أكبر العلماء.. من جاليليو إلى أينشتاين.. رحلة الصوت والضوء 

محمد أحمد كيلاني 

ميزة الكتابة عن عملاقين من عمالقة العلم هي أنهما لا يحتاجان إلى مقدمة، فمن ناحية، لدينا العبقرية الإيطالية، والذي يعتبر بالنسبة للكثيرين أول عالم بالمعنى الحديث للكلمة، ومن ناحية أخرى، إلى العالم الألماني، وهو النموذج الأولي للعبقرية المثالية، وربما العالم الأكثر تأثيرًا في التاريخ، فإن كنت ترجح كفة هذا أو ذاك، فلا شك أنهما إثنين من أكبر العلماء.

أكبر العلماء 

هذان الشخصان العبقريان اللذان يعتبران من أكبر العلماء لم يلتقيا قط، ولم يكن من الممكن أن يفعلوا ذلك، حيث توفي جاليليو عام 1642، وولد أينشتاين عام 1879، ومع ذلك، فقد طرح كلاهما على نفسيهما أسئلة مماثلة، وليس من قبيل الصدفة أن المسار الذي بدأه غاليليو في عصر النهضة وجد استمراره، وبطريقة ما، ذروته في أعمال أينشتاين في بداية القرن العشرين.

إن الحديث عن هذين العملاقين في تاريخ البشرية له أيضًا عيب، إذا جاز أن نطلق عليه ذلك، وهو أن أبطال تاريخنا قد احتلوا مجالًا فكريًا هائلاً، ولتجنب الإفراط في إشباع ذاكرة (وصبر) القارئ الكريم، أطلب منك أن تسمح لنا بتقديم القصة كسلسلة من الحكايات القصيرة، التي قد تبدو غير مترابطة، لكنها ستتتبع الخيط المشترك الذي يوحد كلا الرجلين الحكيمين.

رحلتنا من جاليليو جاليلي إلى أينشتاين

جميعنا تقريبًا يعرف عالم الفلك جاليليو والذي يعتبر من أكبر العلماء، وهو الشخص الذي، من بين أمور أخرى، اكتشف ودرس أكبر أربعة أقمار صناعية لكوكب المشتري، ورسم خريطة لسطح القمر ولاحظ حلقات زحل، لكن جاليليو كان أيضًا أحد رواد علم الميكانيكا، وهو فرع الفيزياء الذي يدرس الحركة.

وقد درس، من بين أمور أخرى، حركة البندول، وسقوط المقذوفات ومفهوم القصور الذاتي، كما كان من أوائل العلماء الذين اقترحوا وجود قوانين رياضية لوصف الظواهر الفيزيائية، ومطبوعته الشهيرة: “كتاب الكون” مكتوبه بلغة رياضية، والحروف عبارة عن مثلثات ودوائر وأشكال هندسية أخرى”.

ولعل أحد اكتشافات جاليليو الأكثر إثارة للاهتمام، كما هو الحال في كثير من الأحيان الأفكار العظيمة، وُلِد من ملاحظة يومية: تعتمد الحركة على كيفية نظرك إليها، فعلى سبيل المثال، إذا صعدنا بالمصعد، يبدو كما لو أن العالم كله يتحرك إلى الأسفل، مثال آخر: إذا تجاوزت سيارتان بعضهما البعض على الطريق السريع بسرعة مائة كيلومتر في الساعة، على سبيل المثال، سيرى كلا السائقين السيارة الأخرى تقترب بسرعة مائتي كيلومتر في الساعة.

وحول هذه الفكرة التي تبدو تافهة، اقترح جاليليو جاليلي التجربة التالية: تخيل قاربًا يبحر في مياه البحيرة الهادئة، لنتخيل الآن أنه في إحدى الكبائن الداخلية يقوم شخص بإجراء تجارب ميكانيكية، هل ستؤثر حركة السفينة على تجاربك؟  الجواب هو لا.  

وطالما أن القارب يتحرك بسرعة ثابتة بالنسبة إلى الأرض ولا تهزه الأمواج، فلن يلاحظ الشخص الموجود في المقصورة أي حركة، وفي الواقع، إذا لم تكن المقصورة تحتوي على نوافذ داخل المقصورة، فلن يكون لدى الراكب أي وسيلة لمعرفة ما إذا كان القارب يتحرك أم لا، سيكون من المستحيل عليه معرفة ذلك.

وعندما يتحرك مراقب بسرعة ثابتة، أو، بعبارة أخرى، دون تسارع، فإنه يُعطى الاسم المختصر للمراقب بالقصور الذاتي.  تمثل هذه التجربة التخيلية التي أجراها جاليليو الملاحظة الأولى أنه إذا كان هناك مراقبان بالقصور الذاتي، فسيبدو لكليهما أن كل شيء يسقط بسرعة متساوية، وأن القوى تعمل بنفس الطريقة، وما إلى ذلك.

من علوم أكبر العلماء.. الضوء يتحرك بسرعة كبيرة

وليس من قبيل الصدفة أن الضوء قد فتن العديد من الحكماء منذ العصور القديمة، لأننا في نهاية المطاف كائنات بصرية، وأحد الألغاز القديمة المتعلقة بالضوء هو مدى سرعة تحركه، وحتى ذلك الحين كان من الواضح أن الضوء يتحرك بسرعة كبيرة.  

وكان يكفي أن نلاحظ، على سبيل المثال، أن “تيار” الضوء من المصباح لا يبدو أنه يتأخر إذا قمنا بتحريك المصباح، على عكس ما يحدث، على سبيل المثال، مع تيار الماء من الزجاجة، وفي الواقع، لم يكن من الجنون الاعتقاد بأن سرعة الضوء لا نهائية.

وكان هناك من ابتكر تجارب بارعة إلى حد ما لمحاولة قياس سرعة الضوء، وبعد كل شيء، كان من الممكن تقدير سرعة ظاهرة أخرى سريعة ورائعة، وهي، الصوت.

وكان جاليليو أحد هذه التطورات، وتألفت تجربته من الاتفاق مع أحد المتعاونين على الوقوف على بعد بضع مئات من الأمتار، وكل منهم مجهز بمصابيح كهربائية، يمكن تغطية الفوانيس وكشفها،  وكانت الفكرة أنه عندما يرى أحد المجربين الآخر وهو يكشف عن المصباح اليدوي، فإنه سيكشف على الفور عن مصباحه أيضًا.

ويمكن من حيث المبدأ استخدام هذا التأخير في “إرجاع” الإشارة باستخدام المصباح اليدوي لتقدير سرعة الضوء، لكن لسوء الحظ، أسفرت هذه التجربة عن نتائج غير حاسمة، وتبين أن الضوء يتحرك بشكل أسرع من التصميم التجريبي، الذي كان محدودًا جدًا بأوقات رد فعل المشغلين البشريين، مما سمح بقياسه.

فهل يصح القول بأن سرعة الضوء لا نهائية، كما أكد رينيه ديكارت على سبيل المثال؟  كان جاليليو متأكدًا من أن سرعة الضوء عالية جدًا جدًا، وكان يعتقد أيضًا (أي بدون دليل) أنها محدودة، وكان على حق، على الرغم من أنه يتعين علينا الانتظار حتى يحصل عالم الفلك الدنماركي أولي رومر على إجابة مقنعة.

وكان رومر، مثل العديد من العلماء في ذلك الوقت، مهتمًا جدًا بالقياس الدقيق للوقت، وهي مسألة ذات أهمية حيوية للملاحة البحرية، وبحلول نهاية القرن السابع عشر، كان من المعروف أنه يمكن استخدام أقمار المشتري كساعات على وجه التحديد، آيو، القمر الأعمق المعروف في ذلك الوقت، كان يدخل بانتظام ويخرج من ظل المشتري.  

ومن التلسكوب بدا وكأنه اختفى أو ظهر فجأة، والأهم من ذلك كله: أن هذه الظاهرة حدثت على فترات منتظمة ويمكن التنبؤ بها، ولكن كان هناك شيء غريب، يبدو أن ظهور آيو واختفاءه يأتي مبكرًا أو متأخرًا اعتمادًا على الوقت من العام، وعلى وجه التحديد، وقد بدا أنهما يتأخران أكثر عندما يكون كوكب المشتري والأرض بعيدًا عن بعضهما البعض.

ولعل التفسير الذي اقترحه رومر هو أن هذا التأخير كان بسبب احتياج الضوء لمزيد من الوقت لتغطية مسافة أكبر، وعلى عكس جاليليو، الذي كان بإمكانه إجراء التجارب على مسافة بضعة كيلومترات على الأكثر، استفاد رومر من ضخامة مدار الأرض حول الشمس، مما سمح له بتقدير أن الضوء يستغرق حوالي ثماني دقائق ليقطع نصف قطر المدار.

وستؤكد الملاحظات اللاحقة هذه الحقيقة وتحسّن، كل منها، القيمة الدقيقة للسرعة المذكورة، واليوم نعلم أنها تبلغ حوالي 1080 مليون كيلومتر في الساعة، وعلى الرغم من سرعته المحمومة، فإن تاريخ سرعة الضوء سيظل هادئا لنحو مائتي عام.

من الكهرباء والمغناطيسية تم صنع الضوء

 كان الفيزيائيون في منتصف القرن التاسع عشر مهتمين بالظواهر الكهربائية أكثر من اهتمامهم بالظواهر الميكانيكية، وكان لديهم واجبات منزلية، يبدو أن فروع الفيزياء التي كانت تُعرف سابقًا بالكهرباء (دراسة الشحنات الكهربائية)، والكلفانية (التي تدرس التيارات)، والمغناطيسية (دراسة المغناطيس الطبيعي) ليست مانعة للماء.

وأنتجت بعض الظواهر الجلفانية تأثيرات مغناطيسية، والعكس صحيح، وعلاوة على ذلك، كانت هناك بالفعل دلائل واضحة على أن التيارات كانت بسبب الرسوم المتحركة، ومع ذلك، فإن تفسيرات هذه الظواهر لم تكن مرضية تمامًا، لقد كانت مصطنعة بعض الشيء ومخصصة، حتى ظهر ماكسويل.

وقد وضع ماكسويل القطعة الأخيرة، والتي تُعتبر زينة الكعكة إذا أردت التعبير، والتي جعلت كل ما كان معروفًا عن الكهرباء والغلفانية والمغناطيسية يتناسب معًا كما لو كان لغزًا.  

وكانت هذه القطعة الأخيرة عبارة عن مفهوم تقني نسبيًا يسمى “تيار الإزاحة”، ولكن دعونا نلتزم بالجزء المهم: ولدت الكهرومغناطيسية، وكلها تتناسب مع نظرية ماكسويل الأنيقة والمدمجة.

لكن الأمر هو أنه بالإضافة إلى ذلك، أحضر المولود الجديد خبزًا تحت ذراعه: تنبأت نظرية ماكسويل بوجود موجة مكونة من مجال كهربائي ومجال مغناطيسي، كما قدمت تفاصيل عن سرعتها، وتبين أن هذه السرعة هي سرعة الضوء، وكل شيء يشير، كما تم إثباته سريعًا، إلى أن الضوء ظاهرة ذات أصل كهرومغناطيسي.

كبار العلماء وتحرك الضوء

وكما حدث من قبل مع معادلات نيوتن، سارع الحكماء في ذلك الوقت إلى رؤية ما حدث لمعادلات ماكسويل عندما “نظر” إليها مراقب قصوري، ولم تكن طريقة القيام بذلك مختلفة كثيرًا في أواخر القرن التاسع عشر عما كانت عليه في زمن نيوتن أو جاليليو.  

وكان من الضروري “ترجمة”، باستخدام لغة رياضية، ما يراه كلا المراقبين (في حالة السكون والحركة)، وتمت هذه الترجمة من خلال ما يعرف بتحويلات غاليليو، والتي تتكون ببساطة من مجموع المسافة النسبية بين كلا النظامين وإعادة حساب إحداثيات (x) و(y) و(z).

وكانت النتائج مخيبة للآمال، معادلات ماكسويل تتغير!  يبدو أن الظواهر الكهرومغناطيسية تعتمد على سرعة الراصد، وسيكون لذلك عواقب غير متوقعة.

 فدعونا نلقي نظرة على إحداها: تخيل، على سبيل المثال، أن سفينة جاليليو تتحرك بسرعة كبيرة جدًا، لنفترض أنها تصل إلى 90% من سرعة الضوء، ونضيء مصباحًا يدويًا داخل القارب ونشير إلى القوس، ووفقا لمعادلات ماكسويل، يبدو لنا أن الضوء يتحرك بشكل أبطأ بكثير، وتحديدًا عند 10% من سرعته خارج السفينة، وهذا من شأنه أن يسمح بحساب سرعة السفينة دون الحاجة إلى النظر إلى الخارج!

وقد أدى هذا إلى مشكلة إضافية، إذا كانت سرعة الضوء التي نقيسها تعتمد على سرعة الراصد، فما هي السرعة الصحيحة بالنسبة إلى ماذا يتحرك الضوء الذي نراه؟

ولحسن الحظ، كان من الممكن بالفعل في القرن التاسع عشر تصميم تجارب حساسة بدرجة كافية لقياس تأثيرات سرعاتنا اليومية الضئيلة على سرعة الضوء، وأشهرها كان ميشيلسون ومورلي، واستخدموا مقياس التداخل لقياس تأثيرات سرعة الأرض في مدارها على سرعة الضوء، وكانت النتائج حاسمة.

ولم تعتمد سرعة الضوء التي سجلها مقياس التداخل على الإطلاق على حركة الراصد، فلقد كان هو نفسه بغض النظر عن السرعة التي ابتعدنا بها عن مصدره أو نحوه، والأغرب من ذلك، أنه إذا قام ثلاثة مراقبين، أحدهم يقترب، والآخر يتحرك بعيدًا، والآخر ساكن تمامًا، بقياس سرعة الضوء، فسيتعين على الثلاثة قياس نفس السرعة تمامًا!

وتنبأت نظرية ماكسويل الذي يعتبر أيضًا من أكبر العلماء بوجود موجة مكونة من مجال كهربائي ومجال مغناطيسي وفصلت سرعتها، والتي تبين أنها سرعة الضوء

حل اللغز

 إذا سمحنا لأنفسنا بالتلاعب قليلاً، فيمكننا تعديل تحويلات غاليليو لتحقيق واحدة جديدة تكون فيها معادلات ماكسويل (وبالتالي سرعة الضوء) هي نفسها بالنسبة لاثنين من المراقبين بالقصور الذاتي.

والأمر الأكثر إثارة للدهشة في هذا التمرين، المعروف اليوم باسم تحويل لورنتز، هو أنه لا يوجد خيار أمام الراصدين لإدراك مرور الوقت بشكل مختلف، على وجه التحديد، سوف يمر الوقت بشكل أبطأ بالنسبة للمراقب المتحرك (مقارنة بالمراقب الساكن)، بل وأكثر من ذلك كلما تحرك المراقب بشكل أسرع.  

وكانت النتيجة الأخرى غير المتوقعة هي أن راصدين مختلفين يمكن أن يقيسوا أبعادًا مختلفة لنفس الجسم، أو يختلفان حول ما إذا كانت ظاهرتان قد حدثتا في نفس الوقت أم لا.

وكان شخص أقل حكمة من ألبرت أينشتاين سيرفض مثل هذه النتيجة باعتبارها سخيفة، لكن ثبتت صحة هذه التحولات ونتائجها المذهلة، حتى تأثيرات تمدد الزمن الغريبة تم قياسها مباشرة، على سبيل المثال، في الساعات الذرية الموضوعة على الطائرات، والنتيجة: تأخروا تمامًا كما تنبأت نظرية أينشتاين.

وأيضًا في الجسيمات التي تتحرك بسرعات عالية في المسرع: تم إطالة زمن تفككها، مرة أخرى، تمامًا كما كان متوقعًا، يحدث مثال يومي أكثر عندما نقوم بتشغيل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في السيارة، والذي يستخدم التحويلات من هندريك أنطون لورنتز، وليس غاليليو، لحساب موقعنا، وطالما أن سرعة الضوء ثابتة بالنسبة لأي مراقب بالقصور الذاتي، فليس لدى الكون مشكلة في تغيير مرور الوقت.

وعلى الرغم من أن الأمر قد يبدو غريبًا، إلا أننا لن نكون بعيدين جدًا عن الواقع، يبدو الأمر كالخيال العلمي، لأن جميع سرعاتنا اليومية، حتى تلك التي لا تشبه سرعة الطائرة أو الصاروخ، ضئيلة جدًا مقارنة بسرعة الضوء.

ويبدو الأمر وكأنه خيال علمي، لكنه علم من أوائل القرن العشرين، وعندما تفكر في ذلك، لماذا يكون الوقت المطلق أكثر بديهية من السرعة المطلقة للضوء؟ الإجابة لك عزيزي القارئ.

أقرأ أيضاً.. 7 أماكن قد تكون صالحة للحياة خارج كوكب الأرض