الفيزياء والكون

[SOHER]

من اجل ان ندرس هذا الفضاء الواسع والهائل لابد من نظريات لنفهم علاقات هذا الفضاء، علاقات النجوم ببعضها البعض، وعلاقة المجرات بما حولها، اي العلوم الدينامكية التي تحكم حركات الكون، وعلوم تفسر الكون بدء من الوحدة الصغيرة التي لاتتعدي جزء من ملايين الاجزاء من المليمتر وهي الذرة وتركيبها، وعلوم تبحث في المسافات الهائلة التي يقع فيها الكون وعلوم تبحث ما وراء هذا.

ونظرا لكون الفيزياء التقليدية لاتستطيع تفسير ذلك، فقد بحث العلماء عن بدائل فخرجت النسبية الخاصة والعامة ونظرية الفزياء الكمية ونظريات للقوي الذرية الضعيفة والقوية، ونستطيع تلخيص بعض منها في مقالات بسيطة توضح بعض معالم تلك النظريات ونترك التعمق فيها للمختصين في هذا المجال.

الذرة وتراكيبها

التركيب.
حجم الذرة.
العناصر والنظائر المشعة.
التكافؤ والتراكيب.
الذرات في الكون والعالم من حولنا.

البلازما

خصائص البلازما.
تطبيقات البلازما.
بعض التطبيقات التجارية والصناعية للبلازما.
البلازما والفضاء.

جزيئات الفا

جزيئات الفا

تجربة ميكلسون ومورلي

تبحث في انتشار الضوء وسرعته في الفضاءوتعتبر مقدمة للنسبية.

النسبية

النسبية الخاصة
النسبية العامة

مقاييس علم الكونيات

لمعان المسافة.


مسافة قطر الزاوية.


مسافة الاثارة.


مسافة مدة رحلة الضوء.

ميكانيكا الكم

تطور ميكانيكا الكم.
أهمية ميكانيكا الكم.
الجسيمات والامواج.

الضوء

تابع معنا لـ تتعرف على .....

[SOHER]

الذرة

هي تركيب مجهري يوجد في اية مادة عادية من حولنا. تتكون الذرات من ثلاثة أنواع من الجزيئات الذرية الفرعية هي :
الألكترونات - ولها شحنة سالبة.
البروتونات - ولها شحنة موجبة.
النيوترون - ليس له شحنة (محايد).

الذرات هي كتل البناء الأساسية للكيمياء، ومحفوظة في التفاعلات الكيمياوية، وهي الجزيء الأصغر للعنصر الكيميائي ؛ عندما تنقسم ذرة عنصر معين يتوقف عن كونه ذلك العنصر، اي يتحول الى عنصر اخر، وقد حدد عدد 91 عنصر وجدت طبيعيا على الأرض.

كل عنصر فريد بعدد البروتونات في كل ذرة ذلك العنصر، كل ذرة لها عدد من الألكترونات يساوي عددها من البروتونات؛ إذا حدث عدم توازن تدعى الذرة في هذه الحالة آيون او ذرة متأينة. ذرات نفس العنصر يمكن أن تأخذ أعداد مختلفة من النيوترونات طالما عدد البروتونات أو الألكترونات لا تتغيران، والذرات ذوات الأعداد المختلفة من النيوترون تدعو نظائر مشعة للعنصر الكيميائي.

العناصر الأخرى خلقت بشكل إصطناعي، لكنها عناصر غير مستقرة عادة وتلقائيا تغيير إلى العناصر الكيميائية الطبيعية المستقرة بعمليات التحلل الإشعاعي.

مع ذلك 91 عنصر فقط موجود بصورة طبيعية، ذرات هذه العناصر قادرة على الإلتصاق بالجزيئات والأنواع الأخرى من المركبات الكيميائية. الجزيئات تتكون من الذرات المتعددة؛ على سبيل المثال جزيء الماء يتكون من اتحاد ذرتين من الهيدروجين وذرة أوكسجين واحدة.

التركيب

النموذج المقبول على نحو واسع هو نموذج الموجه، وهو مستند على نموذج بوهر، لكن يأخذ في الحسبان التطورات الحديثة والإكتشافات في ميكانيك الكم.

الذرات تتكون من جزيئات فرعية (بروتونات، ألكترونات، ونيوترون)، حجم الفراغ كبير في الذرة، مركز الذرة صغير جدا، النواة ذات شحنة موجبة وتتألف من بروتونات ونيوترون، وحجم النواة ثمثل اصغر من 100,000 مرة من حجم الذرة.

عندما تنضم إلكترونات إلى ذرة معينة، تستقر في القشرة الاقل طاقة، ذلك هو المدار الأقرب إلى النواة، ويسمى (القشرة الأولى). اما الألكترونات في المدار الأبعد (قشرة التكافؤ) فهي التي تكون جاهزة للإلتصاق الذري.

حجم الذرة

حجم الذرة لا تحدد بسهولة حيث ان مدار الإلكترون تتحرم الصفر بشكل تدريجي حسب الزيادات في المسافة عن النواة. للذرات التي يمكن أن تشكل بلورات صلبة، المسافة بين النوى المجاورة يمكن أن تعطي تقدير لحجم الذرّة. للذرات التي لا تشكل بلورات الصلبة الأخرى نستعمل تكنيك أخر، يدخل في ذلك الحسابات النظرية. كمثال، حجم ذرة الهيدروجين تقدر تقريبا بـ 1.2 × 10-10 . قارن هذا إلى حجم البروتون الذي هو جزيء في نواة ذرة الهيدروجين التي هي تقريبا 0.87 × 10-15 m. هكذا النسبة بين الأحجام في ذرة الهيدروجين إلى نواتها يساوي تقريبا 100,000. ذرات العناصر المختلفة تتفاوت في الحجم، لكن الأحجام تقريبا نفسها. إن السبب لهذا يرجع الى تلك العناصر ذات شحنة موجبة كبيرة في النواة تجذب الألكترونات إلى مركز الذرة بقوة أكثر.

العناصر والنظائر المشعة

الذرات تصنف عموما بعددها الذري، الذي يقابل عدد البروتونات في الذرة. يحدد العدد الذري لاي عنصر تنتمي تلك الذرة. على سبيل المثال، ذرات الكربون تحتوي على ستة بروتونات، كل الذرات التي بنفس هذا العدد الذري تشارك في تشكيلة منوعة من الخواص الفزيائية وتظهر نفس السلوك الكيميائي.

رقم الكتلة، العدد الذري للكتلة، أو العدد النيكلوني لعنصر هو العدد الكلي للبروتونات والنيوترون في ذرة ذلك العنصر، لأن كل بروتون أو نيوترون اساسا له كتلة من 1 amu. عدد النيوترون في ذرة ليس له تأثير على نوع العنصر. كل عنصر يمكن أن يتخذ ذرات مختلفة عديدة لكن بنفس عدد البروتونات والألكترونات، لكن أعداد مختلفة من النيوترون. كل من له نفس العدد الذري لكن رقم كتلة مختلف، هذه تدعى النظائر المشعة لعنصر ما. عند كتابة اسم نظير مشع، اسم العنصر يتبع بالرقم الكتلة. على سبيل المثال، كربون 14 يحتوي على ستة بروتونات وثمانية نيوترونات في كل ذرّة، ليكون رقم الكتلة الكلي من 14.

إنّ ذرة الهيدروجين هي ابسط الذرات، لها عدد ذري 1 وتشمل بروتون واحد وإلكترون واحد. نظائر الهيدروجين المشعة التي تحتوي نيوترون واحد تدعى الديوتوريم Deuterium أو هيدروجين2 ؛ إما نظائر الهيدروجين المشعة التي تحتوي على إثنان نيوترون تدعى تريتيم Tritium أو هيدروجين 3.

إن الكتلة الذرية التي أدرجت لكل عنصر في الجدول الدوري هي معدل كتلة النظير المشع الموجود في الطبيعة مرجحا بدرجة وفرتهم.

التكافؤ والتراكيب

إن السلوك الكيميائي للذرات يعود بشكل كبير بسبب التفاعلات بين الألكترونات. ألكترونات ذرّة معينة يجب أن تبقى ضمن الترتيبات الالكترون المتوقّعة والمحددة. تسقط الألكترونات إلى القشور مستندة على مسافتهم النسبية من النواة (يرجع لتركيب الذرة للمزيد من التفاصيل). الألكترونات في القشرة الأبعد، تمسى إلكترونات التكافؤ، لها التأثير الأكبر على السلوك الكيميائي. إلكترونات المركز (تلك ليست في القشرة الخارجية) تلعب دورا، لكنه عادة ذا تأثير ثانوي بسبب حاجز الشحنة الموجبة في نواة الذرة.

كل غلاف، مرقم من الأقرب إلى النواة، يمكن أن يمسك عدد محدد من الإلكترونات يعود ذلك حسب اختلاف عدد ونوعه المدار.

الغلاف 1: 2 ألكترونات
الغلاف 2: 8 ألكترونات
الغلاف 3: 8 أو 18 ألكترون (إعتمادا على العنصر)
تملأ الألكترونات المدارات من الداخل الى الخارج، يبدآن بغلاف واحد. تجد الاغلفة ذات الارقام الأعلى توجد فقط عند الضرورة وتحدد بعدد الألكترونات. أي غلاف موجود خارجيا هو غلاف التكافؤ، حتى ولو كان ذا إلكترون واحد فقط.

السبب الذي ملئ الأغلفة بالترتيب بأن مستويات طاقة الألكترونات في الأغلفة الأعمق أقل جدا من مستويات طاقة الألكترونات في الأغلفة الخارجية. إذن لو أن الأغلفة الداخلية لم تكن ممتلئة تماما، الألكترون في الغلاف الخارجي يسقط بسرعة إلى الغلاف الداخلي (بإشعاع الفوتون الذي يحمل الإختلاف في مستويات الطاقة.

الذرات في الكون والعالم من حولنا

بإستعمال نظرية التوسع، عدد الذرات في الكون المنظور يمكن توقعه بأن يكون بين 4x1078 و6x1079 . وبسبب الطبيعة اللانهائية للكون، فإن العدد الكلي للذرات في كامل الكون قد يكون أكثر بكثير أو لانهائي. هذا لا يغير من العدد المتوقع للذرات في الكون الملاحظ ضمن حوالي 14 بليون سنة ضوئية - الذي كل مايمكن أن نلاحظه فقط هو بعمر 14 بليون سنة.

تابع لـ تتعرف على ....

[SOHER]

البلازما

وتسمى في أغلب الأحيان "الحالة الرابعة للمادة، أما الحالات الأخرى الثلاثة هي الصلبة والسائلة والغازية، البلازما هي حالة متميزة للمادة تحتوي على عدد هام من الجزيئات المشحونة كهربائيا بصورة كافية للتأثير على خواصه الكهربائية، بالأضافة إلى كونها مهمة في العديد من مظاهر حياتنا اليومية، ويقدر ان البلازما تشكل أكثر من 99 % من الكون المرئي.

في الغاز العادي كل ذرة تحتوي عدد مساوي من الشحنات الموجبة والسالبة، الشحنات الموجبة في النواة محاطة بعدد مساوي من الألكترونات السالبة، وكل ذرة بشكل كهربائي محايدة، يصبح الغاز بلازما عند إضافة الحرارة أو أية مصدر طاقة أخر لعدد هام من الذرات لإطلاق سراح بعض أو كل ألكتروناتها، والأجزاء الباقية من تلك الذرات تترك بشحنة موجبة. الألكترونات السالبة التي انفصلت تكون حرة الحركة، هذه الذرات وناتج الغاز المشحون كهربائيا يقال بأنه غاز مؤين، عندما تؤين الذرات بما فيه الكفاية للتأثير على الخصائص الكهربائية للغاز، فهو في هذه الحالة تكون حالة البلازما.

في العديد من الحالات التفاعلات بين الجزيئات المشحونة والجزيئات المحايدة مهمة في تقرير سلوك وفائدة البلازما. نوع الذرات في البلازما ونسبة الجزيئات المؤينة إلى الجزيئات المحايدة وطاقة الجزئ تؤثر في طيف واسع من انواع البلازما وخصائصها وسلوكها. هذا السلوك يجعل من البلازما كونها مفيدة في كثير وفي عدد متزايد من التطبيقات المهمة في حياتنا وفي العالم من حولنا.

خصائص البلازما

البلازما تتكون من جزيئات مشحونة تتحرك بحرية، وبمعنى آخر إلكترونات وآيونات تشكلت في درجات حرارة عالية عندما انتزعت الألكترونات من الذرات المحايدة، والبلازما شائعة في الطبيعة على سبيل المثال النجوم بالدرجة الأولى هي بلازما.

والبلازما حالة رابعة من المادة بسبب صفاتها وطبيعتها الفريدة المتميزة عن المواد الصلبة والسوائل والغازات وتتفاوت كثافة ودرجات حرارة البلازما على نحو واسع.

تطبيقات البلازما

شكل البلازما اساسا قويا لمجموعة من تطبيقات وأدوات التقنية المهمة بالإضافة إلى فهمنا وادراكنا لمعظم الكون من حولنا، فهي تزود الاساس والدعامة للتطبيقات الحالية مثل معالجة بلازما أشباه الموصلات وتعقيم بعض المنتجات الطبية والمصابيح والليزر والمايكرويف الكهربائي عالي المصدر وكذلك التطبيقات المحتملة المهمة مثل جيل الطاقة الكهربائية من الانشطار والسيطرة على التلوث وإزالة المواد الكيميائية الخطرة.

علم البلازما يستثمر تشكيلة متنوعة من مجالات العلم تتراوح من فيزياء البلازما إلى التطبيقات الكيميائية، الفيزياء الذرية والجزيئية، وعلم المادة. انتشارها وطبيعة تنوع حقول الدراسة تميّز طبيعة تكون البلازما، التي تتضمن الغازات المؤينة التي تتراوح من مؤين ضعيف الى المؤين إلى حد كبير، ومن الاصطدامية إلى الثبات، ومن البرودة إلى الحرارة. هذه الشروط تميز تراوح البلازما المختلف من الغازات عالية الضغط نسبيا مع جزء صغير من الذرات المؤينة ومستوى قليل نسبيا من الجزئيات المشحونة بدرجات حرارة، على سبيل المثال، البلازما الستعملة في معالجة رقائق الحاسوب والاضاءة، إلى تلك الغازات ذات الكثافة المنخفضة جدا مع جزء كبير من ذرات الغاز المتأين والمشحونة بدرجة حرارة عالية جدا، على سبيل المثال، بلازما الإنشطار.

الأنواع المختلفة للبلازما تشكل اساس التطبيقات المتنوعة والظواهر الطبيعية المختلفة. على كل حال، العديد من الاعتبارات الاساسية لتنوع المجالات الواسعة التي تميز العديد من البلازما سواء الطبيعية منها او الصناعية والتي هي مهمة في حياتنا.

إن التنوع الذي يتضمن "علم بلازما" يجعل الموضوع صعب التمييز. على أية حال، هو ذلك التنوع نفسه الذي يجعله المساهم المهم في تشكيلة واسعة من التطبيقات والتطور التكنولوجي. تحت قائمة العديد من التطبيقات التقنية للبلازما.

بعض التطبيقات التجارية والصناعية للبلازما

معالجة الإشعاع مثل:-

• تنقية المياه
• نمو النباتات

المعالجة الحجمية مثل:-

• معالجة الغاز المسال
• معالجة النفايات

المعالجة الكيميائية مثل:-

• ترسيب رقائق الماس
• بودرة السيراميك

مصادر الضوء مثل:-

• مصابيح الكثافة العالية
• مصابيح الضغط المنخفض
• مصادر إضاءة خاصة

في الطب مثل:-

• معالجة السطوح
• تعقيم الآلات الطبية

إضاءة الفلورسنت وإشارات النيون

إثنان من نطبيقات البلازما الأكثر شيوعا على كوكبنا هو مصباح الفلورسنت، وإشارات النيون. فمنذ تطويرهم في الاربعنيات من القرن السابق اصبحت اللمبات الفلورسنت الاوسع إنتشارا في الإضاءة في كل مكان تقريبا في المكاتب والمصانع والمدارس، وفي البيوت أيضا. وتعمل إشارات النيون بنفس المبدء، وتقريبا اصبحت شائعة الاستخدام.
في هذا البحث سنلخص طبيعة تلك الأدوات الموجودة في كل مكان تقريبا، تركيزا على الانارة بالفلورسنت. بدء من الضوء الذي يمكن أن نراه من خارج اللمبة، وطريقة عملها.

الضوء

إن الضوء المنبعث من لمبة الفلورسنت يبدو أبيض في معظم الحالات، ذلك اللون الأبيض هو مجموعة (كما هو ضوء الشمس) من كل الوان الطيف المرئي. في حالة اللمبة الفلورسنت، المادة التي تعمل التوهج في الحقيقة هي مسحوق أبيض تغلف الزجاج الداخلي للمبة. هذا المسحوق (عموما يسمى phosphor، بالرغم من أنه لا يوجد أي فسفور فيه) هو الذي يبعث الضوء الأبيض الذي نراه خلال المصباح الفلورسنت ويسمى التالق الاشعاعي. يحدث هذا التألق الاشعاعي عندما تمتص ذرّة (أو جزئ) طاقة من المصدر (مثل فوتون الضوء، أو إصطدام بذرة اخرى) وبعد ذلك تصدر تلك الطاقة على شكل ضوء في خطوتان أو أكثر متتالية. في المصباح الفلورسنت، الضوء فوق البنفسجي الغني بالطاقة ومن خلال الإنبوب المشبع بالفوسفور، ثم يعاد اشعاع الطاقة بإرسال إثنان او ثلاثة موجات إضاءة ذات طاقة اقل. ولكون الطيف المرئي الذي تحسة أعيننا عند مستوى طاقة اقل من الاشعاع فوق البنفسجي، نحن يمكن أن نستعمل الإستشعاع الفوسفوري كمصدر ضوء.

من أين تصدر الاشعة فوق البنفسجي؟

لكي يتوهج بضوئه الأبيض المألوف، نحتاج الى الفوسفور لكي يقصف بالضوء الفوق بنفسجي خلال المصباح. هذا الضوء الفوق بنفسجي انبعث من ذرات الزئبق الموجودة في الإنبوب المفرغ جزئيا. عندما يمتصّ الزئبق طاقة داخل المصباح (تعمل عادة كنتيجة للتأثر بالألكترونات الحرة السريعة جدا الموجودة في الإنبوب)، ويبعث بكفاءة في المنطقة فوق البنفسجية من الطيف، في الغالب طول موجة من 253.7 nm (وبمعنى آخر: 253.7 بليون متر). جزء صغير جدا من الغاز خلال المصباح هو زئبق؛ ذرات غاز الأرجون تفوق عدد ذرات الزئبق حوالي 300 إلى 1. كلتا النوعين من الذرات مشتركة فقط في أجمالي حوالي 1/100 من الضغط الجوّي خلال المصباح.

أين تحصل الألكترونات الحرة على الطاقة؟

الألكترونات الحرّة التي تصطدم بذرّات الزئبق وتثيرهم كانوا أساسا منزوعين من ذرات الزئبق نفسها. ليست كل ذرات الزئبق متأينة ، فقط نسبة مئوية صغيرة منهم فقد ألكترونا أو إثنان. لكن عندما يحرر إلكترون حر من ذرة، يسرع نحو نهاية المصباح الذي هو الأكثر إيجابية (تذكر، مصابيح الفلورسنت أدوات كهربائية، لذا نهاية الإنبوب دائما أكثر إيجابية نسبة إلى النهاية الأخرى). وعندما يعمل، بالتاكيد سوف يصطدم بذرة على طول الطريق للطرف الاخر، وإذا كانت طاقته عالية بما فيه الكفاية، يمكن أن يحرر إلكترون من ذرة اخرى ويخلق إلكترون حر إضافي. اما إذا كانت طاقته ليست عالية بما فيه الكفاية عندما تصطدم بذرة زئبق، يمكن أن يثير الزئبق بطريقة معينة بحيث أن الزئبق سيبعث اشعة فوق بنفسجية عندما يتخلى عن طاقته. تصنف هذه المجموعة من الألكترونات الحرة وآيونات الزئبق المتبقية مزيج الزئبق والأرجون كبلازما.

البلازما والفضاء

يعتقد العديد من الناس أن الفضاء بين الشمس وكواكبها فارغة لا تحتوي على شئ، فراغ مجرد من الطاقة أو المادة، لكن الفضاء ليس خاليا. تبعث الشمس البلازما بشكل ثابت، المادة في حالة ساخنة بشدة وتنتقل بكل الإتجاهات في سرعات عالية جدا لتنتشر في كامل النظام الشمسي وما بعده.

بدراسة العمليات التي تحدث في غلاف الأرض المغناطيسي (حيث حقل الأرض المغناطيسي له تأثير أعظم من حقل الشمس الواسع) وحول كواكب أخرى، نحن قادرون بشكل افضل على تقدير الدور المهم للبلازما في كافة أنحاء الكون البلازمي. يعتبر هذا المختبر الفضائي البلازمي نافذتنا إلى النجوم.
إن الغلاف المغناطيسي للارض مختفي عادة بسبب أن الهيدروجين المسيطر وآيونات الهليوم التي تصل في خلال الريح الشمسية لا تبعثر الضوء الى أطوال الموجة المرئية. على أية حال، تبعث المذنبات آيونات أثقل تكون مرئية والتي ينشأ عنها ذيل من البلازما الرائع الشكل . صور غلاف الأرض المغناطيسي تظهر كأنها منطقة تفاعل مذنب كبيرة جدا.

إن الشمس هو نجم متغير، خصوصا في نواتجه من الإشعاع فوق البنفسجي والأشعة السينية والجزيئات والحقول المغناطيسية. الإختلافات الكبيرة المرسلة يحدث في كافة الأنحاء التي تقع داخل نطاق تأثير الشمس، وتدعى هيلوسفير Heliosphere والتي تتضمن الرياح الشمسية وكل غلاف النظام الشمسي المغناطيسي. ويعتبر الطقس الفضائي هو دراسة لكيفية ومدى تأثير بيئة الفضاء على رواد الفضاء وعمليات الاقمار الصناعية وأنظمة الإتصال وشبكات الكهرباء الأرضية. على المدى البعيد، الطقس الفضائي يمكن أن يساهم في تغيير مناخ عالمي بصفة أولية من خلال التغير البطئ في الإشعاع الشمسي.
بينما تتدفق الرياح الشمسية أمام غلاف الأرض المغناطيسي، يتفاعل مع الحقل الجيومغناطيسي ويعمل كمولد كوني الذي ينتج ملايين الأمبيرات من التيار الكهربائي. بعض هذا التيار الكهربائي يصب في الغلاف الجوي العلوي للأرض الذي يضيئ مثل إنبوب نيون لخلق الشفق القطبي الجميل. إن الشفق دائما موجودا ذلك لأن مصدر الريح الشمسية متواجد دائما، وهم يشكلون حلقة من الإشعاعات ضمن الأيونوسفير تتمركز على كلا القطبين المغناطيسي في خط عرض عالي. على أية حال، عادة ما يروا ماعدا في الليل وأثناء العواصف الجيومغناطيسية. في منتصف الشتاء، سكّان فيربانكس وهي منطقة في الاسكا، يتمتعون بعرضين للشفق كل ثلاث ليالي.
ويمكن التحكم في البلازما عن طريق المجال المغناطيسي. كما أنها موصل جيد للكهرباء، فعند تمرير تيار كهربائي خلال البلازما واستخدام المجال المغناطيسي، يمكن بذلك اخضاع البلازما لقوة كهرومغناطيسية مشابهة لتلك التي يعمل بها المحرك الكهربي، وهذه القوة يمكن استخدامها بشكل فعال لزيادة سرعة البلازما ودفعها بسرعة عالية جدا قد تصل الى 60 كيلومترا في الثانية، وبهذه الطريقة يتم انتاج قوة دفع يمكنها دفع أي مركبة فضائية في الفضاء.

ويطلق على هذا الجهاز الذي يقوم بتوليد وتسريع البلازما اسم صاروخ البلازما أو محرك البلازما أو «جهاز الدفع بالبلازما» Plasma Thruster، وهو عبارة عن صاروخ كهربائي لاعتماده على الطاقة الكهربية بدلا من احتراق الوقود.

ويركز مختبر الدفع بالبلازما على دراسة الفيزياء المعقدة للبلازما وتطوير أنواع مختلفة من صواريخ البلازما.

وعن اهمية تقنية الدفع بالبلازما في المركبات الفضائية، يشير البروفسور شويري الى أن معظم الصواريخ المستخدمة حاليا في الفضاء هي صواريخ كيميائية (بوقود كيميائي) تعتمد على عملية الاحتراق، أي تحرق الوقود السائل داخل حجرة الاحتراق لإنتاج غاز كهربي محايد، يخرج كعادم من الصاروخ بسرعة لا تتجاوز 3 كيلومترات في الثانية. وكلما كانت سرعة الغاز الخارج من الصاروخ عالية، قلت نسبة الوقود المستخدم لدفع مركبة فضائية من مكان لآخر في الفضاء، ولذا نحتاج الى عدة أطنان من الوقود لإرسال مركبة فضائية كبيرة مأهولة أو على متنها معدات ثقيلة. أما اذا استخدمنا صاروخ البلازما الذي تصل سرعة العادم فيه الى 60 كيلومتراً في الثانية، فان وزن المادة الدافعة يمثل جزءا صغيرا بالمقارنة بتلك التي يستخدمها الصاروخ الكيميائي. ولابد من الاشارة الى أن صواريخ البلازما تستخدم فقط في محيط الفضاء الخارجي، أي عند وصول المركبة الى المدار المخصص لها، لأننا ما زلنا نعتمد على عملية الدفع الكيميائي لإطلاق المركبات الفضائية من على سطح الأرض.

وقد ساعد استخدام الدفع بالبلازما في المدارات على توفير قدر هائل في كمية المادة المستخدمة في عملية الدفع والتي يجب اطلاقها، وهذا يعني توفيرا كبيرا في تكلفة عملية الاطلاق، اذ تصل تكلفة اطلاق كيلوغرام واحد من هذه المادة ما بين 20 الى 200 ألف دولار.

وعن توجهات دول العالم لتوظيف تقنية البلازما في رحلات الفضاء المقبلة يقول البروفسور شويري انه توجد اليوم أكثر من 170 مركبة فضائية تستخدم الدفع الكهربائي، وجزء متزايد منها يستخدم أجهزة الدفع بالبلازما، حيث يوجد الآن في الفضاء 20 قمرا صناعيا للأغراض العلمية والتجارية تستخدم صواريخ البلازما للحركة في الفضاء أو لتعديل مواقعها. وتعتبر المركبة الفضائية Deep Space-1 التابعة لـ«ناسا» التي أطلقت عام 1998 أول مركبة تستخدم صواريخ البلازما، وقد حققت مهمتها بنجاح باهر، حيث مكن المحرك الأيوني المركبة من السفر لمسافة 320 مليون كيلومتر، ومن اعتراض أحد الكويكبات السيارة وأحد المذنبات، وقد استهلكت 80 كيلوغراما فقط من الوقود. كما حققت السفينة الفضائية SMART-1 ـ التي أطلقتها وكالة الفضاء الأوروبية في سبتمبر (ايلول) 2003، نجاحا آخر ووصلت لأحد المدارات حول القمر في نوفمبر (تشرين الثاني) 2004، وقد استخدمت المركبة نوعا من صاروخ البلازما يطلق عليه Hall thruster، والذي استهلك 10 كيلوغرامات فقط من غاز الزينون xenon. كذلك استخدمت مركبة الفضاء اليابانية HAYABUSA Asteroid Explorer نوعا آخر من المحركات الأيونية للوصول الى أحد الكويكبات السيارة مستهلكة 22 كيلوغراما فقط من وقود غاز الزينون. وتعكس كل هذه المهمات الناجحة المزايا الواضحة لتقنية الدفع بالبلازما.

تابــع معنا لـ تتعرف على .....

[SOHER]

جزئ الفا




هو تركيب مستقر جدا من بروتونين ونيوترونين، وقد تشكلت جزيئات الفا بالإنشطار النووي عند بداية الانفجار العظيم، وتتكون أيضا في النجوم خلال الجزء الرئيسي من حياتهم، وتتكون حوالي ربع كتلة الكون من هذا الجزئ.

عندما يكتسب جزئ ألفا إلكترونين يصبح ذرة هليوم، لذلك جزئ الفا يسمى نوى الهليوم في أغلب الأحيان، أشعة ألفا أو جزيئات الفا هو شكل لاشعاع الجزئ الذي يتأين إلى حد كبير وله درجة نفاذ منخفضة، ويشتمل على بروتونين ونيوترونين ربطا سوية إلى جزئ يماثل نواة الهليوم، ويمكن أن يكتب He2+.

جزيئات الفا تصدر بالنوى المشعة مثل اليورانيوم أو الراديوم في معالجة تعرف بإنشطار ألفا، بالمقارنة مع إنشطار جزئ بيتا، إنشطار ألفا متوسط القوة النووية القوية.

بسبب كتلته الكبيرة، أشعة ألفا تمتص بسهولة بالمواد ويمكن أن تنتقل فقط لبضعة سنتيمترات في الهواء. يمكن أن تمتص بالمنديل مثلا أو الطبقات الخارجية لجلد الإنساني (حوالي 40 ميكروميتر، مساوي لعمق بضعة خلايا)، عموما ليس بخطر على الحياة مالم يبتلع أو يستنشق. وبسبب هذه الكتلة العالية والإمتصاص القوي إذا دخل إشعاع ألفا الجسم فهو الشكل الأكثر دمارا هو تأين الإشعاع، فهو يأين بقوة والجرعة الكبيرة منه يمكن أن تسبب أعراضا لتسمم الإشعاع، يعتقد تضرر الكروموسومات من جزيئات الفا يساوي تقريبا 100 مرة اكبر من تلك التي تسببه كمية مكافئة من الإشعاعات الاخرى. إن ألفا تشع polonium-210 المشكوك فيه في لعب دورا في سرطان الرئة والمثانة المتعلقة بتدخين التبغ.
أكثر كاشفات الدخان المستخدمة تجاريا تحتوي على كمية صغيرة من اشعاع ألفا Americium-241. هذه النظائر المشعة خطرة جدا إذا استنشقت أو ابتلعت، لكن الخطر يكون أقل إذا بقي المصدر مغلق، وفي اوربا تكونت العديد من البرامج لجمع والتخلص من كاشفات الدخان القديمة، بدلا من تركها تدخل للنفايات العامة.


تابع معنا لـ تتعرف على .......

[SOHER]

تجربة ميكسلون ومورلي

في عام 1886 بدأ ميكلسون ومورلي بتجاربهم عن انتشار الضوء وسرعته في الفضاء وكانوا يعتقدوا أنهم يستطيعون تحديد هذه السرعة عن طريق تعيين سرعة الأرض في مدارها حول الشمس بالنسبة للأثير والذي هو موجود في كل مكان مثل الهواء الذي يحيط بنا ولكن الأثير موجود في كل الكون وكانت نظرية ميكسويل الكهريطيسيه قد أثبت أن الضوء ينتشر في الفضاء في صورة أموج وكانت الأمواج تحتاج إلى وسط افترض انه الأثير الحامل للضوء فعوم ميكلسون اكتشاف الأثير بأن يقارن سرعة الضوء المتحرك في تجاه حركة الأرض بسرعة حزمة ضوئية تتحرك في اتجاه متعامد مع حركة الأرض وعندئذ لن يبرهن الفرق بين السرعتين على حركة الأرض فحسب بل انه يعطي فعليا سرعة الأرض في مدارها حول الشمس.

وقد بنيت هذه التجربة على أساس نظري هو أنه إذا وجد الأثير فإن حركة الأرض فيه تولد تيارا أثيريا معاكسا لسرعة الأرض مثلما تولد المركبة تيارا هوائيا يجري معاكسا لحركتها فحين تقاس سرعة الضوء على الأرض فإن تأثرها بتيار هوائيا يجري معاكسا لحركتها وأثرها بتيار الأثير يتوقف على حركة الضوء هل هي موازاة لحركة الأرض أو معاكس لها أم هي متعامدة مع التيار.

وبداء العمل في هذه التجربة التي تمثل بسابحين أحرار في نهر احدهما يسبح مع النهر ذهابا وإيابا والأخر يبدأ من نفس النقطة الأولى ويسبح في عرض النهر ذهابا وإيابا ونفس المسافة التي يقطعها الأول يقطعها الثاني وفي نفس الوقت ويتضح من قانون جمع السرعات انه لا يمكن أن يعود السابحان في نفس الوقت لان السابح العرضي يصل أولا وهذا هو الأمر بالنسبة للضوء أيضا، وأعدا جهاز يستخدم في نقطة الأصل، وكان هذا الجهاز حساس إلى درجه عالية جدا ولكنه لم يسجل أي فرق في السرعتين وكانت هذه خيبة أمل لهما لأنه ظن انه اخفق في تجربته وأهمل ميكلسون هذه التجربة.

إلا أن الفيزيائيون عملوا على إجراء محاولة لتفسير هذه النتيجة ضمن إطار الفيزياء التقليدية وهذا التحليل رائع جدا ولكنه معقد واهم ماظهرت به هذه التحاليل هو أن الإليكترون الكروي يتفلطح نوعا ما عندما يتحرك في تجاه حركته بسبب خواص حركته الكهربائية وكلما أسرع كلما زاد تفلطحه ففكر لورتنز بأن المادة لكونها مؤلفه من إليكترونات تتفلطح إلى حد ما على طول خط حركتها، واستخدم هذا التفسير في تفسير تجربة ميكلسون ومورلي وأعلن أن الضوء الموازي لحركة الأرض نحو المرآة ذهابا وإيابا يتقلص في خط حركته يساوي بالتحديد الكميه الصحيحة اللازمة لإبطال التأخير الناتج عن تيار الأثير ويعرف هذا الأثر باسم فتزجيرالد- لورنتز في التقلص.


تابع معنا وتعرف على .......

[SOHER]

النسبية الخاصة

لم تأخذ فرضية فتزجيرالد- لورنتز في التقلص مأخذ الجد وبقيت كذلك إلى أن فسرها ألبرت أينشتاين عندما أعلن عن ظهور النسبية الخاصة، ولم يطور أينشتاين نظرية كي يبحث عن تفسير لهذه التجربة لأنه لم يكن يعلم بها وكان منغمسا في نظرية ميكسول الكهرومغناطيسيه وكي نفهم طبيعة هذه النظرية دعونا نراقب قطار مثلا ثم نحاول من مراقبتنا له تحديد حركتنا، أننا مهما تأنينا في مراقبتها فلن نكتشف أننا على سطح كوكب متحرك أو ساكن لإن سلوكنا لا يدل على أي شي ولا يختلف الأمر إذا كنا في مركبة أو قطار أو طائره تتحرك بسرعة ثابتة إذ لن نتمكن من اكتشاف حركتنا المنتظمة (بسرعة ثابتة وفي خط مستقيم) والسبب هو استقلال قوانين نيوتن في الحركة عن حركة المراقب المنتظمة أي لا يمكن أن تتغير هذه القوانين عندما ينتقل المراقب من مرجع إلى مرجع أخر يتحركان بانتظام وقد نقل اينشتاين هذه الفكرة إلى الضوء واقنع نفسه بان الضوء اقدر من قوانين الميكانيكا على كشف حركتنا المنتظمة وهذا يعني انه لايمكن لمعادلات مكاسويل التي تصف انتشار الضوء علاقة بحركة الراصد لأنها لو كانت متعلقة بحركة الراصد لأمكن للمعادلات أن تفيدنا في تعين حركة الشيء المطلق وكذلك تجربة ميكلسون ومورلي.

لذلك رأى اينشتاين أنه يجب أن تكون سرعة الضوء في الخلاء مستقلة عن حركة المنبع الضوئي وهذا يعني ثبات سرعة الضوء وهذه السرعة أصبحت ثابت كوني ولكن لم تستند إليه قوانين نيوتن ومن ثبات سرعة الضوء اتجه اينشتاين إلى تحليل مفهومي المكان والزمان المطلقين، وكان عليه أن يبرهن بأن تواقت حادثين منفصلين في مكان ليس له معنى مطلق بل يتعلق بحركة المراقب وكي نثبت هذه الفكرة نحتاج إلى شرح تجربه وهي تحتاج إلى خيال وتركيز.

فكرة القطار لمفهوم النسبية

لنفرض أن هناك راصدين أحدهما في عربة قطار مفتوحة متحركة بسرعة 185,000 ميل في الثانية طولها 186.000ميل والأخر في عربة قطار ثابتة أيضا مفتوحة وطولها نفس طول الأخرى وكلا الراصدين يريد أن يقيس سرعة الضوء ولنفرض إن عملية القياس تبدأ عندما تتطابق بداية العربتين ولنفرض أن شعاعا ليزريا آتى من اليمين إلى اليسار وبدأت عملية القياس فما هي النتيجة التي سوف يجدها كلا من الراصدين، سيجد الراصد الثابت انه عندما دقت الساعة ثانيه واحدة وصل الضوء إلى طرف العربة الأخرى أي انه بسرعة 186,000 ميل في الثانية وأيضا سوف يجد الراصد المتحرك نفس السرعة ولو كنت تراقب على الرصيف وأنت لا تعرف سوى قوانين نيوتن سوف يبدوا لك أن الراصد المتحرك مخالف للمنطق، ولكي نفسر تصرفه هذا سوف نتجه إلى الطرف الأيمن من العربة ونقول انه وبعد ثانيه تكون العربة المتحركة متقدمة على الثانية 18500 ميل وانه يتبقى على الإشعاع هذه المسافة كي يقطعها لذلك نرفض تساوي السرعه.

ولإزالة الشك والغموض عن هذه التجربة نعيدها ولكن على الراصد الثاني مراقبة جميع الأحداث بما فيها الراصد المتحرك وعربته ونطلق الشعاع من جديد وعندما يصل الميقات إلى ثانيه عند الراصد الثابت نحسب القياسات نجد أن الراصد المتحرك لا يكون على بعد 18500 ميل بل على بعد عشر هذه المسافة وانه لم يسجل ثانيه بل عشر الثانية فقط وهكذا يتبين أن الراصد الثابت يرى أن المرجع المكاني-الزماني عند الراصد المتحرك ليس هو نفسه المرجع المتحرك عنده ولهذا تتقلص القضبان المتحركة وتبطئ ميقات الحركة النسبية من مرجع لأخر.

وهذا الثابت - سرعة الضوء - يعتبر من أهم الثوابت الكونية التي تدخل في بناء هذا الكون وأن القانون الذي لا يحتوي عليه لا يعتبر قانون كامل بل يحتاج إلى أن يستكمل إلى أن يصبح صامد ولم يكن اينشتاين أول من ادخل مبدأ الصمود فقد ادخله نيوتن قبله على نظريته وكان مفيد إلى حد بعيد ولنبدأ بتعريف الحادث انطباق جسيم على نقطه في الفراغ (إليكترون مثلا أو فتون) في لحظه معينه فلكي نحدد حادثا معينا يجب أن نعرف متى وأين وهذا يعني أن يكون لدينا مرجع مقارنه (مجموعة إحداثيات) وبما اننا نريد موقعه فعلينا أن نعطي ثلاث أعداد على المحاور التي يكونها الفراغ (س, ص, ع) هذه الإحداثيات المكانية وكي نحدد زمن وقوع الحادث نحتاج إلى إحداثي جديد زمني فيكون مسار الجسيم منحنيا يصل بين هذه الحوادث وبما أن القانون لا يعالج حاله خاصة بل يعالج الطبيعة نفسها فيجب أن يبقى نفسه لكل المراقبين وهذا هو مبدأ الصمود وأكثر ما يميز النسبية أنها تظهر أن لا المكان وحده مطلق ولا الزمان وحده مطلق ولكن قولنا أن كلا من الزمان والمكان ليس مطلقا لا يعني أن النسبية ليست نظرية الأشياء المطلقة بل أن الحقيقة المطلقة فيها أعلى مستوى مما في فيزياء نيوتن لأنها تمزج المكان بالزمان في -زمكان- متشعب الجوانب ولكي نوضح ذلك نلاحظ أولا أن كلا من المسافة بين حادثين والمدة الزمنية الفاصلة بينهما هي نفسها وفقا لفيزياء نيوتن بالنسبة لجميع المراقبين - أي أن المدة مطلقة والمسافة مطلقة - أما في النظرية النسبية فتجد أن المراقبون المختلفون مسافات مختلفة وأزمنة مختلفة ومع ذلك تعلمنا النسبية أن مزيجا معينا للمكان والزمان الفاصلين بين حادثين يكون واحدا بالنسبة إلى جميع المراقبين وللحصول على مربع هذا الفاصل الزمكاني المطلق بين الحادثين نربع المسافة بين الحادثتين ونطرح منها حاصل ضرب سرعة الضوء في المدة الزمنية بين الحادثين فنحصل على المقدار المطلق .

ويمكن أن يستنتج من الفاصل الزمني التي سبق ذكره كل النتائج الهامة التي تنبثق عنها النظرية النسبية الخاصة مثل تقلص الأطوال المتحركة وتباطؤ الزمن وتزايد الكتلة وتكافؤ الطاقة والكتلة.

تابع لـ تتعرف على ....

[SOHER]

النسبية العامة

في عام 1916 نشر اينشتاين بحثه عن نظرية النسبية العامة وكان يمثل هذا البحث عشر سنوات قضاها في التفكير الشديد وكان الدافع لهذه النظرية هو أن نظرية الخاصة تركت المكان والزمان مبتورين ولان اينشتاين يرى أن الطريق إلى الوصول لتوحيد القوى الفيزيائية كان يجب أن تكون نظرية صامدة نسبيا ولان النظرية الخاصة لم تكن كذلك حاول أن يتمها بالعامة لان الخاصة لا تنطبق إلا على المراقبون الذي تحرك أحدهم بالنسبة للأخر بسرعة ثابتة.

ولما وجد عيب في نظريته الخاصة ولأنه كان يؤمن أن جميع المراجع بغض النظر عن حركتها تتكافأ لدى الطبيعة ولابد لها أن تنظم الحركة بتسارعات مختلفة، فقد بدأ اينشتاين عند بناء نظريته النسبية العامة بملاحظات عامة كلن غاليليو أول من توصل إليها وهي أن جميع الأجسام التي تسقط سقوطاً حراً من ارتفاع متحرك بتأثير ثقالة الأرض بتسارع واحد مها كانت كتلها كما لاحظ أن جميع الأجسام المتحركة في مرجع متسارع تستجيب إلى هذا التسارع بالطريقة نفسها مهما كانت كتلتها ومن هاتين الملاحظتين اعتمد مبدأ من أهم المبادئ الفيزيائية وهو مبدأ التكافؤ الذي ينص على أنه لا يمكن تمييز قوى العطالة من قوى الثقالة فأصبح هذا المبدأ أساس نظرية النسبية العامة لأنه نفى إمكان تعيين حالة الشيء الحركية بملاحظة قوى العطالة أو اكتشافها سواء أكان مرجعنا متسارع أم لا، يمكن أن نتابع تفكير أينشتاين بتجربة فكرية شهيرة وهي تخيل فيها أن مراقبا في مصعد وكان في هذا المصعد أجسام مشدودة إلى أسفل وكان في بداية الأمر معلق فوق الأرض ساكناً ففي هذه الحالة سوف تكون جميع التجارب التي يجريها المراقب تتفق تماماً مع تجارب مراقب خارج المصعد على الأرض سوف يستنتجان قوة الثقالة ....الخ، دعونا ننتقل مع المراقب الذي في المصعد بتسارع(9.8 متر /ثانية) متجه ألى أعلى عكس قوة الثقالة وبنفس تسارع الأجسام على الأرض إذا كان منطقياً مع نفسه سوف يبقى على استنتاجه بأن جميع الأجسام سوف تبقى على نفس تصرفها عندما كان المصعد معلق على الأرض وهذا هو مبدأ التكافؤ فهو يجنب المرء أن يستنتج بأنه موجود في مرجع متسارع لأن كل الآثار الناجمة عن هذا التسارع تماثل الآثار الناجمة عن الثقالة في مرجع ساكن أو يتحرك حركة مستقيمة منتظمة في حقل ثقالي وهكذا يدعم هذا المبدأ نظر اينشتاين بأنه لا يمكن ان يكون هناك فرق بين الحركة المتسارعة والغير متسارعة لأن قوى العطالة الناجمة عن التسارع هي نفسها ناجمة عن الثقالة فلا يستطيع المراقب أن يفرق ومن هنا لا يوجد فرق حول ماذا يرصد المراقب هل يرصد الأجسام المادية من الناحية التحركية أو الحركة أو انتشار الضوء مما أدى باينشتاين إلى استنتاج مهم جداً بشأن سلوك الضوء فحينما تمر حزمة ضوئية عبر المصعد المتسارع في اتجاه عمودي على تسارعة تبدو أنها تسقط نحو أرض المصعد مثلما تسقط الجسيمات المادية لآن أرضه تتحرك حركة متسارعة ولما كان مبدأ التكافؤ ينص على أن لا فرق بين آثار التسارع والثقالة لذلك توقع اينشتاين أن تسقط الحزمة الضوئية في الحقل الثقالي كما تسقط الجسيمات المادية وقد ثبت هذا التوقع بحذافيره وفي أثناء كسوف الشمس الذي حدث عام 1919 فقد شوهد أن الحزمة الضوئية تنحرف نحو الشمس عندما تمر بجوارها وكان مقدار الانحراف متفقا مع ما توقعه اينشتاين ونلاحظ أنه لا خلاف بين النظرية العامة والنظرية الخاصة في أنهما مبنيتان على زمكان رباعي الأبعاد والعامة تشمل الخاصة ولكنها تختلف عنها في أن هندسة النسيبة العامة لا إقليدية وهذا الجانب هو الذي يقود إلى مبدأ التكافؤ وكي نفهم الفضاء الا إقليدي دعونا نعود إلى المصعد قليلا .... ونتخيل الآن أن المصعد يسقط سقوط حر نحو الأرض ففي هذه الحالة يسقط المراقب وكل شي داخل المصعد بسرعة واحدة كما أن الشيء المقذوف يتحرك عبر المصعد حركة مستقيمة كما يرها المراقب أي لا يوجد هنا حقل ثقالي أما بالنسبة للمراقب الواقف على الأرض فلا يرى المقذوفات تتحرك حركة مستقيمة وأنما على هيئة قطوع مكافئة لذلك لا وجود للثقالة بالنسبة للمراقب الذي في المصعد بينما موجودة للمراقب الذي على الأرض فكيف نخرج من هذا التناقض لقد رأى اينشتاين أن الحل يمكن في إعادة فهم القوة الثقالية لأن مفهوم نيوتن لها ليس مفهوما مطلقاً تغير من مرجع إلى أخر كما حدث في التجربة السابقة ولذلك قام اينشتاين بإعادة قانون نيوتن الأول ليشمل هذا المفهوم وأصبح القانون هو (أن الأجسام تتحرك دائما في خطوط مستقيمة سواءً أكانت في حقل ثقالي أم لا ) ولكن يجب إعادة تعريف الخطوط المستقيمة كي ينتهي الأشكال وتشمل خطوطا ليست مستقيمة بالمعنى الأقليدي وقام اينشتاين بذلك وبين كيفية هندسة الزمكان الأقليدية في الفضاء المليء بالكتل وهندسة الاقليدية في الزمكان الخالي من الكتل وأصبح السبب في حركة الأجسام في الحقل الثقالي هو أتباع الأجسام للانحناء الزمكاني وتعد هذه الحركة في الهندسة اللا إقليدية حركة في خطوط مستقيمة لأنها اقصر مسار في هذه الهندسة وكان لهذه الدراسة التي قدمها عبقري هذا القرن نتائج كثيرة من انحراف حزمة الضوء وظاهرة (مبادرة حضيض الكواكب) وأيضاً ظاهرة (الإنزياح الاينشتايني نحو الأحمر).

وأيضا تتنبأ هذه الهندسة الناشئة عن وجود أجسام ذات كتل هائلة كالنجوم تتوقع بأن يتباطأ الزمن بالقرب من هذه النجوم أضف إلى ذلك تقلص الأطوال وكان أعظم إنجاز حققته النسبية العامة كان في مجال علم الكوسمولوجية علم نشوء الكون فقد طبق اينشتاين نظريته الثقالية على الكون بمجملة وتوصل على نموذج سكوني لا يتوسع ولاينها على نفسه ثم أثبت باحثون إن النظرية تؤدي إلى نموذج لاسكوني متوسع وهكذا ساهمت هذه النظرية في إثراء علم نشوء الكون.

اينشتاين وفي معرض كلامه وشرحه عن نظرية النسبية, أكد وبشكل علمي قاطع فكرة أن الكون في حركة مستمرة ومتسارعة لا تهدأ, وإننا وبالنسبة لاجرام وكواكب أخرى ومجرات لا متناهية أصبحنا في زمان ماض وبعيد, لان حركة تسارع تلك المجرات والكواكب الأخرى تسير أسرع بكثير من حركتنا ولذلك أصبحت في زمن كوني ابعد, وسبقتنا بسنوات ضوئية فلكية بينما نحن مازلنا في زمن سحيق بالنسبة لهم وهذا الزمن متباعد وطويل جدا بحيث لا يمكن اللحاق بهم. لأننا لا يمكن أن نعيش حتى نصل لذلك الزمن ,وبالتالي تكون هي أيضا بحكم التسارع قد وصلت إلى زمن أخر, وهكذا في متوالية متصاعدة لا تنقطع ولا تتوقف ابد, فقد اصبحوا في زمن مستقبلي آخر. ولذلك نحن – بالنسبة لتلك الأجرام والكواكب-- في حكم الأموات تاريخيا,فهم وعلى سبيل المثال قد قطعوا 10000 سنة ضوئية بينما لازالت مجرتنا في السنة ال6000 وهذا يعني وجود 4000 سنة فرق وتخلف زمني بالنسبة لهم.أن كلام هذا الرجل – برأيي --على الأقل منطقي ومقبول حتى الآن , لان العلم الحديث والاكتشافات العظيمة بنيت على أساس من نظرياته,وهو كان يجري حسابات رياضية وفلكية ومعادلات ليخبرنا انه من ألان وبعد كذا دقيقة أو ساعة أو يوم أو شهر أو سنة سيصطدم هذا النيزك بذاك الشهب أو الكوكب بالآخر , وكانت كل حساباته تثبت صحتها ودقتها.

والرائع في النظرية النسبية هو اكتشاف العلاقات الكبرى بين قوانين الوجود، وهكذا استطاعت النسبية أن تدمج المكان بالزمان، ليتحول مفهوم الزمن إلى البعد الرابع، وتتحول علاقة الزمان-المكان إلى كينونة واحدة، وليدمج بين الطاقة والمادة، فتتحول كل منهما إلى الأخرى وفق معادلة صغيرة، لم يعد هناك زمن مطلق كما اعتبرته الفيزياء التقليدية، كما نسف مفهوم المكان المطلق، ولكن كيف يمكن فهم تغير الزمن؟ هل اليوم مثلاً في كوكب آخر هو غير اليوم على الأرض؟ الجواب نعم فإن (سنة) الكوكب عطارد هي 88 يوماً، ويومه قريب من ذلك، فلا فرق بين اليوم والسنة على ظهره، فهو يدور حول نفسه بقدر دورانه حول الشمس في حين أن سنة الكوكب (بلوتو) 238 سنة (مما نعد نحن) ثم أن الزمن يتعلق بالسرعة، فالسرعة تضغط الزمن، فكلما ازدادت السرعة انضغط الزمن أكثر، فإذا وصلت السرعة إلى سرعة الضوء، وهي مستحيلة لأي سرعة غير سرعة الضوء حسب معطيات العلم الحالي، توقف الزمن!!. لما كان هذا الزمن يتناول جسم الإنسان كله فيمكننا أن نستنتج أن الشخص المتحرك حركة بطيئة (يشيخ) قبل الشخص المتحرك حركة سريعة، بل إن الشخص الذي يتحرك بسرعة الضوء يعيش خارج الزمن، أي لا يشيخ أبداً، ولكي نوضح ذلك بطريقة محسوسة ونصور التحول العظيم الذي طرأ على علم الفيزياء نقتبس المثل الآتي من ( لونجفين ) فقد تخيل هذا العالم رحالة فلكياً غادر الأرض بسرعة تساوي 1/ 20000 من سرعة الضوء، وقفز في المستقبل قفزة إلى الأمام ليرى ما تكون عليه الأرض بعد سنتين من سنينه هو، ولما آب راجعاً إلى مستقره على الأرض وجد أن السنتين اللتين قضاهما عبر الفضاء ذهاباً وإياباً تعدان قرنين من عمر الأرض، ووجد الأرض آهلة بسكان جدد وعادات جديدة ووجد حضارة لا عهد له بها قبل منطلقه.

استطاع آينشتاين بومضة عبقرية أن يكتشف علاقات الكون الأساسية ويربطها ببعض، فالمكان ذو ثلاثة أبعاد: طول وعرض وارتفاع، ولكن الزمن هو بعد رابع، إلا أننا لا نستطيع تصوره بسبب طبيعة تركيب عقولنا، والمركب ( الزمان - المكان ) مرتبط بدوره مع السرعة، وأعظم سرعة في هذا الوجود هي سرعة الضوء، فآينشتاين اعتبر أنه لاشيء ثابت في هذا الوجود إلا سرعة الضوء، وسرعة الضوء فقط، وبذلك مسح في أول ضربة نظرية الأثير القديمة، وأعطى التعليل الراسخ للتجربة التي قام بها عالمان جليلان هما (ميكلسون ومورلي) أجرياها بكل دقة من أجل قياس سرعة الضوء في كل الاتجاهات، وهكذا فالضوء ينتشر وبسرعة ثابتة، ومهما كانت سرعة حركة المصدر، وتبين أن سرعة الضوء رهيبة، حيث بلغت (300) ألف كم / ثانية، فلا غرابة إذاً إذا اعتبر ديكارت أن سرعة الضوء غير متناهية، أو فشل غاليلو في قياس سرعته، لأنه كان كمن يقيس الكرة الأرضية بالشبر!! وهكذا فالضوء يلف الكرة الأرضية سبع مرات ونصف خلال ثانية واحدة، ولا غرابة أن نتحدث مع من هم في أقصى الأرض بنفس اللحظة، كما يصل ضوء القمر في ثانية وثلث فقط، في حين أن ضوء الشمس يغمر الأرض بعد انطلاقه بثماني دقائق.

ونظراً للأبعاد الكونية الشاسعة فقد استخدمت هذه الوحدة في القياس، فكلمة (سنة ضوئية) تعني المسافة التي يقطعها الضوء في مدة سنة كاملة (أي ستة ملايين مليون ميل أو حوالي 9 مليون مليون كم) وعلينا أن نعلم أن قطر المجرة اللبنية التي ننتسب إليها هي في حدود 100 ألف سنة ضوئية، وهي مجرة متواضعة فمجرة المرأة المسلسلة مثلاً يصل إلى 150 ألف سنة ضوئية !! وأقرب مجرة إلينا تبعد حوالي مليونين من السنين الضوئية، ولأخذ فكرة عن سعة الكون الذي نعيش فيه، فما علينا سوى وضع التصور التالي والمنقول عن كتاب الكون لكارل ساغان (ص 167): في قبضة اليد الواحدة من رمل الشاطئ حوالي عشرة آلاف حبة، وفي الكون من النجوم ما هو أكثر من كل رمال الشواطئ في بحار الدنيا أجمعين.

انطلقت النظرية النسبية من علاقة السرعة بالأشياء الأخرى، وبذلك سجلت النسبية الخاصة الخطوات الأولى لعلاقة السرعة بالكتلة والزمان والمكان.

فماذا يحدث لو زادت السرعة في علاقتها بالكتلة؟

ترى النسبية أنه مع السرعة يحدث تبدل في ثلاثة اتجاهات:-
الأول:- تزداد الكتلة.
الثاني:- هو انضغاط الزمن.
الثالث:- هو انضغاط الطول.

فإذا زادت السرعة مثلاً لعمود يبلغ طوله مترا حتى بلغت نصف سرعة الضوء انضغط الطول إلى حوالي 86 سم، فإذا وصل إلى حوالي 90% من سرعة الضوء لم يبقى من المتر إلا 45 سم، فإذا وصل إلى سرعة 99 % من سرعة الضوء انكمش المتر إلى 14 سم فقط، فإذا وصلت السرعة إلى سرعة الضوء أصبح الطول صفراً !! ولا يشعر بهذا الشيء من هو داخل العملية، بل يشعر بها المراقب من الخارج فقط، كما أنها تنطبق على كل شيء في هذا الوجود، وهذه أمور لا يستطيع العقل تصورها، ولكنها قضايا فجرتها النظرية النسبية، وبذلك نفهم النسبية ولماذا أخذت هذا الاسم، فكل ما في الكون في حركة وبسرعات مختلفة، فالأرض تدور حول نفسها بسرعة ربع ميل في الثانية، وهي تدور بنفس الوقت حول الشمس بسرعة 5.18 ميل في الثانية، والشمس وكواكبها سائرة باتجاه نقطة في المجرة بين مجموعة هرقل (الجاثي) ومجموعة اللورا بسرعة 12 ميل في الثانية، ومجرة درب التبانة التي ننتمي إليها تدور حول نفسها دورة كاملة كل ربع مليار سنة بسرعة 120 ميل في الثانية، ومجرتنا تبتعد عن أخواتها المجرات الأخرى بسرعة تصل إلى (600 - 40000 ميل في الثانية) ” كُلٌّ فِي فَلَكٍ يَسْبَحُونَ“(الانبياء: من الآية33).

لم يبق ثبات لشيء مطلقاً، فلا الأحجام تبقى أحجاماً، ولا الأبعاد أو الزمان أو المكان، فكل ما في الكون هو في حالة، فالزمان الذي يتدفق مفكك الأوصال في هذا العالم الذي نعيشه، وتياره الذي يجري مختلف من مكان إلى آخر، فالزمن في مكان من الكون هو غير الزمن في مكان آخر، ويتبع هذا تغير كل شيء من الأبعاد والأحجام والأوزان والحركات، وكل هذا يتبع السرعة التي يتمتع بها الكوكب أو المكان الذي يتدفق فيه الزمن، بل هو حتى في الكرة الأرضية اليوم ليس كالغد، فبعد خمسة مليارات سنة سيكون يوم الأرض 36 ساعة، كل هذا بفعل تباطؤ حركة الأرض بفعل الاحتكاك، إذاً يبقى فهم العالم ووضعه بشكل نسبي حسب مكان المراقب، هذا التحول العقلي هو الذي ألهم صاحبا كتاب العلم في منظوره الجديد أن يقولا أن هناك ثورة في المفاهيم أطاحت بالنظام القديم، وشقت الطريق إلى فهم جديد للعالم بل رسم معالم حضارة جديدة.

وأما أهم أمرين فتحت الطريق إليهما النظرية النسبية، التي بدأت تتأكد مخبرياً، فهما أولاً: (نظرية الانفجار العظيم) في كيفية تشكل الكون الأولي، وثانياً: ومن خلال معادلة علاقة الطاقة بالمادة الانطلاق في المشروع النووي، حيث أمكن إنتاج طاقة لم يحلم بها حتى (الجن)، فلأول مرة يضع الإنسان يده على الوقود الكوني!! كان هذا من خلال بحث قام به عالمان هما (كارل فريدريش فوه فايسكر) والثاني (هانس بيته)، حيث ومن خلال معادلات آينشتاين، تم الوصول إلى كشف السر عن نوع الوقود الذي يحترق في الشمس وأنه وقود غير تقليدي، فلو كان مخزون الشمس من الفحم مثلا ً لاستُهلك في مدى 300 عاما ً لا يزيد، ولكنه من نوع القنابل الهيدروجينية، التي تنفجر بدون توقف، قاذفةً أحياناً شواظاً من لهب يتجاوز الـ 500 ألف كم خارج الجحيم الشمسي المستعر.

تابع ..........

[SOHER]

مقاييس علم الكونيات

يوجد اربعة مقاببس مسافة بعدية مختلفة تستخدم في علم الكونيات:-

لمعان المسافة DL

في الكون المتمدد، توجد مجرات بعيدة خافتة جدا اكتر مما تتوقع حيث أن فوتونات الضوء تصبح متمددة وإنتشرت في منطقة واسعة. لهذا تتطلب مناظير هائلة لرؤية المجرات البعيدة جدا. المجرات الأكثر بعدا المرئية بتلسكوب هابل الفضائي تكون خافتة جدا بحيث تظهر كما لو أنها على بعد حوالي 350 بليون سنة ضوئية بالرغم من أنهم أقرب كثير من تلك مسافة.

لمعان المسافة ليست مقياس مسافة واقعي لكنه مفيد لتحديد مدى ضعف ظهور المجرات البعيدة جدا عنا .

مسافة قطر الزاوية DA

في الكون المتوسع، نرى المجرات قرب حافة الكون المرئي عند نشأتهم قبل حوالي 14 بليون سنة خلت لأن الضوء قد أخذ تقريبا 14 بليون سنة للوصول إلينا. تلك المجرات لم تكن صغيرة فقط لكنها كانت أيضا أقرب الينا في ذلك الوقت.

المجرات الأخفت والمرئية بتلسكوب هابل الفضائي كانت فقط على بعد بضعة بلايين السنوات الضوئية منا عندما ارسلت ضوئها. هذا يعني بأن المجرات بعيدة جدا تبدو اكبر بكثير مما تتوقع كما لو أنهم كانوا فقط على بعد حوالي 2 الى 3 بليون سنة ضوئية عنا (بالرغم من أنها ضعيفة جدا جدا أيضا).

مسافة قطر الزاوية إشارة جيدة لتحديد مدى قرب المجرة الينا عندما بعثت الضوء الذي نراه الآن.

مسافة الاثارة DC

إن مسافة الاثارة هو مقياس المسافة الذي يتوسع بها الكون. تخبرنا اين هي المجرات الآن بالرغم من أن وجهة نظرنا من الكون البعيد عندما كان أصغر عمرا وأصغر حجما بكثير. على هذا المقياس فإن حافة الكون المرئي الآن هي حوالي 47 بليون سنة ضوئية منا بالرغم من أن أكثر المجرات بعدا والمرئية بتلسكوب هابل الفضائي الآن ستكون حوالي 32 بليون سنة ضوئية عنا.

مسافة الاثارة عكس مسافة قطر الزاوية ويخبرنا أين هي المجرات الآن بدلا عن أين كانت عندما بعثوا بالضوء الذي نراه الآن.

مسافة مدة رحلة الضوء DLT

تمثل مسافة مدّة رحلة الضوء الوقت اللازم لوصول الضوء من المجرات البعيدة للوصول الينا. هذا الذي يعنى انه متى يقال بأن الكون المرئي له نصف قطر من 14 بليون سنة ضوئية - هو ببساطة بيان بأنّ الكون بعمر 14 بليون سنة تقريبا والضوء من المصادر الأكثر بعدا لم يأخذ الوقت بعد للوصو الينا.

مسافة مدّة رحلة الضوء هو امثر مقياس للوقت وكمقياس للمسافة. وهو مفيد بشكل رئيسي لأنه يخبرنا كم هي قديمة منظر المجرة التي نراها الان.

الرسم يوضح مخطط مقاييس المسافة الأربعة مقابل الانزياح للطيف الاحمر. الطيف الاحمر مقياس سرعة توسع الكون - مجرة ذات طيف احمر كبير ستكون أبعد من مجرة ذات طيف احمر صغير. المجرات الأكثر بعدا تكون مرئية بتلسكوب هابل الفضائي بطيف احمر يساوي 10، بينما المجرات المبكرة والأكثر بعدا في الكون من المحتمل انها عند طيف احمر يساوي 15. إن حافة الكون المرئي عند طيف احمر لا نهائي. بالمقارنةأي منظار نقال نموذجي لا يستطيع رؤية كثيرا ما بعد طيف احمر يساوي 1.3 (حوالي 1.3 بليون سنة ضوئية).

لمعان المسافة (DL) تبين لماذا تكون المجرات البعيدة صعبة الرؤية جدا - مجرة صغيرة وبعيدة جدا في إنزياح الطيف الاحمر الى 15 تبدو على بعد حوالي 560 بليون سنة ضوئية عنا، على الرغم من أن مسافة قطر الزاوية (DA) تقترح بأنها كانت في الحقيقة حوالي 2.2 بليون سنة ضوئية عنا عندما بعثت الضوء الذي نراه الآن.

مسافة مدة رحلة الضوء (DLT) تخبرنا بأن الضوء من هذه المجرة سافر مسافة 13.6 بليون سنة بين الوقت الذي بعث فيه الضوء واليوم. مسافة الاثارة (DC) تخبرنا بأن هذه المجرة هي ذاتها اليوم إذا تمكنا من أن نراها الان، وسيكون حوالي 35 بليون سنة ضوئية عنا.

تابــــع ........

[SOHER]

ميكانيكا الكم

حتى نهاية العقد الأخير من القرن التاسع عشر كان العالم الفيزيائي يمكن أن يفسر طبقا لمبادئ الميكانيكا الكلاسيكية ( أو النيوتونية - إشارة إلى إسحاق نيوتن )، ولكن بنهاية القرن التاسع عشر بدأت تنهار نظريات فيزياء الحياة اليومية وتظهر نظريات النسبية وميكانيكا الكم الذين طورا وتم العمل بهم، جاءت النسبية أولا ووصفت طبيعة الأشياء الهائلة والسريعة جدا، وبعد ذلك جاءت ميكانيكا الكم في عشرينيات القرن العشرون لتصف طبيعة الأشياء الصغيرة جدا.

لاتوجد واحدة من هذه النظريات تزودنا بوصف للعالم بشكل يسير وسهل، منذ تناقضها مع تنبؤات الميكانيكا التقليدية المألوفة في الأنظمة التي طورت، وعلى الرغم من هذا كلتا النظريتين تستخدم النتائج التقليدية عندما تقدم حلولا للعالم اليومي. فمثلا لفهم فيزياء أشباه الموصلات على مستوى ذري يجب أن نبدأ عند رأي ميكانيكا الكم، عندما تتعامل مع أشياء صغيرة جدا ( إلكترونات، ذرات، الخ).

فإذا كانت فكرتك عن الذرة أنها إلكترونات تدور حول النواة، فأنت تقريبا 70 سنة بعيد عن التاريخ، وإن الأوان أن تفتح عيونك إلى العالم الحديث لميكانيكا الكم!

الصورة توضح أين تجد الإلكترون في ذرّة هيدروجين ( النّواة في مركز كل تخطيط ).

وتعرف ميكانيكا الكم بأنها هي دراسة المادة والإشعاع على المستوى الذري.

تطور ميكانيكا الكم

في بداية القرن العشرون كان لبعض التجارب نتائج لا يمكن أن توضحها الفيزياء الكلاسيكية، فعلى سبيل المثال كان المشهور أن الإلكترونات تدور حول نواة الذرة، إذا فكروا في هذا الأسلوب فهي تشبه الكواكب التي تدور حول الشمس، الفيزياء الكلاسيكية تنبأت بأن الإلكترونات تتلولب وتصطدم بالنواة في جزء من الثانية. من الواضح بأن هذا لا يحدث، وذلك تنبؤ خاطئ، ومع تطور التّجارب والتجارب الأخرى والتي لا تفسرها الفيزياء الكلاسيكية جعل العلماء يبحثون عن شيء ما جديد ليوضح ويفسر العلم على المستوى الذري.

ولكن هذا لايعني ان الفيزياء الكلاسيكية خاطئة، فالفيزياء الكلاسيكية هي نظرية منقوصة وليست خاطئة، لكنها تكون منقوصة بشكل كبير عندما يتم التعامل مع الوحدات الصغيرة ( حجم ذري، حيث تستعمل ميكانيكا الكم ) أو الوحدات السريعة ( قرب سرعة الضوء، حيث تتولاها النسبية). للأشياء اليومية التي هي أكبر بكثير من الذرات والأبطأ كثيرا من سرعة الضوء تعمل الفيزياء الكلاسيكية بشكل ممتاز ويكون من السهل استعمالها بدلا من ميكانيكا الكم أو النسبية ( الذين يتطلبان معلومات حسابية شاملة ومعقدة).

أهمية ميكانيكا الكم

إن التالي يبين الأشياء الأكثر أهمية التي يمكن لميكانيكا الكم أن تصفها بينما لا يمكن للفيزياء الكلاسيكية أن تفسرها:-

انفصال الطّاقة

إذا نظرت إلى طيف الضوء التي تنبعث من ذرات نشطة (مثل الضوء الأصفر البرتقالي من أضواء الصوديوم المستخدمة في الشوارع أو الضوء الأبيض المائل للزرقة من مصابيح الزئبق ) ستلاحظ بأن إنها مكونة من خطوط فردية من الألوان المختلفة. هذه الخطوط تمثّل مستويات الطّاقة المنفصلة للإلكترونات في تلك الذرات المثارة. عندما يشحن الإلكترون بطاقة عالية يتحرك إلى أسفل مستواه ، الذرة تبعث فوتون الضوء الذي يطابق تلك الطاقة للفرق بين ذلك المستويين ( حماية الطّاقة ). كلما زاد فرق الطّاقة، سيزداد نشاط الفوتون ، ويقترب لونه إلى نهاية الطيف عند اللون البنفسجي.

إذا كان الإلكترون غير مقيد للانفصال عبر مستويات الطاقة، فإن الطيف من ذرة مثارة سيكون استمرار لانتشار الألوان من الأحمر إلى البنفسجي بدون خطوط فردية.

مفهوم مستويات الطّاقة المنفصلة يمكن أن تعرض بثلاث طرق للمصباح، 40/ 75/ 115 واط يمكن أن فقط تشع ضوء تلك الواط، وعندما تغير في الواط من وضعه إلى ما يليه، ستقفز القوة فورا إلى الوضع الجديد بدلا من التزايد بشكل تدريجي.

في الحقيقة أن الإلكترونات يمكن أن توجد فقط في مستويات الطاقة المنفصلة التي تمنعها من التّلولب للنّواة، كما تتوقع الفيزياء الكلاسيكية. وإن كم الطّاقة بالإضافة مع بعض الخواص الذرية الأخرى التي كوممت هي التي تعطي ميكانيكا الكم اسمه.

الثنائية (موجي-جسيمي) للضوء والمادة

في 1690 فسر كرسيان هايغنس أن الضوء مكون من موجات، ولكن في 1704 فسر إسحاق نيوتن بأن الضوء مكون من جسيمات صغيرة جدا. التجارب دعمت كل منهما. على أية حال، لا نظرية منهم يمكن أن توضح كل الظواهر المربوطة بالضوء، لذلك بدء العلماء يفكرون بالضوء بكلا الوضعين جسيم وموجة.

في عام 1923 لويس دي بروجلي افترض بأن مادة الجسيم يمكن أن يكون لها نفس خواص الموجات، وفي 1927 عرضت ( من قبل دافيسسون وجيرمير ) أن الإلكترونات يمكن أن تتصرف مثل الأمواج.

كيف يمكن لشيء أن يكون جسيم وموجة في نفس الوقت؟ إن ذلك خاطئ أن نفكر بالضوء كفيض من الجسيمات التي تتحرك لأعلى وأسفل بطريقة الموجات.

في الحقيقة، الضوء والمادة موجدان كجسيمات، ما يتصرف مثل الموجة هو احتمالية اين سيكون ذلك الجسيم.السبب أن الضوء يظهر أحيانا بكونه موجة بسبب أننا نلاحظ تراكم العديد من جسيمات الضوء وزعت على احتمالات حيث يتواجد كل جسيم.

على سبيل المثال، لنفترض أن لدينا آلة رمي النبال وهناك احتمال 5% برمي داخل نقطة الهدف و95% لإصابة الحلقة الخارجية ولا يوجد فرصة لضرب أي مكان آخر على رقعة النبال. لنفترض الآن أننا تركنا الآلة لترمي 100 نبلة وتركنا النبال المائة على لوحة الرمي، يمكنا أن نرى كل نبلة منفردة (لذا نعرف انهم طبيعتهم مثل الجسيم ) لكننا يمكن أن نرى نموذج في لوحة الرمي من حلقة كبيرة تحيط عنقود صغير في المنتصف. هذا النموذج هو تراكم النبال الفردية على احتمالات حيث تتواجد كل نبلة قد هبطت، وتمثل حركات الموجات سلوك النبال.

نفق الكم

هذا واحد من أكبر الصفات المهمة المستخلصة من ميكانيكا الكم؛ بدونه لن تجد رقائق الحواسيب، وأجهزة الكمبيوتر الشخصية لا يسعها الغرفة.

كما ذكر سابقا أن الموجة تحدد باحتمالية تواجد الجسيم، عندما تصادف الموجة المحتملة مانع طاقة فإن أغلب الموجة ستنعكس مرة أخرى، لكن قسم صغير منها سيتسرب خلال المانع نفسه، إذا كان المانع صغيرا بما فيه الكفاية فإن الموجة التي تسربت خلال المانع ستمر على الجانب الآخر منه، مع آنه وحتى الجسيم الذي لا يملك طاقة كافية للمرور داخل المانع، هناك ما زال احتمال صغير وهو إمكانية أن يحفر نفق خلاله.

لنفترض كرة مطاطية ترميها على حائط، تعرف بأن طاقتك لن يكفي لان تمر الكرة خلال الحائط، لذلك تتوقع دائما أن ترد إليك مرة أخرى، ميكانيكا الكم تقول بأن هناك احتمال صغير ان الكرة يمكنها أن تتجه خلال الحائط ( بدون تخريب الحائط ) ويستمر طيرانها على الجانب الآخر! بشيء ما كبير مثل الكرة المطاط، مع أن ذلك الاحتمال ضعيف جدا أن ترمي الكرة لبلايين من السنين ولن تراها تذهب خلال الحائط. لكن بشيء ما صغير جدا مثل إلكترون فإنه أمر يحدث يوميا.

عند الجانب الآخر من النفق عندما يصادف جسيم نقصا في الطّاقة هناك احتمالية صغيرة انه سينعكس. بكلمة أخرى، إذا أنت كنت تدحرج قطعة رخام على منضدة مستوية، هناك صدفة صغيرة عند وصول الرخام إلى الحافة أن ترتد إليك القطعة بدلا من سقوطها إلى الأرض! ثانية، لشيء ما كبير مثل رخام لن ترى شيء من هذا يحدث، لكن الفوتونات ( الجسيمات المعدومة الكتلة للضوء ) إنه أمر حقيقي.

مبدأ الشك لهيسينبيرج (Heisenberg's uncertainty principle)

تعود الناس على إستخدام أدوات قياس في العالم الميكروسكوبي حولهم، أحد يسحب شريط المقياس ويصمم طول منضدة. وأخر يستخدم راداره في سيارته ليعرف جهة السفر، وحالما تصبح المعلومات التي يحصلون عليها كما يريدون لا يقلقوا من أن سواء المقياس نفسه قد غير ما كانوا يقيسون، ومع ذلك، ماذا سيكون الإحساس عند تصميم منضدة طولها 80 سنتيمتر إذا كانت عملية القياس قد غيرت طوله!

على الميزان الذري لميكانيكا الكم يصبح القياس عملية دقيقة جدا، دعنا نقول انك تريد معرفة أين يوجد الكترون ما وأين يذهب ( ذلك الحشد لديه شعور أن أي إلكترون يمسك سيذهب أسرع من السرعة القصوى المتاحة ). ماذا أنت فاعل؟ تحصل على مكبر ممتاز ذا قدرة عالية وتبحث عنه؟ هذا الفعل ذاته يعتمد على الضوء، الذي هو من الفوتونات، وهذه الفوتونات يمكن أن يأخذ زخم كافي بحيث أنها إذا ضربت الإلكترون سوف يغير طريقه! إنه مثل كرة البليارد المنحدرة عبر منضدة البليارد ومحاولة أن تكتشف أين تمر وثبة الكرة رقم 8 بعيد عنها؛ بجعل المقياس بالكرة رقم 8 تكون بالتأكيد قد عدلت طريق كرة عصا البليارد، ومن الممكن أن تكتشف أين كانت كرة البليارد، وألان ليس لديك فكرة أين يمكن أن تذهب ( لأنك كنت تقيس بالكرة رقم 8 بدلا من النظر إلى المنضدة).
ويرنار هيسينبيرج كان أول أن أدرك بأن بعض أزواج المقاييس لديها اضطراب جوهري يربط بينهم، على سبيل المثال، إذا كان لديك فكرة جيدة جدا أين يقع شيء ما، إذن إلى درجة معينة، يجب أن يكون لديك فكرة قليلة ما عن سرعة هذا الشيء في التحرك أو في أي اتجاه يتجه. نحن لا نلاحظ هذا في الحياة اليومية لأن أي اضطراب ملازم في مبدأ هيسينبيرج جيد ضمن الدقة المقبولة التي نرغبها. كمثال، لربما ترى سيارة واقفة وتعتقد انك تعرف بالضبط أين هي وبأي سرعة تتحرك، لكن حقا هل تعرف تلك الأشياء بالضبط؟ إذا كنت تقيس موقع السيارة بدقة بلايين البلايين السنتيمترات، ستحاول أن تقيس مواقع الذرات الفردية التي تتكون منها السيارة، وتلك الذرات ستهتز فقط لأن درجة حرارة السيارة كانت فوق الصفر المطلق!

مبدأ الاضطراب لهيسينبيرج يبحر بالكامل تجاه الفيزياء الكلاسيكية. ومع ذلك، أساس العلم ذاته هو المقدرة على قياس الأشياء بدقة، والآن ميكانيكا الكم تقول بأنه محال أن تصبح تلك المقاييس دقيقة! لكن مبدأ اضطراب هيسينبيرج هو حقيقة الطّبيعة، وهو أنه سيكون من المستحيل أن تبني أداة قياس التي يمكنها من الإلمام بها.

دوران الجسيم

في عام 1922 أوتو ستيرن و والثر جيرلاتش اجروا تجربة التي كانت نتائجها لا يمكن أن تفسرها الفيزياء التقليدية. تجربتهم أشارت أن تلك الذرات الذرية تمتلك زخم زاوي جوهري، أو دورة، وبأن هذه الدورة ثابتة القيمة ( ذلك يمكن أن لديها بعض القيم المنفصلة معينة ). الدورة هي بالكامل من صفات ميكانيكا الكم للمادة ولا يمكن بأي حال من الأحوال أن نفسرها بطريقة الفيزياء الكلاسيكية.

من المهم أن ندرك بأن دورة الجسيم الذري ليست مقياس لكيفية دورانها! في الحقيقة، إنه محال أن نقول أن شيء ما صغير مثل إلكترون يدور ! كلمة دورة هي فقط طريق مناسب عند التحدث عن الزخم الزاوي الجوهري لجسيم.
صور الرنين المغناطيسي ( MRI ) تستخدم حقيقة أنه تحت ظروف معينة تكون دورة نوى الهيدروجين يمكن أن تغير من حالة إلى الأخرى، وبقياس موقع هذا التغير، تتشكل الصورة أين توجد ذرات الهيدروجين في الجسم ( بشكل رئيسي كجزء من الماء ). حيث أن الأورام تميل أن يكون لديها تركيز ماء مختلف عن النسيج المحيط، فسوف تظهر جليا في مثل هذه الصورة.

ما هي معادلة شروينجر؟

كل جسيم كمي يتميز بوظيفة موجية، في عام 1925 إروين شروينجر طور المعادلة التّفاضلية التي تصف تطور عمل تلك الموجة. باستعمال معادلة شروينجر استطاع العلماء أن يجدوا وظيفة الموجة التي تحل مشكلة دقيقة في ميكانيكا الكم. لسوء الحظ، إنه عادة من المستحيل أن نجد حل دقيق لهذه المعادلة، لذلك تستخدم بعض الفرضيات المعينة تستعمل للوصول إلى جواب تقريبي لمشكلة معينة.

الجسيمات والامواج

باستخدام ميزان ميكروسكوبي تعودونا على نوعين مشهورين هما ظاهرة الأمواج والجسيمات. باختصار، تحديد موقع ظاهرة الجسيمات التي تنقل كلتا الكتلة والطّاقة عند تحركها، بينما الأمواج لا تحدد موقع الظاهرة ( حيث هو انتشار خارجي في الفضاء ) التي تحمل طاقة لكن لا كتلة لها عند تحركها. أشياء طبيعية يمكن تشبيهها لظاهرة الجسيم مثل كرة الكريكت مثلا )، بينما التموجات على بحيرة هي أمواج ( ملاحظة انه ليس هناك نقل في الماء ومن هنا لا يوجد نقل في الكتلة).

في ميكانيكا الكم هذه الميزة المحكمة مبهمة، الكينونة التي عادة ما نفكر بها كجسيمات (مثل الإلكترونات ) يمكن أن تتصرف مثل الأمواج في بعض الحالات، بينما الكينونة التي عادة ما نفكر بها كأمواج (مثل إشعاع كهرومغناطيسي وضوء ) يمكن أن تتصرف مثل الجسيمات، هكذا إلكترونات يمكن أن تخلق موجة مثل الانحراف خلال المرور من الشقوق الضيقة، مثلما تفعل أمواج الماء عندما تمر خلال المدخل إلى الميناء، بالمقابل التأثيرالكهروضوئي (مثل امتصاص الضوء بالإلكترونات في سطح صلب ) يمكن فقط أن يفسر إذا كان الضوء لديه طبيعة جزيئيه ( تقود إلى مفهوم الفوتونات).

مثل هذه الأفكار قادت ديبروجلي في النهاية إلى أن كل الكينونات لديها كلتا الوضعية الموجة والجسيم، وتلك الاختلاف في الوضعية يتواجد طبقا لنوع العملية التي يخضع لها أو يتأثر بها. هذا اصبح معروف كمبدأ ثنائية جسيم الموجة، علاوة على ذلك ديبروجلي كان قادر على أن يعلّق زخم الجسيم إلى طول الموجة (مثل المسافة بين القمة والقمة التي تليها ) للموجة المرسلة. إن علاقة ديبروجلي تخبرنا أنlambda/p=h)) حيثP” ” زخم الجسيم وLambda”” طول موجته وh” ” ثابت بلانك. لهذا فإنه من المحتمل أن تحسب كم طول الموجة لجسيم من خلال معرفة زخمها.

هذا كان مهم لأن ظاهرة الموجة مثل الانحراف، لان تكون مهمة عامة فقط عندما تتفاعل الأمواج بأشياء ذا حجم مقارن إلى طول موجتها، لحسن حظ النظرية، طول موجة الأشياء اليومية تتحرك بسرعات يومية عادية وتظهر صغيرة بشكل لا يصدق. صغير جدا في الحقيقة الذي لا تأثيرات ميكانيكية كمية يجب أن تكون ملحوظة في المستوية الميكروسكوبية، يؤكد ذلك الميكانيكا التقليدية وتكون مقبولة تماما للتطبيقات اليومية، بالمقابل أشياء صغيرة مثل الإلكترونات عندها أطوال موجة مقارنة إلى التّراكيب الذرية المجهرية تصادف أجسام صلبة، هذا وصف ميكانيكي كمي، التي تتضمن ظاهرة موجتهم هو أساسي لتفسيرهم.

هذا الجزء شرح كيفية استعمال أفكار ميكانيكا الكم عندما تتعامل مع الإلكترونات في جسيمات صلبة.

تابـــــع ........

[SOHER]

الضوء والاشعة

يسير الضوء في خط مستقيم في الفراغ، لكنه وعندما يمر بجوار ثقب أسود ينحرف عن مساره بزاوية أكبر من إنحرافه عندما يمر قرب حافة نجم، لأن شدة جاذبية الثقب الأسود أضعاف شدة جاذبية النجوم، ولو مر جسم كروي قرب حقل جاذبية ثقب أسود فإنه يصبح جسما ممطوطا وتحديد عمر كوننا يعتمد علي مسارات الضوء في الماضي مع إفتراض أن مساراته في خطوط مستقيمة ثابته وخالية لايعترضها شيء .

إلا أن الضوء كطبيعته يخضع للإنعكاس والإنكسار عتدما يقع علي جرم عاكس له كالمرآة، فالأضواء التي تنبعث من النجوم سوف تتعرض إلي الإنعكاسات الضوئية عندما تقابلها أجرام أخري أشبه بضوء الشمس عندما يقع علي سطح القمر فيضيء لأنه مرآة عاكسة، كما أن الضوء يمر بكثافات مختلفة لمواد وغبار كوني منتشر بالكون يشتته.

لهذا الضوء في الفضاء والمنبعث من النجوم لايسير في خط مستقيم ولكنه سيسير في خطوط إنعكاسية وإنكسارية مما قد يطيل مسافاته مما لايعطينا المسافات والزمن الكوني بدقة . لهذا نجد أن المعطيات حول قياسات أو أبعاد الكون أو الزمن التقديري لعمره إعتمادا علي الضوء المنبعث من النجوم القديمة ستكون معلومات غير دقيقة وغير حقيقية. وحسب قوانين الإنعكاس والإنكسار الضوئي نجد أننا لانري النجوم والأجسام الفضائية في مواقعها الحقيقية . لأن صورة السماء كما نراها فوقنا صورة مرآتية داخل كرة الكون ولايمكن تحديد مراكز الأجرام بها .

وعندما نتطلع للسماء من فوق الأرض، فإننا نعتبرها تجاوزا مركز الكون ومنها نقيس أبعاد ومسافات المجرات، وما نقيسه ليس قطر الكون في كل إتجاه بالنسبة لموقعنا علي الأرض التي تعتبر بالنسبة لحجم الكون ذرة غبار متناهية فيه أطلقنا عليها كوكب الأرض وتدور حول الشمس وتقع في أقصي جزء من مجرتنا المظلمة، والضوء يسير في الفراغ بسرعة 300 ألف كيلومتر /ثانية، ولقد إستطاع العلماء تجميد الضوء بإمرار نبضات ضوئية خلال سحب متناهية من الغازات درجة حرارتها تقترب من الصفر المطلق . ويمكن لجليد الغازات الإحـتفاظ بالنبضات الضوئية لإعادة إرسالها مرة ثانية . لهذا نجد أن العلماء أمكنهم تحضير الضوء المتباطيء أو المتجمد . كما توجد مواد عادية تبطيء سرعة الضوء . فالماء عندما يمر به الضوء يخفض سرعته 75%من سرعته في الفراغ (الخواء). وهذه النظرية تبينأيضا أن النبضات الضوئية عندما تمر بوسط بارد تبطيء في سيرها وعندما تمر بوسط حار تسرع في سيرها وتتسارع مع إزدياد معدل الحرارة . لهذا يمكن أن تنطبق هذه الحالات علي الضوء عندما يمر بالفضاء . كما أن هذه الفرضية تبين أن الضوء كان سريعا بعد الإنفجار الكبير بالكون ثم أخذ يتباطيء مع برودته . لهذا لايمكن إعتبار حسابات إينشتين عن سرعة الضوء كشيء مطلق أو سرعته ثابتة (300 ألف كيلومتر ثانية) إلا لوكان الضوء يمر في فراغ مفرغ من الغازات تماما حتي لاتكون له حرارة تؤثر عليه . لهذا لاتطبق نسبية إينشتين علي كوننا الذ تتعدد فيه الحرارة ولكن علي كون خوائي لاحرارة فيه. وهذا الكون لاوجود له إلا في نظرية النسبية فقط . لهذا نجد أن قياس عمر الكون حسب سرعة الضوء والمسافات التي قطعها ليست مؤشرا دقيقا لتحديد عمر الأجرام التي نراها . لأن الضوء حسب قوانين الفيزياء يتعرض في رحلته المديدة لمفهوم الحرارة والبرودة والإنعكاس والإنكسار . كما أن الصور التي قد نراها قد تكون صورا مرآتية . لهذا مقاييس الكون بما فيه ليست مقاييس حقيقية أو واقعية للمسافات أو السرعة أو الزمن . وقد يكون الضوء القادم إلينا قد تجمد في سحابة باردة أو تباطيء في سيره لبرودتها أو ظل متجمدا أو انتقل معها وأعادت إرساله من مكانها الجديد لو إنتقلت السحابة لمنطقة دافئة لمواصلة سيره بالفضاء . لهذا نجد أن الضوء يتباطء ويتسارع أثناء رحلته بالفضاءحسب كيفية الوسط الذي يسير به ودرجة حرارته.

فإذا كان الكون في بدايته ساخنا جدا بسبب الفوتونات إلا أنه حاليا حرارته محدودة فوق الصفر المطلق .وخلال الساعات الأولي المعدودة أنتج الهيليوم والعناصر الأخري .وأخذت الإلكترونات والأنوية تفقد طاقتها .لتتحد معا مكونة الذرات بينما الكون يتمدد ويبرد. والمناطق التي أصبحت أكثر كثافة من المتوسط فإن سرعة تمددها تقل بسبب تزايد قوة الجاذبية . مما يسفر عنه توقف التمدد في بعض المناطق بالكون مما يجعلها تتقلص ثانية . وخارج هذه المناطق .. فإن قوة الجاذبية تجعل هذه المناطق المحيطة تبدأ في الدوران مما أظهر المجرات الدوارة التي تشبه القرص . أما المناطق التي لا يحدث بها الدوران فيصبح شكلها بيضاويا ويطلق عليها المجرات البيضاوية.

أتمنى لكم المعرفة والفائدة

لكم منى أرق التحايا وأعمقها