ولد جون فوربس ناش في 13 يونيو من عام 1928 في بلوفيلد (فيرجينيا الغربية). حصل ناش المعروف بعالم الرياضيات على جائزة نوبل للإقتصاد سنة 1994 بفضل أعماله وجهوده البارزة في علم الرياضيات ونظرية الألعاب.
للإشارة فنظرية الألعاب هي وسيلة تستخدم في التحليل الرياضي كما أنها فرع من الرياضيات التطبيقية حيث توفر الأدوات اللازمة لتحليل المواقف بفضل القرارات المترابطة التي يتخذها الأطراف (اللاعبين).
يقول ناش أن بلوفيلد مدينة صغيرة ولم تكن مركزا للمثقفين ولا التكنولوجيات المتقدمة بل كانت عبارة عن مجتمع لرجال الأعمال والمحامين. لذلك اعتبر الأمر من وجهة نظره الفكرية تحديا حيث يجب على الشخص التعلم من المعرفة الموجودة في العالم بأسره وليس من بيئته.
دراسة جون ناش
درس ناش في جامعة كارنيجي (جامعة كارنيجي ميلون حاليا)، واعتبر نفسه محظوظا لحصوله على منحة دراسية تغطي جميع التكاليف (منحة George Westinghouse). لكن بعد فصل دراسي واحد في الهندسة الكيميائية وجدت المقررات الدراسية جد صارمة خصوصا الرسم الميكانيكي.
وبعد الاستمرار في الكيمياء لفترة، صادف صعوبات أخرى في التحليل الكمي حيث لم يكن الأمر يتعلق بمدى قدرة المرء على التفكير في الحقائق وفهمها أو تعلمها، وإنما بمدى قدرة المرء على التعامل مع الماصّة-pipette والقيام بالتحاليل في المختبر.
في ذلك الوقت، حصل جون على الكثير من التشجيع من كلية الرياضيات للتحول إلى دراسة الرياضيات باعتبارها تخصصه، لذلك تحول ليصبح طالبا رسميا في قسم الرياضيات. وفي النهاية تعلم الكثير وتقدم كثيرا في الرياضيات وتمت مكافأته بدرجة الماجستير (ماستر-Master) في الرياضيات بالإضافة إلى درجة البكالوريوس (الإجازة- Bachelor degree).
تخرج جون ناش ولمعانه
عندما تخرج ناش، عُرضت عليه زمالات للإلتحاق إما بجامعة هارفرد أو جامعة برينستون. ولكن اعتبر زمالة برينستون أكثر كرما إلى حد ما، كما بدت برينستون أكثر اهتماما لجعله يأتي إليها.
قرر جون دراسة “الإقتصاد الدولي” وكنتيجة للتعرض للأفكار والمشاكل الإقتصادية، توصل إلى فكرة البحث الذي نشر في المجلة المرموقة Econometrica بعنوان “مشكلة المساومة-The Bargaining Problem”. كما تم قبول فكرة نظرية الألعاب كأطروحة للحصول على درجة الدكتوراه في الرياضيات. وعندما كان مدربا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا كتب ورقته البحثية تحت عنوان “Real Algebraic Manifolds” وأرسلها للنشر.
بعد حصوله على شهادة الدكتوراه سنة 1950، عمل في جامعة برينستون وبعدها انتقل إلى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا واستقال في وقت لاحق ليعود إلى جامعته الأصلية، تحديدا معهد المحاسبة الدولي، كعضو مؤقت بعد حصوله على منحة ألفريد سلون. قدم في تلك الفترة العديد من الأعمال وقام بحل معضلة كلاسيكية تتعلق بالهندسة التفاضلية.
بداية اضطرابات جون ناش العقلية!
نشأت الإضطرابات العقلية في الأشهر الأولى من سنة 1959 حين كانت زوجته أليسيا حاملة. ونتيجة لذلك، استقال جون من منصبه كعضو هيئة التدريس في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
عاش جون الكثير من المعاناة بسبب مرض الفصام ما دفعه لقضاء الكثير من الوقت في المستشفيات، لكنه لم يتخلى عن أعماله في علم الرياضيات. وهي القصة التي تم تقديمها في فيلم A beautiful Mind.
يقول جون لموقع نوبل:
“بشكل ما لم أعد مريضا نفسيا في الوقت الحالي ولا أتناول أية أدوية تخص المشاكل العقلية لكن للأسف لدي إبن يعاني من المشاكل النفسية، يتناول الأدوية ويقوم بزيارة أطباء الأمراض العقلية.”
مات جون وزوجته يوم 23 ماي من سنة 2015 في حادث لسيارة الأجرة التي كانت تقلهما من المطار بعد قضاء عطلة في النرويج. تداولت الأخبار أن أن الزوجان لم يرتديا حزام السلامة في المقعد الخلفي للسيارة ما أثار ضجة كبيرة في الولايات المتحدة الأمريكية فيما يخص فرض ارتداء حزام السلامة حتى في المقاعد الخلفية.
كانت أليسيا ناش تخشى كثيرا الرحيل هي وزوجها خصوصا أن ابنهما يعاني ويحتاج الدعم النفسي. وللأسف تحقق أسوء مخاوفها بعد حادث موتهما.
بطاريات الليثيوم الفائزة بجائزة نوبل الكيمياء 2019 ، كيف تعمل؟ وما أهميتها في حياتنا؟
بطاريات الليثيوم الفائزة بجائزة نوبل الكيمياء 2019 حولك في كل مكان، في هاتفك النقّال وفي سيارتك وفي حاسوبك المحمول وغيرها من الأجهزة التي لا تُلزمك الإلتصاق بجانب قابس الكهرباء كي تبقى حية، في هذا المقال سنأخذكم معنا في جولة إلى عالم البطاريات وتطورها لتعرف كيف تعمل؟ وما أهميتها في حياتنا؟ وصولا إلى بطاريات الليثيوم التي كانت سببا لنيل جائزة نوبل في الكيمياء عام 2019.
بطارية الليثيوم الفائزة بجائزة نوبل الكيمياء 2019 المستخدمة في حياتنا يوميًا
مبدأ عمل البطارية بوجه عام
تحتوي البطارية على عدد من الخلايا والتي تتكون من قطبان موصولان بدارة كهربائية ويفصل بين القطبين محلول أيوني يحوي أيونات موجبة وسالبة، كما يفصل بين القطبان حاجز يمنع تكون دارة كهربائية قصيرة. تبدأ عملية الشحن بأكسدة القطب السالب والذي يعرف بـ«الأنود»، مما يؤدي إلى حركة الألكترون خلال الدارة بإتجاه القطب الموجب المسمى «كاثودا» فيختزل الإلكترون القادم من الدارة، وتعتمد فولتية البطارية على مقدار فرق الجهد بين القطبين وتتم كامل العملية بصورة لحظية أما عملية إعادة الشحن فتتم بصورة عكسية غير لحظية وتحتاج إلى مصدر كهربائي خارجي.
بدايات بطاريات الليثيوم الفائزة بجائزة نوبل الكيمياء 2019
أولى البطاريات ظهوراً هي البطارية الفولتية والتي يمثل فيها عنصر «الزنك» الأنود الذي ينتج الإلكترون للدارة، على الجهة المقابلة يقف كاثود النحاس معتمدا على الظروف المحيطة، ففي جوٍ مليء بالأكسجين يتأكسد النحاس جزئيًا إلى CuO ومن ثم يختزل إلى «النحاس» الحُر مجددًا. أما في غياب الأكسجين يُختزل البروتون الموجود في المحلول الأيوني إلى الهيدروجين على سطح النحاس وتصل فولتية البطارية ما بين 0,8 – 1,1 إعتمادًا على المحيط، كما أن هذه البطارية غير قابلة لإعادة الشحن.
بطاريات (الرصاص-الحمض) المستخدمة كبطارية ابتدائية للسيارات تتشابه إلى حدٍ كبير مع البطارية الفولتية، لكنها تختلف عنها في خاصية إعادة الشحن، نذكر أيضا بطارية «النيكل- الحديد» وبطارية «النيكل-الكادميوم» والتي تعتبر أسلافًا لبطارية «النيكل-الهيدرايد الفلزي».
الليثيوم
تم اكتشاف عنصر الليثيوم عام 1817، بعدده الذري 3، وبكثافته التي لا تتجاوز 0,53 جم/مل ويعد أخف عنصر فلزي كما أنه يمتلك جهد اختزال معياري منخفض، مما يجعله مرشحًا قويًا مناسبًا لخلايا البطاريات عالية الفولتية ومرتفعة الكثافة، وبما أنه عنصر نشط سريع التفاعل، فهو ما يستوجب حمايته وعدم تعريضه للهواء.
عنصر الليثيوم وأيونه الفائزة بجائزة نوبل الكيمياء 2019
تخلل الكاثود
نظرا لأن مرشحنا وعنصرنا النشط قد استحوذ على إعجاب العلماء حيث نصبوه أنودًا، اتجهت الأنظار وقتها لإيجاد كاثود مناسب يحقق جهد فولتي عالي، وقد وقع الإختيار على «TiS2» حيث أثبت هذا المركب قدرته على إحتواء الكترون الليثيوم. فالترتيب الصفائحي لمركب TiS2 وبينها أيونات الليثيوم، سمح لها بالتخلل، كما قدم العالم «والتر رودف-Walter Rudoff» التخلل الكيميائي في الأمونيا السائلة منتجًا «Li(0.6)/TiS2»، لكن الثورة الحقيقية كانت عندما استطاع «إم ستانلي وايتيجتون-M.Stanely Whittington» و «فريد جامبل-Fred Gamble» إيضاح أن عملية التخلل تتم ضمن الصيغة «Li(x)TiS2» حيث x أكبر من صفر وأقل أو تساوي واحد. هذه المادة كانت نظير «CdI(2)-NiAs» وأيونات الليثيوم وهذا بدوره حفز وايتنجون لإكتشاف التخلل الكهروكيميائي في هذه المواد، ومع بداية 1973 قدّم هذه المواد كأقطاب في البطاريات.
خلية بطاريات الليثيوم الفائزة بجائزة نوبل الكيمياء 2019
خلية البطارية مكونة من عنصر الليثيوم كـ أنود و«TiS2» كـ كاثود و«LiPF6» كمحلول أيوني مُذاب في «كربونات البروبيلين-Propylene carbonate» القوة المُحركة الكهربائية للخلية تقترب من 2.5 فولت وتظهر كثافة التيار الأساسي قريبة من ١٠ مترأمبير لكل سم مربع وهذا يعطينا: «(XLi + TiS(4) – → Li(x)TiS(2» ويستمر التفاعل بتخلل أيونات الليثيوم في شبكة «TiS2».
عملياً:
يتم خلط بودرة TiS2 مع «التفلون-Teflon» وترتبط مع داعم معدني مُحاط بفلز بولي بروبالين ومعدن الليثيوم. ولزيادة مرونة الدارة وحركتها بنسبة ١١٠٠ مرة أكبر، يتم غمس خليط من «تيتراهيدروفيوران-Tetrahydrofuran» و «Dimethoxyethane» يحوي على «LiClO 4».
المشكلة التي نسعى لحلها الآن هي حماية الليثيوم وتقليل تفاعله مع الجو، حيث أنه تم العثور على زوائد شجرية تكونت على سطح الخلية لها القدرة على اختراق الطبقة العازلة والوصول إلى القطب الآخر وبالتالي تكون دارة قصيرة أدت إلى انفجارات.
تكوين زوائد وشجيرات الليثيوم التي تتسبب في الدارة القصيرة
الحل أتى في نهاية عام 1979:
على يد «جون جودنوف-John B.Goodenough» وزملائه في جامعة أكسفورد الفائزون بنوبل الكيمياء 2019 وفقًا لبيان اللجنة العلمية لنوبل ، حيث وجد أن «Li(x)CoO» وهو مركب نظير «Li(x)TiS 2» من الممكن أن يعمل كـ «كاثود» لكن بدون توسع الشبكة حيث أن عنصر صغير سالب الشحنة كالأكسجين الذي سيأخذ الأيون الموجب بعملية مصحوبة بتغير أكبر في الطاقة الحرة السالبة وبفولتية أعلى كما أنه سيُتاح لأيونات الليثيوم حركة كافية في شبكات الأكسجين المغلفة المُغلقة، وقد تحقق ذلك مع فرق جهد وصل 5,4 فولت.
بطاريات الليثيوم المعتمدة على الـ LixCoO2
الثورة الثالثة في عالم البطاريات:
تمت في عام 1985 على يد مجموعة بقيادة «اكيرا يوشين- Akira Yoshin» حيث لجأ إلى مركبات الفحم البترولية المستقرة، تتكون هذه المادة من خليط كريستالي وغير كريستالي، وبإستخدام درجة كريستالية محددة ومستقرة بحيث تشكل المنطقة المحيطة حماية للجزء الكريستالي، فاستطاعت أيونات الليثيوم وبشكل متكرر التخلل في هذه المواد. طوّر يوشين بطارية الليثيوم إعتمادًا على ترتيب إنتقال الأيون في الخلية، واستخدم الكربون كـ «أنود» و«Li(x)CoO 2» ك «كاثود»، وتتألف الطبقة العازلة من البولي ايثلين أو بولي بروبولين، والمحلول الأيوني عبارة عن «LiClO 4» المُذاب في كربونات البروبولين. هذه التطورات أدت إلى إنتاج بطاريات الليثيوم تجاريا عام 1991 بفولتية تصل إلى 4.1 و بكثافة طاقة أقتربت من 200 وات لكل لتر، واتضح أن أدخال الجرافيت مع المكونات الأيونية المناسبة بدوره قد يوصل الفولتية إلى 4.2 وبطاقة تقترب من 400 وات لكل لتر.
انتقال أيون الليثيوم داخل بطاريات الليثيوم وتعديلاتها
(1) Volta, A. On the Electricity Excited by the Mere Contact of Conducting Substances of Different
Kinds. Philos. Trans. Royal Soc. 1800, 90, 403–431.
(2) Planté, G. Nouvelle Pile Secondaire d’une Grande Puissance. Comptes Rendus Acad. Sci.
1860.
(3) Planté, G. The Storage of Electrical Energy: And Researches in the Effects Created by
Currents Combining Quantity with High Tension; London: Whittaker, 1887.
(4) Placke, T.; Kloepsch, R.; Dühnen, S.; Winter, M. Lithium Ion, Lithium Metal, and Alternative
Rechargeable Battery Technologies: The Odyssey for High Energy Density. J. Solid State
Electrochem. 2017, 21 (7), 1939–1964.
(5) Munro, J. Pioneers of Electricity; or, Short Lives of the Great Electricians; London: The
Religious Tract Society, 1890.
(6) Sinsteden, W. J. Versuche über den Grad der Continuität und die Stärke des Stroms eines
grössern magneto-elektrischen Rotations. Ann. Phys. Chem. 1854, 92, 1–21.
(7) Gautherot, N. Sur le galvanisme. Ann. Chim. 1801, 39, 203–210.
(8) Jungner, E. W. Sätt att på elektrolytisk väg förstora ytan af sådana metaller, hvilkas
syreföreningar äro kemiskt olösliga i alkaliska lösningar. Swedish patent no. 15567, 1901.
(9) Jungner, E. W. Primärt eller sekundärt elektriskt element. Swedish patent no. 10177, 1899.
(10) Edison, T. A. Reversible Galvanic Battery. US patent no. 692,507, 1902.
(11) Arfwedson, J. A. Untersuchung einiger bei der Eisen-Grube von Utö vorkommenden Fossilien
und von einem darin gefundenen neuen feuerfesten Alkali. J. Chem. Phys. 1818, 22, 93–117.
(12) Berzelius, J. J. Ein neues mineralisches Alkali und ein neues Metall. J. Chem. Phys. 1817, 21,
44–48.
(13) Glaize, C.; Genié, S. Lithium Batteries and Other Electrochemical Storage Systems; ISTE
Ltd., 2013.
(14) Lewis, G. N.; Keyes, F. G. The Potential of the Lithium Electrode. J. Am. Chem. Soc. 1913,
35, 340–344.
(15) Harris, W. S. Electrochemical Studies in Cyclic Esters; PhD thesis, University of California,
Berkeley, 1958.
(16) Yao, Y.-F. Y.; Kummer, J. T. Ion Exchange Properties of and Rates of Ionic Diffusion in BetaAlumina. J. Inorg. Nucl. Chem. 1967, 29 (9), 2453–2475.
(17) Kummer, J. T.; Neill, W. Thermo-Electric Generator. US patent No. 3,458,356, 1969.
(18) Newman, J. Transport in Electrolytic Solutions. Adv. Electrochem. Electrochem. Eng. 1967,
5, 87–135.
(19) Whittingham, M. S. Chemistry of Intercalation Compounds: Metal Guests in Chalcogenide
Hosts. Prog. Solid State Chem. 1978, 12 (1), 41–99.
(20) Rüdorff, W. Chimia 1965, 19, 489.
(21) Bichon, J.; Danot, M.; Rouxel, J. Systematique Structurale Pour Les Series d’intercalaires
Mxtis2 (M= Li, Na, K, Rb, Cs). Comptes Rendus Acad. Sci., Ser. C, Sci. Chim. 1973, 276, 1283–
1286.
(22) Whittingham, M. S.; Gamble, F. R. The Lithium Intercalates of the Transition Metal
Dichalcogenides. Mater. Res. Bull. 1975, 10 (5), 363–371.
(23) Whittingham, M. S. Electrointercalation in Transition-Metal Disulphides. J. Chem. Soc.,
Chem. Commun. 1974, 328–329.
(24) Whittingham, M. S. Batterie à Base de Chalcogénures. Belgian patent no. 819672, 1975.
(25) Whittingham, M. S. Electrical Energy Storage and Intercalation Chemistry. Science 1976,
192 (4244), 1126–1127.
(26) Whittingham, M. S. History, Evolution, and Future Status of Energy Storage. Proc. IEEE
2012, 100, 1518–1534.
(27) Armand, M. B. Intercalation Electrodes. In Materials for Advanced Batteries. NATO Conf.
Ser. (VI Mater. Sci.); Murphy, D. W., Broadhead, J., Steele, B. C. H., Eds.; Springer, Boston, MA,
1980, 2, 145–161.
(28) Armand, M.; Touzain, P. Graphite Intercalation Compounds as Cathode Materials. Mater.
Sci. Eng. 1977, 31, 319–329.
(29) Rüdorff, W.; Hofmann, U. Über Graphitsalze. Z. Anorg. Allg. Chem. 1938, 238, 1–50.
(30) Schafhaeutl, C. Über die Verbindungen des Kohlenstoffes mit Silicium, Eisen und anderen
Metallen, welche die verschiedenen Gallungen von Roheisen, Stahl und Schmiedeeisen bilden. J.
Prakt. Chem. 1840, 3, 129.
(31) Fredenhagen, K.; Cadenbach, G. Die Bindung von Kalium durch Kohlenstoff. Z. Anorg. Allg.
Chem. 1926, 158, 249.
(32) Goodenough, J. B.; Mizushima, K. Fast Ion Conductors. US patent no. 4,357,215, 1982.
(33) Mizushima, K.; Jones, P. C.; Wiseman, P. J.; Goodenough, J. B. LixCoO2 (0<x<-1): A New
Cathode Material for Batteries of High Energy Density. Mater. Res. Bull. 1980, 15 (6), 783–789.
(34) Yoshino, A.; Sanechika, K.; Nakajima, T. Secondary Battery. US patent no. 4,668,595, May
26, 1987.
(35) Yoshino, A.; Sanechika, K.; Nakajima, T. Japanese patent no. 1989293, 1985.
(36) Yoshino, A. The Birth of the Lithium-Ion Battery. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 5798–
5800.
(37) Nishi, Y. The Development of Lithium Ion Secondary Batteries. Chem. Rec. 2001, 1, 406–
413.
(38) Fong, R.; Sacken, U. von; Dahn, J. R. Studies of Lithium Intercalation into Carbons Using
Nonaqueous Electrochemical Cells. J. Electrochem. Soc. 1990, 137 (7), 2009–2013.
(39) Peled, E. The Electrochemical Behavior of Alkali and Alkaline Earth Metals in Nonaqueous
Battery SystemsThe Solid Electrolyte Interphase Model. J. Electrochem. Soc. 1979, 126 (12),
2047–2051.
(40) Padhi, A. K.; Nanjundaswami, K. S.; Goodenough, J. B. Phospho-Olivines as PositiveElectrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries. J. Electrochem. Soc. 1997, 144, 1188–
1194.
(41) Thackeray, M. M.; David, W. I. F.; Bruce, P. G.; Goodenough, J. B. Lithium Insertion into
Manganese Spinels. Mater. Res. Bull. 1983, 18, 461–472.
بطارية الليثيوم الفائزة بجائزة نوبل الكيمياء 2019 المستخدمة في حياتنا يوميًا
كيف غير جايمس بيبلز الفائز بجائزة نوبل في الفيزياء رؤيتنا للكون ؟
تكافئ جائزة نوبل في الفيزياء لسنة 2019 المفاهيم الجديدة لبنية الكون وتاريخه. إذ ساهم الفائزون هذا العام في الإجابة على أسئلة جوهرية حول وجودنا. تعالوا معنا في هذا المقال لنعرف كيف غير جايمس بيبلز الفائز بجائزة نوبل في الفيزياء رؤيتنا للكون ؟ وماذا حدث في مرحلة طفولة الكون المبكرة؟
فوز العالم جيمس بيبلز بجائزة نوبل في الفيزياء 2019
جايمس بيبلز
تحدى جايمس بيبلز-James Peebles الكون ببلايين مجراته و عناقيده. حيث طور إطار نظري منذ منتصف الستينات ليصبح حجر الأساس لأفكارنا المعاصرة حول تاريخ الكون، أي منذ الإنفجار العظيم حتى يومنا هذا. وقد أدت اكتشافات بيبلز إلى تغيير رؤيتنا لمحيطنا الكوني والذي تُمثل فيه المادة المعروفة خمسة في المائة فقط من كل المادة والطاقة الموجودة في الكون! أما الـ95 في المائة المتبقية فهي مخفية عنا. وتعتبر لغزا وتحديا حقيقيا للفيزياء الحديثة!
الانفجار الكبير وبداية الكون
كانت العقود الخمسة الماضية عصراً ذهبياً لعلم الكونيات ودراسة أصل الكون وتطوره. في ستينيات القرن العشرين، أقر تحويل علم الكونيات من مجرد تخمينات إلى العلم. وكان الشخص الرئيسي في هذا التحول هو جيمس بيبلز الذي ساعدت اكتشافاته الحاسمة في وضع علم الكونيات على الخريطة العلمية بشكل ثابت، وهو الأمر الذي أدى إلى إثراء ميدان البحوث العلمية في هذا المجال. لقد ألهم كتابه الأول، علم الكونيات الفيزيائي (1971)، جيلًا جديدًا من علماء الفيزياء للمساهمة في تطور الموضوع، ليس فقط من خلال الاعتبارات النظرية بل أيضا من خلال الملاحظات والقياسات.
إنه العلم وحده القادر على الإجابة عن الأسئلة الأبدية حول المكان الذي أتينا منه و إلى أين نحن ذاهبون. وبهذا تحرر علم الكونيات من مفاهيم بشرية مثل الإيمان والمعنى. وقد نتذكر في هذا السياق كلمات ألبرت أينشتاين التي تقول أن سر العالم هو إمكانية فهمه. إن قصة الكون، أي الرواية العلمية لتطور الكون، لم تكن معروفة إلا في المائة عام الماضية فقط. قبل ذلك، اعتُبر الكون ثابتاً وأبدياً، ولكن في عشرينات القرن الماضي اكتشف علماء الفلك أن كل المجرات تبتعد عن بعضها البعض وتبتعد عنا أيضا. فالكون ينمو، ونعلم الآن أن كون اليوم يختلف عن كون الأمس وكون الغد سيكون مختلفا بدوره.
الثابت الكوني بين جيمس بيبلز وأينشتاين!
إن ما رصده الفلكيون في السماوات سبق أن تنبأت به نظرية النسبية العامة لألبرت آينشتاين منذ سنة 1916، النظرية التي تعتبر اليوم أساس كل الحسابات للكون. وعندما اكتشف آينشتاين أن النظرية تؤدي الى إستنتاج مفاده أن الكون يتمدد، أضاف ثابتة إلى معادلاته (الثابتة الكونية) ليوازن تأثيرات الجاذبية ويجعل الكون ثابتا بالرغم من ذلك. وبعد أكثر من عقد، أصبحت الثابتة غير ضرورية بعد ملاحظة تمدد الكون. اعتبر أينشتاين هذا أكبر خطأ في حياته ولم يكن يعلم أن الثابتة الكونية ستشكل عودة رائعة إلى علم الكونيات في الثمانينات، على الأقل من خلال مساهمات جيمس بيبلز.
الإنفجار الكبير وتمدد الكون اللانهائي
الأشعة الأولية للكون تكشف عن كل شيء
إن توسع الكون يعني أنه كان يوماً ما أكثر كثافة و سخونة. في أواسط القرن العشرين، سُميت ولادة الكون بالإنفجار العظيم. لا أحد يعرف حقيقة ما حدث في البداية، لكن الكون الباكر كان مليئاً بحساء من جسيمات مضغوطة وحارة ومبهمة. ارتدت في ذلك الحساء الجزيئات الضوئية والفتونات.
استغرق التمدد ما يقارب 400 ألف سنة لتبريد هذا الحساء البدائي ببضعة آلاف من درجات الحرارة. وكانت الجسيمات الأصلية قادرة على الاندماج، مكونة غازاً شفافاً يتألف في الأساس من ذرات الهيدروجين والهليوم. وبدأت الفوتونات تتحرك بحرية وأصبح الضوء قادرا على الإنتقال عبر الفضاء. وهذه الأشعة الأولية ما زالت تملأ الكون. أما تمدّد الكون، فقد أدى إلى إمتداد الموجات الضوئيّة المرئيّة. لذا انتهى بها المطاف في نطاق الموجات الصغيرة غير المرئيّة بطول موجيّ يبلغ بضعة مليمترات.
توهج ميلاد الكون
في عام 1964، التقط اثنان من علماء الفلك الراديوي الفائزين بجائزة نوبل في عام 1978-أرنو بنزياس وروبرت ويلسون- التوهج الناجم عن ميلاد الكون. لم يتمكنا من التخلص من الضجيج المستمر الذي يلتقطه جهاز الاستشعار من كل مكان في الفضاء. لذا بحثا عن تفسير في عمل باحثين آخرين بما في ذلك جيمس بيبلز، الذي أجرى حسابات نظرية لهذا الإشعاع الأساسي السائد في كل مكان. وبعد ما يقرب من 14 مليار عام، انخفضت درجة حرارته إلى ما يقارب الصفر المطلق (273- درجة مئوية). وحدث تقدم مفاجئ كبير عندما أدرك بيبلز أنه بإمكان درجة حرارة الإشعاع توفير معلومات عن كمية المادة التي تكونت في الإنفجار العظيم. وأدرك بيبلز أن إطلاق هذا الضوء قد لعب دورًا حاسمًا في كيفية تكتل المادة لاحقًا لتشكل المجرات والعناقيد مجرية التي نراها الآن في الفضاء.
عصر جديد من الفيزياء الكونية
كان اكتشاف إشعاعات الموجات الدقيقة بشرى لقدوم عصر جديد من علم الكونيات الحديث. فالإشعاع القديم من المرحلة المبكرة للكون أصبح منجم ذهب لعلماء الكون، حيث يحتوي على إجابات لكل شيء يرغبون بمعرفته. إذ أمكنهم طرح أسئلة ما كان لهم القدرة على طرحها مسبقًا مثل: كم عمر الكون؟ ما هو مصيره؟ كم من المادة و الطاقة موجودة؟
أصبح بإمكان العلماء العثور على آثار اللحظات الأولى للكون في هذا التوهج حيث تنتشر أشكال صغيرة مثل الموجات الصوتية من خلال هذا الحساء البدائي المبكر Early Primordial Soup. بدون هذه الاختلافات الصغيرة لكان الكون قد برد من كرة نار ساخنة إلى فراغ بارد وموحد. نحن نعرف أن هذا لم يحدث، لأن الفضاء مليئ بالمجرات التي تتجمع غالبا وتشكل عناقيد مجرية. أما الإشعاع الخلفي فهو سلس كسطح المحيط الناعم والأمواج مرئية عن قرب، كما أن التموجات تكشف الاختلافات في الكون المبكر.
قيادة جيمس بيبلز للعصر الجديد
قاد جيمس بيبلز تفسير هذه الآثار الأحفورية من عصور الكون المبكرة. فاستطاع علماء الكونيات أن يتنبأوا بالاختلافات في الإشعاعات الخلفية بدقة مذهلة. كما عرفوا كيفية تأثيرها في المادة والطاقة في الكون.
حدث أول تقدم رئيسي في مجال الرصد في أبريل من سنة 1992، عندما عرض المحققون الرئيسيون في مشروع الأقمار الصناعية الأمريكي COBE صورة لأول أشعة ضوئية في الكون. حازت أعمالهم على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2006 لجون ماثر وجورج سموت.
المادة المظلمة والطاقة المظلمة: أعظم أسرار علم الكونيات
منذ ثلاثينيات القرن العشرين، كنا ندرك أن كل ما نستطيع أن نراه ليس هو ذاته كل شيء في الكون. تشير قياسات سرعة دوران المجرات إلى أنها يجب أن تبقى متماسكة بواسطة الجاذبية من المادة الخفية، وإلا ستتمزق. كما أعتُقد أيضا أن هذه المادة المظلمة قد لعبت دورًا مهما في أصل المجرات قبل أن يخفف الحساء البدائي-Primordial Soup قبضته على الفوتونات بزمن طويل.
يبقى تركيب المادة المظلمة هو أحد أعظم الألغاز في علم الكونيات، ولطالما اعتقد العلماء أن النيوترينات المعروفة مسبقًا يمكن أن تُشكل هذه المادة المظلمة، ولكن العدد الهائل من النيوترينات ذات الكتل المنخفضة التي تمر عبر الفضاء بسرعة الضوء تقريبا هي سريعة جدًا لتساعد على مسك المادة معا. وبدلاً من ذلك، في عام 1982، اقترح بيبلز أن الجزيئات الثقيلة والبطيئة من المادة المظلمة الباردة قادرة على القيام بهذه المهمة. وما زلنا نبحث عن هذه الجسيمات المجهولة من المادة المظلمة الباردة، التي تتجنب التفاعل مع مادة معروفة بالفعل وتشكل 26 في المائة من الكون.
الطاقة المظلمة بين جيمس بيبلز وأينشتاين في جائزة نوبل 2019
وفقًا لأينشتاين
وفقاً لنظرية النسبية العامة لآينشتاين، فهندسة الفضاء ترتبط بالجاذبية. فكلما زادت الكتلة والطاقة التي يحتوي عليها الكون، كلما أصبح الفضاء أكثر انحناءً. عند القيمة الحاسمة للكتلة والطاقة فالكون لا ينحني. وهذا النوع الذي لا يمكن أبدا لخطين متوازيين أن يتقاطعا فيه ويدعى عادة مسطحًا. وهناك خياران آخران يتمثلان في كون ذي مادة ضئيلة للغاية. وهو ما يؤدي إلى كون مفتوح تتباعد فيه الخطوط المتوازية في نهاية المطاف. أو كون مغلق بمادة أكثر مما ينبغي أن تتقاطع فيه الخطوط المتوازية في نهاية المطاف.
إن المادة المظلمة والطاقة المظلمة هما الآن من أعظم الألغاز في علم الكونيات، فهي لا تكشف عن نفسها إلا من خلال التأثير الذي تحدثه على محيطها. تسحب إحداهما وتدفع الأخرى. وإلا فلا يُعرف عنهما الكثير. ما هي الأسرار المخفية في هذا الجانب المظلم من الكون؟ ما هي الفيزياء الجديدة المخفية خلف المجهول؟ ماذا سنكتشف أيضاً في محاولاتنا لحل ألغاز الفضاء؟ دعونا لا نستبق الأحداث، فالباحثون أمثال بيبلز وأينشتاين قد يغيروا من مفاهيمنا، بشرط أن نبقى على استعداد دائمًا لقلب تلك المفاهيم رأسًا على عقب. كل ما ننتظره هو الأدلة والتفسيرات المدعومة علميًا. أليس كذلك؟
شاهد أيضًا، كيف تم كشف فراغ ضخم داخل الهرم الأكبر باستخدام الآشعة الكونية!
“بينما كانت القوات تزحف في شوارع كوبنهاجن، كنت مشغولاً بإذابة ميداليات لاوي-Laue وأيضاً ميداليات جيمس فرانك-James Franck”
فما هي مميزات ميدالية جائزة نوبل ؟
فمنذ عام 1901، كانت ميداليات جائزة نوبل جزءاً من العديد من القصص الرائعة. فكان واجباً علينا أن نذوب ثلاث ميداليات نوبل في الدنمارك لإخفائها عن النازيين. وقد اختلطت ميداليتان من ميداليات نوبل بين حائزين مختلفين واستغرق الأمر منهم أربع سنوات لتصحيح الخطأ. وقد تسببت ميدالية نوبل في إرباك أمن المطار عندما تبين أنها سوداء تماما في آلة الأشعة السينية في فارغو نورث داكوتا-Fargo North Dakota. وبذلك نعتبرها على أقل تقدير ميدالية ذهبية خاصة جدا.
في عام 1902، حصل الفائزون على أول ميدالية “حقيقية” لجائزة نوبل في الفيزياء والكيمياء والفيزيولوجيا والطب والأدب حيث صممها النحات السويدي إريك ليندبرغ-Erik Lindberg. بالطبغ قد تتسآل لماذا لم تمنح لهم ميداليات حقيقية منذ عام 1901أي عندما تم منح الجوائز الأولى لنوبل؟ ويرجع السبب في التأخير إلى أن تصاميم الجوانب العكسية لأوسمة نوبل “السويدية” لم توضع في صيغتها النهائية في الوقت المناسب قبل الاحتفال بمنحها لأول مرة في عام 1901. ويلزم أن توافق كل مؤسسة من المؤسسات الحائزة على الجوائز على هذه التصميمات.
ويبدو من مراسلات إريك ليندبرغ مع والده الأستاذ أدولف ليندبرغ-Adolf Lindberg أن كل واحد من الفائزين بجائزة عام 1901 حصل على ميدالية “مؤقتة”، وكانت ميداليات تحمل صورة ألفريد نوبل-Alfred Nobel وصنعت من معدن أساسي كتذكار حتى انتهاء تصنيع الميداليات “الحقيقية”. ولم تكتمل أولى هذه الميداليات حتى أيلول/سبتمبر 1902.
تصميم فرنسي
كان إريك ليندبرج-Erik Lindberg يعيش في باريس خلال السنوات التي صمم فيها الميداليات، فوفقاً للشاعر الأيرلندي وليام بتلر ييتس-William Butler Yeats التصميم يبدو فرنسي للغاية. بعد أن حصل ييتس-Yeats على جائزة نوبل للأدب في عام 1923 كتب ما يلي في كتاب “جائزة السويد-The Bounty of Sweden”.
إنني قادر على دراسة وتحليل ميداليتي، تصميمها الساحر الزخرفي الأكاديمي وسلوكها الفرنسي. إنها عمل التسعينات يظهر شاباً يستمع إلى إلهة الإلهام تقف جانبا كشابة جميلة مع قيثارة كبيرة في يدها. بينما أتفحصها أدرك أنني كنت وسيماً ذات مرة مثل ذلك الشاب لكن مقطوعاتي الشعرية التي لم أتمرن عليها كانت عجزة والآن أنا مسن مصاب بداء المفاصل، ولم يبق شيء للنظر إليه سوى إلهة الإلهام الشابة الخاصة بي”.
مميزات ميدالية جائزة نوبل
إن ييتس- وكل الفائزين الآخرين منذ عام 1901 حصلوا على ميداليات جائزة نوبل التي صممها إريك ليندبرج استناداً إلى التصاميم الأصلية. وبما أن إريك ليندبرغ كان مسؤولا عن تصميم ميداليات نوبل “السويدية”، فقد كُلف النحات النرويجي غوستاف فيغلند-Gustav Vigeland بتصميم ميدالية السلام النرويجية في عام 1901. ولكن بما أن غوستاف فيغلند كان نحاتاً وليس نقاشا على الميداليات، فقد صنع إريك ليندبرغ نتوءات من أجل ميدالية السلام استناداً إلى تصاميم فيغلند. ولا تزال تصاميمهم مستعملة حتى اليوم.
فجميع الميداليات لها بعض الإختلافات في التصميم (باستثناء ميداليتي الفيزياء والكيمياء المتشابهتين) ولكنها تبقى ميدالية ذهبية تحمل صورة الشخص ومنقوش مناسب. يعرض الوجه الأمامي من جميع الميداليات صورة لألفريد نوبل في صيغ مختلفة. وعلى الجانب الآخر من الميداليات “السويدية” الثلاث نجد أن العبارة الرئيسية هي نفسها: “Inventas vitam iuvat excoluisse per artes- الإختراعات تعزز الحياة التي يتم تجسيدها من خلال الفن“ (ويمكن ترجمة العبارة كالتالي “وهم الذين حسنوا الحياة على الأرض بواسطة الاكتشافات الجديدة”) في حين أن الصور تختلف بحسب رموز المؤسسات التي حصلت على الجائزة. فوسام السلام مكتوب عليه “Pro pace et fraternitate gentium-من أجل السلام والأخوة بين البشر“ بينما وسام الاقتصاد لا يكتب عليه أي إقتباس على الإطلاق.
مواصفات ميدالية نوبل
وعلى جميع ميداليات نوبل “السويدية” يُنقش اسم الفائز بوضوح تام على الوجه المعاكس، في حين أن اسم الفائزين بجائزة نوبل للسلام والاقتصاد يتم نقش أسماءهم على حافة الميدالية بمعنى أنه ليس واضحا، مما أدى إلى خلق مشاكل بالنسبة للفائزين بجائزة الاقتصاد لعام 1975، الروسي ليونيد كانتوروفيتش Leonid Kantorovich والأميركي جوالينغ كوبمان Tjalling Koopmans، حيث اختلطت ميداليتهم في ستوكهولم، وبعد أسبوع عاد الفائزون بالجائزة إلى بلدانهم حاملين الميداليات الخطأ. وبما أن الواقعة حدثت أثناء الحرب الباردة فقد استغرق الأمر أربع سنوات من الجهود الدبلوماسية لاستبدال الميداليات لمالكيها الشرعيين.
كانت الميداليات “السويدية” تزن كل منها 200 غرام تقريباً وقطرها 66 مم، ومصنوعة من 23 قيراطاً من الذهب. ومنذ 1980 أصبحت تصنع من 18 قيراطا من الذهب المعاد تدويره. ويوزَّع على جميع الميداليات 175 غراماً بإستثناء ميدالية العلوم الإقتصادية التي تزن 185 غ.
جورج دي هيفسي George de Hevesy الحائز على جائزة نوبل
هناك العديد من الإشاعات حول ما حدث لأوسمة نوبل التي حصل عليها ثلاثة من الحائزين على جائزة نوبل في الفيزياء أثناء الحرب العالمية الثانية: ميدالية الألماني ماكس فون لاوي (Max von Laue (1914، وميدالية جيمس فرانك (James Franck (1925، وميدالية دان نيلز بوهر (Dane Niels Bohr (1922.
كان معهد الفيزياء النظرية التابع للبروفسور بوهر Bohr في كوبنهاجن ملاذاً للفيزيائين اليهود الألمانيين منذ عام 1933. أودع (ماكس فون لاوي) و (جيمس فرانك) ميدالياتهما هناك لكي لا تعثر عليها السلطات الألمانية بعد احتلال الدنمارك في إبريل/نيسان 1940، كانت الميداليات المهمة الأولى لبوهر حسب الكيميائي المجري جورج دي هيفيسي (وهو أيضاً من أصل يهودي وحائز على جائزة نوبل في الكيمياء في عام 1943، أنظر الصورة)، الذي عمل في المعهد. كان إرسال الذهب إلى خارج البلاد بمثابة جريمة كبرى في ألمانيا تحت حكم هتلر. وبما أن أسماء الفائزين كانت منقوشة على الميداليات، فإن اكتشافها من قِبل القوات النازية كان سيؤدي إلى عواقب وخيمة جدا.
“لقد اقترحت أن ندفن الميدالية، ولكن بوهر لم يحب هذه الفكرة لأن الميدالية قد تنكشف، فقررت إذابته. بينما كانت القوات الغازية تزحف في شوارع كوبنهاجن، كنت مشغولاً بإذابة ميداليات لاوي وجيمس فرانك. وبعد الحرب، استعيد الذهب وقدمت مؤسسة نوبل بكل سخاء ميداليتين جديدتين للاوي وفرانك”
اقتباس من جورج دي هيفيسي (مغامرات في بحوث النظائر المشعّة Adventures in Radioisotope Research، المجلد 1، الصفحة 27، بيرغامون Pergamon، نيويورك، 1962، الذي تحدث عن ميدالية فون لاوي von Laue.
كتب دي هيفيسي إلى فون لاوي بعد الحرب أن مهمة إزاحة الميداليات لم تكن سهلة، لأن الذهب عديم التفاعل ويصعب تذويبه. فقد احتل النازيون معهد بور وفتشوه بدقة شديدة لكنهم لم يجدوا أي شيء. وانتظرت الميداليات انتهاء الحرب في محلول الماء الملكي أو ماء الفضة ولم يذكر دي هيفيسي ميدالية بور، ولكن الوثائق الواردة في أرشيف نيلز بور في كوبنهاغن تبين أن ميدالية نيلز بور وميدالية الدنماركي August Krogh في الطب قد تم التبرع بها لمزاد أقيم في 12 آذار/مارس 1940 لصالح صندوق الإغاثة الفنلندي. واشترى هذه الميداليات مشترٍ مجهول الهوية وتبرع بها إلى المتحف التاريخي الدانمركي في فريدريكسبورغ حيث لا تزال محتفظة بها.
ما الذي حدث لميداليتي فون لاوي وفرانك ؟
وفيما يتعلق بميداليتي فون لاوي وفرانك، يتضمن أرشيف نيلز بور رسالة من نيلز بور مؤرخة 24 كانون الثاني/يناير 1950 بشأن تسليم الذهب إلى الأكاديمية السويدية الملكية للعلوم في ستوكهولم ويتعلق الأمر بهاتين الميداليتين. وتذكر مداولات مؤسسة نوبل في 28 شباط (فبراير) 1952 أن الپروفسور فرانك نال ميداليته المميزة في احتفال أُقيم في جامعة شيكاغو في 31 كانون الثاني (يناير) 1952.
يملك Brian Schmidt صاحب جائزة نوبل في الفيزياء عام 2011 تجربة خاصة مع ميداليته في مطار فارجو Fargo. طلبت منه جدته في فارغو منه جلب الميدالية وفي طريق عودته إلى بيته، اضطر شميت إلى إرسال ميداليته الذهبية عبر آلة الأشعة السينية في أمن المطار. وبدا حراس المطار مشوشين جدا مع هذا الشيء الأسود على الشاشة وسألوا عن ماهيته ومن أعطاه إياه. فأجاب شميت إنها ميدالية ذهبية حصلت عليها من ملك السويد. فتسآل الأمن لماذا أعطاه الملك هذه الميدالية، فأجاب شميت لأنني ساعدت في اكتشاف أن معدل تمدد الكون يتسارع.
تلك كانت بعض قصص ومميزات ميدالية جائزة نوبل، ولكن قد يشهد المستقبل على المزيد من الغرائب.
