الفيزياء في عصر النهضة

نبدأ بعرض رائع لأعمال الإغريق في الفيزياء ، وسرد لنا ما خلفوه للبشرية في هذا الميدان الهام، وعلى رأسهم جميعاً أرشميدس وإعماله في الروافع والبكرات والأجسام الطافية والمغمورة ،  فإن التقدم الحقيقي في علم الفيزياء تم في عصر النهضة في أوربا ، عندما أطلق للعقل البشري العنان من جديد وحرر من تحكم رجال الدين. وفي فجر ذلك العصر صاغ كيلو قوانينه الفلكية الخاصة بحركة الكواكب من حول الشمس، وأغمت تلك القوانين نيوتن ليصوغ بدوره قوانينه المعروفة في علم حركة الأجسام، "ميكانيكا". ويعرف لنا نيوتن معنى الزمان، والمكان، والعجلة ، والقوة، والشغل، والقدرة ، والطاقة. كما تضمن أعماله في الضوء مسائل الانعكاس والانكسار والألوان وتحليل ضوء الشمس وقوس قزح والتلسكوب العاكس والعدمات المركبة، وفائدتها في معالجة عيوب تلوين الصوة، وحلقات نيوتن.

ويوصف الصراع بين نيوتن صاحب نظرية الجسيمات الضوئية وهيجنز صاحب النظرية الموجبة، ويشرح لنا كيف استخدمت الخصائص الطبيعية للضوء في التدليل على صحة كل نظرية مثل : الانعكاس ، الانكسار ، التداخل، والانكسار الثنائي أو المزدوج الذي يحدث في بعض البلورات مثل بلورات أيسلاند سبار. وينتهى الصراع برجحان كفة النظرية الموجبة، وافتراض ان الضوء موجبات مستعرضة في وسط غير مادي هو الأثر، ثم يبدأ البحث عن خصائص هذا الأثير وصفاته المميزة، وهنا تبدأ مشكلة جديدة لم يصل العلم فيها إلى حل مقنع.

 وفي ميدان علوم النسبية تجيء اول خطوة حقيقية على يد غاليليو عند ما وصف تجربة ذهنية فحواها أنه إذا حبس شخص نفسه داخل حجرة أسفل سطح سفينة تتحرك بسرعة منتظمة فإنه يستحيل عليه ان يحكم عن طريق أية ظاهرة او حادثة تحدث عنده في الغرفة ما إذا كانت السفينة تتحرك أو لا تتحرك. وتعتبر هذه التجربة بمثابة الخطوة الأولى، أو اللبنات الأساسية التي بنى عليها أينشتين فيما بعد نظرية النسبية.

وعند ما عولجت الديناميكا الحرارية رياضياً فكرة "درجة التعادل" وهي خارج قسمة كمية الحرارة التي يكتسبها أو يفقدها الجسم على درجة حرارة هذا الجسم بالتقدير المطلق. وإذاً فيمكن صياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية بقولنا درجة تعادل أي جهاز معزول، إما أن تميل إلى الزيادة وإما ان تبقى ثابتة على ما هي عليه. وهذا القانون يسمى كذلك قانون تزايد درجة التعادل، وكان من السبل تطبيق الطرق الإحصائية على الغازات ، إذ أن فيها (بخلاف السوائل والأجسام الصلبة) تنساب الجزيئات حرة في الحيز الذي يشغله الغاز، فتتصادم فيما بينها، أو تصدم جدران الوعاء الذي يضمها أو يحتوي عليها . وتتمخض هذه العملية عن تولد قوة منتظمة  هي ما يعبر عنه بضغط الغاز (ض) ، وتم تفسير قانون التناسب العكسي بين ضغط الغاز وحجمه او قانون بويل في ضوء هذه الحقيقة. وكذلك أمكن استنتاج ان الضغط يتناسب طردياً مع مربع سرعة الجزيئات ، وبما أنه يتناسب طردياً مع درجة الحرارة فمن السهل ان نرى أن درجة الحرارة المطلقة ما هي إلا مقياس للطاقة الناجمة عن الحركة الحرارية للجزيئات.

ومن بين الآراء الهامة في النظرية الإحصائية للغازات فكرة (متوسط المسار الحر أو الطليق) وهو كمية صغيرة، ويفسر لنا قصر متوسط المسار الحر هذا حقيقة ان الجزيئات ــ رغم تحركها السريع ــ تستغرق زمناً طويلاً لكي تنتقل مثلاً من أحد جوانب الغرفة إلى الجانب الذي يقابله. وعند ما نستعرض أمامنا ما يحدث للجزء في جميع العمليات التي تتضمن انتقال الحرارة ومن ثم ازدياد درجة التعادل، نجد ان المسألة لا تعدو كونها امرأ طبيعياً. وما الزيادة في درجة التعادل إلا زيادة الاحتمال في نماذج حركة الجزيئات. وبينما تجب إضافة درجات التعادل في أجهزة الديناميكا الحرارية المركبة، تخضع الاحتمالات لحاصل الضرب، مما يحتم وجود علاقة لوغاريتمية بين المقدارين، أي أن درجة التعادل يجب ان تتغير مع لوغاريتم الاحتمال، أي أن ....... لو ض ، حيث ك هو معامل بولتزمان.

ولقد امدتنا دراسات بيران في موضوع الحركة البروانية المعروفة بيرها قاطع على صحة نظرية الحركة الحرارية، كما سمحت لعلماء الفيزياء بمشاهدة القوانين الإحصائية للحركة، وذلك بطريقة مباشرة، بعد أن كانت قبل ذلك مجرد آراء نظرية، وظهرت النظرية الرياضية السليمة التي تفسر حركة براون على يد ألبرت أينثتين عام 1905.

وفي ضوء التركيب الجزيئي والحركة الحرارية أمكن تفسير الحقيقة المشاهدة بأن سرعة الصوت في الهواء لا تتوقف على الكثافة، وإنما تتناسب طردياً مع الحذر التربيعي لدرجة الحرارة المطلقة.

وفي ضوء التركيب الجزيئي والحركة الحرارية أمكن كذلك تفسير تولد موجات الصوت المختلفة عندما يتحرك الدافع على تولدها بسرعة أكبر أو أصغر من سرعة الجزيئات.

وتنتشر الذرات أو الجسيمات الاولية للغازات حرة طليقة في الفضاء، ومن آن لآخر يتصادم بعضها مع بعض، وفي كل تصادم يتم تحدث لها (استثارة) ــ (عندم ما تكون درجة الحرارة عالية علواً كافياً)، فتنطلق وهي تتذبذب، وتشع موجات الأثير المميزة لها. وعلى ذلك فإن طيف أي غاز أو بخار يتكون من خط أو أكثر مميز له. ويمكن تعرف نوع الغاز او البخار بهذه الخطوط. أما في الأجسام الصلبة أو السائلة  فإن الذرات تكون مكدسة بعضها فوق بعض لدرجة أنها تفقد خصائص تغماتها أو ذبذباتها النقية. وهكذا نجد ان ما تتميز به المواد المختلفة من الإشعاع الضوئي إنما يمثل الأساس الذي تقوم عليه إحدى وسائل التحليل للطيف الهامة، التي تتيح لنا فرصة التعرف على التركيب الكيموي لأي مادة، وذلك من مجرد ملاحظة الضوء الذي تشعه أبخرتها حتى لو كانت ضاربة في أعماق القضاء حيث النجوم والشموس.

وفي مجال علم الكهرباء يوضح الكتاب كيف استطاع ان يميز بعض المشتغلين بالفيزياء بين نوعين مختلفين من الشحنات أطلقوا على نوع منهما اسم (الكهربية الزجاجية) أو الموجبة، كما أطلقوا على النوع الثاني اسم (الكهربية الراتنجية).

ولاحظوا ان الشحنات المتماثلة تتنافر، كما ان الشحنات المتضادة تتجاذب، وما إن جاء بنيامين فرانكلين في منتصف القرن الثامن عشر حتى أعلن ان السيال الكهربي هو جوهر واحد لا تتعدد أنواعه بالموجب والسالب، واعتبر الشحنات الموجبة على أنها المزيد من الكهربية (الزجاجية)، والشحنات السالبة هي (النقص) في هذا النوع كذلك.

ومهما يكن من شيء فإننا لا تزال نجهل حقيقة الكهرباء، وإن التسمية التي أسبغناها على نوعي الشحنة ما هي إلا مجرد تعبير لظاهرة من الظواهر التي لا تعرف حقيقتها، ولكننا نشاهد آثارها ومظاهرها على المادة. وهناك بعض الآراء التي تنادي بوجوب تغيير اسم الكهربية الموجبة والسالبة بحيث يطابق الاتجاه التقليدي للتيار من + إلى ــ من شتى الوجوه الاتجاه الذي تتحرك فيه الكهارب أو الجسيمات الأولية المشحونة التي يولد سريانها التيار الكهربي.

وعندما صاغ كولوم قانونه الذي لا يزال يحمل اسمه، والذي يقوم بأن قوى التجاذب أو التنافر الكهربي بين شحنتين إنما تتناسب طردياً مع حاصل ضرب الشحنتين ، وعكسياً مع مربع المسافة بينهما، استطيعنا ان نعرف وحدة الشحنة الكهربية الاستاتيكي (الكتروستاتيك)، ووحدة الشحنة العلمية أو (الكولوم).

وكذلك أمكن تعرف وحدة شدة القطب المغناطيسي والجهد الكهربي.

وعندما جاء فارادي أجرى العديد من التجارب على العلاقة التي تربط بين المغناطيسية والكهربية من جهة، ثم المغناطيسية والضوء من جهة أخرى، وكشف لنا قوانين التحليل الكهربي، ثم توصل إلى اكتشاف التيارات التأثيرية أو المنتجة بالتجربة . ويعد هذا الكشف بالذات فاتحة عصر جديد في عهد الكهرباء، إذ أدى إلى صناعة المولدات والمحركات والمحولات الكهربية.

وأثبت فارادي كذلك بالتجربة وجود علاقة بين المغناطيسية والضوء. وتفسير ظاهرة فارادي هذه بأن القوة إلى تؤثر في كهرب ذري يتحرك في مجال مغناطيسي إنما تتوقف على اتجاه الحركة. ففي حالة الدوران ضد عقرب الساعة يمكن أن تعمل القوة على زيادة نصف القطر ونقص التردد. اما في حالة الدوران مع عرب الساعة فإنها تعمل على تقليل القطر وزيادة التردد، وعندما تؤثر في الضوء نجد ان هذين النوعين من حركة الكهارب يعملان على دوران مستوى الاستقطاب وراح العلماء يفسرون ظاهرة فارادي هذه.

وما إن اقتنع بأن كل الظواهر التي تشاهدها في عالم الطبيعة إنما يتصل بعضها ببعض بطريقة أو باخرى، حتى راح يحاول الحصول عن طريقة التجربة على العلاقة القائمة بين القوى الكهرمغناطيسية وقوى الجاذبية التي تحدث عنها نيوتن، إلا أن التجارب العديدة التي أجراها من أجل إماطة الملثام عن سر هذه العلاقة باءت كلها بالخذلان ولم تسفر عن نتيجة إيجابية.

وبعد مضى قرن حاول ألبرت أينشتين خلال عشرات السنين الوصول إلى ما يسمى "نظرية المجال الموحد"، وهي التي تجمع معاً كل الظواهر الكهرمغناطيسية  والجاذبية في إطار واحد، إلا أن أينشتين مات دون إتمام هذه المهمة، تماماً كما فعل فارادي سواء بسواء.

ولقد تصور فارادي فيما تصور الفضاء الكائن بين الأجسام بأنه ملئ "بشيء يستطيع الجذب والطرد". وتحدث عن شيء أشبه ما يكون بأنابيب المطاط التي تمتد بين الشحنات وأقطاب المغناطيس. ويقول فارادي إن الأنابيب الكهربية والمغناطيسية مسئولة عن جميع الظواهر الكهرومغناطيسية.

وهكذا كانت آراء فارادي نقطة تحول في دراسة الفيزياء. فتلك القوى الغامضة التي تؤثر عبر مسافات شاسعة بين الأجسام قد أبدلت " بشيء" يضطرب على الدوام ويفيض ليملأ شتى أرجاء الفضاء الذي بينها أو من حولها، وهو شيء يمكن ان يقدر بقيمة معينة  عند أي نقطة بالذات. ولقد أدخل بذلك إلى علم الفيزياء فكرة "مجال القوى" أو مجرد المجال، سواء كانت التأثيرات كهربية أو مغناطيسية أو جاذبية. ويمكن الآن اعتبار القوى المؤثرة المتبادلة بين الأجسام المادية التي يفصل بينها الفضاء الكوني على أنها نتيجة لتأثيرات الربع القريب بين المجالات المحيطة بها.

ويقع عبء مهمة صياغة آراء فارادي في القالب الرياضي المعبر عن الكم على عاتق كلارك مكسويل العالم الرياضي الجليل، فإن أعظم أعمال مكسويل على الإطلاق صياغة أفكار فارادي الخاصة بطبيعة المجال الكهرمغناطيسي في قالب رياضي، وتعبيره الرياضي: "إن التغير في المجالات المغناطيسية ينجم عنه بالتأثير تولد قوى كهربية دافعة وتيارات تسري في الأجسام الموصلة، على حين ينجم عن المجالات الكهربية المتغيرة وعن التيارات السارية مجالات مغناطيسية" وتربط معادلاته التي تحمل اسمه في هذا الصدد بين معدل التغير في المجال المغناطيسي وتوزيع المجال الكهربي في الفضاء، والعكس بالعكس.

ولقد برهن مكسويل على أنه بالرغم من آن المجالات الكهربية والمغناطيسية تكون عادة (راسية) على الأجسام المشحونة بالكهرباء أو الممغطسة، فإنه في مقدورها كذلك أن توجد وتنتشر في الفضاء على هيئة موجبات كهرمغناطيسية حرة طليقة. وعلى ذلك فإن المجال الكهرمغناطيسي المصاحب لتيار يمر في سلك مثلاً، إنما ينتشر عبر الفضاء المحيط به على هيئة موجات تنقل الطاقة إلى مسافات سحيقة. ولما كانت خطوط القوى الكهربية تقع في المستوى الذي يمر بالسلك، وربما تتعامد عليه خطوط القوى المغناطيسية، فإن المقدارين الموجهين اللذين يمثلان المجالين الكهربي والمغناطيسي في الموجة المنتشرة يكون كل منهما متعامداً على الآخر وكذلك متعامداً على اتجاه انتشار الموجة.

وفي عام 1888 برهن عالم الفيزياء الألماني هينرخ هرتز عملياً على وجود مثل هذه الموجات، ولم يكن قد مضى زمن طويل على تكهن مكسويل بها، مما أدى إلى ابتكار فتنون الاتصال اللاسلكي الذي يمثل في هذا العصر فرعاً رئيسياً من فروع حضارتنا الصناعية.

وبحساب سرعة انتشار هذه الموجات الكهرمغناطيسية من معادلات مكسوبل وجد ان هذه المعادلات تستخدم وحدات كهربية استاتيكية للتعبير عن المجالات الكهربية ، ووحدات كهربية ومغناطيسية للتعبير عن المجالات المغناطيسية ، ولهذا يظهر معامل قدره 3 × ¹⁰10 ، هو في الواقع النسبة بين الوحدة الكهرمغناطيسية والوحدة الكهرستاتيكية ، ودلت هذه النسبة على ان سرعة انتشار الموجات الكهرمغناطيسية هي 3 × ¹⁰10 سم/ثانية، وهي عينها سرعة انتشار الضوء في الفضاء كما قيست بطرق عديدة قبل مولد مكسويل.

وهكذا اعتبر مكسويل الضوء موجات كهرومغناطيسية ذات أطوال قصيرة وظهر بذلك (النظرية الكهرومغناطيسية للضوء) وفسرت بها ظواهر عديدة مثل الانتشار والامتصاص والاشعاع الخ ...

والحق ان كثيراً ما كان التوافق في القيمة العددية من المقادير الطبيعية التي يلوح أنه لا رابط بينها سبباً في الوصول إلى كشوف جديدة هامة : ومن هذا النوعان الثابتان اللذان يتصل أحدهما بإشعاع موجات الضوء والحرارة من الأجسام الساخنة، على حين يتصل الثاني بانبعاث الكهارب من الاسطح المضاءة بالأشعة فوق البنفسجية ، فقد تمخضا عن أهمية عظمى لها قيمتها في نشوء نظرية الكم.