لغز الضوء

كان اليونانيون القدماء، على رغم كل عبقريتهم، مخطئين في فهمهم طبيعة الضوء. فقد كانوا يعتقدون أن الضوء يصدر من عين الرائي الى الشيء المرئي. لعلهم تصوروا أن المبصر يرى الأشياء لأن عينه تشع الضوء، أما الأعمى فلا يرى الأشياء، لأن الضوء لا يشع من عينه، لعطب فيها. وكان اميذوقلس، صاحب النظرية القائلة بأن الأشياء مؤلفة من أربعة عناصر، هي: التراب والماء والهواء والنار، يقول إن أفروديت صنعت عين الإنسان من هذه العناصر الأربعة، وأوقدت نار العين من موقد النار الكونية، لتكون بمثابة فانوس ينقل نار العين الى الخارج، وبذلك تصبح عملية الإبصار ممكنة. وتحدث أفلاطون عن الزواج بين الضوء الداخلي والضوء الخارجي. كما تساءل إقليدس عن السرعة التي تتم فيها عملية الإبصار. فقد أشار الى أننا إذا أغمضنا عيوننا، ثم فتحناها، فحتى النجوم البعيدة ستظهر في الحال في مجال إبصارنا، على رغم أن عملية الإبصار تقطع المسافة كلها بين عيوننا والنجوم وتعود مرة ثانية لنراها. فهو هنا يُقرّ بأن الضوء يصدر عن العين ثم يعود إليها!، لكن لوكريتيوس الروماني لخص أفكار أبيقور على النحو الآتي:"إن ضوء الشمس وحرارتها يتألفان من ذرات دقيقة، عند إطلاقها، تشق طريقها بسرعة خاطفة عبر الفضاء". ويبدو أن هذا التفسير الصحيح كان التفاتة نادرة لم تحظ باهتمام معظم الناس يومذاك. كان هذا أول اختراق لفهم طبيعة الضوء، ظل حيياً ومجهولاً بسبب افتقاره الى تفسير يستند الى التجربة.
لكن أول من صحح الفكرة الإغريقية الخاطئة حول تفسير عملية الإبصار هو العالم العربي الحسن بن الهيثم. طرح ابن الهيثم تفاسير عدة لدعم فرضيته القائلة إن البصر ليس انعكاساً لضوء داخلي يخرج من العين الى الخارج، بل على العكس، يأتي من الخارج الى العين. من أدلته هذه، تجربته حول"الحجرة المعتمة"، أو ما بات يدعى باللغات الأوروبية Camera obscura. وهي تجربة كان لها أعظم الأثر في التطور العلمي في فهم طبيعة الضوء. ولفهم هذه الظاهرة، أدخل غرفة معتمة، وضعْ ستارة سميكة على النافذة. ثم اثقب الستارة ثقباً صغيراً - بحجم رأس القلم الجاف - ليسمح بنفاذ بصيص من الضوء الى الغرفة. عند ذاك سترى صورة بكامل ألوانها من العالم الخارجي مُسقطة بصورة مقلوبة على الجدار المقابل للنافذة، المحجوبة بالستارة. وهذه هي ظاهرة التصوير الفوتوغرافي نفسها. هنا لاحظ ابن الهيثم أن الضوء ينتقل في خطوط مستقيمة، وأنه يتألف من جُسيمات دقيقة تنشأ في الشمس.
وبعد مرور أكثر من خمسمئة عام، شبّه كيبلر العين البشرية بحجرة مظلمة ذات فتحة، هي البؤبؤ. لكن ديكارت كان أول من فسر مشاهدتنا للعالم الخارجي بصورته الحقيقية، أي ليس مقلوباً كما في الحجرة المعتمة، وذلك بعد أن درس عين ثور ذبيح وكشط مؤخرتها ونظر الى الصورة المرتسمة على الشبكية. ثم صرنا نعرف أن المخ هو الذي يصحح وضع الصورة بصورة تلقائية. وهذا مثل ما يحصل على شاشة التلفزيون أيضاً.
وفي 1608 اخترع التلسكوب في هولندا. ثم صنع غاليليو تلسكوبه الخاص الذي بدأ بواسطته علم الفلك الحديث. وتم اختراع المايكروسكوب أيضاً. وفي 1610 اكتشف غاليليو أقمار كوكب المشتري الأربعة الكبار. وفي 1676 يسّرت دراسة حركة هذه الأقمار إمكان قياس سرعة الضوء للمرة الأولى. قام بهذه المهمة العالم الفلكي الهولندي رومر، بعد حساب الأوقات التي يحجب فيها المشتري ضوء هذه الأقمار. ولوحظ أن أوقات الخسوفات تحصل عندما يكون المشتري والأرض في الجهة المعاكسة للشمس. ولاحظ رومر أن الضوء يستغرق أكثر من ثماني دقائق لوصول الأرض من الشمس. وبذلك تكون سرعته حوالى 300 ألف كيلومتر في الثانية.
على أن أهم الإنجازات في بصريات القرن السابع عشر تحققت على يد إسحاق نيوتن، لا سيما نظرية الألوان الطيف الشمسي. لقد برهن نيوتن أن اللون الأبيض الشفاف هو خليط من ألوان يمكن فرزها منه، وذلك بواسطة المنشور الزجاجي الثلاثي السطوح. لكن نيوتن، مثل ابن الهيثم، وقبلهما ابيقور، كان يعتقد أن الضوء عبارة عن جسيمات صغيرة، وليس موجات. وكان من أبرز دعاة النظرية الموجية للضوء، العالم الرياضي السويسري ليونهارد أويلر، والعالم الهولندي هويغنز. ولم يتم التخلي عن نظرية نيوتن الجسيمية إلا بعدما أُثبتت النظرية الموجية بالتجربة، على يد العالم البريطاني الموهوب توماس يونغ 1773 - 1829. وهو أول من ابتكر تجربة الفتحتين أو الشقين الطوليين عند إمرار الضوء من خلالهما. وأثبت أن الضوء لا ينعكس بعد مروره من الشقين على هيئة خطين مماثلين للشقين الطوليين، بل بصورة متداخلة يكون فيها الضوء ساطعاً في بقع، وخافتاً ومعتماً في بقع أخرى.
لكن ثبت أن طبيعة الضوء ليست جسيمية ولا موجية، بل هي جسيمية وموجية في آن معاً. وهنا نشأ ما يسمى بميكانيك الكم quantum mechanics. وهو نوع من علم الفيزياء يبحث في طبيعة الجسيمات ما تحت الذرية وسلوكها، كالإلكترون، والفوتون الضوء يتألف من وحدات تدعى فوتونات. وقد نشأ هذا العلم في عشرينات القرن العشرين، لكن مؤسسه الحقيقي هو العالم الألماني ماكس بلانك، منذ مفتتح القرن العشرين.
أصبح معلوماً الآن أن الضوء ذو طبيعة جُسيمية وموجية في آن واحد. لكن العالم الدنماركي نيلز بور 1885 - 1962"أكد"منذ العشرينات من القرن الماضي، أننا لا نستطيع إثبات الطبيعة الجسيمية والموجية للضوء في آن واحد، بل كل على انفراد. لكن استنتاجه هذا لم يأتِ من تجربة مختبرية، بل مما يسمى بالتجربة الذهنية. وسُمي هذا بالمبدأ التكميلي Complem entarity principle. وأقرّت المؤسسة العلمية الرسمية هذا المبدأ، ولا تزال تقرّ به حتى الآن.
لكن هذا المبدأ تعرض للطعن منذ أوائل تسعينات القرن العشرين. وجاء أول نقض له من خلال تجربة هندية ? يابانية مشتركة. هذه التجربة أثبتت أن الضوء يمكن أن يتصرف كجسيم وموجة في وقت واحد. لكن المؤسسة العلمية الرسمية لم تعترف بها.
كما أظهرت التجارب التي أجراها أساتذة الفيزياء في جامعة راوان أن الضوء يتألف من جسيمات وأمواج، وهو اكتشاف يدحض - مرة أخرى - الاعتقاد السائد منذ ثمانين عاماً. فقد ترأس البروفسور شهريار أفشر، الذي يعمل في معهد بوسطن لدراسات الكتلة المستحثة إشعاعياً، فريقاً من البروفسور إدواردو فلوريس، والبروفسور إيرنست كنوسل، والطالب كيث ماكدونالد، العاملين في جامعة راوان، وأكد هذا الفريق مزاعم أفشر الأصلية، التي تستند الى سلسلة من التجارب كان قد أجراها قبل سنوات عدة.
كان أفشر يمارس عمله النظري والتطبيقي في معهد بوسطن لدراسات الكتلة المستحثة إشعاعياً، كباحث رئيس. ثم بعد ذلك واصل عمله في دائرة الفيزياء في جامعة هارفرد كباحث، حيث استطاع أن يعزز اكتشافاته السابقة قبل أن يذهب الى جامعة راوان.
في 2004 زعم أفشر أنه أجرى تجربة تطعن بالمبدأ التكميلي للعالم الدنماركي نيلز بور. وكانت مهمة فريق راوان التثبت من تجربة أفشر في كثافة ضوئية واطئة جداً. لقد أجرى أفشر وفلوريس وكنوسل تجارب في راوان أكدت مكتشفات أفشر السابقة حول الفوتونات المفردة.
في تجربة الشقين المطورة، هذه، أضيف شعاع ليزر ليضرب شاشة فيها ثقبان صغيران جداً. كجُسيم، سيمر الضوء من أحد هذين الثقبين. أما من خلال جهاز يشتمل على عدسة، فإن الضوء سيرتسم على مكشافين، سيقيس أحدهما الفوتونات فقط، التي مرت من خلال أحد الثقبين. بهذه الطريقة برهن أفشر الطبيعة الجسيمية للضوء، أما كموجة فإن الضوء يمر من خلال الثقبين كليهما ويصنع ما يدعى بالمخطط المتداخل من الخطوط الضوئية الساطعة والخافتة والمعتمة.
ولا بد من الإشارة الى أن تجربة أفشر تنطوي على فكرة ذكية في وضع أسلاك دقيقة ماصة في موضع الخطوط المعتمة للتداخل، حيث لا نتوقع ضوءاً. ثم لاحظ أفشر أن الأسلاك لا تغير كثافة الضوء الكلية، لذلك نجد أن هناك خطوطاً معتمة في موضع الأسلاك. وهذا يقدم برهاناً على أن الضوء يتصرف كموجة أيضاً في التجربة نفسها التي يتصرف فيها كجسيم. وقد نُشر اكتشاف أفشر في مجلة"أسس الفيزياء"، المجلة التي يساهم في تحريرها عدد من العلماء الحائزين جائزة نوبل. وقد صدرت هذه الطبعة في عدد شباط فبراير 2007.
لكن هناك من حاول الطعن في تجارب أفشر، ربما دفاعاً عن المؤسسة العلمية الرسمية، ذات النفوذ الطاغي، التي لا تزال تقر بمبدأ كوبنهاغن التكميلي.
ثم أُخذ رأي جون غريبن، الباحث والمؤلف البريطاني في الفيزياء وعلم الفلك، في تجربة شهريار أفشر، فنُشر جوابه في جريدة ال"اندبندنت"اللندنية في تشرين الأول اكتوبر 2004:
"سيدي: إن تجربة شهريار افشر التي تثبت أن الكيانات الكمية نسبة الى ميكانيك الكم هي جسيم وموجة في وقت معاً مهمة حقاً ومثيرة للانتباه، بيد أن هذه ليست المرة الأولى التي شوهدت فيها الطبيعة الثنائية للفوتونات مباشرة.
في تجربة استنبط فكرتها ديبانكر هوم، من معهد بوزة في كالكوتا، ونُفذت على أيدي يوتاكا ميزوبوتشي ويوشيوكي اوهتاكة في معهد الفوتونات في هاماماتسو في أوائل التسعينات،"ضُبطت"فوتونات منفردة تتصرف كموجة وجسيم في الوقت نفسه".
ثم قرأنا في ورقة أخرى، من إصدار العلماء العاملين في معهد ماكس بلانك في برلين، نُشرت في 29 أيلول سبتمبر 2005، تحت عنوان"هل يمكن الإلكترون أن يكون في موضعين في آن واحد؟"ان تجارب هذا الفريق من العلماء، بالتعاون مع باحثين من معهد كاليفورنيا التكنولوجي في باسادينا أظهرت أن الطبيعة الجسيمية والموجية للإلكترونات في جزيئات النايتروجين أمكن الكشف عنها في آن واحد. وهذا ينسف - مرة أخرى - مبدأ نيلز بور التكميلي، الذي يؤكد أننا لا نستطيع الكشف عن الطبيعة الجسيمية والموجية للإلكترون في وقت معاً، بل عن كل منهما فقط. أو بكلمة أخرى، وكما جاء في الورقة:"هناك حالات تمّت البرهنة عليها من خلال التجربة تظهر فيها المادة كجسيم وموجة معاً". وجاء أيضاً:"في هذه المنطقة الانتقالية، يمكن التوسع في المبدأ التكميلي، والطبيعة الثنائية التكميلية، فيصبحان مبدأ للتعايش، للثنائية المتوازية. إن الطبيعة، في هذه الحال، لها طابع تكافؤ الضدين، لم يكن معترفاً به في السابق". والآن، بعد هذا كله، ما قيمة الطعون في تجربة شهريار أفشر، والتعامي عن التجربة الهندية - اليابانية، إذا كان معهدان علميان من أرفع المعاهد العلمية سمعة في العالم، نعني بهما معهد ماكس بلانك في برلين، ومعهد كاليفورنيا التكنولوجي في باسادينا، قد توصلا الى النتائج نفسها التي تؤكد الطبيعة الجسيمية والموجية للكيانات ما تحت الذرية؟ ولماذا لا تعترف المؤسسة العلمية الرسمية بذلك؟