بتحديده للطول الأقصى لعمود الماء، توصل تورشيللي أيضًا إلى أمر ما قد يكون دار بخلدك وأنت تحاول لمح سمكة تسبح في المحيط إنني أخمن أنك أيها القارئ لا بد أنك مارست السباحة عن طريق أنبوب التنفس. أنابيب التنفس لا تتجاوز القدم الواحد طولا؛ وإنني متأكد من أنك كنتَ ترغب في الغوص لأعماق أكبر وتمنيت لو أن تلك الأنابيب كانت أكثر طولا. فإلى أي عمق تظن نفسك قادرًا على الغوص مع استمرار عمل مُعدّة التنفس؟ خمسة أقدام عشرة أقدام؟ عشرين قدما؟

يروق لي أن أجد الإجابة عن هذا السؤال في صف الدراسة عن طريق أداة بسيطة تسمى المانومتر، وهي أداة معملية شائعة الاستخدام. إنها من البساطة أن المرء يستطيع صناعتها في المنزل على النحو الذي سأصفه بعد قليل. إنني أهدف من ذلك إلى معرفة مدى العمق الذي أستطيع الغوص إليه دون التوقف عن استنشاق الهواء إلى داخل رئتي. ولتحديد ذلك عليَّ أن أقيس الضغط الهيدروستاتيكي للماء، الذي يضغط على صدري، وهو الضغط الذي يزداد قوةً كلما غصتُ إلى عمق أكبر.

ذلك الضغط الذي يحيطنا والذي – كما تذكر – يتساوى في المستويات المتعادلة، هو مجموع الضغط الجوي والضغط الهيدروستاتيكي. إذا سبح المرء تحت سطح البحر فسيتنفس هواء من الخارج، ولهذا الهواء ضغط جوي يبلغ مقياسه 1 ضغط جوي. ومن ثم، فإنني عندما أستنشق الهواء من خلال مُعدّة السباحة يصير ضغط الهواء في رئتي 1 ضغط جوي كذلك. لكن الضغط الواقع على صدري يساوي مجموع الضغطين الجوي والهيدروستاتيكي. وهكذا يزيد الضغط الواقع على صدري عن الضغط داخل رئتي ويصير الفارق بينهما هو الضغط الهيدروستاتيكي. لا يمثل ذلك أي مشكلة عند الزفير، لكن المرء يحتاج لأن يوسع صدره عند الشهيق وإذا زاد الضغط الهيدروستاتيكي زيادة كبيرة ناتجة عن الغوص إلى أعماق أبعد فلن يجد المرء في نفسه القوة العضلية القادرة على تجاوز هذا الفارق في الضغط، ولن يستطيع استنشاق المزيد من الهواء. فإذا أراد المرء الغوص إلى أعماق أكبر، فعليه أن يستنشق هواء مضغوطا للتغلب على الضغط الهيدروستاتيكي. لكن الهواء المضغوط ضغطًا شديدا مرهق جدا لأجسادنا، وهو السبب الذي لأجله قد وضعت حدود زمنية للغطس.

والآن، لنعد إلى السباحة باستخدام أنابيب التنفس، إلى أي مدى يستطيع المرء أن يتوغل في الماء؟ لتحديد ذلك أعلق مانومتراً على أحد حوائط قاعة الدرس. تخيل أنبوبا بلاستيكيا شفافًا يبلغ طوله أربعة أمتار، أثبتُ إحدى نهايتيه إلى الجزء العلوي الأيسر من الجدار، ثم أثبت النهاية الأخرى إلى جواره، ليصبح الأنبوب على شكل حرف U. يبلغ كلّ من ذراعي حرف الـ U المترين طولا. ثم أصب في الأنبوب قدرًا من عصير التوت البري يصل طول العمود منه إلى مترين فأجده يستقر عند ذات المستوى في طرفي الأنبوب كليهما. وعندما أنفخ في الطرف الأيمن من الأنبوب أدفع عصير التوت نحو حافته اليسرى. وتلك المسافة العمودية التي أتمكن من دفع العصير إليها سوف تنبئني بأقصى عمق أستطيع الغوص إليه باستخدام معدات التنفس. لماذا؟ لأن ذلك يعتبر مقياسا لقدر الضغط الذي تستطيع رئتاي أن تشكلانه للتغلب على ضغط الماء الهيدروستاتيكي – لأجل هذا المثال جعلنا الماء وعصير التوت البري متعادلين – لكننا استخدمنا هنا عصير التوت البري كي يراه التلاميذ بسهولة.

ما أفعله هو أنني أنحني وأزفر مفرغا رئتاي، ثم أستنشق بعمق مالنا إياهما، ثم أضع نهاية الأنبوب اليمنى في فمي وأنفخ بأقصى ما أستطيع من قوة. تغور وجناتي وتجحظ عيناي ويرتفع مستوى العصير نحو الحافة اليسرى لعدد من البوصات، بالكاد يرتفع – هل تستطيع أن تخمنه؟ – 50 سنتيمترًا. يتطلب الأمر مني كل ما لدي من قوة كي أرفع مستوى العصير إلى هذا الحد، لكنني لا أستطيع تثبيته عند هذا المستوى لأكثر من ثوانٍ معدودة. هكذا دفعت العصير إلى أعلى لمسافة 50 سنتيمترًا في الطرف الأيسر، وهو ما يعني أنني دفعته إلى أسفل لمسافة 50 سنتيمترا في الجهة اليمنى – أي إن إجمالي إزاحة عمود العصير الذي أحدثته بلغ 100 سنتيمتر في اتجاه عمودي، أو مترًا كاملًا (39 بوصة). عندما نسبح باستخدام مُعدّات التنفس، نستنشق الهواء عن طريق الأنبوب، ولا نزفره من خلاله. لذا فربما كان استنشاق الهواء أكثر سهولة، أليس كذلك؟ لذا أعيد التجربة مرة أخرى لكن هذه المرة أقوم بامتصاص العصير بأقصى قوتي. لكننني أجد النتيجة ذاتها تقريبًا، إذ إنها لا ترتفع إلا إلى نحو 50 سنتيمترًا في الجانب الذي أمتص منه – ومن ثم فإنه ينخفض إلى 50 سنتيمترا في الجانب الآخر، وأصير أنا مجهدًا أيما إجهاد.

لقد حاكيت للتو تجربة السباحة على عمق متر واحد من سطح الماء، أي ما يعادل عشر ضغط جوي واحد. عادة ما يندهش طلابي جميعًا من هذه التجربة، ويظنون أنهم قادرون على أن يبلوا فيها على نحو أفضل من أستاذهم المسن. لذا أدعو فتى قويًا ضخم البنية كي يحاول بنفسه، وبعد أن يبذل قصارى جهده يحتقن وجهه ويصاب بصدمة. وهكذا، لم يُبلِ في ذلك أفضل مني إلا بقدر يسير – بفارق لا يتعدى بضعة سنتيمترات.

اتضح أن هذا يبلغ تقريبًا الحد الأقصى للعمق الذي يمكننا أن نصل إليه ونحن نتنفس عبر الأنبوب – متر واحد فقط بصعوبة (نحو 3 أقدام). ولا نستطيع أن نبقى في هذا العمق إلا لثوان معدودة. ولذلك فإن معظم أنابيب التنفس يقل طولها عن متر واحد وعادة ما تبلغ قدمًا واحدًا. جرب أن تصنع أنبوب تنفس أطول من متر واحد بنفسك – تستطيع فعل ذلك باستخدام أي نوع من أنواع المواد – وانظر ماذا يحدث.

قد تتساءل عن مقدار القوة المؤثرة على صدرك عندما تغوص بغرض السباحة تحت الماء. على عمق متر واحد تحت سطح البحر يبلغ الضغط الهيدروستاتيكي جزءا من عشرة أجزاء من الضغط الجوي، أو يمكننا أن نقول: جزء من عشرة أجزاء من الكيلوجرام في السنتيمتر المربع. تبلغ مساحة سطح صدرك نحو قدم مربع واحد، أي نحو 1100 سنتيمتر مربع ومن ثم فإن القوة المؤثرة على صدرك ستبلغ نحو 1100 كيلو جرام، أما القوة الواقعة على الجدران الداخلية لصدرك والتي يسببها الضغط الجوي الموجود في رئتيك فتبلغ نحو 1000 كيلوجرام. ومن ثم فإن ذلك الجزء من عشرة أجزاء الذي هو الفارق في الضغط يترجم إلى فارق في القوة يبلغ 100 كيلوجرام، أو نحو 200 رطل. عندما تنظر إلى السباحة تحت الماء باستخدام معدات التنفس من هذا المنظور ستجدها أكثر صعوبة بكثير، أليس كذلك؟ وإذا غصت إلى عمق 10 أمتار فسيبلغ الضغط الهيدروستاتيكي 1 ضغط جوي كامل، أي كيلوجراما واحدا لكل سنتيمتر مربع من سطح صدرك، وستبلغ القوة المؤثرة على صدرك المسكين نحو 1000 كيلوجرام (1 طن) وهي أعلى من القوة الخارجية التي ينتجها الضغط في رئتيك، والذي يبلغ 1 ضغط جوي.

ولذلك فإن غواصي اللؤلؤ الآسيويون – الذين يغوص بعضهم بشكل روتيني لعمق ثلاثين مترًا – يخاطرون في الواقع بحياتهم فلأنهم لا يستطيعون الغوص باستخدام معدات التنفس يتعين عليهم حبس أنفاسهم، الأمر الذي لا يمكن أن يواصلوه إلا لدقائق قليلة، لذا فهم مضطرون لإنجاز مهمتهم على عجل.

الآن فقط تستطيع أن تقدر تلك العبقرية الهندسية للغواصة. افترض أن الغواصة تغوص إلى عمق عشرة أمتار، وكان ضغط الهواء فيها يساوي 1 ضغط جوي، هنا يبلغ الضغط الهيدروستاتيكي (والذي هو الفارق بين الضغط داخل الغواصة وخارجها) نحو 1000 كيلوجرام في المتر المربع أي نحو عشرة أطنان في المتر المربع الواحد، أنه وهكذا ترى حتى الغواصات بالغة الصغر التي لا تستطيع الغوص إلا إلى عشرة أمتار فقط لا بد أن تكون قوية جدًّا.

هذا هو السبب في أن ما حققه مخترع الغواصة في أوائل القرن السابع عشر – كورنيلس فان دريبل، الذي أفخر بكونه هولنديا مثلي – يعد إنجازا خارقًا. لم يستطع وقتها أن يجعلها تحتمل الغوص إلى أكثر من خمسة أمتار تحت سطح البحر، لكن حتى مع هذا كان عليه أن يتحدى ضغطا هيدروستاتيكيا يبلغ نصف ضغط جوي، وقد بنى غواصته من الجلود والأخشاب. وتذكرُ مرويات من ذلك الزمن أنه نجح في التغلب على هذا الضغط بواحدة من النماذج التي شيدها في إحدى المحاولات التي أجراها في نهر التايمز بإنجلترا. قيل إن ذلك النموذج الذي استلزم ستة من الرجال المجدفين لكي يحركوه كان قادرًا على حمل ستة عشر راكبًا، وكان قادرًا كذلك على البقاء في الماء لعدة ساعات. وقد استخدمت عوامات لحمل أنابيب التنفس فوق سطح الماء بالكاد كان هدف المخترع إبهار الملك جيمس، وحثه على إصدار أمر ببناء عدد من تلك الغواصات لصالح سلاحه البحري؛ لكن الملك مع الأسف، لم ينبهر، لا هو ولا قادته البحريون بالقدر الكافي، ولم يستعينوا بذلك النموذج في القتال. فغواصة فان دريبل لم تكن عبقرية من ناحية كونها سلاحًا سريا، لكنها كانت عملا فذا من الناحية الهندسية.

إن العمق الأقصى الذي يمكن أن تغوص إليه غواصات سلاح البحرية الحديثة لهو سر حربي، لكن الأغلب أنها تستطيع الغوص حتى عمق 1000 متر (3300 قدم)، حيث يبلغ الضغط الهيدروستاتيكي نحو 100 ضغط جوي، أي مليون كيلوجرام (1000 طن) في المتر المربع الواحد. ولهذا فلا عجب في أن الغواصات الأمريكية مصنوعة من صلب عالي الجودة للغاية. أما الغواصات الروسية فقد قيل إنها تستطيع الغوص لأعماق أكبر لأنها مصنوعة من نوع أقوى من التيتانيوم.

من السهل إجراء شرح عملي لما يمكن أن يحدث لغواصة إذا لم تكن جدرانها بالقوة الكافية، أو إذا ما غطست إلى أعماق أكبر مما تحتمل. لعمل هذا أصل مضخة تفريغ Vacuum Pump بعبوة طلاء سعتها جالون واحد، ثم أشرع في شفط الهواء منها ببطء. حينها لا بد أن يبلغ الفارق بين ضغط الهواء خارج العبوة وداخلها 1 ضغط جوي (لك أن تقارن بينه وبين فارق الضغط لدى الغواصة). نعلم جميعا أن عبوات الطلاء تلك قوية، لكننا مع ذلك نراها تتداعى أمام أعيننا كما لو كانت عبوة مياه غازية هشة. تبدو وكأن عملاقًا خفيًّا اعتصرها بقبضته. ولعلنا جميعا فعلنا ذات الشيء يومًا مستخدمين قارورة مياه بلاستيكية بعد أن شفطنا قدرًا كبيرًا مما بها من هواء، مما جعلها تنسحق. وربما يُهيأ لك أن القارورة انسحقت بسبب القوة التي شفطت بها الهواء منها، ولكن السبب الحقيقي هو أنني عندما شفطتُ الهواء من عبوة الطلاء، وشفطت أنت الهواء من قارورة الماء لم يجد الضغط الخارجي ضغطا آخر داخليا يعادله. ذلك ما يستطيع ضغط غلافنا الجوي أن يفعله في أي لحظة، أي لحظة كانت.

قد يرى القارئ عبوة الطلاء المعدنية أو قارورة الماء البلاستيكية أمورًا عادية جدا، أليس كذلك؟ لكنه لو نظر إليها كما يفعل الفيزيائيون لرأى أمرًا مختلفًا كليا، لرأى توازنا بين قوى شديدة التأثير. لولا توازن هذه القوى غير المرئية لما كان من المحتمل أن توجد حياة على الأرض، وهي قوى ناتجة عن الضغط الهيدروستاتيكي والضغط الجوي وقوة الجاذبية الخارقة هي قوى بالغة الشدة، لدرجة أنها إذا اختل توازنها فقد ينتج عن ذلك كوارث. تخيل أن تسريبا حدث في إحدى وصلات جسم طائرة تطير على ارتفاع 35000 قدم (حيث الضغط الجوي لا يتعدى ما يقرب من 0.25 ضغط جوي)، والطائرة تتحرك بسرعة 885.13 كيلومتر في الساعة. أو أن تصدعا رفيعا حدث في سقف نفق ميناء بالتيمور الذي يقع تحت سطح نهر باتابسكو بما يتراوح بين خمسين إلى مائة قدم.

جرب في المرة القادمة التي تذرع فيها شوارع مدينتك سيرًا أن تفكر كما يفعل الفيزيائيون. ماذا ترى حقيقة؟ في نظره ما يراه نتاج لمعركة عاصفة تحتدم داخل كل مبنى يقع بصرك عليه، ولا أعني هنا المعارك السياسية التي تدور بين جنبات المكاتب. على أحد جانبي تلك المعركة تجد قوة جاذبية الأرض تجاهد لتجذب كل شيء إلى الأسفل، ولا أعني بكل شيء الجدران والأرضيات والأسقف فقط، وإنما معها طاولات المكاتب وأنابيب أجهزة التكييف ومساقط صناديق البريد والمصاعد وموظفو السكرتارية والمديرون التنفيذيون بل وحتى أكواب القهوة الصباحية والكرواسون. لكن من الجهة الأخرى، نجد القوة الجمعية للصلب والخرسانة والأرض نفسها تكافح لدفع المبنى نحو السماء.

بناءً على ما سبق لنا أن ننظر إلى المعمار والهندسة الإنشائية على أنها فنون لقتال قوة الجاذبية لأسفل. وقد يظن أحدهم أن ناطحات السحاب الشاهقة قد أفلتت من قوة الجاذبية. لكن الحقيقة أنها لم تفعل، وإنما هي فن قد صعدت بالمعركة حرفيا إلى ارتفاعات جديدة. لكنك لو تفكرت في الأمر قليلا لوجدت هذه المعركة مؤقتة. فمواد البناء تتآكل وتضعف وتضمحل، بينما لا يفتر عزم قوى الطبيعة أبدًا. المسألة مجرد وقت.

هذه التوازنات هي أشد تهديدًا في المدن الكبرى. تأمل ذلك الحادث المروع الذي حدث في مدينة نيويورك عام 2007، فأنبوب عمره ثلاثة وثمانون عاما؛ ويبلغ عرضه قدمين، يمر تحت أحد الشوارع، لم يتمكن من مواصلة احتواء البخار عالي الضغط الذي يحمله. وكانت نتيجة ذلك أنه انفجر مطلقًا نافورة ماء ساخن عرضها 20 قدمًا في جادة لكسنجتون مبتلعةً شاحنة جر، وقاذفة مياهها لتعلو فوق بناية كرايسلر القريبة ذات السبعة والسبعين طابقًا. هذه القوة القادرة على إحداث الدمار، لو لم تسيطر عليها توازنات محكمة طوال الوقت تقريبا، لما استطاع أحدنا أن يسير في طرقات أي مدينة من مدن العالم.

لكن هذه التوازنات الحادثة بين تلك القوى الخارقة ليست كلها نتاجا لمنجزات الإنسان العظيمة. فلتتأمل الأشجار على سبيل المثال؛ هادئة صامتة ثابتة بطيئة النمو، لا تشتكي وهي توظف عشرات من الاستراتيجيات البيولوجية كي تجاهد قوة الجاذبية، وكذلك الضغط الهيدروستاتيكي. إنه لإنجاز عظيم لتلك الشجرة عندما تبرعم أغصاناً جديدة كل عام، وتضيف حلقات جديدة إلى جذعها مما يزيد من قوتها في الوقت ذاته الذي تتنامى فيه قوة الجذب بينها وبين الأرض. وتظل الشجرة أيضًا ترفع العصارة إلى أعلى وصولا لأعلى أفرعها. أليس من المذهل أن هذه الأشجار قد يبلغ طولها ما يزيد عن عشرة أمتار؟ فالماء لا يستطيع أن يرتفع إلى أكثر من عشرة أمتار في ماصتي ولا يتعداها؛ فلماذا (وكيف) يرتفع الماء إلى أكثر من ذلك في الأشجار؟ فأطول أشجار السيكويا تبلغ نحو 300 قدم وبطريقة ما تستطيع هذه الأشجار أن توصل الماء إلى أكثر أوراقها ارتفاعًا.

ولهذا السبب أحزن كثيرًا لأي شجرة كبيرة تكسرها العواصف. فالرياح العاتية والجليد والثلوج الكثيفة التي تراكمت على أغصانها قد نجحت في الإخلال بتوازن القوى التي كانت الشجرة تحافظ عليه.

مواضيع ذات صلة

أصول عدم الانعكاس

الانعكاس يولد الانعكاس

الاحتمالية في الميكانيكا الإحصائية

القابلية للانعكاس وعدم القابلية للانعكاس

نظرة في تعددية الفيزياء

الاختزال وعدم القابلية للانعكاس

الواقعية العلمية وتغيير النظريات

نقص الإثبات ومذهب الذرائعية ومذهب الواقعية

مشكلة التمييز: متى يكون المنهج علميا؟

المنهج العلمي: من الاستقراء إلى التكذيب وما بعده

مناهج العلوم وثمارها

!Parity is not conserved