phpFYhQcG

<h1 class="ql-direction-rtl ql-align-center">إذا كانت الذرات في معظمها فراغًا.. فلماذا لا يمكننا المرور عبر الجدران؟</h1> إذا كان معظم حجم الذرة فراغًا، فكيف تبدو بعض المواد صلبة؟ يفسر مبدآن فيزيائيان ذلك. نرى في بعض الأفلام أبطالًا يخترقون الجدران كما لو كانوا أشباحًا، مثل شخصية فيچن من سلسلة أفلام أفنچرز أو هاري بوتر عند دخوله للرصيف 9¾. يبدو الأمر في تلك الأفلام غاية البساطة. لكن في الواقع، أي محاولة لتجربة ذلك ستنتهي غالبًا بكدمة في أنفك والكثير من علامات الاستفهام. لماذا لا نستطيع المرور عبر الجدران فعليًا؟ فاللبنات الأساسية للمادة هي الذرات، والذرات يتكون معظم حجمها من فراغ. وفي مركز الذرة توجد النواة، وهي صغيرة للغاية، أصغر مئة ألف مرة من حجم الذرة ككل، وتدور الالكترونات حولها بمسافة بعيدة عنها نسبيًا. ومع ذلك، نشعر بأن الأجسام من حولنا صلبة ومتماسكة، كيف؟ السر يكمن في مبدئين أساسيين في الفيزياء يجعلان من المرور عبر المواد الصلبة مستحيلًا: تنافر الشحنات الساكنة، ومبدأ استبعاد باولي. وفقًا لنموذج الفيزياء الكلاسيكية، تتكون الذرة من نواة تضم البروتونات والنيوترونات، وتتحرك حولها الإلكترونات. يؤدي التجاذب بين الشحنة الموجبة للبروتونات والسالبة للإلكترونات إلى بقاء الذرة متماسكة. لكن في ميكانيكا الكم، لا يتحرك الإلكترون في مدار دائري منتظم، بل يُشكّل ما يُعرف بسحابة الاحتمالية: منطقة ضبابية تُعبّر عن الأماكن التي يُحتمل أن يوجد فيها الإلكترون. قال رحيم هشماني طالب الدكتوراه في الفيزياء بجامعة ويسكونسن-ماديسون: «هذه السحابة ليست شيئًا يتحرك بذاته. بل هي توزيع يوضح المواضع الأكثر احتمالًا لوجود الإلكترون». تجعل هذه السحابة من الطبقة الخارجية للذرة غشاءً سالب الشحنة. «إذا حاولت المرور عبر جدار، فإن ذرات جسمي ستواجه ذرات الجدار، وستتنافر معًا بسبب شحناتها المتشابهة». هذا ما يُعرف بالتنافر الكهرومغناطيسي، وهو شبيه بما يحدث عندما تحاول تقريب القطبين المتماثلين لمغناطيس، إذ يتنافر كل منهما مع الآخر. فعند محاولة المرور عبر جدار، تتفاعل إلكترونات ذرات الجسم مع إلكترونات ذرات الجدار من خلال المجالات الكهرومغناطيسية، هذه القوى هي التي تمنع الذرات من التداخل معًا، وهي السبب وراء كون المواد الصلبة تظل متماسكة وتبدو صلبة. لكن ماذا لو دُفعت الذرات لتتقارب أكثر من اللازم؟ هنا يأتي دور مبدأ استبعاد باولي. الذي ينص على أن بعض الجسيمات، وتُعرف بالفرميونات، لا يمكنها أن تتشارك الحالة الطاقية نفسها أو أن توجد في المكان الفيزيائي نفسه في الوقت نفسه. تعد الإلكترونات من الفرميونات، ولهذا يمكن استخدام المصطلحين بالتبادل في هذا السياق. «عندما تبدأ سُحب الإلكترونات بالاقتراب من بعضها، قد تتداخل، أي أن قد يحاولا إلكترونين شَغْل الحيّز الفيزيائي نفسه. لكن وفقًا لمبدأ استبعاد باولي، فإن هذا غير مسموح». كِلا المبدأين –مبدأ استبعاد باولي والتنافر الكهرومغناطيسي– يمنعان الذرات من شَغْل الحيز الفيزيائي نفسه. ودونهما، لم تكن المواد الصلبة لتحافظ على شكلها كما نعرفها. أما في الحالة الغازية والسائلة للمادة، فللذرات حرية حركة أكبر بسبب المساحة الأكبر بين الذرات، لكن القوانين نفسها تظل قائمة: فهي تمنع الذرات من التداخل معًا، وليس من الحركة. مع ذلك، حتى وإن بدا مرور جسم عبر آخر أمرًا مستحيلًا، فإن ميكانيكا الكم تطرح دائمًا احتمالًا مثيرًا: فمن الناحية التقنية، توجد فرصة ضئيلة جدًا لحدوث ذلك. فالجسيمات مثل الإلكترونات لا تسلك سلوك مشابه للكرات الصلبة الصغيرة، بل تُظهر أيضًا سلوكًا موجيًا، ويمكن لهذه الموجات أحيانًا أن تتمدد لتمر عبر الحواجز الفيزيائية. لنفترض أن موجة تمثل جسيمًا اصطدمت بجدار، أي حاجز لا يمتلك الجسيم طاقة كافية لعبوره. في حالة الميكانيكا الكلاسيكية، سيرتد الجسم ببساطة. أما في حالة ميكانيكا الكم فالأمر مختلف، فالموجة لا تتوقف فجأة، بل تبدأ التناقص أُسّيًا عند الاصطدام بالحاجز. ولو كان الجدار رفيعًا بما فيه الكفاية، قد توجد فرصة ضئيلة للموجة أن تعبر إلى الناحية الأخرى. ولما كانت الموجة تُعبّر عن احتمالية وجود الجسيم في مكان ما، فهذا يعني احتمالًا ضئيلًا جدًا أن يظهر الجسيم في الناحية الأخرى من الجدار. تُعرف هذه الظاهرة باسم النفق الكمومي. مع ذلك، فإن احتمال مرور شخص كامل عبر جدار يساوي تقريبًا واحدًا مقسومًا على عشرة مرفوعة للقوة عشرة، مرفوعة بدورها للقوة ثلاثين. وإذا أدخلت هذا الرقم في آلة حاسبة، ستقرب تلقائيًا الرقم إلى صفر. إذ لا توجد آلة على الكوكب قادرة على إظهار نتيجة مختلفة عن الصفر. لتدرك بذلك مدى ضآلة هذه الاحتمالية. «هذا هو أقرب ما يمكن أن يكون للصفر، لكنه ليس صفرًا مطلقًا. الاحتمال ضئيل إلى حد لا يمكن تصوره، لدرجة أنني واثق تمامًا من أنه لن يحدث حتى على مدى عمر الكون».&nbsp;

إذا كانت الذرات في معظمها فراغًا.. فلماذا لا يمكننا المرور عبر الجدران؟

php5849Wt

<h1 class="ql-direction-rtl ql-align-center">أقرب كوكب شبيه بالأرض ربما يكون على بعد 40 سنة ضوئية فقط!</h1> &nbsp;ربما يكون أحد الكواكب في نظام ترابيست-1 الواقع على بُعد 40 سنة ضوئية فقط منا، مُحاطًا بغلاف جوي قادر على دعم الحياة. إذ كشفت المشاهدات الجديدة والمثيرة لتلسكوب جيمس ويب الفضائي مؤشرات توحي بأن الكوكب الخارجي ترابيست-1e، الذي يُماثل كوكب الأرض في حجمه تقريبًا، قد يمتلك غلافًا غازيًا مشابهًا للغلاف الجوي لكوكبنا، ما قد يهيئ الظروف لوجود مياه سائلة على سطحه. مع أن هذه النتائج ما تزال غير مؤكدة وتحتاج إلى مزيد من الدراسات التفصيلية والمتابعة الدقيقة للتحقق من صحتها، فإنها تُعد حتى الآن أقرب ما توصل إليه علماء الفلك في رحلتهم الطويلة للعثور على كوكب أرض ثان. توضح سارة سيجر، عالمة الفلك في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، المؤلفة المشاركة في البحث: «ما يزال كوكب ترابيست-1e أحد أكثر الكواكب إثارةً للاهتمام في المنطقة الصالحة للحياة، هذه النتائج الجديدة تُقربنا خطوةٕ إضافيةً من معرفة طبيعة الحياة على هذا الكوكب». «إن الأدلة التي تستبعد السيناريوهات المشابهة التي حدثت لغلافَي المريخ والزهرة تجعلنا نركز بدقة أكبر على الاحتمالات الأخرى التي ما زال حدوثها ممكنًا». عند البحث عن عوالم صالحة للحياة خارج نظامنا الشمسي، فإن الأرض هي النموذج الذي يبحث عُلماء الفلك عما يشبهه. يعود ذلك إلى أننا في الكون بأكمله لم نجد عالمًا أو كوكبًا معروفًا يصلح للحياة إلا كوكب الأرض، الذي نعلم بما لا يدع مجالًا للشك أن الحياة قد نشأت وازدهرت عليه. إحدى السمات الرئيسة التي يبحث عنها العلماء هي إمكانية وجود مياه سائلة على سطح الكوكب، التي تُعد مادةً ضروريةً جدًا للعمليات الكيميائية الحيوية للكائنات الحية. ذلك يعني أن الخطوة الأولى لإيجاد الكواكب الخارجية الصالحة للحياة، وجود الكوكب على بُعد مناسب عن نجمه المضيف، في موقع لا تكون المياه مُجمدةً فيه أو تحت درجة حرارة منخفضة جدًا أو مُتبخرة بسبب درجة الحرارة العالية. أُعلِن عن اكتشاف النظام النجمي ترابيست-1 عام 2016. وقد أثار هذا الاكتشاف حينها حماسًا واسعًا في الأوساط العلمية لسبب وجيه، إذ يتكون هذا النظام من نجم قزم أحمر تدور حوله سبعة كواكب خارجية ذات طبيعة صخرية -ليست غازيةً أو جليديةً كما هو حال كواكب كثيرة أخرى، والأكثر إثارة للاهتمام أن بعض هذه الكواكب تقع تمامًا ضمن ما يُعرف بالمنطقة الصالحة للسكن أو منطقة المياه السائلة، أي النطاق الذي قد تسمح ظروفه بوجود مياه في حالتها السائلة على السطح. لكن مجرد وجود الكوكب في هذه المنطقة لا يكفي وحده ليجعله صالحًا لاحتضان الحياة. فحتى تبقى المياه مستقرةً في حالتها السائلة -بدل أن تتبخر أو تتصاعد مباشرةً إلى الفضاء كما يحدث في الفراغ عند درجات حرارة مناسبة، لابد من وجود غلاف جوي يحافظ على الضغط والاستقرار الحراري. هنا تبدأ الصعوبة بالنسبة إلى النظام النجمي ترابيست1. فالأقزام الحمراء -ومنها النجم المركزي نفسه لهذا النظام- أبرد بكثير من نظيره النجمي: الشمس. ذلك يجعل المنطقة الصالحة للحياة قريبةً جدًا من النجم نفسه. غير أن هذه الأقزام الحمراء تُعرف أيضًا بنشاطها الشديد، إذ تُطلق توهجات وانفجارات نجميةً متكررةً وقويةً. يُعتقد أن مثل هذا النشاط قد يكون كفيلًا بتجريد الكواكب القريبة من أغلفتها الجوية بمرور الزمن، ما يهدد أي إمكانية لوجود بيئة مستقرة تدعم الماء السائل والحياة. بعد العديد من الدراسات التفصيلية عن الكوكب ترابيست-1d، أحد الكواكب الواقعة في المنطقة الصالحة للحياة في النظام النجمي ترابيست-1، لم يُعثر على أي أثر لغلاف جوي يحيط به. أما الكوكب ترابيست-1e فيتموضع في موقع أكثر ملاءمةً لاحتضان الحياة، إذ يدور على مسافة أبعد قليلًا عن النجم، ما يوفر له ظروفًا أكثر استقرارًا. استخدم فريق من العلماء تليسكوب جيمس ويب الفضائي لدراسة الشعاع النجمي القادم من النجم ترابيست1 في أثناء عبور الكوكب ترابيست1e أمامه. ركزت الدراسة على البحث عن أي تغيرات طفيفة في الضوء قد تكشف ليس فقط عن وجود غلاف جوي بل أيضًا عن مكوناته.جيا آنا جليدن البيانات وتفسير النتائج لمعرفة دلالاتها. جمع الفريق بيانات أربع عمليات عبور للكوكب ترابيست1e أمام النجم، وبدؤوا تحليلها بدقة. مع الأخذ في الحسبان أنها عملية بالغة التعقيد بسبب الحاجة إلى تصحيح أي «تلوث» قد يُحدثه النشاط النجمي، مثل الانفجارات والتوهجات النجمية والانبعاثات المتغيرة. لكن النتائج التي توصلوا إليها كانت غامضةً إلى حد محبط. إذ لم تُقدم سوى أدلة محدودة. بالكاد تكفي لتشجيع الباحثين على مواصلة المتابعة والدراسات المستقبلية. أوضح عالم الفيزياء الفلكية بجامعة القديس أندروز في بريطانيا ريان ماكدونالد: «لقد توصلنا إلى احتمالين رئيسيين لتفسير ما رصدناه. الاحتمال الأكثر إثارةً هو أن الكوكب ترابيست1e يمتلك ما يُسمى غلافًا جويًا ثانويًا، يتكون من غازات ثقيلة مثل النيتروجين. مع ذلك، فإن مشاهداتنا الأولية ما تزال غير كافية للجزم ولا يمكنها استبعاد أن يكون الكوكب مجرد صخرة عارية بلا أي غلاف جوي». إذا تبين أن للكوكب الخارجي غلافًا جويًا بالفعل، فإن جليدن وزملاءها قد قطعوا الخطوات الأولى نحو تحديد مكوناته المحتملة. حين يمر الضوء النجمي عبر الغلاف الجوي لكوكب ما، فإن بعض أطواله الموجية تُمتص ثم يُعاد إصدارها بواسطة الذرات والجزيئات المكوِنة لذلك الغلاف الغازي. بتتبع المناطق المعتمة والساطعة في الطيف، يستطيع العلماء استنتاج ماهية الذرات والجزيئات. أظهرت النتائج احتمالًا ضعيفًا لوجود تركيز مرتفع من ثاني أكسيد الكربون، ما يستبعد السيناريوهات المشابهة لأغلفة كوكبي الزهرة والمريخ. لا تُرجح البيانات وجود غلاف جوي غني بالديوتيريوم -أحد نظائر الهيدروجين- مترافقًا مع نسب عالية من ثاني أكسيد الكربون والميثان. لكن الطيف الرصدي يتوافق بشكل وثيق مع وجود غلاف جوي غني بالنيتروجين الجزيئي، مع كميات ضئيلة من ثاني أكسيد الكربون والميثان. يتضمن هذا الاحتمال قدرًا كبيرًا من الإثارة. إذ إن الغلاف الجوي للأرض يتكون تقريبًا من 78٪ من النيتروجين الجزيئي. فإذا أمكن تأكيد هذه النتائج، فقد يكون ترابيست-1e بالفعل أقرب الكواكب الخارجية شبهًا بالأرض حتى الآن. غير أن هذا الشرط لم يُحسم بعد. لحسن الحظ، فإن المزيد من عمليات الرصد عبر تلسكوب جيمس ويب الفضائي مازالت قيد التنفيذ، ما يمنح الباحثين فرصةً لتأكيد وجود الغلاف الجوي أو استبعاده قريبًا. تقول آنا جليدن: «ما زلنا في المراحل الأولى لاكتشاف مدى روعة الأبحاث التي يمكن لتلسكوب جيمس ويب الفضائي توفيرها. من المذهل أن نتمكن من قياس تفاصيل الضوء النجمي حول كواكب بحجم الأرض تبعد 40 سنةً ضوئية، ومعرفة شكل الحياة المحتملة هناك، إذا كانت ممكنة». «إننا نعيش بالفعل في عصر جديد من الاستكشاف العلمي، ومن المثير للغاية أن نكون جزءًا منه».

محمد اسماعيل

الأعمال

إذا كانت الذرات في معظمها فراغًا.. فلماذا لا يمكننا المرور عبر الجدران؟

أقرب كوكب شبيه بالأرض ربما يكون على بعد 40 سنة ضوئية فقط!