الفصل الأول

الفيزياء قبل أينشتاين

ذات مرة طلب أحد الصحفيين من ألبرت أينشتاين، أعظم عباقرة العلم منذ إسحق نيوتن، أن يشرح له معادلته الخاصة للنجاح. تأمل المفكر العظيم قليلًا ثم أجابه: «إذا كان أ يرمز للنجاح، فإن المعادلة يجب أن تكون على النحو الآتي: أ = س + ص + ع، حيث يرمز حرف س إلى العمل، وحرف ص إلى اللعب.»١

سأله الصحفي عما يرمز إليه حرف ع.

فأجابه أينشتاين: «إلى إغلاق فمك.»

إن ما أحبه الناس في أينشتاين، سواءً كانوا فيزيائيين أو ملوكًا أو من العامة، ما كان يتحلى به من إنسانية وسخاء وسرعة بديهة، سواءً حين كان ينادي بالسلام العالمي أو يسبر أغوار خفايا الكون.

وحتى الأطفال كانوا يهرعون لرؤية ذلك الفيزيائي الهرم وهو يجوب طرقات برينستون، وكان يكافئهم على حفاوتهم تلك بأن يحرك لهم أذنيه. وكان أينشتاين يحب أن يتجاذب أطراف الحديث مع طفل في الخامسة اعتاد أن يرافق المفكر العظيم في سيره إلى معهد الدراسات المتقدمة، وذات مرة أثناء سيرهما المتأني، انفجر أينشتاين ضحكًا. وعندما سألت أم الصبي ابنها عما كانا يتحدثان فيه أجابها: «سألته هل ذهب إلى الحمام اليوم.» ولما رأى أينشتاين المرأة في قمة الحرج قال لها: «إنني سعيد بأن هناك من يسألني سؤالًا أستطيع الإجابة عليه.»

وكما قال الفيزيائي جيريمي بيرنشتاين Jeremy Bernstein ذات مرة: «ما من أحد تعامل مع أينشتاين بشكل شخصي إلا وغمره نبل هذا الرجل. وما انفك الناس يصفونه بالإنسانية … تلك الصفة البسيطة المحببة التي تميز شخصيته.»٢

وبقدر ما كان أينشتاين دمث الخلق مع الناس بمختلف أطيافهم لا فرق إن كانوا ملوكًا أو أطفالًا أو حتى شحاذين، كان أيضًا شديد العرفان لأسلافه رواد العلم. فمع أن العلماء، مثلهم مثل كل المبدعين، قد تتملكهم الغيرة من منافسيهم التي غالبًا ما تدفعهم للانغماس في صراعات عقيمة، إلا أن أينشتاين لم يستنكف عن أن ينسب جذور أفكاره الرائدة إلى فيزيائيين عظماء مثل إسحق نيوتن وجيمس كليرك ماكسويل، اللذين وضع صورهما في أماكن بارزة على مكتبه وجدران غرفته. والواقع أن أبحاث نيوتن في الميكانيكا والجاذبية وأبحاث ماكسويل في الضوء شكلت الدعامات الرئيسية التي ارتكزت عليها العلوم في مطلع القرن العشرين، بل إن إنجازاتهما كانت تمثل جل المعرفة الفيزيائية في ذلك الوقت.

إن من السهل نسيان أنه قبل نيوتن، لم يكن هناك تفسير لحركة الأجسام على الأرض أو للأجرام في السماء، وأن الكثيرين كانوا يظنون أن مصائر البشر معلقة بأيدي الأرواح والشياطين. وقتها انتشر السحر والشعوذة والخرافات وكانت هي المواضيع المعتادة للنقاشات المحتدمة حتى في أعرق مراكز التعليم الأوروبية، ولم يكن للعلم الذي نعرفه اليوم أي وجود.

وقد جاء في كتابات الفلاسفة الإغريق وعلماء اللاهوت المسيحيين أن الأجسام تتحرك بدافع من مشاعر ورغبات تشبه مشاعر ورغبات البشر، وكان أتباع أرسطو يرون أن الأجسام المتحركة لا بد لها في النهاية أن تبطئ سرعتها ثم تتوقف لأن «الإرهاق» يتملكها، وأن الأجسام تهوي إلى الأسفل لأنها «تشتاق» للتوحد مع الأرض.

غير أن الرجل الذي نظم هذه الفوضى الروحانية كان إلى حد ما على النقيض من أينشتاين في شخصيته وطباعه؛ فأينشتاين كان لا يبخل أبدًا بوقته على الآخرين وميالًا للدعابات المرحة مع الصحفيين، أما نيوتن فاشتهر بانعزاله، وأن به مسًّا من جنون العظمة. كان شديد الشك في الآخرين، وخاض صراعات كثيرة وطويلة مع علماء آخرين حول أفضليته عليهم. واشتهر أيضًا بميله الشديد للصمت حتى إنه حين كان عضوًا في البرلمان البريطاني، فيما بين عامي ١٦٨٩ و١٦٩٠، لم يسجل له أنه تكلم في حضرة المجلس الموقر إلا مرة واحدة حين أحس بتيار هواء بارد فطلب من الحاجب أن يغلق النافذة. ويذكر ريتشارد إس ويستفول Richard S. Westfall مؤرخ السير أن نيوتن كان: «رجلًا معذبًا ذا شخصية عصابية تتأرجح على حافة الانهيار، خاصة حينما أصبح في منتصف العمر.»٣

ولكن في ميدان العلم، كان نيوتن وأينشتاين أستاذين بحق، واشتركا في العديد من الصفات الأساسية؛ فكلاهما كان يستطيع الاستغراق في التفكير العميق لأسابيع وشهور لدرجة الانهيار الجسدي، وكلاهما امتلك القدرة على تخيل خفايا الكون في صورة بسيطة.

وفي عام ١٦٦٦، حين كان نيوتن في الثالثة والعشرين من عمره، نجح في أن يطرد الأرواح التي سكنت عالم أرسطو بأن قدم ميكانيكا جديدة تقوم على «القوى». ووضع نيوتن ثلاثة قوانين للحركة تنص على أن الأجسام تتحرك لأنها تُدْفَع أو تُسْحَب بواسطة قوى يمكن قياسها بدقة والتعبير عنها في معادلات بسيطة. فبدلًا من التفكير في رغبات الأجسام عند حركتها، استطاع نيوتن أن يحدد مسارات كل الأشياء بدءًا من أوراق الأشجار المتساقطة إلى الصواريخ التي تحلق في الجو إلى قذائف المدافع وحتى السحب، عن طريق حساب محصلة القوى التي تؤثر عليها. ولم تكن تلك مجرد مسألة أكاديمية فحسب؛ فهي قد ساعدت في وضع أساس الثورة الصناعية، حيث سَيَّرت قوة المحركات البخارية قاطرات وسفنًا عملاقة مما أسس إمبراطوريات جديدة. وغدا من السهل بناء الجسور والسدود وناطحات السحاب بكل ثقة، بعد أن صار بالإمكان حساب الضغط الواقع على كل قرميدة وكل دعامة. وكان انتصار نظرية القوى لنيوتن مدويًّا وجلب له التكريم والشرف في حياته، حتى إن الشاعر الإنجليزي ألكسندر بوب نظم فيه هذين البيتين:

لطالما توارت الطبيعة بقوانينها في ظلمة الليل،
لكن الرب شاء أن يخلق نيوتن فانبلج الضياء …

وقد طبق نيوتن نظرية القوى على الكون نفسه باقتراح نظرية جديدة للجاذبية. ولهذه النظرية قصة لم يكن نيوتن يملّ من سردها، فبعد أن عاد نيوتن إلى منزل عائلته في وولثروب بلنكولنشاير بعد ما أرغم الطاعون جامعة كامبردج على أن تغلق أبوابها، حدث ذات يوم أن رأى تفاحة تسقط من شجرة فسأل نفسه السؤال الحاسم: إذا كانت التفاحة تسقط من الشجرة، ألا يمكن أن يسقط القمر من السماء؟ وهل يمكن أن تكون قوة الجاذبية المؤثرة على التفاحة في الأرض هي ذاتها التي تتحكم في حركة الأجرام السماوية؟ كان هذا الكلام يعتبر من ضروب الهرطقة، لأنه وفقًا للفكر السائد وقتها، كان يفترض بالكواكب أن تتمركز في أماكن ثابتة تخضع للقوانين السماوية المحكمة خضوعًا تامًّا، على خلاف قوانين الخطأ ثم التوبة التي تحكم الإنس الآثمين.

وفي لحظة تجلٍّ، أدرك نيوتن أنه يستطيع الجمع بين الفيزياء الأرضية والفيزياء السماوية في صورة واحدة؛ فالقوة التي جذبت التفاحة إلى الأرض لا بد أن تكون هي ذاتها التي وصلت إلى القمر وحددت مساره. وقد أخذته الصدفة إلى رؤية جديدة للجاذبية. لقد تخيل نفسه جالسًا على قمة جبل يرمي بحجر، وفكر أنه كلما زادت السرعة التي يرمي بها الحجر، وصل الحجر إلى مكان أبعد. ولكنه عندئذ قفز القفزة الحاسمة: ماذا سيحدث إذا قذف الحجر بسرعة كبيرة جدًّا بحيث لا يسقط على الأرض؟ ثم أدرك أن ذاك الحجر، الذي يقع باستمرار في مجال الجاذبية الأرضية، لن يقع على الأرض، بل سيدور حولها، إلى أن يرجع في النهاية إلى صاحبه فيضربه في مؤخرة رأسه. ثم طبق نيوتن هذه الرؤية الجديدة على القمر بدلًا من الحجر، ورأى أنه في حالة سقوط مستمرة لكنه لا يسقط أبدًا على الأرض لأنه، تمامًا كالحجر، يدور حول الأرض في فلك دائري. أي أن القمر لا يستقر في موقع سماوي ثابت، كما كان رجال الكنيسة يظنون، بل هو كالتفاحة والحجر في حالة دائمة من السقوط الحر بفعل قوة الجاذبية الأرضية. وكان هذا أول تفسير لحركة المجموعة الشمسية.

وبعد ذلك بنحو عقدين، وتحديدًا عام ١٦٨٢، عم الذعر والدهشة أهل لندن بسبب مذنب لامع لاح في سماء المدينة وأضاء ليلها. تتبع نيوتن حركة هذا المذنب بدقة عن طريق تليسكوب عاكس (وهو واحد من اختراعاته)، ووجد أن حركته تتوافق مع معادلاته توافقًا تامًّا إذا افترض أنه يسقط سقوطًا حرًّا متأثرًا بالجاذبية الأرضية. وبمعونة الفلكي الهاوي إدموند هالي Edmund Halley، استطاع التنبؤ بدقة بموعد عودة ذلك المذنب إلى الأرض، (الذي عرف فيما بعد بمذنب هالي)، وكانت هذه هي المرة الأولى التي يُتَنبأ فيها بحركة المذنبات. وقوانين الجاذبية التي استخدمها نيوتن لحساب حركة مذنب هالي وحركة القمر هي ذاتها التي تستخدمها وكالة ناسا اليوم في توجيه مجساتها الفضائية بأعلى مستوى من الدقة في أماكن تتجاوز كوكبي أورانوس ونبتون.

كان نيوتن يرى أن تلك القوى لها تأثير فوري على الأجسام. مثلًا، اعتقد نيوتن أنه لو اختفت الشمس فجأة، فسوف تخرج الأرض على الفور من مدارها وتتجمد في غياهب الفضاء. وسوف يعلم كل من في الكون أن الشمس قد اختفت في نفس اللحظة تمامًا. وهكذا فإنه من الممكن أن يضبط كل سكان الأرض ساعاتهم بحيث تدق في نفس الوقت في أي مكان في الكون؛ فالثانية على الأرض بذات طول الثانية على المريخ أو المشتري. والمكان مطلق كالزمان؛ فالمتر على الأرض بذات طول المتر على المريخ أو المشتري أيضًا؛ فالأمتار لا تطول أو تقصر في أي مكان في الكون، إذن فالثواني والأمتار تتطابق أينما ارتحلنا في الفضاء.

ومما سبق نرى أن نيوتن بنى أفكاره على المفهوم المنطقي الذي ينص على «إطلاق الزمان والمكان». وقد اعتبر نيوتن أن الزمان والمكان يمثلان مرجعية مطلقة نستطيع أن نحكم عن طريقها على حركة كافة الأجسام. فمثلًا إذا كنا على متن قطار، فإننا نعتقد أن القطار يتحرك والأرض ثابتة. لكننا إذا نظرنا إلى مشهد الأشجار تمر أمام نوافذ القطار قد يهيأ لنا أن القطار ثابت والأشجار هي التي تتحرك. ولأن كل ما في القطار يبدو ثابتًا، فقد نحتار أيهما يتحرك بالفعل الأشجار أم القطار؟ رأى نيوتن أن تلك المرجعية المطلقة قادرة على الإجابة عن هذا السؤال.

وقد ظلت قوانين نيوتن أساس علم الفيزياء لنحو قرنين من الزمان. لكن بظهور اختراعات جديدة كالتلغراف والمصباح الكهربي غيرت شكل الحياة في المدن الأوروبية في أواخر القرن التاسع عشر، جاءت دراسة الكهرباء بمفهوم جديد تمامًا في العلم. وقد وضع الفيزيائي الاسكتلندي جيمس كليرك ماكسويل بجامعة كامبريدج في ستينيات القرن التاسع عشر نظرية للضوء تفسر القوى الكهربية والمغناطيسية الغامضة، ولم ترتكز هذه النظرية على مفهوم القوى الذي وضعه نيوتن بل على مفهوم جديد عرف باسم «المجالات». وقد كتب أينشتاين عن مفهوم المجالات قائلًا: «إنه أكثر المفاهيم التي عرفتها الفيزياء عمقًا ونفعًا منذ عهد نيوتن.»٤

ويمكن تصور هذه المجالات عن طريق نثر برادة الحديد على قطعة من الورق، ثم نضع مغناطيسًا تحت الورقة، وحينها سنجد برادة الحديد تتوزع فيما يشبه السحر في نمط يشبه شبكة عنكبوت ذات خطوط تمتد من القطب الشمالي للمغناطيس إلى قطبه الجنوبي. وهذا يعني أن هناك مجالًا مغناطيسيًّا يحيط بأي مغناطيس، وهو عبارة عن مجموعة غير مرئية من خطوط القوة تتخلل الفضاء برمته.

والكهرباء أيضًا تصنع مجالات. ففي المعارض العلمية، يضحك الأطفال حين تنتصب شعورهم عندما يلمسون مصدرًا للكهرباء الساكنة. والسبب وراء انتصاب شعورهم أنها تنتظم على شكل خطوط المجالات الكهربائية غير المرئية المنبعثة من ذلك المصدر.

غير أن هذه المجالات تختلف تمامًا عن القوى التي ذكرها نيوتن. فالقوى حسب كلام نيوتن يكون تأثيرها فوريًّا في الفضاء، ولهذا فإن حدث خلل في جزء من أجزاء الكون يلاحظ على الفور في جميع أجزائه. لكن ماكسويل لاحظ بعبقرية أن التأثيرات الكهربية والمغناطيسية لا تنتقل فوريًّا، كقوى نيوتن، بل تستغرق وقتًا وتتحرك بسرعة محددة. وقد كتب مارتن جولدمان Martin Goldman المؤرخ لسيرة ماكسويل قائلًا: «إن فكرة زمن التأثير المغناطيسي … بدت كما لو أنها برزت لماكسويل فجأة.»٥ على سبيل المثال، بيّن ماكسويل أننا إذا هززنا المغناطيس، فسوف تستغرق البرادة المحيطة به زمنًا قبل أن تتحرك.

تخيل شبكة عنكبوت تهتز في الريح. إذا هزت الريح جزءًا من أجزاء الشبكة فسوف تسبب تموجًا لا يلبث أن يسري في الشبكة بأسرها؛ فالمجالات وشباك العناكب، على خلاف القوى، تسمح بالذبذبات التي تنتقل بسرعة محددة. وبناءً على هذا شرع ماكسويل في حساب سرعة هذه التأثيرات المغناطيسية والكهربية. وفي واحدة من أعظم الإنجازات المبدعة في القرن التاسع عشر، استخدم هذه الفكرة لحل لغز الضوء.

كان ماكسويل يعلم من خلال الأبحاث السابقة لمايكل فاراداي Michael Faraday وآخرين أن المجال المغناطيسي المتحرك قادر على خلق مجال كهربي، والعكس صحيح. والمولدات والمحركات التي تمد عالمنا بالكهرباء هي نتاج مباشر لهذه العلاقة التبادلية. (تستخدم هذه العملية في إضاءة منازلنا، فالمياه الساقطة من السدود تدير عجلة كبيرة، وهذه العجلة تدير مغناطيسًا. ثم يدفع المجال المغناطيسي المتحرك الإلكترونات في كابل، فتنتقل الإلكترونات خلال أحد كابلات الضغط العالي إلى المقابس الموضوعة في جدران غرف منازلنا. ومثال آخر هو المكنسة الكهربائية التي تتدفق فيها الكهرباء من المقبس كي تصنع مجالًا مغناطيسيًّا يدفع شفرات المحرك إلى الدوران).

وتجلت عبقرية ماكسويل في أنه جمع بين التأثيرين. فإذا كان المجال المغناطيسي المتغير قادرًا على خلق مجال كهربائي والعكس صحيح، فربما كانا معًا قادرين على تكوين حركة دورية، تتكون من مجالات كهربية ومجالات مغناطيسية يغذي أحدهما الآخر ويتحول أحدهما إلى الآخر. وسرعان ما أدرك ماكسويل أن هذا النمط الدوري سوف يخلق سلسلة من المجالات الكهربية والمغناطيسية، تتذبذب جميعها في انسجام وتناغم، ويتحول كل منهما إلى الآخر في موجة سرمدية، ثم حسب سرعة هذه الموجة.

وكانت دهشة ماكسويل عظيمة حين اكتشف أن تلك السرعة هي سرعة الضوء، بل إنه قد أكد أيضًا في تصريح ربما يكون الأجرأ في القرن التاسع عشر أن هذه الموجة هي ذاتها الضوء، وبعدها قال لزملائه إن: «النتيجة شبه الأكيدة أن الضوء يتكون من موجات مستعرضة من ذات الوسيط، وهذا يسبب الظاهرة الكهربية والمغناطيسية.»٦ وبعد التفكير العميق في طبيعة الضوء لألف سنة، أدرك العلماء أخيرًا أدق أسراره. فعلى النقيض من قوى نيوتن فورية التأثير، تنتقل هذه المجالات بسرعة محددة هي سرعة الضوء.

جُمِّعت أبحاث ماكسويل في ثمان معادلات تفاضلية جزئية صعبة (تعرف باسم «معادلات ماكسويل»)، وهى المعادلات التي صار واجبًا على أي مهندس كهرباء وأي فيزيائي عاش في المائة وخمسين عامًا الماضية أن يحفظها عن ظهر قلب. (واليوم صارت هناك تي شيرتات تباع في الأسواق كتبت عليها المعادلات الثماني كلها، تسبقها عبارة: «في البداية قال الرب …» وتعقبها عبارة «… ثم انبلج الضياء».)

وبنهاية القرن التاسع عشر، بدت نجاحات تجارب ماكسويل ونيوتن من العظمة بمكان أن أكد بعض الفيزيائيين بثقة أن هذين العالمين قد أجابا عن جميع أسئلة الكون الكبرى. وعندما طلب ماكس بلانك Max Planck (واضع نظرية الكم) رأي مستشاره في رغبته في أن يصبح عالم فيزياء، أجابه بأن يبحث عن مجال آخر لأن مجال الفيزياء قد انتهى البحث فيه تقريبًا، وأنه لم يعد به جديد يمكن أن يكتشف. وكان ممن آمنوا بهذا أيضًا اللورد كيلفن Lord Kelvin الفيزيائي الكبير الذي عاش في القرن التاسع عشر، والذي صرح بأن علم الفيزياء قد اكتمل تقريبًا ولم تعد به إلا «سحابات» قليلة غير ذات أهمية كبرى تلوح في الأفق دون تفسير لها.
لكن القصور في رؤى نيوتن أخذ في الاتضاح عامًا تلو الآخر. فاكتشافات كالتي حققتها ماري كوري Marie Curie بعزلها للراديوم ونشاطه الإشعاعي كانت تهز المجتمع العلمي وتجذب انتباه العامة؛ إذ اكتشفت كوري أن أوقيات قليلة من تلك المادة النادرة المشعة تكفي لإضاءة غرفة مظلمة، وأظهرت أيضًا أن هناك إمكانية لانبعاث كميات غير محدودة من الطاقة من مصدر مجهول داخل الذرة، وهذا يتعارض مع قانون بقاء الطاقة الذي ينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من عدم. أما عن تلك «السحابات» الصغيرة فسوف تتمخض عنها فيما بعد الثورتان العلميتان الكبيرتان في القرن العشرين؛ النظرية النسبية ونظرية الكم.

غير أن الأمر الذي كان مدعاة لكثير من الحيرة أن جميع الجهود التي حاولت دمج ميكانيكا نيوتن مع نظرية ماكسويل باءت بالفشل. إن نظرية ماكسويل أكدت على حقيقة أن الضوء موجة، لكنها فتحت الباب لسؤال آخر: ما الذي يتموج بالضبط؟ كان العلماء يدركون أن الضوء يمكن أن ينتقل في الفراغ (بل إن الضوء المنبعث من النجوم السحيقة قد يسافر ملايين السنين الضوئية في فراغ الفضاء الخارجي)، لكن إذا كان الفراغ يعرف بطبيعته بأنه «العدم»، فقد صارت النظرية متناقضة لأنه لا يوجد في العدم ما يتموج!

حاول أتباع نيوتن أن يجيبوا على هذا السؤال بافتراض أن الضوء يتكون من موجات تتذبذب في «أثير» غير مرئي عبارة عن غاز ساكن يملأ الكون. وهذا الأثير يُفْتَرَض فيه أن يكون المرجعية أو المعيار المطلق الذي تُقاس عليه جميع السرعات. وقد يقول متشكك إنه إذا كانت الأرض تدور حول الشمس، والشمس تدور حول المجرة، فإنه يكون من المستحيل أن نجزم بتحديد المتحرك والساكن. ولكن أتباع نيوتن ردوا على ذلك بأن المجموعة الشمسية هي المتحركة بالنسبة إلى الأثير الساكن، وبهذا تم التحديد.

ولكن شيئًا فشيئًا بدأت تظهر للأثير خصائص غريبة هي إلى السحر أقرب. فمثلًا علم الفيزيائيون أن الموجات تنتقل بشكل أسرع في الوسائط الأكثر كثافة. ولهذا فالذبذبات الصوتية تنتقل في الماء أسرع منها في الهواء. لكن إذا كان الضوء ينتقل بسرعة مذهلة (١٨٦٠٠٠ ميل في الثانية)، فهذا يعني أن الأثير لا بد أنه على درجة كبيرة من الكثافة حتى يستطيع الضوء أن ينتقل فيه. ولكن كيف يمكن هذا إذا كان من المفترض أن الأثير أخف من الهواء؟ وبمرور الوقت ازداد غموض هذه المادة أكثر وأكثر: فهي مادة ساكنة تمامًا، وعديمة الوزن، وغير مرئية، ومنعدمة اللزوجة، لكنها مع ذلك أقوى من الفولاذ وغير قابلة للرصد بأي آلة معروفة.

وبحلول عام ١٩٠٠، ازدادت صعوبة تفسير القصور في ميكانيكا نيوتن، وغدا العالم جاهزًا لثورة، ولكن من يقودها يا ترى؟ فمع أن هناك من العلماء من كانوا عالمين بما في نظرية الأثير من خلل، فإنهم حاولوا على استحياء أن يستروا هذا الخلل بالاستعانة بقوانين نيوتن. لكن أينشتاين الذي لم يكن لديه ما يخسره اجترأ على أن يجهر بأساس المشكلة وهي أن: قوى نيوتن ومجالات ماكسويل لا تتسقان، لذا فعلى إحدى دعامتي العلم أن تسقط. وعندما سقطت إحداهما في النهاية بالفعل، سقط معها أكثر من قرنين من عمر الفيزياء، ونتج عن هذا أن تغيرت نظرتنا للكون وللواقع نفسه. واستطاع أينشتاين أن يسقط فيزياء نيوتن بصورة في غاية البساطة لا يستعصي فهمها على طفل صغير.

جميع الحقوق محفوظة لمؤسسة هنداوي © ٢٠٢٢