مقالات بالعربي: فيزياء
‏إظهار الرسائل ذات التسميات فيزياء. إظهار كافة الرسائل
‏إظهار الرسائل ذات التسميات فيزياء. إظهار كافة الرسائل

6/11/2017

لأول مرة؛ العلماء يقيسون القوة الغامضة المسؤولة عن انتظام البلورات !

لأول مرة؛ العلماء يقيسون القوة الغامضة المسؤولة عن انتظام البلورات !


تُعَد البلورات أحد أكثر بُنيات الطبيعةِ إدهاشاً؛ فبالإضافة لبُنيَتِها الشبكية الفريدة، والتي تتكرر بشكلٍ منتظم، تحملُ البلورات أيضًا خصائص مُثيرةً للاهتمام، مثل قدرتها الذاتية على التجمع.

فعند تواجدها بجوار بعضها البعض، تنحرف البِلَّورات وتلتوي حتى تصبحَ على مسارٍ منتظم، وتصطدم لِتُكَّوِنَّ بلوراتٍ أكبر، وللمرة الأولى، وضع العلماء تصوراً لشكلِ ومقدار القوة التي تجعل ذلك ممكنًا.

باستخدام طريقةِ رصدٍ جديدة، توصل فريقٌ الباحثين إلى أن القوة التي تحكم البلورات هي أحد صور قوة فان درفال (Van der Waals)، وهي قوةٌ تحدث على المستوى الكمي، ولا تعتمد على روابط كيميائية كالروابط التساهمية على سبيل المثال.

ولدراسة تلك القوة، دمج الباحثون مجهراً بيئياً إلكترونياً ماسحاً (ESEM) بتكنولوجيا تسمى (nanocrystal force probes) أي مجسات قياس قوة البلورات على مستوى النانو، وهو ما سمح لهم بالتلاعبِ في البلورات ومشاهدة تفاعلهن معًا.

وباستخدام تلك المعدات، أخذوا قطعتين ضئيلتين من أكسيد التيتانيوم – أصغر 1000 مرة من شعرة إنسان– وقاموا بلويهما بزوايا مختلفة، ثم شاهدوا كيف يندمجان سويًا، وكان تعليق الفريق على المشاهدة أن الأمر مماثلٌ لما يحدث بين مغناطيسين عند تقريبهم من بعض.

قوى فاندرفال هي أضعف قوى بين القوى الفيزيائية الضعيفة في الكيمياء، وتحدث نتيجةً لتجاذبٍ ميكانيكيٍّ كميٍّ بين الجسيمات، على خلاف التجاذب الكهربي الذي يحدث بين جُسيمين مشحونين كهربيًا: موجب وسالب.

وعلى الرغم من دراستها جيدًا في ميكانيكا الكم، إلا أن هذا الاكتشاف الجديد كان أول ما يؤكد تنبؤاً ذُكِر في سبعينات القرن الماضي، والذي نص على أن قوى التجاذب تعتمد على كيفية التواءِ البلورات بعضها نسبةً لبعض.

البحث الذي نُشِر في مجلة (science)، بقيادة الباحث كيفين روسو (Kevin Rosso)، سيساعد الباحثين على التنبؤ بقوى تجاذب بِلَّوراتِ موادَ مختلفة، مثل كربونات الكالسيوم في بلورات الصدف، وسيُمهد أيضًا لصناعة موادٍ ببلورات جديدة في المستقبل؛ فيمكننا قول – بصورةٍ أو بأخرى– أن أرسطو والخيميائيين القدماء لم يكونوا مخطئين تمامًا حين ظنوا أننا نستطيع من الحديد والنحاس الحصول على الذهب والفضة!

المصدر:
sciencealert.com

مراجعة: فراس كالو

1/28/2017

علماء يصنعون الهيدروجين المعدني السائل والصلب !

علماء يصنعون الهيدروجين المعدني السائل والصلب !


ما زال العنصر الأول في الجدول الدوري (الهيدروجين) يدهش العلماء ويدهشنا؛ بسبب خواصه الفريدة، ويضاف إليها خاصية جديدة وهي إمكانية تحول هذا العنصر إلى معدن!

يتواجد الهيدروجين في طبيعته بحالة غازية في درجة حرارة الغرفة وتحت الضغط الجوي، لكنه يصبح صلباً إذا تعرض لضغطٍ شديد، أو درجات حرارة منخفضة، كما قد يتحول إلى سائل إذا أضُيفت الحرارة إلى الضغط، لكن الذي أثار دهشة العلماء هو قدرته المحتملة -نظرياً- على التحول إلى معدن صلب إذا فُرضت عليه ظروف أكثر تطرفاً من المذكورة سابقاً.

وتحويل الهيدروجين إلى معدن ليس بالعملية السهلة التي يأملها العلماء، ويتواجد حالياً فريقان من العلماء يستخدمان أساليب متباينة في مختبرات متخصصة للغاية، وهذان الفريقان إما يستخدمان نبضات كهربائية قوية جداً، أو يقذفان الهيدروجين بالليزر، أو أنهما يستخدمان ألماساً شديد التحمل لضغط الهيدروجين.

ورغم أن الفريقين كانا في سباق لتحويل الهيدروجين السائل، أو الصلب إلى صورة معدنية فإن لكل منهما أهدافاً مختلفة.
فأحد الفريقين سعى لتحويل الهيدروجين إلى معدن صلب موصل فائق للكهرباء والطاقة، وقد كانت الإختبارات التي جرت في يناير/كانون الثاني واعدة بهذا الخصوص.

ووفقاً للفيزيائي إسحاق سيلفيرا؛ رئيس وحدة الهيدروجين المعدني في جامعة هارفارد، فإن هذا الإنجاز سيكون ثورياً؛ حيث تمكن الفريق من إعلان نتائجه متوصلاً لهذه الحالة المحيرة من هذا العنصر الغريب !

وقد أظهرت تجاربهم أكثر الأدلة إقناعاً حتى الآن على السلوك المعدني للهيدروجين، لكنه كان بشكل هيدروجين معدني سائل، وفي حال إنتاج هيدروجين معدني قادر على الإحتفاظ بصورته المعدنية بعد تعرضه لضغط شديد، فإن العنصرُ المنتج عندئذٍ سيحمل صفات الموصل الفائق الذي يعمل في درجة حرارة الغرفة، والموصل الفائق هو الذي لا يفقد أي إلكترون عند نقل الطاقة، وقد تمكن العلماء سابقاً من الوصول لحالة التوصيل الفائق عن طريق تبريد بعض العناصر إلى درجة حرارة دون 14.01 كلفن، أي ما يعادل -259.14° درجة مئوية.

وللهيدروجين الصلب كثافة مقدارها 0.086 غ/سم3، مما يجعله واحداً من أقل الأجسام الصلبة كثافةً، ومثل كل المعادن فإنه سيكون موصلاً قيماً للطاقة، وربما أكثرها كفاءةً على الإطلاق، لأنه سيكون موصلاً فائقاً للكهرباء، وسيملك استخدامات لا تحصى يمكن أن تؤثر على التقنية وحياة الإنسان، ما يعد بنقلة نوعية في حياتنا البشرية.

وعلى صعيد آخر؛ يتطلع العلماء إلى ما هو أبعد من ذلك حيث يضعون الفضاء نصب أعينهم، إذ بإمكان الهيدروجين المعدني السائل الإجابة على كثير من الأسئلة المحيرة حول الكواكب الغازية العملاقة والتي تمتلئ بالهيدروجين في محاوله منهم لإيجاد تفسير منطقي يقودنا كفيزيائيين لفهم كيفية تشكل وتبلور الكون الذي نراه حالياً.

المصادر:
nature.com
journals.aps.org

تدقيق لغوي: محمد مرتجى

9/11/2016

تطور الأفكار في الفيزياء | الجزء الأول

تطور الأفكار في الفيزياء | الجزء الأول


تطور علم الفيزياء الذي نَعرِفُهُ اليوم من سلسلةٍ طويلةٍ من الكتابات والملاحظاتِ التي سجلتها الحضارات القديمة حول مختلف الظواهر الطّبيعية والفلكية، كالرسوم الممثلة لحركة الشّمس وأدوار القمر والتقاويم وغيرها.

يقول عالم الفيزياء الأشهر ألبرت أينشتاين:
"ضع في اعتبارك أن كل الأشياء الرائعة التي تعلمتها في مدارسك، هي مجهود العديد من الأجيال، التي أنتجها جهدٌ متحمسٌ وعمل متفاني في كل بلد من بلدان العالم"

أولاً- الأفكار الإغريقية

قدم الفلاسفة الإغريق مجموعة من الفرضيات الأولية لتفسير الظواهر الطبيعية، فقد ذكر أرسطو في كتابه (الفيزياء) أو (الطبيعيات) أول النظريات المفسرة لطبيعة الحركة والقوى، ورغم أن هذه الأفكار كانت بدائية؛ إلا أنها بقيت مهيمنة على التراث الفلسفي لعدة قرون وعُرِفت بالفيزياء الأرسطوطاليسية.

ثانياً- نهوض الفيزياء في الحضارة العربية والإسلامية

كان للحضارة العربية والإسلامية دوراً رئيسياً في بداية صياغة علم الفيزياء بشكله الحديث، وكان يعرف عند العلماء المسلمين بالطبيعيات.
فقد أُنقِذَ ميراثُ الفلاسفة الإغريق من الضياع بترجمته إلى اللغة العربية، والأمر لم يقف عند هذا الحد؛ بل تم نتقيح هذا التراث ونَقدَهُ وتصحيحه، وتطويره أيضاً.

يقول مؤرخ العلوم العالِم البلجيكي جورج ساترون:
"إن بعض المؤرخين يحاولون أن يبخسوا ما قدمه العرب والمسلمون للعالم، ويصرحون بأن العرب والمسلمين نقلوا العلوم القديمة ولم يضيفوا إليها شيئًا، إن هذا الرأي خطأ جسيم؛ فقد كان العرب أعظم معلِّمين في العالم، وإنهم زادوا على العلوم التي أخذوها ولم يكتفوا بذلك، بل أوصلوها إلى درجة جديرة بالاعتبار من حيث النمو والارتقاء".

فقد كان للعلماء المسلمين نظرياتهم الخاصة وابتكاراتهم العديدة في مجالات علم الميكانيكا والفلك، والبصريات، وغيرها، إذ قدم العالم البتاني تحسيناتٍ لحساباتِ بطليموس حول مدارات الشمس والقمر، ووضع العالم ابن باجة أولى قوانين الحركة ومفهوم السرعة، كما ساهم العالم ثابت بن قرة في تعريف الحركة والوزن والجاذبية، ودرس الفارابي علم الفلك وتجارب حول الصوت وطبيعة الفراغ، كما وضع العالم البيروني بعض المفاهيم الأساسية في علم الحركة مثل التسارع والاحتكاك، وقام بتحديد الأوزان النوعية لعدّة مواد باعتماد مبدأ التجربة والقياس، واعتُبِر الحسن بن الهيثم رائد البصريات بكتابه (المناظر) الذي أسس لعلم البصريات؛ وتأثر العلماء في العصور اللاحقة بكتاباته، كما اكتشف ابن الهيثم قانون القصور الذاتي في علم الحركة، وعنه يقول سارتون:
"كان ابنُ الهيثم أعظم فيزيائيٍّ مسلم وأعظم دارسٍ لعلم البصريات في زمنه، وسواء كان الفيزيائيون يعملون في إنجلترا أو بعيداً في بلاد فارس، فإنهم جميعاً قد شربوا من النبع نفسه، لقد أحدث ابن الهيثم تأثيراً عظيماً في الفكر الأوربي من بيكون إلى كيبلر".

إنه لمن المؤسف حقاً ضياع هذا التراث العظيم وما تم إنجازه من كتبٍ وإختراعاتٍ واكتشافات، والمؤسف أكثر هو ماتعرض له من إهمالٍ شديدٍ على أيدي أبنائِه، فصار من النادر جداً أن تجد مؤلفاً واحداً من بقايا ذلك العصر؛ في حين مازالت بعض المكتبات العالمية والمتاحف مثل مكتبة الفاتيكان تحتفظ بهذا التراث العظيم، بل وتبحث فيه أيضاً مثلما حدث قبل أشهر عندما أعلن فريقٌ ألمانيٌ بأن العالم ابن سينا قد رصد ظاهرة سوبرنوفا وأنه أولُ شخصٍ قام بوصفها أيضاً.

بعد هذا التطور الذي شهده علم الفيزياء؛ كان لابد له أن ينضج أكثر، وقد آن أوان عصر نيوتن.

المصادر:
1- O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., "Abu Arrayhan Muhammad ibn Ahmad al-Biruni", MacTutor History of Mathematics archive.
2- Salam, Abdus (1984), "Islam and Science"، in Lai, C. H., ed.1987), Ideals and Realities: Selected Essays of Abdus Salam (2nd ed.), World Scientific
3- هاينريش سوتير: Die Mathematiker und Astronomen der Araber und ihre Werke (80-81, 224, 1900)
4- Arabic and Islamic Natural Philosophy and Natural Science, Stanford Encyclopedia of Philosophy
5- موسوعة تاريخ العلم؛ تأليف جورج ساترون وآخرون.
6- كتاب 1001 اختراع؛ البروفيسور سليم الحسني وآخرون.

9/10/2016

تطور الأفكار في الفيزياء | الجزء الثاني

تطور الأفكار في الفيزياء | الجزء الثاني


تحدثنا في مقالنا السابق عن تطور الأفكار في الفيزياء منذ الفلاسفة الإغريق وصولاً إلى الحضارة الإسلامية، واليوم نتابع حديثنا وصولاً إلى عصرنا الحديث..

ثالثاً- الفيزياء الكلاسيكية أو ما يعرف بِفيزياء نيوتن

تطور المنهج العلمي خلال القرن السابع عشر بعد أن تأثر بشكلٍ كبير بمؤلفات الحضارة الإسلامية وميراثها العلمي، الأمر الذي أدى إلى وضع أسس علم الفيزياء الحديث من قبل علماء أمثال فرانسيس بيكون وجاليليو جاليلي وإسحاق نيوتن، والتي أُطلِق عليها فيما بعد الفيزياء الكلاسيكية أو التقليدية.

وتنظر الفيزياء التقليدية إلى المادة من الوجهة الكلاسيكية على أنها تتكون من جسيماتٍ نقطيةٍ تتحرك تحت تأثير قوى التفاعل المتبادل فيما بينها طبقاً لقوانين نيوتن، وأهم هذه القوانين هو قانون الحركة، بالاشتراك مع قانون الجاذبية.

ويمكن القول أن جوهر ميكانيكا نيوتن يكمن في أننا نتعامل مع المادة في صورة جسيماتٍ بكتلةٍ محددةٍ وكبيرةٍ مقارنةً بـالذرَّة، وأن حركةَ أي جسيمٍ حرٍ تُعرف تعريفاً تاماً بدلالة طاقته E وكمية حركته P.

وقد نجحت هذه النظريات في وصف حركة الكواكب وأمدتنَّا بوجهٍ عامٍ بوصف مقنع لحركة الأنظمة الماكروسكوبية المتعادلة كهربائياً.

رابعاً- فيزياء الكم أو ميكانيكا الكم (نظرية الكم)

كان الجميع يظن أن الفيزياء الكلاسيكية قد أغلقت كل ما يتعلق بالفيزياء، لكن فشل التصورات الكلاسيكية الذي ظهر لأول مرة تاريخياً عند دراسة ظاهرة "إشعاع الجسم الأسود" والتي انصبت الدراسة فيه على ديناميكية تبادل الطاقة بين الإشعاع والمادة، هذا الفشل مهد لظهور ميكانيكا الكم.

فالفيزياء الكلاسيكية افترضت أن هذا التبادل يتم بصورة متصلة بمعنى أنَّ أيَّ إشعاعٍ بترددٍّ زاويٍّ يمكن أن يعطي أي مقدارٍ من الطاقة عند الامتصاص، وهذا المقدار يعتمد بالتحديد لأي حالة خاصة على شدة الطاقة في الإشعاع، وأظهر بلانك إمكانية الحصول على معادلةٍ ديناميكيةٍ صحيحةٍ لِوصفِ إشعاع الجسم الأسود، ولكن هذه المرة بشيءٍ كميًّ غير مألوف، فكانت بداية ميكانيكا الكم.

الصورة الموجية للمادة وفرضية دي برولي

وفي عام 1927 اكتُشِفت الخاصية الموجية للإلكترونات؛ من خلال التجربة التي أجراها العالمان دافيسون وجيرمر، وقد بَيَّنَتْ هذه التجارب أنه عند انعكاس حزمةٍ من الإلكترونات من على سطح بلورة النيكل فإن الإلكترونات المنعكسة تكون نموذجاً لحيود الإلكترونات؛ الذي هو انكسارٌ منظمٌ لموجات الإلكترونات عند تخللها البلورات، وينشأ عن ذلك الانكسار أن شعاع الإلكترونات الساقط يتشتت بعد الخروج منها معطياً توزيعاً منتظماً دالاً على البناء البلوري (المنتظم) للمادة الصلبة !

ظهر أيضاً أن نموذج حيود الإلكترونات لا يختفي حتى لو كانت كثافة الإلكترونات صغيرةً بدرجةٍ كافيةٍ لمرور إلكترونٍ واحد فقط بالجهاز عند كل لحظة زمنية، وانتهت هذه التجارب بإثبات حيود الإلكترونات وتم حساب الطول الموجي لها.

ولكن قبل تجارب دافيسون وجرمر؛ كان العالم الفيزياء الفرنسي لويس دي برولي قد خمنَّ أن المعادلات التي تربط بين الشكل الجسيمي والموجي للإشعاع يجب أن تطبق أيضاً على الإلكترونات E وكمية حركته P يصاحبه بطريقة ما موجة دي برولي، وسماها (موجة مادية).

المستويات المتقطعة

كما ظهر فشل الفيزياء الكلاسيكية أكثر وضوحاً على حركة الإلكترون بذرة الهيدروجين، إذ برهنت تجارب رذرفورد على إمكانية النظر للذرة علي أنها عبارةٌ عن إلكتروناتٍ سالبة الشحنة (إلكترون واحد في حالة الهيدروجين) تدور حول نواة موجبة الشحنة وثقيلةٍ نسبياً (برتون واحد في حالة الهيدروجين )، وبإهمال الإشعاع فإن هذا النظام يشبه تماماً حركة أي كوكبٍ حول الشمس مع استبدال قوى الجاذبية بين الكتل بالتجاذب الكولومي بين الشحنات.

ومن غير المقنع التعامل مع كلٍ من الإشعاع والمادة في بعض الأحيان باعتبارها موجاتٍ وفي أحيانٍ أخرى باعتبارها جسيمات، وذلك بطريقةٍ اختياريةٍ ظاهرةٍ كما أننا حصلنا أيضاً على المستويات المتقطعة لذرة الهيدروجين بتطبيق قواعد أُدخِلت بالتخمين، وهذا يخالف مبدأ ميكانيكا الكلاسيكية.

ما جعل العلماء يبحثون في صياغة أساسية لنظريةٍ جديدةٍ تُبقي التصورات الكلاسيكية صحيحة وفي نفس الوقت تطفو قواعد بلانك وبور ودي برولي كنتيجة طبيعية لتكوين مترابط وهذا هو جوهر ميكانيكا الكم !

خامساً- النظرية النسبية للعالم أينشتاين

في بداية القرن العشرين بدأ عصرٌ جديدٌ بعد نشر أينشتاين النظرية النسبية الخاصة ثم أتبعها بالنظرية النسبية العامة، فكان ظهور النسبية هو نتيجةٌ أيضاً لِفشل جميع المساعي التي حاولت إصلاح نظرية نيوتن، وهي حذف فكرة الفضاء المطلق من الفيزياء.

فجاء أينشتاين بمفاهيم غريبةٍ بالنسبة للفيزياء الكلاسيكية، مفاهيم تنسف الفيزياء الكلاسيكية من أساسها وتفسر ظواهر أخرى عديدة من الكون بحيث تشكل نظريةً صلبة البنيان متماسكة الجوانب.

وكانت هذه النظرية قويةً، وعلى الرغم من غرابة المفاهيم التي أدخلتها للعلم إلا أنها تثبت صحتها كلما دخلت في تجربة، وقد علمتنا أن العالم الذي نعيش فيه هو أغرب مما يبدو من خلال الفيزياء الكلاسيكية، فقد نزعت المفاهيم المطلقة ووضعت المفاهيم النسبية ونزعت الاستقامة من هذا الكون وعوضت عنها بالخطوط المتحدبة المنحنية، وخلطت المكان والزمان!

المصادر
1- كتاب مقدمة في ميكانيكا الكم تأليف بي. تي. ماثيوز؛ ترجمة د. أسامة زيد إبراهيم ناجي.
2- كتاب نظرية النسبية العامة لأينشتاين تأليف جلال الحاج عبد
3 - كتاب الكون الأحدب تأليف عبدالرحيم بدر.

مراجعة وتنقيح وتعديل: فراس كالو

تدقيق لغوي: محمد طحان

9/04/2016

لماذا تبدو الدببة القطبية بيضاء اللون ؟

لماذا تبدو الدببة القطبية بيضاء اللون ؟


هل تعلم أنك عندما ترى الدببة القطبية باللون الأبيض فإنك غالباً ما تظن أن لون فرائها أبيض، والحقيقة هي أن فراء الدببة القطبية شفافة، ولكنها تعكس الضوء المرئي؛ فلذلك تظهر باللون الأبيض، والحقيقة الأكثر غرابة هي أن جلد الدببة القطبية لونه أسود !

المصدر:

8/22/2016

مقدمة في ميكانيكا الكم

مقدمة في ميكانيكا الكم, Quantum mechanics, ما هي ميكانيكا الكم, ميكانيكا الكم, لماذا نشأت ميكانيكا الكم, الفيزياء التقليدية غير صحيحة, ما أهمية ميكانيكا الكم

مقدمة في ميكانيكا الكم


ميكانيكا الكم (Quantum mechanics)، يكاد لا يخلو شخص مهتم بالفيزياء من الدهشة والتساؤل عند ذِكرها، في الحقيقة هذا ليس شعور الأشخاص العاديين فقط؛ بل حتى العلماء أيضاً، يقول العالِم نيلز بور: "إن لم تكن ميكانيكا الكم قد صدمتكَ بعمق فأنت لم تفهمها بعد" !

وموضوعنا اليوم يهدف إلى تقديم نظرة عامة وموجزة للشخص العادي عن أهمية ميكانيكا الكم وغرابتها.
ومع الأسف، فإن معظم الناس يعتقدون أنهم بحاجة إلى عقل كعقل أينشتاين من أجل فهم ميكانيكا الكم ولذلك فهم لا يخوضون فيها أبداً، و من الطريف أن أينشتاين نفسه لم يكن يؤمن بأن ميكانيكا الكم نظرية صحيحة، ووصفها بالسحر الأسود؛ ورغم ذلك حصل على نوبل في ظاهرة التأثير الكهروضوئي وهي تتبع ميكانيكا الكم !

وأينشتاين ليس وحده من أدهشته ميكانيكا الكم فقد أدهشت الكثيرين غيره، لذلك نرجو أن تقرأ الموضوع وأن تأخذ غطسة في محيط من المعلومات التي ستجدها منعشة تماماً :)

فإذا كانت فكرتك عن الذرة، إلكترونات تدور حول النواة، فإن فكرتك منتهية الصلاحية منذ 70 عاماً، وقد حان الوقت لتفتح عينيك للعالَم الحديث عالَم ميكانيكا الكم!

فما هي ميكانيكا الكم ؟

تعريف ميكانيكا الكم

هي مجموعة من النظريات الفيزيائية التي ظهرت في القرن العشرين، وذلك لتفسير الظواهر على مستوى الذرة والجسيمات دون الذرية؛ بمعنى آخر هي دراسة المادة والإشعاع في المستوى الذري، وقد دمجت بين الخاصية الجسيمية والخاصية الموجية ليظهر مصطلح ازدواجية الموجة -الجسيم، وبهذا تصبح ميكانيكا الكم مسؤولة عن التفسير الفيزيائي على المستوى الذري كما أنها أيضاً تطبق على الميكانيكا أو الفيزياء الكلاسيكية ولكن لا تُظهِر تأثيرها على هذا المستوى، لذلك ميكانيكا الكم هي تعميم للفيزياء الكلاسيكية لإمكانية تطبيقها على المستويين الذري والعادي.

وأما تسميتها بميكانيكا الكم فيعود إلى أهميّة الكم (quanta) في بنائها؛ وهو مصطلح فيزيائي يستخدم لوصف أصغر كمّية من الطاقة يمكن تبادلها بين الجسيمات، ويستخدم للإشارة إلى كميات الطاقة المحددة التي تنبعث بشكل متقطع، وليس بشكل مستمر.

وكثيراً ما يُستخدم مُصطلحي فيزياء الكم والنظرية الكمية لميكانيكا الكم، وبعض الكتّاب يستخدمون مصطلح ميكانيكا الكم للإشارة إلى ميكانيكا الكم غير النسبية.

وتقوم نظرية الكم بتقديم تَصُور غريب عن العالم الذري ودون الذري؛ يصدمنا ويبعدنا عن كل ما تعودنا عليه في الواقع الحياتي وما تقدمه الفيزياء الكلاسيكية من تصورات، لكنها بالرغم من كل ذلك تنجح إلى حد بعيد في تفسير حقائق العالم دون الذري وتعزز صحتها يوماً بعد يوم بتقديم تنبؤات غريبة لكن كل التجارب العلمية تأتي فيما بعد لتؤكد صحة هذه التنبؤات، كل هذا أدخل ميكانيكا الكم في عمق نقاشات فلسفية حول طبيعة ما تطرحه ومدى قربه من الحقيقة.

إن لم تكن ميكانيكا الكم قد صدمتكَ بعمق فأنت لم تفهمها بعد! - نيلز بور


لماذا نشأت ميكانيكا الكم ؟

في أوائل القرن العشرين كانت بعض التجارب قد أنتجت نتائج لا يمكن تفسيرها بالفيزياء التقليدية؛ فيزياء جاليليو و نيوتن وغيرهم، ففي عام 1900 كان عالم الفيزياء ماكس بلانك في برلين لدراسة ما يسمى "كارثة الأشعة فوق البنفسجية"، وكان هناك خطأ وعجز في الفيزياء الكلاسيكية في تفسير النتائج، حاول بلانك القيام بخدعة رياضية، فافترض أن الضوء لم يكن في الحقيقة موجة مستمرة كما افترض الجميع، ولكن ربما يمكن أن يتواجد بكميات معينة، وهذا فتح الباب مستقبلاً أمام اكتشافِ الفوتونات.

وعلى سبيل المثال، كان من المعروف أن الإلكترونات تدور حول نواة الذرة، وعلى أية حال، إذا كانت تفعل ذلك بطريقة مشابهة لدوارن الكواكب حول الشمس؛ فإن الفيزياء التقليدية تتنبأ بأن هذه الإلكترونات سوف تتحرك بشكل لولبي لتقع داخل النواة في جزء من ثانية، ومن الواضح أن هذا لا يحدث، و إلا فإن الحياة التي نعرفها لن تكون، وستنهار!

إن هذا التنبؤ الخاطئ الذي عانت منه الفيزياء التقليدية أو الكلاسيكية في بعض التجارب التي استعصى تفسيرها على الفيزياء التقليدية، قد بيَّن للعلماء أن شيئاً جديداً يجب أن يظهر ليفسر العلوم في المستوى الذري، فكانت بداية فيزياء أو ميكانيكا الكم.

إذا كانت الفيزياء التقليدية غير صحيحة ، لماذا نظل نستخدمها ؟

إن الفيزياء التقليدية صحيحة وخاطئة في نفس الوقت !
فهي نظرياً خاطئة بشكل كبير جداً عند التعامل مع الأمور الصغيرة جداً في حجم الذرة وما دونها، حيث تُستخدم ميكانيكا الكم، أو الأمور السريعة جداً بالقرب من سرعة الضوء، حيث تحل مكانها النظرية النسبية، أما بالنسبة للأمور الحياتية، والتي هي أكبر بكثير من حجم الذرة، وأبطأ بكثير من سرعة الضوء فإن الفيزياء التقليدية تعمل فيها عملاً بارعاً، فهي تسمح بدراسة المادة والطاقة المرصودة بالعين المجردة وتبقى المفتاح الأساسي لقياس الكثير من العلوم والتكنولوجيا الحديثة، بالإضافة إلى أن استخدامها أسهل بكثير من كل من ميكانيكا الكم أوالنسبية لأن كلاهما يتطلبان كمية مكثفة من الرياضيات.

ما أهمية ميكانيكا الكم ؟

إن القضايا التالية هي من بين أكثر الأشياء أهمية التي تستطيع ميكانيكا الكم أن تصفها؛ بينما لا تستطيع ذلك الفيزياء التقليدية ذلك:
  1. عدم اتصال الطاقة
  2. ازدواجية الصفة الموجية-الجسيمية للضوء والمادة.
  3. النفق الكمي.
  4. مبدأ الارتياب لهايزنبرج.
  5. برم الجسيم.
وتتمتع ميكانيكا الكم بأهمية كبيرة في عالمنا اليومي، فهي تمتاز بمجالاتها وتطبيقاتها المتعددة ونذكر منها: الترانزستورات والرقائق الميكروية، وحديثاً الحواسيب الكمومية؛ وغيرها.

المصادر:
1- www.pbs.org
2- livescience.com
3- Kragh, Helge (2002). Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century.
4- Mehra, J.; Rechenberg, H. (1982). The historical development of quantum theory. New York: Springer-Verlag.

مراجعة وتعديل: فراس كالو

6/18/2016

سؤال فيزيائي: الكرة والسيارة

سؤال فيزيائي: الكرة والسيارة


لو أطلقنا كرة (قذيفة) بسرعة 60 ميل/ساعة من سيارة تسير بسرعة 60 ميل/ساعة أيضاً، فأين ستتجه؟
الإجابة في هذه الصورة المتحركة!


المصدر: Science Channel

5/12/2016

أيهما يصل أولاً إلى الأرض الريشة أم الكرة؟

أيهما يصل أولاً إلى الأرض الريشة أم الكرة؟

أيهما يصل أولاً إلى الأرض الريشة أم الكرة, الريشة أم الكرة

إذا سقطا جسمين معاً سقوطاً حراً في الفراغ تحت تأثير قوى الجاذبية الأرضية فقط، فإنهما يصلان معاً في وقتٍ واحد كما يبدو في هذه الصورة المتحركة!

5/09/2016

جورج سارتون يتحدث عن العالم ابن الهيثم


كان ابنُ الهيثم أعظم فيزيائيٍّ مسلم وأعظم دارسٍ لعلم البصريات في زمنه، وسواء كان الفيزيائيون يعملون في إنجلترا أو بعيداً في بلاد فارس، فإنهم جميعاً قد شربوا من النبع نفسه، لقد أحدث ابن الهيثم تأثيراً عظيماً في الفكر الأوربي من بيكون إلى كيبلر.

‫جورج سارتون‬

صيدلي ومؤرخ بلجيكي، ويعتبر مؤسس علم تاريخ العلوم
1956-1884

4/23/2016

ماذا قال الفيزيائي ماكس بلانك عن العلم والدين ؟


ماكس بلانك, الفيزيائي ماكس بلانك والعلم والدين

في مثل هذا اليوم 23 أبريل/نيسان 1858، وُلِدَ الفيزيائي الشهير ماكس بلانك، وبهذه المناسبة نستذكر أحد أجمل أقواله:

"لا يُمكِن أبداً أن يكونَ هُناكَ أيَّ تعارضٍ حقيقيٍّ بين ‫#‏الدين‬ و ‫#‏العلم‬، فأحدُهُما مُكمِلٌ للآخر، يُدرِكُ كُلُ شخصٍ جادّ ومُتَأَمّل، على ما أعتقد، بأن العُنصُرَ الديني بطبيعتهِ يجبُ الاعترافُ بهِ وغرسه، كي تعملَ جميعُ قوى النفسِ البشريةِ معاً في توازن وانسجامٍ تام..."

عالم الفيزياء الألماني ‫ماكس بلانك‬
حائزِ على جائزةِ نُوبِل في الفيزياء 1918، ومن المؤسسين لفيزياء الكم.

المصدر:
Religion and Natural Science (Lecture Given 1937) Scientific Autobiography and Other Papers, trans. F. Gaynor (New York, 1949), pp. 184

8/29/2015

ما هو تأثير دوبلر وما علاقته بعلم الفلك ؟

ما هو تأثير دوبلر وما علاقته بعلم الفلك ؟


إذا كنت قد سمعت قطاراً أو مركبة إسعافٍ ذات صوتٍ صاخبٍ تمر بالقرب منك؛ فأنت بالتأكيد لاحظتَ تأثير دوبلر؛ فعندما تقترب منكَ المركبةُ، تسمع صوتاً قوياً ثم يبدأ الصوت بالانخفاض تدريجياً كلما ابتعدت المركبة، فما هو تأثير دوبلر؟

تأثير دوبلر (Doppler effect)

هو تغير ظاهري في التردد (الاهتزاز) وطول الموجات الصادرة عن جسم متحرك بالنسبة لمراقب، وكان أول من قام بدراسته الفيزيائي النمساوي يوهان دوبلر؛ فسُمي باسمه.

يوهان دوبلر


إذاً كيف نستفيد من هذا التأثير في دراسة الفلك والنجوم؟

نفس تأثير دوبلر على الصوت ينطبق على الضوء؛ فمثلاً ضوء النجوم؛ إذا كان هناك نجمةٌ تتحرك باتجاهنا، فإن موجات الضوء التي تبثها ستكون أقصر قليلاً بسبب قربها لنا؛ أما إذا كانت هذه النجمة تبتعد عنا، فتبدو موجات الضوء أطول.

فأطوال موجية أقصر للضوء تعني أن الضوء منزاحٌ نحو الأزرق، والأطوال الموجية الأطول تعني أن الضوء منزاحٌ نحو الأحمر؛ هذا التأثير ليس كبيراً لمعظم النجوم.

ولتبسيط الفكرة أكثر افترض أنك عامل في محطة القطارات وتعلم نغمة صفاراتها بدقةٍ، ويمكنك تحديد قطارٍ معينٍ من صفارته.
الآن افترض أن القطار كان يتحرك باتجاهك أو مبتعداً عنك؛ حتى وإن كانت عيناك مغلقتين يُمكنك معرفة ما يفعله القطار؛ لأنه يمكنك سماع الصفارة بنغمةٍ أعلى أو أخفض مما يجب أن تكون، ويمكنك تقدير سرعة تحرك القطار باتجاهك أو مبتعداً عنك!

يمكننا فعل ذات الشيء مع ضوء النجوم؛ إذا نظرت إلى كل الألوان المختلفة الآتية من نجمٍ ما ستلاحظ أنماطاً معينةً من الضوء (تسمى خطوط الطيف المضيئة والسوداء).

تلك الأنماط أُنتِجَت بواسطة العناصر والجزيئات في غلاف النجوم الجوي؛ ويمكننا صناعة هكذا أنماط هنا على الأرض، فيمكننا معرفة اللون الذي يجب أن يكون عليه كل نمط، فإذا كانت هذه الأنماط منزاحة نحو الأزرق في ضوء النجوم، نعرف أن النجم يتحرك نحونا؛ أما إذا كان النمط منزاح نحو الأحمر، فالنجم يتحرك مبتعداً عنا.


في الحقيقة أول من لاحظ هذا التأثير فلكياً هو الفلكي الأمريكي إدوين هابل عام 1929، فاكتشف أن المجرات وبعض النجوم تتحرك مبتعدةً عنا، وقد صاغ عليه قانونه (قانون هابل) الذي ينص على أن السرعة التي تبتعد بها مجرة من المجرات عنا تتناسب تناسباً طردياً مع المسافة بينها وبين الأرض.

وطريقة الإنزياح هذه يستعملها الفلكيون كثيراً لحساب سرعات النجوم والمجرات في الكون، ويمكن استخدامها أيضاً لاكتشاف النجوم المختبئة؛ وقد مكنت العلماء من معرفة سرعة ابتعاد المجرات عن الأرض من خلال قياس مقدار الانزياح الأحمر الذي نجده عند قياس أطياف تلك المجرات، والتي أثبتت أن الكون يتمدد ما أدى إلى إثبات حدوث نظرية الانفجار العظيم قبل 13.7 مليار سنة ونشأة الكون!

المصادر:
1- البعلبكي، منير (1991)؛ موسوعة المورد. موسوعة شبكة المعرفة الريفية.
2- الموسوعة العربية الميسرة، 1965
3- Malcolm S Longair (2006). The Cosmic Century. Cambridge University Press. صفحة 109
4- Peter Coles, الناشر (2001). Routledge Critical Dictionary of the New Cosmology. Routledge. صفحة 202
5- https://briankoberlein.com/2013/09/05/doppler-effect/

مراجعة علمية وتعديل: فراس كالو
تدقيق لغوي: محمد طحان

2/23/2015

لماذا نرتدي ملابس قاتمة في فصل الشتاء وملابس بيضاء أو فاتحة في فصل الصيف ؟

لماذا نرتدي ملابس قاتمة في فصل الشتاء وملابس بيضاء أو فاتحة في فصل الصيف ؟


عزيزي القارئ؛ بداية مقالنا هذا يتحدث عن علاقة اللون بالملابس والحرارة، وذلك بغض النظر عن نوعية النسيج المُكَّوِن للملابس سواء أكان قطنياً أم صوفياً أم صناعياً والذي يلعب دوراً كبيراً بالتأكيد في الحفاظ على الحرارة أو فقدانها، وسنشرح في هذا المقال تأثير اللون فقط على هذا الموضوع، وكنا قد تحدثنا في مقال سابق عن مكونات الشعاع الشمسي، وقلنا أن الشمس تشع كميات هائلة من الطاقة تبثها على شكل موجات تسمى الشعاع الشمسي (solar radiation)،هذا الشعاع يمثل الضوء والطاقة معاً القادمة من الشمس، وميزنا ثلاثة أقسام للشعاع الشمسي؛ وهي الضوء المرئي، والأشعة فوق البنفسجية (U.V)، والأشعة تحت الحمراء (I.R).

وبما أن الشعاع الشمسي مكون من أمواج كهرمغناطيسية بأطوال موجة مختلفة فإن لها أيضاً ترددات مختلفة تتراوح بين منخفضة ومرتفعة، فالأمواج ذات التردد المنخفض تحمل طاقة منخفضة وتكون بطول موجة أكبر، والعكس صحيح؛ فالأمواج ذات التردد المرتفع تحمل طاقة أكبر وتكون بطول موجة أقصر.

وما علاقة ذلك بالألوان الداكنة والفاتحة ؟

كل لون من ألوان الملابس يمتص طول الموجة الموافق له ويعكس الباقي، وتتحول هذه الطاقة الممتصة إلى حرارة، وفي حالة الملابس ذات الألوان الفاتحة أو البيضاء؛ فإنها تمتص فقط طول الموجة الموافق لها ويكون شعاع طاقته منخفضة، فتكون الحرارة التي يمتصها اللون الفاتح أقل، وما تبقى من الشعاع الشمسي تقوم بعكسه وتشتيته، أما اللون الأبيض فإنه يعكس الشعاع الشمسي بالكامل لذلك هو أكثر الألوان ملاءمةً للإرتداء في فصل الصيف.

أما في الملابس ذات الألوان القاتمة أو الداكنة فإنها تمتص طول الموجة الموافقة لها من الشعاع الشمسي ويكون محملاً بطاقة أكبر، وبالتالي تمتص طاقة وحرارة أكبر.

على سبيل المثال الرداء ذي اللون البني يمتص طول موجة أقصر، وبالتالي يمتص طاقة أكبر، فتكون الحرارة التي يكسبها أكبر، بغض النظر عن نوع القماش، ويزداد امتصاص اللون للشعاع الشمسي كلما اقترب من الاسود، أما اللون الأسود فإنه يمتص الشعاع الشمسي بالكامل ولايعكس منه شيئاً يذكر، لذلك فإنه يمتص كامل الطاقة الحرارية التي يحملها الشعاع الشمسي، ويكون الخيار الأمثل لارتدائه شتاءً !

المصادر:

2/07/2015

لماذا نرتدي الملابس البيضاء أو الفاتحة في فصل الصيف ؟ وما علاقة ذلك بالفيزياء ؟

لماذا نرتدي الملابس البيضاء أو الفاتحة في فصل الصيف ؟ وما علاقة ذلك بالفيزياء ؟


عزيزي القارئ بداية مقالنا هذا يتحدث عن علاقة اللون بالملابس والحرارة، وذلك بغض النظر عن نوعية النسيج المُكَّوِن للملابس سواء أكان قطنياً أم صوفياً أم صناعياً والذي يلعب دوراً كبيراً بالتأكيد في الحفاظ على الحرارة أو فقدانها، وسنشرح في هذا المقال تأثير اللون فقط على هذا الموضوع، وللوهلة الأولى قد تبدو الإجابة على سؤال (لماذا نرتدي الملابس البيضاء أو الفاتحة في فصل الصيف ؟) إجابةً بديهية وبسيطة؛ لأن الملابس البيضاء أو الملابس ذات الألوان الفاتحة تعكس جزءاً كبيراً من أشعة الشمس وبالتالي فإنها لا تمتص إلا جزءاً يسيراً من الحرارة مما يجعل ارتداءها مناسباً في فصل الصيف، ولكن هذه الإجابة على بساطتها تقف خلفها آلية فيزيائية سنوضحها لكم.

بدايةً علينا أن نتعرف على مكونات الشعاع الشمسي، إذ تشع الشمس كميات هائلة من الطاقة تبثها على شكل موجات تسمى الشعاع الشمسي (solar radiation)، هذا الشعاع يمثل الضوء والطاقة معاً القادمة من الشمس.

مكونات شعاع الشمس

ويتكون الشعاع الشمسي من أمواج كهرمغناطيسية لها أطوال موجة مختلفة تقاس بـِ"نانومتر nm"، وترددات "Frequencies" تتراوح بين منخفضة ومرتفعة تقاس بـِ"تيراهيرتز THz"، ويمكننا أن نميز ثلاثة أقسام للشعاع الشمسي:
1-الضوء المرئي : يكون طول الموجة بين 400 و800 نانومتر، يمثل أكثر من 50% من الشعاع الشمسي يبدو مرئياً، ويعطي الطيف اللوني عند تحليله بواسطة الموشور.
2- الاشعة فوق البنفسجية U.V : وطول موجتها أقصر من 400 نانومتر وغير مرئية.
3- الأشعة تحت الحمراء I.R : طول موجتها أكبر من 800 نانومتر، وتكون غير مرئية.

اللونمدى الطول الموجيمدى التردد
أحمر~ 700–635 nm~ 430–480 THz
برتقالي~ 635–590 nm~ 480–510 THz
أصفر~ 590–560 nm~ 510–540 THz
أخضر~ 560–520 nm~ 540–580 THz
أزرق~ 490–450 nm~ 610–670 THz
بنفسجي~ 450–400 nm~ 670–750 THz
فالأمواج ذات التردد المنخفض تحمل طاقة منخفضة وتكون بطول موجة أكبر، وكل لون يمتص طول الموجة الموافق له ويعكس الباقي، وتتحول هذه الطاقة الممتصة إلى حرارة.

ونلاحظ من الجدول: الألوان وطول موجتها وترددها، وكلما كان طول موجة الشعاع اللوني أكبر كلما انخفض تردده، وبالتالي انخفضت الطاقة التي يحملها، ومن ثم انخفضت الطاقة التي يمتصها اللون الموافق له.

والنتيجة:

في حالة الألوان الفاتحة فإنها تمتص فقط طول الموجة الموافق لها ويكون شعاع طاقته منخفضة، فتكون الحرارة التي يمتصها اللون الفاتح أقل، وما تبقى من الشعاع الشمسي تقوم بعكسه وتشتيته، أما اللون الأبيض فإنه يعكس الشعاع الشمسي بالكامل لذلك هو أكثر الألوان ملائمةً للارتداء في فصل الصيف.

المصادر:
study.com
physlink.com
wikipedia.org
britannica.com