يعلم الجميع أن الماء - وبالتالي موجات الماء - تتكون من عدد هائل من الجزيئات. ولذا هل هو أمر غريب حقاً أن تتكون موجات الضوء من عدد هائل من الجسيمات. هي الأخرى، وبالتحديد من الفوتونات؟ نعم، الأمر كذلك. لكن الغرابة تأتي في التفاصيل. وكما نرى فإن نيوتن قد أعلن منذ أكثر من ثلاثمائة سنة مضت أن الضوء يتكون من تيار من الجسيمات ولذا فالفكرة ليست بجديدة. غير أن بعض أقران نيوتن، ومنهم الفيزيائي الهولندي المرموق كريستيان هيوغينز، لم يتفقوا معه في هذا الرأي بل إن هيوغينز أعلن أن الضوء عبارة عن موجات. احتدم الجدل، لكن في النهاية حسمته تجارب عالم الفيزياء الإنكليزي توماس يونغ في أوائل القرن التاسع عشر التي بينت أن نيوتن كان على خطأ. ويوضح الشكل رقم (4-3) أحد نماذج تجارب يونغ – المعروفة بتجربة الشق الطولي المزدوج. كان فينمان مغرماً بالقول إن ميكانيكا الكم يمكن أن تُدْرَك من خلال التفكير بعناية في تطبيقات هذه التجربة الفريدة. وهي جديرة بالمناقشة.. وكما نرى في الشكل رقم (4-3) فإن الضوء يسقط على حاجز رقیق به شقان طوليان وهناك لوح فوتوغرافي يسجل الضوء الذي يمر من الشقين، وتبين المساحات الأكثر سطوعاً على اللوح سقوط ضوء أكثر. وتتلخص التجربة في مقارنة الصور على الألواح الفوتوغرافية والناتجة عندما يكون أحد أو كلا الشقين في الحاجز مفتوحاً ومصدر الضوء مشتعلاً.

الشكل رقم (4-3)

في تجربة الشق المزدوج، يسقط شعاع الضوء على حاجز به شقان طوليان، ويسجل الضوء الذي يمر من خلال الحاجز على لوح فوتوغرافي، عندما يكون أحد الشقين أو كلاهما مفتوحاً.

إذا كان الشق الأيسر مغلقاً والأيمن مفتوحاً، فإن الصورة ستظهر كما في الشكل رقم (4-4). وهو أمر مقبول حيث إن الضوء الذي سيقع على اللوح الفوتوغرافي لا بد من أن يمر خلال الشق المفتوح فقط، ولذلك سيتركز حول الجانب الأيمن من اللوح الفوتوغرافي. وبالمثل إذا أغلقنا الشق الأيمن وتركنا الأيسر مفتوحاً، فإن الصورة ستظهر كما في الشكل رقم (4-5). أما إذا ترك الشقان مفتوحين فإن فكرة نيوتن عن طبيعة الضوء كجسيمات ستؤدي إلى توقع

صورة اللوح الفوتوغرافي كما يظهر في الشكل رقم (4-6)، وهو مزيج من الشكلين رقمي (4-4) و(4-5).

الشكل رقم (4-4)

عندما يكون الشق الأيمن مفتوحاً في هذه التجربة يؤدي إلى الصورة المبنية على اللوح الفوتوغرافي.

الشكل رقم (4-5)

كما في الشكل رقم (4-4) بالضبط، إلا أن الشق الأيسر هو المفتوح هنا.

الشكل رقم (4-6)

فكرة نيوتن عن طبيعة الضوء كجسيمات تؤدي إلى أنه إذا كان الشقان مفتوحين فإن ما سيظهر على اللوح الفوتوغرافي هو مزج الشكلين رقمي (44) و(4-5).

في الواقع، لو فكرت في جسيمات نيوتن للضوء على أنها كريات صغيرة تطلقها في اتجاه الحائط، فإن ما سينفذ منها سيتركز في المنطقتين على امتداد الشقين الطوليين. وفي حالة ما إذا كانت طبيعة الضوء موجية، فإن ذلك سيؤدي إلى توقع مختلف جداً لما سيحدث عندما يكون الشقان مفتوحين، ولنز ما سيحدث.

تصور لوهلة أننا سنتعامل مع موجات الماء بدلاً من موجات الضوء. فسنحصل على نفس النتيجة، غير أن الماء أسهل عندما تفكر في الأمر، فعندما تصطدم موجات الماء بالحاجز فإن موجات دائرية ستنفذ من كل شق طولي، في صورة تشبه كثيراً ما يحدث عند إلقاء حصاة في بركة، كما هو موضح في الشكل رقم (4-7). (ويمكن محاولة إجراء هذه التجربة ببساطة باستخدام حاجز من الورق المقوى به شقان في وعاء به ماء وعندما تتداخل الموجات النافذة . من الشقين بعضها مع بعض سيحدث شيء مثير للاهتمام تماماً. فإذا التفت قمنان الموجتين الواحدة مع الأخرى فإن ارتفاع موجة الماء عند هذه النقطة سيزداد مساوياً المجموع ارتفاع قمتي الموجنين. أما إذا التقى قاعا موجتين، فإن عمق انخفاض الماء عند هذه النقطة سيزداد بنفس الطريقة وفي النهاية، إذا التقت قمة موجة نافذة من أحد الشقين مع قاع موجة نافذة من الشق الآخر فإنهما سيتلاشيان. (في الحقيقة، تكمن هذه الفكرة وراء التخلص من الضجيج في سماعات الرأس – يتم قياس شكل موجة الصوت القادم ثم ينتج موجة أخرى لها نفس الشكل ومضادة" تماماً مما يؤدي إلى تلاشي الصوت غير المرغوب فيه). وفي ما بين هذه التداخلات القصوى - القمم مع القمم، والانخفاضات مع الانخفاضات، والقمم

الشكل رقم (4-7)

موجات الماء الدائرية التي تنفذ من كل شق طولي ويتداخل مع بعضها مسببة زيادة في ارتفاع الموجات في بعض المواقع وانخفاضها في البعض الآخر.

مع الانخفاضات - فإن هناك مجموعة من الزيادات الجزئية في ارتفاع الموجات أو تلاشيها. فإذا شكلت أنت وعدد وافر من رفاقك صفاً من القوارب الصغيرة موازياً للحاجز، وسيعلن كل واحد منكم مدى الاضطراب الذي تسببت فيه موجات الماء عند مرورها، فإن النتيجة ستشبه كثيراً ما يبدو في أقصى يمين الشكل رقم (4-7). وستتحدد مواقع أكبر اضطراباً عندما تتطابق قمم أو قيعان الموجات النافذة من كل شق. أما المناطق التي يقل أو ينعدم فيها الاضطراب فهي تلك التي تنطبق فيها القمم النافذة من أحد الشقين مع القيعان النافذة . من الشق الآخر مما يؤدي إلى تلاشي الموجتين.

و حيث أن اللوح الفوتوغرافي يسجل مدى الاضطراب" الناتج من الضوء، فإن نفس المنطق الخاص بموجات الماء ينطبق على صورة موجات شعاع الضوء مما يؤدي إلى ظهور الصورة كما في الشكل رقم (4-8) عندما يكون الشقان مفتوحين، وتبين أكثر المناطق سطوعاً في الشكل رقم (4-8) تطابق قمم الموجات

أو قيعانها من كل شق. بينما تبين المناطق الداكنة مواقع تطابق القمم من أحد الشقين مع القيعان من الشق الآخر مما يؤدي إلى تلاشيهما، ويعرف تتابع الحزم المضاءة والمظلمة باسم نسق التداخل وتختلف هذه الصورة بشكل واضح عن تلك الموضحة في الشكل رقم (4-6) وهذه بالتالي تجربة قوية للتمييز بين طبيعة الضوء كجسيمات أو كموجات. وقد قام يونغ بإجراء تجربة من هذا النوع وجاءت نتائجها متطابقة مع الشكل رقم (4-8) مما يؤكد الطبيعة الموجية للضوء. انهزمت فكرة نيوتن عن طبيعة الضوء كجسيمات على الرغم من أن ذلك استغرق وقتاً طويلاً قبل أن يقتنع الفيزيائيون به وقد تبع ذلك أن وضع ماكسويل الأسس الرياضية القوية التي دعمت هذه الفكرة عن طبيعة الضوء كموجات.

الشكل رقم (8-4)

إذا كان الضوء موجة، وفتح الشقان، فسيحدث تداخل بين أجزاء من الموجة النافذة من كل شق.

لكن اينشتاين ذلك الرجل الذي قضى على نظرية الجاذبية الموقرة لنيوتن، أنه قد أحيا نموذج نيوتن عن طبيعة الضوء كجسيمات وذلك بإدخال الفوتونات. ومن الطبيعي أننا ما زلنا نواجه نفس السؤال: كيف يمكن أن تكون النظرة التي تعتبر الضوء جسيمات مسؤولة عن نسق التداخل في الشكل رقم (4 8) ولأول وهلة، قد تقترح الآتي. يتكون الماء من جزيئات H2O - جسيمات الماء ومع ذلك، عندما يتدفق الكثير من هذه الجزيئات بعضها مع البعض، فإنها تنتج موجات الماء بخواص التداخل المرافقة لهذه الموجات والتي تظهر في الشكل رقم (4-7). وهكذا، قد يبدو من المنطقي أن نتوقع أن خواص الموجات مثل أنساق التداخل يمكن أن تنتج من طبيعة الضوء كجسيمات في حالة وجود عدد هائل من الفوتونات، جسيمات الضوء.

وفي الواقع، فإن العالم الميكروسكوبي أكثر دقة بكثير. وحتى إذا خفضنا من شدة الضوء من مصدره في الشكل رقم (4-8) أكثر وأكثر إلى الدرجة التي عندها ستنطلق الفوتونات منفردة واحداً تلو الآخر تجاه الحاجز - وليكن المعدل مثلاً فوتوناً كل عشر ثوان - فإن اللوح الفوتوغرافي سيحتفظ بنفس شكله وسيظهر كما في الشكل رقم (4-8) وطالما انتظرنا فترة كافية من الزمن لمرور عدد هائل من هذه الحزم الضوئية المنفصلة من خلال الشقوق الطولية، ولتسجيل كل منها على شكل نقطة في المنطقة التي تصطدم فيها باللوح الفوتوغرافي، فإن هذه النقط ستتراكم لتكون صورة نسق التداخل أي الصورة في الشكل رقم (4-8). وهذا أمر مذهل. كيف يمكن لجسيمات الفوتون المنفردة والتي تمر متعاقبة خلال. الحاجز منفصلة لتصطدم باللوح الفوتوغرافي، كيف لها أن تتأمر لتنتج الحزم المضيئة والحزم المظلمة للموجات المتداخلة؟ ويدلنا المنطق التقليدي أن كل فوتون سيمر من أي من الشقين الأيمن أو الأيسر، ولذا فإنه من المتوقع أن نجد النسق المبين في الشكل رقم (4-6)، لكن ذلك لا . يحدث. وإذا لم تربكك هذه الحقيقة عن الطبيعة، فإن ذلك يعني أنك إما أن تكون قد رأيتها من قبل وأصبحت غير مكترث، أو أن عملية الشرح حتى الآن ليست واضحة بما فيه الكفاية. فإذا كان الأمر هو الحالة الأخيرة، إذن لنشرحها مرة أخرى بوسيلة مختلفة بعض الشيء، فإذا أغلقت الشق الأيسر وأطلقت الفوتونات واحداً تلو الآخر في اتجاه الحاجز، فإن بعضها سيمر والبعض الآخر لن يمر. وستكون الفوتونات التي ستمر صورة على اللوح الفوتوغرافي نقطة بنقطة لتشبه الشكل رقم (4-4). ستجري التجربة مرة أخرى باستخدام لوح فوتوغرافي جديد، فاتحا هذه المرة الشقين معاً. ومن الطبيعي أنك ستعتقد أن ذلك. سيعني فقط زيادة عدد الفوتونات التي ستمر خلال الشقين في الحاجز، لتصطدم باللوح الفوتوغرافي، وبالتالي ستعرض اللوح لضوء كلي أكثر من المرة الأولى. لكنك عندما ستقوم باختبار الصورة الناتجة في ما بعد، فإنك لن تجد فقط أن المواقع التي كانت داكنة في التجربة الأولى قد أصبحت مضيئة الآن، ولكن عكس ما هو متوقع، ستكون هناك مواقع أخرى على اللوح الفوتوغرافي كانت مضيئة في التجربة الأولى أصبحت الآن مظلمة كما في الشكل رقم (4-8). و " بزيادة عدد الفوتونات المنفردة التي تصطدم باللوح الفوتوغرافي فإنك ستقلل من درجة سطوع بعض المناطق. وبطريقة ما فإن جسيمات الفوتون المفردة والمنفصلة مؤقتاً قادرة على أن تلاشي بعضها البعض وتخيل هذا الأمر الغريب: بعض الفوتونات التي كان من الممكن أن تمر خلال الشق الأيمن لتصطدم باللوح في إحدى المناطق المظلمة في الشكل رقم (4-8) لن تتمكن من فعل ذلك عندما يكون الشق الأيسر مفتوحاً (وهو سبب إظلام تلك المنطقة الآن). لكن كيف بالله أن حزمة رقيقة من الضوء تمر خلال أحد الشقوق تتأثر بحالة الشق الآخر مفتوحاً أم لا؟ وكما ذكر فيتمان، إنه أمر غريب وكأنك لو أطلقت بندقية آلية تجاه الحاجز وعندما يكون الشقان ،مفتوحين، فإن الطلقات المنفردة والمستقلة ستلاشي بعضها البعض، تاركة نسقاً من المواقع التي لم تتأثر على سطح الهدف - وهي المواقع التي ستصاب إذا كان هناك ثقب واحد فقط هو المفتوح.

وتبين مثل هذه التجارب أن جسيمات الضوء عند آينشتاين تختلف تماماً عن تلك التي قال بها نيوتن وبشكل ما، فإن الفوتونات - ولو أنها جسيمات – تتضمن كذلك صفات شبيهة بموجات الضوء وحقيقة أن طاقة هذه الجسيمات تتحدد بواسطة صفة من صفات الموجات - التردد - هي أول إشارة إلى وجود اتحاد غريب لكن كل من الظاهرة الكهروضوئية وتجربة الشق المزدوج قد جعلت المشكلة أكثر وضوحاً وتبين الظاهرة الكهروضوئية أن للضوء خواص الجسيمات. أما تجربة الشق المزدوج فقد أوضحت أن للضوء خواص تداخل الموجات، ويبين الاثنان معاً أن للضوء خواص مثل كل من الموجات والجسيمات. ويتطلب العالم الميكروسكوبي أن نحشد حدسنا حول وجود شيء هو إما موجة أو جسيمة، أو احتمال وجود الشيئين معاً. وهنا ظهرت للوجود مقولة فينمان أن لا أحد يفهم ميكانيكا الكم"، ويمكن أن تنطق بكلمات مثل "ثنائية جسيمة - موجة"، ومن الممكن ترجمة هذه الكلمات إلى صيغة رياضية تصف تجارب العالم الحقيقي بدقة مذهلة. لكنه في غاية الصعوبة أن نفهم على مستوى حدسي عميق الصفات المبهرة للعالم المجهري.

مواضيع ذات صلة

النسبية العامة في مواجهة ميكانيكا الكم

المكان والزمان وعين الراصد

الحاجة إلى نظرية جديدة النسبية العامة في مواجهة ميكانيكا الكم

(التأثير في الزمن) تأثير الحركة على مرور الزمن: الساعة الضوئية وتباطؤ الزمن

الحركة خلال الزمكان (Spacetime)

تموجات في نسيج الزمكان: حين لحقت الجاذبية بالضوء (حل التناقض)

مرة أخرى اعوجاج الزمان(حين يتباطأ الزمن تحت ثقل الجاذبية)

التسارع واعوجاج المكان والزمان

عن الاعوجاجات والتموجات( في الزمكان )

أكثر أفكار آينشتاين إشراقاً

(الانشغال بالحياة) تأثير الحركة القريبة من سرعة الضوء على معدل انحلال الميونات وفق النسبية الخاصة

نظرية النسبية