ثورة الفيزياء في القرن العشرين

خلال النصف الأول من القرن العشرين – الربع الأول في واقع الأمر – كانت هناك ثورتان علميتان كبيرتان. تلك الكوارث المعرفية حدثت في الفيزياء، وتعرف بالثورة النسبية والكمية. وهي مرتبطة على التوالي بالنظريات النسبية الخاصة والعامة (أينشتاين 1905، 1915)، وميكانيكا الكم (هايزنبرغ 1925، شرودنغر 1926).

النظرية النسبية

لقد كتب الكثير، وسوف يُكتب في المستقبل، عن أهمية تلك النظريات وتأثيرها على الفيزياء ككل، حتى قبل منتصف القرن. تم إنشاء النظرية النسبية الخاصة لحل “نقص الفهم” الواضح بشكل متزايد بين ميكانيكا نيوتن والديناميكا الكهربائية لجيمس كليرك ماكسويل (1831-1879)، وفرضت تعديلات جذرية على الأفكار والتعاريف التي كانت سارية منذ إسحاق نيوتن (1642). -1727) أدرجها في البنية المهيبة الواردة في كتاب (1687) – وهي مفاهيم أساسية من وجهة نظر فيزيائية وأنطولوجية ومعرفية مثل المكان والزمان والمادة (الكتلة). والنتيجة، أن قياسات المكان والزمان تعتمد على حالة حركة الراصد، والكتلة m تعادل الطاقة E (التعبير الشهير E=m·c2، حيث تمثل c سرعة الضوء)، فتح أبوابًا جديدة لفهم العالم المادي. على سبيل المثال، ساعدت هذه النظرية في تفسير كيف أنه من الممكن أن تكون العناصر المشعة (اليورانيوم، البولونيوم، الراديوم، الثوريوم) قد تمت دراستها لأول مرة من قبل هنري بيكريل (1852-1908) وماري (1867-1934) وبيير كوري (1852-1908) 1859-1906)، تبعث الإشعاع بطريقة مستمرة دون فقدان واضح للكتلة.

ثم كانت هناك النظرية النسبية العامة، التي فسرت الجاذبية عن طريق تحويل الفضاء – في الواقع الزمكان رباعي الأبعاد – إلى شيء منحني، وبهندسة متغيرة! وكان من الواضح على الفور أن نظرية أينشتاين الجديدة، مقارنة بالجاذبية العالمية لنيوتن، جعلت من الأسهل كثيرا فهم الظواهر الملموسة في النظام الشمسي (فقد حلت، على سبيل المثال، شذوذا عمره قرن من الزمان في حركة الحضيض الشمسي لعطارد). وكأن ذلك لم يكن كافيًا، فقد كان أينشتاين نفسه (1917) يتمتع بالجرأة الفكرية لتطبيق نظريته النسبية العامة على الكون ككل، وبالتالي خلق علم الكون باعتباره مجالًا علميًا وتنبؤيًا أصيلًا. ومع أنه صحيح أن النموذج الذي اقترحه أينشتاين في ذلك الوقت، والذي فيه الكون ساكن، لم يصمد في النهاية؛ ما يهم هو أنه فتح الأبواب أمام نهج علمي للتعامل مع الكون، مما يجعله حدثًا غير مسبوق تقريبًا في تاريخ العلم.

للعثور على الحل الدقيق لمعادلات علم الكون النسبي الذي كان يستخدمه، استخدم أينشتاين (1879-1955) الاعتبارات الفيزيائية. اتبع علماء الرياضيات أو الفيزيائيون الآخرون ذوو الأحاسيس الخاصة والمهارات الرياضية مسارًا مختلفًا، وسرعان ما وجدوا حلولًا دقيقة جديدة – والتي تمثل ضمنيًا نماذج أخرى للكون – تعتمد حصريًا على التقنيات الرياضية، والتي استخدموها لمعالجة تعقيدات معادلات علم الكون النسبي ( نظام من عشر معادلات غير خطية في المشتقات الجزئية). وجد ألكسندر فريدمان (1888-1925)، وهوارد روبرتسون (1903-1961) وآرثر ووكر (مواليد 1909) حلولًا تشير ضمنًا إلى أن الكون يتوسع. في الواقع، حصل عالم آخر على نتائج مماثلة: القس الكاثوليكي البلجيكي جورج لوميتر (1894-1966). ومع ذلك، يجب أن نذكر هذا بشكل منفصل لأنه، كما فعل أينشتاين مع نموذجه الثابت، استخدم لوميتر (1927) الاعتبارات الفيزيائية للدفاع عن فكرته عن التوسع الحقيقي المحتمل للكون.

كل هذه النماذج نشأت من حلول المعادلات الكونية؛ أي أنهم تناولوا الاحتمالات النظرية. السؤال عن كيف يكون الكون حقًا – ثابتًا؟ التوسع؟ – لم يتم توضيحه بعد، ولهذا فإن الدليل الوحيد المقبول يجب أن يأتي من الملاحظة.

إن المجد الدائم المتمثل في العثور على أدلة تجريبية تشير إلى أن الكون يتوسع يعود إلى عالم الفيزياء الفلكية الأمريكي إدوين هابل (1889-1953)، الذي استفاد من التلسكوب العاكس الرائع الذي يبلغ قطره 2.5 متر في مرصد جبل ويلسون (كاليفورنيا) حيث عملت، جنبا إلى جنب مع مؤشرات ممتازة للمسافة. كانت تلك المؤشرات عبارة عن نجوم سيفيدية، وهي نجوم ذات لمعان متغير حيث يمكن التحقق من وجود علاقة خطية بين لمعانها الجوهري وفترة كيفية تغير هذا اللمعان (هابل 1929؛ هابل وهيوماسون 1931). وإذا كان الكون يتوسع، كما أكد هابل، فهذا يعني أنه لا بد من وجود لحظة في الماضي (قُدرت في البداية بحوالي عشرة آلاف مليون سنة، وبعد ذلك بخمسة عشر ألف مليون، والآن بحوالي ثلاثة عشر ألفًا وسبعمائة مليون سنة). سنوات) عندما كانت كل المادة مركزة في منطقة صغيرة: “الذرة البدائية” لوميتر أو الانفجار الكبير، والذي تبين أنه اسم ناجح للغاية.

كان هذا ولادة مفهوم الكون الذي أصبح الآن جزءًا من ثقافتنا الأساسية. ولكن هذا لم يكن الحال دائما. في الواقع، في عام 1948، مع اقتراب النصف الأول من القرن العشرين من نهايته، كان ثلاثة فيزيائيين وعلماء كونيات يعملون في كامبريدج: فريد هويل (1915-2001)، من ناحية، وهيرمان بوندي (1919-2005) وتوماس جولد (1919-2005) 1920-2004) ومن ناحية أخرى (ناقش الثلاثة هذه الأفكار قبل نشر مقالاتهم الخاصة) – نشروا نموذجًا مختلفًا للكون المتوسع: علم الكونيات ذو الحالة المستقرة، والذي يرى أن الكون كان وسيظل كذلك دائمًا. نفس الشكل، بما في ذلك كثافة المادة. وهذا الجانب الأخير أجبرهم على تقديم فكرة خلق المادة، بحيث يكون لـ “حجم” الكون دائمًا نفس المحتويات، على الرغم من أنه يتوسع. ووفقا لهم، فإن الكون ليس له بداية ولن ينتهي أبدا.

على الرغم مما قد نفكر فيه اليوم – فنحن الآن مشبعون تمامًا بنموذج الانفجار الكبير – إلا أن علم كونيات الحالة المستقرة كان له تأثير كبير خلال الخمسينيات. وكما سنرى، لم يتم رفضه نهائيًا إلا في النصف الثاني من القرن.

ميكانيكا الكم

الثورة الكبرى الثانية المذكورة أعلاه هي فيزياء الكم. على الرغم من أنها ليست دقيقة بشكل صارم، إلا أن هناك ما يكفي من الحجج لاعتبار أن نقطة بداية هذه الثورة كانت في عام 1900. أثناء دراسة توزيع الطاقة في إشعاع الجسم الأسود، قدم الفيزيائي الألماني ماكس بلانك (1858-1947) المعادلة، E=h·?، حيث E، كما في المعادلة النسبية، هي الطاقة، h هو ثابت عالمي (سمي لاحقًا “ثابت بلانك”) و ? هو تردد الإشعاع المعني (بلانك 1900). في البداية، قاوم ما تنطوي عليه هذه النتيجة من أن الإشعاع الكهرومغناطيسي (أي الضوء، الذي كان لا يزال يعتبر موجة مستمرة في ذلك الوقت) يمكن أن يتكون أيضًا بطريقة ما من “جسيمات” (سميت لاحقًا “فوتونات”) من الطاقة. لكن هذا المعنى الضمني لـ «ازدواجية الموجة والجسيم» أصبح له تأثير في النهاية، وكان أينشتاين (1905 ب) حاسمًا في قبوله.

لمدة ربع قرن، ناضل الفيزيائيون من أجل إضفاء معنى على تلك الظواهر الكمومية، والتي شملت في نهاية المطاف النشاط الإشعاعي، والتحليل الطيفي، والفيزياء الذرية أيضًا. ومن المستحيل هنا تقديم قائمة بأعداد العلماء المشاركين، والأفكار التي تناولوها والمفاهيم التي قدموها، ناهيك عن ملاحظاتهم وتجاربهم. لا أستطيع إلا أن أقول إن لحظة حاسمة في تاريخ فيزياء الكم وصلت في عام 1925، عندما قام عالم فيزياء ألماني شاب يدعى فيرنر هايزنبرغ (1901-1976) بتطوير أول صيغة متماسكة لميكانيكا الكم: ميكانيكا الكم المصفوفية. وبعد ذلك بوقت قصير، اكتشف النمساوي إروين شرودنغر (1887-1961) نسخة جديدة (سرعان ما أثبتت أنها متطابقة): ميكانيكا الكم الموجية.

إن النص في إحدى بديهتي النظرية النسبية الخاصة على أن سرعة الضوء يجب أن تكون ثابتة، واعتماد قياسات المكان والزمان على حركة المراقب، والانحناء الديناميكي للزمكان، كانت كلها مبتكرة بالفعل ونتائج مفاجئة تتناقض مع “الفطرة السليمة”. لكن محتويات أو استنتاجات ميكانيكا الكم كانت أكثر إثارة للصدمة، بما في ذلك اثنين يجب ذكرهما هنا) تفسير ماكس بورن (1882-1970) للدالة الموجية المنصوص عليها في معادلة شرودنغر، والتي بموجبها تلك الوظيفة – العنصر الأساسي الذي يستخدمه تمثل فيزياء الكم لوصف الظاهرة قيد النظر احتمالية نتيجة ملموسة (Born 1926) ومبدأ عدم اليقين (Heisenberg 1927)، الذي يؤكد أن المقادير المترافقة قانونيًا (مثل الموقع والسرعة، أو الطاقة والوقت) لا يمكن أن تكون إلا يتم تحديده بشكل متزامن مع عدم تحديد مميز (ثابت بلانك). في نهاية مقالته، استخلص هايزنبرج استنتاجًا من نتائجه كان له آثار فلسفية دائمة: «في الصياغة القوية لقانون السببية «إذا عرفنا الحاضر بدقة، يمكننا التنبؤ بالمستقبل»، فإنه ليس الاستنتاج، بل الفرضية التي هي كاذبة. لا نستطيع من حيث المبدأ أن نعرف الحاضر بكل تفاصيله». وأضاف: «بالنظر إلى العلاقة الحميمة بين الطابع الإحصائي لنظرية الكم وعدم دقة كل الإدراك، فمن الممكن أن نقترح أنه خلف الكون الإحصائي للإدراك هناك عالم «حقيقي» خفي تحكمه السببية. تبدو لنا مثل هذه التكهنات – وعلينا أن نؤكد على هذه النقطة – عديمة الفائدة ولا معنى لها. لأن الفيزياء يجب أن تقتصر على الوصف الرسمي للعلاقات بين الإدراكات الحسية.