محمد زكريا توفيق
الحوار المتمدن-العدد: 2630 - 2009 / 4 / 28 - 07:26
المحور:
الطب , والعلوم
يعتقد الكثير من العلماء أن نظرية الكم هى أصعب النظريات فهما. فهى عبارة عن مجموعة مبادئ وقوانين فى الفيزياء, تقوم بدراسة جزيئيات الذرة المتناهية فى الصغر, والتى لا ترى بالعين المجردة أو بأحدث التليسكوبات الضوئية.
العلماء أنفسهم كانوا يعلمون أن نظرية الكم صعبة الفهم. فى الواقع, الكتب العديدة التى تشرح هذه النظرية, تثبت أنه لا أحد من مؤلفيها يفهمها. نظرية الكم هذه تبدو من الأشياء التى يجب أن تؤخذ على علاتها. ما دامت تأتى بنتائج إيجابية.
نيل بور قال يوما: "أى واحد لا يصدم بنظرية الكم, هو فى الواقع شخص لا يفهمها بالمرة". وقال جون جرين: "طالما أنت لا تسأل أو تستفسر عن نظرية الكم, فكل شئ على ما يرام". وقالت أحد الصحف فى يوم من الأيام: "هناك 12 عالما هم الذى يفهمون نظرية النسبية. لكن يمكننا القول بلا فخر, أنه ليس هناك أحد يفهم نظرية الكم". فمن يقول بأن دراسة الفيزياء هذه الأيام سهلة؟
نظرية الكم, مع نظرية النسبية الخاصة والنسبية العامة لأينشتين, تعتبر أساسيات علم الفيزياء اليوم. تعتمد عليها كل الدراسات الخاصة بالذرة وجزيئياتها الصغيرة منذ بداية القرن العشرين. وقد تطورت على أيدى علماء عظام مثل ماكس بلانك ووارنر هيزنبيرج ونيلز بور وماكس بورن وإيروين شرودنجر. ولكن ما هى نظرية الكم التى نتحدث عنها؟ سأحاول فى هذا المكان تبسيط النظرية بقدر الإمكان بدون ذكر معادلاتها الرياضية, فاللهم يسر وأعن.
ماهى الحكاية؟ لا بد أن نقولها من البداية. فى القرن الخامس قبل الميلاد, كان الفيلسوف الإغريقى القديم ديموقريطس يعتقد بأن كل شئ مكون من ذرات صغيرة جدا لا تنقسم, وتأتى فى أحجام وكتل وألوان مختلفة. كل الأشياء التى نراها أمامنا هى مجرد خليط من هذه الذرات.
لم يتقدم علم الإغريق فى هذا الخصوص أكثر من ذلك. لأنهم كانوا مفكرين وليسوا تجريبيين. بمعنى أنهم يصلوا إلى المعرفة عن طريق التفكير والمنطق, وليس عن طريق إجراء التجارب المعملية. كما أنهم لم تكن لديهم التكنولوجيا اللازمة لأبحاث الذرة.
لهذا لم تنجح فكرة الذرة عند الإغريق. وجاء أرسطو العظيم معلم البشرية, لكى يبسط هذه الفكرة ويقول بأن كل شئ مكون من عناصر أربعة فقط: الماء والهواء والتراب والنار. فكرة أرسطو أبسط وأسهل فى الفهم, لذلك نجحت. الفكرة الخاطئة نجحت واستمرت آلاف السنين, بينما فكرة ديموقريطس الأقرب للصواب فشلت وطواها النسيان. الصح والخطأ ليس له علاقة بطول مدة الإعتقاد بها. معلومة مركزية الأرض وتفلطحها استمرت أيضا آلاف السنين. وكذلك أشياء كثيرة فى حياتنا.
عام 1808م, جاء عالم الكيمياء العظيم جون دالتون ليحى النظرية الذرية من جديد بناء على تجاربه الكيميائية, وجاء بنظريته التى تقول:
كل الأشياء التى أمامنا مكونة, إما من عناصر أحادية مثل الذهب, أو من إتحاد عناصر مختلفة مثل ملح الطعام.
كل عنصر مكون من ذرات صغيرة متساوية فى الحجم والكتلة. لكنها تختلف فى الحجم والكتلة عن العناصر الأخرى.(ذرة الذهب تختلف عن ذرة الكربون)
الذرات المختلفة يمكن أن تتحد مع بعضها لتكون مواد أخرى. فمثلا ذرة واحد من عنصر الصوديوم تتحد مع ذرة واحدة من عنصر الكلور لتكون جزئ من كلوريد الصوديوم المعروف بملح الطعام. وذرة واحدة من غاز الأكسجين تتحد مع ذرتين من غاز الهيدروجين لتكون جزيئ من الماء. سبحان الله, غاز يتحد مع غاز ليكونا سائل فى درجات الحرارة العادية. لكن ألاعيب الكيمياء هذه لا تقارن بالغرائب والعجائب التى أتت بها نظرية الكم.
فى أواخر القرن التاسع عشر, بدأ العلماء فى دراسة الكهرباء وعلاقتها بالمغناطيسية. وهى علاقة وطيدة. حبة السبحة عندما نحكها بقطعة صوف, نجدها تجذب قصاصات الورق. لماذا؟ لأنها فقدت بالحك إلكترونات سالبة الشحنة وأصبح سطح حبة السبحة مشحون بشحنة موجبة. فى نفس الوقت, اكتسبت قطعة الصوف إكترونات وأصبح سطحها مشحون بشحنة سالبة.
كل جسم مشحون بشحنة كهربائية, يخلق حوله مجالا كهربيا. داخل هذا المجال, إذا وضعت شحنة أخرى, فإنها تنجذب أو تتنافر مع الشحنة الأصلية. الشحنات المتماثلة تتنافر, والمختلفة تتجاذب.
المغناطيس أيضا يجذب برادة الحديد والمسامير. وله أيضا مجال حوله على هيئة أقواس وخطوط تخرج من القطب الشمالى للمغناطيس وتذهب إلى القطب الجنوبى. ويمكن رؤية شكل هذا المجال بوضع ورقة فوق المغناطيس ونثر برادة الحديد فوقها.
وجد أنه إذا تحرك مغناطيس فوق أو تحت سلك معدنى, فأثناء الحركة يتولد فى السلك تيار كهربى. هذه هى فكرة الدينامو وطريقة توليد الكهرباء من السدود ومساقط المياة. ووجد أيضا أن المجال المغناطيسى, أثناء حركة المغناطيس فوق السلك, يوّلد مجالا كهربيا حول السلك, والمجال الكهربى يولد هو الآخر مجالا مغناطيسيا. كل منهما يولد الآخر فى تسلسل, ينتج عنه موجات نسميها الموجات الكهرومغناطيسية. منها الضوء والرادار وموجات الراديو والتلفزيون والأشعة السينية وغيرها. كلها موجات كهرومغناطيسية.
لدراسة الكهرباء فى الفراغ, أى بمعزل عن الهواء, قام العلماء بتصنيع أنبوبة زجاجية مفرغة من الهواء لها قطبين معدنيين فى بدايتها ونهايتها. وقاموا بتوصيل القطب الأول بسلك معدنى يصل إلى القطب الموجب لبطارية سائلة مثل البطريات التى تستخدم فى السيارات. وقاموا بتوصيل قطب الأنبوبة الآخر بالقطب السالب للبطارية. ماذا حدث؟
القطب السالب للأنبوبة بدأ يتوهج ويشع ضوءا غريبا لونه أخضر لا أحد يعرف عنه أى شئ. القطب السالب تم تسميته "كاثود" والقطب الموجب "أنود". والأشعة أصبح إسمها أشعة الكاثود, والأنبوبة أطلق عليها أنبوبة أشعة الكاثود أو (CRT). شاشات التليفزيونات القديمة والكمبيوترات كلها عبارة عن أنابيب أشعة كاثود (CRT). الشاشات الجديدة المفلطحة مثل البلازما وال(LCD), تعتمد على تكنولوجيا مختلفة, لكنها ليست غريبة على فكرة ال (CRT).
فى عام 1897م فى جامعة كامبرج بإنجلترا, قام جى جى طومسون بعمل تجربة لمعرفة كنه الأشعة الغريبة الخضراء هذه. الفرق بين العقل الغربى وبيننا, هو أن الغربيين عندما يصطدمون بظاهرة لا يعرفون سببها, يبدأون فى بحثها فرادا وجماعات بهمة وعزيمة يحسدوا عليها. لا يخافون الفشل, الفشل عندهم أحسن معلم. لا يخشون عمل التجارب الغريبة, وتجربة الأفكار العجيبة كما سنرى هنا فى هذا الإستطلاع. أما نحن فى بلادنا, فقد تعودنا على الكسل والإسترخاء وأصابنا الترهل الفكرى والبلادة الذهنية. السبب هو العهود الطويلة من الإستعمار والخوف والإستسلام والإتكال. حتى أصبحت مصائرنا بأيدى أعدائنا, ولكن هذه قضية أخرى.
طومسون كان لدية 20 باحثا تحت إشرافه يعملون فقط لمعرفة طبيعة الأشعة الخضراء هذه. وقد وجدوا أن هذه الأشعة لها شحنة سالبة. وقام طومسون بقياس مقدار شحنتها وكتلتها وأسماها إلكترونات. قياساته دلت على أن كتلة الإلكترون أصغر الفين مرة من كتلة ذرة الهيدروجين.
ماذا يعنى هذا؟ يعنى أن الذرة ليست هى أصغر جزيئات المادة كما قال دالتون فى بداية القرن. ربما تكون الذرة مكونة من إلكترونات؟ لكن الإلكترونات لها شحنة سالبة, والذرة متعادلة الشحنة. متعادلة الشحنة تعنى لا هى موجبة ولا هى سالبة.
طومسون يحتاج شئ آخر داخل الذرة لكى يعادل شحنة الإلكترون السالبة. لذلك إقترح طومسون بأن الذرة قد تكون فى شكل كرة صلبة من المادة لها شحنة موجبة ومطعمة بإلكترونات سالبة داخلها. وبذلك تصبح الذرة متعادلة الشحنة الكهربية.
هذا كلام نظرى يحتاج إلى دليل عملى. لكن الذرة صغيرة جدا لا يمكن رؤيتها. وبحث مكوناتها يحتاج إلى أسلوب آخر غير النظر فى الميكرسكوب.
أحد تلاميذ طومسون إسمه إيرنست راذرفورد. وجد راذرفورد أن أشعة الراديو, التى تنبعث من المواد المشعة, والتى إكتشفها العلماء الفرنسيين عبارة عن نوعين. أحد الأشعة يمكن وقفها بإستخدام شريحة رقيقة من الألومينيوم أسماها راذرفورد "أشعة الفا" لها شحنة موجبة. أما النوع الآخر من الأشعة, فتحتاج إلى عدة رقائق من الألومينيوم لوقفها, أسماها "أشعة بيتا" لها شحنة سالبة. فيما بعد, تم إكتشاف أشعة ثالثة إسمها "أشعة جاما" متعادلة الشحنة.
كيف نبحث مكونات الذرة بدون إستخدام الميكرسكوب الضوئى؟ نفترض أننا داخل غرفة مظلمة ونريد أن نعرف أين الحائط وأين الباب والمفروشات وخلافه. معنا فقط كرات مشعة. سوف نقوم بإلقاء الكرات المشعة داخل الغرفة. ومن دراسة مساراتها نستطيع أن نعرف أبعاد الغرفة وطبيعة مفروشاتها. هذا ما فعلة راذرفورد. فقد قام بإستخدام أشعة الفا الموجبة الشحنة كقذائف على رقائق من الذهب. وقام بدراسة سلوكها عندما تصطدم بهذه الرقائق.
أشعة ألفا كانت تعمل مثل طلقات المسدس على رقائق الذهب, فكانت تنفذ خلالها وتنعكس فى إتجاهات مختلفة. قام راذرفور بدراسة مسارات أشعة ألفها بعد تصادمها برقائق الذهب, فوجدها تسلك سلوكا لا يمكن تفسيره, إلا إذا قمنا بإعادة تصميم نموذج جديد للذرة. لذلك إقترح راذرفورد بأن الذرة, لا بد أن يكون لها نواة فى المركز صغيرة جدا, لها شحنة موجبة, وتحتوى على معظم كتلة الذرة.
راذرفورد نشر أبحاثه عام 1911م. قال فيها أنه يقترح تصميم جديد للذرة. عبارة عن نواه موجبة الشحنة تحتوى على 99.9 فى المائة من كتلة الذرة. وهذه نسبة كلما رأيتها, أتذكر ولا أدرى لماذا, نسبة نتائج الإنتخابات فى بلادنا. الباقى عبارة عن إلكترونات تدور حول النواة لها شحنة سالبة تعادل شحنة النواة. يعنى النموذج الجديد للذرة يشبه نموذج المجموعة الشمسية. الشمس فى المركز والكواكب تدور حولها.
قال راذرفورد أيضا أن الذرة صغيرة جدا, إلى درجة أن حبة ملح الطعام الصغيرة الواحدة, بها بليون بليون (كونتيليون) ذرة صوديوم ومثل هذا العدد ذرات كلور. رغم صغر حجم الذرة الواحدة, معظم هذا الحجم عبارة عن فراغ فى فراغ. إذا كانت الذرة فى حجم إستاد كرة قدم مثلا, فإن النواة تكون فى المركز فى حجم حبة الباذلاء. والإكترون مثل حبة الغبار, تدور حول جدران الإستاد الخارجية. الباقى فراغ فى فراغ. (التركيب الحديث للذرة يختلف عن ذلك بعض الشئ. فالإكترون أصبح عبارة عن سحابة من الطاقة تغلف النواة)
كل شئ يبدو أنه يسير فى الإتجاه الصحيح. وقام يوجين جولدستين عام 1886م, بإكتشاف أن ما بداخل النواه عبارة عن بروتونات موجبة الشحنة, كتلة كل منها تبلغ 1836 ضعف كتلة الإلكترون. لكن شحنة البروتون تعادل شحنة الإلكترون. فيما بعد تم إكتشاف النيوترون المتعادل الشحنة داخل النواة.
وهنا بدأت تظهر أول المشاكل. ذرة الهيدروجين هى أبسط أنواع الذرات. لأنها تتكون من نواة بها بروتون واحد, يدور حوله إلكترون واحد. مثل دوران الأرض حول الشمس. لكن الإلكترون بخلاف كوكب الأرض, مشحون بشحنة سالبة. والجسم المشحون عندما يدور يفقد جزءا من طاقته. كل الحسابات تقول أن النواة سوف تجذب الإلكترون إليها بعد لفات قليلة حول النواة. فى هذه الحالة لن تصبح هناك ذرة. لكن كل الشواهد تقول بأن الذرة مستقرة ولا يحدث لها هذا. الحل جاء على أيدى إثنين من العلماء لم يكونا يعملان فى مجال الذرة. هما أينشتين وماكس بلانك.
ولد ماكس بلانك العالم الألمانى العظيم عام 1858م. الإبن السادس لأستاذ القانون بجامعة كيل. جده وأبو جده كانا أيضا أساتذة جامعات. بدأ إهتمام ماكس بلانك بعلوم الرياضيات والفيزياء فى سن مبكرة. وعندما ذهب ماكس للدراسة فى جامعة ميونخ, أخبره أستاذ الفيزياء أنه لم يعد هناك شئ يمكن إكتشافه فى عالم الفيزياء (خلاص جبرنا).
كان بلانك مثل أينشتين, له حب شديد للمعرفة. فقام بدراسة الديناميكا الحرارية من منابعها الأصلية ومن أحدث الأبحاث التى نشرت فيها. وبعد التخرج, نشر بلانك رسالة عن القانون الثانى للميكانيكا الحرارية, وقام بتقديم هذا البحث كرسالة لنيل شهادة الدكتوراة, عندما كان عمره 21 عاما. تم تعينه بجامعة ميونخ كأستاذ مؤقت. تزوج بعد ذلك, ثم إنتقل إلى جامعة برلين عام 1889م, كأستاذ دائم. وكان بلانك عازف بيانو موهوب, وفكر يوما فى العمل كموسيقى بدلا من دراسة الفيزياء. لكنه لم يحترف الموسيقى لحسن حظ البشرية, وأصبح من أهم العلماء فى كل الأزمان. حصل علي جائزة نوبل فى الفيزياء عام 1918م لإكتشافة الطاقة الكمية.
الدفاية الكهربائية وشعلة البوتاجاز الذى يعمل بالكهرباء. عندما يمر التيار الكربائى, تبدأ الشعلة تسخن وتشع الأشعة تحت الحمراء (أشعة دافئة غير مرئية). ثم بعد ذلك يتغير لونها إلى اللون الأحمر. وإذا زاد التيار الكهربى تتحول إلى اللون الأصفر. فى البداية تشع حرارة, ثم بعد ذلك تشع حرارة وضوء. إذا زاد التيار الكربائى زادت الحرارة وتغير لون الشعلة. كل هذا يمشى مع قوانين الحرارة المعروفة. ولكن لماذا يتوقف لون الشعلة عند اللونين الأحمر والأصفر, ولا يتغير لونها إلى الأزرق والبنفسجى ولا ترسل الأشعة الفوق بنفسجية مع إزدياد درجات الحرارة؟ هذه الظاهرة تعرف بكارثة الأشعة الفوق بنفسجية. كارثة لأنها لا تتفق مع قوانين الحرارة المعروفة. وهذا يعنى أن قوانين الحرارة الديناميكية ومعادلاتها الرياضية خطأ ولا تنطبق على الواقع.
فى عام 1900م, كان ماكس بلانك يعمل أستاذا مؤقتا فى جامعة ميونخ. وقرر حل لغز الإشعاع الحرارى هذا المعروف بكارثة الأشعة الفوق بنفسجية. قام بلانك بإستخدام معادلات ماكسويل الأربعة الخاصة بالموجات الكهرومغناطيسية. لربط الحرارة بتذبذب الجزيئيات داخل الجسم أو الشعلة فى هذه الحالة. وبدأ يستخدم طرق إحصائية لكى يوزع الطاقة الحرارية إلى فئات وفقا للترددات فى الجزيئيات. وقام بنشر أبحاثه بين عامى 1897م و 1900م.
طريقة بلانك هذه معروفة الآن بقانون بلانك, وتتفق تماما مع التجارب العملية. لكن بلانك لم يكن سعيدا بطريقة إستخدام الطرق الإحصائية فى حل هذه المشكلة.
فى البداية لم يعرف العلماء أهمية إكتشاف بلانك لجيوب الطاقة أو لتقسيمات الطاقة التى قام بها. فكرة تقسيم الطاقة إلى جيوب والتى أسماها "كوانتا" هى نقطة التحول فى تاريخ الفيزياء, جعلت دراسة عالم الذرة ممكنا.
قانون بلانك لتقسيم الطاقة الكلية للحرارة المشعة إلى جيوب أو حزم, قام أينشتين بتعميمه وتحويله إلى فكرة ثورية كانت البداية للنظرية الكمية لدراسة خواص الضوء والإشعاع. ونعود إلى مشكل جذب الإلكترون إلى النواة. لكى نرى كيف تم حلها فى ضوء هذه الأفكار الجديدة.
حسب نظرية جيمس ماكسويل للكهرومغناطيسية, الإلكترون المشحون بشحنة سالبة ويدور حول النواه, لا بد أن يشع طاقة. هكذا تقول المعادلات الرياضية. مثل تذبذب الجزيئيات داخل الشعلة فهى أيضا تشع طاقة وترسلها على هيئة حرارة. وعندما يشع الإلكترون جزءا من طاقتة, سرعته تقل ويبدأ فى الإقتراب من النواة إلى أن يقع فيها. هذا يستغرق حسب المعادلات الرياضية وقتا صغيرا قدره ميكروثانية. لكن الذرة مستقرة ولا يحدث لها مثل هذا الجذب.
فى عام 1913م, جاء الفيزيائى الدينماركى نيلز بور بنموذج جديد للذرة لكى يتجنب مشكلة وقوع الإلكترون فى النواة. نموذج بور كان شبيها بنموذج المجموعة الشمسية لراذرفورد, لكن يختلف عنه فى شئ هام. هو أنه فى نموذج بور, الإلكترونات تدور حول النواة فى مدارات معينة شبيهة بالمحطات. داخل هذه المحطات, الإلكترون فى أمان ولا يخشى الوقوع فى النواة.
فى نموذج بور, تجد النواة, ثم المدار الأول أو المحطة الأولى للإلكترون. ثم المدار الثانى والثالث وهكذا. عندما يقفذ إلكترون من مدار خارجى إلى مدار داخلى, فإنه يشع طاقة. وعندما يصل الإلكترون إلى المجال الجديد, يكون فى أمان. وإذا إكتسب الإلكترون طاقة, بالتسخين مثلا, فإن الإلكترون يقفذ إلى مدار خارجى ويستقر فيه.
الإلكترون فى نموذج بور مثل البلية الزجاج التى تتدحرج إلى أسفل على سلالم العمارة. طالما البلية على أحد السلالم, فهى مستقرة فى هذا الوضع. أما إذا أعطيت البلية طاقة, كأن ركلتها فى إتجاه أعلى السلالم, فهى تستقر على سلمة أو سلمتين أعلى السلمة الأصلية. وإذا فقدت البلية طاقة وضع مثلا عن طريق السقوط, فإنها تستقر على سلمة أو أكثر أسفل السلمة الأصلية. المهم هنا هو عدم وجود نصف سلمة. القفذ إلى أعلى أو إلى أسفل يكون لعدد كامل من السلالم.
بور قال نفس الشئ بالنسبة للإلكترونات. الإلكترون يستقر فى المدار المسموح له به. الطاقة التى يأخذها أو يعطيها الإلكترون هى طاقة بلانك المسماه "كوانتا" والتى أسماها أينشتين بالنسبة للضوء "فوتونات".
إستخدم بور نظرية بلانك لحساب الطاقة المسموح بها فى مدارات الإلكترون هذه بالنسبة للذرة. ووجد أن حساباته تطابق التجارب العملية تماما.
نظرية بور تعتبر خطوة كبيرة للأمام فى فهم تركب الذرة. لكنها لم تحل كل المشاكل. فعندما حاول بور تطبيق نظريتة على ذرات أخرى أكثر تعقيدا من ذرة الهيدروجين, وجد بور مشاكل كثيرة ولم تنجح نظريته. نتائج النظرية لم تطابق النتائج العملية.
حينئذن, تيقن علماء الفيزياء أنهم فى حاجة إلى شئ آخر. نظريات نيوتن وماكسويل للموجات الكهرومغناطيسية لم تعد صالحة مع إكتشافات بلانك وبور. بعض العلماء بدأت تدرك أنها بحاجة إلى فيزياء جديدة.
لم تكن نظريتى النسبية الخاصة والعامة أعظم إنجازات أينشتين فقط. لكن أبحاثه الأخرى جعلت نظرية الكم ممكنة. نظرية الكم ولدت عام 1905م, مع أول بحث قام به أينشتين فى ذلك العام بخصوص طبيعة الضوء وطريقة إنتقاله. لكن بعد أن ولدت نظرية الكم, تراجع أينشتين قائلا أنه لا يعتقد أن الله (سبحانه وتعالى) يمكن أن يكون قد أسس قوانين الفيزياء بناء على الحظ ورمى الزهر. وكان يعتقد أن نظرية الكم هى مجرد مرحلة إنتقالية إلى أن تستبدل فى المستقبل بنظرية حقيقية للذرة. لكن معظم العلماء الآخرين يعتقدون أن نظرية الكم نظرية عظيمة جاءت لتبقى.
ما قاله أينشتين فى رسالته عام 1905م, والتى حصل بسببها على جائزة نوبل فى الفيزياء عام 1922م الآتى:
- الضوء وكذلك كل الموجات الكهرومغناطيسية, عبارة عن جيوب من الطاقة, "كوانتا" أو "فوتونات", تعتمد على طول الموجة الضوئية.
- كلما قصر طول الموجة كلما زادت طاقة الضوء أو الفوتونات.
- الفوتونات لا يمكن تجزيئها.
ماذا يعنى هذا الكلام؟ يعنى أن الضوء ليس موجات, بعكس ما أثبته من قبل توماس ينج وهيجنز وماكسويل. الضوء كما يقول أينشتين, عبارة عن جيوب من الطاقة, "كوانتا" أو "فوتونات" شبيهة بالجزيئيات. هذه "الفوتونات" ليست بالضبط مثل حبة الرمل, ولكن لها خاصية الجزيئيات. الفوتون له كمية طاقة ثابتة تتوقف على طول الموجة(أى اللون), ويستطيع أن يضغط على أشياء أخرى . الضوء بالبلدى طاقة (مكلكعة). تنتشر فى تدفقات متوالية مثل نقط المطر المنهمر. ولا تسيل مثل الماء فى النهر. كل نقطة مطر تشبه "الكوانتا" أو "الفوتون".
لكن إنتظر قليلا. العالم كله يعرف أن الضوء موجات. وتجارب الطلبة فى المدارس والجامعات تثبت أن الضوء موجات. وهذا يفسر خاصتى الحيود والتداخل. الحيود بمعنى أن الضوء يحيد عن مساره قليلا عند حافة الأجسام. والتداخل بمعنا أن موجات الضوء تتداخل مع بعضها وتكون مناطق مضيئة ومناطق معتمة فى توال.
لكن كون الضوء جزيئيات يضعنا فى مشاكل كثيرة. كيف نفسر معادلات ماكسويل التى تقول بأن الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية؟ الموجات ليست جزيئيات. الفرق بين الحالتين عظيم. والإختلاف بين الموجة والجزيئ مثل الإختلاف بين النهار والليل, أو الشرق والغرب. كون الضوء أحد الحالتين يلغى الحالة الأخرى. فهل الضوء موجات أم جزيئيات؟
الإجابة هى أن الضوء كلاهما. وهذه إحدى غرائب النظرية الكمية. الضوء موجة وجزيئ فى آن واحد أو حسب الطلب. بالطبع كلام مثل هذا قبل أينشتين يعتبر خرف وجنون. لكن النظرية الكمية التى بدأها أينشتين لها بعض المنطق. وعلى العالم أن ينتظر 20 عاما أخرى لكى يحل لغز التعارض بين طبيعة الموجة وطبيعة الجزيئ للضوء.
ولنعود إلى كارثة الأشعة الفوق بنفسجية. (سميت كذلك لأن الأشعة الفوق بنفسجية كانت هى أقصر الموجات المعروفة وأكثرها طاقة فى ذلك الوقت, باقى الأشعة مثل الأشعة السينية وغيرها لم يكن قد تم إكتشلفها بعد).
عندما نقوم بتسخين قطعة من الحديد, فإن إلكترونات الذرات داخلها يحدث لها هياج وتبدأ فى التذبذب. هذا التذبذب يجعل قضيب الحديد يشع حرارة وضوء فى شكل حزم متقطعة تسمى "كوانتا" أو "فوتونات". هذه الكوانتا تناسب موجات الضوء الأحمر والأصفر وتظهر بأعداد كبيرة فى هذه المنطقة. لكن لا تتلاءم مع موجات الضوء الأزرق والبنفسجى, لذلك تظهر بأعداد قليلة. حجم "الكوانتا" أو "الفوتون" له علاقة بطول موجة ضوء الإشعاع. وهكذا تم حل مشكلة كارثة الأشعة الفوق بنفسجية.
مشكل أخرى فى الفيزياء ظهرت عام 1887م, تسمى التأثير الفوتوكهربى. إذا سلطنا شعاع ضوئى على سطح معدنى, فإن سطح المعدن يبدأ فى إرسال إلكترونات. وهذا ما يحدث بالنسبة لتوليد الكهرباء بالطاقة الشمسية. فأشعة الشمس تجعل الإلكترونات تهرب من السطح المعدنى, وتقوم بتوليد تيار كهربى يقوم بشحن البطارية. زيادة شدة الإستضاءة تزيد عدد الإلكترونات الهاربة من السطح, وبالتالى تزيد شدة التيار. لكن سرعة الإلكترونات تظل ثابتة.
لكن لو غيرنا لون الضوء, فإن عدد الإلكترونات التى تترك السطح المعدنى تزيد أو تقل وربما تتوقف تماما, حتى وإن كان الضوء شديدا. لكن لماذا؟ (التساؤل بإستمرار هو سر عظمة الإنسان فى كل الأزمان, وهى هبة من الله فقدتها شعوبنا الآن)
الحل جاء على أيدى أينشتين. عندما تطلق أشعة الضوء على سطح معدنى, فأنت ترسل فوتونات (حزم طاقة أو كوانتا), لها طاقة معينة. وعندما يقابل الفوتون الواحد السطح المعدنى, فطاقته تنتقل إلى أحد الإلكترونات. يأخذ الإلكترون هذه الطاقة وبذلك يستطيع الهرب من السطح. وعندما تزداد شدة الإستضاءة, فأنت ترسل المزيد من الفوتونات إلى السطح. ونظرا لأن الإلكترون الواحد يحتاج فوتون واحد للهرب لا أكثر, زيادة شدة الإستضاءة لا تغير السرعة لأن الإلكترون لا يستطيع إستخدام طاقة إثنين من الفوتونات فى نفس الوقت.
لكن إذا قمنا بتغيير لون الضوء, أى طول موجته, فإن طاقة الفوتون تتغير. وبذلك قد تكون الطاقة اللازمة لتحرير الإلكترون من أسر السطح المعدنى غير كافية. ونفشل فى توليد الكهرباء إذا كانت فوتونات لون الضوء المستخدم لها طاقة ضعيفة.
فى عام 1924م, حصل لويس دى بروجلى على شهادة الدكتوراة من جامعة باريس. فى رسالته للدكتوراة, طوّر دى بروجلى فكرة أينشتين عن إزدواجية الضوء, بمعنى أن الضوء موجة وجزيئ فى نفس الوقت. وقال أن المادة أيضا لها إزدواجية. يعنى كل الأجسام بما فيها أنا وأنت والكرة الأرضية والشمس, لها موجة مرافقة لها. سبحان الله, هل هذه هى الروح التى نتحدث عنها؟
فكرة أينشتين عن الضوء يجب أن تعمم على كل شئ. هذا يعنى أن الإلكترون, بالرغم كونه جزيئا من جزيئيات الذرة, هو أيضا موجة فى نفس الوقت. طبعا العلوم تحتاج إلى دليل. كان كلام دى بروجلى مدعم بالحسابات والمعادلات الرياضية. وقام بحساب طول موجة الإلكترون.
البروفيسور لانجفين المشرف على رسالة الدكتوراة ل دى بروجلى, لم يكن يدرى ماذا يفعل أمام هذه الأفكار الثورية فى عالم الفيزياء, ولم يكن متأكدا من منح دى بروجلى الدكتوراة على فكرة قد تكون خاطئة. فأرسل نسخة من الرسالة إلى أينشتين يطلب رأيه.
جاءه الرد من أينشتين: "رسالة عظيمة جدا". حصل دى بروجلى على الدكتوراة بسبب فكرته هذه. بعد ثلاث سنوات من مناقشة رسالة دى بروجلى, قام إثنان من العلماء الأمريكان بإثبات أن الإلكترونات لها خاصية التداخل مثل الضوء. وهذا يعنى أنها موجات أيضا. فى عام 1929م, منح دى بروجلى جائزة نوبل فى الفيزياء بسبب إكتشافه هذا.
فى عام 1922م, قام نيلز بور بإلقاء عدة محاضرات فى ألمانيا عن التقدم فى الفيزياء الحديثة. خريج جامعى عمره 22 عاما يدعى ويرنر هيزنبرج, أبدى ملاحظة هامة فى أحد المحاضرات. بهر بور بالشاب هيزنبرج. وطلب منه أن يرافقه فى رحلة للتزلج على الجليد لكى يناقش ملاحظته التى أبداها فى المحاضرة. وخلال الرحلة, عرض بور على الشاب وظيفة فى معهد كوبنهاجن بعد التخرج.
فى عام 1924م, حصل هيزنبرج على شهادة الدكتوراة. وقبل العرض الذى قدمه له بور فى معهد كوبنهاجن وكان عمره 23 سنة. هناك قابل لفيف من علماء الفيزياء الشبان النوابغ من كل أنحاء أوروبا والولايات المتحدة وروسيا. كانوا كلهم يقومون بدراسة الذرة. ونحن فى بلادنا فى ذلك الوقت كنا ولا زلنا نقوم ببحث ما قاله الفقاء فى شأن ملابس النساء. وبعد عام واحد, عاد هيزنبرج لمعهد كوبنهاجن لكى يعمل كمساعد لماكس بورن رئيس قسم الفيزياء.
فى معهد كوبنهاجن, بدأ هيزنبرج بدراسة خطوط الطيف للذرات. لدراسة طيف أحد العناصر الغازية مثلا, يوضع الغاز فى أنبوبة زجاجية ويمرر خلالها ضوء. الضوء الناتج من الأنبوبة يمر خلال منشور زجاجى. فيتحول الضوء إلى الوان الطيف المختلفة, لكن يتخللها خطوط طولية تختلف من عنصر إلى آخر. هذه الخطوط مميزة, ويمكن منها معرفة العنصر. هذه الطريقة التى نعرف بها العناصر الكيميائية الموجودة فى النجوم. عن طريق التحليل الطيفى.
كان هيزنبرج مهتما بإيجاد المعادلات الرياضية لخطوط الطيف الخاصة بذرة الهيدروجين. ذرة الهيدروجين لها خط أحمر وخط أزرق وخط بنفسجى. بينما غاز الهيليوم له خطين أصفرين يقتربان من بعضهما. أثناء بحث هيزنبرج عن المعدلات الرياضية, إكتشف أنه يستطيع أن يستخدم فرعا جديدا من الرياضيات يسمى جبر المصفوفات, وعليه أصبحت دراسته لذرة الهيدروجين تعرف بميكانيكا المصفوفات.
من دراسة هيزنبرج لذرة الهيدروجين, إكتشف أن المقادير التى يمكن قياسها بالنسبة للإلكترون مثل المكان أو السرعة, لا يمكن تمثيلها بالأرقام العادية كما تعودنا. ويجب تمثيلها بطريقة المصفوفات التى لها جبر خاص بها.
إرون شرودنجر أستاذ الفيزياء بجامعة زيورخ, قام بدراسة أبحاث دى بروجلى عن الموجة المصاحبة للإلكترون. ولاحظ شرودنجر أن دى بروجلى يقول أن الموجة المرافقة للإلكترون, وهو يدور حول النواة, يجب أن تكون مقفولة على نفسها. وإذا وجد الإلكترون فى مدار غير مسموح به, فإن الموجة لن تكون مقفولة على نفسها. وهذا يفسر لنا لماذا توجد مدارات معينة مستقرة للإلكترون دون غيرها.
إستخدم شرودنجر هذه الفكرة, وبنى عليها معادلات رياضية خاصة بالموجة. فى البداية لم تتفق حساباته مع التجارب العملية. ولكن أثناء أحد المحاضرات التى كان يلقيها, جاءت مناقشة مع الطلبة أعطته فكرة كانت غائبة عنه. فعاد إلى معادلاته لمراجعتها. وبعد شهرين, جاء بمعادلته الشهيرة الخاصة بذرة الهيدروجين. والتى تتطابق نتائجها مع التجارب العملية تماما. هذه المعادلة تسمى ميكانيكا الموجات.
ماذا تعنى الموجة فى ميكانيكا الموجات لشرودنجر؟ وماذا نعنى بأن الجزيئ يسلك سلوك الموجة. هل يعنى هذا أن الجزيئ يطلع وينزل مثل الموجة؟ الجواب جاء من ماكس بورن. الموجات هى موجات إحتمالية. الله أكبر, هو إحنا ناقصين كعبلة. يعنى إيه موجة إحتمالية؟ الموضوع كبر. وأنا عاوز أنهى المقال وأنام. ولكن يصعب علىّ أن أنهيه قبل أن يكتمل. الموجة الإحتمالية تعنى إحتمال وجود الإلكترون فى مكان معين.
سوف نقوم بإستخدام نفس التجربة التى أثبتت أن الضوء موجات. وهى عبارة عن مدفع إلكترونى أمامه حاجز به فتحتان. وخلف الحاجز حائط. المدفع الإلكترونى يطلق مجموعة من الإلكترونات لتمر من الفتحتين وتصل إلى الحائط. ماذا نرى؟ خطوط كثيرة أفقية مضيئة وأخرى مظلمة فى تداخل وتتابع. ماذا يعنى هذا؟ يعنى أن الإلكترونات موجات مثل الضوء.
الآن سوف نقوم بقفل أحدى الفتحتين وترك الأخرى مفقوحة. ونترك المدفع يطلق الإلكترونات على الفتحة. ماذا حدث؟ لا تداخل وإنما خط أفقى واحد مضئ يمثل الفتحة. وهذا يعنى أن الإلكترونات تسلك سلوك الجزيئيات. طلقات الرصاص سوف تفعل نفس الشئ.
تعال معى لكى نطور التجربة بعض الشئ لكى نراقب الإلكترونات وهى تمر من الفتحتين. مثل التجربة الأولى, سوف نترك الفتحتين مفتوحتين. ونضع على كل منهما جهاز للكشف على الإلكترون وتحديد مساره. ماذا حدث فى هذه الحالة؟ خطين فقط وليس عدة خطوط كما فى الحالة الأولى. أى أن الإلكترون هنا عبارة عن جزيئي.
ماذا يعنى هذا؟ الإلكترون يكون جزيئ عندما نقوم بمراقبته. وموجة عندما لا نراقبه. هذه الخاصية تسمى "مبدأ عدم اليقين" لهيزنبرج. هذه المشكلة ليس لها علاقة بذكائنا أو بقصور أجهزتنا. وإنما هكذا تعمل قوانين الكون. وهذه هى نظرية الكم بإختصار شديد. أرجو أن تفتح شهية السادة القراء لطلب المزيد.
#محمد_زكريا_توفيق (هاشتاغ)
كيف تدعم-ين الحوار المتمدن واليسار والعلمانية
على الانترنت؟
|
ارسل هذا الموضوع الى صديق
|
حفظ - ورد
|
بحث
|
إضافة إلى المفضلة
|
للاتصال بالكاتب-ة
اليوتيوب
لينكدإن
تيلكرام
تمبلر
بلوكر
الموبايل
