التصنيف: مواضيع العدد ١٨

إعداد/ إسراء حسنين (طالبة ماجستير الفيزياء الحيوية الجزيئية_كلية العلوم_ جامعة القاهرة)

كابوسٌ مخيفٌ يُراود العالمَ كلَه، نأمل أن نفيقَ منه أو على الأقل نتداركه قبل فوات الأوان. البعضُ يقول أنه حدث عن طريق الصدفة وجهل الإنسان، والآخر يؤكد أنه لم يحدث مصادفةً بل هو مفتعل عن علمٍ ومعرفة. وبين هذا الرأي وذاك، لا يسعنا إلا أن نتجاهل المُسَبِب ونركز طاقاتنا وجهودنا نحو السبب الرئيس وكيفية التخلص منه.

في هذا التقرير سنعرض سريعًا وبإيجاز موضوعًا غاية في الأهمية، ألا وهو “اتساع ثقب الأوزون”. سنعرف بإذن الله تعالى في هذا الموضوع ماذا نعني بطبقة الأوزون، وما هو ثقب الأوزون، وما الأسباب التي أدت إلى هذا الثقب وماهي عوامل اتساعه عبر السنوات، كما سنجيب قدر المُستطاع عن السؤال المطروح: “ماذا لو زاد اتساع ثقب الأوزون؟”.

طبقة الأوزون: هي طبقة توجد في الجزء السُفلي من طبقة الستراتوسفير بالغلاف الجوي للكرة الأرضية، وتحتوي على كميات كبيرة من غاز الأوزون الذي ينشأ بتأثير الأشعة الفوق بنفسجية الصادرة من الشمس؛ حيث تعمل هذه الأشعة على تحويل غاز الأكسجين  إلى غاز الأوزون  (1).

أهمية طبقة الأوزون: تكمن أهمية هذه الطبقة في حماية الكرة الأرضية، سواء من أشعة الشمس الضارة المتمثلة في الأشعة الفوق بنفسجية والأشعة الحمراء والمغناطيسية وغيرها، أو من ارتطام النيازك والشُهُب بالكرة الأرضية، كما قال عالم الفلك الدكتور “أحمد شاهين” في حديثه إلى بوابة فيتو حول هذا الأمر. وأوضح “شاهين” أن ارتطام النيازك بالكرة الأرضية يؤدي إلى احتراقها جزئيًا وعدم تساقطها كليًا على الأرض، بينما الشُهُب فتحترق كليًا (2).

ثقب الأوزون: هو ظاهرة موسمية تبدأ في الظهور في شهري أغسطس وسبتمبر من كل عام فوق القارات القطبية الجنوبية ثم يأخذ في الاتساع في شهور الخريف، ثم ينكمش ويختفي في شهر نوفمبر (3)، ويحدث فيها تباعد بين جزيئات الغاز المُكوِن لطبقة الأوزون؛ مُحدثًا بذلك فراغًا في طبقة الأوزون (4).

ظهوره: قال أحمد عبد الوهاب، أستاذ العلوم البيئية بجامعة بنها، في حديثه إلى بوابة فيتو؛ أن الأبحاث (عام 1985م) أثبتت وجود ثقب كبير في طبقة الأوزون، وخاصة فوق قارة أمريكا؛ وذلك لأن أمريكا تُعد أكبر دولة في العالم تستخدم ثاني أكسيد الكربون والذي ساعد على زيادة الاتساع (2).

ومن ناحيةٍ أخرى، قال الدكتور أحمد شاهين، أن بداية ثقب الأوزون ترجع إلى قيام الثورة الصناعية في أوروبا وكذلك الانبعاثات الحرارية والغازات الضارة الناتجة من المصانع والسيارات وغيرها (2).

ولكن يبقى السؤال مطروحًا.. ماذا لو زاد اتساع ثقب الأوزون؟ ولكي نُجيب على هذا السؤال، يجب أولًا أن نعرف ما هي عوامل اتساع ثقب الأوزون.

عوامل اتساع ثقب الأوزون: ولعل أهمها مركبات الكلوروفلوركربون؛ وهي مواد عضوية يدخل في تركيبها الكلور والفلور والكربون، وتصل كمية الإنتاج العالمي من هذه الغازات سنويًا حوالي 1400 مليون طن، منها 970 ألف كجم من النوع المُدمِر للأوزون. وتُستخدم مركبات الكلوروفلوركربون في تجهيز أساسيات البيوت وفي العبوات المستخدمة لمكافحة الحرائق وفي مبيدات الحشرات وفي العبوات المُستخدمة في تصفيف الشعر ومزيلات الروائح وغيرها من مستحضرات التجميل (3).

وكذلك عوادم السيارات والطائرات، واحتراقات النفط والفحم والغاز الطبيعي، والتجارب النووية والذرية والتي تساهم بنسبة 20-70% في إتلاف طبقة الأوزون (3)، وعملية إطلاق الصواريخ إلى الفضاء؛ حيث إن هذه العملية تحتاج لعمليات حرق كثيرة ينتج عنها غاز النيتروجين والكلور وغيرها من الغازات الضارة التي تدمر الطبقة (5).

هذا بالإضافة إلى أكاسيد النيتروجين، كأول أكسيد الكربون الذي يتحول إلى حمض النتريك، ومنها أكسيد النيتروجين السام الذي يلون الجو ويجعل الرؤية صعبة بحسب تركيزه (3).

وأيضًا الملوثات العضوية وحرائق الغابات (5)، والبراكين التي يُقال أنها تقذف حوالي 11 طن من كلوريد الهيدروجين و 6 مليون طن من كبرتيد الهيدروجين للغلاف الجوي سنويًا، وكذلك يرجح العلماء أن سبب تآكل طبقة الأوزون في الجزء الشمالي من الكرة الأرضية يرجع إلى عوامل جيوفيزيائية تتعلق بالأعاصير والنشاط الشمسي (3).

ومن الجدير بالذكر أنه منذ أيامٍ قليلة اكتشف علماء البيئة الأوروبيون صنفًا جديدًا من المواد الكيميائية التي تسبب استنفاد طبقة الأوزون. هذه المواد، غاز ثنائي كلورو الميثان، تفتت طبقة الأوزون بنفس مستوى غاز الفريون، ويزداد تركيزها في الجو بسرعة مستمرة، مما يهدد بتدمير درع الأوزون الواقي للأرض. يقول “مارتن تشيبيرفيلد” من جامعة ليدز البريطانية: “يجب علينا الاستمرار في مراقبة حالة الجو ومدى تركيز هذه الغازات، لكي نحدد مصدرها. الآن طبقة الأوزون مستقرة  بعض الشيء بعد منع استخدام غاز الفريون. ولكن ارتفاع تركيز غاز ثنائي كلورو الميثان في الجو يمكن أن يسبب مشاكل عديدة لحالة طبقة الأوزون والمناخ”(6).

والآن يُمكننا الإجابة على السؤال، ماذا لو زاد اتساع ثقب الأوزون؟

بعض النتائج المُجملة لزيادة اتساع ثقب الأوزون:

إن زيادة اتساع ثقب الأوزون يؤدي إلى (4):

1- زيادة عدد الوفيات وحالات الاختناق نتيجة تشكل الضباب الدخاني (السحب السوداء) الناتج عن زيادة نسبة الأشعة الفوق بنفسجية.

2- ضعف مناعة جسم الإنسان نتيجة لازدياد نسبة الأشعة الفوق بنفسجية التي تصل للكرة الأرضية؛ فيصبح الفرد أكثر عرضة للإصابة بعدّة أمراض منها الجرب والسل.

3-  ارتفاع منسوب المياه على شواطئ البحار والمحيطات، وازدياد ظاهرة التسحر، وتطور في ظاهرة الاحتباس الحراري.

4- تلوث هوائي ناتج عن عدم انتظام حركة الهواء.

5-  زيادة عدد الأشخاص المصابين بسرطان الجلد؛ فمن المتوقع أن تصل نسبة الإصابة إلى 300 ألف نسمة في السنة الواحدة.

6-  أضرار في العيون.

7- ضرر كبير على الحياة المائية (حياة الأسماك والغطاء النباتي البحري).

8- ازياد مرض الإيدز لأنّ الأشعة فوق البنفسجية تنشط فيروس الإيدز.

9- من الممكن أن تحول الأشعة فوق البنفسجية الميكروبات صديقة الإنسان (غير الضارة) إلى ميكروبات ضارة.

ومن ناحيةٍ أخرى، ذُكِرَ أن فريق العمل المعني بالتقويم البيئي والتابع لبرنامج الأمم المتحدة لشؤون البيئة، قال في تقريرٍ له، إن استنزاف طبقة الأوزون والزيادة الناتجة في الأشعة الفوق بنفسجية قد يؤديان إلى تعجيل معدل تكون الضباب الدخاني الذي يبقى مُعلقًا في الأجواء لأيامٍ عدة، مثلما حدث في لندن عام 1952م، عندما ساد الضباب الدخاني جو هذه المدينة، وحول نهارها إلى ليل على مدى بضعة أيام، وأدى إلى خسائر فادحة في الأرواح، وصلت إلى حوالي 4 آلاف حالة وفاة (5).

كما ذُكِرَ أن بعض البحوث تشير إلى أن نصف النباتات التي تعرضت للإشعاعات  UVb، ينخفض إنتاجها ويصغر حجم أوراقها، ما يؤثر على إنتاج المحاصيل الزراعية. مثلما أوضحت بعض التقارير، أن هناك احتمالات لتناقص إنتاج فول الصويا بنسبة 23%، نتيجة تعرضها لهذا النوع من الإشعاع، إضافة إلى أن التراكيب الكيميائية لبعض أنواع النباتات، قد تتغير بسبب هذا الوضع؛ مما يضر بمحتواها من المعادن وقيمتها الغذائية (5).

وفي نفس المصدر يُذكر أن اتساع الثقب في طبقة الأوزون يؤدي إلى زيادة درجة حرارة سطح الأرض، وبالتالي يؤدي ذلك إلى ما يُعرف بظاهرة” الاحتباس الحراري” (5).

وفي هذا السياق، قال الدكتور أحمد شاهين: “إن الأشعة الضارة الناتجة من هذا الاتساع تتسبب في أمراض السرطان وخاصة سرطان الجلد، علاوةً على أنها تتسبب في تغيير الجينات الطبيعية للإنسان، كما أنها تلحق الضرر بالنبات والحيوان والذي يعود بطريقة غير مباشرة إلى الإنسان” (2).

وأكد “شاهين” عدم صحة مانشرته وكالة “ناسا” عن تعافي الأوزون بحلول عام 2070، وأن اتساع ثقب الأوزون عملية مفتعلة من الدول الطامعة في الاسئثار بحكم العالم، من خلال التسبب في حدوث انبعاثات حرارية مفتعلة (2).

بعضُ الحلول المُقترحة للحد من اتساع ثقب الأوزون:

1- الحد من استخدام غاز ثنائي كلورو الميثان.

2- الحد من استخدام أكاسيد النيتروجين.

3- تجنب شراء طفاءات حريق تحتوي على الهالونات، والبحث عن بديل لها (4).

4-  استخدام مركبات تحتوي على (C.H) بدلاً من مركبات تحتوي على الكلور والكلوروفلوركربون (4).

5- تجنب استخدام المواد والأجهزة الغنية بالمركبات المدمرة لطبقة الأوزون مثل المواد والأجهزة التي تحتوي على الكلوروفلوركربون (4).

انتهى بفضل الله..

المصادر

1- ثقب الأوزون

2- بوابة فيتو

3- ويكيبديا_ ثقب الأوزون

4- بحث عن ثقب الأوزون

5- أسباب ثقب طبقة الأوزون

6- اكتشاف صنف جديد من المواد يساهم في تدمير طبقة الأوزون

بقلم: المهدي أحمد الكعيد
فيزياء – جامعة دمشق – سوريا

عرفت الغازات السامة قبل وقت طويل من الحرب العالمية الاولى، لكن الضباط والقادة العسكريون كانوا مترددين في استعمالها في الحروب والصراعات، أو بمعنى أصح استعمال الغازات كسلاح يعتبر غير حضاريا.

وكان الجيش الفرنسي أول من تبنى هذه الفكرة القائمة على قذف الغازات على العدو باستخدام الغاز المسيل للدموع الذي استخدم ضد الألمان عام  1914 بدأ عندها الجيش الألماني باستخدام قذائف متشظية بكرات تعامل كيميائيا بمواد مهيّجة وتطلق هذه القذائف على الأعداء واستعمل الجيش الألماني اسطوانات من غاز الكلورين في نيسان عام 1915.

وبدأت تستخدم من قبل طرفي النزاع وهم دول الحلفاء ودول المحور إلى نهاية الحرب العالمية الثانية، وأهم الغازات المستخدمة هي الكلورين والفوسجين والخردل …..

بلغ عدد القتلى المتأثرين بتلك الغازات حوالي 92000 شخصا، ومن الجدير بالذكر أن هذه الغازات ليس تأثيرها مقتصرا على أرض المعركة فحسب وإنما تتعداه إلى القرى والمدن المجاورة ﻷرض المعركة.

ما هي الغازات السامة؟

هي مواد كيميائية تستخدم في الحروب لغرض القتل أو تعطيل القوى البشرية عن المقاومة وبالنتيجة إضعاف هذه القوى وإرهاقها.

والغرض من استخدامها هو  ازهاق العديد من الأرواح البشرية وإضعاف الروح المعنوية وشل الانتاج الصناعي والزراعي. وتعطيل العمل في المرافق والمؤسسات العامة ويمكن أن تصل الغازات عن طريق الطائرات إما رشا أو قذفا أو الصواريخ أو المدافع.

ما طرق الإصابة بالغازات السامة؟

تحدث الإصابة بالغازات السامة بالطرق التالية:

• الجهاز التنفسي باستنشاق الغاز الكيميائي.
• الجهاز الهضمي عن طريق الأطعمة المتعرضة لتلوث كيميائي.
• الجروح.

ما أنواع الغازات السامة؟

هناك أنواع كثيرة للغازات السامة لكن سنقتصر على ذكر الانواع التي تم استخدامها.

أولاً: غازات الأعصاب

تعرف بمركبات الفوسفور العضوية وقد تكون سريعة التبخر أو قصيرة الدوام مثل غاز التابون والسارين والسومان ….. وتكون أحيانا متأثرة بالرياح والرطوبة والحرارة وفي حالات المناخ المناسب تبقى مدة تتراوح ما بين ساعة واحدة ونصف ساعة في الأماكن المفتوحة وتتأثر بدرجة الحرارة حيث تقل مدة بقائها بارتفاع درجة الحرارة.

وقد تكون أيضا بطيئة التبخر وتسمى في هذه الحالة بـ “المستمرة” وتبقى مدة طويلة ومن أنواعها (في أكس) ويعود ذلك إلى الخاصية الزيتية لمثل هذا النوع من الغازات. ويتمتع هذا النوع من الغازات بأنه عديم اللون والطعم والرائحة وهو من أكثر أنواع الغازات خطورة.

ثانياً: مسممات الدم

وتنقسم إلى الأنواع التالية:

• غاز سيانيد الهيدروجين
• كلوريد السيانيد
• بروميد السيانيد
• أول أكسيد الكربون

ويتمتع هذا النوع من الغازات بأنها سامة وقاتلة ولها رائحة مميزة مثل رائحة اللوز المر وفي بعض الأحيان يكون عديم الرائحة، وسريع الانتشار والتبخر وتسبب تهيّجا بالجلد والأنسجة وتسلب من الدم قدرته على امتصاص الأوكسجين، وتؤثر على الجهاز العصبي مباشرة ويكون مركز التنفس أول الأجهزة تعطيلاً يليه جهاز الدورة الدموية.

ثالثاً : مسببات القروح

وتنقسم إلى الأنواع التالية

• غاز الخردل
• غاز نتروجين الخردل
• غاز اللويزايت

وهي مركبات كيميائية سامة وقاتلة تصنع من المركبات النفطية وتسمى “بالمواد الباقية” أي يستمر بقاؤها مدة طويلة على الأرض بسبب خاصيتها الزيتية والمتلفة للجلد وتسبب حروقا للجلد وفقاعات مائية وتقيحات ويعرف غاز الخردل من المجموعة السابقة بغاز القنال أو ملك الغازات السامة.

رابعاً:  الغازات الخانقة

وتنقسم إلى الأنواع التالية

• غاز الفوسجين
• غاز الفوسجين الثنائي
• غاز الفوسجين الثلاثي
• غاز الكلورين

وجميع هذا النوع من الغازات يدخل الرئتين بواسطة الهواء، وتسبب تلف الجهاز التنفسي، فيصبح غير قادر على إمداد الجسم بالأوكسجين وبالتالي تسبب الموت البطيء بالاختناق ولها رائحة مميزة واخذة ومزعجة.

الاتفاقيات والمعاهدات الموقعة بشأن الغازات السامة

حاول العالم أن يحد من استخدامها عبر الاتفاقيات والمعاهدات الدولية منذ بداية ظهورها. ففي بروتوكول جنيف الذي يتكلم عن استخدام الغازات السامة في الحروب في مؤتمر جنيف الثالث الموقع سنة 1925 اتفقت الدول والأمم الموقعة على عدم استعمال الغازات السامة في الحروب ولكن لم يتم الالتزام به من بعض الأطراف.

وبعد قيام الأمم المتحدة تشكّلت لجنة من الأمم الثماني عشرة وكان ذلك عام 1968, وتوجت بقرار حظر استعمال الغازات , لكن لم تؤتي أكلها إلى أن عقد مؤتمر لجنة نزع السلاح الكيميائي وكانت اللجنة المشكلة مخولة بقرار الجمعية العامة ,إلى أن كونت لجنة نزع سلاح عام 1979 لعب مؤتمر لجنة نزع السلاح دورا في تفسير بروتوكول جنيف.

وجعل العالم يوم 29 ابريل من كل عام ذكرى لتخليد الضحايا الذين قضوا بالغازات السامة ربما يوقض ذلك روح الإنسانية في قلوب سالبيها …. لكن تلك القرارات لم تسمن ولن تغني من جوع ….فمازالت بعض الأنظمة المستبدة في العالم تستخدم الغازات السامة لتزهق بها أرواح الأبرياء من النساء والأطفال والشيوخ دون أي رادع لمستخدميها.

بقلم: زاهر ريحان

تخصص فيزياء – جامعة الازهر – غزة

إن تقنية الليدار  LADAR، وهي الحروف الأولى من عبارة Laser Detection And Ranging، وتعني “الكشف وقياس المدى بواسطة الليزر”. هي واحدة من أحدث تقنيات الاستشعار عن بعد، وهو جهاز يرسل ضوء فى اتجاه معين ويستقبل الضوء المرتد ويقوم بتحليله ويكتشف ويحدد خواص الاجسام المرتد منها الضوء.

يستخدم في جهاز الليدار LADAR الليزر للإستشعار والمسح الضوئي، ويكون المسح إما جوي أو أرضي، ولهذه التقنية عدة إستخدامات في العديد من المجالات وهذا ما سوف نتحدث عنه في هذا المقال.

أنواع تقنيات الإستشعار عن بعد

1. الرادار: يستخدم فيه أمواج الراديو للإستشعار
2. السونار: يستخدم فيه الأمواج الصوتية
3. الليدار: يستخدم أشعة الليزر

مكونات الليدار

• مرسل transmitter لإرسال الإشارات ناحية الأهداف المرجوة.
• مستقبل receiver لإستقبال الإشارات المرتدة .
• مستشعرات antennas لتقوية وتركيز الإشارات .
• ملحقات إلكترونية وحواسيب لتحليل البيانات .

آلية عمل نظام الليدار

• تعتمد على حساب المسافة ما بين الجهاز والجسم المرصود (أو أي جسم على سطح الأرض) من خلال معرفة زمني الإرسال والاستقبال لكل نبضة ليزرية.
• يرسل جهاز الليدار شعاع من الضوء الى الهدف ويتغير هذا الشعاع تبعا للهدف (الجسم) الساقط عليه ، بعض هذا الضوء ينعكس الى الجهاز وبعضه الآخر ايضا ينعكس بطريقة مشتته الى الجهاز حيث يتم تحليل هذا الضوء المنعكس بواسطة جهاز الليدار. ان التغير فى خصائص الضوء المنعكس من الهدف توضح بعضا من خصائص الهدف. كما ان زمن رحلة الضوء من الجهاز الى الهدف ثم الرجوع الى الجهاز يحدد المسافة بين الجهاز والهدف.

أنواع الليدار

وجد ثلاث انواع من اجهزة الليدار
1- ليدار تحديد المسافة
2- ليدار تباين امتصاص الضوء
3- ليدار الدوبلر

1- ليدار تحديد المسافة

هو ابسط انواع اجهزة الليدار ويستخدم فى تحديد المسافة بين جهاز الليدار وبين جسم صلب يسلط عليه الليزر من الجهاز (اى جسم صلب مثل الجدران الطويلة او الخرسانية او الخشبية او اى جسم).

2- ليدار تباين امتصاص الضوء

وهو يستخدم لقياس درجة التشبع الكيمائية (مثل الأوزون وبخار الماء والشوائب فى الهواء). ويستخدم الليدار موجتين ضوئيتين مختلفتين فى طول الموجة يتم اختيارهم حسب المادة المراد قياس درجة التشبع لها يتم امتصاص احد الموجتين الضوئيتين بواسطة هذه المادة ولا يتم امتصاص الموجة الأخرى بل يرتد جزء منها. يقوم الجهاز بتحلييل الفرق فى الكثافة الضوئية بين الموجتين المرتدتين ويحتسب درجة التشبع للمادة المراد اختبارها.

3- ليدار الدوبلر

وهو يستخدم لقياس سرعة الاجسام المتحركة سواء الصلبة او الغازية مثل الرياح والعواصف. عندما يسلط الضوء على جسم يتحرك فى اتجاه الليدار سواء بالاقتراب او الابتعاد فيمكن تحديد سرعته فعندما يتحرك اقترابا من الليدار سيستقبل الليدار موجة ضوئية اقل طول موجى من الموجة الاصليه وعندما يتحرك الجسم مبتعدا عن الليدار سيستقبل الليدار موجة ضوئية اكثر طول موجى من الموجة الاصلية وتسمى هذه الخاصية (تغير الطول الموجى) بخاصية تأثير دوبلر.

الإستخدامات العسكرية لتقنية الليدار

• إنتشر استخدام الليزر في نظم التسليح المختلفة خلال السنوات الأخيرة انتشاراً كبيراً، وكان له أثر بالغ في زيادة فاعليتها، فأصبحت معدات الليزر تتداول من جندي المشاة، حتى المقاتلات والقاذفات، بل وبدأت تدخل في نظم الحرب ضد الصواريخ الباليستية.

• هذا النوع من الرادار (الليدار) يتميز بدقته العالية في كشف ومتابعة وتعيين الأهداف. وهنا تستخدم أشعة الليزر في الإرسال بدلاً من الأشعة الرادارية، ويكون جهاز الاستقبال كهروضوئياً بدلاً من المستقبل الإلكتروني التقليدي في الرادار.
• ويستخدم جهاز الليدار في قياس المدى من القواعد الأرضية، أو من السفن، أو من الطائرات والمركبات الفضائية. ويستخدم، أيضاً، في الاستشعار عن بعد، إذ تتم دراسة مكونات الغلاف الجوي وقياس بعض المكونات الكيماوية فيه.
• وفي نظام الدفاع الجوي  “ليزرفاير”  (LASERFIRE) الذي يستخدم للتعامل مع الأهداف المنخفضة، يتكون نظام التتبع الآلي من نظام تتبع ليزري للأهداف، ونظام تتبع تليفزيوني للصاروخ. ويحقق شعاع الليزر الضيق دقة التتبع، وعدم التأثر بأعمال الإعاقة.
• جدير بالذكر أن ليزر ثاني أكسيد الكربون له دور فعال في نظم تقدير المسافة، وإدارة نيران المدرعات، فقد بدأ إنتاج مقدرات مسافة بالليزر تستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون، بدلاً من ليزر “الياج”، لاستخدامه متكاملاً مع أجهزة الرؤية الليلية الحرارية، مما يسمح باستخدام الكاشف الحراري للرؤية الليلية والتصويب نفسه، وبالتالي فإن ذلك يقلل من تكلفة المعدة العسكرية المتكاملة. وتجري الدراسة الآن لاستخدام هذا الأسلوب مع قاذف الصاروخ المضاد للدبابات “تاو” TOW، والدبابة الكورية طراز XK-1.

أ. د. مصطفى كمال محمد يوسف

أستاذ فيزياء الجوامد ” فيزياء المعادن “

جمهورية مصـر العربية جامعة المنصورة -كلية العلوم -قسم الفيزياء

---

ظاهرة علم الفيزياء أنبل فعاليات العقل البشري وأخطر ظواهر الحضارة الانساتية وأكثر أشكال الحضارة وأشدها ايجابية وهي تعبر عن التحاور بين العقل والكون  ونحن بلا جدال قد وصلنا الي نقطة رائعة وفوق العادة في تاريخ علم الفيزياء بل في تاريخ العلوم حيث يعتقد بعض الفيزيائيين باننا الآن علي حافة امتلاك نظرية فيزيائية منفردة وهي التي ستوحد كل العلوم تحت مظلة  الحسابات الرياضية لتفسير العلاقات والروابط التي تربط كل المفاهيم العلمبة الفيزيائية في مفهوم علمي واحد وهي النظرية الحاسمة لكل شيئ بين العقل البشري والعقل الكوني حيث تمثل التوحيد لقوانين الكون الأساسية والتي استهلت بفكر العالم الفيزيائي البيروني وصولا لمعادلات ماكسويل، لميكانيكيات نيوتن للنظرية النسبية الخاصة والعامة لأينشتاين ولمعادلات ماكس بلانك وعلاقات ديبروجلي وفي الأساس ينبع كل شيئ من علم الكون الذي يعبر عن النظام الشامل لما هو مدرك حسيا وما هو غير مدرك حسيا، لذا يفترض أن يكون لدينا نظرية منفردة وشاملة تحت مظلة دمج نظريات الأوتار الفائقة مع الثقالة الفائقة وكذلك الدمج ما بين ميكانيكا الكوانتم التي تصف القوي الثلاث وهي: (1) القوي النووية الشديدة وهي التي تعمل علي ترابط  أو تماسك البروتونات والنيوترونات في أنوية الذرة فهي القوة الحاسمة والعصب الرئيسي لاستقرارية المادة، (2) القوي النووية الضعيفة وهي التي  تعمل بداخل الأنوية الذرية ولها معني جوهري كما أنها المسؤولة لنوع ما لاضمحلال النشاط الاشعاعي، (3) أما القوي الثالثة فهي القوي الكهرومغناطيسية وهي التي تتحكم في كل ظواهر الحياة المعروفة علس سطح الأرض وهي المسؤولة عن الضوء والحرارة والكهرباء والمغنطيسية وهي التي مسؤولة عن ترابط الذرات مع بعضها البعض. النظرية النسبية العامة والتي ارتكزت علي القوي الجاذبية وهي المسؤولة عن حفظ الكواكب وهي في حالة دوران حول الشمس والمسؤولة عن تكوين النجوم والمجرات وبالتالي هي التي تتحكم في سلوك الكواكب والنجوم والمجرات، كما أنها تحدد الملامح الشاملة للكون  الذي نعيش فيه.

كل هذه العلاقات تمثل التوحيد في علم الفيزياء  لقوانين الكون الأساسية. نجد هناك محاولات ومحاولات علمية وتكنولوجية نافعة وبقوة تلاحم مفرطة من أجل توحيد الأربع قوي مع بداية البيروني العالم الفيزيائي في القرن الحدي عشر ومنه للعالم الفيزيائي نيوتن وجاليلو ومنه الي فارادي وأمبير الي أن جاء ماكسويل ثم ظهرت أعمال ماكس بلانك، وهيزنبرج، وشرودنجر، وديراك حيث أوضحوا أن القوي الكيميائية هي أيضا مظهر آخر من مظاهر القوة الكهرومغنطيسية مضافا اليها نظرية الكوانتم ثم وحد آينشتين العالم الفيزيائي مفهومي المكان والزمان “الزمكان الديناميكي” ومن هذا المنطلق من أجل توحيد الأربع قوي يكون لها صدي عالمي وفكري رفيع المستوي العلمي بهدف التوصل الي نظرية لكل شيئ. حيث هناك ثقة عالمية من علماء الفيزياء وهي في الحقيقية عملية شاقة وصعبة ولكنها هامة لرخاء شعوب العالم، لذا يعمل فيزيائي العالم بهدف واضح بثقة بأنها ستتحقق بمشيئة الله في العقود القادمة، كما لعب دورا عظيما علماء الفيزياء النظري في توحيد القوى النووية الضعيفة والقوى الكهرومغنطيسية (القوى الكهروضعيفة) ومنها منحوا جائزة نوبل عام 1979 وهم سـتـيـفـن وايـن بـرج ورفقائه كل من عبد السلام الباكستاني وشـيـلـدون جـلاشـو وأطلقو عليها نظرية لكل أربع قوي بأنها النظرية الحاسمة أي النظرية النهائية وأعتقد الفيزيائيين أنهم قد أنجزوا نهاية العالم بهذه البساطة.

 في عام 2004 منح كل من دافـيـد جـروس – دافـيـد بـولـتـزر – وفـرانـك فـيـلك جائزة نوبل في الفيزياء لاكتشاف القوة التي تربط الجسيمات بداخل نواة الذرة والقوة الشديدة وهي تعتبر القوة  الزائدة بداخل النواة والتي تعمل بين الكوارك بداخل البروتون والنيوترون وأوضحت مفهوم نظرية ديناميكية الكرومو كوانتم كما أوضحت مفهوم علمي هام أن العلم أخـذ خطوة جـادة لـتـحـقـيـق الحلم الفيزيائي الحلم العظيم لـصـيـاغـة نـظـريـة التــوحــيــد في الفيزيـاء والمتضمنة الجاذبية.

والآن تبين لهم أن الكون الفيزيائي (الكون الطبيعي) الكامل التام الغير منقوص يجب أن يطوق بمجموعة من المعادلات المتوازنـة تولـف سـلـسـلـة تـامـة أو ربـما مـعـادلــة واحــدة مــضــبــوطــة وصــحــيــحــة.

بنظرة مختصرة وشاملة، نسرد تتبع وتسلسل الأفكار التوحيدية للوصول الى الصـيــغـة التــوحــيــديــة للكون الفيزيائى لمعادلة الكــون والتي يطلق عليها نظرية كل شيئ “Theory of everything ، TOE” وهي التي تشكل وصفا شموليا للمادة  والطاقة في الفيزياء النظرية، ومن المفترص أنها قادرة علي تفسير جميع الظواهر الفيزيائية يشكل تام غير منقوص وتفسر جميع المؤثرات الفيزيائية  أي كل شيئ.

سنبدأ بالقوة المغنطيسية والقوة الكهربية فكانت خطوة لبداية التوحيد بين قوتنين مختلفتين من قوي الطبيعة فأفرزا قوة كهرومغنطيسية وهي التي تتحكم بصفة أساسية في كل ظواهر الحياة وعندما تتحد مع القوة النووية الضعيفة نجد أنهما وجهان لقوة أساسية هامة واحدة وهي القوة الكهروضعيفة أو التفاعلات الكهروضعيفة، ومن التفاعلات الكهروضعيفة والقوي النووية الشديدة لدينا النموذج المعياري لفيزياء الجسيم، وبالتوازي لدينا النموذج المعياري لعلم الكون، ومن النموذج المعياري لفيزياء الجسيم لدينا القوة الكهرونووية  بمعني أنه اذا تم توحيد القوة الكهروضعيفة والقوة النووية الشديدة فيكون لدينا القوة الكهرونووية، ومن النموذج المعياري لعلم الكون لدينا انــحــنــاء الفــضــاء، وبتوحيد القوة الكــهــرونــوويــة وانــحــنــاء الفــضــاء  لدينا كــوانــتــم الجــاذبــيــة فيكون لدينا قوة كهرونووية والجاذبية، ومن هذا المنطلق نقترب من الهدف باعطاء مفهوم نقي عن العلاقات بين جميع الجسيمات المختلفة ويطلق عليها نـظــريــة كــل شـــئ أي بتوحيد جميع النطريات الفيزيائية المعروفة لدينا من نظرية الثقالة الفائقة ونظرية الأوتار الفائقة ونظرية M والتي يفترض دمج نظريات الأوتار الفائقة مع الثقالة الفائقة والدمج ما بين نظرية الكوانتم والجاذبية بمعني توحيد جميع النظريات الفيزيائية وصياغتها في معادلة واحدة  يطلق عليها نــظــريــة كــل شــئ .

وعلينا أن نستوعب بمهارة علمية عالية المستوي مبدأ التصوير التجسيمي “Holographic Principle” حيث أنها كمظهر رئيسى لنجاح نظرية كل شيئ، والهولوغرام  يعبر عن صورة لجسم ثلاثي الأبعاد أتي من تسليط الليزر علي فيلم ثنائي الأبعاد.

علينا أن ننتبه أن هناك محاولات جادة في خلال العقود القليلة القادمة أن يتحقق الحلم الفيزيائي العالمي وهو توحيد كل هذه القوي وبالفعل قد تحقق جزئيا ولكن هناك ثقة عالميا بأنه ستتحقق نظرية كل شئ “Theory of Everything TOE”   من خلال توافق وتزامن العقل الكوني مع العقل البشري لرفاهية شعوب  العالم.

الحلقة الثانية: حقيقة الكون

أ. طارق حسين عبدالودود
رئيس قسم العلوم – متوسطة منارات تبوك

الكون مكون من بعض التعقيدات التي لم يكشف عنها العلم الحديث بصورة واضحة لنا والتي تثير في نفس الباحث الفضول حول ماهية أو كيفية تكون تلك البنية الكونية. من ضمن هذا الفضول المادة المظلمة وهي جزء لا يمكن تجاهله من المكونات الكلية للكون، وتساءل الكثير من الفيزيائيين حول هذه الجزئية من كوننا (المادة المظلمة) انها من المكونات التي لم يتدلى عنها الستار بصورة واضحة لتكتمل رؤيتنا الواضحة لتلك الحقيقة المجهولة (كوننا) من الانفجار العظيم ونهاية بالتوصل إليها عاجلاً أو آجلاً، لا شك في أننا نعرف القليل عن المادة المظلمة حيث افترضت لتفسير جزء كبير من مجمل الكتلة الكلية للكون، والتي لا يمكن رؤيتها مباشرة باستخدام التلسكوبات، حيث من الواضح أنها لا تبعث ولا تمتص الضوء أو أي إشعاع كهرومغناطيسي آخر على أي مستوى، عوضاً عن ذلك، يستدل على وجودها وعلى خصائصها من آثار الجاذبية (كما يروق لي اسمها الذي اطلقه هوكنج بطل الكون) التي تمارسها على المادة المرئية والإشعاع والبنية الكبيرة للكون. ووفقا لفريق بعثة بلانك واستنادا إلى النموذج القياسي لعلم الكونيات، فإن مجموع الطاقة الكتلة في الكون المعروف يحتوي على المادة العادية بنسبة 4.9٪، والمادة المظلمة بنسبة 26.8٪ والطاقة المظلمة بنسبة 68.3٪. وهكذا فإن المادة المظلمة تشكل 84.5٪ من مجمل المادة في الكون، بينما الطاقة المظلمة بالإضافة إلى المادة المظلمة تشكل 95.1٪ من المحتوى الكلي للكون.

المادة المظلمة Dark Matter

أتت المادة المظلمة إلى اهتمام علماء الفيزياء الفلكية نتيجة التباين بين كتلة الأجسام الفلكية المحددة من آثار الجاذبية الخاصة بهم، وتلك المحسوبة من “المادة المضيئة” التي تحويها هذه الأجسام مثل النجوم والغاز والغبار. حيث افترض جان أورت المادة المظلمة لأول مرة عام 1932 لحساب السرعات المدارية للنجوم في مجرة درب التبانة، وافترضها فريتز زفيكي للحصول على دليل حول “الكتلة المفقودة” للسرعات المدارية للمجرات في عناقيد المجرات. لاحقاً، أشارت بعض الملاحظات إلى وجود المادة المظلمة في الكون، بما في ذلك سرعة دوران المجرات حول نفسها بواسطة فيرا روبين، تشكل عدسات الجاذبية من الأجسام الخلفية من قبل عناقيد المجرات، مثل عنقود الرصاصة، وتوزيع الحرارة للغازات الساخنة في المجرات وعناقيد المجرات. وفقاً لتوافق الآراء بين علماء الكون، تتكون المادة المظلمة بشكل أساسي من نوع من الجسيمات الدون ذرية جديدة وغير محددة بعد. اليوم يعد البحث عن هذه الجسيمات بشتى الوسائل هو أحد الجهود الأساسية في فيزياء الجسيمات. بالرغم من قبول المجتمع العلمي السائد عموماً لوجود المادة المظلمة، اقترحت العديد من النظريات البديلة لشرح الشذوذ الذي من أجله افترضت المادة المظلمة.

يستدل على وجود المادة المظلمة من آثار الجاذبية التي تمارسها على المادة المرئية وتشكل عدسات الجاذبية لإشعاع الخلفية، وافترضت أساساً لتفسير التباين بين كتلة المجرات وعناقيد المجرات المحسوبة بطرق الديناميكا والنسبية العامة، وبين تلك المحسوبة اعتماداً على كتلة المادة المرئية “المضيئة” التي تحويها المجرات وعناقيد المجرات مثل النجوم والغاز والغبار للوسط البين نجمي والوسط بين المجرات. التفسير الأكثر قبولاً لهذه الظواهر، هو أن المادة المظلمة موجودة وتتكون على الأرجح من جسيمات ثقيلة تتفاعل من خلال الجاذبية وربما القوة النووية الضعيفة. على أية حال، اقترحت تفسيرات بديلة، ولا يوجد حتى الآن أدلة تجريبية كافية لتحديد أي من هذه التفسيرات هو الصحيح، وتجرى حالياً العديد من التجارب لتحديد جسيمات المادة المظلمة المقترحة من خلال وسائل غير مرتبطة بالجاذبية. ووفقاً لملاحظات البنى الأكبر من النظام الشمسي بالإضافة إلى الانفجار العظيم ومعادلات فريدمان وإحداثيات روبرتسون-ووكر، تشكل المادة المظلمة 23% من محتوى كتلة وطاقة الكون المنظور مقابل 4.6% للمادة العادية، وتعزى النسبة الباقية إلى الطاقة المظلمة. وفقاً لهذه الأرقام، تشكل المادة المظلمة  23/(23+4.6)×100 = 83.3334%  من المادة في الكون، في حين تشكل المادة العادية نسبة 16.6667% فقط.

 

التوزيع المقترح للمادة والطاقة في الكون (في اليمين) وعند تحرر إشعاع الخلفية الميكروني الكوني (في اليسار)

تلعب المادة المظلمة دوراً مركزياً في نمذجة تشكل البنية وتشكل وتطور المجرات، ولها تأثيرات قابلة للقياس على عدم توحد الخواص الملاحظة في الخلفية الميكروية الكونية. كل هذه الدلائل تقترح أن المجرات، وعناقيد المجرات، والكون ككل تحتوي مادة أكثر بكثير من تلك التي تتفاعل مع الإشعاع الكهرومغناطيسي (باعتقاد أهمية وجود المادة المظلمة في الكون). الدلائل المباشرة لوجودها والفهم الملموس لطبيعتها تبقى بعيدة المنال. بالرغم من بقاء نظرية المادة المظلمة الأكثر قبولاً لشرح الشذوذ الملاحظ في الدوران المجري، حيث طورت بعض الطرق النظرية البديلة والتي تدخل على نطاق واسع في قوانين الجاذبية المعدلة وقوانين الجاذبية الكمية.

بعد ثورة كوبرنيكوس ونسبية أينشتاين وجد العلماء أنفسهم أمام مشهد جديد في مسيرة العلوم، إذ أن المادة “العادية” (التي تشكل كل شيء وتدخل في تركيبة البشر وجميع الكائنات الحية) ما هي إلا نسبة بسيطة من الكتلة الكلية للكون فهناك عنصر أخر يدخل في تركيبته، وهو عنصر غير معروف ولا يصدر عنه ضوء، وكانت هناك آثار يمكن تتبعها ولكن ليس هناك ما يمكن رؤيته.. وقبل أكثر من 60 سنة تنبه الفلكيون إلى أن النجوم في مجرة درب التبانة تدور حول مركز المجرة بسرعة أكبر مما تتوقعه النظريات والحسابات الفلكية، وبما أن سرعة النجوم تعتمد على الجاذبية الناتجة عن كتلة المجرة ككل، فقد توصل الفيزيائيون إلى نتيجة تقول بوجود كمية مادة أكبر من المادة المرئية لنا. تمت مراقبة نفس الأمر على مستويات أكبر؛ فالمجرات تدور حول مركز مجموعتها بسرعة أكبر من المتوقع. ” قوانين الفيزياء تحدد وبدقة متناهية كما من المادة يجب أن يوجد حتى يتم التوازن بين تحركات الأجرام والمجرات، اكتشاف أن الكتلة الكلية للكون المرئي هي أدنى من الرقم الذي تم حسابه أمر محير، “. فالمادة الغامضة لا تصدر ما يمكّن من رصده حتى بواسطة أدوات رصد الأشعة الكهرومغناطيسية مثل أشعة غاما أو أشعة إكس أو الأشعة تحت الحمراء، فلا يمكن معرفة تكوينها لأنه لا توجد أية طريقة تمكن من ذلك مع اختفائها الكامل عن كل أجهزة الرصد.

أيضاَ لعبت المادة المظلمة دوراً أساسياً في تخليق النجوم في البدايات الأولى من الكون، إذا كانت المادة المظلمة على هذه الحالة (على أية حال) يجب أن تشتمل المادة المظلمة على الجزيئات المعروفة بـ”النيوترونات العقيمة”. قام بيتر بيرمان من معهد ماكس بلانك لعلوم الفلك الإشعاعي في بون، وألكسندر كوسينكو، من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، بإظهار أنه عندما تضمحل النيوترونات العقيمة، فإنها تسرّع عملية خلق جزيئات الهيدروجين، هذه العملية ساعدت على إضاءة النجوم الأولى فقط منذ حوالي 20 إلى 100 مليون سنة بعد الانفجار العظيم، كل هذه المعطيات تعطينا تفسيراً بسيطاً لبعض الملاحظات المحيرة الأخرى التي تتعلق بالمادة المظلمة، النيوترونات العقيمة، والمادة المضادة.

اكتشف العلماء بأن تلك النيوترونات لها كتلة خلال تجارب قياس ذبذبة النيوترونات. هذا قاد إلى افتراضات بإن النيوترونات العقيمة الموجودة – هي كذلك معروفة أيضا بالنيوترونات اليمينية، وبأنها لا تشارك في التفاعلات الضعيفة مباشرة، ولكنها تتفاعل من خلال خلطها مع النيوترونات العادية. إن العدد الكلي للنيوترونات العقيمة غير واضح، إذا كانت كتلة المادة المظلمة نعادل بضعة كيلو إلكترون فولت (1 KeV تعادل مليون كتلة ذرة الهيدروجين)، فإنها توضح ضخامة الكتلة المفقودة في الكون، أحيانا، تسمى المادة المظلمة، ودعمت ملاحظات الفلكيين الفيزيائيين وجهة نظر باحتمال بأن المادة المظلمة تشتمل على النيوترونات العقيمة.

من الممكن لنسبة صغيرة من المادة المظلمة أن تكون مادة مظلمة باريونية: الأجسام الفلكية مثل هالة الأجسام الثقيلة المدمجة المؤلفة من مادة عادية تبعث القليل أو لا تبعث على الإطلاق أي اشعاع كهرومغناطيسي، ويشير التوافق مع المشاهدات الأخرى إلى عدم إمكانية الغالبية العظمى من المادة المظلمة الموجودة في الكون لأن تكون مادة مظلمة باريونية أي أنها غير مشكلة من الذرات ولا يمكنها التأثر مع المادة العادية عبر القوى الكهرومغناطيسية ولا تحمل جسيماتها أي شحنة كهربائية، وتتضمن المادة المظلمة الغير باريونية النيوترينوات مع إمكانية وجود جسيمات افتراضية مثل الأكسيومز أو الجسيمات فائقة التناظر، وعلى عكس المادة المظلمة الباريونية، لا تساهم المادة المظلمة غير الباريونية في تشكيل العناصر في بداية الكون “الاصطناع النووي للانفجار العظيم” وبالتالي يتم الكشف عن وجودها فقط من خلال تجاذبها الثقالي، بالإضافة إلى ذلك، لو كانت الجسيمات المؤلفة للمادة المظلمة غير الباريونية فائقة التناظر فإنها من الممكن أن تخضع لتفاعلات الإفناء مع نفسها مما يؤدي إلى ملاحظتها من النواتج الفرعية مثل الفوتونات والنيوترينات “كشف غير مباشر”.

تصنف المادة المظلمة غير الباريونية من حيث كتلة الجسيمات المفترضة لتشكيلها والسرعة النموذجية لانتشار تلك الجسيمات (حيث أن الجسيمات الأثقل تكون أبطأ). هناك ثلاثة افتراضات بارزة للمادة المظلمة الغير باريونية وهي المادة المظلمة الساخنة والدافئة والباردة مع إمكانية المزج بينهم. النموذج الأكثر مناقشة للمادة المظلمة الغير باريونية مبني على فرض المادة المظلمة الباردة ويفترض الجسيم المرتبط به ليكون في الغالب جسيم ثقيل ضعيف التآثر. من الممكن للمادة المظلمة الساخنة أن تتألف من النيوترينات الثقيلة. تؤدي المادة المظلمة الباردة إلى تشكيل “قاعدي-علوي” لبنية الكون والمادة المظلمة الساخنة إلى تشكيل “قمي-سفلي” لنفس البنية.

بيرمان وكوسينكو

تسلط نظرية بيرمان وكوسينكو الضوء على عدد من الألغاز الفلكية الغير مفسرة:

أولا: وأثناء الانفجار الكبير، كانت كتلة النيوترونات المخلوقة في الانفجار الكبير تساوي ما نحتاجه لتفسير المادة المظلمة.

ثانياً: هذه الجسيمات يمكن أن تكون الحل لمشكلة كبيرة حول لماذا تتحرك البولسرات بسرعة كبيرة (البولسرات هي نجوم نيوترونية تدور بسرعة عالية جداً، ونشأت نتيجة لانفجار مستعر فائق سوبرنوفا وتكون عادة مقذوفة في اتجاه واحد.) الانفجار أعطاها ” دفعاً قويا”، مثل محرك صاروخ. مما يجعل البولسرات تسير بسرعات كبيرة تصل إلى مئات الكيلومترات في الثانية – وأحياناً إلى الآلاف. مصدر هذه السرعات تبقى مجهولة، لكن إشعاع النيوترونات العقيمة توضح تحركات البولسرات. يحتوي سديم القيثارة على بولسرات سريعة جداً، إذا كانت المادة المظلمة صنعت جزيئات مؤينة في الكون – كما يقترح بيرمان وكوسينكو- بأن حركة البولسرات هي التي أنشأت سديم القيثارة. كما ان النيوترونات العقيمة يمكن أن تساعد على توضيح انعدام المادة المضادة في الكون. في بدايات الكون الأولى، كانت النيوترونات العقيمة “تسرق” ما يعرف بــ” ترقيمات ليبتون” من البلازما. وفي وقت لاحق، أدت قلة ترقيمات ليبتون إلى تحويلها إلى عدد غير صفري من الترقيمات الباريونية. اللا تناظر الناتج بين الباريونات (مثل البروتون) والباريونات المضادة (مثل البروتون المضاد) يمكن أن يكون السبب حول عدم وجود مادة مضادة في الكون.

فتشكيلة الثقوب السوداء المركزية في المجرة، بالإضافة إلى التركيب القياسي للمجرات الفرعية، تعطي تفسيراً مفضلا حول النيوترونات العقيمة في المادة المظلمة. والإجماع على آراء متعددة معقدة يقود إلى اتجاه واحد باعتقاد أن المادة المظلمة، في الحقيقة، هي نيوترونات عقيمة.

 

التعارض بين سرعة دوران النجوم في مجرتنا (أحمر) بالمقارنة بالحسابات المبنية على كمية المادة المنظورة فيها (أزرق)

من الصعب اكتشاف جسيمات المادة المظلمة مباشرة حيث أن تآثرها وتفاعلها مع المادة العادية ضعيف جدا جداً كما لو كان ليس لها وجود – مليارات من تلك الجسيمات تمر خلال جسمك وأنت تقرأ هذا ولا تشعر بها – ولكن يمكن قياس نواتجها. فعند اصطدام جسيمان من المادة المظلمة ينتج عنه جسيمان معروفان الإلكترون ونقيض الإلكترون المسمى بوزيترون. وقد زود علماء محطة الفضاء الدولية بمطياف خاص يقيس البوزيترونات. سجل مطياف البوزيترونات بوزيترونا يعتقد أنها ناشئة عن اصطدامات جسيمات المادة المظلمة. ويأمل العلماء التأكد من ذلك بحيث لا تكون تلك البوزيترونات ناشئة عن مصدر آخر لا يعرفونه الآن.

يتبع إن شاء الله العدد القادم،،،

أ. محمد ماهر عبد الرحيم محمد

بعد انطلاق شرارة ثورة ميكانيكا الكم في بداية القرن الماضي، هرع الفيزيائيون في تلك الفترة الى محاولة السيطرة على هذه النظرية الغريبة – والتى تناقض العقل الكلاسيكي بصورة واضحة – بواسطة احكام الصياغة الرياضية والتي يجب ان تصف الواقع الكمي وتتفق مع التجارب ولو كان ذلك على حساب مبدأ السببية او الحتمية. فمع ظهور الميكانيك الكمي انهدم صرح الحتمية فعند القيام بالتجربة تحت نفس الشروط مرتين متتابعتين نحصل على نتائج مختلفة، بغض النظر عن الجدال الفلسفي حول هذا الموضوع وعلى طريقة” بول ديراك” – الذي كان يهتم بالمعادلات اكثر من الجدال والكلام – في احدى المحاضرات وقف الفيزيائي النمساوي “اروين شرودنجر” يلقي محاضرته حول مفهوم الدالة الموجية، و الذي ظهر اول مرة مع الفيزيائي “ماكس بورن”، وفجأة في اثناء محاضرة شرودنجر الاسطورية والتى كانت تبدو مملة في نظر احدهم فوجه سؤال الى السيد “شرودنجر” قائلا: يا سيد لقد صدعت رؤوسنا بدالتك الموجية، فاين هي معادلة الموجة؟ فكان سؤاله هو ما دفع “شرودنجر” الى صياغة معادلته المشهورة والتى لعبت دورا محوريا في صياغة النسخة الموجية في ميكانيكا الكم، فكانت معادلة تفاضلية يمثل حلها دالة الموجة للنظام الكمي المراد دراسته.

كانت اولى المحاولات لايجاد نسخة نسبية من هذه المعادلة هي ما يعرف بمعادلة “كلين-جوردون ” والمقصود بالنسخة النسبية ان نضع في الاعتبار مبادئ النسبية الخاصة واهمها عدم الفصل بين  الزمان والمكان، فعند النظر في معادلة شرودنجر السابقة نجد ان المشتقة المكانية من الرتبة الثانية {∇2 ψ(r,t)} بينما المشتقة الزمانية من الرتبة الاولى {Eψ(r,t)=iℏ ∂/∂t ψ(r,t)}، فكانت الخطوة الاولى نحو اشتقاق نسخة نسبوية من معادلة شرودنجر هي مساواة رتب المشتقات، وتجسدت محاولة كلين وجوردون في جعل كل من المشتقتين الزمانية والمكانية من الرتبة الثانية بعد التعويض بقيم المؤثرات الكمية للطاقة وكمية الحركة في معادلة الطاقة النسبية (E²=P²+m²) باعتبار (ℏ=c=1) وكانت النتيجة:

وهي ما يعرف بمعادلة (كلين-جوردون)، ولكن سرعان ما ظهرت المشاكل ، فبمجرد جعل المشتقة الزمانية من الرتبة الثانية ادى ذلك الى ظهور قيم احتمالية سالبة (كثافة الاحتمال سالبة!!!! …..غريب و غير منطقي)، وكانت المشكلة الثانية متمثلة في حل هذه المعادلة حيث من الواضح ان الحل يجب ان يمثل طاقة الجسيمات ولكن المفاجأة كانت في ان هذه الطاقة تمتلك قيمتين سالبة وموجبة.

بمجرد ظهور هذه المشاكل عجزت المعادلة عن تخطيها مما دفع الفيزيائي الرياضي “بول ادريان ديراك” ان يبحث في اصل المشكلة، ففطن ديراك بعقله الرياضي المدرب الى ان المشكلة تكمن في رتبة المعادلة –بخصوص الاحتمالية- و في التفسير-بخصوص الطاقة السالبة. لذلك عكف على محاولة الحصول على معادلة نسبية تفاضلية تكون من الرتبة الاولى بخصوص المشتقات الزمانية والمكانية، بدون الخوض في التحليلات التى اتبعها بالرغم من سهولتها ولكنها تأخذ مساحة لا يمكن توفيرها في هذه المقال، في النهاية حصل السيد ديراك على معادلته المشهور:

بهذه الطريقة نجح ديراك في التخلص من مشكلة الاحتمالية السالبة، من جانب اخر حصل على نفس الحلول السالبة للطاقة ولكنه كما قال فان المشكلة هنا مشكلة تفسير، لذلك اقترح امكانية وجود جسيمات مضادة تحمل طاقة موجبة تتشابه مع الجسيمات في الكتل وتختلف في الخواص الكمية الاخرى كالدوران المغزلي. وما ان مرت 4 سنوات منذ ظهور هذا التفسير حتى نجح التجريبيون في اصطياد اول جسيم مضاد وهو مضاد الالكترون او ما يعرف بـ “البوزترون”، واصبحت معادلة ديراك بصورة عامة بجانب معادلة كلين-جوردون تمثل حجر الاساس لما يعرف بنظرية المجال الكمي، حيث تهتم معادلة ديراك بوصف الفيرميونات (جسيمات تتبع توزريع احصائي يعرف بتوزيع فيرمي) وتهتم معادلة كلين-جوردون بوصف سلوك البوزونات القياسية (جسيم واحد يعرف بالهيغز بوزون يتبع احصاء بوز-اينشتاين).

بقلم: محمد ماهر عبد الرحيم محمد

بكالوريوس العلوم (مرتبة الشرف) في الفيزياء 2014- جامعة السودان للعلوم والتكنولوجيا

بقلم الاستاذ محمد بهاء الدين: المسار أي الطريق إلى الدرب الذي تسير فيه للوصول للهدف المرجو منه. والمقصود بالمسار هو المواد التعليمية وترتيبها من حيث المراحل التعليمية وما يناسب القدرة العقلية لكل مرحلة بمعنى هو الطريق الذي من المفترض ان تقوم المؤسسة التعليمة بوضعه بمشاركة المؤسسات المجتمعية ويهدف الى بناء اجيال معدة اعدادا جيد لتحقيق الاهداف المرجوة منهم والتي يتم وضعها عن طريق السلطة السياسية.

تعتبر مسؤولية وضع الخطوط الرئيسة والاهداف هي السلطة التنفيذية في الدولة. وبالطبع يكون هذا من خلال خطة ممتدة من الممكن ان تصل الى أكثر من خمسون عام فى بعض الدول المتقدمة وصلوا الى ان يضعوا خطة الفية. ويفضل وضع الاهداف في العملية التعليمية طويلة الاجل.

 

لماذا يجب ان تكون الاهداف على المدى الطويل؟

لان الاهداف ذات المدى القصير لا تصلح في العملية التعليمية، لان العملية التعليمية عملية مرحلية متصلة ليست متقاطعة الا ما بين مراحل التعليم الأساسي والجامعي وما بينهم توجد منطقة فاصلة، من الممكن ان يوجد ناتج ملموس بها.

وبالنسبة للخطط يوجد نوعان هما الطولي والعرضي: الطولي خاص بالمراحل التعليمية المتتالية، واما العرضي خاصة بكل مرحلة تعليمية منفردة.

بالطبع يجب ان تمتزج الاهداف الطولية مع الاهداف العرضية كى ينشأ عنهم اهداف شاملة يوضع على اساسها المسار التعليمي.

وهنا يأتي كيفية رسم المسار التعليمي حيث تتسلم الادارة التعليمية السياسية العامة من السلطة التنفيذ والتي من خلالها يتم وضع الاهداف التعليمية بمشاركة المؤسسات المجتمعية مع مؤسسات المجتمع المدني.

وبمساعدة البيت ايضا لأنه يعتبر ركيزة اساسية فى عملية المسار التعليمي لان الاطفال يتأثروا بالوالدين من ثم المدرسين من ثم الاشخاص في البيئة المحيطة.

يجب ان ندرك ان المسار والعملية التعليمية ليسوا شيء هين بل مهم ينتج منه عقول ترتقي بالأمة وتنهض بالمجتمع، كما كان في عصر النهضة الثقافية المصرية والتي اخرجت المنفلوطي والرافعي وطه حسين واسامى اخرى كبيرة الاسم والمقام.

كلهم كانوا نتاج عملية تعليمة ناجحة … ولما الان لا يوجد هؤلاء العظماء؟ …. لأننا نعانى بشدة في العملية التعليمية.

ولذلك لا يجب ان يوضع المسار التعليمى فى يد اصحاب السلطة المتغيرة.

لأنه يجب ان يكون فى يد مؤسسات الدولة الاساسية التى لا تتغير مع تغير الحكام اى ان الاهداف التعليمية تضع لخدمة وطن وليس لخدمة افراد. وبذلك يكون المسار هو مسار يحقق اغراض الدولة.

لذلك يجب ان نتعاون جميعا فى وضع اهداف تخدم الدولة وليست تخدم افراد.

ونعمل من اجل انجاح هذا المسار. لنحقق الهدف الأسمى وهو انجاح الوطن.

ان علم الضوء كان ولايزال من احد اهم العلوم في شتي المجالات البحثية وفي شتي العصور منذ بداية الحضارات، فجميعنا يعلم العالم حسن بن الهيثم وما قام به من وضع الاسس و المعاير في علم الضوء وغيره من العلماء.

وكما هو معلوم لدينا أن الطيف ينقسم إلي جزئين هامين الطيف المرئي الذي يتحدد من  400nm إلى  750nm،   والغير مرئي  وهو الذي ينقسم الي الأشعة الفوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما، أما ما تحت ذلك فيسمي بالأشعة تحت الحمراء وأشعة الميكروويف وأشعة الراديو. ولكن من قام فعليا بتاسيس علم الاطياف هو العالم كيرشوف حيث وضع اهم ثلاث قوانين تحكم هذا العلم وهي كالاتي:

• الطيف المستمر (continuous spectrum)

وهو ينشاء من مادة سواء كانت صلبة، سائلة، أو غازية ذات كثافة عالية و اثيرت لكي تقوم باشعاع موجات كهروميغناطيسية لجميع الاطوال الموجية ومثال علي ذلك مصادر الضوء لدينا هناك من يشع اطوال موجية تبداء من 190 الي 2700 nm

• طيف الانبعاث (emission spectrum)

عندما يثار غاز ذو كثافة منخفضة فانه يشع موجات كهروميغناطيسية ذات اطوال موجية معينة (نري من هذا التفاعل اماكن مضيئة)

• طيف الامتصاص (absorption spectrum)

عندما يمر الطيف المستمر خلال غاز ذو كثافة منخفضة فانه يحدث امتصاص لبعض الاطوال الموجية داخل هذا الغاز (نري من هذا التفاعل اماكن مظلمة) ويكون فصل اطياف الموجات الضوئية اما عن طريق محزوز الحيود أو المنشور الزجاجي كما هو في شكل 1

شكل 1 يوضح عملية فصل اطياف الموجات الضوئية عن طريق المنشور الزجاجي

ومن الاجهزة الحديثة التي تستخدم مثل هذه المبادئ الاساسية في علم الاطياف جهاز يسمى جهاز الطيفي أو باللغة الانجليزية spectrophotometer الذي يبني عمله علي طيف الامتصاص كما هو في قانون كيرشوف الثاني، اما جهاز spectrofluorometer فهو جهاز مقياس الانبعاث وايضا يبني عمله علي قانون كيرشوف الثالث للاطياف. ولكي نتعرف علي كيفية حدوث مثل هذه التفاعلات من الامتصاص والانبعاث ولتوضيح قوانين كيرشوف ننظر الي شكل 2:

شكل 2 يوضح الفارق بين الثلاث اطياف لقوانين كيرشوف

وقد تطور هذا العلم لكي يقوم بدراسة الاطياف من حيث الخصائص البصرية و التي تنقسم كالاتي:

• الامتصاص
• الانكسار
• الانعكاس
• التشتت
• النافذ

وغيرها من الخصائص البصرية، ولم يقف هذا العلم علي هذا فقط فقد تفرع منه دراسة الجسيمات مثل الفا وبيتا بنفس طرق الدراسة الطيفية من خصائص بصرية كالامتصاص والتشتت و غيرها من خصائص.

 

 

المراجع المستخدمة

[1] Jose Solé, Luisa Bausa, Daniel Jaque, An Introduction to the Optical Spectroscopy of Inorganic Solids, John Wiley & Sons Ltd, 2005

[2] Paul A. Tipler, “MODERN PHYSICS”, W. H. Freeman and Company New York, 2012

[3] Markolf H. Niemz, Laser-Tissue Interactions Fundamentals and Applications, Third Enlarged Edition, springer,2007

الرادار RADAR 

       بقلم أ. وفاء زهير سعيد المسارعي

بكالوريوس فيزياء– جامعة الأزهر–غزة

تخيل أنك تحلق بطائرتك المقاتلة في وسط المدينة منتصف الليل والضباب كثيف جدا ولا تستطيع الرؤية وتحاول الهبوط على المدرج، كيف يمكنك الهبوط بسلام ؟!! طيارو الطائرات المقاتلة تغلبوا على هذه الصعوبات باستخدام الرادار.

ما هو الرادار؟

الرادار يعني استخدام أمواج الراديو للقياس وكشف المدى، وهي تعني بالإنجليزية  Radio Detection And Ranging وتدعى اختصاراً  RADAR والتي تعطي فكرة كبيرة عما يقوم به وآلية عمله.

من مخترع الرادار؟

بالرغم من أن العديد من العلماء ساهموا في تطوير الرادار إلا أن أشهرهم كان الفيزيائي الاسكتلندي روبرت واطسون وات (1892 – 1973). خلال الحرب العالمية الأولى كان واطسون يعمل لدى أهم مكتب أرصاد جوية في بريطانيا وكان يستخدم موجات الراديو للتنبؤ بالعواصف القادمة. وفي الحرب العالمية الثانية أدرك واطسون ومساعده آرنولد ويلكنز أنه يمكنهم استخدام هذه التكنولوجيا في الكشف عن طائرات العدو القادمة, فقام الفريق بتطوير شبكة واسعة ومتقنة من كواشف الرادار على الأرض تم وضعها على محيط بريطانيا من جهتي الجنوب والشرق، وكان لخط الدفاع الراداري هذا الفضل الأكبر في الحرب ضد الطائرات الألمانية وقد كان له دوراً مهماً في تحقيق النصر لبريطانيا.

وفي نفس الوقت تم تطوير نظام مشابه في الولايات المتحدة وقد تم تطويره لرصد الطائرات اليابانية  فوق مدينة هاواي في ديسمبر 1941.

ما مبدأ عمله؟ 

الرادار يشبه نظام تحديد الموقع بالصدى الذي تستخدمه الخفافيش العمياء للرؤية في الظلام. والرادار يشبه تماما شعلة من أمواج الراديو بدلاً من الضوء، فنحن نرى الأشياء من حولنا لأن الضوء يسقط عليها وغالباً يكون ضوء الشمس ثم ينعكس على شبكية العين فيتم إرسال إشارات كهربية للدماغ ليتم ترجمتها وتمكننا من رؤية العالم من حولنا.

وإذا حاولنا السير ليلا فإننا نضيء مصباح أو شعلة فيسقط شعاع الضوء على الجسم وينعكس ثم يتم ترجمته في الدماغ لرؤية الأجسام وكم تبعد عنا وكيف نتحرك فلا نصطدم بها.
والرادار يعمل بنفس الطريقة، فالرادار يرسل شعاع من أمواج الراديو ويرصد انعكاسات هذا الشعاع ليرى الأشياء وبذلك يمكن للطيار أخذ الوقت الكافي لاتباع الاجراءات اللازمة ومنع الاصطدام بالأجسام أمامه.

مكونات الرادار الرئيسية

سواء كان الرادار على متن طائرة أو سفينة أو أي شيء آخر فإنه يحتاج نفس المكونات الرئيسية من مصدر لتوليد موجات الراديو وإرسالها واستقبالها ووسيلة لترجمة المعلومات وعرضها ليتم فهمها بسرعة.

1- الماجنيترون magnetron

يستخدم لتوليد موجات الراديو، وهي موجات مماثلة للضوء حيث أن لها نفس سرعة الضوء في الفراغ؛ ولكن أمواج الراديو أطول بكثير من أمواج الضوء وتردداتها أقل بكثير من الضوء، وكل من موجات الضوء والراديو هي موجات كهرومغناطيسية تتكون من مجالين كهربائي ومغناطيسي متعامدين على بعضهما البعض وعلى خط انتشار الموجة.
موجات الضوء طولها الموجي تقريباً 500 نانومتر أو 500 بليون جزء من المتر وهي أدق من شعرة الإنسان بحوالي 100 – 200 مرة .
في حين أن أمواج الراديو المستخدمة في الرادار تتراوح عادة من حوالي بضعة سنتيمترات إلى متر، وهو ما يقارب من طول اصبعك إلى طول ذراعك أو ما يقرب مليون مرة أطول من موجات الضوء.
وموجات الراديو تشبه موجات فرن الميكروويف ولكن الفرق أن الماجنترون في الرادار يرسل موجاته عدة أميال بدلاً من بضع سنتيمترات في فرن الميكروويف؛ لذلك هو أقوى وأكبر بكثير.

2- هوائي (أنتينا)

تقوم بإرسال أمواج الراديو في الهواء بسرعة الضوء، وعادة ما يكون الهوائي منحني ليركز موجات الراديو على شكل حزمة دقيقة، وهوائيات الرادار تدور بحيث تكشف التحركات على مساحة أوسع.
وتستمر موجات الراديو في انطلاقها حتى تصطدم بشيء ما ثم ترتد عنه نحو الهوائي بسرعة الضوء 3000000 كم/ث والسرعة مهمة جداً.
فإذا كان لدينا طائرة عدو مقاتلة تسير بسرعة 300 كم/ ساعة، فإن شعاع الرادار يحتاج أن تكون سرعته أكبر بكثير حتى يصل الطائرة ويرتد عنها وينبه بشكل سريع . وهذه ليست مشكلة لأن سرعة أمواج الراديو تعادل سرعة الضوء حيث يمكنها السفر سبع مرات كل العالم في ثانية وبذلك يمكنه قياس بعد الطائرة في أقل من جزء من الألف من الثانية.

– الهوائي (الانتينا) لديه وظيفة مزدوجة، فهو كما يرسل موجات الراديو فإنه يعمل على استقبالها, فهو يرسل أمواج راديو لبضع أجزاء من الألف من الثانية ثم يرصد الانعكاسات لأي شيء يقابله حتى عدة ثواني قبل إعادة الارسال مرة أخرى.
الأداة المستقبلة تعمل على تنقية الإشارات المنعكسة عن الأرض أو المباني أو غير ذلك وتعرض فقط الإشارات المهمة على الشاشة ويمكن رؤية أي سفن أو طائرات قريبة وكم تبلغ سرعتها وأين تتوجه.

3- جهاز حاسوب

أي إشارة منعكسة يتم التقاطها من الهوائي يتم إعادة توجيهها إلى جهاز حاسوب يقوم بمعالجتها وعرضها بصورة مفهومة ذات معنى على شاشة مثل شاشة التلفاز ليتم مشاهدتها مباشرة وبشكل مستمر.

مشاهدة شاشة الرادار تشبه تماما لعبة فيديو غير أن الشاشة تعرض صورة حية وحقيقية للسفن والطائرات وأي خطأ بسيط يمكن أن يفقد الكثيرين حياتهم.

4- المضاعف (duplexer)

وهو أداة هامة في الرادار تقوم بفصل عمل الهوائي في حالة الإرسال عنه في حالة الاستقبال، فعندما يقوم الهوائي بالإرسال فإنه لا يمكنه الاستقبال والعكس صحيح.

كيف يعمل الرادار؟

يمكن تلخيص خطوات عمل الرادار كالتالي:

1- الماجنترون يولد موجات راديو ذات تردد عالي.

2- المضاعف يوجه أمواج الراديو من الماجنترون نحو الهوائي

3- الهوائي يرسل شعاع دقيق من أمواج الراديو خلال الهواء.

4- أمواج الراديو تصطدم بطائرة العدو وتنعكس عنها.

5- الهوائي يلتقط الإشارة المنعكسة في الفترة بين الانبعاثات .

6- يقوم المضاعف بتوجيه الهوائي ليعمل كوحدة استقبال.

7- الحاسوب يستلم الموجات المنعكسة ويعالجها ويعرضها على شاشة تلفاز.

8- تظهر طائرة العدو على شاشة الرادار.

استخدامات الرادار

1- الرادار ما زال مشهورا على أنه أداة وتكنولوجيا عسكرية، وهوائي الرادار يمكن وضعه في المطارات أو أي محطات أرضية أخرى ليستخدم كطريقة لكشف طائرات العدو.

2- يستخدم الرادار أيضا في مطارات المدنيين وقوارب وسفن الملاحة، ومعظم المطارات الشهيرة يوجد لديها طبق لمسح الرادار لتتحكم في حركة الطائرات وإرشادها للتحليق والهبوط ومنع التصادمات.

3- يستخدم الرادار أيضا لدى مكاتب الشرطة لكشف تجاوز السرعات، ولكن الشرطة تستخدم تكنولوجيا مختلفة بشكل بسيط وتسمى رادار دوبلر.

تخيل مثلا سيارة الإطفاء، كلما تحركت السيارة نحوك وكانت مسرعة فإنك تسمع الصوت أعلى وذلك لأن سرعة السيارة تجعل الصوت أسرع وعندما تتحرك السيارة بعيداً عنك فإن العكس يحدث وتصبح موجات الصوت أبطأ ، هذا ما يسمى تأثير دوبلر.

وما يحدث لدى الشرطة أنه حينما يطلق الشرطي شعاع الرادار على سيارتك فإن الجسم المعدني للسيارة يعكس هذا الشعاع ولكن ﻷن سيارتك مسرعة فإن تردد موجات الراديو سيختلف للشعاع المرسل عن المنعكس، وهناك أداة الكترونية حساسة في الرادار تستخدم هذه المعلومات لحساب سرعة سيارتك.

4- رادار دوبلر يستخدم أيضا للتنبؤ بحالة الطقس، فيرسم خارطة تشير إلى سرعة العواصف والرياح القادمة ووقت وصولها. ويستخدمه مسؤولو الأرصاد الجوية لقياس سرعة الأمطار ووصولها إلى الأرض ، والعلماء يستخدمون نوع من الرادار المرئي يسمى ليدار (القياس وكشف المدى باستخدام الضوء) لقياس تلوث الهواء باستخدام الليزر.

5-  علماء الأرض والجيولوجيون يوجهون أشعة الرادار إلى الأرض لدراسة باطن الأرض.

مكان واحد لا يمكن استخدام الرادار فيه ألا وهو الغواصات، فالأمواج الكهرومغناطيسية لا تستطيع التعمق في الماء الكثيف والانتقال مباشرة من خلاله، وبدلا من ذلك فإن الغواصات تستخدم نظام مشابه جدا للرادار ويسمى السونار (SONAR) وهو القياس والملاحة باستخدام الصوت.

م. معز جعفر كمال الدين

الازاحة الزرقاء أو الحمراء هي ظاهرة مهمة جدا في علم الكونيات وهي تعني زيادة أو نقصان سرعة تذبذب موجة الضوء (التردد) بسبب حركة المصدر أو المستقبل أو بسبب تغير المسافة بين المصدر والمستقبل الناتج عن تمدد الكون. وتسمى الازاحة حمراء في حالة نقصان التردد وزرقاء في حالة الزيادة وهي تسمية مجازية تستند الي أن تردد موجة الضوء الأحمر أقل من الأزرق لكن هذه التسمية تشمل كل أنواع تغير ترددات الاشعة حتى وإن كانت غير مرئية. وكثيرا ما تشرح هذا الظاهرة بظاهرة أخرى مشابهة تماما تحدث للموجات الصوتية عندما يتحرك مصدر الصوت أو السامع فإن تردد الصوت يتغير فيكون الصوت أكثر حدة إذا كان المصدر يقترب من السامع وهذا يناظر الازاحة الزرقاء للضوء ويكون الصوت بحدة أقل في حالة تباعد المصدر عن السامع وتستعمل هذه الظاهرة في كشف سرعة واتجاهات السيارات والطائرات من خلال أصواتها تماما كما تستعمل ظاهرة الازاحة للضوء مع ظواهر أخرى لتحديد أبعاد وسرعات النجوم والمجرات، وما يهمنا الآن هو الإزاحة الناتجة عن تمدد الكون وهي إزاحة حمراء.

معروف من خصائص الضوء وجميع الاشعة الكهرومغناطيسية أن طاقة الفوتونات التي تتكون منها الاشعة ترتبط بالتردد بعلاقة تناسب طردي بسيطة:

(التردد)ν . (ثابت بلانك) Һ   = (طاقة الفوتون) Ε

ولهذا فإن الاشعة المنبعثة من مصدر الضوء تصل الى المستقبل بطاقة أقل بسبب الإزاحة الحمراء الناتجة من تباعد المصدر عن المستقبل بسبب تمدد الكون وهذا بدا لكثير من الفيزيائيين مناقضا لمبدأ بقاء الطاقة الذي ينص على أن الطاقة في أي نظام لا تزيد ولا تنقص، فقط يمكن أن تنتقل من موضع لآخر أو تتحول من صورة لأخرى وهو من المبادئ المهمة والأساسية جدا في الفيزياء لأنه يرتكز على أهم قاعدة من قواعد الفيزياء وهي قاعدة التماثل كما أوضحت ذلك الرياضية الألمانية الشهيرة ” نيوثر ” ولهذا تقدم الآن كثير من الآراء لاحتواء هذا التعارض بدون التضحية بمبدأ بقاء الطاقة ذي القيمة النظرية الكبيرة أو نظرية تمدد الكون المدعمة بالبراهين التجريبية الواضحة , و تنحصر هذه الآراء في اتجاهين , الأول هو التشكيك في شمول مبدأ بقاء الطاقة للظواهر الكونية واعتباره صحيحا فقط في النطاق المحلي وهذه من المسائل التي لم يصل فيها الفيزيائيون الى رأى موحد أو حتى رأي سائد حتى الآن لأن مثل هذه الظواهر تطبق فيها معادلة النسبية العامة والتي لا ترتبط  بقانون عام متفق عليه لحفظ الطاقة حتى الان والاتجاه الثاني: لا يتحدث عن صحة المبدأ ولكنه ينفى إمكانية تطبيقه كونيا في المقاييس الكبيرة ويمكن أن نمثل لهذا الاتجاه بمقال كتبته الفيزيائية “تامارا”  في مجلة ” الأمريكي العلمي، يوليو 2010″ حيث تقول في ختام مقالها: ( إن الكون لا يخالف مبدأ بقاء الطاقة لكنه فقط يقع خارج صلاحياته).

لكن بالرجوع الى المشكلة نفسها نجد أن جانبا مهما من هذه الظاهرة لم يلتفت اليه مع أنه هو الذي يمكن أن يحل هذا التناقض بسهولة وهو كمية الطاقة الموجودة بين المصدر والمستقبل والتي تتزايد باستمرار بسبب اتساع المسافة بيننا وبين مصادر الاشعة وهي المجرات بسبب تمدد الكون. إن الطاقة التي تفقد بسبب الازاحة الحمراء هي بالضبط ما يستعمل لملء الفراغ المتمدد بين المصدر والمتلقي.

هذه الطاقة السابحة بين المصدر والمتلقي تكون موجودة باستمرار وهي تتزايد مع توسع الكون حتى يتوقف المصدر عن ارسال مزيد من الطاقة وفي هذه الحالة لن يتوقف وصول الاشعة الى المستقبل في نفس اللحظة بل تستمر في السقوط على المستقبل حتى تنفد من الفراغ وحينها فقط يمكن أن نقول إن مجموع الطاقة التي وصلت الى المستقبل يساوي مجموع الطاقة المنبعثة من المصدر في اتجاه المستقبل.

يجب أن أشير هنا أن هذا لن يحل كل مشاكل التطبيق الكوني لمبدأ بقاء الطاقة ولكنه فقط يبين أن ظاهرة الإزاحة الحمراء للأشعة الكونية ليست من هذه المشاكل وأنها منسجمة تماما مع مبدأ بقاء الطاقة.

من الخصائص المعروفة عن تمدد الكون أن معدل تغير المسافة بيننا وبين المجرات يعتمد على بعدها عنا فيزيد هذا المعدل كلما كانت المجرة أبعد ومن النتائج المثيرة لهذا أن معدل التباعد هذا قد يتجاوز سرعة الضوء (هذا لا يعني مخالفة قواعد النسبية الخاصة التي تؤكد أن سرعة الضوء هي السرعة القصوى لأننا لا نتحدث عن حركة الاجسام بالنسبة لبعضها بل عن تمدد الفراغ بينها) وهذا يعني استحالة وصول الأشعة الصادرة من تلك المجرات الينا لأن الطاقة المطوبة حينئذ لملء الزيادة في الفراغ بيننا والمجرة تكون أكثر من الطاقة المنبعثة من المصدر.