التصنيف: مقالات

يمكن تمثيل جسم الإنسان بالموصل المعزول فالبشرة الخارجية لجسم الإنسان تمثل عزل الموصل، فهي تمنع انتقال الجهود الخارجية لداخل جسم الإنسان.

والمقاومة الداخلية لجسم الإنسان صغيرة، لاحتوائه على سائل مملح، وبمجرد أن يقوم الجهد الكهربي بكسر عازلية بشرة الإنسان الخارجية يمر التيار الكهربائي في الجسم، وتكون مقاومة الجسم في تلك الحالة أقل ما يمكن حيث يعتبر جسم الإنسان موصلاً جيداً للتيار الكهربي.

أما قبل أن يحدث كسر لعازلية البشرة الخارجية لجسم الإنسان، فتكون مقاومة الجسم كبيرة، الأمر الذي يؤدي إلى مرور تيارٍ ضعيفٍ جداً في جسم الإنسان في تلك الحالة.

أما بمجرد انهيار عازلية البشرة الخارجية فتزداد شدة التيار المار في جسم الإنسان، متسبباً في إثارة الجهاز العصبي والعضلات بالمستوى الذي يؤدي إلى اضطراب أداء الأعصاب وتلف عضلات الجسم وخاصة عضلة القلب وقد يؤدي ذلك إلى توقف القلب والوفاة.

أن مرور التيار الكهربائي في جسم الإنسان أو ما يسمى بالصعقة الكهربائية فيسبب آثاراً حرارية وتحليلية وبيولوجية لجسم الإنسان ويتمثل الأثر الحراري في الاحتراق الذي يصيب الأجزاء الخارجية للجسم وكذلك سخونة الأوعية الدموية، ويتمثل الأثر التحليلي في تحلل الدم والسوائل الحيوية الأخرى مما يؤدي إلى إتلاف تركيبه الفيزيائي والكيميائي ويتمثل الأثر البيولوجي في تهييج الخلايا والأنسجة الحية الذي يمكن أن يترافق مع تقلصات تشنجية غير إرادية للعضلات بما فيها عضلات القلب (الأذين والبطين) والجهاز التنفسي (الرئتين) مما يؤدي لتمزق الأنسجة واختلال عملية التنفس ودورة الدم.

بالإضافة لكون القلب عضواً حساساً بالجسم للتيار الكهربي، وذلك لكونه مبنياً على توقيت متكرر، حيث أن تقلصات القلب تعتمد بالأساس على تيارات أشبه بالتيارات الكهربائية التي تتولد بداخله، لذا فإن أي تيار خارجي يغير من نظام ضربات القلب، وبالتالي يحدث ارتباكاً في ضخ الدم إلى أجزاء الجسم المختلفة، ولقد وجد أن الذبذبات العالية بالنسبة للتيار المتردد تزيد من خطورة الحوادث بالصدمة الكهربية، وذلك لعلاقتها بحركات القلب وبعمل الجهاز العصبي.

وقد تختلف شدة تلك الآثار ودرجة خطورتها تبعاً لثلاثة عوامل رئيسية هي: مسار التيار في جسم المصاب، وشدة التيار المار في جسم المصاب، والفترة التي يبقى المصاب خلالها تحت التأثير.

يتفاوت الخلل الناتج عن الإصابة بالصعقة الكهربائية من حروق بسيطة إلى حروق شديدة إلى رجفة دائمة بحسب صحته العامة وسنه وكذلك مقاومته الكهربائية الخاصة به.

العوامل المؤثرة على شدة الصدمة الكهربائية:

(1) مسار التيار الكهربائي في جسم الإنسان

ويتحدد بمنطقتين أو نقطتين هما مكان دخول التيار لجسم الإنسان ومكان خروج التيار من جسم الإنسان، وقد يكون هذا المسار قصيراً بين نقطتين على اليد أو القدم، أو قد يكون المسار طويلاً من يد إلى اليد الأخرى، أو بين اليد اليمنى والقدم اليسرى أو القدم اليمنى، ولعل المسار الأكثر خطورة هو من يد إلى يد عبر الصدر مروراً بالقلب أو الرئتين حيث قد تحدث الوفاة الفورية.

(2) شدة التيار المار في الجسم

 إن خطورة الكهرباء وآثارها على جسم الإنسان تزداد بازدياد شدة التيار المار فيه وتتحدد بقيمة التيار الكهربائي الذي يلامسه المصاب، أما المقاومة الكهربائية لجسم الإنسان فإنها تؤثر على تحديد شدة التيار ولكن بتناسب عكسي، أي يكون تيار الإصابة كبيراً إذا كانت المقاومة الكهربائية لجسم الإنسان صغيرة ويكون تيار الإصابة صغيراً إذا كانت المقاومة لجسم الإنسان كبيرة وتتأثر قيمة مقاومة جسم الإنسان أيضاً بمقدار الجهد المسلط عليه حيث تتناسب هذه القيمة عكسياً مع ازدياد الجهد كما تتأثر هذه القيمة أيضاً بمدى رطوبة الجلد وجفافه.

(3) زمن مرور التيار الكهربي 

 كلما ازداد زمن مرور التيار في الجسم ازدادت شدة الصدمة “الصعقة” فمرور تيار قدره 80 – 90 ملي أمبير فقط لمدة 3 ثوان يؤدي إلى توقف القلب والوفاة، ووجد بالتجربة أن التيار المتردد أشد خطورة من التيار المستمر.

يقول المدافعون عن النظرية أن الأوتار المهتزة تُشكِّل الأساس لكل الجسيمات والقوى الموجودة في الكون. لكن هل يستطيع أحدٌ البرهنة على هذا؟

في كتابه المميَّز «تنانين الجنة» يُلخِّص الفلكي كارل ساغان Carl Sagan بنحوٍ بارع التحدي الأساسي الذي يُواجه العلماء عندما يُحاولون صياغة نظرياتٍ جديدة بقوله: «الادعاءات الرائعة تحتاج إلى برهان مميَّز». ولعل أحد الادعاءات الأبرز التي برزت في زمننا الحالي تأتي من نظرية الأوتار التي تَعتبر أن كلَّ شيءٍ في الكون يتكوَّن من أوتارٍ بالغة الصِّغر مهتزة من الطاقة. وبحسب وجهة النظر هذه فإن كلَّ جسيمٍ من جسدك، وكلَّ قبسٍ من النور الذي يتيح لك قراءة هذه الكلمات، وكلَّ رزمةٍ من الثقالة التي تُبقيك جالساً على مقعدك ما هي إلا تنويعات لهذه الكينونة الأساسية. لقد أسرَت نظرية الأوتار على مرِّ العقود الثلاثة الأخيرة خيال الفيزيائيين. وانشغل مئات الباحثين حول العالم بمعادلاتها محاولين تجميع الأجزاء المختلفة من النظرية مع بعضها البعض. وهم مثلي في اعتبارهم النظريةَ الخطوة الأكبر التي يخطوها العلم قُدُماً منذ أن وضع ألبرت أينشتاين Albert Einstein وماكس بلانك Max Planck الأفكار الرئيسية للنسبية وميكانيك الكم منذ حوالي القرن.

ومع ذلك فإن نظرية الأوتار ستواجه – ولا بد – في آخر الأمر الاختبار القاسي الذي حدَّده ساغان، كما هو حال النظريات العلمية الأخرى. وحتى تحين هذه اللحظة فلن يكون بإمكانها الصمود. ولنكون صريحين بشكلٍ كامل، فإنه لا يوجد برهان على ما إذا كانت نظرية الأوتار صحيحة. فكيف والحال كذلك يمكن لمؤيِّديها الإصرار على مذهبهم؟ يكمن جزء من الجواب في المقدِّمات المنطقية المثيرة للنظرية. فالعالم الطبيعي تسوده وفرةٌ محيِّرةٌ من الجسيمات الأصغر من الذرة إضافةً إلى أربع قوى مستقلة ظاهرياً هي: قوة  الثقالة، والقوة الكهرمغنطيسية، والقوى النووية البئيسة والواهنة . ومن خلال توصيف الجسيمات دون الذرية بأنها أوتارٌ مهتزة بشكلٍ مشابهٍ لربطة مطاطية مشدودة فإن نظرية الأوتار تربط بين جميع هذه الأجزاء المتباينة في إطارٍ واحد. فكلُّ نمطٍ من الجسيمات – بما في ذلك الإلكترونات التي تُكوِّن قسماً من المادة العادية، والفوتونات التي تحمل القوة الكهرمغنطيسية – تُوافق ببساطة تواتراً محدَّداً من اهتزاز الوتر. وكما أن الجذب على الربطة المطاطية يُغيِّر من تواتر اهتزازها فإن تغيير شكل الاهتزاز يُحوِّل الإلكترون إلى نوترينو، أو إلى كوارك، أو غير ذلك من الجسيمات.

للأوتار نقطة جاذبية أخرى، على الرغم من أنها خاصيةٌ أكثر إبهاماً. فعند اهتزازها فإنها تُجبر المكان والزمان على الانحناء حولها مسببةً زيادةً في الثقالة بالطريقة نفسها التي وصفها أينشتاين في نظريته عن النسبية. ولهذا فإن نظرية الأوتار تعِد بأن تدمج المعادلات التي توصِّف أفعال العالم الضئيل الذي لا يُمكننا رؤيته، الذي تشغله الجسيمات دون الذرية، مع المعادلات التي توصِّف الثقالة والعالم واسع النطاق (الكِبري) الذي نتعامل معه في حياتنا اليومية. لقد أمضى أينشتاين العقود الثلاثة الأخيرة من حياته ساعياً وراء مثل هذا الدمج الذي عزاه إلى محاولة ”قراءة عقل الرب“. ومن المحتمل أن تتمكن نظرية الأوتار من الوصول إلى ما لم يستطع أينشتاين الوصول إليه وهو نظرية توحيدية تشرح كيف يسير الكون.

على مرِّ التاريخ الحديث كان الكشف عن كلِّ مبدأٍ توحيديٍ جديد في الفيزياء يوقد جذوةً مذهلةً للاستبصارات العملية الجديدة. فقد مهَّدت قوانين إسحق نيوتن Isaac Newton في الميكانيك الطريق أمام المحركات البخارية والثورة الصناعية. وحرر نفاذ بصيرة كلٍّ من مايكل فاراداي Micheal Faraday وجيمس كلَرك ماكسويل James Clerk Maxwell في الكهرباء والمغنطيسية، بأنهما وجهان للقوة نفسها هي الكهرمغنطيسية، عصر الإلكترونيات. كما أن إدراك أينشتاين بأن الطاقة والمادة قابلتان للتبادل ساعد في الدخول إلى العصر النووي. ولا يسعنا إلا التخمين عن الكشوفات التي ستلي التثبُّت من نظرية الأوتار.

آخر ما في الأمر هو أن الرياضيات الكامنة وراء نظرية الأوتار معقَّدةٌ وجميلةٌ إلى حدٍ كبير، وقد تخطَّت المعادلات جميع الاختبارات الرياضياتية. وغالباً ما يتبختر أولئك الذين عملوا على نظرية الأوتار يغمرهم شعور قوي، ما لم يكن غير محدود، بأنها تبدو حقيقة.

غير أن جميع النظريات بغضِّ النظر عن مقدار عظمتها يجب أن تكون قابلةً للتكرار وعند هذا يصل اختبار نظرية الأوتار حد الجنون. إذ إن كلَّ حلٍّ للنظرية يمثِّل كوناً كاملاً، وعليه إذا ما أُريد اختبار النظرية بشكلٍ كامل وجب على المرء أن يخلق أكواناً طفلةً في المختبر. ولا تكاد أكثر التقانات حداثةً تسمح لنا بالخروج من الكوكب، ودع عنك مسألة إعادة خلق كونٍ آخر. ولهذا فإن المتشكِّكين الذين غالباً ما يُقرَّون ببهجة وجمال الرياضيات نبذوا نظرية الأوتار على اعتبار أنها وهمٌ غير قابلٍ للاختبار.

لكن يمكن لهذه الحال أن تتغير قريباً. إذ إن صفيفاً من الأجهزة الجديدة، بما في ذلك محطِّمات الذرة وكواشف الثقالة والسواتل  الفضائية والكواشف المطمورة في باطن الأرض، يمكنها أن تُقدِّم دليلاً بارزاً يدعم نظرية الأوتار. وتكمن العقبة في أن جميع هذه الدلائل الجديدة لن تُقدِّم سوى براهين غير مباشرة.

اختبار أمواج الثقالة

تكون الأوتار وفق نظرية الأوتار ضئيلةً جداً؛ إذ لا تتجاوز جزءاً من البليون من جزء من البليون من حجم البروتون، ولا يمكن استحضارها إلا في مخيِّلتنا. إن ضآلة الأوتار يعني أنه علينا البحث عن دليلٍ عليها بُعيد الانفجار الأعظم، عندما كان الكون بأسره ضئيلاً جداً. فاهتزازات الأوتار في تلك الفترة المبكِّرة لابد وأنّها ولَّدت تموَّجاتٍ في الثقالة، أو أمواجاً ثقالية انتشرت عبر أرجاء الكون بسرعة الضوء. وتتنبَّأ نظرية الأوتار بترددات مثل هذه الأمواج. فإذا ما تمكَّنا من رصد أمواج الثقالة ووجدنا أن تردداتها لا تتطابق مع ما تتنبَّأ به نظرية الأوتار فإن الفكرة برمَّتها ستكون موضع شك.

لم يتمكن أحدٌ بعد من التقاط الأمواج الثقالية، وليس ذلك لنقصٍ في السعي لالتقاطها. بدأ مرصد التداخل الليزري للأمواج الثقالية Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory الجديد العمل منذ العام 2002 ويقع هذا المرصد في منشأتين ممتدتين، إحداهما في لويزيانا والأخرى في واشنطن، وما يزال العلماء منشغلين بمعايرة المعدِّات والتجهيزات ويزيدون من دقَّتها، ويأملون بأن يتمكَّن المرصد في السنوات القادمة من التقاط الأمواج الثقالية لأول مرَّة.

وتخطط الإدارة الوطنية [الأمريكية] للطيران والفضاء NASA مع الوكالة الأوربية للفضاء لإطلاق مشعار مقياس التداخل الليزري الفضائي (LISA) Laser Interferometer Space Antenna في حدود عام 2014. ويتألَّف من ثلاثة سواتل تتخذ لها مداراً حول الشمس. وسترتبط هذه السواتل مع بعضها بوساطة حزمٍ ليزريةٍ ثلاث تُشكِّل مثلثاً من الضوء يبلغ طول كلٍّ من أضلاعه ثلاثة ملايين ميل. وقد تمَّ تصميم السواتل لتكشف عن أي تبدُّلٍ في مواضعها يبلغ من الصِغر قدر عُشر قطر الذَّرة المفردة. فبحسب النظرية فإن الموجة الثقالية التي تمر عبرها ستُغيِّر خطوط الكفاف للمكان بين السواتل مغيِّرةً من الكيفية التي تجتمع بها الحزم الليزرية مع بعضها البعض بقدرٍ قابلٍ للقياس.

يمكن للأمواج الثقالية أن تتولد من مصادر عدَّة بما فيها الثقوب السوداء المتصادمة والنجوم المتفجِّرة، غير أن الساتل LISA عليه أن يكون قادراً على الكشف عن الأمواج التي نشأت مباشرةً بُعيد ولادة الكون. إن السواتل السابقة التي كشفت عن طاقة الأمواج الميكروية المتبقية منذ الانفجار الأكبر أظهرت ما كان عليه الكون الناشئ عندما كان عمره تقريباً 300000 سنة. أما الساتل LISA فعليه أن يكون قادراً على التحديق سحيقاً في أزمنةٍ أبكر بكثير إلى حدود جزءٍ من الترليون من الثانية بُعيد الانفجار الأكبر.

من المحتمل أن تُتيح النتائج الواردة من الساتل LISA للفيزيائيين أن يُميِّزوا بين النظريات المختلفة التي تشرح ما حدث مباشرةً بُعيد، أو حتى قبل اللحظة التي انفجر فيها الكون. فأحد النماذج الرئيسية الكونية الذي يُعرف باسم التضخُّم يتنبأ بأن كوننا ما هو إلا واحدٌ من ”العوالم المتعددة“ الأكبر والانفجار الأكبر ما هو إلى واحدٌ من انفجاراتٍ عديدةٍ أخرى. وفق هذا النموذج فإن كوننا قد توسَّع بسرعةٍ هائلةٍ خلال الأجزاء الأولى من لحظة وجوده. ونظريةٌ أخرى تمتد جذورها إلى نظرية الأوتار تتصوَّر مخططاً للأحداث يكون فيه الانفجار الأكبر قد حدث نتيجة اصطدامٍ لكونين متوازيين كانا يطوفان في فضاء ذو أبعاد أكبر.

من الممكن أن تبدو هذه النظريات خياليةً لكنَّ كلاً منها تتنبَّأ بنمطٍ معيَّنٍ من أمواج الثقالة المنبعثة من الانفجار الأكبر. وقد يكون الساتل LISA قادراً على فرز بعضها مقدِّماً اختباراً تجريبياً عن الشروط التي كانت موجودة عندنا بدأ الكون قبل 13.7 بليون سنة. أما إن كان الساتل LISA غير حساسٍ بالقدر الكافي لإنجاز هذا الاختبار فإن الرهان بين الفيزيائيين سيكون على أن السواتل التالية له ستكون قادرة. فإذا ما كانت الإشارات التي سيلتقطها الساتل LISA والسواتل التي ستعقبه هي الإشارات التي توقَّعها منظِّرو الأوتار فإنهم سيُثبتون أن إحدى نسخ نظرية الأوتار هي النظرية الكمومية الصحيحة للثقالة.

قد يخيب أمل الفيزيائيين المعقود على هذا الساتل ذلك أن NASA قررت في الثامن من نيسان عام 2011 الانسحاب من المشروع بسبب تقليص النفقات، وشرعت الوكالة الأوربية، الشريك الآخر، بمراجعة شاملة للمهمة مع تغيير اسمها إلى (NGO) New (or Next) Gravitational wave Observatory ومن غير الواضح بعد إن كانت المهمة سترى النور أم لا!

اختبار مُسرِّعات الجسيمات

قد لا يكون على الفيزيائيين نافذي الصبر الانتظار إلى حين إتمام الساتل LISA ليكتشفوا ما إذا كان منظِّروا الأوتار على الطريق الصحيح. فقد بدأ المصادم الهادروني الكبير وهو أقوى مسرِّع جسيمات في العالم العمل فعلاً بالقرب من جنيف. سيحطِّم هذا المسرِّع  البروتونات عالية الطاقة بعضها ببعض بطريقةٍ مشابهةٍ إلى حدٍ ما بإطلاق ساعتي يد من مدفعين لاكتشاف مكوِّناتهما. ويأمل منظِّرو الأوتار من خلال تصنيفهم للحطام الناتج لحظياً عن تصادم البروتونات أن يجدوا جسيماتٍ أكبر كتلةً من كلِّ ما شوهد من قبل.

وفقاً لنظرية الأوتار فإن الجسيمات المألوفة مثل البروتونات والنوترونات والإلكترونات ثُمثِّل نمط الاهتزاز الأدنى للوتر، بمعنى المدروج (الجواب أو الأوكتاف) الأخفض. في حين أن أنماط الاهتزازات المستقرة الأعلى ستولِّد جسيماتٍ شبيهة (مرتبطة) بهذه الجسيمات لكنها في الحقيقة أسرٌ من الجسيمات ذوات كتلٍ أكبر، تُسمِّى بالجسيمات الفائقة أو الجسيفات Sparticles. وتتنبَّأ نظرية الأوتار بأن جميع الجسيمات دون الذرية لها مثل هؤلاء الأقرباء. فعلى سبيل المثال يُفترض أن للإلكترون قريباً فائقاً يُسمَّى سِلكترون selectron في حين أن كلَّ كواركٍ له قريبٌ فائق يُدعى سكوارك squark. ولم يتمكَّن أحدٌ من الكشف عن وجود أحد الجُسيفات، ولعل السبب في ذلك يرجع إلى أن مُسرِّعات الجسيمات الموجودة قبل المصادم الهادروني الكبير ضعيفةٌ كثيراً عن القدر المطلوب.

يتوقَّع بعض الفيزيائيين أن المصادم الهادروني الكبير سيكون قوياً كفايةً بحيث يكشف عن وجود الجسيفات، فمركز المُصادم هو نفقٌ دائريٍ يبلغ طوله (محيطه) 17 ميلاً (حوالي 27.36 كم) يقع على الحدود بين فرنسا وسويسرا. يتمُّ في المُصادمِ تدوير حزمتين من البروتونات في اتجاهين متعاكسين. وعندما يُدير المهندسون مفتاح التشغيل تنطلق نبضةٌ كهربائية شدَّتها 12000 أمبيراً في وشائع ضخمة من المغانط الكهربائية مولِّدةً حقلاً مغنطيسياً يبلغ 100000 مرة من الحقل المغنطيسي الأرضي. ستقوم المغانط بحرف مسار الإلكترونات بحيث تسير على طول النفق الدائري أثناء تسارعها إلى أن تصل إلى سرعة 99.999999 بالمئة من سرعة الضوء وتصل إلى طاقةٍ تقترب من 14 تريليوناً من الإلكترون فولت، أي أنها أقوى من الطاقة المتحررة من الديناميت بتريليونات من الأضعاف.

قبل أن يشرع المصادم الهادروني الكبير بصيده للجُسيفات سيكون عليه أولاً اختبار تخوم النموذج المعياري Standard Model لفيزياء الجسيمات وهي النظرية السائدة حول سلوك الجسيمات دون الذرية. فالنموذج المعياري هو أكثر النظريات الكمومية نجاحاً التي تشرح تآثرات جميع الجسيمات دون الذرية التي تمت مشاهدتها حتى الآن، لكن هذا يُثير شهية فيزيائيي الأوتار. فمثل هؤلاء الفيزيائيين يعتقدون أن النموذج المعياري مصطنعٌ وقبيح وناقص بسبب احتوائه على وسائط عددها على الأقل 19 وسيطاً قابلاً للتعديل، وثلاثة نسخٍ شبه متطابقة من الجسيمات دون الذرية، ولا يحوي وصفاً للثقالة.

تعتبر نظرية الأوتار الفائقة أن النموذج المعياري لا يصف سوى النمط الاهتزازي الأدنى للأوتار. ومع هذا فإن النموذج المعياري كان نظريةً قيِّمةً على مدى عقود. ويمكن لاكتشاف الجُسيفات أن يشير إلى أول فشلٍ له في إعطاء شرحٍ كافٍ للعالم الكمومي الأمر الذي سيُطلق وابلاً من الاختبارات الجديدة التي يجريها الفيزيائيون التجريبيون الذين يسخرون في بعض الأحيان من نظرية الأوتار لأنها مغرقةٌ في التجريد. غير أن اكتشاف الجُسيفات لن يكون خاتمة المطاف لنظرية الأوتار. فبعض الفيزيائيين يُفسرون وجود الجسيمات الشبيهة بالجُسيفات دون اللجوء إلى الأوتار.

يمكن للمصادم الهادروني الكبير أن يدعم نظرية الأوتار بطرقٍ أخرى. فعلى سبيل المثال يمكنه خلق ثقبٍ أسود منمنم والذي تتنبَّأ به إحدى نسخ النظرية، وهو بدوره سيولد نوافير من الجسيمات دون الذرية الدلالية أثناء تحطُّمه. (يقول الفيزيائيون أن الثقب الأسود سيكون صغيراً إلى الحد الذي لن يشكل خطراً بابتلاع سويسرا وبقية الأرض). ومن الممكن أن يكون المصادم قوياً لدرجة أنه يستطيع اختبار إحدى أغرب التنبُّؤات التي تُقدِّمها نظرية الأوتار، التي تقول بوجود العديد من الأبعاد. فالنسخ الأخيرة من نظرية الأوتار تتنبَّأ بوجود سبعة أبعادٍ مكانية وراء الأبعاد الثلاثة التي نستطيع أن نستشعرها. ويمكن للتصادمات التي ستحدث في المصادم الهادروني الكبير أن تكون قادرةً على قذف الجسيمات دون الذرية إلى أحد تلك الأبعاد مخرجةً إياه من ملعبنا ثلاثي الأبعاد. إن الكتلة والطاقة المفقودتين، أو تواتج اضمحلال الجسيمات ذات الأبعاد الأعلى نفسها يمكن عندها أن تُكتشف بوساطة حساسات المصادم الهادروني الكبير.

اختبارات الثقالة في المختبر

هناك طريقةٌ مدهشةٌ وبسيطة لاختبار وجود الأبعاد الأعلى التي تتنبَّأ بوجودها نظرية الأوتار، هي البحث عن انحرافات قانون نيوتن للثقالة. فقد استنتج نيوتن أن الثقالة تتناقص مع مربع المسافة؛ الأمر الذي يعني أن مضاعفة البعد عن الأرض، على سبيل المثال، سيجعل الثقالة تنخفض إلى الربع. تنتشر الثقالة عبر أرجاء الفضاء الخالي، لهذا فإن خصائصها حساسةٌ لعدد الأبعاد التي تنتشر عبرها. فإذا ما كانت الأبعاد الإضافية التي تتنبَّأ بوجودها نظرية الأوتار موجودةً حقاً فإن بعضاً من الثقالة سيتسرَّب إلى هذه الأبعاد أيضاً. وسيكون بمقدورنا رصد هذا التسرب على شكل انحرافٍ طفيف عن نموذج التربيع العكسي الذي وصفه نيوتن.

لقد تم اختبار نظرية نيوتن بدقةٍ متناهية في نظامنا الشمسي وما بعده. وهو دقيقٌ جداً لدرجةٍ تجعلنا نستطيع أن نخبر مجساً فضائياً مثل كاسيني Casini عن الكيفية التي سيشق بها طريقه المتمعج خلال حلقات كوكب زُحل وهو على بعد بلايين الأميال عنا. ولكنه ووفقاً لنظرية الأوتار فعند الأبعاد الصغيرة من قبيل الملي متر يمكن للثقالة أن تنتقل عبر الأبعاد الأعلى بل وحتى إلى أكوانٍ موازيةٍ أخرى الأمر الذي سينجم عنه ازدياد في ضعفها.

منذ سنوات أجرى الفيزيائي جون برايس John Price وزملائه في جامعة كولورادو في بولدر التجربة الأولى للتحقق من وجود الأبعاد الإضافية بوساطة الثقالة. بنى الفريق جهازاً مبتكراً يتألَّف من قصبتين متوازيتين من التنغستين. إحداهما تهتز بمعدل 1000 هزة في الثانية مولدةً اضطراباً ثقالياً ضئيلاً ينبغي له أن يجر القصبة الثانية برقَّة. يمكن لحركة القصبة الثانية أن تدلَّ على الكيفية التي انتقلت بها الثقالة بين القصبتين.

لقد كان جهاز برايس حساساً للغاية فتمكن من قياس اضطرابٍ يقدَّر بجزءٍ من البليون جزء من وزن حبة رمل، لكن الباحثين لم يعثروا على أي انحراف عن قانون نيوتن في الثقالة عندما كانت القصبتين تبعدان عن بعضهما مسافةً لا تتجاوز 0.108 مليمتر. طوَّرت العديد من المجموعات البحثية اختباراتٍ لتقصِّي سلوك الثقالة عند المسافات المقاربة للمسافة السابقة. وحتى الآن لم تظهر أية إشارة من الأكوان الأخرى. (أو لعل التجربة بينت أنه لا يوجد أكوان موازية في كولورادو).

من المحتمل أن الأبعاد الإضافية لا يمكن أن تتبدَّى إلا عند المسافات الأصغر من ذلك؛ فنظرية الأوتار ما تزال مبهمةً نوعاً ما بخصوص هذه النبوءة. لهذا فإن علماء تجريبيين آخرين يسعون لاختبار قانون نيوتن للثقالة عند مسافات أصغر من حجم الذرة. يحاول عمر محي الدين من جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد Riverside أن يقيس التآثر بين كرةٍ صغيرةٍ من البوليسترين مغطاةٍ بالذهب مع صفيحة من الياقوت المغطاة بالذهب. والتآثر بينهما لا يُعزى إلى الثقالة فحسب بل أيضاً إلى الظاهرة الكمومية المسماة مفعول كازيمير Casimir Effect الناشئ عن وجود الطاقة الكامنة حتى في الفضاء الخالي. بدأ محي الدين بمحاولة قياس الثقالة عند مسافات تبلغ عدة مئات من النانومتر، وهو ما يعادل ألف ضعفٍ لقطر الذرة.

في حين أن فريقاً يقوده ريكاردو ديكَّا Ricardo Decca من جامعة إنديانا وجامعة بوردو قد طور مقاربةً بديلةً يمكنها أن تلغي مفعول كازيمير؛ وبالتالي ستقيس التآثر الثقالي مباشرةً. وقد أنهى مؤخراً تجربةً على المقياس النانوي تُقارن بين القوة التجاذبية بين كرةٍ مغطاةٍ بالذهب وبين عينات اختبارية من الذهب والجرمانيوم مغطاةٍ بطبقة مشتركة من الذهب. فبإجراء مقارنةٍ بين القوى الفاعلة على الذهب والجرمانيوم يمكن استبعاد دور مفعول كازيمير ويكشف عن أي مظهرٍ غير مرئيٍ من قبل للثقالة، الأمر الذي يقدِّم دليلاً على الأبعاد الإضافية التي تحدَّثت عنها نظرية الأوتار. ويخطط دِكَّا وزملاؤه لإجراء تجربةٍ مشابهةٍ لكن باستخدام صفيحتين قريبتين مصنوعتين من نظيري النيكل: النيكل-58 والنيكل-64 اللذين يتطابقان في صفاتهما الكيميائية لكنهما يختلفان في كتلتيهما بمقدار 10 بالمئة تقريباً. ولم تجد مجموعة دِكَّا حتى الآن أية إشارةٍ على وجود الأبعاد الأعلى، لكن النسخ المحسنة من الاختبارات ستكون خلال وقتٍ قصير قيد الإجراء.

البحث عن المادة الخفية

مثلما هو البحث عن أبعادٍ إضافية فإن البحث عن جسيمات قد لا يحتاج إلى مسرعاتٍ بحجم مدينة تكلفتها عدة بلايين من الدولارات. فقد أظهرت الدراسات الفلكية أن حوالي 23 بالمئة من الكتلة والطاقة الموجودتين في الكون تتكونان من مادةٍ خفية، وهي جسيمات لا يصدر عنها أي ضوء ونادراً ما تتآثر (تتبادل التأثير) مع المادة العادية فيما عدا التجاذب الثقالي. تُحيط هذه المادة غير المرئية بالمجرات وتبلغ عادةً أضعاف وزن المجرة ذاتها. ولا يعرف أحد ممَّ تتكون؛ غير أن نظرية الأوتار تتنبَّأ بوجود وفرةٍ من الجُسيفات وهي غير مرئية وذات كتلة كبيرة، وهي الخواص المميزة للمادة الخفية تماماً.

يبدو أن المادة الخفية تتخلل مجرتنا درب التبانة. فلو أنها تتكون من الجُسيفات فيلزم أن تكون في كلِّ مكان. وباعتبار أن كوكبنا الأرض يدور ضمن درب التبانة، فإن كوكبنا سيمر بشكلٍ دائم عبر رياحٍ غير مرئية من جسيمات المادة الخفية التي تخترق الكوكب وكلَّ ما عليه: جيرانك، غرفة معيشتك، وحتى جسدك.

تتسابق العديد من الفرق في إيطاليا وفرنسا والمملكة المتحدة واليابان والولايات المتحدة لالتقاط جسيمات المادة الخفية. ويعتمد العديد منهم على المواد عالية النقاوة مثل الزينون Xenon السائل وبلورات الجرمانيوم المبردة إلى درجات حرارة منخفضة وموضوعة في مناجم عميقة لحماية التجهيزات من الرذاذ المستمر من الجسيمات العادية التي تقصف الغلاف الجوي للأرض. في معظم الحالات ستعبر جسيمات المادة الخفية خلال المواد دون أن تصدم أي شيء ولهذا تُصبح غير قابلة للكشف. (في المقاييس الكمومية فإن الذرة في أعماقها تتكون من فراغٍ). لكنه في حالات نادرة يمكن لجسيمات المادة الخفية أن تصطدم مع إحدى الذرات. وسيُطلق الارتداد المفاجئ لنواة الذرة وابلاً من الجسيمات المشحونة كهربائياً التي يمكن أن تلتقطها الحساسات.

تُعتبر هذه المقاربة بسيطةً من حيث المبدأ لكنها عملياً دقيقةٌ جداً لأن العديد من الأحداث يمكن أن تتشابه مع جسيمات المادة الخفية. في العام 1999 أعلنت مجموعة من العلماء في جامعة روما أنها وجدت المادة الخفية في كواشفها، لكن غيرها من الفرق تشكك في النتائج عندما لم يتمكنوا من إعادة إجراء التجربة. وأجهزة الاستقصاء عن المادة الخفية بالاستعانة بعلم البرودة Cryogenic Dark Matter Search الواقعة في منجم سودان Soudan في مينسوتا هي حالياً أكثر حساسيةً من تجهيزات جامعة روما بحوالي عشرة أضعاف، ومع ذلك لم تلتقط أية إشارةٍ على الجسيمات التي اقتُفي أكثرها بإلحاح. 

حالما يتم التقاط أحد جسيمات المادة الخفية في المختبر فإن خصائصها يمكن أن تُحلل وتُقارن مع تنبُّؤات نظرية الأوتار. إن أحد المرشحين الرئيسيين للمادة الخفية يمكن هو النوترالينو neutralino وهو الجُسيف النظير للبوزونات حاملات القوى. تتنبَّأ نظرية الأوتار بأن النوترالينوات يمكن أن تكون قد نشأت وتلاشت فورياً بأعداد هائلة مباشرةً بُعيد الانفجار الكبير. وعندما تبرَّد الكون سبب انحرافٌ ضئيل عن التوازن نشوء المزيد من النوترالينوات أكثر من تلك المتلاشية مخلفةً الزيادة الموجودة حالياً. وتفيد الحسابات الأخيرة بأن النوترالينوات يمكنها أن تكون متوفرةً بعشرة أضعاف وفرة الذرات. وهذه الوفرة تتطابق مع كمية الطاقة الخفية المخمَّنة في الكون.

يثق معظم الفيزيائيين من أن الجسيمات التي نُشير إليها على أنها مادةٌ خفية سيتم الكشف عنها، سواءٌ أكانت هي الجسيمات التي تتنبَّأ بها نظرية الأوتار أم لا. ولكن ماذا لو أنه – وخلافاً لكل التوقعات – لم يتمكن أحد من التعرف على جسيمات المادة الخفية؟ بالنسبة لعلماء الكونيات، وكما هو بالنسبة للفيزيائيين، فإن هذا سيُحدث أزمةً فكرية، وعلى الرغم من أن نظرية الأوتار لديها تفسير آخر، وإن كان أقدم، لتقدمه. فمن المحتمل ألا يكون الجزء الخفي مكوناً من جسيمات غير معروفة في كوننا. ومن الممكن أنه يتكون من جسيمات تقبع خارج كوننا لكنها تحوم فوق رؤوسنا في أبعادٍ متوازية.

قيد يبدو هذا التفسير وكأنه مأخوذٌ من روايةٍ من روايات الخيال العلمي (وهي في الحقيقة تُشبه مبدأ عدم المرئية  الذي وضعه ويلز H. G. Wells في روايته الرجل الخفي The Invisible Man) لكنها تنتج في الحقيقة بشكل طبيعي من رياضيات الأبعاد الإضافية لنظرية الأوتار. تخيل لبرهة أن كوننا ذو بُعدين تماماً مثل قطعةٍ من الورق. والآن تخيَّل كوناً على شكل ورقةٍ أخرى يتوضع بشكلٍ موازٍ لكوننا. سنغفل عن الكون الآخر حتى ولو كان يبعد عنا مسافةً صغيرة؛ لأننا لن نتمكن من رؤيته لأنه لا توجد طريقة للإحساس أو الإشارة إلى اتجاه له بعدٌ إضافي يقود إلى الكون الآخر.

فلو أن كوناً آخر ثلاثي البعد مفصولٌ عنا بالأبعاد الإضافية فإننا وبشكلٍ مشابه لن نتمكن من رؤيته مباشرةً حتى ولو كان مجاوراً لنا. يُخمِّن القليل من الفيزيائيين مثل جو لايكن Joe Lykken من مختبر فيرمي الوطني وليزا راندول Lisa Randall من جامعة هارفارد بأن حالتنا في الكون الحقيقي هي تماماً مثل هذا. تتنبَّأ النسبية العامة لأينشتاين بأن الثقالة الناتجة عن المادة في الأكوان الأخرى ستتسرَّب إلى كوننا. وعليه يمكننا الشعور بشدِّ المادة التي لا يمكننا رؤيتها – وهذا تفسيرٌ آخر محتمل للمادة الخفية. ويمكن لهذا الشد غير المرئي أن يكون إشارةً إلى وجود الكون ذو الأبعاد الإضافية الذي تتنبّأ بوجوده نظرية الأوتار.

لقد لاحظ الفلكيون أن المادة غير المرئية تميل إلى التجمُّع حول المجرات مشكِّلةً هالةً كرويةً تمتد حتى عشرة أضعاف قطر المجرة المرئية. ومن المحتمل أن هذا يحدث بسبب شدِّ مجموعاتٍ ضخمة من المادة الظلية في الكون الموازي للمادة في كوننا مسبباً تشكُّل مجراتنا في مواضع مناظرة.

لا يوجد مقترحات مقنعة عن كيفية اختبار هذه الفكرة، لكن من الممكن أن يأخذها العلماء على محمل الجد إذا ما أسفرت جميع عمليات البحث عن المادة الخفية المتوضِّعة في كوننا عن لا شيء.

رياضياتٌ بحتة

على الرغم من الأفكار الجديدة والنشاط التجريبي فإنه من المحتمل ألا تجد أيٌ من هذه الاختبارات أي دعمٍ لنظرية الأوتار. فمن المحتمل أن يظهر الدليل فقط عند طاقاتٍ تتجاوز بكثير الإمكانات المتاحة بالتقانات الحالية. وقد تكون الطريقة الوحيدة لدراسة الأوتار مباشرةً هي إجراء تجارب عند سوية الطاقة المسمَّاة طاقة بلانك، وهي سوية من الطاقة لم تكن موجودة إلا في غضون   من الثانية الأولى بُعيد الانفجار الكبير.

وبالنسبة لأولئك الذين يرغبون في معرفة الأجوبة قبل موتهم فإن هذا الاحتمال مخيبٌ للأمل. ومع نفاد صبرنا للنتائج فإننا نميل إلى نسيان أن العديد من الأفكار العظيمة في العلم انتظرت لقرونٍ حتى تحظى ولو بتأكيدٍ غير مباشر. فقد تنبَّأ في عام 1783 الفلكي جون ميتشل John Michell بوجود نجومٍ لها كتلٌ كبيرة جداً لدرجة أنه حتى الضوء لا يستطيع الإفلات من ثقالتها الهائلة. وقد كانت نبوءته غير قابلةٍ للتصديق لأن هذا الجرم كان غير قابلٍ للرصد. وبعد مئتي سنةٍ بعد ذلك التاريخ قدَّم مقراب هابل الفضائي الدليل المذهل على كون الثقوب السوداء حقيقة وأنها شائعة الوجود – ليس عن طريق رؤية الثقوب السوداء بذاتها ولكن عن الكشف عن أقراصٍ من الغاز الحار التي تدور حولها.

تُقدِّم النظرية الذرية كذلك مثالاً على تأخُّر التأكيد. فالفيلسوف اليوناني ديمقريطس قد تنبَّأ بأن المادة تكون من ذرات في القرن الرابع قبل الميلاد. وفي عام 1906 وبعد مرور ما يزيد على ألفيتين أقدم الفيزيائي لودفيج بولتزمان Ludwig Boltzmann على الانتحار لأسباب يعود بعضها إلى أنه أُهين بشكلٍ قاسٍ لإيمانه بوجود الذرات التي لم يكن من دليلٍ مباشرٍ على وجودها. في حين أن مقدرتنا على رصد الذرات ومداولتها (منابلتها) بشكلٍ مباشر تعود إلى أقل من 20 عاماً.

بعض العلماء النظريين يعتقدون أن الحكم النهائي على نظرية الأوتار لن يأتي من التجرية أساساً، بل إن الإجابة ربما تأتي من الرياضيات البحتة. والسبب الرئيس لذلك أن التنبُّؤات التي تطرحها نظرية الأوتار غير مكتملة التعريف الأمر الذي يعني أن النظرية غير ناجزة بعد. والرياضيات التي تستند إليها نظرية الأوتار تم اكتشافها مصادفة من قِبل طالبين كانا في مرحلة ما بعد الدكتوراه وهما الإيطالي غابرييل فِنِزيانو Gabriele Veneziano والياباني ماهيكو سوزوكي Mahiko Suzuki اللذان كانا يعملان بشكلٍ مستقلٍ عن بعضهما البعض في عام 1968. وما انفكت النظرية تتطور على دفعات منذ أن انطلقت منذ ذلك الحين. وحتى أكبر المناصرين للنظرية يوافقون على أن النسخة النهائية منها لم تحدد بعد. وعندما يتم تحديدها سيكون من الممكن أن نصبح قادرين على إخضاعها لاختبارٍ رياضياتي.

فلو كانت نظرية الأوتار مكتملةً لأمكننا بالاستعانة بها حساب الخصائص الأساسية رياضياتياً للكون انطلاقاً من المبادئ الأولية. فعلى سبيل المثال سيكون عليها تفسير جميع الخصائص للجسيمات دون الذرية الشائعة بما في ذلك شحنتها وكتلتها وغيرها من الخواص الكمومية. كما ينبغي أن ينتج الجدول الدوري للعناصر الذي يدرسه الطلاب في صفوف الكيمياء عن النظرية مع جميع خصائص هذه العناصر بدقةٍ تامة. وإذا ما كانت الخصائص المحسوبة لا تتوافق والميزات المعروفة للكون فستكون نظرية الأوتار نظريةً تافهةً فوراً. أما إذا وافقت التنبؤات الواقعَ بدقةٍ فإن هذا سيُعتبر واحداً من أهم الاكتشافات في تاريخ العلم.

لقد صرَّح أينشتاين مرةً: ”إن المبدأ الخلَّاق يكمن في الرياضيات. لهذا أعتبر أنه التفكير المجرد – بمعنى من المعاني – يمكنه إدراك الحقيقة، تماماً مثلما حلُم القدماء“. وإذا كان هذا صحيحاً فإن بإمكان فيزيائيٍ مغامرٍ إثبات نظرية الأوتار قريباً. يمكن للبرهان المتماسك ألا يحتاج إلى سنين من الجهد وبلايين الدولارات، بل يمكن أن يأتي بدلاً من ذلك من الأدوات المغرقة في الأساسية للعلم: الورقة والقلم والعقل البشري.

عالم الأوتار عند المقاييس البالغة الصِّغر والتي تصغُر الذرة بقدرٍ كبير تتشكل المادة والقوى جميعاً من أوتارٍ مهتزة من الطاقة. على خلاف الوتر ثنائي البعد الظاهر هنا فإن الأوتار التي تُكون العالم دون الذري يُعتقد أنها تهتز في عشرة أبعاد. تُقدِّم هذه النظرية المفاجِئة وصفاً موحداً محتملاً لكامل الواقع الفيزيائي.

المفتوح والمغلق كما هي الحال في الأوتار العادية فإن الأوتار دون الذرية يمكنها أن تهتز على شكل جديلة مفتوحة (الشكل المجاور) أو على شكل عروة مغلقة (الشكل الأعلى). وفقاً لإحدى صيغ نظرية الأوتار فإن الثقالة الكمومية مُضمَّنة في الأوتار المغلقة، في حين أن المادة توصف بكلٍ من الأوتار المفتوحة والأوتار المغلقة. وتمثِّل الترددات (التواترات) الأعلى للاهتزاز طاقةً أكبر.

تصف هذه المعادلة التي شارك المؤلف في صياغتها الوتر في الأبعاد العشرة. ومن غير الممكن أن تكون نهائيةً لأنها لا تتضمَّن البعد الحادي عشر الذي يحتل مكاناً بارزاً في نظرية الأغشية (M-theory). وإذا تمكن الفيزيائيون من إيجاد نسخةٍ من هذه المعادلة تتضمن الأغشية وتصف الحقيقة الكمومية فسيكون لديهم النسخة النهائية من نظرية الأوتار، وربما كذلك المعادلة التي تصف الكون.

المؤطَّر:

من يدعم نظرية الأوتار؟

خلال تاريخها الممتد إلى أكثر من أربعين سنةً خلت، مرَّت نظرية الأوتار بثورتين رئيسيتين. أظهرت الأولى أن الأوتار تصف الثقالة والجسيمات وأنها خالية من التناقضات الرياضياتية. ووحدت الثانية النسخ المتعددة لنظرية الأوتار من خلال إضافتها البعد الحادي عشر. وفيما يلي بعضٌ من الباحثين الأساسيين الذين قادوا تطوُّر النظرية واستمروا في دفعها قُدُماً.

جون شفارتز John Schwartz من معهد كاليفورنيا للتقانة Caltech الذي أظهر أن نظرية الأوتار يمكنها وصف الثقالة الكمومية، مطلقاً بذلك أول ثورةٍ للأوتار الفائقة في عام 1984.

مايكل غرين Michael Green من كامبردج عمل مع شفارتز مؤسساً قابلية اعتماد نظرية الأوتار على أنها نظرية كل شيء.

ديفيد غروس David Gross من جامعة كاليفورنيا، سانتا باربارا ساعد في تطوير ”نظرية الأوتار المهجَّنة“ Heterotic String Theory في أواسط الثمانينيات. وحصل على جائزة نوبل في عام 2004 مشاركةً.

جوزيف بولتشينسكي Joseph Polchinski من جامعة كاليفورنيا، سانتا باربارا الذي أوضح أن الأغشية متعددة الأبعاد يمكنها توصيف أجسامٍ كبيرة مثل مجموعة من الأوتار المفتوحة.

إدوارد ويتِن Edward Witten من برينستون وكان القوة الدافعة وراء نظرية الأغشية M-theory التي نشأت خلال الثورة الثانية للأوتار الفائقة في أواسط التسعينيات.

بول تاونسند Paul Townsend من كامبردج طور بالتعاون مع ويتِن نظرية الأغشية، وهي نموذجٌ يحوي أحد عشر بعداً ويوحد بين أشكال متعددة لنظرية الأوتار.

كومرون فافا Cumrun Vafa من هارفارد وضع نظرية الأوتار على أساسٍ نظريٍ صلب في عام 1996 عندما ساهم في استخدامها 

سأستعرض معكم بداية مجموعة من المعلومات التي تساعد في فهم القاعدة العلمية التي بُني عليها جهاز قاطع الدورة: 

قاطع الدورة Residual-current device”RCD”  أو يُعرف أيضاً بـ Residual-Current Circuit Breaker (RCCB)  كما يُعرف في الولايات المتحدة وكندا باسم ground fault circuit interrupter (GFCI)  أوground fault interrupter (GFI)  أوappliance leakage current interrupter (ALCI)  إنه التطبيق العملي على قانون فارادي والذي ينص على: “ان القوة الدافعة الكهربية المستحثة تتناسب طردياً مع المعدل الزمني للتغير في الفيض المغناطيسي” وصيغته الرياضية على هذه الشاكلة:

 حيث ε هي القوة الدافعة الكهربية المستحثة بالفولت “V”.وN هو عدد اللفات في السلك. وΦ_B هو الفيض “التدفق” المغناطيسي بالويبر”Wb” عبر لفة واحدة.

وهذا شكل توضيحي للتجربة التي قام بها العالم فارادي لاكتشاف هذا القانون، كما أذكر بأن العالم فارادي كان يعمل في مطبعة للكتب ولكنه بعد ذلك عمل كمساعد للعالم ديفي في المعهد الملكي في انجلترا:

فكما ترون أحضر حلقة معدنية وقام بلف سلكين في طرفين متقابلين منها كما في الشكل (الشكل يشبه إلى حد كبير المحول الحديث الذي يُستخدم لتحويل فرق الجهد)، لقد كان يتوقع أنه بتوصيل التيار الكهربي بالجزء المتصل بالبطارية “مصدر القوة الدافعة الكهربية” ستنتقل حزمة من الكهربية عبر الحلقة لتصل للجانب الآخر من الحلقة، ولكنه حينما قام بتوصيل الجلفانومتر في الطرف الآخر لاحظ أنه تتولد قوة دافعة كهربية لحظياً عند غلق وفتح دائرة البطارية، وهذا بالطبع نتج عن التغيير الذي حدث في الفيض المغناطيسي نتيجة غلق وفتح دائرة البطارية.

كما توصل فارادي إلى نتائج مذهلة مكنته من توليد تيار مستمر (ثابت الشدة والاتجاه) عن طريق قرص مصنوع من النحاس يدور قرب قضيب مغناطيسي فيما يُعرف بـقرص فارادي أو قرص الدينامو أو Homopolar generator.

بهذا القدر الكافي من التوطئة العلمية ننتقل إلى الجهاز وفكرة وطريقة عمله وبالنسبة لتركيبه، فهو موضح في الشكل التالي:

1. مغناطيس، وقفل للفصل والتشغيل مع بعض الإلكترونيات المساعدة.

2. ملف ثانوي ينتقل إليه التيار ليتم اختباره، وبدوره يقوم بنقل الحث للحلقة.

3. حلقة لنقل الجهد وتسمى أيضاً قلب المحول (قرص ممغنط).

4. مفتاح الاختبار.

N خط التعادل neutral عبارة عن دائرة ميتة أي ليس بها تيار وهي تقاوم حدوث الصدمات الكهربية للإنسان وهي تختلف عن خط الأرضي أو ground وسنتحدث في ذلك بالتفصيل بإذن الله 

L خط الفازة live عبارة عن دائرة تيار متردد تمثل فرق بين الأرض والسلك.

مخطط لتركيب الجهاز على دائرة من النوع 3 طور “3 – Phase”

الهدف من الجهاز وفكرة العمل:

 

من المألوف أو من الطبيعي أن يكون المجموع الجبري لمتجهات التيار المارة بالملف الملفوف 5 تساوي صفر وهذا يوافق قانون كيرشوف لبقاء التيار (KlC) ولكن حينما يحدث أي تغيير في الجهد نتيجة ،مثلاً، شخص قام بلمس القابس هذا يُحدث تغير في اتجاه ومقدار التيار الراجع أو الخارج من الملف، فيكون الفرق بين الخارج والداخل ليس بالصفر، وهذا ما يستشعره الجهاز عن طريق ملف الحث sense coil رقم 6، بالنسبة لـ 1 هي مداخل التيار أو مداخل التحميل إن جاز التعبير و2 هي مخارجه، في الحالة العادية والطبيعية أن يكون التيار في خط التعادل مساو ٍ ومضاد في الاتجاه للتيار في خط الفازة، والمفتاح رقم 8 يقوم بالاختبار عن طريق تمرير تيار في السلك البرتقالي رقم 9 وهو يُستخدم للتأكد من سلامة الجهاز ، ولتجهيز الجهاز للعمل نقوم بالضغط على زر التجهيز rest رقم 3.

علاقة الجهاز بالفيوز وقواطع التيار الأخرى

قاطع الدورة صُمم -كما علمنا من قبل- لمنع الصدمات عن طريق استشعار نقص التيار في دائرته وقيمة هذا التيار المُستشعر أقل بـ من 5 إلى 40 ميللي أمبير عن التيار اللازم لتشغيل الفيوزات أو قواطع التيار العادية ، قواطع الدورة مجهزة لكي تعمل خلال من 5 إلى 40 ميللي ثانية قبل أن تصل الصدمة الكهربية elec. shock إلى قلب الإنسان .

في نهاية الموضوع أرجو أن يكون الله قد وفقني في سرد أهم الأشياء التي تتعلق بهذا الجهاز العبقري، الذي لا نهتم به في دولنا العربية، دمتم في عون الله ورعايته والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته.

كيف يعمل امان الكهرباء

قام مجموعة من الباحثين من جامعة ستانفورد بتصميم نظام شحن ذو كفاءة عالية تستخدم المجال المغناطيسي لنقل التيار الكهربائي لاسلكيا بين ملفين تفصل بينهما مسافة تقدر بعدة أقدام، هدف البحث على المدى البعيد هو شحن السيارات والعربات في الطريق لاسلكيا.

التقنية الجديدة لها الإمكانية على زيادة معدل قيادة السيارات الكهربائية بشكل كبير، ان نتائج البحوث قد نشرت في Applied physics letter. وقال احد الباحثين: “ان رؤيتنا هي إنك ستكون قادر على قيادة السيارة على الطريق السريع وتشحنها في نفس الوقت” وقال أيضاً: “أن هذه العملية تتطلب تجديد أنظمة الطرق السريعة ومن الممكن ان تكون هنالك تطبيقات أخرى لهذه الفكرة غير التنقل”.

معدل الشحن: نظام الشحن اللاسلكي سيخلصنا من اهم المشاكل التي نعانيها في شحن السيارات الكهربائية والتي أدت إلى استخدامها بصورة قليلة جداً، مثال على ذلك السيارات الكهربائية من شركة NISSAN التي تسير لأقل من مئة ميل لكل مرة شحن بصورة سلكية، كما أن بطارية السيارة تأخذ عدة ساعات لتشحن بصورة تامة.

إن نظام شحن السيارة أثناء القيادة سيتغلب على هذه المعوقات. والذي يجعل هذا المبدأ مثير للاهتمام هو إنك تستطيع القيادة لزمن غير محدود بدون إعادة شحن السيارة سلكيا. وقال المدير الإداري لـ (Stanford global climate and energy project) والذي مول البحث: “إنه من الممكن إنك ستمتلك طاقه مخزونة في بطاريه السيارة في نهاية رحلتك اكثر من الطاقة التي كانت موجودة في بداية الرِحلة”.

إن عملية نقل الطاقة لاسلكيا تعتمد على مبدأ توافق الرنين المغناطيسي. ملفان نحاسيان يضبطان بحيث تتم عملية الرنين عند نفس التردد، كما يحدث عند اهتزاز كأسين عند نغمة  معينة. إن المسافة بين الملفين عدة أقدام، احد الملفين مربوط لمصدر تيار كهربائي مما يؤدي لتولد مجال مغناطيسي يجعل الملف الثاني في حالة رنين، حيث ان دخول المجال المغناطيسي المتولد في الملف الأول إلى الملف الثاني يؤدي إلى تولد قوه دافعه كهربائية مستحثة في الملف الثاني والتي تعمل على شحن البطارية، إن هذا الرنين المغناطيسي نتج عنه تحول غير مرئي للطاقة الكهربائية عبر الهواء من الملف الأول إلى الملف الثاني.

تحول الطاقة اللاسلكي يتم فقط  اذا كان كلا الملفين على نفس التردد (TUNE)،حيث ان الأجسام المضبوطة أو المنغمة على غير تردد لا تتأثر.

في تجربة عام 2007 قام الباحثون في (Massachusetts Institute of Technology) باستخدام عملية الرنين المغناطيسي لإضاءة مصباح 60 واط، وكانت النتيجة انه يمكن نقل الطاقة بين ملفين يبعدان عن بعضهما 6 أقدام حتى لو كان جسم الإنسان أو أي عقبه موجوده بينهما.

 وكذلك تم التأكد من عدم وجود تأثير سلبي للمجال المغناطيسي على الجسم البشري اذا كان متواجد بين الملفين أو قربهما، وهذا مهم للسلامة البشرية.

الشحن اللاسلكي: قام باحثون MIT بأنشاء شركة لتقوم بتطوير نظام شحن قادر على الشحن اللاسلكي بطاقة (3 كيلو واط) لشحن السيارات المركونة في مواقف السيارات أو في الشارع ،وتساءل الباحثون في إمكانية تطوير النظام ليحول طاقة مقدارها 10 كيلو واط لمسافه قدرها 6 قدم. 

والآن نأتي لكيفية عمل النظام: سلسلة من الملفات موصولة إلى مصدر كهربائي (كلها مطمورة تحت سطح الشارع. والملفات الثانوية (موجوده في اسفل السيارة) تستقبل المجال المغناطيسي من الملفات الأولية (المطمورة تحت الشارع) وتحوله إلى كهرباء تقوم بشحن بطارية السيارة . 

مستقبل اللاسلكي: فريق الباحثون قدم الآن للحصول على براءة اختراع لنظامهم اللاسلكي. والخطوة القادمة هي الفحص المختبري للنظام ومن ثم تجربته في أجواء القيادة الحقيقية، والتأكد من عدم تأثير الإشعاعات على السائق والركاب والحيوانات والأجهزة الإلكترونية في السيارات.

كيف تعمل الكهرباء اللاسلكية

إن القـوة التي تمكن الطائرات من الطيران هي قوة ضغط الهواء تحت الأجنحة، حيث إن شكل الجناح دائما يميل إلى الأسفل من الجهة الخلفية مما يضطر الهواء بهذه الحركة المقصودة بالاتجاه إلى الأسفل مما يزيد من ضغط الهواء تحت الطائرة ولكن يبقى لكي تتطير الطائرة الحركة لكي يندفع الهواء تحت الجناح ويتكون الضغط الذي يرفع الطائرة بكل حمولتها.

 القوة الدافعة للطيران

إن القوة التي تمكن الطائرات من الطيران هي قوة ضغط الهواء تحت الأجنحة ولهذا نجد أن شكل الجناح دائما يميل إلى الأسفل من الجهة الخلفية مما يضطر الهواء بهذه الحركة المقصودة بالاتجاه إلى الأسفل مما يزيد من ضغط الهواء تحت الطائرة ويصبح ضغط الهواء تحت الطائرة أضعاف الضغط فوقها ولكن يبقى لكي تتطير الطائرة  الحركة لكي يندفع الهواء تحت الجناح ويتكون الضغط الذي يرفع الطائرة بكل حمولتها وثقلها في الجو بقدرة الله العلي القدير سبحانه.

 وظيفة محرك الطائرة

يعتقد البعض أن الطائرة تتمكن من الطيران بفعل محركها فقط ولكن الحقيقة إن المحرك كما أسلفنا يقتصر عمله فقط كعامل مساعد لعملية الطيران وهي الحركة أي تحريك الطائرة ليتولد عن ذلك قوة الرفع الهوائي. ويوجد في الوقت الحالي نوعان من المحركات هي كالتالي:

أولا: المحرك العادي

هو مثل محرك السيارة تماما مع الاختلاف في نوع الوقود أي انه يتكون من أسطوانات ويعمل بتفجير الوقود الأمر الذي يحدث حركة ينقلها ناقل الحركة إلى المروحة والتي بحركتها يحدث سحب للهواء للخلف الأمر الذي يحرك الطائرة إلى الأمام ويؤدي دفع الهواء السفلي إلى الطيران بقدرة الله تعالى.

ثانيا: المحرك النفاث 

هو يحدث حركة بسبب تفجير الوقود السائل وهو الأكثر انتشارا هذه الأيام وسبب حركة الطائرة هنا بفعل تفجير الوقود السائل الذي يحدث ضغط هائل للهواء عكس اتجاه الطيران مما يؤدي لحركة الطائرة بسرعة كبيرة تحدت قوة الرفع فتطير الطائرة.

ديناميكية قيادة الطائرة

كيف يتمكن الكابتن باستخدام عجلة القيادة من رفع الطائرة للأعلى و للأسفل ولليمين ولليسار والجواب كالتالي يوجد في جناحي الطائرة زعانف تحكم أو سمها أجنحة صغيرة ترتفع وتنخفض بشكل منفصل عن الجناح الرئيسي وهي تقع خلفية الجناح من الأعلى كما في الصور التالية:

القيادة بتحريك الطائرة للأعلى والأسفل

فإذا ما أراد الكابتن الارتفاع بالطائرة للأعلى فوق مستوى الطيران فإنه يسحب دراع السيطرة نحوه أي للخلف فتتحرك الجنيحات للأسفل مما يؤدي لزيادة ضغط الهواء تحت الطائرة  فترتفع الطائرة للأعلى عكس الأمر يحدث في نفس الوقت للزعانف الأفقية الخلفية حيث أنها ترتفع للأعلى دافعة مؤخرة الطائرة للأسفل الأمر الذي يساعد في ارتفاع الطائرة للأعلى. 

أما اذا كان يريد الاتجاه للأسفل فإن الكابتن يدفع دراع السيطرة للأما فترتفع الجنيحات للأعلى الأمر الذي يؤدي لرفع الضغط فوق الطائرة وخفضه أسفلها مما يجعل الطائرة تتجه للأسفل وعكس الأمر يحدث للزعانف الأفقية الخلفية حيث أنها تنخفض للأسفل الأمر الذي يؤدي لاتجاه مؤخرة الطائرة للأعلى مما يساعد في الاتجاه للأسفل.

الدوران المحوري لليمين واليسار

أما الاتجاه يمينا أو يسارا فإن الطيار يقوم بتحويل ذراع السيطرة في الاتجاه الذي يريد الاتجاه نحوه وهذا العملية تتم كالتالي إذا وجه الكابتن ذراع السيطرة نحو اليمين فإن زعانف الجناح الأيمن ترتفع للأعلى مما يجعل الجناح الرئيسي الأيمن ينخفض للأسفل بفعل ارتفاع الضغط فوق الجناح وفي نفس الوقت يحدث العكس للجنيح اليسار حيث ينخفض للأسفل مما يرفع الضغط تحت الجناح الرئيسي اليساري ويرتفع للأعلى وبهذا تميل الطائرة باتجاه اليمين وتبدا في الدوران باتجاه اليمين. وإذا ما أراد الاتجاه نحو اليسار يفعل عكس الأمر تماما.

 الدوران في المستوى الأفقي للطائرة

وأما الدوران باتجاه اليمين واليسار أفقيا فهو أسهل بكثير من الطريقة السابقة فيتم بتحريك الزعانف الرأسية الخلفية عن طريق الدواسات فعند الحركة باتجاه اليمين يضغط على الدواسة اليمنى يحرك الزعنفة باتجاه اليمين الأمر الذي يرفع الضغط يمين الطائرة ويقلل السرعة ويحرك المؤخرة لجهة اليسار وبالتالي تتحرك الطائرة يمينا. وفي حالة الدوران تجاه اليسار يقوم بعكس الفعل السابق فيحدث العكس.

في هذا المقال سوف نجيب بما يحضرنا من معلومات عن سؤال يطرحه دارسوا الفيزياء وغيرهم من طلاب العلوم الأخرى عن أهمية الفيزياء، أو لماذا يجب علينا دراسة مادة الفيزياء؟.

سوف أجيب عن هذا السؤال من خلال إجابة الأسئلة التالية: ماذا لو ألغينا تدريس مادة الفيزياء من مدارسنا وجامعاتنا؟ كيف لنا أن نتخيل عالم بلا فيزياء؟ كيف ستصبح حياتنا على الأرض بدون هذا العلم؟

أولاً: عدم دراسة هذا العلم يؤدي إلى جهلنا بالظواهر الطبيعية والكونية من حولنا، فلا نستطيع إدراك ماهية وكيفية وأسباب حدوث الزلازل والبراكين والأعاصير والفيضانات والعواصف وبالتالي عمل التدابير اللازمة لتلافي خطرها. 

الأرض بدون علم الفيزياء تبدو عديمة الفائدة، فلا يمكن الاستفادة من مواردها الطبيعية من مياه جوفية، ونفط اللذان يستخدمان أدوات تعتمد على مبادئ فيزيائية للكشف عنهما. وكذلك لا يمكن الاستفادة من الطاقة المتجددة الموجودة على الأرض مثل الرياح والطاقة الحيوية والطاقة الموجودة في أنوية العناصر الموجودة على الأرض.

 كما أنه سنبقى جاهلين بما يحيط الأرض من غلاف جوي الذي يجعل الأرض قابلة للحياة، والذي يتيح لنا معرفة الإشعاعات الكونية التي تحجب وتنفذ من خلاله، والذي يعطي سمائنا لونها المميز. ومن حقل جاذبية الذي يجعل من جميع مخلوقات الأرض ثابتة عليها، ومن حقل مغناطيسي الذي يحمينا بعد الله من الرياح الشمسية. 

علاوة على ذلك سوف نجهل حساب الأيام والشهور والسنين وحساب أوقات الصلاة بدقة، كل هذا ناتج من عدم معرفتنا بكيفية دوران الأرض حول الشمس ودوران القمر حول الأرض.

ليس هناك كون معروف إذا لم يكن هناك فيزياء. فبناء المناظير والمجاهر التي تسبر أغوار الكون يعتمد على مبادئ فيزيائية. وإطلاق الصواريخ، والرحلات الاستكشافية التي تهدف دراسة الكون وما يحتويه من كواكب وكويكبات ومذنبات ونجوم ومجرات وثقوب سوداء لا يمكن أن تصير بدون هذا العلم المهم. كما أن الكواكب التسعة المشهورة: عطارد، الزهرة، الأرض، المريخ، زحل، المشتري، نبتون، بلوتو، أورانوس، سوف تكون مجهولة لنا. 

 بدون دراسة هذا العلم تصبح الإجابة على السؤال الفطري المتجسد في كيف بدأ هذا الكون، وكيف سينتهي؟ شبه مستحيلة. كما أن هذا العلم نافذة للمؤمن ليتفكر في ملكوت السماوات والأرض، ويذكر الله كثيراً ويزداد خشية له.

ثانياً: كل تكنولوجيا الأمس واليوم وغداً مرتكزة على علم الفيزياء، ارتكاز الولد على والديه في بداية حياته. متى ما تطور علم الفيزياء كان هناك تطور في التكنولوجيا.

 فبدون علم الفيزياء سوف لن يكون هناك سيارات وقطارات وطائرات وسفن بحرية وغواصات التي تختصر المسافات وتقرب البعيد، وسوف نرجع للعصور الأولى التي تعتمد على الحيوانات في تنقلها من مكان لآخر. 

سوف نفتقد وسائل الاتصالات والمعلومات المسموعة والمرئية، مثل التلفاز الذي نعتمد عليه في معرفة أحوال الأمم الأخرى، وكذلك المدن الأخرى التي تقبع في نطاق دولتنا، كما أننا سوف نخسر مصدر من مصادر المتعة بخسارته. وسوف لن تكون معروفة لدينا كلاً من أجهزة الراديو، والهواتف الثابتة والنقالة. كما أننا سوف نفتقد عنصر تكنولوجي مهم ترتبط به الحياة المعاصرة ألا وهو الكمبيوتر أو الحاسب الآلي وتطبيقاته التي تهدف إلى تسهيل الحياة وخصوصا الإنترنت. 

علاوة على ذلك عزيزتي القارئة، عالم بلا فيزياء بالنسبة لكي يعني لا ثلاجة أو فرن غازي أو كهربائي أو مكواة أو مايكروويف أو غسالة كهربائية، أو إنارة تهديك إلى ما تريدين في ظلمات الليل بمعنى آخر سوف تكون حياتك صعبة جداً مليئة بالمهمات الشاقة، لذلك تقربي إلى الله بحمده على وجود هذا العلم.

ثالثا: عدم وجود علم الفيزياء في هذا العالم يعني عدم ظهور علوم أخرى أو تطورها مثل: الكيمياء، الهندسة بأنواعها، الحاسب الآلي، الرياضيات. نفهم من ذلك أن علم الفيزياء علم أساسي يعتمد على وجوده وتطوره علوم أخرى مهمة. 

أخيراً: مما سبق يتضح لنا أهمية علم الفيزياء وأنه القاعدة الأساسية للعلوم الأخرى، وأنه يندرج تحت تطوره تطور عالمنا الذي نعيش فيه. فحري بنا أن نهتم بهذا العلم ونعطيه حقه من الدراسة والبحث، كما تفعل الدول المتقدمة علمياً والمتطورة تكنولوجياً. 

فيزياء المعادن علم من العلوم التطبيقية والأكاديمية الهامة للمجتمع العلمي العالمي وهي فرع من فروع الفيزياء الحديثة والمعاصرة التي تحدد وتبحث في مفهوم فيزياء العوازل الكهربائية وفيزياء أشباه الموصلات وفيزياء المعادن وهي تعتبر فرع من فروع علم فيزياء الجوامد، فعلم فيزياء المعادن الحديث يعتبر من العلوم التي تهتم بالنظرية المجهرية “الميكروسكوبية ” التي توضح خواص المعادن المميزة  للبنية التركيبية الذرية  للمعادن وسبائكها المعدنية ولذلك يهتم بالمفاهيم العلمية لعلم الديناميكا الحرارية ونظريات الميكانيكا التقليدية والتي تعرف بالميكانيكا المستمرة أي المتواصلة والمجالات العلمية الأخرى المتعلقة بالفحص المجهري للبنية التركيبية ومنها تحديد الخواص الحقيقية للمواد المعدنية ولا ننكر في هذا المقام من المجهودات العلمية الموثقة والفحوصات التي تمت خلال القرن التاسع عشر من أجل تحديد ودراسة الخواص الفيزيائية والكيميائية للمعادن والسبائك المعدنية لما كان لها من أهمية صناعية كمواد إنشائية، ولكن اليوم من خلال النظريات العلمية الحديثة والمعاصرة في مجال البنية الذرية وفيزياء الكوانتم والروابط الكيميائية وتركيز إلكترون التكافؤ فأصبح الآن لدينا تصنيف جديد للمواد أشير إليه هنا باختصار شديد وهي أن المواد تصنف إلى مواد إنشائية ومواد وظيفية فعالة ومواد ذكية بارعة ولذلك من خلال هذا التصنيف المعاصر نحتاج إلى تقنيات علمية  فائقة  الدقة والإنتاج وكيفية إنتاج مواد بخواص مرغوبة أي كيف نفصل هذه الخواص طبقا لما هو مطلوب، من خلال هذه التقنيات البارعة فهي التي أدخلتنا لعالم تكنولوجيا التصغير “تكنولوجيا النانو” والتي أدت إلى مفهوم جديد أدي لإنتاج عقول منمنمة من الأدوات المعاصرة التي تحاكي العقول البشرية وتتعايش  معها في تناسق وتناغم.

اسمحوا لي أن أبدأ في هذا المقال بأحد المفاهيم العلمية والتكنولوجية في علم فيزياء المعادن المعاصر وهي المتراكبات المنمنمة لسبائك اللحام الخالية من الرصاص.

النواحي الاقتصادية العالمية والضغوط البيئية المحيطة بعالمنا من التلوث المسبب أضرار للبشر أكدت علي أن لا يستخدم الرصاص أو بمعني آخر أن يستبعد الرصاص تماما من سبائك اللحام وتستبدل بسبائك اللحام خالية من عنصر الرصاص في الصناعات الإلكترونية وبالفعل حاليا تم استخدام سبائك لحام خالية من الرصاص كبدائل آمنة لسبائك اللحام والتحميل وقد استغلت استغلال بمفهوم علمي وتكنولوجي للوصلات الميكانيكية والكهربائية بين المكونات الإلكترونية وألواح الدارة المطبوعة وفي التطبيقات التكنولوجية في الفضاء، والغرض الرئيس لهذا المقال عرض أهمية إنتاج سبائك لحام خالي من الرصاص بأن ينتج من متراكبات منمنمة مسلحة أي مدعمة بأنواع مميزة من المركب البيني المعدني بالإضافة إلى خلوه من الرصاص الملوث للبيئة.

المتراكبات هي مواد متراكبة متحدة متفاعلة ومتناسقة من نوعين في تناغم أحدهما يطلق عليه الأساس أو الركيزة والآخر هي المادة المضافة لإعطاء الصفة المميزة والمرغوبة ومن الأفضل أن تكون منمنمة لإعطاء التميز،” ومن أمثلة هذه الأنواع في الحياة نجد العظم فهو متراكب من مادة منمنمة أي علي مستوي تدريج النانو من هيدروكس الأباتيت مسلحة بمادة عضوية علي هيئة ألياف من الكولآجين وكلاهما أعطت للعظم خواصه المميزة التي نتعايش به”، ولنجاح هذه المتراكبات في مجال سبائك اللحام الخالية من الرصاص يجب أن يكون كل من الركيزة والمادة القائمة بالتسليح أن يكون بينهما تناغم وتناسق لتلك المادة الأم أو الركيزة وتتميز بوظائف مميزة وبارعة مثل أن يكون لديها قوة الربط والتناسق ويكون لها صفة التماسك والتلاصق الشديد للمادة التي تقوم بالتسليح وتكون متفاهمة من حيث الارتباط والتناسق بحيث اذا تعرضت المادة التي تقوم بصفة التسليح لأي خدش أو تصدع أو انشقاق فتعمل الركيزة علي عدم انتشاره في المادة المسلحة بل تقوم علي إيقافه في الحال لاستمرارية الجودة والأداء العالي ومن احدي الوظائف الهامة للركيزة بأنها ترتبط ارتباطا قويا بالمادة المسلحة وكيفية تحويل أي جهد يقع عليها إلى المادة المسلحة التي تتميز بالمتانة الميكانيكية والأداء العالي كما أن تتميز الركيزة بحماية المادة التي تقوم بالتسليح من أي أضرار تقع عليها وخاصة الخدوش السطحية.

واليوم في المجتمعات العلمية انتشر إنتاج مثل هذه الأنواع من المتراكبات لسبائك اللحام الخالية من الرصاص وأصبح دستور المجتمع العلمي التكنولوجي هو متطلب هام في مجال صناعة الأجهزة الإلكترونية الدقيقة والمنتشرة في العالم  لإنتاج متراكبات لسبائك اللحام الخالية من الرصاص، فهذا نداء قومي لشباب العلماء أن ينتج سبائك لحام خالي من الرصاص ومتراكبات اللحام خالي من الرصاص مكون من القصدير وعناصر أخري خالية من الرصاص ويتميز بخصائص سبائك اللحام التقليدية بل أقوي ويتميز بالخواص المرغوبة لما هو متطلب للصناعات الإلكترونية المستخدمة عالميا، لذلك فإننا نحتاج لفكر علمي تكنولوجي مبدع وتقنية ابتكارية تؤهلنا للإبداع، ويعتبر هذا المقال مدخل من احدي المداخل الابتكارية  لعلم فيزياء المعادن الحديث والمعاصر.

قد تندهش لو أُخبرت أن أحدهم تنبأ بالصعود على القمر قبل حدوث ذلك فعليا بعشرات السنين ،قد تملؤك الحيرة لو علمت ان الأخر قد وضع رسومات للطائرة الهليكوبتر والمدافع قبل اختراعها بمئات السنين. قد تتساءل ما بال هؤلاء القوم؟! وكيف يستطيعون فعل هذا!؟ كيف يفكرون في هذا قبل حدوثة…والإجابة سهلة……أسهل مما تتخيل.

هل صادفت في يوم – أو بالأحرى صادفتك –  فكرة غريبة غير مألوفة بعيدة عن الواقع بعد السماء عن الأرض؟! هل جال ببالك خاطرة قد يحتقرك الناس لو سمعوا ان عقلت سمح لك بالتفكير فيها؟ بالتأكيد ستكون إجابتك نعم فالإنسان دائم الحلم.. وهناك في حياة كل واحد منا لحظات يخرج بها عن واقعه وحياته المليئة بالمشكلات والالتزامات ليهيم في ملكوت السماوات وبحار الأرض بعقله، يركب سفينة خياله ويذهب للقمر ومن ثم إلى الشمس ثم يعود ليغوص داخل جسده ويتجول في أحشاءه… يتخيل ماذا يحدث في داخله من تفاعلات وموت للخلايا وولادة أخرى…. يحاول فهم ظاهرة ما حيرت العلماء….. أو يتنبأ بما سيكون عليه المستقبل.

وليس بالضرورة أن يكون هذا هو تفكير كل شخص، فكل منا له صحاري فكره التي يتجول فيها كما يبغي… لا يحد خياله حد.. فهو خيال ….مجرد خيال. ولكن سرعان ما يعود الإنسان لواقعه ويصطدم بمشكلات حياته التي تدفن كل هذه الأفكار وليس هذا فحسب بل يساعدها- أي المشكلات- الشخص نفسه في دفن تلك الأفكار بل ويحتقر عقله الذي أوصله لهذه الدرجة من الخيالية والبعد عن الواقع والحياة…. هذا هو الفرق بين المبدعين والخاملين…. العباقرة ومحتقري الذات.

يقول دكتور مصطفى محمود في كتاب لغز الموت: “العرف والتقاليد والأفكار الجاهزة تطمس الأشياء المبتكرة فينا وتطمس الذات العميقة التي تحتوي على سرنا وحقيقتنا، ونمضي في زحام الناس وقد لبسنا لهم نفسا مستعارة من العادات والتقاليد لتعجبهم”.

فهناك بعض المجتمعات تتمسك بالأفكار التقليدية والموروثة حتى بالنسبة للآراء العلمية – وإن خفت حدة هذا التشبث في عصرنا الحالي بسبب انتشار التعليم بشكل ملاحظ في العالم ولأن العلم يثبت في كل يوم من الأيام عدم صحة ثبوت المبادئ والمتوارثات العلمية منها خاصة- ما يثني الشخص عن أي محاولة لتطبيق أو على الأقل اعتناق فكرة تخالف المألوف، فهذا جاليليو قد حوكم بسبب قوله أن الأرض هي التي تدور حول الشمس والذي يتناقض مع رأي الكنيسة في ذلك الوقت، (ذكرها الكاتب أنيس منصور في كتابه أعجب الرحلات في التاريخ) وها هو أحد رجال الدين – عند اختراع القطار عام 1830- يقول “إن هذا القطار ضد الدين …. الناس قد أصابهم الغرور…. لأن القطار لم يرد في الكتاب المقدس ومعنى ذلك أن الإنسان يعرف أكثر مما يعرفه الأنبياء”. فليس معني أن فكرتي ليست مألوفة أن تكون مستحيلة التحقق، فهناك مئات بل لا أبالغ إن قلت الأف الأفكار التي كانت مستحيلة- في نظر المجتمع والعرف والمألوف- والتي بعد ذلك غيرت وجه العلم تغييرا جذريا وألغت العديد من المفاهيم الفيزيائية والرياضية والتي كانت بمثابة الثوابت التي لا يمكن الخوض أو مجرد التفكير في الخوض فيها.

فها هو أينشتين بنظريته النسبية التي قلبت القوانين الفيزيائية رأسا على عقب وأثبتت خطأ الكثير منها ، فهنالك بعض النتائج التي أفرزتها النسبية لم يستسيغها- أو لم تسمح لهم عقولهم باستساغتها- العلماء والأشخاص العاديين حتى وقتنا هذا فمثلا هناك مبدأ تباطؤ الزمن ففي النسبية يتباطأ الزمن كلما اقترب الفرق في السرعات بين الأجسام إلى سرعة الضوء حتى إذا وصل إلى سرعة الضوء فإنه يتوقف تماما ، فلو افترضنا أن هناك توأمان كانا في سن العشرين انطلق أحدهما إلى كوكب ما بسرعة قريبة من سرعة الضوء ، فعندما يصل إلى الكوكب ويعود مرة أخرى للأرض فإن عمره مثلا سيكون 33 سنة بينما سيجد أن توأمه قد أصبح عمره 60 سنة (هذا الفارق في العمر يعتمد على مدى قرب هذه المركبة من سرعة الضوء).!… اسأل نفسك…هل تصدق هذا الكلام أو بمعنى اخر “هذا الهذيان”؟

ببساطة…إذا لم تصدق – وأنا أعذرك- فهذا هو قيد العادات والأفكار والقوالب الجاهزة للتفكير والاستنباط ..ستتساءل ..كيف يمكن لهذا أن يحدث ؟!ما هذه الهراءات؟!….. ولكن المفاجأة أن هذا الكلام صحيح مائة في المائة بل قد أثبت بالمعادلات الرياضية والبراهين التي لا يتسع المقام لذكرها.

هنا يكمن لب الموضوع …هنا المفارقة….هل تعرف كيف بدأت هذه النظرية في عقل أينشتين؟.. كان أينشتين يركب قطارا يمر من أمام برج به ساعة عندما انطلق القطار نظر أينشتين إلى الساعة وقال لنفسه ماذا لو تحرك القطار بسرعة الضوء . ببساطة ستبدو الساعة كأنها واقفة لان شعاع الضوء الذي ينقل الصورة عندما سيسقط على الساعة وينعكس على عينه سيكون القطار   قد تحرك مسافة لن يستطيع الشعاع أن يلحق به وستظل صورة الساعة ثابتة بالنسبة له…. بهذه الفكرة البسيطة ولدت نظرية قلبت مفاهيم الفيزياء.

سئل أينشتين عن سر عبقريته فقال إنه يطرح الأسئلة التي يطرحها الأطفال فقط… كيف لو تسابقنا مع الضوء مثلا؟ تحرر أينشتين من قيد المألوف وحاول الوصول لما لم يصل إليه من سبقه فبفضل فكرة طفولية وأتته في لحظة تجلي وصل إلى مرتبه من العلم قلما يصل إليها عالم.. مثله مثل نيوتن الذي لم يأكل التفاحة التي سقطت عليه بل سئل نفسه لماذا تسقط لأسفل ولا تذهب لأعلى….ومنها اكتشف الجاذبية الأرضية؟!

الخلاصة هنا أن الفرق بينك وبين أينشتين – إلى جانب الموهبة الفطرية –  هو عدم التقيد بقالب معين ملزم من الفكر يجبرنا على دفن أفكارنا بحجة أن المجتمع لن يقبلها كونها فكرة غير مألوفة أو مجنونة أو غير قابلة للمثول على أرض الواقع. من هنا جاءت حتمية تحرر الأفكار من هذه القيود لنستطيع مواكبة العالم من حولنا ومجابهة أعدائنا بهذا السلاح الذي لابد له من ذخيرة…العلم. فاكسر قيود أفكارك وحطم أغلال خواطرك. أطلق أفكارك في عنان السماء وبواطن الأرض… فتش في مكنونات عقلك…..ابتكر وجرب واخطأ …

جاء ذكر الذرة في القرآن الكريم في ستة مواضع، حيث أشار القرآن إلى أنها ذات ثقل ووزن، وإلى أنه يوجد ما هو أصغر منها، كما تحدث عن مواضعها، وكيف أنها تشغل السماوات والأرض، قال تعالى: 

{إِنَّ اللهَ لاَ يَظْلِمُ مِثْقَالَ ذَرَّةٍ وَإِن تَكُ حَسَنَةً يُضَاعِفْهَا وَيُؤْتِ مِن لَّدُنْهُ أَجْرًا عَظِيمًا} (النساء: 40).

{وَمَا يَعْزُبُ عَن رَّبِّكَ مِن مِّثْقَالِ ذَرَّةٍ فِي الأَرْضِ وَلاَ فِي السَّمَاءِ وَلاَ أَصْغَرَ مِن ذَلِكَ وَلاَ أَكْبَرَ إِلاَّ فِي كِتَابٍ مُّبِينٍ} (يونس: 61). 

{لاَ يَعْزُبُ عَنْهُ مِثْقَالُ ذَرَّةٍ فِي السَّمَاوَاتِ وَلاَ فِي الأَرْضِ وَلاَ أَصْغَرُ مِن ذَلِكَ وَلاَ أَكْبَرُ إِلاَّ فِي كِتَابٍ مُّبِينٍ} (سبأ: 3). 

{قُلِ ادْعُوا الَّذِينَ زَعَمْتُم مِّن دُونِ اللهِ لاَ يَمْلِكُونَ مِثْقَالَ ذَرَّةٍ فِي السَّمَاوَاتِ وَلاَ فِي الأَرْضِ وَمَا لَهُمْ فِيهِمَا مِن شِرْكٍ وَمَا لَهُ مِنْهُم مِّن ظَهِيرٍ} (سبأ: 22). 

وقوله تعالى {فَمَن يَعْمَلْ مِثْقَالَ ذَرَّةٍ خَيْرًا يَرَهُ وَمَن يَعْمَلْ مِثْقَالَ ذَرَّةٍ شَرًّا يَرَهُ} الزلزلة: 7،8). 

وكلمة الذرة في اللغة العربية نسبة إلى نوع ضئيل الحجم جدا من النمل يطلق عليه النمل الأحمر، وهو أصغر أنواع النمل، وتطلق على ما يُرى من هباء، والجسيمات الدقيقة التي تبدو لنا في أشعة الشمس عندما تدخل من النافذة أو أي ثقب ضيق. 

والمعنى البياني المقصود بها في الآيات هو التصغير والتقليل، إلا أن الآيات تظهر أن هناك ما هو أصغر من الذرة، وهى حقيقة علمية. 

الذرة وحدة بناء الكون

قال الإمام علي رضي الله عنه (إذا شققت الذرة وجدت فيها كوناً(

ساد في القدم الاعتقاد بأن الذرة تعني الجوهر الذي لا يتجزأ إلى ما هو أصغر. وقد ظل هذا الاعتقاد قائمًا حتى عام 1789، عندما عثر العالم الألماني “مارتن كلابروث” على عنصر يصدر ومضات ضوئية في الظلام، لكنه لم يتمكن هو أو غيره من العلماء من وضع تفسير لهذه الظاهرة الغريبة. وتكريما لكوكب يورانوس أو أورانوس الذي كان قد اكتشف في نفس التوقيت أطلق عليه اسم “يورانيوم”. 

مضى قرن من الزمان والمادة الجديدة في عزلتها كما لو كانت أعجوبة في معامل الأبحاث، حتى استطاعت العالمة البولندية ماري كوري اكتشاف عناصر الثوريوم والبولونيوم والراديوم، وبذا تأكدت ظاهرة النشاط الإشعاعي الذاتي لبعض العناصر الموجودة في الطبيعة. 

استفاد رذرفورد أبو الطاقة الذرية من هذه الظاهرة في دراسة تركيب الذرة، وقد عرف فيما بعد أن المواد المشعة تقذف بجسيمات يطلق عليها “ألفا” أو إشعاع بيتا وجاما؛ وفكر رذرفورد فيما سيحدث لو قام بتعريض رقاقة من الذهب لمصدر يقذف بجسيمات ألفا. وقد كان من المتوقع أحد احتمالين: الأول أن تنفذ جسيمات ألفا من رقاقة الذهب مخترقة إياها، أو أن تنفذ بداخلها وتستقر بها محدثة بعض التغييرات في تركيبها. ولكن كانت المفاجأة في نتائج التجربة.. 

 

ففي الوقت الذي نفذ فيه عدد كبير من جسيمات ألفا خلال الرقاقة دون أن تغير من اتجاهها انحرف البعض بزاويا مختلفة، كما ارتد البعض الآخر عائدًا للخلف. وقد استغرب رذرفورد النتائج، وعلق عليها قائلا: “لقد كان الأمر غريبا، تمامًا كما أطلقت قذيفة من عيار 15 بوصة على ورقة رقيقة، فلم تنفذ خلالها، وإنما ارتدت إليك لتصيبك”. 

وبعد تفكير عميق استنتج أن الظاهرة تعود إلى أن جسيمات ألفا موجبة الشحنة قابلت في طريقها في رقاقة الذهب جسمًا آخر له نفس الشحنة؛ وهو ما يعد تطبيقًا لقاعدة علمية؛ مفادها أن “الأجسام متشابهة الشحنة تتنافر، والأجسام مختلفة الشحنة تتجاذب”. 

واستنتج رذرفورد أن كتلة وشحنة هذا الجسم الموجود داخل نطاق ذرات الذهب كانتا كبيرتين ومركزتين جدًا؛ لدرجة أن جسيمات ألفا قد انحرفت جانبا، بل وإلى الخلف على الرغم من سرعتها الكبيرة التي تصل لحوالي 20 ألف كم في الثانية. 

وبعد سنتين من البحث تم فيهما قذف كل مكان محتمل بالذرة، تم التأكد من صحة الاستنتاج، وقد أطلق على هذا الجزء “النواة”، وتبين أنها تشغل حيزا صغيرا جدا داخل الذرة، إلا أنها تتركز فيها غالبية كتلتها، وكان هذا أول باب يفتح أعين العلماء على أن الذرة تتألف من مكونات أصغر، ولكن يبقى السؤال: 

ماذا يشغل الجزء الباقي من الذرة؟ 

عالم من الفراغ ؟

تتخذ الجزيئات أشكالاً هندسية :

توصل العالم البريطاني ج.ج. طومسون قبل اكتشاف رذرفورد إلى أن هناك جسيمات دقيقة تحمل شحنة سالبة أقل كثيرًا من كتلة الذرة، مسئولة عن توصيل وحمل الكهرباء، أطلق عليها مصطلح “الإلكترونات”. ومن ناحية أخرى تبين أن النواة ذاتها تستمد شحنتها الموجبة من جسيمات أخرى بداخلها تعرف بالبروتونات، وهي جسيمات يعادل كتلة الواحد منها كتلة الإلكترون 1836 مرة. 

وكان شادويك الفيزيائي الإنجليزي هو الآخر قد قام في عام 1923 بقذف معدن البريليوم بطلقات من جسيمات ألفا؛ حيث كانت المفاجأة انطلاق دقائق لها كتلة غاز الهيدروجين، ولا تحمل أي شحنة كهربية، وقد أطلق على هذه الدقائق اسم النيوترونات؛ وهو ما يعني “الدقائق المحايدة”. وبذلك يكون شادويك قد أزاح الستار عن مكون جديد من مكونات الذرة. 

وفي ضوء هذه الكشوفات اكتملت صورة جديدة للذرة في ضوء العلم الحديث؛ حيث قدر العلماء قطر الذرة بأنه يبلغ 10^8 سم(10 مرفوعه لأس -8)، ويقع في مركزها نواة موجبة الشحنة تتركز فيها معظم كتلة الذرة، وذلك على الرغم من الحجم الصغير جدا الذي تشغله؛ حيث يقدر حجمها بـ10^13، وبالمقارنة بالحجم الكلي للذرة يتضح أنها تشغل حيزا يبلغ 1: 100000 من حجم الذرة. 

وتتكون النواة من نوعين من الجسيمات الصغرى؛ هي البروتونات موجبة الشحنة، والنيوترونات وتحمل شحنة متعادلة؛ لذا فإن النواة هي الأخرى موجبة الشحنة. وتبلغ كتلة البروتون الواحد (1.673× 10-24) جم، بينما تبلغ كتلة النيوترون (1.675× 10-24) جم، وهنا تبرز الحكمة الربانية في اقتران مصطلح “الذرة” بلفظة “مثقال” في كل الآيات التي وردت بها؛ فعلى الرغم من الصغر المتناهي لمكونات الذرة؛ فإن لكل منها وزنا محددا. وتدور حول النواة جسيمات متناهية في الصغر ذات شحنة سالبة تعرف بالإلكترونات. 

الذرة تتألف من دقائق صغرى 

يجدر الذكر إلى أن بنية كل الذرات الموجودة في الكون واحدة، إلا أنها تختلف باختلاف عدد البروتونات داخلها، وتؤلف الذرات فيما بينها الجزيئات المادية. 

وتتألف مكونات الذرات والجزيئات التي تعد النواتج النهائية لعملية الخلق من دقائق صغرى، تعرف بـ”الجسيمات دون الذرية” أو “الجسيمات الأساسية”، ويحلو للبعض أن يطلق عليها “بذور المادة”؛ حيث تعد لبنات البناء المشتركة لكل مادة الكون. وقد انبثقت هذه الجسيمات خلال اللحظات الأولى من عمر الكون مع حدوث الانفجار العظيم. 

وربما يدهش الغالبية إذا علموا أن حبة مفردة من السكر أو الرمل بها عالم خفي يمتد لأبعاد سحيقة لا يعلم مداها إلا الله.

 وقد توصل العلم الحديث باستخدام المجهر الإلكتروني إلى أن هذه الأشكال المفردة من المادة تتألف من بلورات منتظمة ثلاثية أو رباعية وما هو أكثر من ذلك، بعضها يكون على شكل الهرم أو المثلث أو المربع أو نجمة سداسية أو ثمانية وما إلى ذلك من الأشكال العجيبة والمتفردة. 

وفي حين يعتقد أن الإلكترونات من الجسيمات الأولية -أي أنها لا تتألف من جسيمات أصغر- فإنه قد تأكد للعلماء خلال الأربعين سنة الماضية أن البروتونات والنيوترونات تتألف من جسيمات أصغر أطلق عليها الكواركات. وعند التعامل مع جسيمات على مستوى الكواركات نكون قد دخلنا نطاقا جديدا من الأحجام هو 10-15 من السنتيمتر، أو ما يطلق عليه الفيمتو.. فسبحان الله خالق الكون والملكوت

لعلنا جميعاً نملك جهاز جوال أو كمبيوتر لوحي، وأكثر الأمور التي نهتم لها هي قدرة التخزين في هذه الأجهزة أو ما نطلق عليه ذاكرة التخزين أو الأسطوانة الصلبة Memory and Hard Disk  ففي الحاسب اللوحي لا نجد أسطوانة صلبة من النوع التقليدي المستخدم في الحاسوب التقليدي. فلا نسمع له صوت ولا يتمتع بقدرات تخزين مرتفعة. فهو من النوع الجامد الغير متحرك Slid State.

يعود مصطلح الحالة الصلبة Solid Sate إلى توصيلات في الدوائر الكهربية المبنية كلياً من أشباه الموصلات والمصنوع منها تقريباً، كل قطعة إلكترونية وجهاز إلكتروني نستخدمه في حياتنا اليومية. يتم بناء الأسطوانات الصلبة SSD من أشباه الموصلات وبدون الاعتماد على المغنطة وإعادة المغنطة كما هو الحال بالأسطوانات الصلبة التقليدية Hard Disk Drive. وتسمي بالصلبة لعدم وجود قطع ميكانيكية متحركة فيها مثل رأس القراءة الموجود في الأسطوانات المغناطيسية التقليدية.

قد يجول بخاطرك أن هذه التقنيات موجودة بالفعل في أقلام التخزين Flash Disk. هذا جزئياً صحيح حيث يستخدم قلم التخزين والأسطوانة الجامدة شرائح ذاكرة غير متطايرة لا تفقد محتوياتها عند فصل التيار الكهربي. ويكمن الاختلاف في شكل التصنيع وقدرة التخزين. حيث يتم تصميم وتصنيع أقلام التخزين للاستخدام المتنقل الخارجي، بينما يتم تصنيع الأسطوانات الصلبة للتثبيت داخل أجهزة الحاسوب بدلاً من الأسطوانات الصلبة المغناطيسية.

يتم التصنيع الأسطوانة الصلبة بحيث تظهر من الخارج بنفس شكل الأسطوانة المغناطيسية وبنفس الأبعاد القياسية المتعارف عليها وبنفس الوصلات المستخدمة في الأسطوانات الصلبة. مما يسمح بتثبيتها داخل الجهاز بسهولة.

مزايا الأسطوانات الجامدة

– استهلاك طاقة أقل حيث تستهلك هذه الأسطوانات كمية أقل من الطاقة مما يساعد في بطارية تدوم أكثر في الأجهزة المتنقلة مثل اللاب توب والحاسب اللوحي مثل IPAD

– استرجاع بيانات أسرع مما يسمح بأداء أفضل لأجهزة الحاسوب بأنواعها وهذا عامل مهم عند شراء أسطوانات التخزين الصلبة.

– كفاءة واعتمادية أعلي، حيث تتمتع الأسطوانات الصلبة بميزة عدم وجود عناصر متحركة تتأثر عند تنقل الجهاز وذلك لتأثر رأس القراءة والأقراص الداخلية المغناطيسية والتي تتعطل باستمرار عند الهزات المفاجئة للأجهزة.

لماذا لا يستخدم القرص الصلب في جميع الحواسيب؟

مثل جميع تقنيات الحاسوب المتوفرة تكلفة الإنتاج أحد المعيقات الرئيسية لتطبيق وانتشار التقنية، بينما يمكننا الحصول على أسطوانة صلبة مغناطيسية بسعة تيرابايت (1000 G. byte)  بسعر 80 دولار أمريكي وبتكلفة 0.08 دولار لكل جيجابايت فإن تكلفة الأسطوانة الصلبة الجامدة حوالي 1 دولار لكل جيجا أي 12.5 ضعف لتكلفة الأسطوانة التقليدية. وهو فرق كبير لمن يرغب بالحصول على مساحات تخزين مرتفعة. ويفسر هذا الفرق بالسعر عدم وجود حواسب لوحية بقدرات تخزين كبيرة وتنحصر حالياً علي قدرات 64 جيجابايت.

الأسطوانات الصلبة من الداخل

مثل أقلام التخزين (الفلاش) تصنع الأسطوانة الصلبة من مجموعة من أقلام التخزين يتم تجميعها مع قطعة تحكم واحدة لإدارة تخزين واسترجاع البيانات منها حيث تتكون هذه الفلاشات من خلايا Cells والمصنعة باستخدام خلايا NAND والتي تستطيع تخزين 1 بت أو 2 بت على الأكثر وذلك طبقاً  لتقنية التصنيع وتتكون هذه الخلية من N-Chanel Mosfet من أحد النوعين SLC خلية مستوي واحد قادرة على تخزين 1 بت وخلايا المستوي المتعدد MLC والقادرة على تخزين 2 بت. تخزن الخلية إحدى الحالتين صفر أو واحد وبعكس ذاكرة الجهاز الطيارة RAM فإنها تحتفظ بالقيمة بعد فصل التيار الكهربي. وذلك اعتمادا على تقنية EEPROM Electrical Erasable Programmable Reading only Memory.. كما هو موضح بالشكل تقوم البوابة Gate بتمرير التيار الكهربي اللازم لبرمجة الخلايا وبذلك يتم تغيير القيمة إلى واحد أو صفر حسب القيمة وبعد فصل التيار تحتفظ الخلية بهذه القيمة. 

عند استخدام الخلايا متعددة المستويات يمكن تخزين قيمة من 2 بت أي وجود 4 احتمالات للتخزين  تبداً 00 وتنتهي 11.

أ./ منتصر سليمان الحلبي

ماجستير تكنولوجيا معلومات – جامعة غرب سدني -استراليا