هناك الكثير من الأفكار المثيرة للاهتمام في الفيزياء أو الفيزياء الحديثة على وجه التحديد ومنها على سبيل المثال، المادة ما هي إلا صورة أو حالة من حالات الطاقة، بعض العناصر يمكن أن تتواجد في أكثر من حالة ومكان في الوقت نفسه، الضوء والمادة مصابان بانفصام في الشخصية الفيزيائية، الكون مهيأ تمامًا لحياة البشر، ما هو الوعي البشري؟ وما السبب وراء عدم قدرتنا على تحديد موقع وسرعة الإلكترون معًا في نفس الوقت؟
أحدثكم في هذا المقال عن 10 أفكار فيزيائية مثيرة للدهشة منها ما هو نظريات شهيرة أغلبنا سمع عنها ومنها ما هو فرضيات بُنيت عليها نظريات، ومنها ما هو نتائج علمية توصل إليها العلماء بفضل النظريات والأبحاث. كانت ومازالت هذه الأفكار محط جدل وحيرة بين العلماء ولا يتسع المجال هنا لسردها بالتفصيل لذلك سأكتفي بذكر نبذة مختصرة عن كل فكرة.
الطبيعة المزدوجة للضوء والمادة – Wave Particle Duality
تفترض هذه النظرية بأن كل من المادة والضوء يظهران بخصائص الموجات والجسيمات في الوقت نفسه، من البديهي لكل من درس المبادئ الفيزيائية أن المادة لها خصائص الجسيمات لأنها تتكون من ذرات وجزيئات (جسيمات) وأن الضوء له طبيعة موجية لأنه يتكون من موجات بأطوال موجية وترددات معيّنة، ولكن ميكانيكا الكم (الفيزياء الحديثة) أثبتت أن الجسمات تُظهر في بعض الأوقات خصائص موجية وأن الموجات تَظهر في بعض الأحيان بخصائص الجسيمات حسب نوع التجربة التي يتم على أساسها الاختبار.
في القرن السادس عشر افترض كل من كريستيان هيجنز وإسحاق نيوتن نظريتين لطبيعة الضوء، حيث افترض هيغنز أن للضوء طبيعة موجية، بينما رأى نيوتن أن الضوء يتميز بخصائص الجسيمات، ونظرًا لعدم وجود ملاحظات تدعم نظرية هيغنز ومركز نيوتن العلمي، دعم المجتمع العلمي نظرية نيوتن وعمل بها لعدة قرون.
ولكن في بدايات القرن التاسع عشر لاحظ العلماء ظاهرة الحيود الضوئي (انكسار الضوء عند الاصطدام بجسم ما) والتي واجه العلماء صعوبة في تفسيرها في ضوء نظرية نيوتن، وعندما قدم العالم ثوماس ينج تجربة الفتحة المزدوجة الشهيرة التفتت أنظار العلماء مرة أخرى لفرضية هيغنز.
في عام 1905 نشر أينشتاين ورقة بحثية يشرح فيها التأثير الكهروضوئي والتي وصف فيها الضوء على أنه طاقة متمثلة فيما يعرف الآن بالفوتون وعرفت نظريته فيما بعد بنظرية الفوتون. الآن وفي ظل وجود تجارب وملاحظات يؤكد أحدها الطبيعة الموجية للضوء وتؤكد الأخرى الطبيعة الجسيمية للضوء أقرّ العلماء بالطبيعة المزدوجة للضوء بحسب نوع التجربة.
تمامًا مثل الضوء وجد العلماء أن المادة لها طبيعة مزدوجة كذلك، حيث لاحظ العلماء أن الاجسام الضخمة جدًا يصدر عنها أطوالٌ موجية قصيرة جدًّا لدرجة يمكن معها اعتبارها غير موجودة وبالتالي لا يوجد ما يميّزها كموجات ويمكن اعتبارها ذات طبيعة جسيمية. أمّا في حالة الأجسام الصغيرة جدًا مثل الإلكترونات، نلاحظ أن لها أطوالًا موجية كبيرة جدًّا يمكن معها اعتبارها كموجة وهنا تظهر الطبيعة الموجية للمادة.
النظرية النسبية لأينشتاين – Einstein’s Theory of Relativity
نسبية أينشتاين التي تحدثنا عنها هنا من قبل مبنية على مبدأ هام جدًّا وهو أن القوانين الفيزيائية ثابتة لكل الملاحظين أو المشاهدين بغض النظر عن موقعهم أو سرعتهم أو عجلة تسارعهم، النظرية بشقيها الخاص والعام تقترح فرضيات مذهلة فعلًا، ففي النسبية الخاصة يتحدث أينشتاين عن سرعة الضوء الثابتة في كل الأحوال وعلاقتها بالكتلة، وفي النسبية العامة يتحدث عن قوة الجاذبية وأثرها في الكون.
ومن الطريف أن أينشتاين لم يحصل على نوبل بسبب نسبيته وإنما حصل عليها بسبب التأثير الكهروضوئي الذي تحدثنا عنه منذ قليل ولم يكن حتى من أطلق اسم النسبية على النظرية ولكن العالم ماكس بلانك هو الذي وصف فرضيات أينشتاين بهذا الاسم.
قبل النسبية كان يعتقد الجميع أن الزمان والمكان كلاهما قِيَم ثابتة ومن زاوية رؤيتنا على الأرض فهما بالفعل كذلك، ولكن أينشاتين أثبت بالرياضيات أن المنظور المُطلق للأشياء عبارة عن وهم وأن الزمان والمكان يمكن أن يتعرضا للتعديل والتغيير. من الممكن للمكان أن ينضغط أو يتوسّع ويمكن لمعدّل مرور الزمن أن يقل أو يزيد كذلك في حال التعرض لمجال جاذبية قوي أو التحرك بسرعة كبيرة جدًّا.
الأمثلة التي توضح النسبية كثيرة جدًّا يمكنك أن تتخيّل أن معك ساعة وضعتها في مدار حول الأرض لتتحرك بسرعة كبيرة جدًّا مقارنة بمكانك على الأرض، الآن إذا كان مازال باستطاعتك رؤية الساعة ستبدو أصغر مما كانت عليه عندما كانت بين يديك، ستلاحظ أيضًا أن عقارب الساعة تدور بشكل أبطأ والسبب هو ظاهرة تسمى “تمدد الوقت – time dilation”.
تفترض النسبية أن الزمان والمكان كلاهما شيء واحد يُطلق عليه “الزمكان” والذي يتأثر فقط بالجاذبية والسرعة، بمعنى أنه إذا كان هناك جسم تحت تأثير قوى جاذبية كبيرة جدًّا أو يتحرك بسرعة كبيرة جدًّا فإن الزمن بالنسبة لهذا الجسم سيصبح أبطأ مقارنةً بجسم آخر غير مُعرض لنفس القوى.
قد تبدو هذه الافتراضات غير منطقية وغريبة ولكنها في الواقع صحيحة وكما ذكرت الأمثلة التي تدعمها في حياتنا كثيرة، على سبيل المثال نظام تحديد المواقع العالمي GPS يعتمد على قياسات محددة للزمن لتحديد المواقع على الأرض، تدور الأقمار الصناعية الخاصّة بهذا النظام حول الأرض بسرعة 14 ألف كيلو متر في الساعة وهي سرعة كبيرة مقارنة بسرعتنا على الأرض وبالتالي في حال لم يضبط المهندسون ساعات النظام على الأرض لتعويض فرق الزمن الناتج عن تلك السرعة فستظهر لنا المواقع على الخريطة على بُعد 10 كيلومترات عن الموقع الحقيقي.
الاحتمالات الكمّية ومشكلة القياس – Quantum Probability & the Measurement Problem
يتم تمثيل فيزياء الكمّ رياضيًّا بمعادلة شرودنجر والتي تصف احتمالية وجود جسيم في نقطة معيّنة، هذه الاحتمالية شيء أساسي بالنسبة لحسابات أي نظام كمّي وبمجرد إيجاد القياسات يمكن الحصول على نتيجة محددة. أمّا مشكلة القياس فتعني أنه عند محاولة عمل قياس لنظام كمّي تنتقل الدالة الموجية من التراكب superposition (التواجد في حالتين أو موقعين في نفس الوقت) إلى حالة واحدة ولا تقدم نظرية الكمّ تفسيرًا لذلك وكيف أن عملية القياس نفسها ينتج عنها تغيير في النتائج. أحد أشهر الأمثلة التي توضح هذه المشكلة هي تجربة قطة شرودنجر.
مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج – Heisenberg Uncertainty Principle
مبدأ عدم اليقين من المبادئ الأساسية التي قامت عليها فيزياء الكمّ وهي نظرية للفيزيائي Werner Heisenberg والتي تنص على أنه عندما يتم قياس الحالة الفيزيائية لنظام الكمّ quantum system هناك حد أو نهاية لقيمة الدقة التي يمكن تحقيقها. يرى هايزنبرج أنه ليس ممكنًا أن نعرف بشكل متزامن وبدقة عالية خاصيتين لأي جسيم، بمعنى أنه يمكنك أن تعرف موقع إلكترون بشكل دقيق جدًا في أي لحظة ولكن لا يمكنك أن تحدد كمية حركته بنفس الدقة في نفس تلك اللحظة.
على سبيل المثال كلما زادت درجة الدقة التي تقيس بها كمية الحركة لجسيم ما كلما قلّت دقة قياس موقعه، المثير في هذا المبدأ أن هذه المحدودية ليست ناتجة عن خطأ في القياس أو بسبب عدم قدرة الأدوات والتكنولوجيا الحالية ولكنه حد وحقيقة فيزيائية لا يمكن تجاوزها أو التغلب عليها.
