الفيزياء الحديثة وميادينها المختلفة

في أواخر القرن التاسع عشر بدأت الدراسات المعملية المتعلقة بتركيب المادة من لبناتها الأولية (الذرات) في الظهور . وذلك اثر اكتشاف أشعة المهبط على يد السير ولم كروكس ودراسة مكوناتها (الكهارب) على يد السير ج.ج. طوسون الذي بعد ان أثبت وجود الكهارب عين كتلة الكهرب الواحد بما يساوي 0,9 × 10 ^-20 جراماً، وكذلك مقدار شحنته السالبة بما يعادل 4,77×10^-10 وحدة كهربية استاتيكية. وفي تلك الحقبة تمت كشوف عديدة هامة لعب عامل المصادفة أهم الأدوار في كثير منها، مثل اكتشاف كروكس للاشعة السينية.

والصورة التي أعطاها ج. ج الذرة هي على هيئة كرة بداخلها مادة ثقيلة مشحونة بالكهربية الموجبة مع عدد من الكهارب الصغيرة المنتشرة خلالها على غرار انتشار بذرة البطيخة  الاسود في لحمها الاحمر. وأعطتنا هذه الصورة "نموذجاً ساكنً" للذرة، وهو الذي معه تكون الكهارب في حالة من السكون في أوضاعها المتزنة.

وعندا ما حسب ج.ج الأوزان الذرية للعناصر أثبت وجود ذرات للعنصر الواحد مختلفة الكتلة، وأطلق عليها اسم"النظائر"، ومعناها أنها تحتل نفس المكان في جدول مندليف. وتبعاً لقانون أينشتين الخاص بمعادلة الكتلة بالطاقة يلزم ان يكون وزن المجموعة المكونة من جسيمات متعددة أقل من وزن الجسيمات الاصلية بمقدار يعادل ما بينها من طاقات الترابط مقسومة على |². ومعنى ذلك ان الفرق بين كتلة ذرة مركبة ومجموع كتل مركباتها يدلنا على قيمة الطاقة التي تم تضمينها في عمليات التكوين.

وعندما أراد رذرفورد ان يشير غور الذرة من الداخل ليدرس مدى سحة نموذج طومسون الذي لم يعجبه رأى ان يصوب جزءاً من جسيمات الفا على صفائح رقيقة جداً من المعدل، فعندما يقع جانب منها تحت تأثير الأجزاء المشحونة في الذرة يصبح لا مفر من زحزحتها بعض الشيء عن مساراتها الاصلية، وتتضمن محصلة تشتت الحزمة بهذه الطريقة المعلومات الوافية الخاصة بتوزيع الشحنات الكهربية داخل الذرة، وعندما أجرى تجاريه وجد ان الشحنة الموجبة وكتلة الذرة تقتصران على حيز صغيرة جداً هو مركزها، أسماء رذرفورد "النواة". وهكذا ظهرت صورة جديدة للذرة مكونة من النواة ذات الكتلة المشحونة بشحنة كبير والكهارب التي تسبح من حولها تماماً كما تسبح مجموعة الكواكب السيارة من حول الشمس، غير ان الكهارب تمسكها قوى التجاذب الكهربية، أما الكواكب فالذي يمسكها قوى الجاذبية العالمية لنيوتن. ونموذج الذرة هذا هو النموذج الذي نستخدمه اليوم.

وعندما عملت محاولة لاستخدام قوانين الفيزياء التقليدية الاساسية التي طبقت بنجاح في مسائل الحرارة والغازات، وعلى رأسها قانون تساوي توزيع الطاقة على الامواج الكهرمغناطيسية، أدى ذلك التطبيق إلى نتائج خاطئة ووهمية تماماً.

ولم يستطع احد انقاذ الموقف حتى أعلن ماكس بلانك  في آخر أعوام القرن التاسع عشر ان جميع أنواع الاشعاع الكهرمغناطيسية لا تعتبر بمثابة الموجات المتتابعة بصفة مستمرة، وإنما هي حزم منفردة من الطاقة، لكل حزمة منها قدر معلوم من تلك الطاقة يتوقف على ذبذبة الحزمة لها، وإن الطاقة ى = هـ λ  حيث هـ هو ثابت الكم ، وكان ذلك هو بدء مولد نظرية الكم لبلانك الذي صاغ لنا معادلته لتوزيع الطاقة في الاشعاع الحراري، التي تركز أغلب الطاقة وتقصرها على الموجة المتوسطة، وتكاد تجعل نصيب الموجات القصيرة لا شيء.

وفي أوائل القرن العشرين بدأ أينشتين استخدام فكرة الكم الضوئي في تفسير الظاهرة (الكهرضوئية) أو ظهور الشحنات الموجبة على أسطح المعادن التي يتساقط عليها الضوء، وعلى الأخص اللاشعة فوق البنفسجية نتيجة انطلاق الكهارب من تلك الاسطح المضاءة. ولما طابقت نظرياته الحقيقية من واقع المشاهدة كان ذلك بمثابة السند القوى المتين الذي حقق فكرة بلانك الاصلية المتعلقة بكم الطاقة الإشعاعية.

ومن بين القرائن الهامة التي أيدت نظرية الكم ما ورد ضمن أعمال "آرثر كمتن" بما يعرف علمياً باسم (ظاهرة كمتن) التي تقول إنه في عملية التشتت التي تحدث للاشعة السينية تكون لوحدات الكم الخاصة بها والتي تنحرف بزوايا كبيرة، كمية أصغر من الطاقة، ومن ثم طول موجة أكبر. ولقد أيدت التجارب التي أجراها كمتن تأييداً تاماً هذا القول.

وسريعاً ما اتضح أن النموذج الأصل لذرة بور يحوي مسارات كم داذرية متحدة المركز يجب تعميمها بإقامة بعض القطاعات الناقصة بعد إسباغ صفة الكم عليها. وهكذا ازداد الوضع تعقيداً رغم أنه طابق إلى حد بعيد الحقيقة المشاهدة. وهكذا لم تعد الذرة شبيهة تماماً بمجموعة الكواكب الشمسية.

وعند ما تحمل النواة شحنة أكبر، في العناصر الثقيلة، يتزايد عدد الكهارب، كما انه نظراً لكبر قوى التجاذب التي تؤثر بها النواة تتقلص أقطار كافة المسارات ، بمقادير تتزايد على التدريج كلما اقتربنا من العناصر التي تعظم أرقامها  الذرية.

وعندما تساءل العلماء: كيف تستطيع الأعداد الكبيرة من الكهارب التي في العناصر الثقيلة ان تتلاءم مع مسارات الكم التي تتكمش بهذا الشكل؟ لم تجب الفيزياء التقليدية القديمة عن هذا السؤال إلا بطريقة تافهة. وهنا ظهر مبدأ ولفجانج بأولى الذي يقول بأنه لا يمكن لأي مدار من مدارات الكم ان يتضمن أكثر من كهربين اثنين فقط. يتطلب المبدأ في حالة ملء هذين المحلين وجوب تضمين الكهارب التالية ضمن المسارات الاخرى. وعند ما تمتلئ كل المسارات التي في قشرة ما، يبدأ ملئ مسارات القشرة التي تليها (تنتمى إلى مستوى أعلى من الطاقة).

وبعد ان كانت  الكهارب تعتبر بمثابة النقط المشحونة بالكهربية السالبة، أدخل في الاعتبار أنها على هيئة مغناطيسيات دقيقة لها عزم مغناطيسية. وبذلك توجد قوتان : القوى الكهربية التي تؤثر في مداراتها، ثم القوى المغناطيسية الناجمة عن لفها أو دورانها حول نفسها.

ولقد أمكن البرهنة على ان الكهربين اللذان ينطلقان في نفس المدار يجب ان يلفا في اتجاهين متضادين. ونظراً لأن الكهارب التي تلف في اتجاهات متضادة تعطى مجالات مغناطيسية ضعيفة ، فإنها  تحدث تغييرات طفيفة على مسارات بعضها بعضاً، ونحن نقول الآن إن أي كهربين سمح لهما من الاصل بالانطلاق في نفس المسار (حسب مبدأ بأولى) بأخذان فعلاً مسارين المسموح بها كأزواج متقاربة انقصلت تحت تأثيرات مغناطيسية ضعيفة ، وعلى هذا النحو تم تعديل مبدأ بأولى، أقصد الاستبعاد سابق الذكر.

وفي عام 1924 تقدم لويس دى برولي برأى خطير للغاية ضمته رسالة الدكتوراه التي تقدم بها لجامعة في الفيزياء النظرية، فحواه ان حركة الجسيمات المادية يصحبها ويقودها نوع خاص من الموجات الطائرة التي تنتشر في الفضاء مع تلك الجسيمات : وعلى ذلك  يمكن اعتبار مدارات الكم المختارة في نموذج بور للذرة على أنها تلك المدارات التي تحقق وجوب تضمين طولها عدداً صحيحاً من تلك الموجات الطائرة : موجة واحدة في مسار المك الأول، وموجتان في المسار الثاني ... الخ وهكذا اكتسبت ميكانيكا الكم للجسيمات خواص تشابه أمواج الصوت الوضوء.

وفي عضون عام 1926 تمت صياغة آراء دي بزولي على أساس رياضي قويم بمعرفة اروين شرودنجر فيما يعرف باسم (معادلة شرودنجر) التي تستخدم في حركة الجسيمات تحت أي مجال من المجالات القوى. وبدلاً من مسارات الكم الدائرية أو التي على هيئة قطاعات ناقصة أصبح داخل الذرة يوصف بما يعرف باسم دوال قاى التي تمثل الانواع المختلفة من امواج برولي الممكن وجودها في الفضاء المحيط بنواة الذرة.

وفي نفس تلك الفترة ظهر بحث آخر حول نظرية الكم اخرج فيرنز هيزنبرج أساسه أن الكميات الميكانيكية التي على غرار الوضع والسرعة والقوة إلخ ... لا تمثل بالأرقام العادية ولكن بوساطة تراكيب رياضية معنوية يعرف الواحد منها باسم المصفوف أو (المتركس). وسرعان ما تبين ان مصفوفات هيزنبرج هذه إنما تمثل حلول معلومات شرودنجر. ويمكن للمء عندما يحاول حل المسائل المختلفة المتعلقة بنظرية الكم ان يستعمل الميكانيكا الموجية، أو الميكانيكا المصفوفات، على التبادل.

وكان طبيعياً ان يتساءل العلماء عن المعنى الطبيعي لموجات دي  بولي التي تقوم الجسيمات المادية في تحركاتها: هل هي حقيقية كموجات الضوء مثلاً؟، أو هي مجرد فكرة رياضية لنصف لنا ظواهر عالم الذرة؟. وبعد سنوات من صياغة الميكانيكا الموجبة أجاب عن هذا السؤال . وهيزنبرج الذي عمد إلى معالجة المشكلة من أساسها فوجد ان الراصد لأية ظاهرة ومعداته كلاهما جزء يتكامل مع الظاهرة ذاتها، وبرهن هيزنبرج على أن حاصل ضرب عدم التثبت في الوضع والسرعة لا يمكن ان يقل في القدر عن ثابت بلانك مقسوماً على كتلة الجسم، أي إن:

Δ ع . Δ س ≥​ هـ / ك

وعمل بور على تحويل مبدأ هيزنبرج هذا إلى نوع جديد من فلسفة الفيزياء، ونجم عن ذلك تغيير جوهري في أفكارنا الخاصة بعالم المادة، وهي الأفكار والآراء التي تكتسبها من تجاربنا العادية منذ الطفولة، إلا أنها سمحت بفهم وهضم أغلب معضلات الفيزياء الذرية وألغازها. اما ألبرت أينشتين فقد تنكر لهذا المبدأ ولم تسمح فلسفته التي انصبت على تحديد الاشياء بالسمو بعدم التثبت إلى مرتبة المبادئ العلمية ... وراح يبحث عن المتناقضات في عدم التثبت الخاص بفيزياء الكم، إلا أن وجهوده في هذا الباب ادت إلى تقوية مركز المبدأ بدلاً من إضعافه ، إلا أنه حتى آخر يوم في حياته رفض قبول المبدأ، وظل يأمل ان تعود الفيزياء من جديد إلى وجهة نظر إمكان التحديد في يوم من الأيام.

وبعد ظهور نظرية الكم بسنوات معدودات تصدعت رؤوس علاء الفيزياء النظرية في محاولة توحيد نظرية النسبية ونظرية الكم هذه والجمع بينهما. واعتبرت معادلة شرودنجر الموجبة الكهرب كنقطة، ولم تسف شيء المحاولات التي عملت من اجل استخدام تلك المعادلة في حالة الكهرب الذي يلف مكتسباً خواص المغناطيس الصغير عن أية نتيجة.

وفي عام 1930 نشر موريس ديراك معادلته المشهورة التي تحمل اسمه (معادلة نسبية الموجية أو توحيد النسبية والكم)، وهي رغم صعوبتها وعظم تعقيدها تسمح لنا بصيد عصفور بحجر واحد : فهي من ناحية تتمشى مع جميع مستلزمات النسبية واشتراطاتها، وهي من ناحية أخرى توصل إلى ان يبدو الكهرب كأنما هو نحله صغيرة ممغطسة تلف وتدور.

وقد أدى توحيد النظريتين (النسبية والكم) على يد ديرالك إلى ظهور العالم الغريب، الذي فيه الطاقات سالبة والكهارب بليدة وكتها سالبة من جديد بشكل جدى. وتصور ديراك فيما تصور ان فقد الكهرب البليد معناه ظهور البروتون على هيئة فقاعات أو ثقوب، لأن فقد الكهربية السالبة معناه كسب لكهربية موجية، إلا أنه عجز عن تفسير كتلة البروتون التي تصل إلى أضعاف كتلة الكهرب، والذي زاد الطين بلة حسابات بأولى التي أدت إلى البرهنة على أنه إذا كان البروتون بحق يمثل فقاعته في محيط ديراك الذي يعج إلى درجة الإشباع بكهارب "بليدة"، فإن ذرة الأيدروجين لن تبقى إلا خلال فترة تكاد لا تصل إلى عشر معشار الثانية.

وفي عام 1931 اكتشف كارل اندرسون في أمريكا (خلال تجاربه على الاشعة الكونية باستخدام حجرة التكاثف لوسان) وجود الكهرب الموجب الشحنة (البزترون)، والمعروف  أنه يمكن انتاج الزوج المكون من كهرب موجب وآخر سالبة عن طريق تصادم كم الضوء ذي الطاقة العالية بنوى الذرات. وعندما  تنطلق الكهارب الموجية خلال المادة العادية لكتلتيهما على هيئة فوتونات لها طاقات عالية. وهكذا اعتبرت البروتونات بمثابة الثقوب في غضاء خلا خلواً تاماً من المادة.

وسريعاً ما اتجهت أنظار العلماء إلى البحث عن البروتونات السالبة التي يمكن ان يكون وضعها بالنسبة إلى البوتونات العادية الموجبة الشحنة شبيهاً بوضع الكهرب الموجب (البزترون) بالنسبة إلى الكهرب العادي (الإلكترون)، واستخدمت في سبيل ذلك (المعجلات) أو الاجهزة التي تعمل على اكساب الجسيمات الاولى عجلات تصاعدية عظمى تحت تأثير مجالات كهرمغناطيسية ، لتقذف بها النواة وخصوصاً ان إنتاجها (أو تحطيمها) إنما يتطلب طاقة تعادل أضعاف أضعاف الطاقة اللازمة لإنتاج الكهرب بسبب كتلة البروتون الكبيرة بالنسبة إلى كتلة الكهرب. وفي أكتوبر عام 1955 أعلن نفر من علماء أمريكا الذين يشتغلون بهذه المسألة أنهم شاهدوا البروتون السالب ينطلق من الهدف عندما أطلقوا عليه قذائف طاقتا 1/2 . 6 بلايين إلكترون فولت.

وفي خريف عام 1956 اكتشف النيوترود المضاد⁽¹⁾ . وهذا توافر الدليل على وجود جسيمات أولية مضادة للكهرب، والبروتون، ثم النيوترون ، مما يجعل احتمال تكوين المادة المضادة من هذه الجسيمات أمراً متوقعاً. ومن المعلوم أن الذرة التي تمثل أصغر لبنات المادة تتكون من النواة ويكاد يتركز فيها الوزن. ويدور من حول النواة في محيط أو عدة محيطات خارجية، كهرب أو عدد من الكهارب تعتبر كتلتها صغيرة بالنسبة إلى كتلة النواة. وبصفة عامة تتكون نواة الذرة من عدد من البروتونات وآخر من النيوترونات. وأبسط الذرات تركيباً على الإطلاق ذرة الأيدروجين ، إذ تتكون نواتها من مجرد بروتون واحد، ويدور في محيطها الخارجي إلكترون واحد. اما ذرة الهيليوم فقوامها اثنان من البروتونات وزوج من النيوترونات وزوج من النيوترونات في النواة، كما يدور في محيطها الخارجي زوج من الكهارب، ويمكن على أبسط الفروض اعتبار النيوترون المتعادل كهربياً كأنه بروتون موجب التكهرب اتحد به كهرب سالب.

ولمذا اكتشف النشاط الاشعاعي لبعض المواد على يد بكربل ثم مدام كورى، أدى ذلك بعد نحو نصف قرن إلى أن عرف أتوهان ظاهرة انشطار اليورانيوم.

وفي بداية ذلك القرن توصل رذرفورد ومساعده سودى إلى أن أساس النشاط الاشعاعي هو التحول التلقائي لعنصر كيموى إلى عنصر آخر. وقد أمكن تقسيم المواد المشعة إلى "عائلات" أربع بحسب اوزانها الذرية التي تمثلها القيم : 4ن + 1 ، 4ن+2 ، 4ن+3 ، 4ن ، إلا أن العائلة 4ن + 1 لا تتوافر في الطبيعة، ولكن يمكن انتاجها صناعياً. وقد جعل اليورانيوم القابل للانقسام أو الاكتينيوم من الممكن تطوير صناعة القتابل الذرية والمفاعلات النووية وهو ينتمى إلى النوع (4ن+3).

واتضح أن النوى عبارة عن تركيبات ميكانيكية معقدة، إذ تتكون من عدة جسيمات منها البروتونات. وعند ما افترض وجود كهارب داخل النواة الذرية أدى هذا الافتراض إلى مصاعب جمة من وجهة نظير نظرية الكم. ثم ظهرت فكرة وجود النيوترونات وأمكن إثبات ذلك عملياً داخل معمل كافندش. واستعمل فرى لفظ نيوترينو تصغيراً لمعنى النيوترون.

وبدأ رذرفورد تجاربه في تفجير نوى الذرات ومهيد الطريق لإنتاج القنابل الذرية رغم أنه لم يتنبأ بهذا التطور. وثم بناء أول محطم للذرة وهو الفائدةبجراف الذي يعمل على أساس الكهربية الساكنة، ثم بنى السيليكترون وهو يتكون أساساً من غرفة دائرية من المعدن مقسمة إلى نصفين وموضوعة بين قطبي مغناطيس كهربي قوي جداً، يكسب الجسيمات الأولية طاقات حركة عظمى بما يعطيها من عجلات. ويصف لنا الكتاب في تسلسل جميل أخاذ، في الفصل الاخير، جميع الخطوات التي تمت إلى حين تفجير القنابل الذرية.

__________________________________

(1) ولا نقول النيوترون السالب لأنه لا شحنة له، والسبيل الوحيد الذي تميز به النوعين هو انهما عند ما يتقابلات بقى أحدهما الآخر.