التصنيف: مقالات علمية

معظم المواد فى الطبيعة توجد فى ثلاث حالات هى، الحالة الصلبة والحالة السائلة والحالة الغازية ويمكن تحويل المادة من حالة إلى اخرى اما بتغيير درجة الحرارة أو الضغط، وفى كل هذه الحالات تكون ذرات المادة محتفظة بالكتروناتها مرتبطة بها بقوى تجاذب كهربية.  ولكن هناك حالة رابعة للمادة وهى تكون على صورة غاز ولكن هذا الغاز يحتوى على خليط من أعداد متساوية من الايونات موجبة الشحنة والكترونات سالبة.  هذا الخليط يسمى بالغاز المتأين أو البلازما Plasma، وحيث أن البلازما حالة غير مستقرة فإن قوة التجاذب الكهربية تعمل على اعادة اتحاد الشحنات الموجبة والسالبة مع بعضها البعض، وتكون نتيجة اعادة الاتحاد هو انطلاق ضوء ذو تردد معين يعتمد على مستويات الطاقة للذرات المكونة لمادة البلازما.

 

أين توجد البلازما؟

غالبا معظم المواد الموجودة فى هذا الكون الفسيح توجد على شكل بلازما.  هذه البلازما تكون عند درجات حرارة عالية وكثافة عالية ايضا، وتتغير هذه الظروف من مكان إلى آخر، فعلى سبيل المثال تبلغ درجة حرارة مركز الشمس عشرة ملايين درجة مئوية بينما على سطحها فإن درجة الحرارة تصل إلى ستة الاف درجة مئوية، ومن هنا فإن البلازما داخل الشمس تختلف تماما عن خارجها.  ولكن على الكرة الأرضية حيث توجد المادة غالبا فى الحالة الصلبة، وطبقات الغلاف الجوى عبارة عن غاز غير متأين، أى أنه لا يوجد حالة بلازما طبيعية على سطح الأرض.  ولكن هل يمكن عمل بلازما فى المختبر؟  إذا كنت تقرأ هذا المقال تحت ضوء مصباح فلورسنت (النيون) فإن مصدر هذا الضوء هو عبارة عن بلازما مصنعة، فعند مرور التيار الكهربى داخل غاز (غاز الزئبق) تحت ضغط منخفض فإنه يعمل على تأين الغاز مخلفا خليطا من الأيونات الموجبة والالكترونات، ما تلبث ان تتحد مع بعضها البعض وتكون النتيجة انبعاث الضوء الساطع، وتستمر هاتان العمليتان (التأين والاتحاد) طالما استمر التيار الكهربى فى السريان.  هذا مثال على مصدر بلازما ذات درجة حرارة منخفضة موجود فى بيتك.

لكن قديما وحتى يومنا هذا اهتم علماء الفيزياء الفلكية بكشف اسرار الكون وفهم ماذا يحدث على سطح الشمس والنجوم الاخرى.  لذلك حاول العلماء تصنيع نفس البلازما الموجودة فى النجوم داخل المختبر، ولصنع هذه البلازما طور العلماء اجهزة مختلفة قادرة على توليد طاقة هائلة لانتاج بلازما بنفس ظروف البلازما الموجودة فى الطبيعة، كان احد هذه الاجهزة هو جهاز التحديد المغناطيسى Magnitec-confinment devices.  وتمت معرفة معلومات كثيرة عن تركيب وفهم السطح الخارجى للغلاف الشمسى.  ولكن ماذا عن البلازما الموجودة داخل الشمس ذات درجات الحرارة العالية جدا.  كيف يمكن تصنيعها فى المختبر؟

فى الحقيقة وحتى عهد قريب وبتطور اجهرة الليزر اصبح بالامكان الحصول على بلازما مشابهة لتلك الموجودة على اى نجم سواء داخله أو خارجه.

الحصول على بلازما بواسطة اشعة الليزر؟

نعلم أن الضوء هو عبارة عن تذبذب مجالين متعامدين احدهما كهربى والاخر مغناطيسى.  والليزر ما هو الا عبارة عن ضوء له خصائص مميزة تجعل شدة اشعاعه (الطاقة لكل وحدة مساحات لكل وحدة زمن) تزداد بزيادة المجال الكهربى والمغناطيسى لموجاته.

ولكن هل يمكن أن يكون الضوء الناتج من اشعة الليزر أقوى من الأجسام الصلبة؟  إن شدة المجال الكهربى لشعاع الليزر تبلغ 5x1011v/m عندما تكون شدة اشعاعه 3x1020W/m²، وفى أيامنا هذه تصل شدة اشعاع بعض انواع الليزر إلى مايقارب 1022W/m².  وبالمقارنة بشدة اشعاع مصباح كهربى عادى (60Watt) على بعد متر او مترين فهى لا تزيد عن 0.1W/m².  حيث أن المجال الكهربى لهذه الاشعة يفوق بكثير المجال الكهربى الذى يربط ذرات المواد الصلبة بعضها ببعض وبذلك فإن المجال الكهربى لشعاع الليزر سوف يؤثر على الكترونات المواد الصلبة ويفصلها عن الذرات تاركا أيونات موجبةـ وبهذا يحول الليزر جزء من المادة الصلبة إلى حالة بلازما.  يتضح مما سبق أنه يمكن استخدام اشعة الليزر المركزة لانتاج بلازما عند درجات حرارة عالية جدا داخل المختبر وبتكلفة قليلة.  يوضح شكل (1)  كيفية تصنيع بلازما فى المختبر باستخدام الليزر.

ولهذا النظام العديد من التطبيقات الهامة فى مجال الفيزياء الفلكية حيث يتم اختيار نوع مادة الهدف وتصميمه بشكل هندسى معين حتى تكون البلازما الناتجة فى المختبر مشابهة لظروف البلازما الحقيقية للنجم المراد دراسته.  بالاضافة إلى إلى ذلك فإن البلازما تستخدم فى العديد من الصناعات.

 

التطبيقات الصناعية للبلازما

صناعة الدوائر الالكترونية المتكاملة

تستخدم البلازما ذات درجات الحرارة المنخفضة فى العديد من المجالات الهامة على سبيل المثال، معظم الدوائر المتكاملة المعقدة جدا والتى تدخل فى تركيب كل جهاز الكترونى، هذه الدوائر الالكترونية تحتوى على عشرات الالاف من الترانزستورات والمكثفات موصلة ببعضها البعض بواسطة اسلاك قطرها فى حدود 0.1 ميكرومتر، هذا النوع من التكنولوجيا الدقيقة والمعقدة تصنع باستخدام البلارما، حيث تقوم البلازما بنحت الدوائر الالكترونية على شريحة السيليكون بناءا على القناع المعدنى الموضوع امام الشريحة.

فى هذه العملية يكون النحت على شريحة السليكون كالاتى:-

حيث أن الالكترونات داخل البلازما حرة الحركة وطاقتها اعلى من الايونات الموجبة فإنها تصل إلى اطراف البلازما بسرعة وتقوم بدورها بجذب الايونات الموجبة اتجاهها وتعجلها باتجاه الشريحة وعند اصطدام الايونات الموجبة بالمناطق المكشوفة على الشريحة تقوم بنحتها، وبعدها يستبدل القناع المعدنى باخر مطبوع عليه الدوائر الكهربية الخاصة بالطبقة الثانية وهكذا بالنسبة للطبقة الثالثة والرابعة …… والخ حتى تتم عملية النحت.

هنالك طريقة اخرى متبعة وهى تعتمد على استخدام مركب Carbon tetrafluoride CF4 كمصدر لانتاج البلازما، وعندها يتحول هذا المركب إلى اجزاء اخرى منها ذرات الفلورين.  هذه الذرات تتفاعل مع ذرات السيليكون المكونة للشريحة وتكون مركب جديد هو Silicon tetrafluoride والذى يمكن ازالته اثناء عملية الضخ.  يتضح مما سبق أن هذه الطريقة هى عملية كيميائية تقوم فيها ذرات الفلورين بالتهام السليكون المراد ازالته.  وهذه العملية اسرع من عملية النحت المذكورة سابقا.

وتجدر الاشارة إلى أن البحث والتطوير جارى منذ عام 1980 وحتى الأن للحصول على بلازما منتظمة لتغطى اكبر مساحة ممكنة حيث كانت شريحة السيليكون المستخدمة قديما تبلغ 2سم2 اما الأن فهى تصل إلى 20سم2، وهذه البلازما لها استخدامات عديدة فهى تستخدم فى شاشات اجهزة الكمبيوتر المتنقلة Notebook computer  كمصدر ضوئى، والتى ادت إلى تطور كبير فى مجال تكنولوجيا شاشات العرض.  ويسعى العلماء حاليا للحصول على شاشة مساحتها 1متر مربع وسمكها لايزيد عن 4-5 سم لاستخدامها كشاشة تلفزيون يمكن تعليقها فى المنازل والمحلات دون ان تشغل حيز من الغرفة، وهذا سوف يتحقق بالوصول إلى بلازما متجانسة على مساحة 1متر مربع.

حافظة على نظافة البيئة

تستخدم البلازما حاليا فى العديد من الدول المتقدمة فى التخلص من المواد السامة الملوثة للبيئة معتمدين على العمليات الكيميائية الفريدة التى تتم داخل البلازما.  حيث يمكن ان تقوم البلازما بتحويل المواد السامة المنبعثة من مداخن المصانع ومن عوادم السيارات مثل غاز اكسيد الكبريت (SO) واكسيد النيتريك (NO) إلى مواد غير سامة.  فعلى سبيل المثال غاز NO قبل ان يخرج من المدخنة إلى الغلاف الجوى، توجه عليه حزمة من الالكترونات ذات طاقة عالية من جهاز مثبت فى منتصف المدخنة  تعمل على تأيين الغازات الموجودة (المادة السامة NO والهواء) أى تحولها إلى حالة بلازما.  وقبل خروجها إلى الجو تكون مرحلة التأيين قد انتهت وتتكون جزيئات النيتروجين والاكسجين نتيجة لعملية اعادة الاتحاد.  وبهذا نكون قد حولنا الغازات الملوثة إلى غازات نافعة وبتكاليف قليلة.

يجدر الاشارة هنا أنه تم حديثا التوجه إلى معالجة الغازات المنطلقة من عوادم السيارات، حيث تم تركيب جهاز بلازما فى عادم السيارة ليعالج الغازات السامة قبل خروجها إلى الجو.

كذلك اجريت تجارب عديدة على الفضلات الصلبة والسائلة حيث تستخدم بلازما عند درجات حرارة عالية تصل إلى 6000 درجة مئوية تعمل على تبخير وتحطيم المواد السامة وتحولها إلى غازات غير سامة، وفى نهاية العملية يكون ماتبقى من مواد صلبة فى صورة زجاج.  وتم فى امريكا العام الماضى التخلص من حوالى 4000 مستودع يحتوى على فضلات صلبة وملوثة للبيئة بواسطة البلازما.  وقد كانت هذه الفضلات تدفن فى باطن الارض مما كانت تسبب اخطار تلوث.  وباستخدام البلازما يمكن حاليا التخلص من 200 كيلو جرام من المواد السامة فى الساعة.

كيف تصنع بلازما فى المختبر

لكى نصنع بلازما تحت ضغط منخفض لغاز ما، فإن كل ما يلزم هو مفرغة هواء بارتفاع متر وعرض نصف متر تقريبا، وكذلك مصدر تغذية للتيار المتردد، (فى الصناعة يكون مصدر التيار فى مجال ترددات الراديو 13.56MHz وحديثا يمكن استخدام اجهزة الميكرويف ذات ترددات اعلى 2.45GHz).  فى الواقع يمكن عمل بلازما باى شكل ولكن الاكثر استخداما فى الصناعة هو الموضح فى شكل (2)، ويحتوى على قرصين معدنيين نصف قطرهما حوالى 15 سم والمسافة الفاصلة بينهما من 4-5سم.  بعد ضخ الهواء بواسطة المفرغة يدخل الغاز المراد تحويلة إلى حالة بلازما وقد يكون خليط من الغازات، وبمجرد مرور التيار الكهربى (~200Watt) يبدأ الغاز فى التوهج مصدرا ضوءا ساطعا لونه يعتمد على نوع الغاز.

 

 المراجع

1- Astrophysicl plasma laboratories by Steven Rose Physics world 1994.

2- Quest for the perfect plasma by N. Braithwaite and W.G. Graham New scientist 1993.

3- Lasers generated plasma power by M. Key Physics. world 1991.

4- Atoms in plasma by R. More Physics world 1992.

إن استخدام برامج الكمبيوتر الخاصة بتصميم العدسات والمتوفرة بأنواع مختلفة يمكن أن تكون وسيلة ناجحة لتعليم اساسيات علم الضوء الهندسى لطلاب الجامعات والمدارس.  حيث أن معظم الظواهر الضوئية مثل كالانعكاس والانكسار وغيره من تلك الظواهر تعرض بيانيا على شاشة الكمبيوتر.  وهذه البرامج تعطى للطالب الفرصة ليعمق فهمه.

 إن التجارب العملية تحتاج إلى وقت طويل لاخذ النتائج واجراء الحسابات وقد لايتسنى لكل طالب الفرصة لعمل التجربة بنفسه.  منذ حوالى خمسة سنوات بدأ مصمموا برامج الكمبيوتر بعمل العديد من البرامج الخاصة بتصمييم الأنظمة البصرية، وهذه البرامج تخدم العديد من الفئات مثل الطلبة فى المدارس والجامعات وكذلك الباحثين والفلكيين ومصمموا العدسات والكميرات والتلسكوبات وغيرهم.  ولهذه البرامج العديد من المزايا وهى سهولة الاستخدام وخاصة لغير المتخصصين بعلم البرمجة وكل ما على المستخدم عمله هو ادخال الأرقام الخاصة بتصميمه فى جداول جاهزة ومن ثم تطبيق احد الختيارات الالمبينة على الشاشة مثل الرسم الهندسى للتصميم وتوضيح مسار كل شعاع من الأشعة واجراء الحسابات العديدة، كذلك يمكن للمستخدم عمل بعض التغيرات على تصميمه وملاحظة النتيجة فورا مثل تغيير تحدب العدسة واثره على الصورة المتكونة على الحائل.

فى الحقيقة يمكن حساب مسار الأشعة لنظام ضوئى مكون من عدسة أو عدستين بتطبيق قوانين اللأنعكاس و الأنكسار ولكن الأمر يصبح معقد جدا أذا كان النظام يحتوى على اكثر من عدسة بالإضافة إلى مريا ومنشور وحاجز كما هو ملاحظ فى الكاميرا واجهزة العرض الثابتة والتلسكوبات التى تقرب آلاف الكيلو مترات لتمكنك من رؤية سطح القمر.  إن هذه الأجهزة تم تصميمها بإستخدام برامج كمبيوترية معقدة تحسب بدقة تأثير هذه المجموعة من العدسات و المرايا على كل شعاع ضوئى، ليتسنى للمصمم اختيار المجموعة التى تعطى افضل النتائج.  بعض هذه البرامج يفوق سعرها سعر جهاز الكمبيوتر نفسه.

فى هذه المقالة سوف نشرح باختصار فكرة عمل احد برنامج الكمبيوتر المخصص لغرض فهم وتصميم البصريات الهندسية.  وهو فى مستوى مناسب لطلاب المدارس والجامعات أيضا.  هذا البرنامج من صنع شركة STELLAR SOFTWARE, USA ويسمى Beam2.

كيفية تشغيل البرنامج

عند تشغيل البرنامج يظهر على شاشة الكمبيوتر جدول جاهز لادخال المعلومات الخاصة بالنظام البصرى، فالعمود الأول مخصص لقيمة معامل الانكسار والثانى للمسافة والثالث لقيمة تحدب السطح والرابع لنوع هذا السطح.

بعد تعبئة هذا الجدول ينتقل بك البرنامج إلى جدول أخر جديد خاص بالاشعة التى تريد تطبيقها على النظام البصرى السابق.  فى هذا الجدول يمكن تسليط الاشعة اما على المحور الرأسى أو المحور الافقى للنظام البصرى، وكذلك يمكن تحديد مجموعة اشعة تسقط على السطح الأول بزاوية سقوط معينة و مجموعة اخرى تسقط بزاوية اخرى.

وبعد الانتهاء من ادخال البيانات اللازمة للجدوليين يمكنك اجراء العديد من الخيارات المتاحة فى البرنامج مثل التخطيط الهندسى للتصميم ومسار الاشعة ومدى دقة تجميعها و غيره.

من هو البرت اينشتين ولماذا ذاع صيته في ارجاء الارض؟ أذا لم تعرف الاجابة تابع ما ينشر على هذا الموقع بعنوان البرت اينشتين والنظرية النسبية…..

البرت اينشتين عالم فيزيائي قضى حياته في محاولة لفهم قوانين الكون.  كان اينشتين يسأل الكثير من الأسئلة المتعلقة بالكون ويقوم بعمل التجارب داخل عقله.  فقد عاش اينشتين عبقريا باجماع كافة علماء عصره وبلغ اسمى درجات المجد العلمية بخلاف العديد من العلماء الذين ماتوا دون ان يحظوا بمتعة النجاح والتألق فمثلاً العالم ماندل الذي وضع قوانين الوراثة لم يعرف احد أنه هو الذي وضع هذه القوانين إلا بعد وفاته بخمسين عام، كذلك العالم والطبيب العربي ابن النفيس الذي اكتشف الدورة الدموية في جسم الانسان لايزال مجهولا حتى الآن وغيره من الأمثلة.. كانت عبقرية اينشتين من نوع مختلف فلم يكن احد يفهم شيء عن نظريته النسبية أو تطبيقاتها ولكن الجميع اقر بمنطقها. فقد جاءت النظرية النسبية الخاصة لتحير العلماء وتغير مفاهيم الفيزياء المعروفة.  ويروي أن آينشتين كان يقف في أحد شوارع هوليود مع شارلي تشابلن فتجمع حولهما المارة، فقال آينشتين لتشابلن ((لقد تجمع الناس لينظروا إلى عبقري يفهمونه تمام الفهم وهو أنت، وعبقري لا يفهمون من أمره شيئاً وهو أنا)).. العديد من العلماء بلغوا مراتب علمية عالية نتيجة لمجهودهم الفكري أو الفني فمثلاً اديسون وبيكاسو وأبن سينا والمتنبي اجمع الناس على تفوقهم وعبقريتهم لأنهم لمسوا ورأوا قيمة ما يقدمون من اكتشافات واختراعات. وهذا لم يحدث مع آينشتين حيث كانت عبقريته من نوع مختلف فما هو الذي قدمه آينشتين؟ وعن ماذا كانت عبقريته؟ وما قيمة ما قدمه؟ وعن أي شيء تتحدث. كل ما هو معروف أنه وضع النظرية النسبية. فإذا ماحاول المرء قراءة النظرية النسبية إلا وجد نفسه غارقاً في بحر من الألغاز لدرجة انه شاع القول بأن هناك عشرة في العالم يفهمون النظرية النسبية وهنا يجب أن اؤوكد أن هذا غير صحيح وسوف نقوم من خلال هذه المقالة تقديم شرح مبسط للنظرية النسبية الخاصة ونتائجها لتكون في مستوى القارئ العادي..

حياة آينشتين

ولد آلبرت أينشتين في 14 مارس 1879 في ألمانيا في مدينة صغيرة تسمى أولم وبعد عام انتقلت اسرته إلى ميونخ. كان والده هرمان صاحب مصنع كهروكيميائي.  وكانت والدته بولين كوخ من عشاق الموسيقى وكان له اخت تصغره بعام. تأخر آينشتين عن النطق وكان يحب الصمت والتفكير والتأمل ولم يهوى اللعب كأقرانه.  لم يكن يعجبه نظام المدرسة وطريقة التعليم فيها التي تحصر الطالب في نطاق ضيق ولا تدع له مجالاً للأبداع واظهار امكانياته.

اهدى له والده بوصلة صغيرة في عيد ميلاده العاشر وكان لها الاثر البالغ في نفسه وبابرتها المغناطيسية التي تشير دائما إلى الشمال والجنوب واستخلص هذا الطفل بعد تأمل عميق أن الفضاء ليس خالياً ولا بد وأن فيه ما يحرك الاجسام ويجعلها تدور في نسق معين. تعلق آينشتين في شبابه بعلم الطبيعة والرياضيات وبرع فيهما في البيت وليس في المدرسة ووجد متعة في علم الهندسة وحل مسائلها. تعلم الموسيقى وهو في السادسة من عمره وكان يعزف على الة الكمان. كانت اكبر مشكلة له اضطراره لدراسة اللغات والعلوم الانسانية التي لا تطلق للفكر العنان وانما حفظها للحصول على الشهادة وكان كثيرا ما يحرج اساتذة الرياضيات لتفوقه عليهم وطرده احد الاساتذة من المدرسة قائلاً له ((أن وجودك في المدرسة يهدم احترام التلاميذ لي)) سافر بعدها ليلتحق بوالديه في ميلانو بعد ان تركوه لمشاكل مادية في ميونخ والتحق هناك في معهد بولوتيكنيك ولكنه رسب في جميع امتحانات الالتحاق فيما عدا الرياضيات فارشده مدير المعهد ليدرس دبلوم في احدى مدن سويسرا ليتمكن بعد عام من الالتحاق في البوليتكنيك.

في عام 1901 بلغ اينشتين من العمر 21 عاماً وبعد عناء طويل للحصول على عمل يعيش منه حصل على وظيفة في مكتب تسجيل براءات الاختراع في برن.  قرأ الكثير عن اعمال العلماء والفلاسفة ولم تعجبه كتاباتهم حيث وصفها بالسطحية والبعد عن العمق الفكري الذي يبحث عنه.

في العام 1905 وضع آينشتين خلال عمله في مكتب تسجيل الأختراعات العديد من النظريات التي جعلت من العام 1905 عاماً ثورياً في تاريخ العالم.  واسترعت نتائج نظرياته اهتمام علماء الفيزياء في كافة جامعات سويسرا مما طالبوا بتغير وظيفته من كاتب إلى استاذ في الجامعة وفي عام 1909 عين رئيسا للفيزياء النظرية في جامعة زوريخ ثم انتقل إلى جامعة براغ الألمانية في 1910 ليشغل نفس المنصب ولكنه اضطر لمغادرتها في العام 1912 بسبب رفض زوجته مغادرة زوريخ…..

من أعمال أينشتين نذكر…..

في عام 1905 نشر اينشتين اربعة ابحاث علمية الأولى في تفسير الظاهرة الكهروضوئية والبحث الثاني للحركة الابروانية للجزيئلت والثالثة لطبيعة المكان والزمان والرابعة لديناميكا حركة الأجسام الفردية.  كان البحثين الأخيرين الاساس للنظرية النسبية الخاصة والتي نتج عنها معادلة الطاقة E=mc2 وبتحويل كتلة متناهية في الصغر امكن الحصول على طاقة هائلة (الطاقة النووية)..

في العام 1921 حصل أينشتين على جائزة نوبل لأكشتافه قانون الظاهرة الكهروضوئية التي حيرت هذه الظاهرة علماء عصره.

وضع اينشتين الاسس العلمية للعديد من المجالات الحديثة في الفيزياء هي:

• النظرية النسيبة الخاصة
• النظرية النسبية العامة
• ميكانيكا الكم
• نظرية المجال الموحد

وحتى يومنا هذا يقف العلماء عاجزين عن تخيل كيف توصل اينشتين لهذا النظريات ولا سيما وأن التجارب التي تجرى حتى الأن تؤكد صحة نظريات اينشتين وينشر ما يقارب 1000 بحث سنوياً حول النظرية النسبية..

قبل الحديث عن النظرية النسبية الخاصة وتطبيقاتها سوف نلقي بعض الضوء على حياة اينشتين…

تابع حياة اينشتين…

قال عنه زميله في برلين العالم الفيزيائي لندتبورغ ((كان يوجد في برلين نوعان من الفيزيائيين: النوع الأول آينشتين، والنوع الآخر سائر الفيزيائيين)).

مع اندلاع الحرب العالمية ظل آينشتين يتابع اعماله العلمية في برلين وركز نشاطه على التوسع في نظرية الجاذبية التي نشرها في العام 1916 وهو في الثامنة والثلاثين من عمره.  حاول الكثير من الاحزاب السياسية زجه في نشاطاتهم ولكنه كان دائما يقول انني لم اخلق للسياسة وفضل الانعزال والوحدة قائلاً ((ان الفرد المنعزل هو وحده الذي يستطيع أن يفكر وبالتالي أن يخلق قيما جديدة تتكامل بها الجماعة)) هذا ادى إلى دفع معارضيه للنيل منه. احيكت له المؤامرات والدسائس مما زاع صيته في مختلف انحاء العالم ووجهت له الدعوات من العديد من الجامعات للتعرف عليه وسافر إلى ليدن بهولندا وعين استاذاً في جامعتها. وأسف الكثيرون في ألمانيا رحيله لأن شهرته العظيمة في الخارج من شأنها ان تعيد إلى المانيا هيبتها التي فقدتها في الحرب. وتلقى كتب ودعوات من وزير التربية ليعود إلى بلده فعاد وحصل على الجنسية الألمانية لانه في ذلك الوقت كان لايزال محتفظاً بجنسيته السويسرية.

كثرت الدعوات التي تلقاها اينشتين بسبب شهرة نظريته النسبية وكان يقابل في كل مرة يلقي فيها محاضرة باحتفال هائل يحضره عامة الناس ليتعرفوا على هذا الرجل بالرغم من عدم المامهم بفحوى النظرية النسبية ولكن اهتمام الناس به لم يسبق لعالم ان حظي به من قبل فكان يستقبل استقبال المعجبين لفنان مشهور. لقد كان تقرير صادر عن البعثة الفلكية الانجليزية عام 1919 الذي تؤيد فيه صحة نبوءة آينشتين عن انحراف الضوء عند مروره بالجو الجاذبي من اهم دواعي شهرته العالمية.  ولكن لكونه الماني الجنسية كان صيته في انجلترا قليل وبدعوة من اللورد هالدين توجه آينشتين إلى انجلترا وقدمه هالدين قائلا ((إن ما صنعه نيوتن بالنسبة إلى القرن الثامن عشر يصنعه آينشتين بالنسبة إلى القرن العشرين)).

يروى أنه تم الاعلان عن جائزة قدرها خمسة آلاف دولار لكاتب احسن ملخص للنظرية النسبية في حدود ثلاثة آلاف كلمة فتقدم ثلاثمائة شخص وحصل على الجائزة رجل من محبي الفيزياء ايرلاندي الجنسية عمره 61 عاماً في 1921.

ظل آينشتين يسافر بين بلدان العالم من فرنسا إلى اسبانيا إلى فلسطين وإلى الصين واليابان وحصل على جائزة نوبل في 1923 وسلمه اياها ملك السويد وبعدها استقر في برلين وكان الزوار من مختلف انحاء العالم يأتون له ويستمتعون بحديثه ولقاءه حتى عام 1929 والتي فيها بلغ من العمر الخمسين عاماً قرر الاختفاء عن الانظار ولم يكن احد يعلم اين يقيم.

كان آينشتين محبا للسلم ويكره الحرب وفي نداء تلفزيوني إلى تورمان رئيس الولايات المتحدة الاسبق قال ((لقد كان من المفروض أول الامر أن يكون سباق التسلح من قبيل التدابير الدفاعية. ولكنه اصبح اليوم ذا طابع جنوني. لأنه لو سارت الامور على هذا المنوال فسيأتي يوم يزول فيه كل أثر للحياة على وجه البسيطة)).

في 18 ابريل من العام 1955 وفي مدينة برنستون مات ذلك العبقري وأخذ الناس يتحدثون عن آينشتين من جديد وتنافست الجامعات للاستئثار بدماغ ذلك الرجل عساها تقف من فحصه على اسرار عبقريته..  كان آينشتين يعيش بخياله في عالم اخر له فيه الشطحات والسبحات وكانت الموسيقى سبيله الوحيد للتنفيس عن ثورته العارمة وكان الكون بالنسبة له مسرحا ينتزع منه الحكمة فغاص في ابعاده السحيقة وبهذا نكون قد لخصنا قصة حياة اسطورة القرن العشرين لندخل في تفاصيل النظرية النسبية الخاصة ونتائجها…..

الابعاد الأربعة المكانية والزمانية

نحتاج قبل الدخول إلى مفاهيم النظرية النسبية تعريف مفهوم الابعاد المكانية والزمنية حيث أن كثيرا ما تعرف النظرية النسبية على انها نظرية البعد الرابع.  فما هي هذا الأبعاد الاربعة وكيف نستخدمها ولماذا اينشتين العالم الأول الذي اكد على ضرورة استخدام البعد الرابع (الزمن) بالاضافة إلى الابعاد الثلاثة التي اعتمد عليها جميع العلماء من قبله…

تطور مفهوم الابعاد مع تطور الانسان واقصد هنا تطوره في الحياة ففي الزمن الأول كان الانسان يتعامل مع بعد واحد في حياته هذا جاء من احتياجه للبحث عن طعامه فكان يستخدم رمحه لاصطياد فريسته وبالتالي كان يقذف رمحه في اتجاه الفريسة حيث ينطلق الرمح في خط مستقيم وحركة الرمح هنا تكون في بعد واحد وسنرمز له بالرمز x.  ومن ثم احتاج الانسان ليزرع الارض وبالتالي احتاج إلى التعامل مع مساحة من الأرض تحدد بالطول والعرض وهذا يعد استخدام بعدين هما x و y لأنه بدونهما لايستطيع تقدير مساحة الأرض المزروعة. وعندما احتاج الانسان للبناء أخذ يفكر ويحسب في البعد الثالث وهو الارتفاع.  وهذه هي الابعاد الثلاثة x,y,z  والتي كانت الاساس في حسابات الانسان الهندسية، وحتى مطلع القرن العشرين اعتبرها الانسان كافية لحل كل المسائل التي تقابله على سطح الكرة الأرضية. وحتى يومنا هذا نعتمد على الابعاد الثلاثة في تنقلاتنا وسفرنا وحساباتنا.

آينشتين هو العالم الوحيد الذي فكر في البعد الرابع (الزمن) وقال ان الكون الذي نعيشه ذو أربعة ابعاد وهي الطول والعرض والارتفاع والزمن. وادخل البعد الرابع في جميع حساباته. يستطيع الانسان تخيل البعد الواحد والبعدين ويمكن رسمهما ولكن البعد الثالث يحتاج منه إلى قدرات تخيلية إضافية ولكن من الصعب التفكير والتخيل بالابعاد الاربعة معا وخصوصا أن البعد الرابع وهو الزمن لايمكن رؤيته ولكننا نعيشه وندركه كمسلمة من مسلمات الوجود.  فإذا اعتبرنا أن هندسة الكون تعتمد على اربعة ابعاد فإن حساباتها ستكون غاية في التعقيد ونتائجها غير متوقعة وهذا مافعله آينشتين في نظريته النسبية.

تمهيد

ان المقاييس من مساحات وحجوم وكتل وتحديد المكان والزمان والسرعة هي مقاييس معروفة في نظر الفيزياء الكلاسيكية (فيزياء جاليلو ونيوتن) فكلنا نقيس المسافات والزمن بنفس الطريقة والكيفية ولا يختلف في ذلك اثنان اذا كانت مقايسهما معايرة بدقة وهذا يعني أننا سلمنا بأن هذه المقاييس مطلقة ولكن هذا يخالف النظرية النسبية التي تقوم على أنه لا وجود لشيء مطلق في كل هذه الاشياء أنما هي نسبية، فالدقيقة (60 ثانية) التي نقيسها بساعاتنا يمكن ان يقيسها آخر على انها أقل من دقيقة أو أكثر وكذلك المتر العياري طوله متر بالنسبة للشخص الذي يحمله ولكن بانسبة لآخر يتحرك بسرعة كبيرة بالنسبة لذلك الشخص يجد المتر 80 سنتمتر وكلما زادت سرعته كلما قل طول المتر ليصبح طول المتر صفر اذا تحرك الشخص بسرعة الضوء (سنجد انه من الاستحالة الوصول لسرعة الضوء) وهذا لا يعود لخطأ في القياسات بين الشخصين أو خلل في آلات الرصد التي يستخدمونها فكل منهما يكون صحيحا ولكن بالنسبة له ولهذا سميت بالنظرية النسبية والكثير من الأمور المسلم بها في حياتنا والتي نعتبرها مطلقة تصبح نسبية في عالم النسبية.

بمفهوم اينشتين والتعامل مع الزمن على أنه بعد من الأبعاد يصبح كل شيء نسبياً فمثلاً نعرف أن الكتلة هي كمية المادة الموجودة في حجم معين مثل كتلة الماء في حجم سنتيمتر مكعب هي واحد جرام وكتلة الماء هذه ثابتة ولكن وزنها هو الذي يتغير تغيرا طفيفا نتيجة لتأثير الجاذبية عليها فيقل الوزن قليلا في المرتفعات ويزيد في المنخفضات نتيجة لتغير تأثير الجاذبية حسب بعدنا او قربنا من مركز الارض وهذا التغير يكون في حدود جرام واحد فقط، ولكن آينشتين يبين أن الكتلة تتخلى عن تأثير الجاذبية وتتغير في حدود أكبر بكثير قد تصل إلى الالاف ولا علاقة لتغير الكتلة بالجاذبية.  إن ثبوت المقاييس والابعاد عند آينشتين في الكون لا وجود له حسب نظريته النسبية.

لتفصيل الموضوع اكثر سوف نقوم بشرح اوسع لمفهوم المكان في النسبية ومن ثم شرح مفهوم الزمن في النسبية.

المكان في النسبية

اذا سألت نفسك عزيزي القارئ في هذه اللحظة هل أنت ثابت أم متحرك، فستنظر حولك بكل تأكيد وتقول أنا لست متحرك فأنا ثابت امام جهاز الكمبيوتر وعلى الارض وهذا صحيح فأنت ثابت بالنسبة للكمبيوتر والارض (أي الكرة الارضية) ولكن هذا ليس صحيح بالنسبة للكون فأنت والكمبيوتر والارض التي تقف عليها تتحركوا وهذه الحركة عبارة عن مجموعة من الحركات منها حركة الارض حول نفسها وحركة الارض حول الشمس وهناك حركة للشمس والارض داخل مجرة درب التبانة ومجرة درب التبانة تتحرك بالنسبة إلى الكون.. إذا عندما اعتقدت انك ثابت فهذا بالنسبة للاشياء حولك ولكن بالنسبة للكون فكل شيء متحرك.  وخذ على سبيل المثال هذه الارقام ……

سرعة دوران الأرض حول نفسها ربع ميل في الثانية وسرعة دوران الارض حول الشمس 18 ميل في الثانية والشمس والكواكب تسير بالنسبة لجيرانها النجوم بسرعة 120 ميل في الثانية ومجرة درب التبانة منطلقة في الفضاء بسرعة تصل إلى 40000 ميل في الثانية. تخيل الان كم هي سرعتك وعدد الحركات التي تتحركها بالنسبة للكون. وقدر المسافة التي قطعتها منذ بدء قراءة هذه الحلقة حتى الان.

لا احد يستطيع ان يحدد هل مجرة درب التبانة هي التي تبتعد عن المجرات الاخرى بسرعة 40000 ميل في الثانية أم ان المجرات هي التي تبتعد عنا بهذه السرعة. فعلى سبيل المثال اذا ارد شخص ان يصف لنا سفره من مطار غزة إلى مطار دبي الدولي فإنه يقول غادرت الطائرة مطار غزة في الساعة الثالثة ظهرا واتجهت شرقا لتهبط في مطار دبي الدولي الساعة السادسة مساءً..  ولكن لشخص اخر في مكان ما في الكون يرى ان الطائرة ارتفعت عن سطح الارض في غزة واخذت تتباطأ حتى وصلت مطار دبي لتهبط فيه.  أو ان الطائرة ومطار دبي تحركا في اتجاهات مختلفة ليلتقيا في نقطة الهبوط.. وهنا يكون من المستحيل في الكون الواسع تحديد من الذي تحرك الطائرة ام المطار.

كذلك يجب أن نؤكد ان الاتجاهات الاربعة شمال وجنوب وشرق وغرب والكلمات فوق وتحت ويمين وشمال هي اصطلاحات لا وجود لها في الكون فلا يوجد تحت أو فوق ولاشمال أو جنوب.

ان التعامل بهذه المفاهيم الجديدة والنظرة الشاملة للكون بلاشك امر محير ولاسيما اذا ادخلنا البعد الرابع في حساباتنا فكل شيء يصبح نسبي.

مما سبق تبين أن نسبية المكان تخالف كل ما هو مألوف لنا وقد يتسائل القارئ ما أهمية ذلك بالنسبة لنا ونحن نعيش على سطح الأرض وامورنا كلها مضبوطة على نسق واحد؟  ولماذا هذا الخلط بين ما يحدث على الأرض والكون؟ وما فائدة النسبية لنا كل هذه الاسئلة سيأتي الاجابة عليها من خلال هذه الحلقات المتتابعة عن النظرية النسبية ولكن قبل ذلك يجب الخوض في نسبية الزمان وهذا سيوضح لنا أن مفهوم الماضي والحاضر والمستقبل هي من الأمور النسيبة أيضا…..

الزمان في النسبية

لم يكتف آينشتين بأن أثبت أن المكان نسبي ولكن عمم نسبية المكان على الزمان (البعد الرابع) حيث أنه قال طالما أننا نعيش في عالم ذو أربعة ابعاد ووجد أن الأبعاد المكانية الثلاثة التي تحدد بـ x,y,z هي نسبية لا بد وان يكون الزمان (البعد الرابع) نسبياً أيضا هذا هو أينشتين الذي يفكر ويضع النظريات ويحلل النتائج في عقله ويخرج للناس بمفاهيم جديدة لم يستطيع احد ان ينفيها ولا ان يبطلها ولا ان يصدقها ولكن كانت نسبية المكان والزمان منذ ذلك الوقت وحتي يومنا هذا تبرهن على صحتها من خلال تفسيرها للعديد من الظواهر الفيزيائية التي حيرت العلماء ولم يكن امامهم الا تطبيق نظرية اينشتين ليجدوها تفسر تلك الظواهر وسيأتي شرح تفصيلي لهذه الظواهر..

اعتبر العلماء ومن بينهم العالم نيوتن أن الزمن مطلق ويجري بالتساوي دون أية علاقة بأي مؤثر خارجي. ولكن اينشتين لم يتقيد بما سبقه من العلماء وفكر بالأمر من وجهة نظر مختلفة تشمل الكون الفسيح   كيف ذلك؟؟…

تعودنا نحن سكان الكرة الأرضية على تقدير الزمن من خلال اليوم واجزائه (الساعة والدقيقة والثانية) ومضاعفاته (الاسبوع والشهر والسنة والقرن) ويومنا هو مقدار الزمن اللازم للأرض لتدور حول نفسها دورة كاملة والسنة هي مقدار الزمن اللازم للأرض لاكمال دورة كاملة حول الشمس وتساوي 365 يوم وربع اليوم.  ولكن ماذا عن اليوم والسنة على كوكب عطارد أو كوكب بلوتو لا شك أن ذلك سيكون مختلف بالنسبة لمقايسنا فالسنة على كوكب عطارد ثلاثة أشهر من الوقت الذي نقيسه على الأرض بينما السنة على كوكب بلوتو فهي اكبر من ذلك بكثير وتساوي 248 سنة من سنوات الأرض.. الأمر عند هذا الحد معقول ولكن ماذا عن المجرات الأخرى كيف تقدر اليوم والسنة عندها؟ وهل يمكن استخدام الازمنة الأرضية كمقياس للزمن على ارجاء هذا الكون الفسيح؟ وتجدر الاشارة هنا إلى أن مصطلح فسيح لا يعبر عن مدى كبر حجم هذا الكون …لنرى معا المقصود بكلمة فسيح.

مما سبق تبين أن هذا الكون يحتاج إلى طريقة جديدة لتقدير المسافات بين مجراته ونجومه لأن استخدام وحدة المتر أو الميل ستقودنا إلى ارقام كبيرة جدا لا يمكن تخيلها ولهذا فإن العلماء يستخدمون سرعة الضوء لقياس المسافة حيث أن سرعة الضوء 300 ألف كيلومتر في الثانية (الضوء يدور حول الأرض 7 مرات  في الثانية أي عندما تقول كلمة واحدة يكون الضوء قد لف حول الارض سبع مرات) واذا حسبنا المسافة التي يقطعها الضوء في السنة نجد انها مسافة كبيرة جدا (الارقام الفلكية) فمثلا نعلم أن اشعة الشمس تصلنا خلال ثمانية دقائق وبهذا يكون بعد الشمس عنا ثماني دقائق ضوئية وهنا استخدمنا وحدة الزمن لقياس المسافة.  مثال اخر على اقرب نجم إلى المجموعة الشمسية يسمى الفا قنطورس يبعد عنا اربعة سنوات ضوئية والنجوم البعيدة في مجرتنا تبعد عنا الاف السنوات الضوئية ويقدر قطر درب التبانة بـ 80 الف سنة ضوئية (تخيل ان الضوء الذي يصدر عند احد اطرافها يصل إلى الطرف الآخر بعد ثمانين الف سنة) كل هذا في مجرتنا وبعض التلسكوبات رصدت مجرات تبعد عشرة الف مليون سنة ضوئية ذلك يعني أنه اذا وقع حدث ما في طرف الكون فإنه لا يصل إلى الطرف الاخر قبل مرور عشرة الاف مليون سنة!!! وسنعلم ايضا أن الكون لا زال يتمدد وبسرعات هائلة… سبحان الله ولا نملك إلا أن نقول ذلك..

الارقام والابعاد الفلكية السابقة ضرورية لشرح الموضوع التالي والذي من خلاله سنوضح مفهوم نسبية الزمن لدى آينشتين.

افترض انك في غرفة مظلمة تماماً وتحرك جسم من مكان إلى مكان آخر في هذه الغرفة فإنك لا تعلم بذلك (على افتراض انك لا تعتمد على حاسة السمع) ولكن في وجود الضوء فإن انتقال الجسم او حركته ترصدها من خلال انعكاس الضوء من على الجسم المتحرك إلى العين.  الضوء هو الوسيلة الوحيدة التي نعلم من خلالها حدوث حدث ما في الكون وهو اسرع وسيلة لنقل المعلومات بين النجوم والمجرات فحدث ما على الشمس نعلم به على الارض بعد ثمانية دقائق من وقوعه، وانفجار نجم الفا قنطورس يصلنا خبره بعد اربعة سنوات لان الضوء القادم منه سيصل الارض بعد اربعة سنوات وكذلك النجوم التي نراها في الليل قد لا تكون موجودة الان ولكننا نرى الضوء الذي صدر عنها منذ سنوات او الاف السنوات حسب بعدها عنا أما التي تبعد عنا الف مليون سنة ضوئية فإن ضوءها الذي يصلنا الآن يعطينا معلومات عنها قبل ظهور الحياة على الارض!! هذا يقودنا إلى أن كلمة الآن لا وجود لها إلا على الأرض هذا كله يدركه الناس ولا غرابة فيه لأننا نعلم كم هذا الكون واسع وفسيح.. لم تقف النظرية النسبية عند هذا الحديث فقط بل تعدته إلى القول أن الزمن نفسه لا يجري في الكون بشكل متساوي بل يقصر ويطول حسب سرعتنا ومكاننا بالنسبة للحدث. وليس المقصود هنا ان ذلك مجرد شعورنا بان الزمن يمر ببطء أو أنه يمر بسرعة حسب مشاعرنا بالسعادة أو التعاسة عندما نقوم بعمل ما. فنسبية الزمن لا تعتمد على شعورنا ومزاجيتنا انما المقصود في النظرية النسبية أن الساعة الزمنية التي تدل على فترة معينة من الزمن هي التي تطول أو تقصر حسب السرعة والمكان.

لتوضيح هذا الفكرة نفرض ان شخصين لديهما ساعات متماثلة تم ضبطهما بدقة، احد الشخصين قرر البقاء على الارض والشخص الآخر سافر في مركبة فضائية تسير بسرعة كبيرة، فإذا وفرت للشخص الارضي مرصدا يراقب من خلاله ساعة الشخص الفضائي فإنه كلما زادت سرعة الشخص الفضائي كلما تباطئت حركة عقارب ساعته بالنسبة للشخص الأرضي واذا ما وصلت سرعة المركبة الفضائية إلى سرعة الضوء فإن الشخص الارضي سوف يجد ان عقارب ساعة الشخص الفضائي توقفت عن الحركة أي أن الزمن توقف واصبح صفراً (لا يمكن الوصول بسرعة جسم إلى سرعة الضوء وسنعرف ذلك قريباً) وهذا التباطئ في ساعة الفضائي ليس بسبب خلل في الساعة انما نتيجة لسرعته..

إن الامر لا يقف عند هذا الحد في النظرية النسبية لأن ذلك انعكس على مفهومنا للماضي والحاضر والمستقبل فمثلا انفجار نجم ما قد يكون ماضي بالنسبة لشخص في هذا الكون ويكون حاضر لشخص آخر في مكان اخر وقد يكون مستقبلا بالنسبة لشخص ثالث في مكان ثالث. وهذا بسبب تباطئ الزمن. حسب سرعة كل شخص بالنسبة للحدث ومكانه. ولها لا معني للماضي والحاضر والمستقبل إلا على الارض لان الشريط الزمني المعروف لنا يتباطئ بدرجة معينة في مكان معين في الكون ويتباطئ بدرجة مختلفة في مكان آخر وهكذا..

بعيدا عن النسبية

وهنا أود ان اوضح أننا نعيش الزمن من خلال تقسيمه إلى ماضي  وحاضر ومستقبل وكلنا يستطيع ان يسبح بخياله في احداث الماضي ويعيش اللحظات الحاضرة بحلوها ومرها ولكن المستقبل فلا قدرة لنا عليه وعلى توقع ماذا سيحدث فيه وذلك لاننا كمخلوقات لله سبحانه وتعالي حجب عنا احداث المستقبل (كما حجب عنا رؤية الاشعة تحت الحمراء والفوق بنفسجية وحجب عن سمعنا ترددات معينا يمكن لمخلوقات اخرى سماعها لاننا بشر محدودين لكوننا مخلوقات) أما الله سبحانه وتعالى فالازمنة والاحداث عنده كالكتاب المفتوح.  الله يعلم بالماضي والحاضر والمستقبل فهو يعلم ماذا فعلنا وماذا نفعل وماذا سنفعل   في أي وقت وفي اي لحظة.

كل ماذكر في نسبية المكان ونسبية الزمان هو توضيح لمفاهيم وضعها آينشتين لتكون تمهيدا للدخول إلى النظرية النسبية وفهم مضمونها وعندها ستكون الصورة اوضح.

تابع محاضرات في النظرية النسبية

يعد الاتصال بشبكة المعلومات (الانترنت) بطريقة لاسلكية من خلال الهاتف الخلوي من أعظم الإبداعات التقنية. حيث يصبح بالامكان الوصول لشبكة الانترنت والاستفادة من كافة خدماتها من خلال الهواتف الخلوية والكمبيوترات المحمولة.. الاتصال اللاسلكي فكرة قديمة بدأت بإشارات موريس إلا آن هذه الإشارات غالبا ما كانت تضيع في بحر من التشويشات الموجية والمعيق الأساسي لاستخدام الاتصال اللاسلكي للاتصال بالانترنت هو التكلفة الباهظة للاتصال والبطء في سرعة نقل البيانات التي تحتوى في الغالب على نصوص وصور وصوت ولقطات فيديو، حيث تبلغ أقصى سرعة لنقل البيانات لاسلكياً 10 كيلوبت في الثانية. وتعد الشركات المنتجة للهواتف الخلوية بتحسين يبلغ 100 ضعف في الأشهر المقبلة.

 

تصور لعالم الانترنت اللاسلكي

تصور انك في العام 2005 ومعك هاتفك الجوال وأنت تتجول في شوارع مدينتك تسمع صوت رنين هاتفك لتجد عليه رسالة تحذيرية عن هبوط في أسعار أسهم شركتك فتقول للجهاز العبارة التالية “دخول إلى الشؤون المالية” فيقوم الهاتف على الفور بفتح موقع على الانترنت للتعامل مع الأسهم على الشبكة ثم تقوم ببيع بعض أو كل أسهمك لتحد من قيمة الخسارة.. ثم تطلب من جهازك خدمة حجز تذاكر الطيران وتشتري تذكرة للسفر إلى مقر شركتك.. ثم تطلب من هاتفك أن يرشدك إلى اقرب مقهى لتجلس فيه لحين موعد السفر قبل التوجه للمطار.

على الرغم من أن ما سبق قد يبدو من قصص الخيال العلمي إلا إن العديد من الشركات تنفق المليارات لتحويله إلى حقيقة واقعة، لعلمها بأن مستخدمي الهواتف النقالة والإنترنت في تزايد مستمر في كل العالم. ففي كثير من الدول المتقدمة يمكن لمستخدمي الهواتف النقالة من إرسال الرسائل النصية عبر أجهزتهم ودفع الفواتير والحصول لعلى التقارير الخاصة عن حالة الطقس والازدحام في الشوارع وغيرها من هذه الخدمات وقد سارعت العديد من الشركات بترويج الأجهزة الخلوية التي بإمكانها الاتصال بالانترنت وكذلك أجهزة الحاسوب المحمولة حيث زودت بهوائي جانبي لتمكنه من الاتصال بالانترنت ولكن الأمر ليس بهذه السهولة من ناحية سرعة نقل البيانات من شبكة الانترنت إلى الأجهزة المحمولة لاسلكياً حيث تبلغ سرعة نقل البيانات 10 كيلوبت في الثانية أي خمس سرعة البيانات المنقولة عبر خطوط الهاتف والمودم وقد تكون هذه السرعات البطيئة مقبولة في حالة إرسال الرسائل النصية إلا أن عملية الإبحار في مواقع الانترنت تجعلها محبطة ومكلفة في نفس الوقت. حيث يستحيل تحميل برنامج أو لقطات فيديو أو ملفات صوتية من شبكة الانترنت لاسلكيا لكثافة البيانات المتضمنة في هذه الملفات هذا بالإضافة إلى إن الشبكات اللاسلكية الناقلة للبيانات يقتصر وجودها في أماكن محدودة مما يتعذر على المستخدمين حاليا من الاستفادة من خدمات شبكة الانترنت في كل مكان.

 

إلا أن تطور التقنيات اللاسلكية تبشر بحل المشاكل السابقة مع تطوير الجيل الثالث للاتصالات اللاسلكية (انظر شرح أجيال الاتصال اللاسلكي) حيث تعد التقنية الجديدة بالوصول إلى سرعة تصل إلى 2 ميجابت في الثانية وهي سرعة عالية تمكن المستخدمين من سماع الأغاني ومشاهدة مقاطع فيديو على أجهزتهم الجوالة عبر شبكة الانترنت وهذه التقنية يطلق عليها الولوج المتعدد بالتقسيم الكودي العريض النطاق  Wideband Code Division Multiple Access W-CDMA وقد بدأ فعليا العمل بهذه التقنية مع مطلع العام 2002 وذلك في المدن الكبرى وتعد الشركات المطورة لهذه التقنية بتغطية كل العالم في العام 2010.

 

 

أجيال الاتصال اللاسلكي

 

 

الجيل الأول: الاتصال اللاسلكي التماثلي (Analog)   استخدمت هذه التقنية من بداية الثمانينات وحتى الآن حيث تستخدم الهواتف الخلوية ترددات راديوية متغيرة بطريقة مستمرة لنقل أصوات المستخدمين. حيث يتيح ذلك الاتصال المتعدد لأكثر من هاتف خلوي بمحطة الإرسال حيث يستخدم كل هاتف تردد مختلف كما هو موضح في الأشرطة الملونة والانقطاع في تلك الأشرطة يشير إلى أن استخدام تلك القنوات لا يكون بشكل دائم. هذه الطريقة من الاتصال كانت ناجحة لأنها استخدمت في نقل الأصوات أكثر منها لنقل البيانات.  وتعتمد فكرة عملها على تخصيص قناة ذات ترددات مختلفة لكل مشترك ويبلغ عدد القنوات لكل محطة إرسال 832 قناة يفصل بين كل قناة والأخرى نطاق ترددي بعرض 30 كيلو هيرتز.

 

الجيل الثاني: الاتصال اللاسلكي الرقمي (Digital) Code Division Multiple Access (CDMA) بدأ استخدام تقنية الاتصال اللاسلكي الرقمي مع بداية التسعينات وتعتمد هذه التقنية في تحويل الأصوات إلى سيل من (0 و1) Bits لترسل فيما بعد لاسلكياً. هذه التقنية وفرت وسيلة جيدة لنقل البيانات لاسلكياً. تعتمد هذه التقنية على استخدام قناة واحدة لأكثر من مستخدم في نفس الوقت حيث تقسم الإشارة اللاسلكية إلى شرائح من البيانات تحمل كود بعنوان المستخدم للهاتف الخلوي.  وإثناء انتقالها إلى المستقبل تتوزع الشرائح على نطاق الترددات ثم يعاد تجميعها عند الاستقبال.  ويسمى هذا بالنظام الشامل للاتصالات اللاسلكية Global System for Mobile Communication GSM. يخصص لكل مستخدم حيز زمني متكرر كما في الشكل المقابل حيث يمثل كل شريط قناة وكل لون الحيز الزمني المتكرر.  وبهذا يتمكن المستقبل من الفصل بين الترددات.

 

الجيل الثالث: الاتصال اللاسلكي الرقمي عريض النطاق (Digital Broad Band) باستخدام تقنية الجيل الثالث يصبح بالامكان نقل البيانات لاسلكيا بسرعات اكبر من السرعة الحالية والتي تبلغ 10 كيلوبت في الثانية.. حيث يمكن أن تصل سرعة نقل البيانات إلى 400 كيلوبت في الثانية.  وتعتمد هذه التقنية على تطوير شبكات الـ GSM فبدلاً من إرسال البيانات على قنوات مخصصة تقوم تقنية الاتصال العريض النطاق بتقسيم المعلومات إلى حزم ثم ترسلها على أحد القنوات المتاحة. كما هو موضح بالشكل تقسم الإشارة اللاسلكية إلى شرائح من البيانات (المريعات الملونة)  لترسل على نطاقات ترددية مختلفة ثم يعاد تجميعها عند الاستقبال.

 

أجهزة هاتف لاسلكية للمستقبل

قد تبدو أجهزة المستقبل الالكترونية مختلفة كثيرا عن الأجهزة الحالية فقد طورت شركة نوكيا الفنلندية جهاز يتيح للمستخدمين إملاء بريدهم الإلكتروني وإعطاء الأوامر الصوتية وعرض الصور والفيديو من شبكة الإنترنت.  ويطلق على هذه الأجهزة بالرفيق الرقمي فهي تمتاز بأناقة تصميمها وتعدد استخداماتها وسوف تحتوي على شاشة ملونة وعريضة ولوحة مفاتيح وماوس لإدخال البيانات والتصفح إلا أن التركيز سيكون على تفعيل حاسة اللمس على الشاشة وسوف تذود هذه الأجهزة بذاكرة لتخزين المعلومات من شبكة الوب حين التوقف عن استخدام الجهاز (في الليل مثلا) كما تطور شركة ايركسون أجهزة هاتف نقالة يمكنها من عرض أفلام الفيديو من الانترنت على أي شاشة أو على كرسي القطار الذي أمامك..وستذود هذه الأجهزة بسمعات رأس لاسلكية أيضا لتمكن المستخدم من التحدث عبر الهاتف ومشاهدة شاشة الجهاز في نفس الوقت باستخدام تكنولوجيا شبكات البلوتوث بين الأجهزة المحمولة.

 

 

 

 

تعتمد تكنولوجيا الاتصال بشبكة الإنترنت لاسلكياً على مجموعة من المواصفات الفنية تدعى برتوكول الواب WAP  Wireless Application Protocol تسمح لمستخدمي الهواتف الخلوية من الحصول على المعلومات من شبكة الإنترنت وإظهارها على شاشة الهاتف. إن استخدام برتوكول الواب سوف يساعد في انتشار استخدام الانترنت عبر الاتصال اللاسلكي. وحتى الآن لم يتضح بعد إذا ما كان برتوكول الواب سوف ينقلنا إلى العصر الذهبي لتكنولوجيا المعلومات اللاسلكية أم أنها ستكون البداية الخاطئة. وللتعرف على برتوكول الواب تم تخصيص هذا الجزء من مقال الانترنت اللاسلكي لإلقاء مزيدا من الضوء على فكرة عمله ومستقبله…..

لماذا لا نستقبل صفحات الانترنت على الهاتف الخلوي؟

نعلم أن شبكة الإنترنت العنكبوتية الويب تعتمد اساساً على لغة الـ HTML والتي تعني Hyper Text Markup Language وهي اللغة المتعارف عليها والمعتمدة في الانترنت لصياغة النصوص والصور والرسومات وغيره مما يعرض على صفحات الويب وهنا تكمن المشكلة !!! حيث أن لغة شبكات الهواتف اللاسلكية الحالية غير قادرة على التعامل مع تلك اللغة لأن عرض النطاق (Bandwidth) المستخدم للشبكات اللاسلكية منخفض مما يجعل نقل الصور والرسومات من الإنترنت على الهواتف الخلوية أمراً غير ممكناً بل مستحيلاً.

الحل لتلك المشكلة

حل هذه المشكلة هو إما بتغير معدات شبكات الاتصالات اللاسلكية أو استخدام برتوكول جديد يعمل كوسيط بين الانترنت والهاتف الخلوي.. وبالطبع الحل الثاني أسهل وأسرع من حيث التطبيق العملي، وعلى هذا الأساس قامت شركة Phone.com بإنشاء لغة ترميز جديدة للأجهزة الخلوية تسمى بلغة الـ HDML  والتي تعني Handheld Device Markup Language صممت للشبكات اللاسلكية وتسمح هذه اللغة بنقل البيانات من الويب إلى الهواتف النقالة وتعاونت هذه الشركة مع كبرى شركات الهواتف الخلوية مثل موترولا ونوكيا وإريكسون وأنتجوا لغة ترميز لاسلكية هي WML وهي اختصار لـ Wireless Markup Language والتي أصبحت فيما بعد أساسا لمواصفات برتوكول الواب..

كيف يمكن للواب من توصيل الهاتف الخلوي لاسلكيا بالإنترنت؟

يوضح الشكل التفصيلي التالي فكرة عمل الواب لتمكين مستخدمي الهواتف الخلوية من الاتصال بشبكة الإنترنت واستقبال البيانات.  في البداية نفترض شخص ما يمتلك هاتفاً خلوياً مزود بخدمة الواب وعلى الجهاز برنامج مماثل لبرامج تصفح صفحات الانترنت مثل Explorer أو Netscape يقوم الشخص بكتابة العنوان للصفحة المطلوبة ويضغط على إشارة البحث وهنا يبدأ عمل الواب حسب التسلسل التالي….

 

مشاكل التحويل من لغة HTML إلى لغة WML

إن التحويل من لغة الإنترنت المعروفة بالـ HTML إلى WML يكون في الأغلب مصحوبا بالعديد من المشاكل لأن في كثير من الأحيان تكون الروابط التشعبية على الإنترنت معتمدة على صور لنقلك من صفحة لأخرى وعند التحويل تحذف هذه الصورة وبالتالي يلزم إعادة صياغة الصفحة بحيث تستبدل الصورة بنص قبل عملية التحويل.. وعملية التحويل تؤدي إلى فقدان الكثير من المعلومات والحد من كمية المعلومات التي يمكن الوصول إليها. ولذا يلجأ العديد من مالكي صفحات الويب من نشر صفحات موازية بلغة الـ WML لتفادي تلك المشاكل أثناء التحويل.

مستقبل برتوكول الواب

إن برتوكول الواب تم إنشاؤه ليناسب الشبكات اللاسلكية ذات النطاق الضيق وكذلك ليناسب الأجهزة الخلوية التي لا تتسع شاشاتها لأكثر من سطرين ولهذا فإنه من المحتمل أن يتراجع استخدام برتوكول الواب تدريجياً مع استخدام شبكات الجيل الثالث التي تتميز بالنطاق العريض.  وتجدر الإشارة هنا إلى أن الوصول إلى الإنترنت من جهاز حاسوب متصل سلكياً بالانترنت مختلف تماماً عنه في حالة الوصول للإنترنت من خلال هاتف خلوي يستخدم الشبكات اللاسلكية أو جهاز حاسوب يستخدم مودم لاسلكي للاتصال بالانترنت.  حيث يكون المجال أوسع لمستخدم الحاسوب من التجول بحرية في الشبكة العنكبوتية ليتصفح ما يشاء ويزور أي موقع يريد مثل الشخص الذي دعي على بوفيه للعشاء فله الحرية في ان ينتقي ما يريد ويترك ما يريد, بينما تكون مناطق تجول مستخدم الهاتف الخلوي قاصرة على مواقع محددة مثل الشخص في الفندق عليه أن يختار ما يأكله من خلال قائمة محددة.

وتجدر الإشارة هنا إلى أن مستخدمي الواب قاموا بتأسيس منتدي للواب لينضم إليه الراغبين في نشر هذه التكنولوجيا لتدفع بأصحاب المواقع من توفير خدماتهم على الإنترنت من خلال برتوكول الواب.  وحتى الآن فإن العديد لازال يترقب أين تتجه التكنولوجيا قبل الشروع في اعتماد برتوكول الواب خشية من تغير يردي في النهاية إلى خسارة مادية..

وفي نهاية هذا الموضوع أود أن أوضح أن إنشاء برتوكول الواب مكن الهواتف الخلوية في الوقت الحالي من الولوج للإنترنت من خلال المواقع المدعمة بخدمة الواب التي تعطي للمستخدم معلومات عن الطقس وحالة المرور في المدينة ومتابعة الأخبار بمختلف أنواعها ولكن قريبا سيتم الاعتماد على تكنولوجيا الجيل الثالث للاتصال اللاسلكي بالانترنت والتي هي موضوعنا المقبل………..

 

 

 

مصطلحات هامة

 

 

ما الفرق بين CDMA و W-CDMA?

كلا من النظامين  CDMA و W-CDMA مبنيان على تقنية الطيف المنتشر.  وتستخدم الهواتف الخلوية الأقدم المعتمدة على TDMA والـ GSM الطيف المنتشر من خلال تقسيم طيف الراديو إلى حزم ترددية ضيقة. ولزيادة السعة فإن هذه الشبكات تقوم بدمج عدة مكالمات هاتفية على نفس القناة الترددية. ولكن هناك حد أقصى لعدد المستخدمين لنفس القناة قبل أن تحدث تشوشات وتقطعات في الإشارة المنقولة.

أما نظام الـ CDMA فهو يخصص كود (شيفرة) محدد لكل مكالمة هاتفية وبالتالي فإنه يمكن لمجموعة من الإشارات الراديوية أن تتقاسم مدى واسع من ترددات الراديو, بحيث يلتقط كل مستقبل المكالمة التي تخصه بناء على الكود الذي تحمله.  أما من ناحية الفرق بين CDMA و W-CDMA فإن تقنية CDMA تستخدم قنوات عرضها 1.25 ميجاهيرتز في مدى ترددي عرضه 1.9 جيجاهيرتز. أما تقنية W-CDMA فتستخدم قنوات عرضها 20 ميجاهيرتز  في مدى ترددي عرضه 2 جيجاهيرتز، مما يسمح بمعدل معلومات أسرع وعدد اكبر من المستخدمين.

خيارات متعددة أمام مطوري نظم الجيل الثالث

تدرس العديد من الشركات أفضل الحلول من أجل اعتماد نظام يكفل نقل البيانات بسرعة وكفاءة عالية وبأسعار معقولة.

الهوائيات الذكية

تحتوي قاعدة الاتصالات الهوائية على هوائيات تبث في جميع الاتجاهات وبشدة متساوية ولكن الهوائيات الذكية هي مجموعة من الهوائيات في صورة مصفوفة توجد في محطات القاعدة الخلوية تقوم بتوجيه الإشارات في اتجاهات معينة بحيث تتحكم في شدتها وفي اتجاهها, ويعتمد هذا النظام على نظام حوسبة رقمي لمعالجة الإشارة والتحكم في توجيهها من خلال ربطها بالهوائيات في قاعدة الاتصال الخلوي. وهذه الهوائيات الذكية بامكانها تتبع المستخدم ويمكن لهذا النظام من إعادة استخدام نفس الترددات لآخرين في نفس المنطقة وهذه الطريقة توفر استخداماً أفضل للطيف الراديوي مع توفير سرعة اكبر لنقل البيانات.  ولكن المشكلة الوحيدة تكمن في حالة حركة الشخص المستقبل حيث يقل معدل البيانات بحركة المستقبل.

 

 

 

تقنية النطاق الفائق العرض UltraWideBand UWB

نعلم أن موجات الراديو المرسلة تتكون من موجة حاملة والإشارة, والموجة الحاملة هي التي تنقل الإشارة أما الإشارة فهي البيانات المنقولة. والتي تأتي من المايكرفون أو الكاميرا التلفزيونية أو من شبكة الإنترنت.  وتحمل الإشارة على الموجة الحاملة بواسطة عملية التضمين الترددي Frequency Modulation بحيث يجعل الموجة الحاملة تنتشر بنفس معدل معلومات الإشارة.ويعرف هذا بنظام راديو الانتشار الطيفي.  ولكن نظام النطاق فائق العرض UWB يتم فيه الاستغناء عن الموجة الحاملة، وسميت بهذا الاسم لان هذه التقنية تستخدم الطيف الراديوي كله وليس شريحة صغيرة منه كما في التقنيات السابقة. وترسل الإشارة في شكل نبضات بمعدل 40 مليون نبضة في الثانية.  والمستقبلات التي تعرف نمط النبضات هي وحدها القادرة على فك كود هذه الإشارات, ولحل مشكلة التداخل بين هذه الإشارات وإشارة الراديو والتلفزيون يتم تخفيض قوة هذه الإشارات إلى ادني مستوى (يصل إلى 50 جزء من مليون من الواط) وهذه القدرة المنخفضة تجعل مدى انتشار هذه الإشارات لا يزيد عن عدة أمتار. ولهذا فإن استخدام هذه التقنية سوف يكون مقصورا على الشبكات المحلية الداخلية.

 

 

 

مفهوم التضمين Multiplexing

تقنية التضمين مستخدمة منذ الخمسينات لإرسال أكثر من إشارة على نفس القناة وهو يستخدم في الاتصالات من خلال الألياف البصرية حيث يتم تجزئة مجموعة كبيرة من البيانات إلى أجزاء صغيرة ترسل في نفس الوقت على أطوال موجات ضوئية مختلفة ثم تضم مرة أخرى عند المستقبل. وينطبق نفس المبدأ على الاتصال اللاسلكي إلا أن الأطوال الموجية المستخدمة تقع في منطقة الراديو من الطيف الكهرومغناطيسي. والمخطط التالي يوضح أهمية التضمين للحفاظ على البيانات من التشتت بواسطة التداخل قبل وصولها إلى المستخدم.

 

في النهاية لا شك أن ما تم عرضه يوضح مدى صعوبة حل كافة المشاكل المتعلقة بالاتصالات اللاسلكية وهذا قد يعزي السبب في ارتفاع تكلفة استخدام الهواتف الخلوية ولكن من مفارقات التاريخ أن يبدأ أو اتصال بطريقة لاسلكية والآن اغلب اتصالاتنا سلكية ومن يدري تكون وسيلة الاتصالات في المستقبل مختلفة تماما لما نشهده حاليا.

 

 

(المزيد…)

اللون يملأ عالمنا بالجمال. فنحن نبتهج بألوان غروب الشمس البهيّ وباللون الأحمر اللامع واللون الأصفر الذهبي لأوراق الخريف، ونُسْحَر ونُفتن بالنباتات الزهرية الجميلة وألوان قوس قزح المتلألئة.كما تؤدي الألوان دورًا مهمًا في إضافة البهجة والأهمية لحياتنا. فمثلا يختار كثير من الناس ألوان ملابسهم بعناية تامة، ويزينون منازلهم بألوان تحدث آثارا جميلة أو مسرة أو متعةً للناظرين. يحاول الفنانون جعل رسوماتهم أكثر واقعية وتعبيرًا باختيارهم وترتيبهم للألوان بتمعن.

تصلح الألوان وسيلة للاتصال والإخبار. ففي الرياضة توضِّح الألوان المختلفة لأزياء اللاعبين الفرق التي ينتمون إليها. في الطرق، تفيد إشارات المرور الحمراء السائقين الأمر بالوقوف، والخضراء السماح بالمرور. في الخريطة الملونة، يمكن أن يرمز اللون الأزرق للأنهار ومصادر مياه أخرى، واللون الأخضر للغابات والحدائق، واللون الأحمر للطرق.. إلخ .

تُستخدم أسماء الألوان في عدة تعبيرات شائعة لوصف الأمزجة والأحاسيس. تؤدي الألوان أيضًا دورًا مهما في الطبيعة. فالألوان البراقة لعدد كبير من أكمام الأزهار تجذب نحوها الحشرات. ويمكن أن تساهم هذه الحشرات في تلقيح الأزهار، وبالتالي، تجعل النباتات تنتج بذورًا وثمارًا. وتجذب الفواكه الزاهية الألوان، العديد من أنواع الحيوانات آكلة الفواكه والتي تلفظ بذور الفواكه عبر الرَّوث، فتنبُت هذه البذور أينما وقع روثها. وبهذه الكيفية يمكن أن تنتشر النباتات المنتجة للفواكه انتشارًا طبيعيًا إلى مساحات جديدة.

الاتصال بوساطة الألوان

تستخدم الألوان عادة لتعبر عن الأمزجة ولتوصيل المعلومات. فاستخدام الألوان الزرقاء في لوحة الفنان بابلو بيكاسو المسماة عازف الجيتار العجوز ـ الشكل الأيمن أعلاه ـ يحدث شعورًا بالحزن والوحدة. تلفت الألوان المثيرة لإشارات النيون ـ الشكل العلوي الأيسر ـ انتباه الناس. وتساعد ألوان زي لاعبي كرة الرجبي ـ الشكل السفلي الأيسر ـ المشاهدين في معرفة الفرق التي ينتمي لها اللاعبون.

وتساعد الألوان بعض الحيوانات في جلب قرائن لها. فمثلا، ينشر الطاووس ريشه ذا الألوان الساطعة الزاهية عندما يغازل أنثاه. وتساعد ألوان عدد كبير من الحيوانات في الهروب وتفادي الأعداء. فمثلا، أرانب القطب الشمالي لها فراء ذات ألوان سمراء داكنة في الصيف. ويتحول لون فرائها في الشتاء إلى اللون الأبيض مما يجعل من الصعب رؤية الأعداء لهذه الأرانب في الثلج.

وبالرغم من أننا نتحدث عن رؤية الألوان أو الأشياء إلا أننا لا نراها حقيقة، بل نرى الجانب من الضوء الذي تعكسه أو تصدره هذه الأشياء.

تستقبل أعيننا هذا الضوء، وتحوله إلى إشارات كهروكيميائية. وتنتقل هذه الإشارات خلال أعصاب العين إلى الدماغ؛ الذي يترجمها صورًا ملونة. ومع ذلك مازال هناك الكثير الذي يجهله العلماء عن الكيفية التي تمكننا بها أعيننا وأدمغتنا من الإحساس بالألوان.

نبذة تاريخية

في عام 1864م توقع العالم الفيزيائي البريطاني كلارك ماكسويل وجود الموجات الكهرومغنطيسية. افترض ماكسويل أن المجالين المغنطيسي والكهربائي يعملان سويًا على إنتاج طاقة إشعاعية. وعرف الضوء على أنه أحد أنواع الموجات الكهرومغنطيسية كما توقع وجود موجات غير مرئية.

 وفي عام 1887م أكد عالم الفيزياء الألماني هينريتش هرتز ما توقعه ماكسويل. فقد بيّن أن تذبذب شحنة كهربائية تنتج عنه موجات كهرومغنطيسية أطول بكثير من موجات الضوء المرئي. وقد قاد اكتشاف هرتز هذا إلى تطوير المذياع والتلفاز.

وتبدو بعض الأشياء كإشارات المرور وإشارات النيون ملونة نظرًا لأن الضوء الذي تبعثه يحتوي على مدى محدود من الأطوال الموجية. ومع ذلك، تبدو معظم الأشياء ملونة؛ بسبب تركيبها الكيميائي. وتمتص الأشياء أطوالاً موجية معينة من الضوء، وتعكس الأطوال الموجية المتبقية. فعندما تسقط أشعة الشمس على جسم نباتي كالجزر، مثلا، فإن مكونات الجزر، تمتص معظم الضوء ذي الطول الموجي القصير، وتعكس معظم الضوء ذي الطول الموجي الأطول. وعندما يصل هذا الضوء، ذو الطول الموجي الأطول، إلى أعيننا فإن نبات الجزر يبدو لنا برتقاليًا.

ويبدو الجسم الذي يعكس معظم الضوء الذي يحتوي على كل الأطوال الموجية بكميات متساوية، بالتقريب، أبيض، بينما يبدو الجسم الذي يمتص معظم الضوء الذي يحتوي على كل الأطوال الموجية بكميات متساوية، بالتقريب أسود.