إذا كنت من معجبي المسلسل الصادر عن شركة نيتفلكس (Stranger Things)، فحتمًا رأيت المشهد الذي يحاول فيه Dustin التملق إلى صديقته البعيدة عنه Suzie عبر اتصال راديوي بجهاز ham radio، لتخبره عن القيمة الدقيقة لما يسمى «ثابت بلانك»، والذي يحدث أنه يكون رمزًا لفتح خزنة تحتوي على المفاتيح اللازمة لإغلاق بوابة عالم بديل خبيث.
ولكن قبل أن تُشرع سوزي بإخباره بالرقم السحري، ستتقاضى ثمنًا باهظًا: إذ يتعين على داستن أن يغني أغنية الشارة لفيلم (The Never Ending Story).
ما يجعلك تتساءل: ما هو ثابت بلانك بالضبط؟
يعد الثابت -الذي ابتكره الفيزيائي الألماني ماكس بلانك في عام 1900، والذي فاز بجائزة نوبل في عام 1918 بسبب ابتكاره- جزءًا أساسيًا في الميكانيكا الكمومية؛ القسم من الفيزياء الذي يدرس الجسيمات الصغيرة جدًا المشكلة للمادة والقوى التي تشارك في تفاعلاتها. من شريحة الكمبيوتر والألواح الشمسية إلى أجهزة الليزر، «إنها الفيزياء التي تشرح عمل كل شيء».
ابتكر ثابت بلانك في العام 1900 من قبل الفيزيائي الألماني الدكتور ماكس بلانك Max Planck، والذي فار بجائزة نوبل في عام 1918 بسبب عمله. لهذا الثابت دور كبير في ميكانيكا الكم، وهو قسم من الفيزياء يدرس الجزيئات الصغيرة التي تدخل في تشكيل المادة والقوى المشاركة في تفاعلاتها.
العالم الخفي في الجسيمات البالغة الصغر
كان يحاول بلانك وفيزيائيون آخرون في آواخر القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين معرفة الفرق بين الميكانيكا الكلاسيكية (حركة الأجسام في العالم المرئي من حولنا، والتي وصفها السير إسحاق نيوتن في أواخر القرن السابع عشر) والعالم الخفي في الجسيمات بالغة الصغر، حيث تسلك الطاقة أحيانًا سلوك الموجة وأحيانًا أخرى سلوك الجسيمات، المعروفة بالفوتونات.
يشرح ستيفان شلامينجر Stephan Schlamminger، الفيزيائي في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، عبر البريد الإلكتروني قائلًا: «في الميكانيكا الكمومية، تعمل الفيزياء في العالم الميكروسكوبي بشكل مختلف عن تجربتنا». مستشهدًا بطفل على أرجوحة كمثال على النواس البسيط.
ويقول: «في الميكانيكا الكلاسيكية، يمكن أن يكون الطفل على أي ارتفاع على طول مسار التأرجح، إذ تتناسب طاقة النظام مع مربع الارتفاع. وبالتالي، يمكن للطفل أن يتأرجح ضمن مجال مستمر طالما أعطيته طاقة تبدأ من الصفر إلى نقطة معينة».
ولكن عندما تهبط إلى مستوى الميكانيكا الكمومية، تتصرف الأشياء بشكل مختلف. يضيف سلامينر: «إن كمية الطاقة التي يمكن أن يملكها الهزاز منفصلة، مثل الدرجات على السلم، إذ تكون مستويات الطاقة منفصلة عن بعضها بقيمة ثابت بلانك h مضروبًا بالتردد (f)، حيث (f) هو تردد الفوتون (جسيم الضوء) ويمكن لإلكترون أن يتحرر أو يُمتص لينتقل من مستوى طاقي إلى آخر».
في فيديو نُشر عام 2016، من قبل فيزيائية أخرى من نفس المعهد، الفيزيائية دارين الحداد Darine El Haddad، تشرح فيه ثابت بلانك بتشبيهه بوضع السكر في كوب القهوة: «الطاقة مستمرة في الميكانيكا الكلاسيكية، ما يعني أنه بإمكاني وضع أي كمية من السكر في فنجان القهوة، فأي كمية من الطاقة مفيدة».
وتشرح في الفيديو: «وجد ماكس بلانك اختلافًا كبيرًا عندما تعمق في نظرته. حيث تكون الطاقة كمية، أو منفصلة، ما يعني أنه يمكنني إضافة مكعب واحد من السكر أو اثنين أو ثلاثة. فقط يُسمح بكمية محددة من الطاقة».
يُحدَّد ثابت بلانك بكمية الطاقة التي يمكن للإلكترون أن يحملها، حسب تردد الموجة التي يسافر فيها.
يُبدي الإشعاع الكهرومغناطيسي والجسيمات الأولية خصائص موجية وجسيمية، يشرح فريد كوبر Fred Cooper، أستاذ منتدب في معهد Santan Fe Institute، في بحث مستقل أرسله ببريد إلكتروني: «الثابت الأساسي الذي يربط بين سلوك الموجات الكهرومغناطيسية والجسيمات هو ثابت بلانك.
فلا يمكن للطاقة الكهرومغنطيسية أن تنتقل بشكل مستمر إلا أنها تنتقل عبر فوتونات منفصلة من الضوء طاقتها E=hf، إذ يعبر h عن ثابت بلانك، و f عن تردد الضوء».
أحد الأشياء المربكة عن ثابت بلانك هو أن قيمته تشير إلى أنها تتغير بمقدار صغير مع الوقت. بالعودة إلى عام 1985، كانت القيمة المقبولة له تساوي (6.626176x 10-34 جول.ثانية). لتنتهي الحسابات الحالية التي انتهت عام 2018، وتشير إلى أن قيمته تساوي (6.62607015x 10-34 جول.ثانية).
يشرح سلامنر: «بينما هذا الثابت أساسيًا في الكون، فإننا لا نعرف قيمته الدقيقة، علينا بناء تجارب أخرى لقياس هذا الثابت باستخدام أفضل القدرات البشرية. فمعرفتنا الحالية أتت من بعض التجارب التي أعطتنا قيمة متوسطة لثابت بلانك».
لحساب قيمة ثابت بلانك، كان على العلماء استخدام تجربتين مختلفتين (تجربة ميزان كايبل Kibble balance وطريقة تكثيف الكريستال بالأشعة السينية X-ray crystal density (XRCD) method) وعبر الوقت، أصبحوا أكثر إدراكًا لكيفية الحصول على قيمة أكثر دقة للثابت. يقول سلايمنر: «عند نشر قيمة جديدة، يقدم الباحثون أفضل رقم لديهم وأفضل حالة حساب لحالة الارتياب في الحساب.
ونأمل أن تكون القيمة الحقيقية وغير المعروفة للثابت، موجودة ضمن المجال (الزائد/ الناقص) المنشور بجانب الرقم، مع وجود إحصائيات احتمالية. إننا واثقون من أن القيمة الحقيقية ليست بعيدة. إذ تختلف طريقتا حساب الثابت السابقتين كثيرًا، فليس من المصادفة أن تتفقا بنتيجة القياس».
لا يُعد الخطأ الصغير في حسابات العلماء مشكلةً كبيرة. إلا أنه إذا كان ثابت بلانك أكبر أو أصغر بشكل كبير عن القيمة المحسوبة، فسيكون العالم من حولنا مختلفًا تمامًا. كما يشرح مارتن فراس Martin Fraas، أستاذ مساعد في الرياضيات في جامعة فرجينيا للتكنولوجيا. على سبيل المثال إذا زادت قيمة الثابت، ربما تكون الذرات المستقرة أكبر من النجوم بعدة أضعاف.
يعتمد الآن حجم الكيلوغرام الذي دخل حيز التنفيذ في 20 مايو من هذا العام، على ما اتُفق عليه من قبل المكتب الدولي للأوزان والمقاييس International Bureau of Weights and Measures على ثابت بلانك.
اقرأ أيضًا:
الثوابت القياسية الأربعة تم تحديثها فهل اقتربنا من نظام قياسي جديد؟
ترجمة: فارس بلول
تدقيق: رزوق النجار
مراجعة: تسنيم المنجد
