فيزيقا الكم ومنطق العلم ...

[رجب مصطفى]

بسم الله الرحمن الرحيم

والصلاة والسلام على رسول الله

"محمد بن عبد الله"

وعلى آله وصحبه أجمعين

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

إخواني زوار وأعضاء ومشرفي المنتدى الكرام

تحية طيبة إليكم

الأخوة الأعزاء ... محبي ميكانيكا الكم خصوصاً والفيزياء عموماً، أنقل إليكم اليوم، لأني لا أستطيع حالياً وضع الكتاب كله، أروع ما قرأت عن تاريخ الفيزياء بتدرج وتسلسل منقطع النظير ... وهي مقدمة أفضل الكتب في ميكانيكا الكم باللغة العربية
وهو كتاب:

في أصول

علم فيزيقا الكم

الطبعة الثانية 1982، للأستاذ الدكتور

محمود أحمد الشربيني

عميد كلية العلوم بجامعة الأسكندرية سابقاً

و ... أرجو قراءة الموضوع بتمعن !!!
والآن مع هذه المقدمة الرائعة ...

فيزيقا الكم ومنطق العلم

العلم هو المعرفة الخالصة وأكثرنا علماً أكثرنا معرفة والعالم الأستاذ وسع كرسيه محاولة النظر في فرع من فروع العلم. والعالم الأكبر جل وعلا وسع كرسيه السماوات والأرض ولا يؤوده حفظهما وهو العلي العظيم.

وسلاح العلم ككل سلاح كالسلاح العادي: إذا حمل شخص سلاحاً واستخدمه لتحرير وطنه سمي محارباً وسمي السلاح أداة حرب وإذا حمل نفس الشخص نفس السلاح واستخدمه سلباً ونهباً وتقتيلاً سمي مجرماً وسمي السلاح أداة جريمة فالتسمية ترمز للهدف ويكنى بها صاحب الهدف .... وللعلم أهداف يكنى بها، أهداف لا تمس طبيعته .. فالعلم هو العلم. إن أردته تطبيقاً حملته كسباً ....

والتجريد هو توجيه العلم بأسلحته من أنماط وفروض وقوانين ناحية الظاهرة الطبيعية قصد تعليلها خالصة لوجه العلم ولذات العلم. والتطبيق هو توجيه العلم بأسلحته من أنماط وفروض وقوانين نحو مشكلة قصد الوصول بحلها إلى نفع عام يعود بالخير على الإنسانية والمجتمع والعلم بحتاً أو تطبيقاً. نظراً أو تجريباً له منطق واحد وإن اختلفت الأهداف وتباينت الوسائل. وهو منطق يؤدي إلى وحدة المعرفة وتوحيد القوانين عن طريق البساطة والسهولة والنظام والإنتظام ....

لعل ذلك بدأ يوم أن جال الإنسان ببصره يتسأل عن حكمة الوجود ويربط بين فكرة وفكرة يبحث عن علة ما يراه من ظواهر طبيعية. ويخطط لها ويعد على أصابعه والإنسان بفطرته يبحث عن العلل ويرحب بقلتها مع شمولها.

يُتبع ...

[رجب مصطفى]

ولن أتتوغل في القدم ولكني أكتفي بخمسة قرون قبل ميلاد السيد المسيح لأجد فيثاغورث يتمسك بالرباعيات .... فأساس المادة رباعية هي الأرض والماء والنار والهواء .. وأساس خواص المادة رباعية أخرى هي الجفاف والبرودة والحرارة والرطوبة. بل أساس المعرفة كافة رباعية من العلوم هي علم الهندسة وعلم الحساب وعلم الفلك وعلم الموسيقى ....

ويختص كل علم برباعية هي أصوله. فأصول علم الهندسة رباعية هي النقطة والخط والسطح والجسم .... وأصول علم الفلك رباعية عددية مكونة من أربعة أعداد هي بداية الأعداد من واحد إلى أربعة. وهذه الأعداد هي أيضاً أصول علم الموسيقى فالفترات الموسيقية هي نسب أو كسور مقام الكسر أو بسطه هو أحد هذه الأعداد الأربعة.

ملكت الأعداد عليهم الحس وكأن عالمهم قد أُنشئ على قوائم أربعة ثم مرت العدوى وجاء أفلاطون يحمل لواء الرباعيات بعد أن صبغها بصبغته وغير وعدل وأصبحت له رباعيتان عدديتان ألمس من ثنايا هذا التعديل نظاماً .... إذ ترى في إحدي رباعيتي أفلاطون التي بدأها من بداية الأعداد. قد جعل العدد الثاني ضعف العدد الأول والعدد الثالث ضعف العدد الثاني والعدد الرابع ضعف العدد الثالث أي كل عدد ضعف العدد الذي قبله (1، 2، 4، 8) ونجد في الرباعية الأخرى التي بدأت أيضاً من البداية أن العدد الثاني ثلاثة أمثال العدد الأول والعدد الثالث ثلاثة أمثال العدد الثاني والعدد الرابع ثلاثة أمثال العدد الثالث أي كل عدد ثلاثة أمثال العدد الذي قبله (1، 3، 9، 27) أليس هذا نظاماً وإنتظاماً وجنوحاً إلى كمال.

لا يصبح أن ننظر إلى هذه الأعمال من قمة ما وصلنا إليه من معرفة تراكمت مع الزمن وأتت إلينا مع الأجيال على أيدي العلماء الحكماء .... بل يحسن أن ننظر إليها بعين المبتدئ، بعين الواقع في ذاك الحين .... حين من الدهر لم يكن شيء مذكوراً .... يوم أن بزغ العلم وبدأ الخيط الأبيض ينسل ويبين ....

هناك كمال جديد هو كمال الحركة، وكمالها أن تكون حول دائرة أعني حركة دائرية، حركة على بُعد ثابت من مركز لا يتغير، وتمتاز الدائرة بمحيطها والمحيط يحدد سطحاً والسطح له مساحة. لو حددنا هذه المساحة بمحيط على شكل دائرة لكان طول المحيط الجديد أكبر من طول المحيط الدائري أي أكبر من محيط الدائرة لذا كان كمال الدائرة أنها النهاية الصغرى لأي طول يمكنه أن يحيط مساحة ما وليس هذا بقول جديد بل هو رأي قديم نادى به أرسططاليس. ولعل أرسططاليس أول من وجه أنظار العلماء إلى النهاية الصغرى وركز عليها الأنظار فبدأت محاباة علمية نحو القصير الأقصر. فمن أراد أن يتحرك في كمال حول مساحة ما وجب أن يختار القصير الأقصر من الطرق وهو طريق الدائرة وسميت هذه الحركة بالحركة البسيطة وشاركتها البساطة الحركة المستقيمة فالخط المستقيم هو القصير الأقصر من الطرق بين نقطتين ....

ولعلها لمحة علمية أن يعطي أرسططاليس النهاية الصغرى أهمية كبرى تغلغلت في العلم ودغعته دفعة قوية نحو الطريق المقدر. إن هذه اللمحة كانت إيذاناً ببداية نهضة علمية حقة تتجه إلى التوحيد في يسر وسهولة وتسلسل عبر الأجيال .... وإني أراها تلعب دوراً حاسماً في تطور العلم من يوم أن نادى أرسططاليس بهذا المبدأ .... ويبين هذا أول ما يبين في براعة ووضوح في أعمال هيرو الأسكندرية إذ أثبت عملياً وبرهن نظرياً أن العين تستقبل بعضاً من النور المنعكس من مرآة لأن هذا البعض اختار الطريق القصير الأقصر إليها ....

وإني أحب أن أصل ما بين الأمس واليوم بأقصر طريق في أقصر وقت، لذا أجدني مضطراً لأن أسرع معتذراً عن عدم ذكر كثير من العلماء العظماء ....

يُتبع ...

[رجب مصطفى]

ولرغبتي في الإسراع ترددت أن أذكر نيوتن ذلك العالم العملاق الذي رجع ببصره إلى الماضي وصاغ ما توصل إليه سابقوه من خبرة مع إضافات ارتآها .... صاغها في قوانين تنسب إليه عرفت بقوانين نيوتن للحركة أمكنه بهذه القوانين أن يعلل حركة الكواكب كما وصفها كبلر وصفاً دقيقاً في ثلاث وصفات. ثم أثبت نيوتن أن وصفات كبلر تخرج من صلب الفرض القائل أن كل كوكب في كل لحظة له قوة متبادلة بينه وبين الشمس تقل مع بُعد الكوكب عن الشمس مضروباً في نفسه .... أخد نيوتن يطبق هذا الفرض .... طبقه على حركة الأرض والقمر والكواكب الأخرى حتى ارتفع الفرض إلى قانون عرف بقانون التربيع العكسي، يدرس طالب العلم هذا القانون ويتكرر معه بصورة المناسبة في الكهرباء والمغناطيسية والضوء والصوت وخواص المادة وأقول أن ظهر القانون أول ما ظهر في علم الميكانيكا مع الجاذبية الأرضية ومع حركة الكواكب حيث لا تصادم ولا تقارب ولا ابتعاد، إن فطرة طالب العلم المتأمل في علمه وفي قانون يتكرر في أكثر من فرع من فروع علمه تؤدي به إلى إلهام صحيح هو أن منطق العلم منطق الوحدة، منطق للتوحيد، ولكن العالم الباحث المدقق يحتاج إلى نظرة أشمل وأعمق ليشعر أن هذه البشائر هي مؤثرات حقيقية ....

يُتبع ...

[رجب مصطفى]

لذا كان جل علماء الرياضيات وكذلك علماء الفلك وعلماء فيزيقا في القرنين الثمن عشر والتاسع عشر أن يرتفعوا بعلم الميكانيكا إلى مرتبة رفيعة تتطلع إليها جميع العلوم. فبحثوا مؤثرات النشاط وقرروا أن يقرنوا بين الكتلة والسرعة فكان عنوان النشاط كتلة الجسم مضروبة في سرعته وهذه هي كمية التحرك. ثم جنحوا إلى دقة أكثر لذا عزموا أن يقرنوا بين كمية التحرك والمسافة فكانت الكتلة في السرعة في المسافة هو الفعل كما يسميه العلماء.

سرى هذا الفعل مبدأ القليل الأقل .... فالطريق المطروق هو الذي يسمح بالقليل الأقل من فعل الطارق أي يسمح ببذل فعل هو النهاية الصغرى عند المقارنة ....

وهكذا اعتقد العلماء اعتقاداً علمياً راسخاً أن جميع العلوم مبنية على المبدأ الشهير المسمى مبدأ الفعل القليل الأقل الذي استخدمه موبرتويه إذ أعلن أن البساطة تجعل الأجسام في الطبيعة تعمل بطريقة تكون فيها كمية معينة يقال لها الفعل نهاية صغرى.

وصل موبرتويه إلى هذه النتيجة ببرهان رياضي ولكن يشد الإنتباه قول موبرتويه أنه يعتقد أن الحكمة الإلهية تبين بأجلي بيان وتمثل أجمل تمثيل في ثنايا هذا المبدأ الذي جعل حركة الأجسام تأخذ مجراها مع نهاية صغرى لكمية تسمى الفعل وهي كمية تحرك في مسافة ما، وبقليل من جهد يرى أن الفعل هو أيضاً طاقة في زمن ما.

يحمل هذا المبدأ على مر السنين العبء الأكبر في النهضة العلمية الحديثة ويمرق مروق السهم إلى الهدف زمن عجيب أمر هذا المبدأ أنه تحدث عن كمية يمكن قياسها ويمكن استيعابها حساً وشعوراً مهما كان الزمان والمكان.

وكان هذا المبدأ ندءاً لميلاد "لا تغير" أعني نداءاً لمبدأ البحث عن الحقيقة فالحقيقة لا تعتمد على إسناد. ففعل الحقيقة في العلم هو فعل جاد يأخذ شكلاً أو هيكلية ما لا تتغير أو تتصرف محما كانت الظروف.

ولن أذكر فرمات وإعلانه نهاية صغرى لزمن مسار الضوء إذ يشغلنا عنه فحل من فحول العلماء هو هاملتون الذي استوعب مبدأ موبرتويه وغاص إلى جذوره ورفع بفضله علم الميكانيكا ليشرف ويسيطر أيضاً على حركة الموائع وعلى علم الصوتيات وعلى علم البصريات ثم جاء علماء من بعده ساهموا في تقوية علم الميكانيكا وامتد نفوذه واخضع له قانون عصا شموس وهو القانون الذي يضع نظاماً لحركة تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية أو ما يُسمى بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية حيث القانون الأول هو إمكانية التحويل، وبذلك القانون الثاني العصى الشموس بعضاً من علم الميكانيكا.

يُتبع ...

[رجب مصطفى]

والأيام لا تصفو دائماً أبداً فإذا بعلماء الضوء يتمردون على النظرية الميكانيكية وقد كشفوا طبيعة موجية للضوء.

وشاء القدر العلمي أن يحفظ للعلم وحدته فكان من تربص بالضوء خيراً وأجلاه عن انفراده عن الجماعة إلى الجماعة إلى الوحدة الكبرى إلى التوحيد. وكان من أعلن نظرية متكاملة جعلت الضوء بعضاً من إشعاعات تغمر الكون ويسري عليها قوانين توحد بين الكهرباء والمغناطيسية.

ثم كانت محاولات ناجحة تطلب سد ثغرات بين النظرية الميكانيكية والنظرية الكهرومغناطيسية.

ثم أخذ بيد من يحاول رأب الصدع الكاشفون عن ذرية الكهرباء .... وقديماً كشف عن ذرية المادة فسرى التقطع على المادة والكهرباء على حدٍ سواء. وأصبحت المادة من ذرات وفي تكوين الذرات وحدات كهربائية موجبة وسالبة .... وبناء على ذلك دعمت النظرية الكهرومغناطيسية لتشمل الوحدات الكهربائية .... بهذا تجدد الأمل إلى بداية القرن العشرين حيث تعكر الجو وما ظن بداية عهد جديد ظهر أنه يحوي في سمائه ما يبعده عم الوحدة المنشودة.

ولعل هذا أمر طبيعي فالعلم أي علم، علم الفيزيقا مثلاً، يختص بجانب من جوانب المعرفة البشرية ويرسم الباحث فيه من نسيج هذه المعرفة صورة للعالم الذي يعيش فيه ويقنع باتفاقها والتجربة التي عن طريقها حصلت المعرفة .... ويدقق الباحث حتى لا يشوب التجربة شائبة فيتخذ ما يكفل لامتها وينأى بها عما يفسدها .... فالدقة في القياس واجبة وتحقيق هذه الدقة أوجب. ولكن يحد من الدقة ما تحت اليد من أجهزة وآلات لذا كان حتماً أن تُعاد التجربة من وقت إلى آخر تمشياً مع تطور الأجهزة والآلآت .... وقد وُجِدَ أن مراجعة التجربة بأجهزة متطورة تصل بنا إلى أحد إحتمالين .. الأول سلامة النسيج واتساع أفق المعرفة مع إضافات مبتكرة إلى الصورة التقليدية، والثاني ظهور ما كان خافياً من عيوب في النسيج مما يوجب إعادة النظر في المعرفة لاستخلاص سليم لصورة حديثة تمتاز وقد جاءت نتيجة لجلاء الرؤية أنها محكومة بقوانين أعم من القوانين التقليدية التي غالباً ما تُظهِر حالة خاصة من القوانين الحديثة، وهكذا يتطور العلم وتتقدم المعرفة.

ولعل طبيعة الأمر تكمن في الإحتمال الثاني، إذ ظهر في بداية القرن العشرين ما كان خافياً من عيوب في النسيج مما استوجب إعادة النظر في المعرفة لاستخلاص صورة جديدة إذ جاءت التجربة بسحب داكنة زعزعت اليقين في احتمال الاحتفاظ بالصورة التقليدية.

يُتبع ...

[رجب مصطفى]

وكان أن جاءت النظرية النسبية لأينشتاين لتزيل بعضاً من السحب الداكنة واحتوت الماضي وجعلته خطوة مستنتجة من خطواتها ووثقت عرى الإتحاد وتمسكت بالتجربة ولو كانت نتائجها على غير الملموس والمألوف المتداول .... وأنكرت ما لا تحسه فالنسبية تتمسك بالواقعية، تقبل الظواهر الطبيعية على علاتها وإن جاءت على خلاف العادة المتبعة .. فالنور يمر في الفراغ الخلو من المادة بسرعة ثابتة جامدة مطلقة لا تحتاج إلى إسناد .. ولا يختلف إثنان في نتيجة قياس قيمتها مهما كان اختلاف ظروفهما أو ظروف تجربتهما .. والتسليم بنتيجة هذه التجربة تسليم بالواقع التجريبي .. ولحكمة واضحة ضاقت النظرية النسبية بالوجود وفضلت عليه العدم وذلك إذا تساوى الوجود مع عدم الوجود.

ولا عجب إذن إذا ضاقت النسبية بالأثير وسطاً يحمل النور إلينا وفي إمكان النور أن يصل في غير وسط .. ثم جعلت النسبية للنور مركز الإمتياز فكانت سرعته في الفراغ مطلقة ثابته دائماً حتى ولو كان للراصد سرعة تُقارب سرعة النور .... وكذلك أنكرت النسبية المركزية في العالم وجعلت كل منطقة كفيلة بقوانينها وإن تشابهت القوانين. فقد قدست شكل القوانين وحفظت للشكل هيكليته مهما كانت الأحوال .... وبينت النظؤية النسبية ألا يصح أن نستنتج سلوك الأجسام المتحركة بسرعات كبيرة من سلوكها عندما تتحرك بسرعة بطيئة ولكنها سلمت بالعكس فالعكس صحيح بمعنى أن الحركة البطيئة حالة خاصة من الحركة السريعة .... والزمن عندها يبطئ ويسرع حسب الحركة، والمكان يستطيل وينكمش حسب الحركة. والكتلة أيضاً فقدت معناها إذ تزداد بازدياد السرعة .. ويحسن أن أقرر أن هذه الظواهر اتفقت والتجربة .. وأضيف أن النسبية أنكرت وجود زمان بمفرده ووجود مكان مستقل بمفرده وبينت أن بساطة العلم في تفسير الظواهر الطبيعية تحتم إندماج الزمان والمكان حيث لا يمكن تمييز شقيه.

يُتبع ...

[رجب مصطفى]

وهناك اتحاد لا يقل أهمية عن هذا الإندماج، فأصبحنا نعجز عن التمييز بين الكتلة والطاقة حتى إننا وجدنا طاقة الجسم الساكن هي كتلته الساكنة لو اتخذنا سرعة الضوء وحدة للسرعات وبذلك وضعت الكتلة تحت وصاية الطاقة .... بل هناك إذابة لا تقل عن الإندماج والإتحاد وهي إذابة الطبيعة في الشكل الهندسي فأصبح مجال التجاذب الطبيعي أو ما يُسمى بالتثاقل ليس مجال قوة فيزيقية بل هو مجال هندسي غير منبسط وغير متزود بقوة ما. والحيز الخلو من المادة والكهرباء والإشعاعات حيز منبسط لو أردت وصفه وتحديد مواقعه استعنت بهندسة إقليدس، ولكن إذا دخلت على الحيز أجساماً مادية أو كهرباء أو إشعاعات إلتوى الحيز وأصبح جزء منه ملتوياً لو أردت وصفه وتحديد مواقعه ما أسعفتك هندسة إقليدس ولكن تلجأ إلى هندسة أخرى لا تعترف بإستقامة أقصر خط يصل بين نقطتين. وكما لا ينبغي للمرء أن يجري قياسات بالمسطرة على سطح غير منبسط كالكرة، كذلك لا ينبغي أن تستخدم هندسة إقليدس في حيز غير منبسط، ومن خصائص إلتواء الحيز أن المادة تنحدر إلى أسفل ولا أقول تنجذب، وعليه يصبح المجال هندسياً محضاً لا علاقة له بقوى الطبيعة التثاقلية. وبذلك أصبح لا معنى لقانون التربيع العكسي فكان فرضه خداعاً ناتجاً عن انفصام الزمان عن المكان أعني كان حتماً اختفائه وقد أصبح هناك إندماجاً بين الزمان والمكان فأصبح هناك زمكان.

إن جميع ما قيل ثبت بالتجربة تحقيقاً وفي الوقت نفسه فإن الفعل بنهايته الصغرى اتخذ مكاناً مكيناً في النظرية النسبية واتسع مجاله باتساع النظرية وشمولها. وبذلك بددت النظرية النسبية بعضاً من السحب الداكنة وبقى البعض.

يُتبع ...