سنة استثنائية في حياة آينشتاين
سنة استثنائية في حياة آينشتاين
عام ١٩٠٥ قام ألبرت آينشتاين، شاب في السادسة والعشرين من عمره يعمل في المكتب السويسري لتسجيل الاختراعات في بيرن، بنشر اربع مقالات علمية غيّرت نظرتنا الى الكون — من مكوناته الاساسية المتناهية الصغر حتى مجراته الهائلة الحجم. وصارت بعض هذه المقالات ايضا نقطة انطلاق لاختراعات كثيرة ظهرت في السنوات المئة الماضية وبدّلت مجرى حياتنا.
يقول إيزيدور رابي، الحائز على جائزة نوبل للفيزياء: «قلما نجد فكرة اساسية في علم الفيزياء الحديث لا تمت بصلة ولو جزئيا الى اكتشافات آينشتاين». فما الذي اكتشفه آينشتاين منذ قرن مضى؟
كشْف النقاب عن اسرار الضوء
كشفت المقالة التي نشرها آينشتاين في آذار (مارس) ١٩٠٥ بعض الاسرار المتعلقة بطبيعة الضوء. فقد كان العلماء يعتقدون ان الضوء موجة تنتقل عبر الفضاء كما تنتقل الموجة على سطح بركة مياه. لكنّ النظرية الموجية هذه لم تفسِّر لماذا يولّد الضوء الازرق الباهت تيارا كهربائيا عندما يصطدم ببعض المعادن، في حين ان الضوء الاحمر لا يُنتج التأثير نفسه. فساعدت مقالة آينشتاين على توضيح سبب ذلك، شارحة ما دُعي التأثير الكهرضوئي.
حاجّ آينشتاين انه يمكن اعتبار الضوء في بعض الاحيان رزما صغيرة من الطاقة تسمّى كمّات ودُعيت لاحقا فوتونات. وعندما تمتلك هذه الفوتونات الطاقة الملائمة، اي عندما تكون باللون المناسب، تتمكن من تحرير الالكترونات من ذرات بعض المعادن. (ان فوتونات الضوء الاحمر هي اضعف من ان تحقق ذلك.) فيولّد هذا التفاعل تيارا كهربائيا في المادة. وقد ادّى شرح آينشتاين للتأثير الكهرضوئي الى الكثير من الاختراعات العصرية، نذكر منها على سبيل المثال: انابيب كاميرات التلفزيون، خلايا الطاقة الشمسية، وآلات مقياس التعرض الضوئي التي تُستخدم في التصوير الفوتوغرافي.
حاز آينشتاين على جائزة نوبل للفيزياء عام ١٩٢١ بسبب شرحه لطبيعة الضوء. ومهدت مقالته العلمية الطريق امام ولادة النظرية الكميّة. وبدورها وضعت هذه النظرية الكميّة الاساس للعديد من التطبيقات العملية التي شملت العلوم النووية، الالكترونيات، والتكنولوجيا المجهرية.
لماذ يهتز غبار الطَّلْع
عام ١٩٠٥، صبّ آينشتاين اهتمامه ايضا على الذرات والجزيئات. وأعطى تفسيرا نظريا يوضح تأثيرها على حبيبات غبار الطَّلْع العالقة في المياه. ففي عام ١٨٢٧، كان عالِم احياء يدعى روبرت براون يحدق في المجهر، فلاحظ ان حبيبات غبار الطَّلْع المغمورة بالماء تهتز. ودعى هذا الاهتزاز الحركة البراونية، غير انه لم يستطع شرح سبب حدوثه.
لكنّ المقالة التي نشرها آينشتاين في ايار (مايو) عام ١٩٠٥ ذكرت ان جزيئات الماء التي تهتز هي التي تسبّب الحركة البروانية. ولم يقم آينشتاين بقياس حجم جزيئات الماء فحسب، بل اعطى ايضا توقعات عن خصائص ذراتها. وقد استند علماء آخرون في ابحاثهم على هذه التوقعات وأزالوا اي شك في وجود الذرات. وهكذا يعتمد علم الفيزياء الحديث على المفهوم ان المادة مؤلفة من الذرات.
نسبية الوقت
ان نظرية النسبية الخاصة التي نشرها آينشتاين في حزيران (يونيو) عام ١٩٠٥ عارضت مفهوما اساسيا تبناه علماء مثل اسحاق نيوتن، ومفاده ان قياس الوقت ثابت في الكون. لذلك بدت ابعاد نظرية آينشتاين، التي صارت اليوم مقبولة عموما، غريبة بعض الشيء.
على سبيل المثال، تخيل انك انت وصديقك ضبطما ساعتيكما لتشيرا الى الوقت نفسه بالتحديد. وبعد ذلك سافر صديقك حول العالم، فيما بقيت انت في بلدك. ولما عاد صديقك، وجدت ان ساعته اخّرت قليلا. من وجهة نظرك، ابطأ سفر صديقك الوقت الذي سجلته ساعته. طبعا، ان الفرق في الوقت متناهي الصغر نظرا الى السرعة التي يسافر فيها البشر. ولكن عندما تقترب السرعة من سرعة الضوء، لا يبطؤ الوقت كثيرا فحسب، بل تصغر الاشياء ايضا وتزداد كتلتها. وهكذا اكّدت نظرية آينشتاين ان سرعة الضوء، لا الوقت، هي الثابتة عبر الكون.
معادلة غيّرت العالم
في ايلول (سبتمبر) ١٩٠٥، نشر آينشتاين بحثا في علم الرياضيات اعتُبر ملحقا لنظرية النسبية الخاصة. وقد احتوى هذا الملحق المعادلة التي تُعتبر اليوم رمز اعماله: ط = ك سر٢ (2cm=E). وتعني هذه المعادلة ان كمية الطاقة التي تُطلق عند انشطار الذرة تساوي الكتلة التي تخسرها هذه الذرة ضرب مربع سرعة الضوء.
نتيجة الجهود التي بذلها علماء مثل آينشتاين، تعلّم البشر الكثير عن طبيعة الكون. ومع ذلك، لا تزال معرفة الانسان اليوم محدودة كالمعرفة التي وصفها ايوب قديما. ففي معرض حديثه عن اعمال الخالق، اعترف ايوب بتواضع: «ها إن هذه اطراف طرقه، ومجرد همس خفيف نسمعه منه». — ايوب ٢٦:١٤.
[الرسم/الصور في الصفحة ٢٠]
(انظر المطبوعة)
يتصرف الضوء كموجات وكجسيمات على حد سواء. وقد ادّى فهم طبيعة الضوء الى اختراع الآلات الحاسبة التي تعمل على الطاقة الشمسية والاجهزة الحساسة للضوء في الكاميرات الرقمية
[الرسم/الصور في الصفحة ٢١]
(انظر المطبوعة)
ساهمت الحركة البراونية في اثبات وجود الذرات
[الرسم/الصور في الصفحة ٢١]
(اطلب النص في شكله المنسَّق في المطبوعة)
ط الطاقة
= تساوي
ك الكتلة
سر٢ ضرب سرعة الضوء مربع
سر٢ تعني سر ضرب سر، او ٠٠٠,٣٠٠ كلم/ثانية ضرب ٠٠٠,٣٠٠ كلم/ثانية
بما ان سر٢ هو رقم كبير جدا (٠٠٠,٠٠٠,٠٠٠,٩٠ كلم٢/ثانية٢)، يمكن تحويل كتلة صغيرة جدا الى طاقة هائلة. فعندما تنشطر ذرة من اليورانيوم، تُنتج ذرتين اصغر وتخسر ايضا حوالي ١,٠ من كتلتها؛ فتتحول هذه النسبة الصغيرة التي خسرتها الى كمية هائلة من الطاقة
كمية الطاقة التي تُطلق
ان مجرد ٤٥٠ غراما من اية مادة يعادل بعدما يتحول كاملا الى طاقة:
◼ ١١ بليون كيلو واط ساعة
◼ الطاقة اللازمة لقيادة سيارة حول العالم ٠٠٠,١٨٠ مرة
◼ الطاقة اللازمة لتسافر اكبر ناقلة نفط ٤٠٠ مرة حول العالم
◼ الطاقة الكهربائية التي تستهلكها الولايات المتحدة في يوم واحد
والعكس صحيح ايضا، فتلزم كمية هائلة من الطاقة لتشكيل ذرة واحدة فقط
[الصور في الصفحة ٢١]
كلما زادت سرعة سفرك، صار الوقت ابطأ
[الصورة في الصفحة ٢١]
ان الساعات الموجودة على متن الاقمار الاصطناعية التابعة لنظام تحديد المواقع العالمي لا تعمل بالسرعة نفسها التي تعمل بها الساعات على الارض. ودون تصحيح هذا التأثير الناجم عن نسبية الوقت، يصير نظام تحديد المواقع هذا عديم الجدوى
[مصدر الصورة في الصفحة ٢٠]
Einstein: Photo by Topical Press Agency/Getty Images; background: CERN photo, Geneva