعرض لنفس الجرعة. وتساوي الجرعة الفعالة مجموع الجرعات المكافئة لكل نسيج (H_T) مضروبة في «العامل المرجح للنسيج (W_T)-The tissue weighting factor» الذي يمثل احتمالية تضرر كل عضو [1].

حيث تمثل D_TR الجرعة الممتصة التي يتلقاها النسيج T من الإشعاع ذي النوع R. وتقاس الجرعة الفعالة أيضا بوحدة السيفرت (Sv)

كخلاصة لما سبق، يمكن القول إن الجرعة الممتصة هي الجرعة الفيزيائية التي تم امتصاصها. بينما تعبر الجرعة المكافئة على الضرر البيولوجي لنسيج أو عضو ما. وتمثل الجرعة الالذي يلحق فردًا ما [1].

تقنيات قياس الجرعة الإشعاعية

تتعدد التقنيات المستخدمة في قياس الجرعة الإشعاعية. وتشمل تلك التي تقيس الجرعة في نقطة واحدة، والتي تقدم قياسات في مساحة معينة (على بعدين)، والتي تعطي قياسًا في حجم محدد (ثلاثية الأبعاد). وسنقتصر في هذا المقال على بضعة تقنيات، منها ما يقيس على نقطة واحدة، ومنها ما يقيس على بعدين.

تقنية قياس كمية الحرارة

يقوم مبدأ «تقنية قياس كمية الحرارة-Calorimetry» على الجرعة الممتصة تتحول إلى حرارة في بعض المواد كالغرافيت والماء. وبالتالي يمكن أن نستنتج الجرعة الممتصة من خلال قياس تغير درجة الحاصل للمادة بعد تعرضها للإشعاعات. ويُقاس تَغيُّر درجة الحرارة باستعمال مقاومات حرارية (أنصاف نواقل) تغيِّر من مقامتها بتَغيُّر درجة الحرارة. وهذه التقنية لا تستعمل من أجل أخذ القياسات الروتينية في المجال الطبي، بسبب بطئها في إعطاء النتائج، حيث يجب الانتظار حتى يصل النظام إلى توازن حراري [2].

المقاييس الكيميائية

بالنسبة «للمقاييس الكيميائية-Chemical dosimetry»، تُحدَّد الجرعة من خلال قياس التغير الكيميائي الحاصل في محلول بعد تعرضه للإشعاعات. ويعتبر «مقياس فريكي-Fricke dosimeter» الأكثر شهرة وشيوعًا، حيث يستخدم محلولا يحتوي كبريتات الحديد II التي تتأكسد عند تعرضها للإشعاع متحولة إلى  أيونات الحديد III. وتحدِّد كمية هذا الأخير الجرعة التي تم امتصاصها في المحلول [3].

حجيرات التأين

يقوم مبدأ «حجيرات التأين-Ionization chambers» على قياس الجرعة من خلال قياس طاقة الأيونات التي تتركها الإشعاعات أثناء مسارها في الجهاز. وتتكون حجيرة التأين من وعاء مليء بالغاز يخترقه عمود من الألمنيوم. ويشكل هذا الأخير مع غشاء الوعاء قطبين من أجل تطبيق فرق الجهد اللازم لعمل الجهاز [3].

بعد أن تتجاوز الإشعاعات حجيرة الغاز، تتأين ذرات هذا الأخير مشكلة زوجًا أيونيًا، حيث يتحرَّر أحد إلكترونات الذرة ذي الشحنة السالبة فتصير الذرة موجبة الشحنة، ويكَوِّنان معًا زوجا أيونيًا. وحتى لا تجتمع الأيونات الموجبة مع السالبة مجددًا، يتم تطبيق فرق جهد بين قطبي الجهاز، فتنجذب الأيونات السالبة نحو القطب الموجب والأيونات الموجة نحو القطب السالب. وتؤدي هذه الحركة إلى نشوء تيار كهربائي تتعلق شدته بالجرعة الممتصة [3].

أفلام التصوير

تستخدم أفلام التصوير من أجل إجراء قياس إشعاعي ثنائي البعد وهو ما يميزها عما سبق من التقنيات. ويتكون فيلم التصوير من طبقة بلاستيكية يغطيها طلاء يحتوي بلورات بروميد الفضة الحساسة للإشعاعات. عند تعرضها للإشعاع، تتأين بلورات بروميد الفضة مما يؤدي إلى اسمرار الفيلم بعد تحميضه. وتتناسب شدة الاسمرار -التي تقاس من خلال مقياس للكثافة الضوئية- مع مقدار الجرعة الممتصة [2].

كواشف التألق الحراري

تقوم «كواشف التألق الحراري (TLD)-Thermoluminescent dosimeter» على استخدام مواد بلورية قادرة على تخزين الطاقة التي تمتصها فيما يعرف بالأفخاخ الإلكترونية المنتشرة في بنيتها البلورية. وتتحرر الطاقة المخزنة بشكل تلقائي بعد مدة معينة على شكل ضوء. ومن أجل تسريع عملية تحرير الطاقة يتم تسخين هذه الكواشف، فتنبعث إشعاعات ضوئية يمكن الكشف عنها باستخدام أنبوب مضاعف ضوئي يحول الضوء إلى تيار كهربائي [2] [3].

كواشف أنصاف النواقل

تعتمد هذه التقنية على خصائص أنصاف النواقل في قياس الجرعة، حيث يؤدي التعرض للإشعاع إلى خلق فرق جهد داخل بنية الجهاز. يمَكِّن فرق الجهد هذا من إنتاج تيار كهربائي يتناسب مع الطاقة الممتصة في الكاشف [3].

المصادر

[1] An Introduction to Radiation Protection  

[2] Manufacturing of different gel detectors and their calibration for spatial radiation dose measurements

[3] Review of Radiation Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students 

تؤثر البالستيات في العديد من مجالات الدراسة، والتي تتراوح من تحليل منحني مسار كرة البيسبول إلى تطوير أنظمة توجيه الصواريخ في الجيش. [2]

لنتعرف في هذا المقال على علم المقذوفات ومجالات دراسته.

علم «البالستيات-Ballistics» (القذائف)

هو العلم الذي يدرس حركة وتأثير المقذوفات. ويقسم إلى عدة تخصصات، وهي البالستيات الداخلية والخارجية، وتبحثان في دفع وطيران المقذوفات. ويسمى الانتقال بين هذين النظامين البالستيات الوسيطة. والبالستيات النهائية، وتدرس تأثير المقذوفات على الأجسام المستهدفة.

و«القذيفة-Projectile» هي الجسم الذي تم إطلاقه أو إسقاطه، والذي يستمر في الحركة بسبب عطالته. ويحدد مسارها بواسطة سرعتها الابتدائية واتجاهها وقوى الجاذبية ومقاومة الهواء. فمثلاً، بالنسبة للأجسام المقذوفة بالقرب من الأرض ومع مقاومة هواء مهملة، يتخذ المسار شكل قطع مكافئ. [1]، [2]

دفع القذائف

تعد البندقية والمحرك الصاروخي مثلًا نوعان من المحركات الحرارية، يحوّلان جزئيًا الطاقة الكيميائية للوقود الدافع إلى طاقة حركية للقذيفة. وتختلف المواد الدافعة عن أنواع الوقود التقليدية من حيث أن احتراقها لا يتطلب الأوكسجين الجوي. ويؤدي إنتاج الغازات الساخنة عن طريق الوقود المحترق إلى زيادة الضغط الذي يدفع القذيفة ويزيد من معدل الاحتراق. كما تسبب الغازات الساخنة تآكل تجويف البندقية.

عندما تشتعل شحنة المادة الدافعة في حجرة البندقية، تحصر غازات الاحتراق بواسطة الطلقة؛ فيرتفع الضغط. وتبدأ الطلقة في التحرك عندما يتغلب الضغط على مقاومتها للحركة. يستمر الضغط في الارتفاع لبعض الوقت ثم ينخفض، وذلك بينما تسرّع الطلقة لتصل إلى سرعة عالية. سرعان ما ينفد الوقود الدافع الذي يحترق بسرعة، وفي الوقت المناسب تخرج الطلقة من الفوهة. وقد سجّلت سرعات تصل إلى 15 كيلومترًا (9 أميال) في الثانية. تعمل البنادق المقاومة للارتداد على تنفيس الغاز عبر الجزء الخلفي من الحجرة لمقاومة قوى الارتداد.

يحدث الانفجار الأولي الذي يسبق خروج الطلقة، ثم يتبعه الانفجار الرئيسي، حيث تطلق الغازات المضغوطة خلف الطلقة. يتخطى التدفق الغازيّ السريع الطلقة لفترة وجيزة وبالتالي قد تعاني من تذبذب شديد. وتسمع موجة الصدمة الانفجارية، التي تنتقل إلى الخارج بسرعة أكبر من سرعة الصوت، كطلقات نارية. وتتسبب الحرارة المتولدة قرب الفوهة في حدوث وميض تصاحبه ألسنة اللهب في المدافع الكبيرة. كما يمكن تثبيت الأجهزة على الفوهة لكتم الانفجار والوميض عن طريق تشتيت موجات الصدمة، ويمكنها تقليل الارتداد عن طريق تشتيت التدفق. [1]

تعرّف البالستيات الوسيطة أو الانتقالية بأنها حالة انتقالية بين البالستيات الداخلية والخارجية قرب الفوهة. إذ يدل انبعاث الغاز من السبطانة أمام القذيفة وتفريغ الغازات الدافعة خلفها على هذه التغيرات الانتقالية. وفي هذا الصدد، فإن التأثير على مغادرة القذيفة للمدفع واستخدام زخم الغازات الدافعة لهما أهمية خاصة. [3]

السقوط الحر للأجسام

لفهم حركة المقذوفات من الضروري أولاً فهم حركة «السقوط الحر-Free Fall» للأجسام، وهي أجسام نسقطها ببساطة من ارتفاع معين فوق الأرض. في أبسط الحالات، عندما تكون مقاومة الهواء مهملة وعندما تكون الأجسام قريبة من سطح الأرض، بيّن الفلكي والفيزيائي الإيطالي «جاليليو جاليلي-Galileo Galilei» (1564-1642) أن جسمين يسقطان نفس المسافة وفي نفس الفترة الزمنية، بغض النظر عن وزنيهما. تزيد سرعة الجسم الساقط زيادات متساوية في فترات زمنية متساوية. على سبيل المثال، ستبدأ الكرة التي تسقط من أعلى مبنى من السكون، وتزيد سرعتها إلى 32 قدمًا (9.8 مترًا) في الثانية بعد ثانية واحدة، ثم إلى سرعة 64 قدمًا (19.6 مترًا) في الثانية بعد ثانيتين، ثم إلى سرعة 96 قدمًا (29.4 مترًا) في الثانية بعد ثلاث ثوانٍ، وهكذا. وبالتالي، نجد أن التغير في السرعة هو دائمًا 32 قدمًا في الثانية. يعرف التغير في السرعة لكل فترة زمنية بالتسارع وهو ثابت. ويساوي هذا التسارع 1 g حيث يرمز g إلى التسارع الناتج عن قوة الجاذبية الأرضية.

يصبح تسارع الجاذبية g أصغر مع زيادة المسافة عن الأرض. ولكن بالنسبة لمعظم التطبيقات الأرضية يمكن أن نعد قيمة g ثابتة (تتغير فقط بنسبة 0.5٪ مع تغير الارتفاع بمقدار 10 أميال [16 كم]). من ناحية أخرى يمكن أن تختلف «مقاومة الهواء-Air Resistance» اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على الارتفاع والرياح وخصائص وسرعة المقذوف نفسه. فمن المعروف أن المظلّيّين يمكنهم تغيير ارتفاعهم بالنسبة إلى المظليين الآخرين ببساطة عن طريق تغيير شكل أجسامهم. ومن المعروف أيضًا أن الصخرة ستسقط بسرعة أكبر من سقوط الريشة. فعند البحث في مسائل المقذوفات، من الضروري فصل التأثيرات الناتجة عن الجاذبية -وهي بسيطة جدًا- والتأثيرات الناتجة عن مقاومة الهواء، وهي أكثر تعقيدًا. [2]

المصادر

[1]

[2]

[3]

في البداية عندما نذكر مصطلح إشعاع الجسم الأسود قد يخطر على بالك كرة سوداء مشعة بطاقة عظيمة. حسناً ليس هذا بالضبط ما يشير إليه هذا المصطلح، حيث أن الجسم الأسود هو جسم وهمي مثالي يعمل على امتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي الساقط عليه. ويطلق هذه الطاقة على شكل إشعاع حراري يشمل كل الأطوال الموجية وذلك الإشعاع يتناسب مع حرارته.

ولفهم نظرية إشعاع الجسم يجب علينا توضيح بعض النقاط أولاً، مثل الطيف الكهرومغناطيسي، ونوع الأجسام من حيث الطاقة الصادرة عنها، وغيرها من الموضوعات المهمة التي سنذكرها في هذا المقال.

الطيف الكهرومغناطيسي

يتكون الطيف الكهرومغناطيسي من إشعاعات كهرومغناطيسية تحمل ترددات وأطوال موجية مختلفة، وتشترك فقط بالسرعة (٣٠٠,٠٠٠ كم/ث). ولكن مهلاً.. ما هو الإشعاع الكهرومغناطيسي؟ حسناً، الإشعاع الكهرومغناطيسي هو  نوع من أنواع الطاقة التي توجد حولنا بصورة كبيرة. ولها عدة أشكال، مثل: أشعة المايكروويف، والأشعة السينية، وأشعة جاما، حتى أن أشعة الشمس نوع من أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي. ويشكل الضوء المرئي جزء صغير جداً من الطيف الكهرومغناطيسي. تتكون هذه الإشعاعات نتيجة تعامد المجالين الكهربي والمغناطيسي. ويملك الشعاع الناتج خواص تكسبه طبيعته وهي الطول الموجي والتردد. ويوجد العديد من أنواع الإشعاعات الكهرومغناطيسية والتي تشكل مجتمعة الطيف الكهرومغناطيسي. [4]

الأجسام في الطبيعة

تنقسم الأجسام في الطبيعة من حيث الإشعاعات الصادرة عنها إلى قسمين. أجسام متوهجة، وأجسام غير متوهجة. الأجسام المتوهجة هي تلك الأجسام التي تفقد الطاقة على شكل ضوء مرئي وحرارة، مثل النجوم على سبيل المثال أو حتى ورقة مشتعلة. أما الأجسام غير المتوهجة فهي تلك الأجسام التي تفقد طاقتها على شكل صورة أخرى من صور الإشعاع الكهرومغناطيسي ( إشعاع حراري ) ويمكن رؤية ورصد هذه الإشعاعات الصادرة عن الأجسام غير المتوهجة باستخدام معدات خاصة مثل النظارات الحرارية. كما يمكن الكشف عنها أيضاً باستخدام الأشعة تحت الحمراء.

والآن وبعد أن فهمنا سريعًا الطيف الكهرومغناطيسي والجسم الأسود وأنواع المواد في الطبيعة، يمكننا فهم معضلة الجسم الأسود.

معضلة إشعاع الجسم الأسود في الفيزياء الكلاسيكية

في الواقع وضعت الفيزياء الكلاسيكية تفسيراً مرفوضاً لظاهرة إشعاع الجسم الأسود. وذلك لأن هذا التفسير تعارض مع قانون حفظ الطاقة الذي ينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من عدم. إذ قام مجموعة من العلماء بوضع معادلة تناسب الأطوال الموجية الكبيرة، ولكن عندما يتم تطبيقها على الأطوال الموجية القصيرة فإنها تعطي نتيجة منافية للواقع. حيث تقول بأن الأجسام تشع بشكل لا نهائي ولتتمكن من ذلك فإنها تحتاج إلى طاقة لا نهائية وهذا ما يخالف قانون حفظ الطاقة. [2] [3] والآن يمكننا البدء في نظرية إشعاع الجسم الأسود.

نظرية إشعاع الجسم الأسود

 لاحظ العلماء أن الأجسام الساخنة تطلق إشعاعات بمختلف الأطوال، وذلك باختلاف درجة حرارتها. فنحن نعتبر أن تلك الأجسام الساخنة والتي تشع بإشعاعات كهرومغناطيسية بعدة أطوال موجية وترددات مختلفة، هي أجساماً سوداء ( تطلق طاقة على شكل إشعاعات كهرومغناطيسية باختلاف درجة حرارتها ).
بدأ الأمر في بداية القرن العشرين، حيث كانت مسألة إشعاع الأجسام الساخنة تشغل الفيزيائيين وقتها. وكان من المعروف بأن الحرارة تسبب اهتزاز جزيئات وذرات المادة الصلبة. وقد قال ماكسويل بأن هذه الأجسام تطلق موجات كهرومغناطيسية بسرعة الضوء. أي أنه عند تسخين جسم غير متوهج، فإن الطاقة الناتجة عن اهتزاز جزيئات الجسيم تنطلق على شكل أمواج كهرومغناطيسية بأطوال موجية مختلفة.

ويجدر الإشارة إلى أن شدة الأمواج الصادرة عن الجسم تختلف باختلاف درجة حرارة الجسم والطول الموجي للموجة المنبعثة. ويمكن توضيح ذلك باستخدام منحنى بلانك.[1] [2] [3]

منحنى بلانك

مثّل العالم ماكس بلانك العلاقة بين شدة إشعاع الجسم الأسود والطول الموجي للموجات المنبعثة في هذا المخطط:

فعند تحليل هذا المنحنى نجد بأن الجسم الأسود لا يشع موجات ذات أطوال موجية كبيرة جداً أو صغيرة جداً، ونلحظ وجود علاقة طردية بين شدة الإشعاع ودرجة حرارة الجسم الأسود. حيث كلما زادت درجة الحرارة زادت شدة الإشعاع.

وعند زيادة درجة حرارة الجسم الأسود، تنخفض قيمة الطول الموجي للموجة التي يكون عندها أعلى شدة إشعاع. [3]

ولكن ماذا نستفيد من إشعاع الجسم الأسود؟ في الواقع تدخل هذه النظرية في الكثير من مجالات الحياة.

تطبيقات إشعاع الجسم الأسود في حياتنا اليوم

• في الطب، حيث تدخل هذه التجربة في مجال علاج الأورام وعلوم الأجنة.
• تدخل في الأجهزة العسكرية والأمنية، مثل أجهزة الرؤية الليلية والرؤية بالأشعة تحت الحمراء.
• تدخل في الأبحاث والجرائم الجنائية، حيث يبقى الأثر الحراري للأجسام ( مثل الدم ) بعد إزالة أثرها لفترة.
• كما تستخدتحديد الأماكن الغنية بالموارد الطبيعية وذلك بمسح سطح الأرض باستخدام الأشعة تحت الحمراء.[1]

المصادر

1. Wikipedia
2. Galilio.phys.virginia.org
3. Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Livescience.com

ما هي الثقوب البيضاء؟

الثقوب البيضاء هي أجسام فرضية غريبة، أول من افترض وجودها العالم ألبرت آينشتاين في نظرية النسبية. حيث تمثل الثقوب البيضاء الأجسام المضادة للثقوب السوداء على الرغم من أنها تتشارك معها في الخصائص ولكن تأثيرها في الفضاء عكس تأثير الثقوب السوداء. فالثقب الأسود يعمل على جذب الأشياء والعناصر الموجودة في الفضاء إلى داخله، ولا يمكن لأي شيء الهروب من تأثير وقوة جذب الثقب الأسود. أما الثقوب البيضاء فإنها تعمل على قذف العناصر الموجودة في الفضاء بعيداً عنها. ومن المستحيل على أي شيء في الفضاء الاقتراب من منطقة أفق الحدث (وهي المنطقة المحيطة بالثقب بغض النظر عن نوعه) .[1] [2] [3]

الثقب الأبيض أحد المكونات الأساسية للثقوب الدودية

كما ذكرنا سابقاً فإن آينشتاين هو من تنبأ بوجود الثقوب البيضاء في الفضاء. وغالباً كان وما زال يتم ذكرها عند الحديث عن الثقوب الدودية على أنها أحد العناصر الأساسية في هذه الممرات. حيث أن الثقب الدودي هو ممر افتراضي موجود في الفضاء يعمل على نقل الأجسام من منطقة إلى أخرى في كوننا. وكما ذكرنا سابقاً بأن الثقوب البيضاء تعمل على قذف الأجسام بعيداً عنها على عكس الثقوب السوداء.

لكن ما علاقة الثقوب البيضاء بالثقوب السوداء؟ وما علاقة هذين الثقبين بالثقوب الدودية؟ في الواقع لا وجود للثقوب الدودية دون وجود الثقوب السوداء والثقوب البيضاء. وذلك لأن الثقب الدودي يتكون بالأساس من ثقب أسود (يمثل نقطة دخول) وثقب أبيض (يمثل نقطة خروج) حيث أنهما متصلين مع بعضهما البعض بواسطة نسيج الزمكان. فعلى سبيل المثال يجذب ثقب أسود موجود في مكان ما في عالمنا جسم معين يسبح في الفضاء. ويمر هذا الجسم عبر ممر يخترق نسيج الزمكان ويخرج في مكان آخر في هذا الكون عبر ثقب أبيض. ويمكن أيضاً أن يسافر إلى أكوان أخرى![2]

الثقوب البيضاء وأبعاد كوننا الأربعة

عند الحديث عن الثقوب البيضاء والثقوب السوداء يجب علينا أن نذكر الأبعاد الأربعة للكون ومن المهم استيعاب فكرة تكون نسيج الزمكان. حيث أن الأبعاد المعروفة لنا حالياً وتم فعلاً رصدها هي أربعة أبعاد، أبعاد المكان الثلاثة، وهي الطول والعرض والارتفاع. والبعد الرابع وهو الزمن. وهذه الأبعاد تشكل معاً نسيجاً معقداً يمكن تخيله على أنه المادة التي تحيط بكل شيء. وهذا النسيج ينحني بفعل قوى الجاذبية الكبيرة للعناصر الموجودة في الفضاء مثل النجوم والكواكب. والدليل على ذلك هو ظاهرة الكسوف الكلي للشمس. حيث أننا وبالرغم من حجب القمر كامل الشمس نرى حلقة ضوء حول القمر. وذلك لانحناء الضوء بفعل انحناء نسيج الزمكان حول القمر نتيجة لجاذبيته.

ولكن ما علاقة نسيج الزمكان بالثقوب البيضاء والسوداء؟ إن الإجابة على هذا السؤال قد ذكرناها بالفعل سابقاً. وهي أن نسيج الزمكان يربط بين الثقوب البيضاء والسوداء. ويمثل الممر في الثقوب الدودية. [1]

هل يمكن أن يولد ثقب أبيض من ثقب أسود؟

في الواقع يؤمن بعض الباحثون بأن المزيج بين النظرية النسبية والنظرية الكمية وضعت طريقة تفكير جديدة حول الثقوب البيضاء بدلا من كونها مجرد باب للخروج فقط في الثقوب الدودية. حيث أنها يمكن أن تكون إعادة بالعرض البطيء لحياة سابقة لثقب أسود ما. ولكن كيف يحدث ذلك؟

تبدأ هذه العملية عند انهيار نجم عظيم كهل تحت تأثير كتلته الرهيبة. وعندها يتشكل ثقب أسود ذو كتلة وكثافة لا نهائيتين. ثم تبدأ التأثيرات الكمية بالتأثير على سطح هذا الثقب وتعمل هذه التأثيرات على وقف مسار تكون ثقب أسود مفرد. وبدلاً من ذلك يتحول الثقب الأسود إلى ثقب أبيض يقذف ويشع بالمادة الأصلية للنجم. [2]

تأثير الوقت في الثقب الأبيض

يتواجد الثقب الأبيض عندما يتواجد تركيز كبير من المادة في منطقة واحدة. وذلك يسبب حدوث تسارع في الزمن. وما يدل على ذلك الساعتان الذريتان الموجودتان في كولورادو وانجلترا. فالساعة الموجودة في انجلترا توجد على مستوى سطح البحر. أما التي في كولورادو توجد على ارتفاع 5000 قدم فوق سطح البحر. وبسبب اختلاف تركيز المادة فإن الساعة الثانية تتقدم بفارق 5 مايكرون من الثانية في السنة عن الساعة الأولى. ونظرياً فإن كنت تعيش على الشمس فإن الوقت سيمر بوتيرة أبطأ مما كان عليه على الأرض. وإن كنت تعيش داخل ثقب أبيض كبير بما يكفي فإنه ربما تمر ملايين بل مليارات السنين خارج الثقب ولكنك ستشعر وكأنها بضع أيام لا أكثر![1]

وفي النهاية تبقى الثقوب البيضاء مجرد أجسام يتوقع وجودها دون التأكد من ذلك حتى الآن، فهل تصدق نبوءة أينشتاين مرة أخرى؟

المصادر

1. Wikipedia
2. BBC Science
3. UNIVERSE TODAY

ميكانيكا الكم هي أحد أغرب علوم الفيزياء الحديثة. فهي علم يتكون من عدد من النظريات الفيزيائية المترابطة ظهرت لتفسير الظواهر الفيزيائية على مستوى الذرة و الجسيمات دون الذرية. قال عنه العالم ريتشارد فاينمان أن ميكانيكا الكم هي النظرية التي يستخدمها الجميع ولا يفهمها أحد! لأن نتائجها غير مقبولة من قبل الجمهور غير العلمي وحتى طلاب الفيزياء أحياناً. وذلك غالباً لأننا نطبق تفسير الظواهر التي نراها ونتعامل معها يومياً على كل شيء في الكون. ولكن الميكانيكا التي نحتاجها لتفسير الظواهر على المستوى الذري ودون الذري تختلف عن الميكانيكا التي نتعامل معها يومياً والتي وضعها نيوتن. حيث أن الظواهر التي تحدث على المستوى الذري ودون الذري لا يمكن تفسيرها بما نملكه من علم نستخدمه يومياً. ولذلك فإن ميكانيكا الكم تعد من العلوم الفيزيائية الغريبة إلى حد ما. ولكن ما هي ميكانيكا الكم ؟[1]

ما هي ميكانيكا الكم ؟

ميكانيكا الكم هي نظرية تدرس المادة والطاقة على مستويات صغيرة جداً. وتدرس سلوك وبنية المكونات الأساسية والأولية للطبيعة كالذرة ومكوناتها وبعض القوى الأساسية في الطبيعة. وتنتشر الظواهر الكمية حولنا بشكل أساسي وكبير، ولكن من شبه المستحيل رصدها من قبل الأشخاص أمثالنا. حيث أنها تقتصر على الجسيمات كالإلكترونات والبروتونات والفوتونات. وذلك ما يعطي انطباع على أن ميكانيكا الكم علم غريب أو أنها من عالم آخر. ولكن في الحقيقة فإن ميكانيكا الكم تملأ الكثير من الفجوات في طريقة فهمنا للفيزياء لتعطينا بذلك تفسيراً أكثر وضوحًا لحياتنا اليومية.

وقد تم إدخال الاكتشافات الكمية في طريقة فهمنا الأساسية للمواد، كالكيمياء، والأحياء، وعلوم الفضاء. وشكلت ميكانيكا الكم مصدر ثمين وحجر الأساس للكثير من الاختراعات مثل الليزر والترانزستور. ويدرس العلماء احتمالية تفسير ميكانيكا الكم للجاذبية واتصالها مع المكان والزمان. ويصل الجنون في هذه النظرية إلى حد إمكانية تفسيرها أن كل شيء في الكون (أو في الأكوان الأخرى) مرتبط بشكل أو بآخر بكل شيء عبر مجموعة من الأبعاد العليا التي لا يمكن لحواسنا إدراكها.[1] [2]

تاريخ ميكانيكا الكم

تم وضع ميكانيكا الكم في أواخر القرن التاسع عشر وبدايات القرن العشرين. حيث قدم العالم الألماني ماكس بلانك عام 1900 م الفرضية الكمومية التي تنص على أن أي نظام ذري يشع، يمكن تقسيمه نظرياً إلى عدد من وحدات الطاقة بحيث تتناسب كل وحدة طردياً مع التردد الذي تنتجه في مستويات طاقة محددة. ويمكن حساب قيمة وحدات الطاقة باستخدام ثابت طرحه بلانك سمي باسمه “ثابت بلانك”. ولكن لم يهتم بلانك في البداية، ولكن تغير ذلك مع مرور الزمن ومع تمكن النظرية الكمومية من تفسير العديد من الظواهر التي لم يكن لها تفسير في الفيزياء الكلاسيكية. حتى جاء العالم آينشتاين عام 1905 م وقدم تفسيراً مؤيداً لبلانك للنظرية الكهروضوئية. حيث أشار آينشتاين إلى أن الضوء ليس موجة متصلة، ولكنه عبارة عن جسيمات أطلق عليها اسم الفوتونات تحمل طاقات محددة يمكن حسابها باستخدام ثابت بلانك.

غيّرت النظرية الكمومية تصورنا للذرة التي تتكون من نواة محاطة بالإلكترونات. وقد صوّرت هذه النظرية الإلكترونات على أنها جسيمات تدور حول الذرة بشكل منتظم من دون إمكانية تحديد مكانها في الذرة بشكل دقيق. حيث أن ما تقدمه هذه النظرية مجرد احتمالات عن مكان وجود الإلكترونات. وقالت النظرية أيضاً بأنه يمكن للإلكترونات أن تنتقل بين مستويات الطاقة المختلفة وذلك لأن الذرات تفقد أو تكسب إلكترونات في الكثير من المواضع. ولكن لا يمكن إيجاد الإلكترونات بين المدارات بشكل عشوائي لأن ذلك سيعمل على إسقاط بنية الذرة المستقرة.[2] وقد عمل الكثير من العلماء على تطوير هذه النظرية ومن أهمهم:

• ماكس بلانك
• ألبرت آينشتاين
• نيلز بور
• لويس دي بروي
• ماكس بورن
• بول ديراك
• ويرنر هايزنبيرغ
• باولي
• شرودنجر
• ريتشارد فاينمان

غرابة وجنون نظرية الكم!

تقول ميكانيكا الكم بأن حياتنا اليومية ما هي إلا جزء ضئيل من الكون. وتقول هذه النظرية بأنه لا وجود للحاضر والماضي والمستقبل بأشكاله المستقلة. فكل شيء مرتبط ببعضه البعض، حيث أنه يمكن للمستقبل أن يؤثر بالماضي والعكس. فكيف يكون ذلك؟

في الماضي كان الاعتقاد السائد بأن المادة عبارة عن وحدات دائرية الشكل مصمتة لا يمكن تجزئتها إلى وحدات أصغر وسميت بالذرات. ولكن مم تتكون؟ وقتها لم يكن أحد يعرف إجابة هذا السؤال. ولهذا السبب فشل العلماء في تفسير توهج مصباح أديسون. وتصارع العلماء في محاولة تفسير هذه الظاهرة. حتى جاء بلانك ونجح في تفسير الطاقة (الضوء) حيث قال مثلما ذكرنا سابقاً بأن الضوء يتكون من جسيمات صغيرة، وأيد هذه النظرية العالم نيلز بور حيث قدم تفسيراً منطقياً لكيفية انطلاق الضوء من الذرات. فقال بأن الإلكترونات إذا اكتسبت طاقة بقيمة معينة فإنها تنتقل من مستوى طاقة إلى آخر. وبما أن الذرة تميل إلى الاستقرار فإن هذه الإلكترونات ستعود إلى مدارها الأصلي. وعندما تعود ستطلق الطاقة التي اكتسبتها على شكل ضوء. وهذا ما أيّد وبشدة ما قاله بلانك.

وبعدها خرج آينشتاين بنظرية الكهروضوئية ليؤيد بذلك نظرية ميكانيكا الكم أيضاً. ولكن بعد وضع النظرية الكهروضوئية فتحت أبواب الجحيم في الفيزياء. فقد استنتج آينشتاين بأن الضوء عبارة عن جسيمات. ولكن جاء بعدها العالم هوك أثبت بأن الضوء عبارة عن أمواج أي أنها عبارة عن اضطرابات، ولكن اضطراب ماذا؟ بما أن هناك اضطراب فيجب أن يحدث على مادة مثل موجات البحر الناتجة عن اضطراب الماء. ولكن لأن الضوء ليس مادة فما الشيء الذي يحدث له الاضطراب والذي ينتج الضوء؟! فعاد آينشتاين وافترض الطبيعة المزدوجة للضوء. ولكن بعدها قال دي بروي بأن الإلكترون يمكن أن يكون موجة وبالتالي فإن الذرة عبارة عن موجة. وبذلك فإن المادة عبارة عن أمواج، وبذلك فنحن وكل شيء حولنا عبارة عن أمواج! [2]

قطة شرودنجر

أحد التجارب الغريبة في عالم ميكانيكا الكم، حيث تخيل العالم شرودنجر وضع قطة في صندوق مغلق يحتوي على عداد غايغر ( وهو جهاز حساس يعمل على رصد الإشعاعات والإلكترونات المقذوفة بشكل دقيق ) وعلى مطرقة ومادة مشعة وزجاجة تحتوي على حمض الهيدروسيانيك، حيث يكون احتمال تحلل ذرة واحدة واطلاقها للإلكترونات خلال ساعة أمراً ممكناً، وعند رصد عداد غايغر للإلكترونات المقذوفة يعمل على تحطيم زجاجة الحمض بواسطة المطرقة وبذلك تموت القطة على الفور. وتكون المعضلة بذلك معرفة ما إذا كانت القطة ميتة أم على قيد الحياة بعد مرور الساعة دون فتح الصندوق !

من وجهة نظر ميكانيكا الكم فإن القطة بعد مرور الساعة تكون في حالة مركبة بين الحياة والموت ! أي أن القطة ليست حية وليست ميتة أيضاً وإنما حية وميتة في نفس الوقت.

وتباينت آراء العلماء بخصوص ميكانيكا الكم بشكل عام وبخصوص هذه التجربة بشكل خاص، فمثلاً قال ستيفن هوكينغ “إذا جاء إلي أحد وأراد ذكر قطة شرودنجر سأرفع عليه بندقيتي!”

وفي النهاية ومهما خضنا في هذا العلم فإنه سيكون من الصعب جداً فهمه بشكل كامل.

المصادر

1. Wikipedia
2. Caltech

النموذج المعياري

هو مجموعة من النظريات التي تتشارك في الأساس الرياضي لها. وتقوم بوصف دقيق لثلاث قوى من قوى الطبيعة الأربعة الأساسية. وهذه القوى هي: القوة الكهرومغناطيسية، والقوة النووية الكبرى، والقوة النووية الصغرى. وتصف هذه النظرية أيضاً الجسيمات الأولية التي تدخل في تركيب الجسيمات الدون ذرية. وبالتالي التي تدخل في تركيب المادة ( أي أنها تشرح كيفية بناء المادة ). وقد تم تطوير هذه النظرية بين عامي 1973 و 1974 كإحدى النظريات التي تتوافق مع أهم نظريتين في الفيزياء الحديثة، وهما نظرية ابنسبية لآينشتاين وميكانيكا الكم لماكس بلانك. وأكدت جميع التجارب المجراة صدق هذه النظرية، ولكن يكمن نقص هذه النظرية في عدم تمكنها من تفسير جميع القوى الأساسية الأربعة في الطبيعة. حيث أنها لم تتمكن من تفسير قوة الجاذبية. و ذلك لاعتبار العلماء عملية دمج النسبية العامة التي تعالج الجاذبية مع ميكانيكا الكم التي تدرس الجسميات على المستوى الذري والدون ذري أحد أكبر معضلات الفيزياء. وقد تم حل هذه المعضلة بشكل نظري عن طريق نظرية الأوتار الفائقة التي اكتشفت فيما بعد.[1] [2]

الجسيمات الأولية في الذرات

عام 400 قبل الميلاد قال ديموقراطس بأن كل شيء يتكون من ذرات. ولكن وقتها لم يكن يعلم مم تتكون هذه الذرات، جتى جاء تومسون عام 1897 ليمهد لنا معرفة وفهم بنية الذرة. وذلك لاكتشافه الإلكترون. حيث أصبح بعد ذلك الأمر أكتر وضوحاً حيث تمكنا من معرفة أن الذرات تتكون من مجموعة من الإلكترونات التي تدور حول جسيم مركزي وهو النواة. وتمكنّا من معرفة أن النواة تتكون من جسيمات أصغر وهي البروتونات الموجبة والنيوترونات المتعادلة. وفهمنا بأن ما يحدد نوع الذرة هو عدد البروتونات داخل نواتها. فعلى سبيل المثال إذا وجد بروتون واحد في الذرة فإنها ستعطينا ذرة هيدروجين. أما إذا كان هناك 79 بروتون في النواة فإن هذه الذرة ستكون ذرة ذهب. ولكن مم تتكون هذه الجسيمات الدون ذرية؟

للإجابة على هذا السؤال صمم العلماء تجربة لتفتيت هذه الجسيمات الأولية لمعرفة مم تتكون. فقد قاموا ببناء مسارع الجسيمات CERN وهو بالمناسبة أحد أضخم المشاريع التي عرفتها البشرية، حيث أن هذا المسارع هو نفق دائري يمر بعدة دول ( لتخيل حجم هذا الجهاز ). ووظيفة هذا المسارع هو قذف الجسيمات بسرعة قريبة جداً من سرعة الضوء وجعلها تتصادم لتتفتت. بالفعل نجح العلماء بتفتيت البروتون ونتج عن ذلك جسيمات أولية سميت بالكواركس Quarks. وبعدها تم اكتشاف عائلة أخرى من الجسيمات الأولية القريبة من الكواركس سميت بالليبتونز Leptons ( والتي ينتمي إليها الإلكترون بالمناسبة ). ولكن ما علاقة هذه الجسيمات الأولية بالقوى الأساسية وبالنموذج المعياري؟

حسناً… للإجابة على هذا السؤال علينا أن نسأل أنفسنا عدد من الأسئلة الأخرى. مثل كيف تتلاصق الجسيمات دون ذرية مثل البروتونات والنيوترونات في النواة ببعضها البعض؟ وما الذي يحول دون انهيار بنية الذرة؟ إجابة هذه الأسئلة هي مجموعة من التفاعلات التي تحدث في الذرات. وينتج عن كل تفاعل شكل من أشكال القوى الأساسية في الطبيعة. وتتم هذه التفاعلات عن طريق تبادل نوع من أنواع نواقل الطاقة في الذرات، وتحدد القوة الناتجة عن التفاعل بالإستناد إلى نوع الناقل المستخدم في هذه التفاعلات.[2]

نواقل الطاقة منبع القوى الأساسية

ذكرنا سابقاً أن القوى الأساسية ناتجة عن تفاعلات تبدال نواقل طاقة. وأن كل نوع من أنواع هذه النواقل يعكس شكلاً من أشكال القوى الأساسية. وتكمن أهمية هذه التفاعلات في الحفاظ على البنية السليمة والطبيعية للذرة. والحيول دون انهيارها وفنائها. وتتفاعل هذه النواقل بين الجسيمات الأولية المكونة للجسيمات الدون ذرية ويكون نتيجة تلك التفاعلات شكل من أشكل الطاقة. حيث أن القوة الكهرومغناطيسية ناتجة عن نوع من أنواع نواقل الطاقة تسمى الفوتونات ( نعم الضوء ولكن بمفهومه الشامل ). والقوة النووية الكبرى ناتجة عن نواقل طاقة تسمى جلوون Gluon. أما القوة النووية الصغرى ناتجة ناتجة عن تفاعلات تبادل البوزونات. أما الجاذبية فالمسؤول عنها ما يسمى بالجرافيتون حيث لم يتم رصده بعد وقد افترض هذا الجسيم في نظرية الأوتار الفائقة.

النموذج المعياري والقوة الكهرومغناطيسية

في البداية.. وضعت نظرية الكهرومغناطيسية من قبل العالم الأسكتلندي جيمس ماكسويل في منتصف القرن التاسع عشر. حيث قام بجمع المعادلات الرياضية التي تصف الظواهر الكهربائية والمغناطيسية معاً. وقام بتصحيح تلك المعادلات وخرج لنا بمجموعة من المعادلات شكلت الأساس البحت للنظيريتين. وصاغ من هذه المعادلات نظرية الكهرومغناطيسية. وقد استنتج عدداً من الأمور، فمثلاً قال بأن القوة الكهربائية والقوة المغناطيسية وجهان لعملة واحدة. ووجود أحدهما يعتمد على وجود الآخر. وقال أيضاً بأن أي ظاهرة مغناطيسية أو كهربائية يمكن أن تفسر باستخدام المعادلات التي وضعها دون الحاجة للإستعانة بغيرها. وقد أثبت من خلال معادلاته ( بشكل نظري قبل أن يتم إثبات ذلك بشكل عملي بعد وفاته ) بأن الضوء يتكون من موجات كهرومغناطيسية.

ولا بد أن نذكر بأن القوة الكهرومغناطيسية ناتجة عن قذف نواقل الطاقة التي تسمى الفوتونات من الذرات.[1] [5]

النموذج المعياري والقوة النووية الكبرى

نحن نعلم ( وكما ذكرنا سابقاً ) بأن الذرة تتكون من مجموعة من الإلكترونات التي تدور حول نواة. وأن هذه النواة تتكون من بروتونات ونيوترونات متلاصقة. ولكن كيف تتلاصق هذه الجسيمات؟ في الواقع تحكم الجسيمات في النواة بواسطة القوة النووية الكبرى ويكون مجال تأثير هذه القوة صغير جداً حيث أنه لا يتعدى حدود النواة. ولا يصل إلى الإلكترون الذي في مدار الذرة الأول. ولذلك واجه العلماء صعوبة في اكتشافها حيث أنها لم تكتشف إلا في القرن العشرين.

في الحقيقة إن هذه القوة لا تؤثر على البروتونات والنيترونات بشكل مباشر. وإنما تؤثر على الجسيمات الأولية ابمكونة للبروتونات والنيترونات وهي الكواركس. حيث أن الكواركس تتفاعل فيما بينها عن طريق تبادل نواقل طاقة من نوع جلوون. ويكون نتيجة تلك التفاعلات القوة النووية الكبرى التي تؤثر هلى الكواركس وتجعلها تتلاصق.

وقد وضعت النظرية التي تبنى عليها أسس هذه القوة على يد العالمين يانج ومايلز. والتي وصفت القوة النووية الكبرى بدقة.[1] [5]

النموذج المعياري والقوة النووية الصغرى

وكما الحال في القوة النووية الكبرى. ينحصر مجال هذه القوة على النواة فقط. وتكون وظيفة هذه القوة تنظيم الإشعاع. حيث أن بعض الذرات تقوم بقذف الجسيمات من داخلها من وقت لآخر. ويتم قذف هذه الجسيمات باستخدام الطاقة الناتجة عن تفاعلات تبادل جسيمات طاقة تسمى البوزونات بين الكواركس داخل النواة. أي أن هذه الجسيمات تقذف بواسطة القوة النووية الصغرى. وبالتالي فإنها المسؤولة عن إشعاع الذرات. مثل ذرات اليورانيوم و الراديوم. ولكن كما نعلم أن هذه الإشعاعات أغلب استخداماتنها تكون في المجال العسكري إلى جانب توظيفها في المجال الطبي. فلماذا هي مهمة لدرجة حتمية؟

حسناً… في البداية لنتفق على أن لولا القوة النووية الصغرى وتطبيقاتها لما كان هناك وجود للحياة ( وكذلك الأمر بالنسبة لباقي القوى الأساسية ). وذلك لأن الإشعاعات الناتجة عن هذه الذرات هي المسؤولة عن الطفرات ( وهي تغيير في التركيبة الذرية والجزيئية للمركبات الكيميائية ). والتي نتج عنها خواص جديدة للأحياء. ولذلك فإنه لولا القوة النووية الصغرى بشكل أو بآخر لما كان هناك وجود للحياة.

و قد اشتقت معادلات هذه القوة من معادلات يانج-مايلز ( كما القوة النووية الكبرى ). وقد قام ثلاثة علماء وهم محمد عبدالسلام وستيفن وينبيرغ وشيلدون جلاشو بتوحيد القوة النووية الضعيفة مع نظرية ماكسول للكهرومغناطيسية. وقاموا باستنباط مجموعة من المعادلات التي تصف القوتين في نفس الوقت. وقد سميت نظريتهم ب “Electroweak model” والتي تجمع بين القوة النووية الصغرى مع لقوة الكهرومغناطيسية.[1] [5]

نظريات النموذج المعياري

في النموذج العياري تشارك جميع قوى الطبيعة الأساسية عدا الجاذبية. وتشارك كل قوة من هذه القوى بنظرية تجمع بين نظريتها الأساسية مع ميكانيكا الكم. حيث تشارك الكهرومغناطيسية بنظرية “Quantum Electrodynamics” والتي تكون نتيجة دمج نظرية ماكسويل مع ميكانيكا الكم وهي التي تشكل الجانب الكمي من نظرية ماكسويل. أنا القوة النووية الكبرى تشارك بنظرية “Quantum Chromodynamics” والتي تشرح الجانب الكمي في القوة النووية الكبرى. أما القوة النووية الصغرى فإنها تشترك مع القوة الكهرومغناطيسية بنظرية “Electroweak model”. وتشكل هذه النظريات الثلاثة النموذج المعياري في الفيزياء الحديثة.[2] [3] [4]

المصادر

1. فيزيائي من مصر
2. Wikipedia ²
3. Wikipedia³
4. Wikipedia⁴
5. CERN

ما هي نظرية الأوتار الفائقة؟

هي نظرية ظهرت نتيجة بحث العلماء عن نظرية واحدة تعمل على تفسير الأجسام دون الذرية والتي تمثل وحدات البناء الأولية في المواد. كما تهتم بشرح القوى الأربعة الأساسية في الطبيعة. وهي القوى التي لا يمكن تحليلها إلى مكونات أصغر. وهذه القوى تشكل أساس الكون والمكونات الأولية له. وهي قوى الجاذبية والكهرومغناطيسية والتي يمكن ملاحظة آثارها بشكل واضح ومباشر في حياتنا اليومية. والقوة النووية الكبرى والقوة النووية الصغرى والتي تظهر آثارها في الذرات والتفاعلات النووية بغض النظر عن حجمها.

كانت مسألة توحيد قوى الطبيعة الأربعة تشكل الكثير والكثير من الأرق لعلماء الفيزياء. وذلك لتنافر أهم نظريتين في الفيزياء الحديثة. وهما نظرية النسبية لألبرت آينشتاين، والكم لماكس بلانك. [1]

بداية العقدة والحل المجنون!

بدأت المشكلة التي شكلت كابوساً لعلماء الفيزياء النظرية من تنافر نظرية النسبية ونظرية الكم. حيث فسرت نظرية النسبية قوى الجاذبية وأثرها وتطبيقاتها على الأجسام والعناصر العملاقة في الفضاء، مثل النجوم والمجرات. بينما شرحت نظرية الكم باقي القوى الأساسية الأربعة (وهي الكهرومغناطيسية، والقوة النووية الكبرى، والقوة النووية الصغرى). والتي كانت تطبق على الجسيمات الذرية ودون الذرية. لكن لم تنجح الكم حينها في تقديم تفسير مقبول للجاذبية مما أحدث أزمة حقيقية في الوسط العلمي.

حاول العلماء القضاء على ذلك التنافر القائم على رفض آينشتاين لقبول نظرية الكم كنظرية أساسية. بالرغم من تقديم نظرية الكم تفسيراً مقبولاً إلى حد كبير في تفسير القوى الأساسية الأخرى وثبت صحتها بعد اختبارها بدقة لم يسبق لها مثيل في وقتها. فحاول آينشتاين في آخر حياته أن يجمع بين النظريتين بتفسير الجاذبية بواسطة الكم، ولكنه مات قبل أن يصل إلى حلمه. وجاء بعده الكثير من العلماء ليكملوا ما لم ينتهى منه آينشتاين. وبعد الكثير من المحاولات والجهد، نجح العلماء أخيراً بالجمع بين النظريتين. كما نجحوا في جمع تفسير قوى الطبيعة الأساسية الأربعة أخيرًا، وذلك بنظرية جديدة أقرب إلى الخيال تسمى نظرية الأوتار الفائقة.[2]

نظرية الأوتار الفائقة

ما جعل هذه النظرية غريبة إلى حد كبير هو تخطيها لحدود التفكير البشري المنطقي إلى حد ما. حيث تنص هذه النظرية على أن للكون عشرة أبعاد. ونحن لا نعرف منها إلا أربعة أبعاد وهي أبعاد المكان الثلاثة والبعد الرابع وهو الزمان.

في نظرية الأوتار الفائقة لا وجود للجسيمات الأولية (كالإلكترون والكوارك)، والتي تمثل وحدات البناء للعناصر في الكون. وإنما كل ما هو موجود مجموعة من الأوتار المهتزة، والتي تهتز بترددات مختلفة. ومع كل تردد ينتج نوع من أنواع الطاقة أو نوع من أنواع الجسيمات الأولية. وبذلك تكون تلك الجسيمات الأولية ما هي إلا مجرد انعكاس لتلك الاهتزازات. وتحدد هذه الاهتزازات خصائص الجسيم الناتج عنها على سبيل المثال شحنته وكتلته.

وتحتوي الأوتار الفائقة على الأبعاد العشرة، أربعة منها تحدد الموقع في المكان والزمان والأبعاد الإضافية هي ما تحدد خصائص الكون الذي نعيش فيه. وتكون بعض تلك الأوتار متكورة أو مغلقة. وتتميز الأوتار بإطلاقها لجزيئات الجرافيتون وهي الجسيمات المسؤولة عن الجاذبية كواحد من التفاعلات الأساسية. [1] [2]

كوننا ذو الأبعاد العشرة

تنص نظرية الأوتار الفائقة على أن الكون يحكم بواسطة مجموعة من الأوتار المهتزة ذات الأبعاد العشرة. ونحن لا نعرف من هذه الأبعاد إلا أبعاد الزمكان الأربعة. وبذلك فإنه يوجد ست أبعاد أخرى مجهولة. وما زلنا بحاجة إلى معرفة هذه الأبعاد الستة وربطها بطريقة ما مع الأبعاد المعروفة لدينا حتى نستطيع أن نصف ونفهم الكون بشكل واضح.

ولفعل ذلك يجب علينا تكوير تلك الأبعاد الستة الإضافية، وحصرها في حيّز صغير في الفضاء. فعلى سبيل المثال، لتخيل مدى الصغر المطلوب. إذا كان حجم ذلك الحيز 10^-33 سم³ فإننا لن نتمكن من رصد تلك الأبعاد لأنها صغيرة جداً. وبالتالي فإن النتيجة ستكون العودة إلى الاكتفاء بكوننا ذي الأبعاد الأربعة. ولكن ذلك لا ينفي وجود كرة ضئيلة الحجم مكونة من الأبعاد الستة الأخرى متصلة بكل نقطة في كوننا رباعي الأبعاد.

ويفضل العلماء التخلي عن فكرة فردية الزمان والمكان والاعتراف بعالم من عشرة أبعاد. ذلك لأن نظرية الأوتار الفائقة (كنظرية موحدة) تحاول شرح جميع القوى الأربعة الأساسية في الطبيعة. وبالفعل فإن أحد حلول معادلات الأوتار الفائقة هو قوة تشبه قوة الجاذبية. وبذلك فإنها أعطت تفسيراً مقبولاً لتوحيد تلك القوى الأربعة.[3]

الأبعاد الأربعة المعروفة حاليا

1. تم بالفعل اكتشاف ورصد الأبعاد الأربعة الأولى. فالبعد الأول هو العرض أو المحور س “x-axis”. ويصف العناصر ذات البعد الواحد كخط مستقيم. ولا يوجد أي صفات مميزة لهذا البعد غير أنه يصف العرض.
2. البعد الثاني وهو الطول، أو المحور ص “y-axis”. وبتطبيق البعد الأول والبعد الثاني على عنصر ما فإننا سنحصل على عنصر ثنائي الأبعاد. كمربع على سبيل المثال.
3. البعد الثالث وهو العمق أو المحور ع “z-axis”. وبتطبيق المحاور الثلاثة على عنصر فإننا سنحصل على عنصر ثلالثي الأبعاد. وأبس مثال على ذلك هو المكعب. ويوجد في هذه العناصر الثلاث أبعاد المكانية وهي الطول والعرض والعمق. وهذه هي الأبعاد التي يمكن ملاحظتها بواسطة حاسة اللمس والنظر لدينا. وذلك على خلاف الأبعاد السبعة الباقية.
4. البعد الرابع وهو الزمن. وهو البعد الذي ينظم خصائص كل العناصر المعروفة لدينا وعند أي نقطة. وبالإضافة إلى أبعاد المكان الثلاثة الأخرى فإن معرفة البعد الزماني لعنصر ما أمر أساسي لتحديد موقعه الزماني في الكون.

الأبعاد المجهولة

عندما يأتي الأمر لباقي الأبعاد المجهولة فإن الإحتمالات العميقة تأتي لتلعب دورها. ويعد تفسير تفاعل تلك الأبعاد مع الأبعاد المعروفة أمراً مخادعاً إلى حد ما بالنسبة لعلماء الفيزياء. وهنا تبدأ نظرية الأوتار الفائقة بلعب دورها المدهش.

• فبحسب نظرية الأوتار الفائقة، فعند البعدين الخامس والسادس يظهر مفهوم العوالم المحتملة (أو العوالم الموازية). فإذا استطعنا تتبع البعد الخامس فسنرى عالماً مختلف إلى حد ما عن عالمنا الذي نعرفه. وذلك سيعطينا وسيلة لمعرفة أوجه التشابه والاختلاف بين عالمنا المعتاد والعوالم الأخرى.
• إذا وجدنا البعد السادس فسنكون قادرين على رصد العوالم الموازية لعالمنا. وسيكون بإمكاننا تحديد الأكوان الأخرى التي يعد وجودها ممكناً. والمقارنة بين الأكوان التي تتشارك في ظروف الخلق الأولية ( في حالتنا ستكون الظروف الأولية هي الانفجار العظيم). وإذا تمكنا من التحكم بالبعدين الخامس والسادس فسنتمكن من السفر عبر الزمن!
• وفي البعد السابع سيمكننا رصد العوالم الأخرى ذات الظروف الأولية المختلفة. فقد كان بإمكاننا في البعدين الخامس والسادس رصد العوالم ذات الظروف الأولية المتشابهة. ولكن الأحداث اللاحقة كانت مختلفة، أما في البعد السابع فكل شيء مختلف منذ بداية تكون تلك الأكوان.
• وفي البعد الثامن يمكننا رصد تاريخ العوالم الأخرى والتي تملك ظروف أولية مختلفة أيضًا والتي تتفرع إلى ما لا نهاية. ويعتقد العلماء بأن البعد الثامن يشمل جميع الأبعاد السابقة له.
• وفي البعد التاسع سنستطيع أن نقارن بين تواريخ الأكوان المختلفة بدءاً بقوانين الفيزياء المختلفة والظروف الأولية.
• وفي البعد العاشر والأخير نصل إلى النقطة التي يكون عندها كل شيء ممكن ويمكننا تخيله قد تم تغطيته. ووراء ذلك البعد لن نكون نحن البشر قادرين على تخيل أي شيء. وذلك ما يجعل البعد العاشر هو الحد لما يمكن تخيله.[3]

المصادر

1. Wikipedia
2. NASA
3. phys.org

يعد الوعي الكمي أحد علوم الفيزياء الحديثة المثيرة للجدل، حيث يندرج تحت علم الفيزياء الحيوية الكمومية. ويركز هذا العلم على قضايا الوعي والذكاء وعلاقتهما بفيزياء الكم. حيث أن حجة العلماء العاملين على هذا الفرع العلمي قائمة على وجود فوتونات حيوية في الدماغ. وأين وجدت الفوتونات بالتالي فبالتأكيد يوجد مكان لفيزياء الكم!

الوعي الكمي “Quantum mysticism”

يعرف أيضاً باسم التصوّف الكمي. يعد أحد أكثر العلوم (إذا صح التعبير) المثيرة للجدل في الأوساط العلمية. حتى أنه يشار إليه بازدراء في الكثير من الأحيان. وهو عبارة عن مجموعة من معتقدات الميتافيزيقيا والممارسات المرتبطة بها. والتي تدعي إمكانية بل حتمية ربط جوانب الوعي والروحانيات والذكاء ( والتي تمثل جانب كبير من معتقدات الصوفية ) بأفكار و نظريات ميكانيكا الكم. ولذلك سميت بالتصوّف الكمي.

وقد تعرّض هذا العلم وهذه الأفكار والنظريات إلى سيل من الانتقادات في الأوساط العلمية وخاصة علماء ميكانيكا الكم. وقد وصفت بالدجل وبالعلم الزائف.[1]

ورقة ويجنر

كتب العالم ويجنر “Eugene Wigner” في العام 1961 ورقة بعنوان ملاحظات على أسئلة العقل والجسد “Remarks on the mind-body questions”. أشار فيها إلى أن المراقب ( الواعي ) لعب دوراً أساسياً في ميكانيكا الكم. وقد اتخذت هذه الورقة كمصدر إلهام للصوفيين اللاحقين. وذلك بالرغم من أن ويجنر اتبع أسلوب وأفكار فلسفية في المقام الأول أثناء إعداده لهذه الورقة. وذلك الأمر يعد مخالفاً إلى حد ما للأفكار و المعتقدات الموجودة في تعاليم الصوفية. ولكن في أواخر سبعينيات القرن الماضي قام ويجنر بالتراجع عن أفكاره ورفض ارتباط الوعي البشري بميكانيكا الكم. [1]

الوعي الكمي أحد خرافات الميكانيكا الكمية!

في وقتنا الحاضر تتعرض نظرية الوعي الكمي للكثير من الانتقادات في أروقة أقسام الفيزياء في جميع الأقطاب العلمية في العالم. حيث يرفض العلماء فكرة لعب الميكانيكا الكمية التي وضعت من قبل مجموعة من العلماء المرموقين و هم آينشتاين وبور وبلانك وباولي وهايزنبيرغ دوراً في الصوفية والروحانيات. ولكن لنعود قليلاً إلى الوراء، إلى أوائل سبعينيات القرن الماضي حيث بدأت ثقافة صوفية العصر الجديد بالظهور.

بدأ بعض العلماء الذين اعتنقوا التصوّف الشرقي بتحليل الظواهر التخاطبية المزعومة بواسطة ميكانيكا الكم. حيث ظهرت كتب لعلماء وكُتّاب مثل آرثر كوستلر ولورانس لي شان وآخرون اقترحوا فيها إمكانية تفسير ظواهر التخاطر باستخدام ميكانيكا الكم. وفي نفس العقد ظهرت مجموعة فايزكس الأساسية، وهي مجموعة تتكون من عدد من علماء الفيزياء الذين تمسكوا بالوعي الكمي بعد انخراطهم في أمور التخاطر، والروحانيات، والتأمل، وتمارين مختلفة من العصر الجديد للصوفية الشرقية. وقد كتب أحد منتسبي هذه المجموعة وهو فريتجوف كابرا كتاب “استكشاف أوجه التشابه بين الفيزياء الحديثة والتصوّف الشرقي” وذلك عام 1975. تبنى هذا الكتاب العصر الجديد للوعي الكمي، واكتسب شهرة واسعة بين عامة الناس.[2] [3]

ما هو الوعي الكمي؟

حسناً، تكلمنا عن أن الوعي الكمي علم زائف كما يقول الكثير من العلماء. وتكلمنا أيضاً عن علماء آمنوا بالوعي الكمي. ولكن ما هو الوعي الكمي؟

بصورة مبسطة، الوعي الكمي هو علم يفسر الوعي البشري والذكاء وظواهر التخاطر في علوم الروحانيات والصوفيات بميكانيكا الكم وبالتالي فهو يقع بين التصوّف الشرقي وميكانيكا الكم. وفي بداية ظهور هذا العلم آمن به الكثير من الناس، وذلك لأنه دعم ببراهين مقنعة إلى حد ما وقتها. مثل أن ما يتحكم بالوعي البشري هي الفوتونات العصبية أو الحيوية. ويمكن أن يطبق على تلك الفوتونات مبادئ ميكانيكا الكم. وبالتتابع أصبح تفسير الوعي البشري بميكانيكا الكم ممكناً بل أكيداً بوجهة نظر المؤمنين بالوعي الكمي.

وبالرغم من غرابة هذه النظرية، وغرابة التفسيرات التي أوجدتها لربط الوعي بالكم. إلا أن ظهر مجموعة من العلماء الذين دافعوا عنها وقاوموا لربط الإثنين معاً. فقد كان كلا العلمين صعب الفهم، ومعقدين إلى حد ما. وهذا لا يعني بالضرورة أنهما مرتبطان بشكل ما حقًا أو أنهما يفسران بعضهما البعض. ورغم تزايد عدد المعارضين لها منذ ظهورها في النصف الثاني من القرن السابق. إلا أن أول نظرية مفصلة للوعي الكمي ظهرت في التسعينيات على يد الفيزيائي الحائز على جائزة نوبل من جامعة أكسفورد روجر بنروز، وعالم التخدير ستيوارت هامروف من جامعة أريزونا. والذين قالوا في هذه النظرية ( بشكل شديد الإختصار ) بأن الحسابات الكمومية في الأنابيب الدقيقة (وهي نوع من أنواع الهياكل الخلوية) لها دور وتأثير في إطلاق الخلايا العصبية وبالتبعية الوعي. [3]

اعتقادات بنروز وهاموفر

ذكرنا سابقاً بأن من بين مجتمع العلماء الرافض بأغلبيته الساحقة لهذه النظرية ظهر عدد من العلماء المرموقين المؤيدين لهذه النظرية. ومنهم بنروز الحاصل على جائزة نوبل وعالم التخدير هاموفر. فقد اتفق الاثنان على أن أحد مكونات الدماغ المسؤلة عن إطلاق الخلايا العصبية وهي الأنابيب الدقيقة كما أشرنا سابقاً لها القدرة على إجراء حسابات كمومية عالية الدقة لإطلاق الخلايا العصبية ( وهذا يعني بأن أدمغتنا عبارة عن حواسيب كمومية ). و الخلايا العصبية لها دور كبير في عملية الوعي والإدراك وبالتالي يكون الوعي نتيجة عدد من الحسابات الكمومية. ويدعي العالمان بأن هذه الأنابيب الدقيقة تتمتع بسلوك كمي، وذلك يتجلى في خصائصها المتمثلة في الموصلية الفائقة والميوعة الفائقة ( وذلك في درجات الحرارة المنخفضة فقط ). وذلك ما جعل هذين العالمين يؤمنان بنظرية الوعي الكمي.[2][3]

لماذا رفضت الأغلبية الساحقة من العلماء نظرية الوعي الكمي؟

لاقت نظرية الوعي الكمي رفضاً كبيراً منذ ظهورها في ألمانيا في عشرينيات القرن الماضي وحتى يومنا هذا. فقد رفضها في بداية ظهورها عدد من العلماء منهم اينشتاين رغم اتهامه بالتصوف وماكس بلانك وغيرهم. ولكن لماذا رفض العلماء هذه النظرية؟

يدعي المتصوفون والمؤمنون بهذه النظرية بأن ميكانيكا الكم ترتبط بالوعي، والوعي هو المسؤول عن خلق الواقع وبالتالي فإنه يمكننا التحكم بالواقع بواسطة ميكانيكا الكم. ويقر المتصوفون بإمكانية التحكم بالواقع إذا قمنا بتطبيق قوى عقلية كافية.

وقد وصل بعض المؤمنين بهذه النظرية إلى حد تفسير ظواهر نفسية وربما ظواهر خارقة بميكانيكا الكم. مثلما فعل أميت غوسوامي “Amit Goswami” حيث فسر الرؤية عن بعد والخروج من الجسد بالكم. وقد ذكر ذلك حرفياً في كتابه: كيف يخلق الواقع العالم المادي. وغيره من فسر إمكانية شفاء الأمراض بواسطة التفكير وجلسات التأمل بميكانيكا الكم مثلما فعل الطبيب ديباك شوبرا.

وقد رفض العلماء هذه النظرية لعدم وجود أدلة واضحة ومنطقية على صحتها. وقد رفض العلماء فكرة تفسير أمور غير منطقية بتاتاً بميكانيكا الكم. [1]

مصادر

1.Wikipedia
2.phys.org
3.physicsworld.com

تحتوي المباني المقاومة للزلازل غالبًا على جدران خرسانية مسلحة تسمى جدران القص. تبدأ هذه الجدران بشكل عام من مستوى الأساس وتستمر لأعلى المبنى. وتعد أكثر العناصر فعالية في المباني متعددة الطوابق لمقاومة القوى الجانبية التي تسببها الزلازل والرياح. إنها العناصر الإنشائية الشاقولية التي يمكنها مقاومة قوى القص الجانبية وعزوم الانعطاف والحمولات الشاقولية المنقولة إليها من العناصر الأخرى. وتلعب دورًا رئيسيًا في تبديد الطاقة والصلابة والأداء الزلزالي للمباني العالية. ويمكن أن تصل سماكتها إلى 40 سم في المباني المرتفعة. وعادة ما توضع وفق الاتجاهين الطولي والعرضي للمسقط الأفقي للمبنى. [1] [3]

فوائد جدران القص

أظهرت المباني المصممة والمشيدة بشكل صحيح مع جدران القص أداءً جيدًا للغاية في الزلازل السابقة. إذ تتميز بالكفاءة، من حيث تكلفة البناء والفعالية في تقليل الأضرار الزلزالية التي تصيب العناصر الإنشائية وغير الإنشائية (مثل النوافذ الزجاجية ومحتويات المبنى).

تعطي جدران القص وفق اتجاهها الطولي مقاومة وصلابة كبيرتين للمباني، مما يقلل بشكل كبير من التأرجح الجانبي للمبنى ومن الأضرار التي تلحق به وبمحتوياته. [1]

شكل وتوزع جدران القص

يجب تزويد المبنى بجدران القص وفق اتجاهيه الطولي والعرضي. وإذا وضعت وفق اتجاه واحد فقط، فيجب استخدام شبكة مناسبة من الجيزان والأعمدة (تسمى الإطارات المقاومة للعزوم) وفق الاتجاه الآخر لمقاومة تأثيرات الزلازل القوية. [1]

يمكن أن تحتوي جدران القص على فتحات للأبواب أو النوافذ، ولكن يجب أن تكون صغيرة، وأن يكون توضعها متناظرًا في المبنى؛ وذلك لتكون مسارات نقل الحمولة قصيرة ومباشرة. وتجرى تحققات تصميمية خاصة للتأكد من أن المساحة الصافية للمقطع العرضي للجدار عند الفتحة كافية لتحمل القوة الزلزالية الأفقية. [1] [2]

يكون الأداء الزلزالي للمباني ذات جدران القص الحاوية على انقطاعات سيئًا، لذلك يجب تجنب هذه التصميمات في المباني المقاومة للزلازل. إذ تقدم جدران القص المستمرة على كامل ارتفاع المبنى مسارات حمولة مباشرة لقوى العطالة ليتم نقلها إلى الأساس. [2]

يجب أن تكون الجدران المسلحة متناظرة في المسقط الأفقي لتقليل الآثار السيئة للفتل في المباني. يمكن وضعها بشكل متناظر وفق اتجاه واحد أو في كلا الاتجاهين. وتكون أكثر فاعلية عند وضعها على طول المحيط الخارجي للمبنى؛ مثل هذا التصميم يزيد مقاومة المبنى للفتل. [1]

التصميم المطاوع

تمامًا مثل العوارض والأعمدة الخرسانية المسلحة، يكون أداء جدران القص أفضل إذا صممت لتكون مطاوعة. إذ تساعد النسب الهندسية الإجمالية للجدران وأنواع التسليح ومقداره والوصلات بينها وبين العناصر المتبقية في المبنى في تحسين مطاوعتها.

• الشكل الهندسي للجدران: المقطع العرضي الشائع مستطيل (أحد بعدي المقطع العرضي أكبر بكثير من الآخر). تستخدم أيضًا المقاطع على شكل حرفي L و U. تعمل أيضًا نواة المصعد الخرسانية المسلحة رقيقة الجدران كجدران قص، ويجب الاستفادة منها لمقاومة قوى الزلزال.

• قضبان التسليح في الجدران الخرسانية المسلحة: يجب وضع التسليح في شبكات من القضبان الفولاذية الشاقولية والأفقية المتباعدة بانتظام. يوضع التسليح الشاقولي والأفقي في الجدار في طبقتين متوازيتين داخلية وخارجية. كما يجب تثبيت التسليح الأفقي عند نهايات الجدران، وتوزيع التسليح الشاقولي بانتظام في المقطع العرضي للجدار.

• العناصر الطرفية: في ظل تأثيرات الانقلاب الكبيرة التي تسببها القوى الزلزالية الأفقية، تتعرض حواف الجدران لإجهادات كبيرة من الضغط والشد. وللتأكد من أن سلوكها مطاوع، يجب تسليح الخرسانة في أطرافها بطريقة خاصة. تسمى نهاياتها بالعناصر الطرفية (الأعمدة المخفية)، ويشبه تسليحها الخاص تسليح الأعمدة في الإطارات الخرسانية المسلحة. تزداد أحيانًا سماكة جدار القص في العناصر الطرفية وعندئذٍ تسمى أجنحة. تتميز الجدران ذات العناصر الطرفية بمقاومة انعطاف أكبر وقدرة أكبر لتحمّل قوة القص الأفقية، وبالتالي فهي أقل عرضة للأضرار الزلزالية من الجدران التي لا تحتوي على عناصر طرفية.

تحمل هذه الجدران قوى زلزالية أفقية كبيرة، فتكون تأثيرات الانقلاب عليها كبيرة. لذلك يتطلب تصميم أساساتها اهتمامًا خاصًا. [1]

المصادر

[1] Why are Buildings with Shear Walls preferred in Seismic Regions?

[2] What Harms Load Paths in Buildings?

[3] SEISMIC BEHAVIOUR OF HIGH RISE BUILDING WITH COMPOSITE SHEAR WALL: AN OVERVIEW

ما هو الإلكترون الذي يعد أحد ركائز الكون الأساسية؟

الإلكترون (يرمز له بالرمز e-) هو جسيم مستقل دون ذري يدخل في تكوين الذرة. حيث يعد أصغر مكون من مكونات الذرة. وأيضاً يعد من أصغر الجسيمات المعروفة لدى العلماء إن لم يكن أصغرها. وكما يعلم أغلبنا فإن الإلكترون يحمل شحنة سالبة مقدارها 1.6×10^-19 كولوم. وعلى عكس البروتونات والنيترونات فإن الإلكترونات لا تتكون من وحدات بنائية أصغر، ولذلك تعد الإلكترونات جسيمات أولية. يملك الإلكترون مساحة بالغة الصغر بحيث تقدر بنحو 9.11×10^-31 كيلوغرام والتي تمثل 1/1836 من كتلة البروتون. ولكن من المعلومات التي من الممكن أنك لم تكن تعرفها أن الإلكترون يوجد له جسيم مضاد يسمى البوزيترون (Positive electron) ويعرف أيضاً باسم مضاد الإلكترون، يحمل شحنة موجبة ويرمز له بالرمز e+ . وعندما يحدث تصادم بين الإلكترون والبوزيترون تحدث ظاهرة تسمى فناء إلكترون-بوزيترون حيث يتم إفناء كلا الجسمين المتصادمين لينتج عن هذه العملية طاقة على شكل شعاعين من أشعة غاما ( شعاع لكل جسيم ).توجد الإلكترونات حرة في الطبيعة، وتوجد أيضاً بشكل أساسي في الذرات التي تعد وحدة البناء الأساسية للمادة. وهي مسؤولة عن الشحنة السالبة في الذرة، وتدور الإلكترونات حول الذرة في مدارات ثابتة.[1] [2]

اكتشاف الإلكترون

في العام 1897 اكتشف العالم البريطاني تومسون الإلكترون بشكل رسمي. وذلك بعد أن حلل و وضّح نتائج تجربة أنبوب أشعة الكاثود والتي صممها ونفذها العالم ويليام كروكس وذلك في سبعينيات القرن التاسع عشر. ولكن وجدت العديد من الفرضيات التي تفترض وجود جسيم مشحون يدور حول النواة في الذرة قبل ذلك. كالفرضيات التي وضعت على يد العالم ريتشارد لامينج والعالم جونستون ستوني.[1]

حقائق مثيرة عن الإلكترونات

·  تعد الإلكترونات أجسام أولية لأنها تعد أصغر وحدة بنائية للمادة ولا تتكون من جزيئات أصغر من الإلكترونات نفسها. وتنتمي الإلكترونات إلى عائلة ليبتون ( وهي عائلة تتكون من الأجسام الأولية والأساسية للمادة ) وتحمل الإلكترونات الكتلة الأصغر في هذه العائلة.

· في ميكانيكا الكم تعتبر الإلكترونات جسيمات متطابقة. حيث لا يمكن استخدام خاصية فيزيائية معينة للتميز بين أزواج الإلكترونات. ويمكن للإلكترونات أن تتبادل مواضعها من دون أن يحدث أي تغيير أو تأثير ملحوظ على استقرار الذرة.

·  في الذرة يتساوى عدد الإلكترونات حول النواة مع عدد البروتونات داخل النواة، ولكنهما يختلفان في الشحنة. حيث تحمل الإلكترونات شحنة سالبة على عكس البروتونات التي تحمل شحنة موجبة. وذلك الذي يكسب الذرة استقرارها كهربائياً. وإذا حدث أي تغير في عدد الإلكترونات بغض النظر عن إن كان هذا التغيير عبارة عن زيادة أو نقصان، فإن ذلك يؤدي إلى عدم استقرار الذرة.

·  يمكن معرفة ما إذا كانت مشحونة كهربائياً أم لا عن طريق المقارنة بين كمية الشحنات السالبة الموجودة في المادة (الإلكترونات)، وكمية الشحنات الموجبة في نفس المادة (البروتونات). حيث إذا كانت كمية الإلكترونات أكبر فإن هذا يعني بأن المادة تحمل شحنة سالبة. وإذا كانت البروتونات أكثر من الإلكترونات فإن هذا يعني أن المادة تحمل شحنة موجبة. وفي حالة تساوي عدد الإلكترونات والبروتونات فهذا يعني بأن المادة في حالة حياد كهربائي.

·   تمتلك الإلكترونات طبيعة مزدوجة. حيث يمكننا ان نعتبرها جسيمات في يعض الحالات كحالة الفوتونات، وأمواج في حالات أخرى في حالة تجربة حيود الضوء. 

تدور الإلكترونات في مداراتها بزخم زاوي مقداره 0.5 حيث يدور في اتجاهين، إما مع عقارب الساعة أو عكس عقارب الساعة.

·  يوجد لدى العلماء القدرة على عزل إلكترون مفرد باستخدام أداة تسمى مصيدة بينينج (Penning trap) .

·  يتعامل العلماء مع الإلكترونات كنقاط أو شحنات بدون أبعاد مادية. وذلك لشدة صغره، حيث وجد أنا أكبر نصف قطر لإلكترون معروف هو 10^-22 متر.[1]

الكهرباء أحد تطبيقات الإلكترونات التي نعتمد عليها كلياً

تعد الكهرباء أحد التطبيقات المهمة التي استطاع العلماء تسخيرها، واستخدامها في بناء وتطوير المجتمعات البشرية. فما هي الكهرباء؟ وكيف تتكون؟

حسناً إن مفهوم الكهرباء كما نعرف جميعاً: عبارة عن طاقة ناتجة عن نشاط الشحنات السالبة( الإلكترونات ) خلال سلك موصل. ويمكن الإستفادة منها في أغلب مجالات ونشاطات حياتنا اليومية. ولكن التعريف الفعلي للكهرباء أكثر تعقيداً بكثير ولا يمكن حصره ببضع سطور. حيث يندرج تحت التعريف الفعلي والعلمي للكهرباء العديد من المصطلحات والظواهر الفيزيائية الأخرى التي يعد بعضها معقداً إلى حدٍ ما ويحتاج إلى شرح في مقالات مفصلة. مثل المجال الكهرومغناطيسي وظاهرة الحث الكهرومغناطيسي.

وتتكون الكهرباء ( بتعريفها المبسط ) من طاقة تنقلها الإلكترونات في الموصلات نتيجة تأثرها بمجال كهرومغناطيسي(أحد أشكال المؤثرات). فتنتج الكهرباء بهذه الطريقة. ولكن ما هي آليات إنتاج الكهرباء؟ في الواقع توجد العديد من الآليات والطرق لإنتاج وتوليد الكهرباء منها ما هو متجدد كأشعة الشمس، والهواء، والماء. ومنا ما هو غير متجدد كالمحروقات والطاقة النووية. وبالعديد من الطرق الأخرى.[3]

سلوك الإلكترونات في المواد الصلبة والسائلة

·      في المواد الصلبة: تعمل الإلكترونات على توصيل التيار الكهربائي في المواد الصلبة . حيث يعود السبب في ذلك إلى أن الإلكترونات تمثل الجزء النشط والحر، القادر على توصيل الشحنة. ولذلك يمكنها توصيل التيار الكهربائي.

·      في المحاليل والمواد السائلة: يتم نقل التيار الكهربائي في السوائل والمحاليل الموصلة عن طريق الأيونات. حيث تنتج هذه الأيونات ذات الصيغة الكيميائية التي تجعلها قادرة على توصيل التيار الكهربائي عن طريق تفاعلات تحدث بين إلكترونات ذرات السائل مع بعضها البعض، او مع جزيئات أخرى تضاف إلى هذا السائل.[1]

استخدامات الكهرباء

تعد الكهرباء أحد ركائز وأعصاب الحياة الأساسية التي تتوقف عليها الحياة. حيث تم توظيفها من قبل العلماء والمختصين بداية الثورة الصناعية. وتوسع بعد ذلك استخدامها إلى أن شمل معظم إن لم كل مجالات ونواحي الحياة. حيث برز استخدامها في مجال الإتصال حيث كانت أول وسيلة اتصال حديثة هي التلغراف الكهربائي. الذي تم اختراعه على يد العالمين وليام كوك وتشارلز ويتستون عام 1837. وكان هذا الجهاز بذلك من أوائل تطبيقات الكهرباء في هذا المجال. ولا بد أن نشير إلى صعوبة حصر استخدامات وتطبيقات الكهرباء في بضعة أسطر. فإن نظرنا حولنا سنجد الكهرباء بكل شيء. حيث أنها تشغل جهازك المحمول أو حاسوبك الذي تقرأ منه هذا المقال في هذه اللحظة. وهي المسؤولة عن تشغيل سيارتك حتى أنها المسؤولة عن تنظيم ضربات قلبك. وبذلك في مسؤالة عن حياتك. ويعود الفضل في ذلك إلى ذلك الجسيم الصغير منعدم الأبعاد سالب الشحنة.[3]

اكتمال محاذاة التلسكوب جيمس ويب

أعلنت وكالة الفضاء الأمريكية ناسا عن اكتمال مرحلة محاذاة التلسكوب جيمس ويب. وذلك في تاريخ 28/4/2022. وذلك بعد فحص مجموعة من الصور تم التقاطها بواسطة الأدوات العلمية الأربعة للتلسكوب. فكان الناتج صورة جيدة التركيز والحدة، ويسمح هذا الإنجاز لفريق التلسكوب من الانتقال إلى المرحلة السابعة والأخيرة التي من المقرر لها أن تستمر لمدة شهرين. ومن المقرر انتهاء المرحلة الأخيرة في شهر يونيو المقبل.[1]

التلسكوب جيمس ويب JWST

التلسكوب جيمس ويب هو تلسكوب فضائي طور بشكل مباشر من قبل وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية ووكالة الفضاء الكندية. وتختصر وظيفة هذا التلسكوب بأنه خليفة التلسكوب هابل الفضائي في مهمة فلاجشيب. حيث يتفوق على التلسكوب هابل من حيث الدقة والحساسية. وقد شكل التلسكوب جيمس ويب نقلة نوعية في عالم الفضاء والفلك، حيث أنه تفوق على التلسكوبات التي سبقته من حيث دقة وحدّة التصوير.[1]

الأدوات العلمية المستخدمة في تلسكوب جيمس ويب

1. FGS/NIRISS: مستشعر التوجيه الدقيق ومصوّر الأشعة القريبة من تحت الحمراء. والمطياف اللاشقي ، وتكمن أهميته في تحقيق الاستقرار في خط رؤية المرصد خلال عملية الصرد. ويستخدم أيضاً في التحكم في الاتجاه العام للمركبة وقيادة مرآة التوجيه الدقيقة لتثبيت الصورة. وتتولى وكالة الفضاء الكندية قيادته.
2. NIRSpec: وهو مطياف بصري يستخدم من أجل قياس خواص الضوء في المجال القريب من الأشعة التحت حمراء. ويعد قياس الطيف على نفس نطاق الطول الموجي من وظائفه أيضاً. وقد صنع بواسطة وكالة الفضاء الأوروبية.
3. MIRI: هذه الأداة هي المسئولة عن قياس نطاق الطول الموجي من 5 إلى 27 مايكرومتر. وتحتوي هذه الأداة على كاميرا الأشعة تحت الحمراء. وقد تم تطوير هذه الأداة بواسطة ناسا وبالتعاون مع عدد من البلدان الأوروبية.
4. NIRCam: وهي كاميرا قريبة من الأشعة تحت الحمراء وتعمل على التصوير بالأشعة تحت الحمراء. وتستخدم NIRCam  كمستشعر واجهة الموجة وأنشطة التحكم. وقد تم صناعة هذه الأداة بواسطة فريق بقيادة جامعة أريزونا.

الصورة الناتجة عن اكتمال محاذاة التلسكوب هي لسحابة ماجلان الكبرى، فما هي هذه السحابة؟[2]

مجرة سحابة ماجلان الكبرى

تعد سحابة ماجلان الكبرى من المجرات القزمة. حيث يوجد بها ما يقارب الثلاثين مليار نجم، وتعد سحابة ماجلان الكبرى من المجرات القريبة من مجرة درب التبانة. حيث كان يعتقد في الماضي بأنها جزء من مجرتنا. ويكون شكل مجرة سحابة ماجلان الكبرى غير منتظم ويجدر الإشارة بانها سميت بسحابة ماجلان نسبة للمستكشف البرتغالي ماجلان.[2]

وفي النهاية نعلمكم بأننا سنكون في المتابعة لآخر مستجدات هذا التلسكوب. وسنقوم بنشر الآخر المعطيات الصادرة عنه.

هل يجب أن نتخلّى عن تصميم المباني المقاومة للزلازل؟ أم يجب أن نصممها؛ بحيث لا يحدث ضرر في أثناء الزلازل القوية؟ من الواضح أن النهج الأول يمكن أن يؤدي إلى كارثة كبيرة، والنهج الثاني مكلف للغاية. وبالتالي، يجب أن تقع فلسفة التصميم الزلزالي في مكان ما بين هاتين الحالتين. [1]

فلسفة التصميم الزلزالي

يمكن تلخيصها كالآتي:

1. عند الاهتزاز الطفيف، يجب ألّا تتضرر العناصر الرئيسية للمبنى؛ والتي تحمل قوىً شاقولية وأفقية، أما أجزاء المبنى غير الحاملة؛ فقد تتعرض لأضرار يمكن إصلاحها.
2. وعند الاهتزاز المتوسط، قد تتعرض العناصر الرئيسية لأضرار يمكن إصلاحها، أما الأجزاء الأخرى للمبنى فقد تتضرر لدرجة أنه قد يتعين استبدالها بعد الزلزال.
3. وعند الاهتزاز القوي، قد تتعرض العناصر الرئيسية لأضرار شديدة (لا يمكن إصلاحها حتى)، ولكن يجب ألّا ينهار المبنى.

فبعد الاهتزاز الطفيف، سيعمل المبنى بكل قوته خلال زمن قصير، وستكون تكاليف الإصلاح قليلة. وبعد اهتزاز متوسط، سيعمل المبنى بمجرد الانتهاء من إصلاح وتقوية العناصر الرئيسية المتضررة. أما بعد حدوث زلزال قوي، فقد يصبح المبنى معطلًا غير قابل للاستخدام مرة أخرى، ولكنه يجب أن يبقى قائمًا حتى يمكن إجلاء الأشخاص واستعادة الممتلكات.

يجب أخذ عواقب الضرر في الحسبان في فلسفة التصميم الزلزالي. على سبيل المثال؛ تلعب المباني المهمة مثل المستشفيات ومحطات الإطفاء، دورًا مهمًا في أنشطة ما بعد الزلزال، ويجب أن تعمل فور حدوثه. يجب ألّا تتعرض هذه المنشآت إلّا لأضرار قليلة جدًا، وأن تصمّم لتوفير مستوى حماية أعلى ضد الزلازل. يمكن أن يسبب انهيار السدود في أثناء الزلازل حدوث فيضانات، يمكن أن تكون بذاتها كارثة ثانوية. لذلك، يجب تصميم السدود (وبالمثل، محطات الطاقة النووية) لأجل مستويات كبيرة من الحركة الزلزالية. [1]

لا مفرّ من الأضرار الزلزالية

يتضمن تصميم المباني لمقاومة الزلازل التحكم في مستويات مقبولة من الأضرار والتكلفة. تحدث أنواع مختلفة من الأضرار –تظهر بشكل رئيسي من خلال التشققات؛ خاصة في المباني الخرسانية والحجرية- في أثناء الزلازل. بعض هذه الشقوق مقبول (من حيث الحجم والموقع)، أما بعضها الآخر فغير مقبول. على سبيل المثال؛ في مبنى إطاري من الخرسانة المسلحة ذي جدران حجرية بين الأعمدة، تكون الشقوق بين الأعمدة والجدران الحجرية مقبولة، لكن الشقوق القطرية التي تمر عبر الأعمدة غير مقبولة.

لذلك، يهتم التصميم المقاوم للزلازل بضمان كون الأضرار الزلزالية من النوع المقبول، وكذلك أنها تحدث في الأماكن الصحيحة وبالكميات المناسبة. يشبه هذا النهج كثيرًا استخدام «الصمامات الكهربائية-Fuses» في المنازل؛ فلحماية الأسلاك والأجهزة الكهربائية بالكامل في المنزل، فإنك تضحّي ببعض الأجزاء الصغيرة من الدارة الكهربائية، والتي تسمى الصمامات. تستبدل هذه الصمامات بسهولة بعد زيادة التيار الكهربائي. وكذلك، لإنقاذ المبنى من الانهيار، فإنك ستسمح لبعض الأجزاء المحددة مسبقًا بالخضوع لنوعٍ ومستوى مقبولٍ من الضرر. [1]

المطاوعة

لنأخذ قضيبَين بنفس الطول ونفس المقطع العرضي، أحدهما مصنوع من مادة «مطاوعة-Ductile» والآخر من مادة «هشة-Brittle». الآن، شدّهما حتى ينكسرا! ستلاحظ أن القضيب المطاوع يستطيل بمقدار كبير قبل أن ينكسر، بينما ينكسر القضيب الهش فجأةً عند الوصول إلى مقاومته القصوى مع استطالة صغيرة نسبيًا. بالنسبة للمواد المستخدمة في التشييد؛ يعتبر الفولاذ مطاوعًا، أما حجر البناء والخرسانة مادتان هشتان. [2]

يعرّف المهندسون الخاصة التي تسمح للمادة بالانحناء للخلف والأمام بمقدار كبير، بـ«المطاوعة-Ductility». يجب تحديد الأشكال المقبولة للضرر والسلوك المرغوب للبناء في أثناء الزلزال. كما يجب تصميم وتشييد «المباني المقاومة للزلازل-Earthquake-Resistant Buildings»، ولا سيما عناصرها الرئيسية، لتكون مطاوِعةً. تتمتع هذه المباني بالقدرة على التأرجح ذهابًا وإيابًا في أثناء الزلزال، ومقاومة تأثيراته مع بعض الأضرار، ولكن دون الانهيار. تعتبر المطاوعة من أهم العوامل المؤثرة في أداء المبنى. وبالتالي، يسعى التصميم المقاوم للزلازل إلى التحديد المسبق للمواقع التي يحدث الضرر فيها، ثم تقديم تفاصيل تصميمية جيدة في هذه المواقع لضمان سلوكٍ مطاوِعٍ للمبنى. [1]

تصميم الأبنية لمقاومة الزلازل

تنتقل قوى العطالة الزلزالية المتولدة عند مستويات أرضيات الطوابق عبر الجيزان والأعمدة المختلفة إلى الأرض. يجب أن تكون مكونات البناء الصحيحة مطاوِعةً. يمكن أن يؤثر «فشل أو انهيار-Failure» العمود على استقرار المبنى بأكمله، أما فشل الجائز فيسبب تأثيرًا موضعيًا. لذلك، من الأفضل تصميم الجيزان لتكون حلقاتٍ مطاوِعةً أضعف من الأعمدة (يمكن تحقيق ذلك بتحديد الحجم المناسب للعناصر، وتزويدها بالكمية المناسبة من فولاذ التسليح). تسمى هذه الطريقة في تصميم المباني الخرسانية المسلحة؛ طريقة العمود القوي والجائز الضعيف. [2]

المصادر

[1] What is the Seismic Design Philosophy for Buildings?

[2] How to make Buildings ductile for Good Seismic Performance?

يعد الضوء أحد المكونات الأساسية للكون. حيث ان الضوء يتكون من إشعاع كهرومغناطيسي. وينقسم الضوء إلى قسمين: الضوء المرئي، و الضوء الغير مرئي.

الضوء الغير مرئي..الجزء الأكبر من الطيف الكهرومغناطيسي

يعد الضوء الغير مرئي الجزء الأكبر من الطيف الكهرومغناطيسي. ويكون غير مرئي للعين البشرية. ويستخدم في العديد من مجالات الحياة ولكن يكثر استخدامه في المجال الطبي. حيث يستخدم في علاج الأمراض كأشعة جاما التي تستخدم لعلاج مرض السرطان. والأشعة السينية المستخدمة في تشخيص الإصابات والأمراض الداخلية. و في العلوم و خاصة الفيزياء والكيمياء، حيث تستخدم أشعة الراديو و الميكروويف في رصد الأجسام في الفضاء. وتستخدم أشعة جاما في التفاعلات النووية وفي تجارب الكشف عن أسرار النواة.[1]

الضوء المرئي..المنطقة المرئية من الطيف الكهرومغناطيسي

ويشكل جزء صغير من الطيف الكهرومغناطيسي ويكون مرئي للعين البشرية. ويتكون الضوء المرئي من طيف مركب من العديد من الألوان. ويتراوح الطول الموجي للضوء المرئي بين 400-700 نانومتر. أما تردده فيتراوح بين 420-750 تيرا هيرتز. ويقع الضوء المرئي في الطيف الكهرومغناطيسي بين الأشعة تحت الحمراء (ذات طول موجي أطول) والأشعة فوق البنفسجية (ذات طول موجي أقصر). و يستطيع الإنسان رؤية نطاقين من الضوء في أغلب الظروف. النطاق الضيق(420-680) نانومتر. والنطاق الواسع (380-800). وأيضاً يستطيع رؤية الأشعة تحت الحمراء حتى طول 1050 نانومتر في الظروف المثالية. ولكن الأطفال والشباب يستطيعون رؤية الأشعة فوق البنفسجية التي يتراوح طولها بين 310-313 نانومتر.[1]

صفات الضوء المرئي

من خصائص الضوء المرئي ما يلي:

• الشدة، أو الشدة الضوئية: وهي مقياس لقدرة الضوء أو لطول موجة محدد من نقطة في اتجاه معيّن. وذلك بالاعتماد على متوسط حساسية العين للطيف الضوئي ودرجة ضيائه. وتعد الشدة الضوئية نموذج قياسي لحساسية عين الإنسان، وتقاس بوحدة القنديلة حسب النظام الدولي الموحد.[2]
• سرعة الضوء: تعد سرعة الضوء أحد الثوابت الأساسية في الطبيعة. حيث تبلغ سرعته في الفراغ 299792458 م/ث.[1]
• الطول الموجي: و هو المسافة بين موجتين متتاليتين أو المسافة بين قاعين متتاليين أو قمتين متتاليتين. وتكون العلاقة ببن الطول الموجي والتردد علاقة عكسية. حيث إذا زاد الطول الموجي قل التردد والعكس.
• التردد: وهو عدد الأمواج الكهرومغناطيسية المتكونة في الثانية الواحدة.

و تكون جميع الصفات السابقة (عدا السرعة) متغيرة على طول الطيف الكهرومغناطيسي المرئي. فعلى سبيل المثال يكون الطول الموجي للضوء البنفسجي أقصر من الطول الموجي للضوء الأحمر. ولكن يكون تردده أكبر من تردد الضوء الأحمر.

خواص الضوء

يوجد للضوء العديد من الخواص التي تنتج عدداً من الظواهر التي تستخدم في الكثير من مجالات الحياة. وهذه الخصائص هي:

• خاصية انكسار الضوء: كلنا لاحظنا في وقت ما عندما كنا صغاراً تغير شكل القلم عند وضع نصفه في كوب من الماء. حيث يظهر بأنه منكسراً داخل الماء. فما هي ظاهرة انكسار الضوء؟

ظاهرة انكسار الضوء هي تغير اتجاه مسار الضوء عندما ينتقل من وسط مادي إلى آخر بفعل فرق الكثافة بين الوسطين. حيث تختلف سرعة الضوء في الأوساط المادية المختلفة. وذلك يجعلنا نلاحظ بأن القلم الموضوع في الماء يبدو منكسراً عند السطح، لأن سرعة الضوء في الماء تكون أقل عنها في الهواء.[3]

• ظاهرة التداخل: تحدث ظاهرة التداخل عندما تمر موجتان ضوئيتان لهما نفس الطول الموجي والتردد من خلال نفس النقطة في نفس اللحظة. فتكون النتيجة إما أنهما تجتمعان أو تلغيان بعضهما. حيث تجتمعان عندما تمر قمة لموجة بنقطة ما في نفس وقت مرور موجة أخرى في نفس النقطة. ويكون نتيجته قمة ذات قيمة أكبر، وبالتالي ضوءً ساطعاً أكثر مما تعطيه كل موجة لوحدها، ويسمى هذا التداخل بالتداخل البنّاء. ولكن ماذا سيحصل إذا مرت قمة لموجة ما في نفس وقت مرور قاع موجة أخرى في نفس النقطة؟ حسناً.. سنحصل في هذه الحالة على تداخل هدام، حيث سيقلل القاع من ارتفاع القمة أو أنه سيلغيها مسبباً نقطة أو مساحة معتمة. وتعد هذه الظاهرة من أهم الحجج التي تؤيد النظرية الموجية للضوء.[4]
• ظاهرة الحيود والانتشار: تحدث هذه الظاهرة عندما يصطدم الضوء بعائق. ويحدث عندما تتداخل الموجات الضوئية المنتشرة بعد مرورها من فتحتين أو أكثر. و يكون نتيجة هذه الظاهرة تكون مناطق معتمة وأخرى مضيئة عند رصد تأثير هذه الظاهرة. حيث يكون المركز هو أكثر المناطق سطوعاً و يقل السطوع كلما ابتعدنا عن المركز.[5]
• ظاهرة الانعكاس: تحدث هذه الظاهرة عندما يتغير اتجاه مقدمة الموجة الساقطة على سطح عاكس بشرط أن تكون زاوية السقوط مساوية لزاوية الانعكاس. وتحدث أيضاً دون الحاجة لوجود سطح عاكس. فعندما يسقط الضوء على الأجسام تحتفظ مادة الجسم بالطاقة ثم تعيد إرسالها في كل الاتجاهات. وتظهر صورة الانعكاس على الأسطح الملساء بصرياً.[6]

طبيعة الضوء

تعد طبيعة الضوء من الأمور الغامضة إلى حد ما. حيث افترض العلماء في القرن 18 أن الضوء عبارة عن موجات، وسميت هذه النظرية بالنظرية الموجية. وكان عراب هذه النظرية العالم الهولندي كريستيان هيغنز. أعطت هذه النظرية تفسيراً مقبولاً لظاهرة التداخل. وقد شبت الموجات الضوئية في ذلك الوقت بالموجات الصوتية. ولكن إذا كانت الموجات الضوئية مثل الموجات الصوتية. فكيف تتحرك الموجات الضوئية؟ بما أن الصوت ينتقل في وسط مادي وهو الهواء. افترض العلماء وجود مادة في الفضاء تنتقل من خلالها الموجات الضوئية. وسميت هذه المادة بالأثير(والتي تم نفي وجودها في وقت لاحق) بالرغم من عدم وجود أدلة على وجود تلك المادة.

ما يجعل طبيعة الضوء غامضة إلى حد ما هو ظهور تفسير آخر إلى جانب النظرية الموجية. حيث أخرج العالم الألماني ألبرت آينشتاين عام 1905 نموذجاً آخر يفسر فيه طبيعة الضوء. حيث جاء فيه بأن الضوء عبارة عن جسيمات مادية تحمل طاقة كهرومغناطيسية فائقة سميت بالفوتونات. وفي هذا النموذج ذكر آينشتاين بأن الشعاع الضوئي هو المسار الذي تسلكه الفوتونات. حيث يتكون من عدد كبير من الفوتونات التي تسلك مسار مستقيم.[1]

حسناً.. بالتأكيد خطر ببالك سؤال هل الضوء عبارة عن موجات أم جسيمات؟ إجابة هذا السؤال مضحكة قليلاً وأن الضوء لا يعتبر موجات ولا جسيمات. حيث لاحظ العلماء بأن الضوء يسلك في بعض التجارب سلوك الموجات، وفي بعضها الآخر سلوك الجسيمات.

ما هو مفهوم عدسة الجاذبية؟

عرف علم الفلك الفيزيائي عدسة الجاذبية على أنها انحناء الضوء الصادر عن جسم فضائي بسبب آثار جاذبية الأجرام الفضائية الضخمة عليه. حيث يقع الجرم السماوي الذي يسبب انحناء الضوء بين مصدر ضوء بعيد وبين التليسكوب الموجود في الفضاء. ويعرف هذا التأثير باسم “المفعول العدسي التثاقلي-Gravitational Lensing”. وقد تنبأ العالم ألبرت آينشتاين بمقدار هذا الانحناء في نظريته الشهيرة النسبية العامة.يتأثر مسار الضوء في الفضاء بجاذبية النجوم الضخمة أو الثقوب السوداء. حيث يوجد في الفضاء نجوم مهولة الحجم تصل إلى مئة ضعف حجم الشمس. وبفعل قوى الجاذبية العالية لهذه النجوم التي تفوق شدة جاذبية الشمس ملايين المرات فإن الضوء المار بجانبها يتأثر بجاذبيتها. فينحني مسار الضوء حوله كما ينحني في العدسة. لذلك سميت بعدسة الجاذبية.[1] [2]

طرحت نظرية عدسة الجاذبية لأول مرة عام 1784 على يد العالم البريطاني “هنري كافنديش-Henry Cavendish”. ثم مرةً أخرى عام 1801 على يد العالم الألماني “يوهان جورج فون سولدنر-Johann Georg von Soldner”. حيث قالا بأن نظرية الجاذبية لإسحق نيوتن تتنبأ بأن الضوء في الفضاء سوف ينحني حول جسم ضخم. كما ذكر سابقاً عام 1704 في كتابه البصريات. وقام العالم سولدنر قيمة معدل الانحناء. ثم قام العالم ألبرت آينشتاين عام 1911 باحتساب قيمة الانحناء بالاعتماد على مبدأ التكافؤ فقط. فظهرت النتائج مشابهة لتلك التي خرج بها سولدنر. ولكن عام 1915 قام باحتساب قيمة الانحناء مرة أخرى خلال عملية استكمال النسبية العامة. فظهر بأن نتائج عام 1911 كانت تشكل نصف القيمة الصحيحة فقط. و كان قد أصبح ألبرت آينشتاين بذلك أول من قام بحساب القيمة الصحيحة لانحناء الضوء.[3] [1]

أنواع عدسة الجاذبية

تنقسم عدسات الجاذبية إلى ثلاثة أنواع:

1. عدسة قوية: حيث نستطيع رؤية تأثيرها عن طريق تشوهات مرئية يمكن رؤيتها بسهولة. مثل عدسة آينشتاين، والأقواس، والصور المتعددة.
2. عدسة ضعيفة: حيث تكون التشوهات أصغر بكثير من عدسات الجاذبية القوية. حيث لا يمكن إيجادها إلا بتحليل عدد كبير من معطيات التلسكوبات الموجودة في الفضاء. و يتم تحليلها بطريقة إحصائية لإيجاد تشوهات واضحة بنسبة قليلة. حيث تظهر هذه العدسات على أنها امتداد للأجسام بشكل عمودي على مركز العدسة. و لرصد عدسة جاذبية ضعيفة يجب استخدام عدد كبير جداً من بيانات المجرات. وذلك نظراً لشكلها الإهليجي. وبما أن إشارة هذا النوع من العدسات تكون ضعيفة. يمكن احتساب مجال العدسة في أي منطقة. وبالتالي يمكننا ذلك من إعادة ترتيب توزيع الخلفية للمواد في منطقة العدسة. وعلى وجه الخصوص إعادة بناء التوزيع الخلفي للمادة المظلمة.
3. عدسة صغرية الجاذبية: حيث لا يمكن رصد هذه العدسة، ولا يمكن رؤية أي تشويه في الشكل. ولكن نستدل على هذا النوع من العدسات عن طريق احتساب كمية الضوء المستلمة من جسم موجود خلف العدسة. حيث تتغير وقت مروره من العدسة. [1]

أمثلة على عدسات الجاذبية

تم رصد العديد من الأجسام الفضائية التي تصنع جاذبيتها العظيمة تأثير لعدسة الجاذبية. مثل العنقود الكروي “توسكاني-Tucanae47”. حيث يبعد عنا مسافة 13.40 سنة ضوئية. ويبدو لنا من الأرض بأن قطره لا يتعدى قطر القمر. ولكنه في الواقع يشغل مساحة تعادل 120 سنة ضوئية من الفضاء. وهذه الصورة تمثل صورة لنجم سوبر قوة جاذبيته تعادل ضعف قوة جاذبية الشمس مليار مرة. وبذلك يشكل هذا العنقود عدسة جاذبية حوله. حيث تبدو لنا النجوم الواقعة خلفه بصورة انزياحية مشوهة. و تنطبق هذه الصورة على 200 عنقود نجمي كروي في مجرة درب التبانة. وآلاف العناقيد الأخرى في المجرات المجاور لنا. وتعتبر نجوم جميع هذه العناقيد حول نجم سوبر. وهذا ما يجعل كل من صور هذه العناقيد تظهر في حركة دورانية عشوائية وغير متزامنة كما نراها في المجرات.[3]

عدسة الجاذبية للشمس

عام 1936 تنبأ العالم ألبرت آينشتاين بأن أشعة الضوء التي تمر بجانب الشمس والتي تتفادى حوافها. ستنحني على بعد 542 وحدة فلكية من الشمس ( ستتحول إلى نقطة بؤرية ). وبالتالي إذا وضعنا مسباراً عند تلك المسافة أو أبعد فإننا يمكن أن نستخدم الشمس كعدسة جاذبية.[1] [2]

البحث عن عدسات الجاذبية

في الماضي تم اكتشاف معظم عدسات الجاذبية عن طريق الخطأ. حيث أدى البحث عن العدسات في النصف الشمالي من الكرة الأرضية. باستخدام ترددات الراديو في نيو مكسيكو في الولايات المتحدة الأمريكية إلى اكتشاف 22 نظاماً جديداً للعدسات. فأدى ذلك إلى فتح طريق جديد كلياً للبحث عن الأجسام البعيدة جداً، وإيجاد قيم للمعالم الكونية التي تساعدنا على فهم الكون بشكل أفضل. وإذا تم إجراء تلك الأبحاث في النصف الجنوبي من الكرة الأرضية باستخدام أدوات وبيانات عالية المعايرة واضحة المعالم. فيمكن توقع بأن تكون النتائج مشابهة لتلك الظاهرة في الجزء الشمالي.[1]

في حادثة تشيرنوبل، أدت تجربة روتينية إلى كارثة عالمية. وكان السبب في ذلك أخطاء فادحة في اتخاذ قرارات حول التحكم بالمفاعل النووي، حيث أدى قرار برفع كل أعمدة التحكم (التي تتحكم بدرجة الانشطار النووي) إلى إفلات السيطرة على التفاعلات في قلب المفاعل. فكيف يتم التحكم في المفاعلات النووية؟ وكيف نتأكد أن أحد المفاعلات لن يخرج عن السيطرة أثناء تشغيله؟

التحكم  في المفاعلات النووية

يتم التحكم في المفاعلات النووية عن طريق التحكم في «دفق النيوترونات-Neutron Flux» (كمية النيوترونات التي تخترق مساحة معينة في الثانية) داخله. ويحدث هذا بفضل قضبان التحكم التي يمكن رفعها أو تغطيسها في قلب المفاعل حسب الحاجة. فعندما نريد رفع قدرة المفاعل (كمية الكهرباء التي نريد إنتاجها) مثلًا، نرفع قضبان التحكم إلى أن نصل إلى القدرة المطلوبة ثم نعيد تغطيس جزء منها حتى لا تظل القدرة في ازدياد. وتحكم هذه العملية عدة عوامل تجعل التحكم في المفاعلات أكثر تعقيدًا مما يبدو عليه. ذاك أن التحكم في التفاعل التسلسلي الذي يحدث داخل المفاعل يستدعي حساب بعض المعاملات كمعامل التضاعف الفعال، الذي يحدد ما  إذا كان المفاعل تحت السيطرة أم لا. بالإضافة إلى هذا، فإن تقادم المفاعل النووي يسمم الوقود مما يؤدي إلى تأثيرات جانبية يجب التعامل معها ضمانا لاستمرار عمل المفاعل بشكل طبيعي [1].

التفاعل التسلسلي

في التفاعل التسلسلي، يدخل نيوترون مقذوف في تفاعل مع نواة انشطارية فتنقسم هذه النواة باعثة معها عدة نيوترونات جديدة (بين 2 و3). وتدخل هذه النيوترونات في عمليات انشطار جديدة. وهكذا، نجد أن نيوترونًا واحدًا قد يؤدي –نظريًا- إلى عدد لا نهائي من التفاعلات (انظر الشكل 1). وهنا يأتي دور أعمدة التحكم التي تمتص جزءا من هذه النيوترونات حتى لا يخرج التفاعل عن السيطرة. ويحدد عدد الأعمدة المغطوسة بالإضافة إلى مستوى التغطيس (طول الجزء المغطوس في قلب المفاعل) نسبة النيوترونات الممتصة [1].

معامل التضاعف الفعال

يحدد معامل التضاعف الفعال k_eff ما إذا كان عدد النيوترونات داخل قلب المفاعل يتزايد مع الزمن. ويمثل نسبة النيوترونات المنبعثة بين جيلين من التفاعل التسلسلي، أي  معدل النيوترونات المنبعثة بين انشطار والذي يليه. ويكون المفاعل في أحد من ثلاث حالات حسب قيمة K_eff:

• في حالة k_eff < 1، يتباطئ التفاعل التسلسلي، أي أن عدد النيوترونات المنبعث يتناقص من جيل لآخر. وتوصف هذه الحالة بأنها “دون حرجة”، حيث نحاول فيها إما إيقاف المفاعل أو خفض قدرته.
• في حالة1 = k_eff ، يبقى عدد النيوترونات ثابتًا مع الزمن. أي أن نيوترونا واحدًا يَنتج عن عملية انشطار ما، ليُسهم في الانشطار الذي يليه. وهكذا يبقى عدد التفاعلات ثابتًا وتبقى معه قدرة المفاعل ثابتة أيضا، وهو ما يسمى بالحالة “الحرجة” للمفاعل.
• أما في حالة k_eff > 1، فإن التفاعل التسلسلي يتسارع، حيث يظل عدد النيوترونات يتزايد أسِّيا من جيل لآخر. وفي هذه الحالة تتزايد قدرة المفاعل فيكون في حالة “فوق حرجة”.  وقد يؤدي استمرار هذا الوضع إلى خروج المفاعل عن السيطرة كما حدث في تشرينوبل.

ويمكن أن نصف حالة المفاعل بمعامل آخر هو «التفاعلية-Reactivity»، ويرمز له ب  ρ. ويكتب بدلالة k_eff كالتالي:

وحسب المعادلة فإن التفاعلية تكون منعدمة في الحالة الحرجة. بينما تكون موجبة في الحالة فوق الحرجة وسالبة في الحالة دون الحرجة [1]. وفي العادة، نستعمل التفاعلية في وصف تطور المفاعل وليس المعامل k_eff.

دورة حياة النيوترون

تبدأ حياة جيل من النيوترونات بانبعاثها من الانشطار النووي ثم تمر بمرحلة التباطؤ (يتم إبطاؤها حتى تصير حرارية) ومن تم تنتهي بامتصاصها في الانشطار الذي يليه. وخلال عبورها لهذه المراحل، يمكن أن تختفي بعض النوترونات وتظهر أخرى. فعند انبعاث نيوترون إثر انشطار نووي، فإنه إما يدخل في انشطار جديد فينتج جيلا جديدا من النيوترونات، أو يُفقَد من خلال امتصاصه من بعض المواد غير الانشطارية أو من خلال تسربه خارج قلب المفاعل. وهكذا، فإننا نبدأ بنيوترون حراري واحد تمتصه نواة انشطارية فينتج عنها عدة نيوترونات سريعة. تحاول هذه الأخيرة أن تتباطئ لتصير حرارية بدورها، فيُفقَد منها من فقِد عبر الشرود خارج قلب المفاعل أو عبر اقتناصه من قبل نواة غير انشطارية، ويتضاعف جزء منها بفضل الانشطار السريع -الذي ينشأ عن النيوترونات السريعة. وتشكل النسبة التي نجحت في أن تصير حرارية وتخلق انشطارًا نوويًا قيمة k_eff (انظر الشكل 2) [2].

صيغة العوامل الستة

تحدد «صيغة العوامل الستة-six-factor formula» قيمة k_eff انطلاقا من ستة عوامل متضمنة في دورة حياة النيوترون. وتكتب المعادلة على الشكل التالي:

حيث يمثل η «معامل التكاثر-reproduction factor» الذي يعطي نسبة النيوترونات المنتجة بعد الانشطار الحراري (الرقم 1 في الشكل 2).

أما ε  فهو «معامل الانشطار السريع-fast fission factor»، ويَحسُب نسبة النيوترونات التي أُنتِجت عن طريق الانشطارات غير الحرارية أي تلك التي حصلت أثناء عملية إبطاء النيوترونات (الرقم 2 في الشكل 2).   

وبالنسبة ل p، فإنه يعبر عن احتمالية وصول النيوترونات إلى الحالة الحرارية دون أن يتم امتصاصها (الرقم 3 في الشكل 2)، ويسمى «احتمال الهروب الرنيني-resonance escape probability».

بينما يعطي «معامل الاستعمال الحراري-Thermal utilization factor f» احتمالية امتصاص النيوترونات الحرارية داخل الوقود (الرقم 4 في الشكل 2).

وأخيرا نجد P_NL الذي يمثل احتمالية عدم تسرب النيوترونات خارج المفاعل. ويمكن كتابته على الشكل:

P_NL =  P_NLT* P_NLF

حيث يمثل   P_NLT احتمالية عدم التسرب بالنسبة للنيوترونات الحرارية و P_NLF احتمالية عدم التسرب بالنسبة للنيوترونات السريعة. وتتعلق احتمالية عدم التسرب هذه بشكل المفاعل وتصميمه. ومن أجل التخلص من هذه التبعية، تم اعتماد _∞k الذي يمثل معامل التضاعف في وسط لا نهائي حيث لا وجود لأي تسربات. وهو ما يعرف أيضا ب « صيغة العوامل الأربعة- four-factor formula» [2]. 

ختامًا، نجد أن قيمة معامل التضاعف تلعب دورًا محوريًا في التحكم في المفاعل، حيث يتم رفع أو إنزال أعمدة التحكم حسب الحالة التي نريدها. لكن المؤسف في الأمر، أن معامل التضاعف لا يخضع فقط لمستوى إنزال أعمدة التحكم، بل إن تقادم المفاعل يسمم الوقود النووي، حيث تتراكم نواتج الانشطار النووي وتسبب تغيرات كبيرة في قيمة معامل التضاعف يجب أخذها بعين الاعتبار أثناء تشغيل المفاعل. وهذا ما سيكون موضوع المقال القادم.

المصادر

[1] Physique des Réacteurs Nucléaires

[2] Nuclear Reactor: Physics and Engineering