قائمة بأهم التجارب الفيزيائية التي ساهمت في اختراق الحواجز المعرفية في عصرها

تعتبر الفيزياء أقوى الطرق المتاحة لدينا لفهم طبيعة الكون ووصفه وصفًا تقريبيًا، ويتم لنا ذلك عن طريق محاولة إيجاد نموذج تقريبي لتفسير أحد الظواهر في الكون وحساب نتائجه، ومن ثم نتأكد من صحة تلك النتائج عن طريق التجربة، وعن طريق التجربة فقط يمكننا أن نحكم على صحة النماذج المطروحة، وأن نستبعد الفرضيات الخاطئة. وهذا النهج البسيط هو ما مكنّا حتى الآن من تحقيق تقدم مذهل في فهمنا لطبيعة الكون. وعلم الفيزياء هو علم استكشافي بطبيعته، فالتجارب الحديثة هي التي تغير أو تعزز من إدراكنا بالحقائق بطريقة أو بأخرى. ولذا دعنا نتعرف على أمثلة توضح تاريخ تطور معرفة الإنسان بالكون:

10. تجربة برج بيزا لجاليليو

اعتقد أغلب الناس قبل مجيئ جاليليو بتعاليم الفيلسوف اليوناني أرسطو، والذي أقر أن الأجسام ذات الأوزان المختلفة المتواجدة على ارتفاع واحد تتأثر بقوى جذب أرضية متفاوتة بالتناسب مع وزنها، وكنتيجة لذلك زعم أرسطو أن الأجسام الثقيلة تسقط بسرعة أعلى من الأجسام الأقل منها وزنًا.

ولكن بيّن جاليليو خطأ تلك الفرضية، فقد قيل أن جاليليو تسلق بنفسه إلى قمة برج بيزا عام 1589 م، ثم قام برمي جسمين بوزنين مختلفين من أعلى البرج، ووجد أنهما ارتطما بالأرض في ذات الوقت تقريبًا، ودحض بذلك اعتقاد أرسطو.

ثم كرر رائد الفضاء ديفيد سكوت تجربة جاليليو الشهيرة عام 1971 م على سطح القمر حيث تنعدم مقاومة الهواء للحركة نظرًا لعدم وجود غلاف جوي يحيط بالقمر، وفي تلك المرة قام بإلقاء ريشة ومطرقة. يمكنك مشاهدة تلك التجربة من خلال هذا الفيديو.

9. تجربة الحث المغناطيسي لفاراداي

إذا حاولت تحريك مغناطيس داخل ملف كهربي بشكل فجائي فسوف تلاحظ تحرك قراءة الجلفانومتر المتصل بالملف، مما يدل على أن المجال المغناطيسي المتغير قد يولد تيارًا كهربيًا داخل الملف.

وكان أول من يلاحظ تلك الظاهرة هو العالم مايكل فاراداي عام 1831 م، وقد مهدت نتائج تلك التجربة إلى صياغة قانون الحث الكهرومغناطيسي الذي يربط بين المجال الكهربي والمجال المغناطيسي. وفي العصر الراهن تعتمد جميع المولدات والمحركات والمحولات الكهربية على نفس المبدأ، فقد وجد المخترعون أن أكفأ طريقة لتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربية والعكس هو عن طريق استخدام المجال المغناطيسي كطرف وسيط، حيث أن الطاقة المختزنة في المجال المغناطيسي تستطيع أن تنتقل عبر الهواء بسهولة على عكس الطاقة الكهربية، وهذا المبدأ هو الذي يسمح بتوصيل الطاقة إلى جميع الأجهزة المنزلية والمصانع.

8. تجربة ميكلسون-مورلي

أليس الضوء ضربًا من الموجات؟

فهل يحتاج إذن إلى وسط حتى ينتقل عبره؟

إذا سألت علماء القرن التاسع عشرعن ذلك فسوف يجيبونك بالموافقة، فقد افترضوا آنذاك وجود مادة ساكنة غير مرئية وغير محسوسة تخترق جميع الفراغات في الكون، وأطلقوا عليها اسم «الأثير»، وهي الوسط الذي ينتقل الضوء خلاله.

وفي ال1880ـات، فكر العالم ألبرت ميكلسون في طريقة لاكتشاف وجود هذا الأثير، فإذا صح وجود هذا الأثير حقًا، فسوف تتسبب حركة الأرض خلاله في ظهور رياح أثيرية بنفس الطريقة التي نلاحظ بها وجود رياح خارج سيارة متحركة.

فمن منظور الشخص الجالس داخل السيارة، يبدو له الهواء كما لو كان مادة متحركة، وبنفس الطريقة فسوف يبدو الأثير كما لو كان يتحرك بالنسبة إلى الأرض.

وعليه صمم ميكلسون مقياسًا للتداخل (وهو عبارة عن جهاز يعتمد في عمله على تداخل موجات الضوء) لقياس سرعة تلك «الرياح الأثيرية» عام 1887 م، وذلك بالتعاون مع زميله إدوارد مورلي.

لكن لم يستطع ميكلسون أن يرصد أي رياح على الإطلاق، مما جعل تجربته أشهر تجربة تبوء بالفشل في تاريخ الفيزياء، فقد دحضت فكرة الأثير، ومن ثم تبين لاحقًا أن الضوء لا يحتاج إلى وسط حتى ينتقل خلاله، وأن سرعته ثابتة بغض النظر عن سرعة المراقب.

7. تجربة الشق المزدوج

اعتقد نيوتن أن الضوء عبارة عن سيل من الجسيمات تحمل قدرًا من الطاقة، ولكن أثبت توماس يونج خطأه في عام 1801 م، فقد بين من خلال تجاربه أن الضوء عبارة عن موجة.

ففي تجربته قام يونج بتوجيه شعاعين من الضوء بحيث يتداخل كل منهما مع الآخر، ولاحظ يونج تكون نمط غير متوقع ولا يمكن تفسير هذا النمط إلا عن طريق تطبيق نظرية الموجات على الضوء.

6. اكتشاف الإلكترون

ظل الاعتقاد بأن الذرة هي أصغر بنية ممكنة في الكون قائمًا لفترة طويلة على نطاق واسع، وذلك حتى عام 1897 م، حينما شرع العالم جوزيف تومسون في تجربته المبتكرة، والتي قد تشير إلى أن الذرة قابلة للاجتزاء.

استخدم تومسون في تجربته أنبوبة شعاع الكاثود، وهي عبارة عن أنبوبة زجاجية مفرغة من الهواء، وعلى طرفيها أقطاب كهربية مثبتة بداخلها (حيث الكاثود هو القطب السالب والأنود هو القطب الموجب)، وعند توصيل الجهاز بجهد كهربي مرتفع لاحظ تومسون تولد شعاع من الإلكترونات بين طرفي الأنبوب.

وتوصل تومسون إلى أن شعاع الجسيمات هذا غير متعادل الشحنة، فقد لاحظ انحراف اتجاه الشعاع عند وضعه بالقرب من مجال كهربي خارجي.

5. التأثير الكهروضوئي

في عام 1887 م، اكتشف عالم الفيزياء التجريبية هاينريخ هرتز بالمصادفة ظاهرة مدهشة، تُدعى «التأثير الكهروضوئي ». فقد وُجد أن أقطاب بعض المعادن تولد شرارة كهربية عند تعرضها للأشعة فوق البنفسجية.

وبعد هذا الاكتشاف بعقدين، اقترح أينشتاين تفسيرًا لتلك الظاهرة مستندًا على فكرة ماكس بلانك التي افترض فيها أن الموجات الضوئية تتكون من حزم ضئيلة من الطاقة تعرف بالفوتونات أو الكوانتم.

4. تجربة دافيسون-جيرمر

افترض عالم الفيزياء لويس دي بروي أن المادة تظهر عليها خصائص الجسيمات والموجات في آن واحد، وعليه شرع دافيسون وجيرمر في التحقق من فرضية دي بروي في المختبر.

فإذا صح أن الإلكترون على سبيل المثال يتصرف كموجة، فمن الممكن أن يتداخل مع موجة إلكترون آخر بطريقة مشابهة لتداخل موجات الضوء، مما ينتج عنه نمطًا مميزًا. ونجح هذان العالمان بالفعل في إظهار هذا النمط عام 1925 م.

3. مسبار الجاذبية B

في 20 أبريل عام 2004 م، دشّنت ناسا مهمة القيام بتجربة باستخدام أحد أقمارها الصناعية، وكان الهدف من تلك المهمة هو قياس مدى تقوس الزمكان حول الأرض على حسب نظرية أينشتاين. كانت التكلفة الكلية للمشروع حوالي 750 مليون دولار.

وفكرة هذه التجربة تقوم على قياس التغيرات الطفيفة في اتجاه محور دوران الجيروسكوبات الأربعة المثبتة على متن القمر الصناعي، وقد أكدت نتائج التجربة على الحسابات المتوقعة للتأثير الجيوديسي بدقة 1%.

2. اكتشاف بوزون هيجز

مجال هيجز هو عبارة عن حقل طاقة يعتقد بوجوده في جميع أرجاء الكون، ويصاحب وجود هذا المجال جسيم أولي يعرف ببوزون هيجز، وهو الأداة التي يستخدمها المجال للتفاعل مع الجسيمات الأخرى، مثل الإلكترون.

وفي عام 2012 م، اكتشف هذا الجسيم في النهاية، وعليه فاز بيتر هيجز بجائزة نوبل وتسبب اكتشافه في حدوث ضجة على مستوى عالمي.

1.  تجربة الليغو

الليغو (LIGO) هو مشروع ضخم لبناء مرصد صُمم خصيصًا لرصد الموجات الثقالية الكونية التي تنبأت بها نظرية النسبية العامة لأينشتاين، وليغو اختصار لـ«مرصد الموجات الثقالية بواسطة التداخل الليزري» (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).

وبحلول عام 2017 م، تمكن المرصد من رصد الموجات الثقالية في 5 أحداث مختلفة، وكل من الأحداث الأربعة الأولى كان نتيجة لتصادم زوجين من الثقوب السوداء، أما الحدث الأخير والذي رُصد في 17 أغسطس عام 2017 م، فقد كان نتيجة لتصادم زوج من النجوم النيوترونية.

ترجمة : حازم موسى

مراجعة علمية ولغوية : محمد زاهر

تحرير: هدير جابر

المصدر الرئيسي:

https://www.wondersofphysics.com/2019/05/top-10-physics-experiments.html

المصادر الثانوية:

1. https://deskarati.com/2011/10/29/galileos-leaning-tower-of-pisa-experiment/
2. https://www.livescience.com/53509-faradays-law-induction.html
3. http://scienceworld.wolfram.com/physics/Michelson-MorleyExperiment.html
4. https://plus.maths.org/content/physics-minute-double-slit-experiment-0
5. https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Chemistry/Map%3A_A_Molecular_Approach_(Tro)/02%3A_Atoms_and_Elements/2.4%3A_The_Discovery_of_the_Electron
6. https://physics.info/photoelectric/
7. https://byjus.com/physics/davisson-germer-experiment/
8. https://www.nasa.gov/mission_pages/gpb/
9. https://www.smithsonianmag.com/science-nature/how-the-higgs-boson-was-found-4723520/
10. http://www.ipr.res.in/LIGO/