دفتي

الخميس، 7 يوليو 2011

نظرية دالية الكثافة

الفكرة الرئيسية في نظرية دالية الكثافة Density Functional Theory -DFT- هي التخلي عن التعامل مع الدوال الموجية والإستعاضة عنها بداليات الكثافة الإلكترونية $\Psi$ التي يمكن قياسها معمليا. والدافع وراء هذا هو تقليل عدد المتغيرات التي تدخل في الحساب. لنعطي مثالا. إذا أردنا التعامل مع ذرة كذرة

H(s) = ∫

₀^∞ e^-st h(t) dt
الكربون ، التي تحتوي علي ستة إلكترونات، فإن الدالة الموجية للذرة سيكون بها ثمانية عشر متغيرا (متغير x ومتغير y ومتغير z لكل إلكترون بالذرة). ولذا، فإن حل معادلة شرودنجر (الضروري لحساب طاقة الذرة وبيان شكل مداراتها) سيتطلب حل مصفوفة حجمها ثمانية عشر صفا وثمانية عشر عمودا.

لكن بإستخدام نظرية دالية الكثافة ـ دفتي ـ ، سيمكننا الحصول علي نفس الحل بإستخدام ثلاثة متغيرات فقط!

والأمر لا يتوقف عند هذا، فعند تطبيق دفتي علي هذا الجزئ العملاق الذي يتكون من ستين ذرة كربون،

لن نحتاج سوي لنفس المتغيرات الثلاثة. وهذا توفير عظيم للمجهود.

هذه المتغيرات الثلاثة هي متغيرات الكثافة. أي قيمة الكثافة الإلكترونية عند كل x و y و z بالفضاء. وطاقة الذرة أو الجزئ كله يمكن كتابتها في معادلة لا تشتمل سوي علي قيمة الكثافة الإلكترونية فحسب.

طاقة النظام الإلكتر $E[n(\rm{r})]$ $E[n(\rm{r})]$ وني = صيغة رياضية بها متغير واحد هو الكثافة الإلكترونية عند كل نقطة بالفضاء

دي إف تي :ـ

تعتبر أداة دفتي $\psi$ من أهم الأساليب الحسابية في مجالي الكيمياء $\epsilon_{\rm XC}(n_\uparrow,n_\downarrow)$ والفيزياء في الوقت الحالي.لكن قبل هذا، هناك causes لابد من أستيفاءها . إن المعادلة equationالرئيسية هي :ـ

$n(\vec r) = N \int{\rm d}^3r_2 \int{\rm d}^3r_3 \cdots \int{\rm d}^3r_N \Psi^*(\vec r,\vec r_2,\dots,\vec r_N) \Psi(\vec r,\vec r_2,\dots,\vec r_N).$

والكود المستخدم في الحساب يكون بالشكل الآتي :ـ

### login BWgrid

ssh -l mm1019 bwui.bfg.uni-freiburg.de

### copy from here to there

-r allows copying subdirectories too

scp -r * mrhsegypt@mmos7.physik.uni-freiburg.de:~/06.15.2011/latest_from_bwgrid/06.13.2011/optimizing_fold/1/trial2

scp -r * mm1019@bwui.bfg.uni-freiburg.de:~/06.13.2011/optimizing_fold/1/trial2/again

### search all subdirectories

grep -R 'keyword' *

### search file and delete it on the fly

find . -type f -name "thefiletobedeleted" -exec rm -f {} \;

### running a script at the terminel
./nameofscript

### unzip files
tar -xzf vmd-1.9.bin.LINUX.opengl.tar.gz

# to create a new file
touch newfile.txt

السبت، 26 يوليو 2008

دقةالميكروسكوب الإلكتروني تدخل نطاق البيكومتر

http://fluxqubit.orgfree.com/4.html

دقة الميكروسكوب الإلكتروني تدخل نطاق البيكومتر

25 يوليو 2008

http://www.sciencedaily.com/releases/2008/07/080724150342.htm

نجح فريق من العلماء في قياس المسافات بين الذرات بدقة وصلت إلي بضعة بيكومترات (البيكومتر يساوي واحد علي ألف من النانو متر )( أيضا, البيكومتر واحد علي ألف بليون من المتر) بإستخدام طرق مبتكرة في تكنولوجيا الميكروسكوب الإلكتروني. هذا الإنجاز يجعل من الممكن أن نعين قيمة بعض المتغيرات الفيزيائية علي المستوي الذري مباشرة من التجربة (بالنظر عبر ميكروسكوب).

ظهر هذا البحث في مجلة العلم Science Magazine.

إن التقدم البحثي في مجال الفيزياء غالبا ما يعتمد علي زيادة دقة القياسات, وهو ما يساعد العلماء في إستقصاء الظواهر الطبيعية. عن طريق الإستعانة بطرائق جديدة في مجال بصريات الإلكترون (العلم الذي يوظف الطبيعة الموجية للإلكترون لصنع أشعة إلكترونية تكون بديلا عن الضوء العادي في الميكروسكوب الضوئي) أمكن للباحثين أن يقيسوا المسافات بين الذرات بدقة تصل لبضعة بيكومترات (قطر الذرة نفسها يعادل الأنجستروم وهو ما يساوي مئة بيكومترا).

أحد أشهر الموصلات الفائقة هو مركب اليابكو YBa2Cu3O7 وهو مركب مكون من عناصر اليتريوم ,الباريوم والنحاس والأكسجين. الموصلات الفائقة هي مواد توصل الكهرباء بلا أي مقاومة كهربية علي الإطلاق حتي درجات حرارة معينة (تسمي درجة الحرارة الحرجة). كلما أرتفعت درجة الحرارة الحرجة للمادة كلما إتسع نطاق إستخدام المادة في تطبيقات حياتية متنوعة (فكر مثلا في ما إذا تم إكتشاف مركب درجة حرارته الحرجة أعلي من درجة حرارة الغرفه!). مركب اليابكو له درجة حرارة مرتفعة( بالمقارنة بالمركبات الأخري) وهذا ما يجعله هدفا للدراسة المكثفة.

أخضع العلماء في بحث مجلة العلم مركب اليابكو للدراسة تحت الميكروسكوب الإلكتروني. المركب تتشكل به حبيبات كل منها لها نفس التركيب البلوري لكن إتجاه التركيب البلوري قد يتغير من حبيبة لأخري. الأمر مشابه بمصلين داخل وخارج مسجد, الكل يقف في صفوف لكن قد يختلف إتجاة الصفوف قليلا داخل وخارج المسجد. الحد الفاصل بين الإتجاهين (حائط المسجد مثلا) نسميه حدود الحبيبة. بالنسبة للبلورات فالإختلاف في الإتجاه علي جانبي حدود الحبيبة قد يكون شاسعا. درس العلماء ترتيب وجود الذرات علي الحدود بين حبيبتين إتجاهي التركيب البلوري بهما متعامدين (زاوية 90 درجة بينهما). بتوظيف الصور الميكروسكوبية التي ألتقطت وأيضا بالحاسوب , حسب الباحثون الدوال الموجية الكمية للإلكترونات وبناء عليه تم حساب المواضع الدقيقة للذرات.

ظهر من نتائج البيانات أن الذرات الثقيلة نوعا ما (مثل الباريوم والنحاس واليتريوم ) تتحرك بإنتظام مسافة بضعة بيكومترات من مواضعها الأصلية علي حدود الحبيبة وأن الذرات الأخف تتبع حركة الذرات الأثقل. وهذا ما يفسر التوهين الذي نلاحظه عندما يعبر تيارا كهربيا حدود حبيبة ما. هذه الظاهرة ينبغي التخلص منها لو أننا إنتوينا إستخدام الموصل الفائق لنقل تيار كهربي بلا فقد. لكنها قد تكون مفيدة في صنع ما يسمي سكويد SQUID (أجهزة تداخل كمي فائق التوصيل). والتي تستغل تأثر التوهين في التيار الفائق بأي مجال مغناطيسي خارجي مهما صغر قدره, ومن ثم يمكن قياس مقدار المجال المغناطيسي. تلك الظاهرة تستخدم لقياس الموجات الصادرة عن المخ البشري magnetoencephalography.

أيضا تلك الإزاحات البالغة الضآلة (بضعة بيكومترات) تحدد عددا معتبرا من الصفات الفيزيائية وهذا غاية في الأهمية للتطبيقات التكنولوجية. أحد الأمثلة هو الفيررو كهربية لمركبات التيتانيات. هنا, الشحنات الكهربية بالذرات المكونة للبلورات لا تعادل بعضها تماما كهربيا لأن مواضعها لها تماثل غير تام.

لهذا السبب, تتكون ثنائيات قطب كهربية بداخل أي خلية من خلايا البلورة لتشكل معا ما يعرف بـ الإستقطابية polarization. يتم إستغلال الإستقطابية لتسجيل بتات بياناتinformation bits عليها كذاكرة حاسوب. أحد الأمثلة مركب(PbZr0.2Ti0.8O3) المستخدم في صنع بطاقات شرائحية لتخزين البيانات. بإستخدام أساليب بصريات الإلكترون الحديثة, أمكن رصد مواضع كل الذرات واحدة تلو الأخري وأمكن قياس الآستقطابية علي مستوي الذرة الواحدة لأول مرة.

بيانات البحث المنشور:

Knut Urban. Studying Atomic Structures by Aberration-Corrected Transmission Electron Microscopy. Science, 25 July 2008

http://www.sciencedaily.com/releases/2008/07/080724150342.htm

الخميس، 24 يوليو 2008

فلسفة العلم

فلسفة العلم

http://fluxqubit.orgfree.com/3.html

الترتيب

الهدف الرئيسي للعلم هو البحث عن بناء متسق ذو نظام ومعني ضمن جميع الظواهر الموجوده و كل الفوضي السائده. هذا ما يدعي فلسفة العقلانية , عقلانيه بمعني أنها تتضمن التوكيد بالأسباب. هدف الفهم العلمي هو ربط ما نشاهده ببعضه وفرض نظام منطقي يسود الكل.

· العلم = النظام , التفسير , الطرق العقلية , المنطق

عبر التاريخ , توجهت الجهود العلمية نحو إكتشاف النماذج والنظم والتراكيب , مع تركيز خاص علي الترتيب . لماذا؟ السبب الرئيسي وراء الرغبة في التحكم في غير المتنبأ به هو الخوف من المجهول . من يبحث عن تلك الإجابات هم العلماء . الشاغل الأساسي للعالم هو حل المشكلة بهدف فهم الكون.

العلم مبني علي الإيمان بأن العالم عقلاني في جميع ظواهره الملاحظة. من المحتمل وجود وجوه للواقع قد تتعدي حدود قدرة التفسير البشري , محتمل أيضا وجود أشياء لها تفسيرات لن نعيها أبدا , أو ربما أشياء بلا تفسيرات علي الإطلاق لكن حقيقة أن الكون عقلاني متصلة بحقيقة أن الكون مرتب.

· الدافع وراء العلم هو حاجتنا للتحكم فيما لا نعرف.

· إكتشاف النماذج والتراكيب هي مفاتيح لحل المعضلات العلمية.

· العلم مبني علي فكرة أن الكون عقلاني (طبيعي)

العلم حوار بين البشر والطبيعة. إنه ليس بالوسيلة المثالية للمعرفة لكنه يمدنا بما لا تمدنا به أي فلسفة أخري , نتائج مادية. العلم شمعة في الظلام تهدي خلال الخرافات والمعتقدات اللاعقلانية. العلم في حد ذاته لا يوصي بدروب معينه علي البشرية أن تسيرها لكنه بلاشك يوضح العواقب المحتملة للدروب المختلفة. وفي هذا النطاق, فالعلم يتصف بالتخيلية وأيضا بالانضباطية وهما الصفتان الضروريتان للقدرة علي التنبؤ.

كيف يختلف العلم عن الفن؟ كلاهما تخيلي وإبداعي. لكن الفن حر وغير مقيد. الفكر العلمي يجب أن ينصاع للتجربة والملاحظة. العلم يمكن إختباره ويجب أن يتسق مع الطبيعه (الواقع). بالرغم من هذا فإن هذه الصورة تبدو ضبابية عندما نناقش ميكانيكا الكم.

العلم هو أي نظام معرفي مهتم بالعالم الطبيعي وظواهره ويشتمل ملاحظات محايده و - أو تجارب ممنهجه. في العموم , يتضمن العلم بحثا عن المعرفة. بداية من الحقائق العامة وحتي طبيعة عمل القوانين الأساسية للطبيعة.

يمكن أن ننأى بالعلم الحقيقي بعيدا عن العلم الزائف pseudo-science بتطبيق مبدأ "القابلية للإبطال". ينص المبدأ علي أن الأفكار يجب أن تكون قابله لأن يتم إثباتها خطأ حتي يتم قبولها علميا.

المحور الرئيسي للعلم هو برهان أو دليل أو بيانات يمكن الوثوق بها (لكنها ليست يقينية). فيما عدا مجال الرياضيات البحتة, لاشي معروف لدرجة اليقين. قواعد المنطق هي الركن الأساسي في الأسلوب العلمي.

· العلم يركز علي :

· البيانات \ الأدلة

· التنبؤات

· ليس علي الإجابات

· فلسفة بوبر تنص علي أن العلم الحقيقي يتبع مبدأ "القابلية للإبطال" falsifiability

· محور العلم ليس الحقائق , لكنه "القابلية للإختبار" testability

الأسلوب العلمي

آمن أرسطو أن المعرفة العلمية تأتي نتيجة إستنتاجات منطقية مبنية علي حقائق ثابتة بذاتها وغير متنازع عليها. لكن من أين تأتي تلك الحقائق؟ أجاب أرسطو بأننا نستقرئها . الإستقراء هو تحصيل المعرفة عبر حواسنا. لذا, فقد أصبح الآستقراء الأسلوب السائد للعلم قرابة الألفي عام. اليوم ندرك أن هناك نوعين من العلم, عقلاني وتجريبي. العقلاني مختص ببيانات مصدرها أفكار, بينما التجريبي مختص بالعلم المبني علي الملاحظات. العلم العقلاني متصل بالأفكار بينما العلم التجريبي هو عن الخبرات ذات الصلة بالعالم الواقعي. العلم العقلاني يبدأ من حقائق ثابتة بذاتها ثم ينتقل إلي تقريرات منطقية مفصلة ثم إلي إستنباط معين عن حقيقة جديدة. وهذا هو الإستنتاج.

العلم التجريبي يبدأ من فرضية تستلزم حقيقة مبدئية ثم يستخدم ملاحظات متعدده ليصل إلي إستنباط عن الحقيقة من الفرضية الأصلية. هذا هو الإستقراء.

الحجج العلمية المنطقية تأخذ شكلا من أربع أشكال محتملة, 1- طريقة الإستنتاج البحت, وهي إيجاد إستنباط ما بناء علي مجموعة من الفرضيات (منطق بحت). 2- طريقة الإستقراء, وهي إيجاد إستنباطات عامة من حقائق معينة توظف كدليل. 3- الإحتمالية وهي ما ينتج عن تكرارات ملحوظة تنم عن أرجحيات معينة 4- الأستدلال الإحصائي وهو ما يدلل علي أنه في المتوسط هناك نسبة ما من الأحداث ستحقق الشروط المنصوص عليها.

· الحجج العلمية أنواعها كالآتي:

1. الإستنتاج deduction

2. الإستقراء induction

3. الإحتمال probability

4. الإحصاء statistical

إن حقيقة أن الإستدلال العلمي دائما ما ينجح لهي خاصية فريدة للكون. يمكننا القول بأن الطبيعة موثوق بها.

ولتدعيم الطرق العلمية, يطبق العالم قدرا كبيرا من الشكوكية عند بحثه عن أي خلل في الفرضية أو في الحجج العلمية. ولكي يتوصل إلي إستنباطات, يطبق العالم الأسلوب العلمي, وهو معيار مفصل للتطبيق وللنقاش يعلو بالإستدلال فوق المعتقدات اللاعقلانية. محور الأسلوب العلمي نظام من المنطق.

لاحظ أن هناك تركيزا علي الإبطالية بدلا عن التثبت. فلو أن النظرية إجتازت أي إختبار فإن ثقتنا في النظرية تدعم لكن صحتها لن تثبت أبدا بشكل بحت (كما في علم الرياضيات مثلا). لذا فإننا ندعي بأن فرضية ما "قوية" إذا ما كان يمكن إختبارها بأشكال عديدة و قادرة علي التصدي لمحاولات إبطالها المتكرره في نفس الوقت.

· الأسلوب العلمي مكون من أربع خطوات:

1- الملاحظة\التجريب 2- الإستنتاج

3- الفرضية 4-محاولة الإبطال

· هدف الطريقة العلمية هو بناء نماذج ونظريات بهدف الفهم

· النظريات لا تثبت صحتها علي الإطلاق, بل تزيد درجة الثقة بها مع كل اختبار جديد (محاولة إبطال النظرية)

الفيزياء النيوتونية ( أو الكلاسيكية) وجميع أنواع العلوم المشتقة من الفيزياء مبنية بثبات علي مبدأ المحلية locality , فكرة أن الأحداث المتعالقة مرتبطة ببعضها عبر سلسلة من المسببيات.

الصلة الضرورية بين العلة ونتيجتها هي تبادل للطاقة. هذا المبدأ هو أساس نظرية المعلومات (المعرفة تساوي قوة (طاقة)).

أيضا متعلق ب "العلة والنتيجة" مفهوم أن وجود الأشياء وصفاتها مستقل عن الملاحظة والتجريب ومتجذر في الواقعية المادية للطبيعة.

· هناك ثلاثة مكونات ل "العلة والنتيجة":

1. الاتصال المكاني .

2. السبق الزمني للسبب علي النتيجة.

3. ضرورة وجود صلة.

الصلات السببية التي نراها حولنا تشكل نماذج معبرة عن النظام العقلاني للكون. هل توجد حقا نهاية لسلسلة العلة والنتيجة؟ هل توجد علة أولية للكون ؟

· العلة الأولية = الله

الإختزالية

الإختزالية هي الإعتقاد بأن كل مجموعة معقدة من الظواهر يمكن تعريفها أو شرحها عن طريق ظواهر أبسط أو أكثر بدائية.

علي سبيل المثال فإن مبدأ الذرية atomism هو صورة من الإختزالية تقول بأن كل شئ في الكون مكون من عدة أشياء بسيطة (جسيمات أولية) مع قوانين للتفاعلات فيما بينها. الكيمياء الحديثة تختزل الصفات الكيميائية كلها إلي نحو تسعين عنصرا بسيطا (تسعين نوعا من الذرات).مع قواعد لتجميعها في جزيئات أكبر.

بالنسبة لمن يؤمن بالإختزالية , فإنه بمجرد الحصول علي مجموعة المعادلات أو العلاقات الرياضياتية التي تصف نظاما ما , فإننا نعتبر أن سلوك النظام تم شرحه بالكامل.

· الإختزالية هي الفلسفة التي تدعي إمكانية تجزيئ ظواهر الطبيعة المعقدة إلي أجزاء أبسط.

· أغلب مجالات العلم تنتهج فلسفة الآختزالية حتي الدرجة الأولي.

· العلاقات الرياضياتية هي مفتاح تطبيق الإختزالية إلي الظواهر الطبيعية

الإختزالية شبيهة جدا بـ (ولها جذور في) مبدأ شفرة أوكام Occam’s Razor, والذي ينص علي أنه من بين الأفكار المتنافسة , فإن أبسط نظرية توافق حقائق المشكلة هي التي ينبغي إختيارها.

الإختزالية واسعة القبول بين العلماء نتيجة قدرتها علي التنبؤ والإستنباط. إنها تشكل (علي الأقل) نوعا من التقريب للعالم المشاهد macroscopic world ولو أنها تفشل تماما في العالم الميكروسكوبي كما ستري في ميكانيكا الكم.

لكن نجاح الإختزالية المتصل أتي بثمار فاسدة أحيانا فقد كرست تلك الفلسفة أنموذجا للعلم قاد إلي نظرية العلمانية (بكسر العين) scientism وهي وجهة النظر التي تدعي أن العلم يجب أن تكون له السيادة فوق جميع التفسيرات الأخري للحياة مثل التفسيرات الفلسفية والدينية والروحية والإنسانية. أيضا كرست الإختزالية مبدأ أن كل شئ يمكن (بل وينبغي ) إختزاله إلي خصائص مادية materialism مثل تحويل المشاعرالإنسانية والقيم الجمالية ومشاعر التدين الروحانية إلي غرائز بيولوجية و لاتوازنات في المخ البشري إلي آخره. أنتج القرن العشرين النسبية كمبدأ مضاد للإختزالية والعلم الحديث هو في مكان ما بين الإثنين.

· الأفكار البسيطة لها أولوية عن الأفكار المعقدة (مبدأ شفرة أوكام)

· الإختزالية تفشل في نطاق العالم الميكروسكوبي

الحتمية

الحتمية قريبة من الإختزالية وهي أن كل شئ له علة وأن لكل علة المحددة نتيجة متفردة. بشكل آخر فأنه يمكن القول بأن لكل حادث هناك ظروفا إن تواجدت فلن يوجد أي حادث آخر.

الحتمية هي نظرية كون جميع الأحداث , ومن ضمنها الخيارات الأخلاقية, هي محددة كليا بعلل موجودة مسبقا وهذا ما ينفي الإرادة الحرة وإحتمالية أن يتصرف البشر بشكل مغاير. عقلانية الكون تفسرها النظرية بأن معرفة حال الكون خلال أي لحظة من عمره يضمن معرفة تامة بمستقبله.. صاغ بيير سايمون ماركيز دي لابلاس تلك الجدلية في صورتها الكلاسيكية في القرن الثامن عشر. بالنسبة له , فأن الوضع الحالي للكون هو نتيجة لوضعه السابق وعلة لوضعه المستقبلي. ولو أن هناك عقلا ما قدر في لحظة معينة علي معرفة جميع القوي المؤثرة في الطبيعة ومواضع جميع جسيمات الكون فسوف يعرف بشكل مؤكد مستقبل وماض كل جسيم بالكون , مهما كبر أو صغر. عبر الشاعر الفارسي عمر الخيام عن نظرة حتمية مشابهة للعالم في النصف الثاني من أحد رباعياته وقال

"وسجل الشروق الأول للخلق... ما سوف يقرأه الغروب الأخير ليوم الحساب"

اللاحتمية من الناحية الأخري , بالرغم من أنها لا تنكر تأثير النماذج السلوكية وقوي خارجية معينة علي الأفعال الإنسانية, إلا أنها تصر علي واقعية الإرادة الحرة. أنصار الحتمية يصرون علي إنكار مسألة كون النظرية غير متوافقة مع المسئولية الأخلاقية بالقول بأن الشر ينتج من أفعال معينة يمكن توقعها وأن هذا في حد ذاته يفرض مسئولية أخلاقية ويخلق عاملا خارجيا زاجرا باستطاعته التأثير علي الأفعال.

· مذهب الحتمية يدعي أن جميع الأحداث الطبيعية محددة يقينا بأسباب سابقة.

· ويدعي في صورته القصوي إن جميع الأحداث لها أسباب متفردة ولذا فالإرادة الحرة منعدمة.

· قوانين الطبيعة , في العالم المشاهد , قوانين حتمية بإمتياز

تستلزم الحتمية بشكل غير مباشر أن كل حادث سببه الضرورة. الحادث وجب حدوثه, لم يكن للكون أي خيار بديل.

الحتمية أيضا تستلزم المقدرة علي التنبؤ بأي شئ طالما أن هناك معلومات كافية. بما أن الفيزياء النيوتونية (الكلاسيكية) هي حتمية بإمتياز (سواء في دعائم براهينها أو في تنبؤات معادلاتها), إذن فلا مكان هناك للصدفة أو المفاجأة أو الإبداعية. يبدو أن كل شئ هو بالضبط كما يجب أن يكون, وهذا ما أنشأ مبدأ آلية الساعة الكونية.

· الحتمية تستوجب نظاما رتيبا للكون (آلية الساعة)

· جميع الظواهر الطبيعية يمكن التنبؤ بها إذا ما إكتسبنا كمية كافية من المعرفة عن الحالة الحالية للكون.

· الله مهندس كوني , باني الساعة وهو العلة الأولي

قوانين الطبيعة

صعود العلم خلال عصر العقل أنتج فكرة أن هناك ترتيبا خفيا بالطبيعة, رياضياتي في الصياغة ويمكن الكشف عنه بالإستقصاء. هذا الترتيب الخفي يمكن التعبير عنه في صورة مبادئ رياضياتية تمثل قوانين الطبيعة.

· قوانين الطبيعة تصف ترتيبا خفيا في صورة رياضياتية.

الصلات المباشرة بين الأحداث غالبا ما تكون ظاهرة للحواس. لكن الأسباب الباطنة الأكثر قربا إلي قوانين الطبيعة قد لا تكون بنفس الوضوح. نتائج ملاحظاتنا علي الظواهر الكونية ليست دائما سهلة التفسير. ودائما ما تتطلب الظاهره الطبيعية إطارا نظريا مجردا لتكوين سياقا تجري فيه القياسات في سبيل غزلها جميعا في نسيج للفهم. نسيج الفهم هذا هو ما يسمي نظرية علمية.

· بواسطة الكشف أو الملاحظة أو التجريب , تنكشف الصلات بين الأحداث

· ينبغي وجود هيكل أو إطار معين تفسر علي نطاقه المعلومات.

قوانين الطبيعة هي محاولات للتعامل مع نظاميات الكون بشكل ممنهج. وجود النظاميات في حد ذاتة أمر موضوعي \ مدرك بالحواس , لذا فنحن لا نحاول فرض قوانين علي الطبيعة. وفي حين أن القوانين إختراعات بشرية فهي تعكس (ولو بشكل غير مثالي نوعا ما ) خصائص حقيقية في الطبيعة. إن ثبات قوانين الطبيعة ضد التبدل هو السبب الرئيسي الذي يجعل مؤسسة العلم ذات معني ويؤكد نجاحها.

· قوانين الطبيعة هي إختراعات بشرية لوصف نظامية الكون.

· وفي حين أن القوانين إختراعات بشرية , فإن النظامية مغزولة في نسيج الواقع.

القوانين الأساسية الحقة للطبيعة تؤسس علاقات عميقة بين مختلف العمليات الطبيعية. عندما يكتشف قانون جديد, فإنه يخضع للإختبار في مختلف الظروف وهذا ما يقود دائما إلي إكتشاف ظواهر جديدة غير متوقعة. هذا يشهد أننا بالفعل نكتشف نظاميات حقيقية في الطبيعة ولسنا بالفارضين لها عن طريق تراكيبنا العلمية.

قوانين الطبيعة خالدة. مطلقة ولها وجود ذاتي مستقل خارج النطاق المكاني والزماني لأي تجربة نجريها. نجاح الأسلوب العلمي منعقد علي قابلية النتائج للتكرارreproducibility of results. عندما تتكرر تجربة ما , تنطبق نفس قوانين الطبيعة عليها لكن ما يتغير هو الظروف الإبتدائية. هناك فصل وظيفي تام وواضح بين القوانين والظروف الإبتدائية, شبية بنماذج أفلاطون.

لو لم يقدر أن يحيا شكسبير أو بيتهوفن أو فان جوج , فقد نجزم بإستحالة قيام إنسان آخر بما قاموا به أبد الدهر. لكن , هل هذا سليم أيضا بالنسبة للعلماء؟ هل كان في الإمكان قيام شخص آخر غير نيوتن بإكتشاف قوانين الحركة الكلاسيكية؟ ربما. السبب هو أن العلم مؤسسة جمعية. حل أي معضلة علمية يجب أن يتوافق مع شروط ومتطلبات دقيقة. هذه القيود لا تلغي الإبداع, علي العكس, دائما ما تستثيره.

· ينبغي أن تقود القوانين الجديدة إلي إكتشافات.

· القوانين مستقلة عن التجارب التي تثبتها أو البشر الذين يكتشفونها أو ثقافات الأمم التي تنتجها.

· لكنها عملية إبداعية بلا شك.

النماذج والنظريات

النظريات العلمية هي نماذج للعالم الحقيقي (أو أجزاء منه) والمصطلحات الدارجة في العلم تختص بتلك النماذج أكثر من الواقع الموصوف. عندما نستخدم كلمة "إكتشاف" في نموذج أو نظرية علمية (مثل إكتشاف إشعاع هوكنج مثلا) فنحن في واقع الأمر نشير إلي إكتشاف علاقة رياضياتية. الإكتشاف الحقيقي هو ما يشير إلي ملاحظة ظاهرة في الطبيعة (بالنسبة لإشعاع هوكنج , لم يقم أي إنسان برصد ثقب أسود حتي الآن).

· النماذج والنظريات العلمية تعبر عن الكيفية التي نري بها الكون.

· البيانات تفسر عن طريق النظريات.

العلاقة بين النظرية أو النموذج وبين الواقع يجب أن تتحدد بدقة. مثلا, كيف نعرف أن نموذجا ما هو, مجرد أداة حسابية أم أنه يصف الواقع فعلا؟ النظريات العلمية هي أوصاف للواقع, ولا تشكله. طالما أن النظرية ذات صلة بخبراتنا المباشره, حيت نستنير بالحس البشري المعتاد, فنحن مطمئنون أننا نستطيع التفرقة بين النظرية والواقع. النظريات المتقدمة في الفيزياء الحديثة تتعدي هذا الفاصل , مثلا فكرة إستخدام الجسيمات الإفتراضية في فيزياء الكم. وجود تلك الجسيمات لا يمكن رصده مطلقا لذا فقد يعتقد البعض أن إستخدامها هو مجرد طريقة بسيطة لتوظيف آليات معتادة في وصف ما لا نستطيع تخيله.

النماذج أو النظريات الواسعة المشتملة لأجزاء معتبره من أحد المجالات العلمية نسميها أنماطا فكرية paradigms. الإختزالية كانت واحدة من الأنماط الفكرية المؤسسة للعلم لكنها لم تكن تعبيرا كاملا عن حقيقة الطبيعة. ومع هذا, فإن ثلاثة قرون من التقدم صاحبت الإختزالية لم تكن قطعا مبنية علي خطأ, لأن دور الأنماط الفكرية مغاير لهذا. لا يمكن القول بأن نمطا فكريا معينا سليما أو خاطئا , فهو فقط يعكس وجهة نظر , يبرز جانبا معينا للواقع وهو ما قد تثبت الأيام فائدته أو ضرره بناء علي الظروف. قد لا يقودنا العلم إلي الحقيقة المطلقة لكنه بكل تأكيد يدرس الحقيقة وليس الخرافة.

· أفضل النظريات هي تلك الوثيقة الصلة بالحس البشري المعتاد

· وهي مجرد أوصاف للواقع وليست الواقع في حد ذاته

· الأنماط الفكرية paradigms هي نظريات واسعة النطاق تغطي مجالات علمية مختلفة

المؤرخ العلمي , توماس كون جادل بأن العلم يتقدم عبر قفزات. نمط فكري يتشكل, ويقود إلي اكتشافات كثيرة متعددة , ثم يصبح هو النمط القياسي الذي تقاس علي أساسه الأفكار الجديدة. في نهاية الأمر تأتي تجربة أو ملاحظة جديدة وسرعان ما يتضح أنها لا تتسق مع النمط الفكري الحالي وتقود إلي نظرية جديدة , غالبا ما يكتشفها عالم شاب ذكي. النظرية الجديدة تمر بأطوار متعددة بداية من عدم التصديق إلي القبول بتذمر وحتي تشكل هي النمط الفكري التالي. وكل نقلة في النمط الفكري paradigm shift تقود لـ خطوة هامة علي طريق فهمنا للواقع .

· يتقدم العلم عبر قفزات أو ثورات (فلسفة كون)

· قافزا من نمط فكري إلي تاليه.

· وفي أغلب الأحوال, فإن النمط القديم لا ينهار , بل يتعدل.

نهاية العلم ؟

بوجود هذا الكم الهائل من الاختراقات العلمية الهادفة لفهم كيفية عمل الطبيعة خلال القرن العشرين, ظهر السؤال عما إذا كان ممكنا أن نري نهاية لعصر العلم. بمعني الوصول إلي وصف علمي كامل لكل الموجودات. هناك وجهتي نظر في هذا السياق.

هناك من يقول أن الوصول لوصف كامل أمر محتمل فعلا وأن الأسئلة الأساسية ستكتمل إجاباتها في يوم من الأيام. و ستصبح الفيزياء بعدها مجرد إنجازات تكنولوجية.

وجهة النظر الثانية تدعي بأن الطبيعة لن تنضب و هي تفصيلية بشكل لا متناه. ولذا فإن الحوار القائم بين الوعي البشري والكون لن ينته أبدا.

نحن ندقق في نظرياتنا ونماذجنا دائما , لكن هل سيأتي الوقت الذي لن نملك شيئا آخر لنفعل؟

لقد لاحظنا في السنوات الأخيرة أن هناك إتجاها في العلم , فيه تتعدي أسئلتنا عن الطبيعة قدرتنا علي إختبار أجاباتناا. إن نصر الفيزياء الحديثة ينبع من قدرتها علي صياغة تلك الأسئلة الأساسية في قالب رياضياتي عقلاني. إن صياغة الأسئلة بشكل ذو معني هو إنجاز معتبر للعقل البشري. لكن بعض الأسئلة , وبالذات تلك التي تشتمل علي تأثيرات دون ذرية وفيزياء بدء نشأة الكون, لا يمكن اختبارها بشكل علمي معتاد.

أدي ذلك إلي تقسيم جديد للعلم , علم تجريبي (وهو ما يتبع الأسلوب العلمي), وأخر قد يسمي علم تهكمي. العلم التهكمي لا يقدم أي إستنباطات يمكن إختبارها لكنه يختبر مدي سلامة الأفكار بناء علي شروط جمالية (مدي كمال وجمال النظرية رياضياتيا).

لو قدر للعلم التجريبي أن يندثر يوما ما, فمصير العلم التهكمي –المبني علي أفكار إبداعية- قد لا تظهر له نهاية.

· التقدم المطرد للعلم في القرن العشرين استدعي السؤال عما إذا كنا قرب نهاية المعرفة العلمية.

· هل نحن علي شفا "نظرية لكل شئ", لا تترك لنا في المستقبل شيئا لنعمله سوي تدقيق ما نعرفه حاليا أكثر وأكثر؟

· هل من السخرية أن نسأل أسئلة نعلم أننا لن نجد إجاباتها باستخدام أي تكنولوجيا متاحة أو حاليا متوقعة ؟