دراسة الفيزياء هي دراسة الكون، وبشكل أكثر دقة هي دراسة كيفية عمل الكون.

إنها من غير شك أكثر فروع العلم إثارة للاهتمام، لأنه كما تبين، فإن الكون أكثر تعقيدًا بكثير مما يبدو عليه، مع أنه يبدو شديد التعقيد.

يدور العالَم من حولنا بطرقٍ غريبةٍ جدًا، ومع أنك قد تحتاجُ إلى شهادة دكتوراه في الفيزياء لفهم أسباب ذلك، ما عليك سوى الشعورِ بالدهشة لتقدٍّرَ مدى تعقيد العمليَّة كلها.

إليك عشرٌ من أكثر الاكتشافات مُثيرة للدهشة التي اكتشفها علماء الفيزياء عن كوننا

10- توقف الزمن عند التحرك بسرعة الضوء

وفقًا لنظرية النسبية الخاصة للعالم أينشتاين، لا تتغير سرعة الضوء أبدًا، فقيمتها مُحددةٌ بالمقدار 300,000,000 (متر/ثانية)، مهما كان من يقوم بعملية القياس.

هذا في حدِّ ذاته أمرٌ لا يُصدَق بما فيه الكفاية، نظرًا إلى أنه لا يمكن لأي شيءٍ أن يتحرك بسرعة أكبر من سرعة الضوء، لكن لا يزال هذا الأمر نظريًا لحد كبير.

الأمر الرائع حقًا في النظرية النسبية الخاصة هو مفهوم تمدد الزمن (time dilation)، والذي ينصُّ على تباطئ مرور زمن المتحرك بالنسبة للمحيط كلما زادت سرعة حركته.

أي إذا ذهبت لأخذ جولة في سيارتك لمدة ساعة، ستكون قد تقدمت بالعمرِ بمقدارٍ أقل من مما كنت ستتقدم لو بقيت جالسًا في المنزل أمام حاسوبك، ولكن الفرقَ صغيرٌ جدًا.

وقد لا تستحق المُدة الإضافية (أقل من نانو ثانية) التي ستحصل عليها تكلفة الوقود، ولكن من الجيد معرفة أن هذا الأمر متاح أمامك.

بالطبع، يمكن للزمن أن يتباطئ حتى مقدارٍ محدودٍ، وتوضِّحُ العلاقة الرياضية أنه في حال تحرك جسمٌ ما بسرعة الضوء سيتوقف الزمن بالنسبة له.

ولكن قبل أن تذهب مسرعًا وتحاول إيجاد خطة تمكنك من العيش إلى الأبد، تذكر أنه من المستحيل أن تتحرك بسرعة الضوء، ما دمت لست مكونًا من الضوء فقط دون أي مادة.

من الناحية العملية، يتطلَّبُ التحرك بسرعة الضوء كمية لانهائية من الطاقة (وأنا بالنسبة لي لا أمتلك مثل هذا الكم من الطاقة).

9- التشابك الكمي (Quantum Entanglement)

حسنًا، لقد اتفقنا للتو أنه لا يمكن لأي شيء أن يتحرك بشكل أسرع من الضوء، صحيح؟ في الواقع… نعم ولا.

في حين أن هذا التصريح صحيحٌ من الناحية العملية، إلا أنه توضَّح أن هناك منفذًا لهذا الأمر في فرع الفيزياء الغريب المعروف بميكانيك الكم.

يهدف ميكانيك الكم في جوهره إلى دراسة الفيزياء على المقاييس الميكروسكوبية، مثل تصرُّفات الجسيمات دون الذرية (subatomic particles).

على الرغم من أن هذا النوع من الجزيئات صغير إلى درجة يصعب تخيلها، إلَّا أنها في غاية الأهمية، لأنها تشكل وحدة البناء الأساسية لكلِّ شيءٍ في الكون.

سأبتعد عن التفاصيل التقنية للوقت الحالي (لأنها في غاية التعقيد)، ولكن يمكنك أن تتخيل هذه الجسيمات كقطع رخامية صغيرة جدًا، دائمة الدوران حول نفسها، ومشحونة بشحنة كهربائية.

حسنًا، ربما هذا معقد أيضًا، ولكن حاول أن تحافظ على اهتمامك.

لنقل أنه لدينا الكترونين ( والالكترون هو جسيم دون ذري مزود بشحنة سالبة).

يعبر التشابك الكمي عن ظاهرة خاصة تتضمن اقتران هذه الجسيمات كثنائيات لتصبح متماثلة تمامًا (كأن نقول قطعتين رخاميتين صغيرتين لها نفس جهة الدوران ونفس الشحنة).

عند حدوث هذه الظاهرة، تصبح الأمور غريبة حقًا لأنه اعتبارًا من لحظة حدوثها، يبقى هذان الالكترونان متماثلان في جميع الخواص.

هذا يعني أنه في حال قمت بتغيير أحد خواص الأول، لنقل أنك قمت بتغيير جهة دورانه، سيتصرف الالكترون الآخر بشكل مشابه له تمامًا، وبشكلٍ لحظيٍ، أينما كان، ومن دون أن تَلمُسَه حتى.

الآثار المترتبة على هذه الظاهرة ضخمٌة جدًا، حيث تعني هذه الظاهرة أنه يمكن نقل المعلومات (في هذه الحالة هي جهة الدوران الالكترون) بشكلٍ مباشرٍ ولحظيٍ إلى أي مكانٍ في الكون.

8- تَأَثُرُ الضوء بالجاذبية

دعونا نعودُ إلى الضوءِ لدقيقة، ولنتكلم هذه المرة عن النظرية النسبية العامة (أيضًا للعالم أينشتاين).

تتضمن هذه النظرية فكرةٌ معروفة باسم انحراف الضوء (light deflection)، وهي تعني تمامًا كما يبين الاسم، أن مسار شعاعٍ من الضوء ليس مستقيمًا تمامًا.

بالرغم من غرابة هذه الفكرة، إلا أنها أُثبتَت بشكلٍ متكررٍ (حتى أنه تم إنشاءُ استعراضٍ تكريمي باسم العالم أينشتاين للتنبؤ بها بشكلٍ صحيحٍ).

ما تنصُّ عليه هذه الفكرة هو أن على الرغم من عدم امتلاكِ الضوء لكتلة إلا أن مساره يتأثر (بفعل الجاذبية) بالأشياء التي لها كتلة مثل الشمس.

ومنه إذا مرَّ شعاعٌ من الضوء، ولنقل أنه قادمٌ من نجمٍ بعيدٍ، وبشكلٍ قريبٍ بما فيه الكفاية من الشمس، فسوف ينحني هذا الشعاع قليلًا حول الشمس.

يمكن إسقاطُ هذه النتيجة على المراقب، مثلنا، بأن نرى النجمَ المُصدر للشعاعِ الضوئي في مكانٍ من السماء مُختلف عن موقعه الحقيقي (مثل عدم رؤية السمك في مكانها الحقيقي عند وجودها في الماء).

فتذكر في المرة القادمة التي تنظر فيها نحو النجوم، من الممكن أن يكون كل ما تراه خدعة ضوئية.

7- المادة المظلمة (Dark Matter)

بفضل العديد من النظرياتِ الفيزيائية بعضها قد ذكرناه سابقًا والكثير لم نذكره، يتوفر لدى علماءِ الفيزياء وسائلٌ دقيقةٌ جدًا لحساب الكتلةِ الكُلية للكون.

كما لديهم وسائل أخرى دقيقة جدًا لقياس الكتلة الإجمالية التي نستطيع رصدها في الكون، وإليك الأمر المفاجئ، الرقمان ليسا متساويين.

في الحقيقة، الكتلة الكلية للكون هي أكبرُ بكثيرٍ من الكتلة الإجمالية التي نستطيع رصدها.

فاضطر علماء الفيزياء لإيجاد تفسيرٍ لهذا الأمر، والنظريةُ الرائدةُ حاليًا تتضمن ما يُسمى بالمادة المظلمة (Dark Matter)، وهي مادةٌ غامضةٌ لا تُصدِرُ أي ضوءٍ وتشكل حوالي 95% من كتلة الكون.

بالرغم من أنه لم يتم إثبات وجودها بعد بشكل رسمي بعد (بسبب عدم قدرتنا على رؤيتها)، يدعمُ عددٌ كبيرٌ من الأدلة وجود المادة المظلمة، ويظنُّ علماء الفيزياء أنها يجب أن توجد بشكلٍ ما أو بآخر لتفسر وجود الكون كما نعرفه.

6- تمدد الكون بشكلٍ سريعٍ

هنا تزداد الأمورُ تعقيدًا، ولفهم السبب، يجب علينا أن نعود إلى نظرية الانفجار العظيم (The Big Bang Theory)، وهي نظريةٌ مهمةٌ لتفسير أصل الكون.

يمكن توضيح هذه النظرية بأبسط شكل ممكن كما يلي: بدأ الكون بحدوث انفجارٍ، فانتشرت أنقاضٌ (كواكب، نجوم.. الخ) بجميع الاتجاهات، مدفوعة بالطاقة الهائلة للإنفجار.

وبسبب كون هذه الأنقاضِ ثقيلةً جدًا، وبالتالي تخضع لتأثيرِ جاذبية كل ما خلفها، يمكن أن نتوقع أنَّ هذا التوسع سيتباطئ بعد فترة ما.

ولكنه لم يفعل ذلك، في الحقيقة، تزداد سرعة توسع الكون مع مرور الزمن، ويمكن تشبيه غرابة هذا الأمر بأن تقوم برمي كرةٍ ما، وبدلًا من أن تسقط إلى الأرض بعد مدةٍ زمنيةٍ ما، تسارعُ هذه الكرة مع الوقت (مع أننا ننصح بعدم المحاولة بالقيام بذلك في المنزل).

هذا يعني، في الواقع، أن الكون ينمو بشكلٍ مستمرٍ.

والطريقةُ الوحيدةُ لتفسير هذه الظاهرة هي باستخدام مفهوم المادة المظلمة، أو بشكل أكثر دقَّة باستخدام مفهوم الطاقة المظلمة (dark energy)، والتي هي القوة الدافعة خلف هذا التسارع الكوني.

هل تبادر إلى ذهنك السؤال: ولكن ما هي الطاقة المظلمة؟ حسنًا، إنها أمرٌ آخرٌ مثيرٌ للاهتمام…..

5- المادة هي مجرد طاقة

هذا صحيحٌ، المادة والطاقة ليسا إلّا وجهين لعملةٍ واحدةٍ.

في الحقيقة، قد تكون على معرفة بهذا الموضوع إذا سمعت بالمعادلة الشهيرة E=mc^2.

حيث يرمز الحرف E للطاقة، والحرف m إلى الكتلة.

تُحدد كمية الطاقة المخزنة في كمية محددة من الكتلة عن طريق معامل التحويل وهو مُربَّع المقدار C وهو سرعة الضوء.

تفسير هذه الظاهرة رائعٌ حقًا، ويتعلقُ بشكلٍ مباشرٍ مع مبدأ زيادة كُتلة جسمٍ ما باقتراب سرعته من سرعة الضوء (وذلك خلال تمدد الزمن).

ولكن مع ذلك هذا المفهوم شديد التعقيد، وبهدف تبسيط هذه المقالة، سأُكدٌّ لك أنه حقيقيٌ.

وإن كنت بحاجة إلى دليلٍ أكثر من ذلك، ما عليك سوى النظر إلى القنبلة الذرية، التي تقوم بتحويل كميةٍ قليةٍ جدًا من المادة إلى كميةٍ هائلةٍ من الطاقة.

4- الازدواجية أو الطبيعة الثنائية (موجة-جسيم) (Wave-Particle Duality)

بما أننا نتكلم عن الأشياء التي هي أشياء أخرى، لننظر إلى الجسيمات والأمواج.

للوهلة الأولى، يبدو كلًا من الجسيمات (مثل الالكترون) والأمواج (مثل الضوء) من طبيعتين مختلفتين تمامًا.

أحدهما كتلة صلبة من المادة، والأخرى هي عبارة عن حزمة مشعة من الطاقة، نوعًا ما.

ولكن تبين أن أشياء عديدة منها الضوء والالكترونات لا تقتصر على حالة واحدة من الوجود – فهي تتصرف بشكلٍ مشابهٍ لكل من الجسيمات والأمواج، وذلك يعتمدُ على من يراقب.

أعلم أن هذا يبدو مثيرًا للسخرية (وستزداد الأمور تعقيدًا وغرابة كلما اقتربت من الرقم واحد في قائمتنا)، لكن هناك أدلَّة ملموسة تُشير إلى أن الضوء هو عبارة عن أمواج، وأيضًا هناك العديد من الأدلة الأخرى التي تُشير إلى أن الضوء هو عبارة عن جسيمات (ونفس الأمر بالنسبة للالكترونات).

إنه كِلا الأمرين في الوقت نفسه.

يجب الانتباه هنا إلى أنني لا أُشير إلى حالةٍ متوسطةٍ بين الأمرين، وإنما كِلا الأمرين بشكلٍ ملموسٍ، بمعنى أنه يمكن أن يسلك سلوك أي الطبيعتين.

لا تقلق إذا كانت الأمورُ غير واضحةٍ أو مفهمومةٍ بالنسبة لك، لأننا عدنا إلى عالم ميكانيك الكم، وعلى هذا المقياس، لا يُفضِّل الكونُ أن يكون مفهومًا على أي حال.

3- سقوطُ جميعِ الأجسامِ بالسرعة نفسها

دعونا نهدأ قليلًا وننظر إلى أمور أقل تعقيدًا، لأن الفيزياءَ الحديثة أكثرُ ضخامة من أن يتمَّ استيعابها في مرة واحدة، ولكن لا بأس في ذلك لأن الفيزياء التقليدية تحتوي على أمور رائعة أيضًا.

من المنطقي أن تظن أن الأجسام الثقيلة تسقط بسرعة أكبر من الأشياء الأخف منها، وإلا جانب ذلك، أنت تعرف أن كرة البولينغ تسقط بشكلٍ أسرعٍ من الريشة.

وهذا صحيحٌ، ولكن ليس له علاقة بالجاذبية، السبب الوحيد لحدوث ذلك هو المقاومة الناتجة عن الهواء (أو الغلاف الجوي للأرض).

في الواقع، وكما أثبت العالم غاليلو Galileo لأول مرة منذ حوالي 400 سنة، تؤثر الجاذبية على كل الأجسام بشكلٍ متطابقٍ مهما كانت كُتلها.

هذا يعني، أنه في حال قمت بإعادة تجربة سقوط كرة البولينغ والريشة على القمر، حيث لا يوجد غلاف جوي (وبالتالي لا يوجد هواء)، ستجد عندها أنَّ كِلا الكرة والريشة سيصلان إلى الأرض (في هذه الحالة سطح القمر) في اللحظة نفسها تمامًا.

2- الرغوة الكمية (Quantum Foam)

حسنًا، انتهى وقت الاستراحة، لنعد إلى الأمور الغريبة مجددًا.

أولُ الأمورِ التي قد تتبادر لذهنك عند الفكير بالفضاء الخالي، هو أنه فارغ وخالي كما يُوضح الاسم، وهذا أمرر منطقيٌّ.

لكن تبين أن الكون أكثر عشوائية من أن يكون هذا الأمر صحيح، ذلك بسبب وجود جسيمات تظهر في جميع أنحاء الكون ولكن لا تلبث أن تختفي عن الوجود.

يُطلق عليهم اسم الجسيمات الافتراضية (virtual particles)، ولكن إياك أن يخدعك الاسم، فهم حقيقيون وتم إثبات وجودهم.

لا تزيد فترة ظهورهم (أو بشكل أدق فترة وجودهم) عن جزء صغير من الثانية، وهي فترة كافية لخرق بعض القوانين الأساسية في الفيزياء، ولكنها ليست طويلة بما يكفي لتسبب أي حدث مهم.

(مثل أن تقوم بسرقة شيءٍ ما من المتجر، ولكن تعيده إلى مكانه بعد نصف ثانية).

أطلق العلماء اسم الرغوة الكمية على هذه الظاهرة لأنه يبدو أنها تذكرهم بالفقاعات المتقلبة على سطح كوب من المشروبات الغازية.

1- تجربة الشقين (The Double Slit Experiment)

هل تتذكر أنني قٌلتُ قبل قليلٍ أنَّ كلَّ شيءٍ هو عبارةٌ عن موجة وجسيم بنفس الوقت؟ يُفترض ذلك في حال كنت تتابع بدقة.

إليك الجانب الآخر، أنت تعرفُ حقَّ المعرفة أن الأشياء لها أشكالٌ محددةٌ، كأن نقول أن التفاحة التي في يدك هي تفاحة، وليست عبارة عن مزيجٍ ما بين تفاحة وموجة.

لذلك السؤال هنا هو: ما هو السبب خلف كون شيء ما جسيم أو موجة بشكل محدد؟ تبين أن هذا السبب هو نحن (كمراقبين).

تجربة الشقين هي على الأغلب أكثرُ الأمورِ غرابةً التي ستقوم بقراءتها اليوم، ويمكن شرحها بشكل بسيط كما يلي: يضع العلماء شاشةً فيها شقين أمام حائطٍ، ويطلقون شعاعًا من الضوء عبر الشقين ليتمكنوا من رؤية المناطق من الحائط التي يصطدم فيها الضوء.

عادةً وبسبب كون الضوء عبارة عن أمواج، سيظهر ما يسمى بنمط الانعراج (diffraction pattern)، وسيتم رؤية حزمة من الضوء منتشرة على الحائط.

هذا ما يفترض بك رؤيته إذا قمت بتنفيذ هذه التجربة الآن.

ولكن ستختلفُ الأمورُ في حال كان ما يمرُّ عبر الشقين هو جسيمات، فعندها ستعبر الجسيمات الشقين وسيتشكَّلُ خطين على الحائط مشابهين تمامًا للشقين.

وبما أن الضوء هو عبارة عن جسيمات، لماذا لا نرى هذا الأمرَ عوضًا عن نمط الانعراج عند تنفيذ التجربة السابقة؟ يتمثل الجواب بأنه يكمن رؤية الخطين على الحائط عوضًا عن الحزمة، ولكن فقط إذا أردنا ذلك.

يمكن تخيَّل الأمر كما يلي، يمرُّ الضوء عبر الشقين في نفس الوقت إذا تصرف كموجة، ولكن لا يمكنه سوى المرور عبر أحد الشقين عندما يتصرف كجسيم.

لذلك إذا أردت أن يتصرف الضوءُ كجسيم، كل ما عليك فعله هو أن تضعَ أداة ما لتُحدِّدَ بشكلٍ دقيقٍ أي الشقين يمرُّ عبره كل جُزءٍ من الشعاع الضوئي (والمُسمى بالفوتون).

يمكنُ اعتبار الأداة كآلة تصويرٍ تلتقطُ صورةً لكل فوتون عند مروره عبر شقٍ واحدٍ، وبالتالي لا يمكن لهذا الفوتون أن يَمرَّ عبر الشقين، ومنه لا يمكن أن يكون موجة.

وكنتيجة، لن يظهر نمطُ التداخلِ السابق على الحائط، بل سيظهرُ الخطان.

أي أن الضوء تصرف كجسيمٍ فقط لأنك قُمت بوضعِ آلة تصويرٍ أمامه.

لقد قمت بتغيير نتيجةِ التجربةِ فقط بقياسك لها.

هذا ما يُطلَقُ عليه اسمُ أثر المراقب (Observer Effect)، وبشكلٍ عامٍ ومع أنه طريقةٌ جيدةٌ لنختم بها هذه المقالة، لا يُعتبر هذا الأمر سوى بدايةٍ بسيطةٍ للأشياءِ الغريبةِ التي يمكن إيجادها في الفيزياء.

على سبيلِ المثالِ، هناك مجموعةٌ من الأشكالِ المختلفة لتجربة الشقين، وهي مُدهشةٌ وأكثر غرابة من الشكل الذي ذكرناه هنا.

أُشجعكَ عزيزي القارئ أن تقومَ بالبحث فيها، ولكن فقط إن كنت مُستعدًا لقضاءِ نهارك كاملًا عالقًا في غرائبِ عالمِ ميكانيك الكم.

  • ترجمة: مازن ملص.
  • تدقيق: جدل القاسم.
  • تحرير: يمام اليوسف.
  • المصدر