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

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 ؟

عن القوي الكهرومغناطيسية وقوي الجاذبية

عن القوي الكهرومغناطيسية وقوي الجاذبية

http://fluxqubit.orgfree.com/2.html

الكتل تتجاذب. هناك قوي بين الكتل. الشحنات تتجاذب أو تتنافر. هناك قوي بين الشحنات.

أيهما أقوي, قوي الجاذبيه بين الكتل أم قوي الكهربيه بين الشحنات؟

لندرس ذره بسيطه : ذرة الهيدروجين

مم تتكون ذرة الهيدروجين ؟ النواه بروتون ويدور حوله الكترون

هل توجد قوي كهربيه في ذرة الهيدروجين ؟ نعم لأن الالكترون مشحون والبروتون مشحون.

هل توجد قوي جاذبيه بين الكتل في ذرة الهيدروجين؟ نعم لأن الالكترون جسيم له كتله والبروتون جسيم له كتله.

هل قوي الجاذبيه بين الجسمين هنا هي نفس نوع القوي التي إكتشفها نيوتن؟ بين التفاحه والأرض مثلا؟؟

نعم . هي تماما .

إذن لم لا يسقط الإلكترون علي البروتون كما تسقط التفاحه علي الأرض؟

سأجاوب عن السؤال بسؤال أخر , لم لا تسقط الأرض علي الشمس رغم وجود قوي جاذبيه بينهما؟

نعم فعلا . الموقفان متشابهان.

نحن نبعد الأن عن السؤال الذي بدأنا به الحوار. لنعد اليه وأعدك بأن أفسر ما فتناه قريبا جدا.

كان السؤال الأصلي , أيهما أقوي قوي الجاذبيه بين الكتل أم قوي الكهربيه بين الشحنات؟

أجل . لنري ما يحدث في ذرة الهيدروجين. كيف نحسب مقدار التجاذب الكهربي بين الشحنه الموجبه (البروتون) والشحنه السالبه (الإلكترون) . الإجابة سهله! قانون التربيع العكسي.

تربيع يعني (أس اثنين).

نعم

وعكسي ربما تعني مقلوب ؟ في المقام؟

نعم . لكن ما هوالشئ المقلوب ؟

التربيع ربما ؟؟ أس اثنين يصبح أس سالب إثنين.

تماما . هذا بالضبط معني تعبير التربيع العكسي.

لكني لا أفهم شيئا. كنا نتحدث عن جذب بين شحنات والآن تقول أن الإجابة تربيع عكسي. ما العلاقة؟؟

العلاقة إكتشفها تشارل كولوم. عالم فرنسي كان يرأس أكاديمية باريس للعلوم أثناء الحملة الفرنسية علي مصر. له إسهامات متنوعة في الفيزياء, أهمها إكتشاف قانون التربيع العكسي عمليا.

مهلا مهلا. كولوم عاش ومات قبل مائتي عام . هل كان تركيب ذرة الهيدروجين معروفا ساعتها ؟

لا

هل كانت الكهرباء معروفه؟

لا

هل كان الإلكترون معروفا؟

لا

كيف إذن درس وحدد قانون الجذب الكهربي بين الشحنات؟؟

سؤال جيد. إستخدم كولوم الكهرباء الأستاتيكية (الثابتة). لقد جربت بالتأكيد لسعة الكهرباء عندما تحاول فتح أحد الأبواب وانت مرتديا ملابسك الشتوية (ملابس صوفيه مثلا).

نعم أتذكر ذلك. أيضا, ونحن صغار كنا ندعك بالونات بقطعة من الصوف ونري كيف تبعد البالونات عن بعضها عندما تطير.

عندما تدعك البالونات فأنت تشحنها , ثم يحدث تنافر بين البالونات لان بها نفس نوع الشحنة. وهذا بالضبط ما فعله كولوم. لم يستخدم بالونات في التجربة لكنه إستخدم كرات من الزجاج . شحنها ثم قاس قوي التجاذب والتنافر بين الكرات وإكتشف قانون التربيع العكسي.

ما زلت لا أعلم معني قانون التربيع العكسي.

الأمر سهل . تخيل أنك تقوم بتجربة كولوم بإستخدام بالونتين. ماذا تتوقع أن يحدث إذا دعكت إحدي البالونات بالصوف لفترة طويلة؟

ستزيد الشحنة علي البالونة وربما تزيد قوي التنافر بينها وبين البالونة الأخري.

نعم . وماذا يحدث إذا فعلت نفس الشئ مع البالونة الثانيه؟

ستزيد قوي التنافر أكثر وأكثر.

هذا ما نسميه في الفيزياء تناسب طردي. إذا زادت الشحنة علي الجسم الأول أو الجسم الثاني زادت قول التنافر. والعكس بالعكس.

إذا زادت الشحنة علي البالونة الأولي (أو الثانية) إلي الضعف, تزيد قوي التنافر للضعف.

يحدث هذا عندما تكون البالونات قريبه من بعضها ,أليس كذلك؟

لا أفهم ما تقصد!

أعني أنني لو ضاعفت الشحنة علي البالونة الأولي ثم وضعتها في أبعد مكان في الغرفة, هل ستتضاعف قوي التنافر بينها وبين البالونة الأولي؟ لا أظن ذلك.

تخمينك صائب. لن تتضاعف قوي التنافر في هذه الحالة. وهذا يعني أن قانون القوي غير دقيق. ينقصة شئ ما.

وأيضا ينقصه التربيع العكسي الذي لم نتحدث عنه بعد.

هذا بالضبط هو الجزء الناقص. قوي التنافر تعتمد علي مقدار الشحنات وأيضا علي المسافه بين الشحنات. كلما زادت المسافة بين الشحنات قلت قوي التنافر.

التناسب غير طردي في هذه الحاله.

نعم, نسميه تناسب عكسي. وهو أمرا ليس غريبا. ستقل قوي التنافر كثيرا أذا ما ذهبت بأحد البالونتين إلي غرفة أخري مثلا.

لكنك قلت "تربيع عكسي" لأنت

لم يعرف كولوم "التربيع" إلا عندما قام بالتجربة. فعندما باعد المسافة بين كرتي الزجاج إلي الضعف , لم تنقص القوي إلي النصف كما كان متوقعا. بل نقصت إلي الربع. وهذا هو معني التربيع.

أريد مزيدا من التوضيح!

حسنا. زادت المسافة إلي الضعف. أي أن المسافة الجديده تساوي اثنين في المسافة الأصلية. اثنين تربيع (اثنين أس أثنين) تساوي أربعة. معكوس أربعة ربع. إذن القوة الجديدة هي ربع القوة الأصلية.

دعني أجرب الأمر بنفسي. لو زادت المسافة ثلاثة أضعاف . المسافة الجديدة تساوي ثلاثة في المسافة الأصلية. ثلاثة تربيع (ثلاثة أس أثنين) تساوي تسعة. معكوس تسعة تسع. إذن القوة الجديدة هي تسع القوة الأصلية.

صحيح. ولو زادت المسافة أربعة أضعاف, تنقص القوة إلي (واحد علي ستة عشر) من القوة الأصلية.

لو دمجنا جزئي القانون,

إذن فالقوة تعتمد علي الشحنات كما تعتمد علي المسافة بين الشحنات.

نعم , ولا شئ آخر. هذا القانون يعبر تماما عن القوي الكهروستاتيكية.

عندي سؤالين!

تفضل!

أولا, لم تسمي القوي كهروستاتيكية (ثابتة)؟ ما أعرفه هو أن الكهرباء متحركة تسير في أسلاك وتدير أجهزه. ثانيا, لا أري علامة تساوي في قانون القوي الكهروستاتيكية. كل ما أراه هو علامة تناسب.

بالنسبة لسؤالك الأول, نسمي ذلك النوع من الكهرباء الذي إستخدمه كولوم "كهربيه إستاتيكية" ثابتة لأنها لا يمكن أن تتحرك في الفضاء. الشحنات علي البالونه ملتصقه بها ولا يمكن فصلها بعيدا. لا يمكن مثلا أن نجعلها تسير في أسلاك كما هو الحال في الكهرباء في بيوتنا (كهرباء ديناميكية متحركة).

سؤالك الثاني يجب أن نجيب عليه فورا لأن وجود علامة التساوي في أي قانون فيزيائي مهم لحساب النتائج. قواعد الرياضيات تقول أننا يمكن أن نستبدل أي علامة تناسب بعلامة تساوي مع إضافة ثابت.

ما معني ثابت؟

ثابت يعني رقم ثابت. واحد إثنان ثلاثة مليون نصف ربع. أي رقم يمكن إعتباره ثابت.

هل تقصد أنه يمكنني وضع أي رقم بجوار علامة التساوي في القانون؟ مثلا قد أختار خمسة كثابت,

هل يمكن كتابة القانون هكذا؟؟

لا . القانون الذي كتبته خاطئ. الثابت لا يمكن أختياره بشكل عشوائي بل تتحدد قيمته من خلال التجربة. قبل أجراء التجربة يجب ترك الثابت مجهولا.

التجربة هي التي تحدد قيمة الثابت. قد يكون خمسة كما قلت , وقد يكون الفا أو مليونا . أو حتي جزءا من الألف . خلال تجربته, حدد كولوم قيمة الثابت وإكتملت صياغة قانون القوي الكهروستاتيكية.

لحسن الحظ , قانون كولوم يصف كذلك الكهرباء الديناميكية. ولذا يمكن عن طريقه أن نحسب قوي التجاذب الكهربي بين الألكترون والبروتون في ذرة الهيدروجين.

أعتقد أنني أستطيع حسابها, هل أحاول؟

تفضل!

حسنا. القوه هي الكميه التي نريد حسابها . لندعها مجهولة. الثابت سأسأل السيد كولوم عنه. الشحنة الأولي هي شحنة الجسيم الأول (الإلكترون). الشحنة الثانية هي شحنة الجسيم الثاني (البروتون). لكن ما هي المسافة بينهما؟

ذرة الهيدروجين شبيهه بالكره . المسافة بين البروتون والإلكترون هي نصف قطر ذرة الهيدروجين. تستطيع البحث عن تلك الأرقام في أي كتاب فيزياء.

بالفعل وجدتها. دعني أستخدم آلتي الحاسبة لحساب قيمة القوة.

ما هي النتيجة؟

القوة تساوي تقريبا ثمانيه في عشرة أس ناقص ثمانيه. رقم ضئيل حقا!

نعم . هذا الرقم يعبر عن قوي الجذب الكهربي بين الألكترون والبروتون في ذرة الهيدروجين. وهو الشق الأول من الإجابة عن سؤالنا الأصلي . أيهما أقوي , قوي الكهربية بين الشحنات أم قوي الجاذبية بين الكتل!

حل الدور علي قوي الجاذبية بين الكتل. هذا القانون إكتشفه نيوتن علي ما أتذكر, صحيح؟

نعم . تماما . من المفيد الإحاطه بأن نيوتن كان فيزيائيا نظريا , أقرب إلي الرياضيات منه إلي المعمل. لذا , ربما كانت نظرته للأمور مختلفة بعض الشئ عن كولوم.

هل عاشا في نفس العصر؟

لا , ولا حتي في نفس الموطن. كان نيوتن إنجليزيا وسبق كولوم بقرن في الزمان.

وماذا تقصد بقولك أن نظرته للأمور كانت مختلفة؟

أعني أن نيوتن عندما تفكر في قوي الجذب بين الأجسام المختلفة , لم يتجه إلي المعمل للقيام بتجربة مثل كولوم. إعتمد ,بدلا من هذا , علي الأرصاد الفلكيه التي تسجل حركة الأجرام السماوية. كان التنجيم شائعا في العصور الوسطي وبسببه تراكمت حصيلة هائلة من تلك الأرصاد عبر القرون . في عام 1687 نشر نيوتن أهم كتبه "المبادئ الرياضياتية للفلسفة الطبيعية" وبه أعلن نيوتن قانون الجذب بين الأجسام.

وهل تأكد من قانونه عمليا؟

كانت السماء تثبت كل ليلة صحة قانونه عبر حركة الكواكب السيارة.

ولكن هل تأكد منه في المعمل؟

كلا. لم يقم بهذا مطلقا. لا أدري ما السبب , هل يرجع لعدم إهتمامه بالأمر أم لعدم توافر المعدات اللازمة للقياس . الجدير بالذكر أن التجربة لم تتم إلا بعد ما يزيد عن المئة عام بواسطة الإنجليزي هنري كافنديش. وكانت التجربة شببهة للغاية بتجربة كولوم (كرتين من المعدن وقياس قوة الجذب بينهما). ربما كانت المعدات غير متوفرة علي عده نيوتن. ألاحظ أنك لا تسألني بعد عن صيغة القانون!

حسنا! عندي من الثقة بالنفس ما يكفي لمحاولة ما قام به نيوتن. دعني أفكر في الأمر. المطلوب حساب قوي الجذب بين كتلتين. كالشمس والأرض. ماذا لو زادت كتلة الأرض؟ ستزيد قوي التجاذب بلا شك.

والمثل لو زادت كتلة الشمس. إذن فالتناسب طردي ويمكن إستنتاج

الآن , ماذا يحدث لو ذهبت الأرض إلي أقاصي المجموعة الشمسية؟ ستقل قوي الجذب بلا شك .تناسب عكسي.

عكسي فقط أم تربيع عكسي؟

لا أدري , تلزمني تجربة للتحقق من ذلك!

دعني أخبرك أنه تربيع عكسي !

نفس التربيع العكسي الذي وجدناه في القوي الكهروستاتيكيه؟

هو نفسه!

إذن فالصيغة النهائية لقانون الجذب بين الكتل هي

يمكنني إستخدامة لحساب قوي الجذب بين البروتون والألكترون في ذرة الهيدروجين, أليس كذلك؟

نعم . من المثير أن نستخدم نفس القانون لحساب قوي الجذب بداخل الذرات وأيضا بين المجرات الفضائية!

حسنا, سأبدأ الحساب. الثابت مع السيد كافنديش . كتلة الالكترون وكتلة البروتون ونصف قطر ذرة الهيدروجين موجودة في كتب الفيزياء . إذن فالقوه تساوي تقريبا, أربعة في عشره أس ناقص سبعة وأربعون. رقم ضئيل جدا!

كم كان مقدار القوه الكهربيه ؟

ثمانيه في عشره أس ناقص ثمانيه

أيهما أصغر؟

يبدو أن قوي الجاذبيه بين الكتل أصغر من قوي الكهربيه بين الشحنات.

صحيح. هل يمكنك حساب النسبة بين الرقمين؟

النسبه بينهما عشرة أس تسعة وثلاثون تقريبا.

هل تدرك كبر هذا الرقم . أنه يعني أن قوي الكهربيه أكبر من قوي الجاذبيه بمقدار ليس عشر مرات ولا مئة مرة ولا حتي مليون . ضع تسعة وثلاثون صفرا أمام الواحد حتي تحصل علي الرقم السليم. سأعطيك مثالا لتتخيل الرقم.

تخيل مسابقة في الأكل. تجلس أنت علي أحد جانبي المائده. تتناول ملعقة واحدة من الأرز ثم تكتفي وتغادر المائده بلا عوده . الفريق المنافس لك علي الجانب المقابل من المائدة يضم كل سكان الأرض. يبدأ كل منهم وجبته التي تحتوي علي عشرة الآف صنف من الطعام . الصنف الواحد يزن ألف طن . بمجرد إنتهاء الوجبة يبدأون وجبة جديده حتي يتمون مليون وجبة في اليوم الأول. ثم مليون وجبة في اليوم الثاني والثالث حتي تنتهي المسابقه بعد بليون عام !

ما أكلته أنت (ملعقة الأرز) هو مقدار قوة الجاذبية , بالمقارنة بما أكلة كل الآخرون في وجباتهم العملاقة طوال البليون عام وهو مقدار قوة الكهربية. قوة الجاذبية تافهه للغاية بالمقارنة بقوة الكهربية.