المجال المغناطيسى للأرض

المجال المغناطيسى للأرض

يعمل مرآة عاكسة للرياح الشمسية وإن المجال المغناطيسى الأرضى أكبر من الأرض بكثير ولولا تلك الميزة لانعدمت الحياة على ظهر الأرض والمجال المغناطيسى الأرضى نعمة عظمى فلقد زود الله الأرض بالمجال المغناطيسى ليحميها وهو مجال مغناطيسى قوى جدا فأثناء تشكل الأرض قذفت بكميات هائلة من النيازك الحديدية التى نزلت للأرض واستقرت فى نواة الأرض عبر ملايين السنين .

وتتميز الأرض بوجود مجال مغناطيسى حولها يمتد لأكثر من ( 60000 كم ) فى الفضاء وهو موجود فى منطقة ( المجال المغناطيسى ) والمجال المغناطيسى يمنع الكثير من الجزيئات الخطرة المنبعثة من الشمس والتى تحملها الرياح الشمسية ويردها ولا يسمح لها باختراق جو الأرض وأن الشمس تبث أكثر من ( 1000 مليون كجم ) من المواد الخطرة فى كل ثانية وجزء من هذه المواد يقترب من الأرض ويتبدد على حدود المجال المغناطيسى للأرض فقد زود الله عز وجل الغلاف المغناطيسى للأرض بقدرة غريبة على صد الهجوم الشمسى الفتاك والأجسام عبارة عن أشعة إلكترونية وأشعة من البروتونات وذرات متأينة من معظم العناصر وتسير بسرعة أكبر من سرعة الصوت تبلغ حتى ( 800 كم / ث ) وعندما تصطدم بالمجال المغناطيسى للأرض يقوم بتخفيض سرعة الجسيمات إلى ما دون سرعة الصوت وإلغاء فعاليتها .

وعندما تقترب الرياح الشمسية المحملة بالجسيمات الخطرة والسريعة تتباطأ على حدود المجال المغناطيسى للأرض ويقوم المجال المغناطيسى بطرد الجزء الأكبر ويسمح بدخول جزء ضئيل جدا ولكن هذا الجزء يتفاعل مع ذرات الغلاف الجوى ويثير الذرات وتعود لطبيعتها فتقوم بإصدار الأشعة الضوئية على شكل ( شفق ) وتعتبر الظاهرة من الظواهر المعقدة ولكن جزءا من الجسيمات يقترب حتى يصل لمسافة قريبة من الأرض حيث أنه يتبدد مشكلا ظاهرة الشفق القطبى وهى من أجمل الظواهر الكونية ويعتبر المجال المغناطيسى للأرض الأقوى بين الكواكب ولولا المجال المغناطيسى لانعدمت الحياة على الأرض وإن ظاهرة الشفق من أجمل الظواهر الكونية وأكثرها خدمة للبشرية .

وتعتبر ظاهرة ( الشفق القطبى ) بمثابة تفريغ للطاقة التى تولدها الرياح الشمسية ولقد رصد العلماء صدمة عنيفة بين الرياح الشمسية الفتاكة ( جزيئات مشحونة كهربيا ) وبين المجال المغناطيسى للأرض وانتهت بتغلب المجال المغناطيسى الأرضى على الرياح الشمسية وإن الطيور مزودة بأجهزة خاصة فى عيونها تتصل مع خلايا عصبية فى الدماغ فى منطقة الناصية تمكنها من رؤية خطوط المجال المغناطيسى للأرض بلون أزرق .

وإن جميع الحيوانات تستفيد من المجال المغناطيسى للأرض للتوجه ومعرفة المكان الذى تهاجر أو تعود إليه .

وعندما درس العلماء بقية الكواكب فى النظام الشمسى وجدوا أن معظمها لا يملك مجالا مغناطيسيا فكوكب المريخ ليس له مجال مغناطيسى فهو ليس محميا من الرياح الشمسية القاتلة فهى تقترب منه بسهولة وترتفع درجة الحرارة على سطحه عدة مئات من الدرجات .

إلا أن العلماء يحاولون اكتشاف نوع من الحياة البدائية على سطحه ويعتقد بعض العلماء أن المريخ كان ذات يوم قبل بلايين السنوات مغطى بالماء ولكن بسبب عدم وجود أى وسيلة لصد الهجوم الشمسى فقد أدى ذلك لتبخر الماء وتآكل المريخ بمعدل ( 100 طن ) من مادته كل يوم ولا يزال التآكل مستمرا حتى اليوم فأصبح بلا حياة .

ويتغير اتجاه المجال المغناطيسى للأرض باستمرار فنجد أن الشمال المغناطيسى يتحرك بمعدل

( 15 كم ) فى السنة ويتأرجح خلال آلاف أو ملايين السنين ويغير اتجاهه فيصبح فى الجنوب بدلا من الشمال والظاهرة تؤثر على الكائنات الحية على الأرض ويرجع السبب لدوران الحديد الموجود فى نواة الأرض باستمرار وإن المجال المغناطيسى للأرض فى الماضى كان أقوى كثيرا من اليوم ولا يزال يتناقص باستمرار وقد يأتى اليوم حيث ينعدم المجال المغناطيسى للأرض ويسمح للرياح الشمسية باختراق غلاف الأرض الجوى وملامسة البحار مما يؤدى لرفع درجة حرارتها وتفكك الماء لهيدروجين واكسجين والمزيج يعتبر متفجرا وخطيرا وتحدث انفجارات عنيفة وإن الجانب المواجه للشمس يتعرض لحركة عنيفة وتفاعلات قوية بين المجال المغناطيسى الأرضى والرياح الشمسية ولكن الجانب المظلم من الأرض نجده ساكنا هادئا .

محمد عبد الرحمن سلامة

تنقيح / أسامة ممدوح عبد الرازق مصطفى شرف

14 / 9 / 2016 

المجموعة الشمسية ( Solar System )

المجموعة الشمسية ( Solar System )

إن النظام الشمسى أو المجموعة الشمسية النظام الكوكبى الذى يتكون  من الشمس وجميع ما يدور حولها من أجرام بما فى ذلك الأرض والكواكب الأخرى ويشمل النظام الشمسى أجراما أخرى أصغر حجما وهى الكواكب القزمة والكويكبات والنيازك والمذنبات والشهب وتوجد سحابة رقيقة من الغاز والغبار ( الوسط بين الكوكبى ) كما توجد توابع الكواكب ( الأقمار ) والتى يبلغ عددها أكثر من

( 150 قمرا ) فى النظام الشمسى معظمها تدور حول العمالقة الغازية لكن أكبر جرم فى النظام الشمسى وأهمها الشمس النجم الذى يقع فى مركز النظام ويربطه بجاذبيته فكتلتها تبلغ 99.8 % من كتلة النظام الشمسى بأكمله كما أنها هى التى تشع الضوء والحرارة اللذين يجعلان الحياة على الأرض ممكنة والشمس ليست إلا نجما متوسط الحجم وتأتى بعد الشمس الكواكب حيث توجد فى النظام الشمسى ( 8 ) كواكب مرتبة حسب البعد عن الشمس عطارد والزهرة والأرض والمريخ

( الكواكب الصخرية )  والمشترى وزحل وأورانوس ونبتون ( العمالقة الغازية ) كما توجد العديد من أجرام النظام الشمسى التى يمكن رؤيتها بالعين المجردة غير الشمس والقمر هى عطارد والزهرة والمريخ والمشترى وزحل والمذنبات والنيازك حيث يمكن رؤيتها حين تدخل جو الأرض

وتحترق مكونة الشهب .

إن النظام الشمسى قد ولد قبل ( 4.6 مليارات سنة ) من سحابة ضخمة من الغاز والغبار السديم الشمسى وحسب النظرية بدأ السديم الشمسى بالانهيار على نفسه نتيجة لجاذبيته التى لم يستطع ضغطه الداخلى مقاومتها وقد جذبت معظم مادة السديم الشمسى لمركزه حيث تكونت الشمس فيه وإن جسيمات صغيرة مما بقى من مادة تراكمت مع بعضها البعض مكونة أجساما أكبر فأكبر حتى تحولت للكواكب ال ( 8 ) وما بقى منها تحول للأقمار والكويكبات والمذنبات  والنيازك .

ولقد اعتقد البشر قديما أن الأرض ثابتة وتشكل مركز الكون وتختلف بشكل كامل عن الأجرام المتحركة فى السماء ( الفضاء ) ولقد اعتقد أن الشمس تشكل مركز الكون ولقد طور كوبرنيكوس أول نموذج رياضى حول مركزية الشمس والنظام الشمسى خلفه ولقد قام جاليليو ونيوتن وكبلر فى تطوير المفاهيم الفيزيائية التى أدت للقبول التدريجى بدوران الأرض حول الشمس لأن الكواكب تسير بنفس القوانين الفيزيائية التى تسير الأرض وعن طريق تطور التلسكوبات الأرضية والفضائية من اكتشاف ظواهر جيولوجية كالجبال والفوهات الصدمية وظواهر الأرصاد الجوية الفصلية كالغيوم والعواصف الرملية والقبعات الجليدية على كواكب أخرى غير الأرض .

أحمد على سلامة

تنقيح / أسامة ممدوح عبد الرازق مصطفى شرف

16 / 9 / 2016 

انهيار نجوم الكون

انهيار نجوم الكون

إن نشاط كل نجم فى الكون صراع بين الجاذبية التى تعمل على تقليصه وبين القوة النووية التى تعتبر عاملا على تمدده ونجد أنه فى مرحلة الأقزام البيضاء عندما يعالج النجم سكرات الموت تكون الغلبة للجاذبية إذ أنها تقلص النجم حتى تصبح جسيماته دون الذرية متلاصقة فلا يوجد مجال لأى تفاعل نووى بعد أن أصبح النجم نعشا أبيض للعناصر الثقيلة .

النعش النجمى الأبيض :

إن الأقزام البيضاء هى الخطوة الأخيرة فى التطور النجمى وتحت ظروف الضغط السائد فى قزم أبيض نجد أن التركيب الذرى العادى يتحطم فالإلكترونات قد أرغمت على الخروج من مستويات طاقتها العادية وانضغطت الذرة بحيث اقتربت إلكتروناتها من نواتها وتقلص فراغ الذرة وتقاربت جسيماتها دون الذرية فى حيز ضيق كثيف لدرجة أنها تفقد كثيرا من حرية حركتها ولم تعد للمادة تصرفات الغاز عندما كانت الذرات فى حالتها العادية قبل الانهيار وقبيل تكون القزم الأبيض حيث يوجد غطاء من غازات كثيفة بسمك يبلغ ( 100 كم ) وفوق الغطاء الغازى الغريب يوجد الغلاف الجوى المكون من الهيدروجين المتبقى ضمن تركيب النجم .

ولكن عندما ينهار النجم ويصبح قزما أبيض لأن الجاذبية تؤثر على الغاز كما تؤثر على المادة الصلبة نجد أن قوى الجاذبية الجبارة فى القزم الأبيض تشد ذرات الغاز وجزيئاته فى الغلاف الجوى لأسفل ضاغطة إياها فى طبقة لا يزيد سمكها فى بعض الحالات عن ( 3 م ) .

ويمكن أن يكون الغلاف النجمى الذى يغطى القزم الأبيض أكثف مليون مرة من الغلاف الجوى للأرض ولا يمكن تصور شكل غاز بهذه الكثافة فهو ليس فى حالة سائلة وإنما غاز كثيف للحد الذى يتخذ له شكلا غير مألوف فوق كوكب الأرض إذ أن ما يحدث فى الأجرام الفضائية الثقيلة والمبنية من العناصر الثقيلة هو أن وزن الطبقات الخارجية للأجرام الفضائية يسبب ضغوطا كبيرة على مناطقها الداخلية فإن مقاومة المادة للضغط لا يمكن أن تتجاوز حدا معينا ثم تنهار بعده حيث يضع العامل حدودا معينة للأبعاد الهندسية الممكنة للأجرام الفضائية الباردة نسبيا فإذا زادت عن ذلك حدث انهيار كامل .

إطلالة على الذرة :

إن المادة مكونة من عدد هائل من الذرات المنفصلة وفى حالة الصلابة تكون الذرات أقرب ما تكون بعضها من بعض والذرة مجموعات من الإلكترونات سالبة الشحنة تحيط بالنواة المركزية والتى تحتوى على البروتونات موجبة الشحنة والنيوترونات متعادلة الشحنة وتقاوم القوى الموجودة بين أجزاء الذرة أية محاولة لضغطها للذرات المجاورة إذا كان الضغط عاديا ولذا لا تسبب الضغوط على المواد الصلبة تغيرا فى كثافتها .

غير أن لكل مقاومة حدا تجاوزه يختلف قليلا بإختلاف الذرات فإذا تجاوز الضغط الواقع على الذرة الحد المسموح به تداخلت إلكترونات الذرة الواحدة فى نطاق الذرات الأخرى وهكذا تكبس الذرات كبسا شديدا وعندما تخترق الإلكترونات التابعة لذرة ما جوف ذرة أخرى لا يكون وجود للمجموعات الإلكترونية فى صورها العادية فإن كبس الذرات أو سحقها ينشأ عنه خليط من النوى المجردة التى تتحرك دون قيد مع الإلكترونات المنفصلة المندفعة بغير نظام .

إن المواد الغازية تطلق على المواد القابلة للضغط والتى تميل إلى الانتشار غير المحدد عند زوال الضغط الواقع عليها وإن المادة المسحوقة نوعا من الغاز غير أن هذا النوع من الغاز لا يشبه الغازات المألوفة حيث أن قابليته العالية للضغط يشبه نوعا من المادة الصلبة اللزجة الثقيلة كما أن التركيب الداخلى لهذه الحالة الغريبة للمادة يختلف عن التركيب الداخلى للغازات العادية حيث أنها لا تمثل مجموعة من الذرات أو الجزيئات المنفصلة بل تكون مزيج غير منتظم من جسيمات دون ذرية سريعة الحركة فى مجال ضيق كما أن تماسك الأجسام الصلبة العادية نتيجة لحركة الإلكترونات فى مساراتها حول النواة داخل الذرة وتتوقف مرونة المادة المسحوقة على الجزء الإلكترونى فيها لا للنوى .

فحين تحيد الإلكترونات عن مساراتها المرسومة داخل الذرات المنفصلة بسبب عدم وجود مكان تتحرك فيه تحتفظ بطاقة حركتها وهى التى تسبب النوع الجديد من الغاز ( الغاز الإلكترونى ) .

وإن ضغط الغاز الإلكترونى وبالتالى ضغط المادة المكبوسة يزداد مع الكثافة بمعدل أكبر من الغازات العادية ومن أشهر الأقزام البيضاء المكتشفة ( الشعرى اليمانية - ب ) الشديد الكثافة .

الكارثة الفلكية :

وبعد أن يصل النجم لمرحلة القزم الأبيض فإنه لا يستطيع الاستمرار فى توليد الطاقة لأنه لم يعد يحتوى على وقود ومن ثم يبدأ فى الدخول لمرحلة طويلة وبطيئة من التبريد المستمر حيث يشع فيها طاقته بتقتير شديد فى الفضاء إلى أن يبرد نهائيا ويموت بعد حياة حافلة دامت آلاف الملايين من السنين وقد يموت النجم ميتة عنيفة إذا احتدمت تفاعلاته النووية فحطمت نابض الجاذبية وأحدثت تفكك أجزاء النجم .

والضرورة الانفجارية الغريبة تعنى نهاية النجم إلا جزءا ضئيلا من قلبه الذى يتحول لنجم نيوترونى أو ثقب أسود ويطلق على الانفجار الذى يمثل كارثة فلكية ( السوبرنوفا ) أو المستعر الأعظم ولكن المادة التى انطلقت فى الفضاء الخارجى لن تفنى للأبد بل تعود لتحقن فى مجرة قريبة كبذر كونى جديد فإن إعادة الحقن داخل مجرة معينة عملية مهمة بمظهرها الكيفى ذلك أن المادة التى تبعثرها السوبرنوفا ليس لها فى الحقيقة نفس تركيب المجرة الأصلية فالنجم الشاب كان جحيما من الهيدروجين وفى نهاية صيرورته أصبح يحوى نسبا عالية من نوى العناصر الثقيلة فنجوم السوبرنوفا المتفجرة تقذف وترمى بالعناصر الثقيلة .

والكارثة الفلكية العنيفة تعدل من نوع المادة الموزعة فى المجرة ( غبار ما بين النجوم ) والتى لم تتكثف لتكوين نجوم وليدة .

هكذا تلفظ النجوم مادتها فى الفضاء على أنماط مختلفة وفى مرات متعددة وليست الحركة وحيدة الاتجاه أى من النجم للفضاء الخارجى بل إن النجوم المتفجرة حتى بعد تكوينها تظل تتلقف المادة التى فى المجرة من الغبار الكونى ما بين النجوم وكأنها تنقيه قبل أن يكون جزءا من النجم فى لحظات ميلاد النجم أى أن النجوم والوسط المجرى يغذى بعضها بعضا بصفة مستمرة بواسطة تيار هائل ذى اتجاهين . 

رءوف وصفى

تنقيح / أسامة ممدوح عبد الرازق مصطفى شرف

5 / 11 / 2016

أورانوس يتجلى فى أبهى صوره

أورانوس يتجلى فى أبهى صوره

التقط العلماء صورا جديدة للكوكب السابع فى المجموعة الشمسية ( أورانوس / Uranus ) حيث ظهرت فيها حلقاته متعامدة رأسيا عليه بالنسبة للأرض وهو ما يحدث مرة واحدة كل ( 42 سنة ) وعن طريق تحليل تركيب الحلقات تم التوصل لنتائج مدهشة .

إن صور أورانوس تظهر أن الحلقات أسرع مما كان يعتقد وقد التقطت صورا لأورانوس التقطت فى ( 5 / 2006 ) مع صورا أخرى حيث يعتبر وضع التعامد الرأسى لحلقات أورانوس وضعا مثاليا لرصد سمات معينة للحلقات .

واتضح من الصور أن الحلقة الخارجية تتضمن صخورا يتراوح قطرها بين سنتيمترات وبضعة أمتار حيث بدت فى الصور أكثر إعتاما وهى تغطى بعضها بعضا غير أن الطبقات الأخرى الشفافة والمكونة من الغبار والتراب الكونى بدت شديدة الوضوح مع اندماج مادتها لتبدو كخيط رفيع بالنسبة لخط الرؤية .

وإن اكتشاف خصائص جديدة للحلقات لا يمكن قياسها من زوايا الرؤية الأخرى كوجود موجات فى الحلقات الداخلية وتركيبها وسماكة الطبقات المختلفة ومكوناتها .

وعن طريق استخدام الكاميرا التى تعمل بالأشعة تحت الحمراء فى التقاط بعض الصور لكوكب أورانوس وعن طريق استخدام نظام البصريات التلاؤمى فى المرصد الذى يصحح التشوش الذى يلحق بالصور نتيجة اضطراب الغلاف الجوى للأرض .

وأظهرت الصور الحلقات المتعامدة على كوكب أورانوس كخط لامع يشطر أورانوس الخافت الذى ظهر معتما فى الأشعة تحت الحمراء .

إن التحسينات فى نظام البصريات التلاؤمى سمحت بالتقاط صور فائقة الوضوح لكوكب أورانوس .

وكشفت الصور أن الحلقات الداخلية المكونة من جزيئات غبار متناهية الصغر قد تغيرت بشدة مقارنة بالصور التى التقطتها المركبة الفضائية ( فويجر / 2 ) لكوكب أورانوس قبل ( 21 سنة ) فالحلقات الداخلية تبدو أكثر صفاء ووضوحا .

يعتقد الناس أن حلقات أورانوس لا تتغير لكن الصور تثبت أن حلقات أورانوس تتغير فهناك قوى كثيرة تؤثر فى حبات الغبار المتناهية الصغر فقد وجدت تغيرات فى ترتيب الحلقات .

وكان تلسكوب الفضاء ( هابل ) قد التقط من الفضاء صورا ممتازة لكوكب أورانوس وعن طريق مساعدة معلومات الصور فى اكتشاف المزيد من بعض أقمار أورانوس الصغيرة بل لاكتشاف أقمارا جديدة .

ويوجد قمران صغيران لأورانوس ( كورديليا / أوفيليا ) يقعان قبل وبعد ألمع الحلقات الحلقة

( ابسيلون ) ويساعدان على استقرارها وأنه لا بد من وجود مجموعة من الأقمار الصغيرة التى تثبت حلقات أورانوس الداخلية ال ( 9 ) .

ويمكن رؤية الأقمار الصغيرة لأنها فى الأوضاع الأخرى تختفى وسط وهج الحلقات لكن فى الصور تكاد الحلقات تكون غير مرئية .

وفى لحظة الاعتدال الربيعى لأورانوس ستكون الحلقات متعامدة على أورانوس فى مواجهة الشمس وسيمكن وضع كوكب الأرض العلماء من التقاط صور للحلقات من زاوية حادة .

أورانوس الكوكب رقم ( 9 ) فى المجموعة الشمسية :

1 ) اكتشف فى سنة ( 1781 ) على يد ( هرشل ) .

2 ) أول كوكب يكتشف بمساعدة تلسكوب .

3 ) يستغرق أورانوس ( 84 سنة ) لاكمال دورة واحدة حول الشمس .

4 ) أحد الكواكب الغازية العملاقه كالمشترى وزحل ونبتون .

5 ) أورانوس يختلف عن بقية الكواكب ومعظم أقمار المجموعة الشمسية لأنه يدور مغزليا على جانبه

أيمن حسن

تنقيح / أسامة ممدوح عبد الرازق مصطفى شرف

2 / 10 / 2016 

آينشتاين والنسبية

آينشتاين والنسبية

لقد بدأ اليقين العلمى القديم ينهار على يد العالم ( آلبرت آينشتاين ) حيث وضع النظرية النسبية الخاصة والتى ظهرت عام ( 1905 ) ثم النسبية العامة عام ( 1915 ) ولم يقربها إلا المختصون حتى خرجت لحيز الفروض والمعادلات لتتحول لواقع فهل نحن نرى الحياة على حقيقتها ؟ هل البحار والسماء حقا زرقاء ؟ وهل الرمال فى واقعها صفراء ينساب فيها الماء لينبت أشجارا خضراء ؟ وهل الأشجار خضراء حقا ؟ وهل الماء سائل والجليد صلب ينطلق منه البخار بالتسخين

وهل يوجد ماديات فى الكون ؟

لا ليست هى الحقيقة فالواقع يؤكد أن كل الأشياء لا يعدو إلا أن يكون موجات وطاقات ومجالات فالضوء الأبيض إذا مر خلال منشور زجاجى يتحلل إلى ( 7 ) ألوان هى ألوان الطيف وهى ليست ألوانا ولكنها عبارة عن موجات لا تختلف عن بعضها البعض فى شىء سوى فى طولها أى أنها ذبذبات متفاوتة فى ترددها تتأثر بها الخلايا العصبية فى قاع العين كل منها بطريقة مختلفة وتقوم مراكز البصر فى المخ بترجمتها على شكل ألوان .

أما الحقول التى نراها خضراء فهى ليست خضراء حيث أن أوراق النبات تمتص أمواج الضوء وتعكس موجة واحدة ( اللون الأخضر ) .

وإن الماء والبخار والجليد مادة كيميائية واحدة تتأثر بالعوامل الفيزيائية من حرارة وبرودة فتتقارب جزيئاتها أو تتباعد لتعطى شفافية للماء أو عتامة للثلج فعن طريق أشعة ( X ) لا عن طريق الضوء العادى لرأينا بعضنا البعض هياكل عظمية بلا أعضاء لا دم ولا لحم إنها أحكام نسبية

إن أكثر شىء غير مفهوم فى العالم أنه قابل للفهم فالعقول البشرية القاصرة تعجز عن تجسيد الحقائق فالعالم المرئى ليس العالم الحقيقى وإنما عالم اصطلاحى بحت فلا نرى الأشياء مشوهة عن أصلها وإنما قد لا نراها على الإطلاق وأحيانا يكون ما نراه لا وجود له بالمرة فهناك أمواج أقصر من أن تدركها العين ( الأشعة فوق البنفسجية ) وأمواج أخرى أطول من أن تدركها العين الأشعة تحت الحمراء وتكون النتيجة أن الإنسان لا يراها مع أنها موجودة ويمكن إثباتها باللوح الفوتوجرافى الحساس وعلى العكس نرى أحيانا أشياء لا وجود لها فبعض النجوم المرئية بالتلسكوب فى أعماق السماء ( الفضاء ) تبعد عن الأرض بمقدار ( 500 مليون سنة ضوئية ) أى أن الضوء المنبعث منها يحتاج إلى ( 500 مليون سنة ) ليصل للأرض ويتم رؤيته والسنة الضوئية = سرعة الضوء × 365× 24× 60× 60 فالضوء الملموح ضوء خرج منها منذ

( 500 مليون سنة ضوئية ) فالإنسان لا يراها فى الواقع وإنما يرى ماضيها السحيق الموغل فى القدم وربما تكون قد انفجرت واختفت أو ارتحلت فى أطراف الخلاء الأبدى وخرجت من مجال الرؤية بكل وسائلها فلا يمكن أن يصلنا خبرها إلا بعد مرور ( 500 مليون سنة ) .

فلقد ظل الإنسان يعتقد وأنه على يقين تام من دوران الشمس حول الأرض فليس ذلك صحيحا فمنذ شروق الشمس حتى الغروب حتى جاء جاليليو بتلسكوبه ورأى أن الكواكب تدور حول الشمس .

فعندما خرج ( آينشتاين ) على البشرية بآرائه الثورية وصفه العلماء بالجنون .

مبدأ الشك :

إن الضوء الثابت الوحيد فى الكون وما دون ذلك نسبى ولكن هل للضوء طبيعة موجية أم أن له طبيعة مادية ذرية ؟

لقد أثبتت التجارب التى تمت على حزم من الذرات ثم على حزم من الجزيئات أنها عندما تسقط على بللورة معدنية فإنها تتصرف بنفس الطريقة الموجبة وأن طول موجاتها يمكن حسابه وبهذا بدأت النظرية المادية كلها تنهار وإن الذرة عبارة عن معمار مادى يتألف من نواة تدور حولها الإلكترونات كما تدور الكواكب حول الشمس وأن كل ذرة من العناصر لها وزن ذرى وتم إثباته بالمعادلات الرياضية فما الذى يهدم النظرية المادية ويظهرها فارغة لا شىء فيها سوى طاقة متموجة ويقدم الإثبات بالمعادلات الرياضية والتجارب المعملية .

س : كيف يمكن أن تكون للمادة صفات موجية وللضوء صفات مادية ؟

ج : إن العلم يدرك كميات ولكنه لا يدرك ماهيات فالعلم لا يعرف ما هو الضوء ولا ما هو الإلكترون وإن الأشعة الضوئية هى موجات كهربية مغناطيسية أو فوتونات فما هى الموجات الكهربية المغناطيسية ؟ حركة فى الهواء وما الحركة وما الهواء وما الفوتونات ؟ حزم من الطاقة وما الطاقة ؟ فإن العلم يعرف سلوك الشىء وعلاقاته بالأشياء الأخرى ولكنه لا يستطيع أن يعرف الحقيقة المطلقة فأحكامه إحصائية تقريبية تجرى على مجموعات تتكون من ملايين الذرات أما إذا حاول العلم أن يجرى تجاربه على وحدة أساسية كأن يدرس ذرة بعينها فإنه يصطدم بالاستحالة .

ولكى يثبت ( هيزنبرج ) الاستحالة فإن العالم الذى يحاول أن يشاهد الإلكترون فعليه استخدام الميكروسكوب الذى يكبر ( 100 مليون مرة ) وعلى افتراض حصوله على الميكروسكوب فإن الإلكترون أصغر من موجة الضوء فعليه اختيار موجة قصيرة كأشعة ( X ) ولكن أشعة ( X ) لا تصلح للرؤية فعليه استخدام أشعة الراديوم فإن الميكروسكوب الذى يطلق الفوتون الضوئى ليرى به الإلكترون فإن الفوتون سوف يضرب الإلكترون ويزيحه من مكانه مغيرا سرعته لأن الفوتون عبارة عن شحنة من الطاقة ففى اللحظة التى يسجل فيها مكانه تتغير سرعته وفى اللحظة التى يحاول فيها تسجيل سرعته يتغير مكانه فإن الملاحظة التى يقوم بها تغير من النتيجة المطلوبة بشكل يجعل من المستحيل معرفتها أو حسابها .

لقد استطاع ( هيزنبرج ) أن يفسر الطبيعة المزدوجة للضوء ووضع المعادلات التى تصلح لتفسير الضوء على الأساس المادى والموجى فى نفس الوقت أما الفوتون وحدة الضوء .

المكان :

هل يمكن تقدير وضع أى شىء فى المكان ؟ وهل يمكن الإثبات بشكل مطلق وقاطع بأن جسما من الأجسام يتحرك وجسما آخر ثابت لا يتحرك ؟

فلو أن راكب يجلس على ظهر سفينة فى عرض البحر فلو أردنا تحديد مكانه فنقول أنه على بعد كذا من مدخنة السفينة ولكن التقدير خاطىء لأن المدخنة ليست ثابتة وإنما تتحرك مع السفينة التى تتحرك بأسرها فى البحر إذن نحاول معرفة موضعه بالنسبة للأرض فنقول أنه عند تقاطع خط طول كذا بخط عرض كذا ولكن التقدير خاطىء كذلك لأن الأرض بأسرها تتحرك فى الفضاء حول نفسها وحول الشمس فنحاول تقدير موضعه بالنسبة للشمس ولكن الشمس تتحرك مع مجموعتها الشمسية كلها فى الفضاء حول مركز مدينتها النجمية الكبرى فنحاول معرفة موضعه بالنسبة للمدينة النجمية الكبرى لا فائدة كذلك فالمدينة النجمية جزء من مجرة هائلة ( درب التبانة ) وهى تتحرك حول مركز ( التبانة ) فنحاول معرفة وضعه بالنسبة للتبانة لا فائدة كذلك لأن المجرة تتحرك مع عدد من المجرات فى عالم يتسع ويتمدد نحو المجهول فتوجد استحالة مؤكدة لمعرفة المكان المطلق لأى شىء فى الفضاء فنقدر وضعه النسبى بالنسبة لكذا وكذا .

الحركة :

إذا جلسنا فى قطار حينما يمر بنا قطار آخر قادم فى عكس الاتجاه فإن للوهلة الأولى يختلط علينا الأمر فيخيل أن القطار الذى نركبه واقفا والآخر هو الذى يتحرك فتقدر سرعته خطأ ويخيل أنه يسير بسرعة خاطفة بينما هو فى الحقيقة يسير بمعدل سرعة القطار الذى نركبه أما إذا كان يسير فى نفس اتجاه قطارنا ومواز له فإن القطارين واقفان فإذا أغلقنا نوافذ القطار فإنه ساكن لا يتحرك ولا سبيل للخروج من هذا الخلط إلا بالمقارنة بمرجع ثابت كأن يتم فتح النوافذ والنظر للأشجار أو أعمدة البرق فندرك بالمقارنة أن القطار يتحرك بالنسبة لها فإذا كان القطار واحدا من عدة قطارات فلا سبيل لتمييز حركاتها من سكونها إلا بمغادرتها والنظر إليها من بعيد من على رصيف محطة ثابتة فإن الجسم يتحرك حركة نسبية معينة بالنسبة لجسم آخر .

فإن الكون أثناء الاستغراق فى النوم ليلا قد تضاعف فى الحجم ( 100 مرة ) كل شىء فى الكون بما فى ذلك السرير الذى ينام عليه الإنسان والوسادة والغرفة والنافذة والعمارة والمدينة كلها والشمس والقمر والنجوم بما فى ذلك الجسم البشرى والذرات والجزيئات والأمواج وأجهزة القياس

المعيارية التى نقيس بها فماذا يحدث عند الاستيقاظ من النوم ؟ فلا نلاحظ شيئا ولن نستطيع إدراك أن شيئا ما قد حدث حتى لو تم استخدام كل ما نملك من علوم الرياضيات .

إن الكون قد تضاعف ( 100 مرة ) هذا صحيح ولكن كل شىء قد تضاعف بالنسبة نفسها فى ذات الوقت والنتيجة أن النسب الحجمية العامة تظل محفوظة بين الأشياء بعضها البعض .

ونفس القصة تحدث إذا تضاعفت سرعة الأشياء جميعها أثناء النوم بنفس النسبة فعندما نستيقظ لا ندرك أن شيئا ما قد حدث بسبب عجزنا عن إدراك الحركة المطلقة ولأننا نقف عند إدراك الحركة النسبية وهى ثابتة لأن نسبة كل حركة إلى الحركة بجوارها ثابتة رغم الزيادة المطلقة والعامة للحركة لأننا قد تضاعفت حركاتنا وسرعاتنا ونشاطنا الحيوى .

فيوجد استثناء واحدا يمكن أن ندرك فيه الحركة المطلقة هو اللحظة التى تفقد الحركة انتظامها فتتسارع أو تتباطأ فندرك حينئذ أن القطار الذى نركبه يتحرك عندما يبطىء استعدادا للفرملة أو تغيير الاتجاه فى هذه اللحظة نستطيع أن نجزم أننا نجلس فى مركبة متحركة ونستطيع القول بحركتها المطلقة دون الحاجة لمشاهدتها من رصيف منفصل إلا أن ( آينشتاين ) قد نقض الأمر فى نهاية البحث فإن المكان والزمان حدان لا ينفصلان فى الحركة فماذا قالت النسبية عن الزمان .

الزمان :

كل الساعات المستخدمة على الأرض مضبوطة على النظام الشمسى إلا أن النظام الشمسى ليس النظام الوحيد فى الكون فلا يمكن أن نفرض التقويم الأرضى الزمنى على الكون وتعتبر الكميات التى نقيس بها كميات مطلقة فالإنسان الذى يسكن كوكب ( عطارد ) سوف يجد للزمن دلالات مختلفة إذ أن عطارد يدور حول نفسه فى ( 88 يوم ) ومعنى هذا أن طول اليوم العطاردى = طول السنة العطاردية وهو تقويم يختلف عن تقويم الأرض وإذا كانت الأرض تدور دورة واحدة حول الشمس فى ( 365.25 يوم ) وكان عمر الرجل على الأرض ( 100 سنة ) فإن عمره يكون

( 50 سنة ) إذا كان يعيش فوق المريخ وإن ذلك من أعمق تطبيقات النسبية وأكثرها غموضا فالمتكلم من نيويورك يمكن أن يخاطب متكلم آخر فى لندن من خلال الهاتف ويكون المتكلم الذى فى نيويورك يتحدث فى ساعة الغروب بينما المتكلم الذى فى لندن يتحدث فى منتصف الليل ويمكن الجزم بتواقت الحدثين وحدوثهما معا فى نفس اللحظة والسبب أن الحدثين يحدثان معا على أرض واحدة خاضعة لتقويم واحد ( التقويم الشمسى ) ومن الممكن استنباط فروق التوقيت للنظام الواحد

أما القول بأنه من الممكن أن يحدث على الأرض وعلى كوكبة الجبار أو الشعرى اليمانية أحداث متواقتة فى آن واحد فهذا مستحيل لأنها أنظمة مختلفة لا اتصال بينها والاتصال الوحيد هو الضوء الذى يستغرق آلاف السنين الضوئية لينتقل من واحد من الأنظمة للآخر وحينما نرى أحد النجوم يخيل لنا أننا نراها الأن فنحن فى الحقيقة نراه عن طريق الضوء الذى ارتحل عنه منذ آلاف السنين

لكى يصلنا الأن فالواقع أننا نرى ماضى النجم ويخيل إلينا أنه حاضر النجم فما نراه إشارة إلى ماض لم يعد له وجود وبذلك يصبح الزمان والمكان مقادير متغيرة تتوقف على المجموعة المتحركة التى يشتق منها فإذا حدث وتغيرت حركة الجسم فإنه ينبغى أن يتغير زمنه فإن الساعة الملصقة بجسم متحرك تتأخر فى الوقت كلما زادت سرعة الجسم حتى إذا بلغت سرعة الجسم سرعة الضوء فإن الساعة تتوقف تماما والشخص المصاحب للساعة فى حركتها لا يدرك التغيرات وإنما يدركها الشخص الذى يراقبها من مكان ساكن .

إن التفسير البسيط إن الساعة التى تسير بسرعة الضوء لن يصل إلينا الشعاع القادم منها ولو قدر لمسافر أن يسافر بصاروخ بسرعة ( 167000 ميل / ث ) ليقضى ( 10 سنوات ) فإنه حينما يعود للأرض سوف يكتشف أنه كبر فى العمر ( 5 سنوات ) أما إذا انطلق بسرعة أكبر من سرعة الضوء ولمسافة أكبر كأن يطير فى صاروخ إلى ( سديم أندورميدا ) وبسرعة خرافية بحيث يطوى المسافة التى يقطعها الضوء فى ( مليون سنة ) يطويها ذهابا وإيابا للأرض فى ( 55 سنة ) فماذا يجد ؟

يجد أن الأرض قد مضى عليها فى غيابه ( 3 ملايين سنة ) لقد أبطأ به زمنه وكاد يتوقف بينما ملايين السنين تطوى على الأرض وهو مجرد افتراض نظرى لأنه لا أحد يستطيع أن يتحرك بسرعة الضوء أو يتجاوزها فإنه إذا اخترق حاجز الضوء فسوف يخترق حاجز الزمن فى نفس اللحظة فيبرح الأرض اليوم ليعود إليها بالأمس بدلا من الغد وسوف يتحول لمسافر فى الزمن الماضى فماذا يحدث لكتلة جسم ينطلق بسرعة عالية تقترب من سرعة الضوء .

الكتلة :

كلما زادت سرعة الجسم زادت كتلته حتى إذا بلغت سرعة الضوء فإن كتلته تصبح نهائية وتصبح مقاومته للحركة لانهائية ويتوقف الجسم والمعادلات التى تثبت ذلك ولقد أثبتت التجارب أن القذائف المشعة التى تطلقها مادة الراديوم واليورانيوم وهى رقائق متناهية الصغر تنطلق بسرعة قريبة من سرعة الضوء أثبتت التجارب أن كتلة الرقائق تزداد بما يتفق مع حسابات ( آينشتاين ) وما دام الجسم يكتسب مزيدا من الكتلة عندما يكتسب مزيدا من الحركة وأن الحركة شكل من أشكال الطاقة فإن الجسم حينما يكتسب طاقة يكتسب فى نفس الوقت كتلة أى أن الطاقة يمكن أن تتحول إلى كتلة والكتلة يمكن أن تتحول إلى طاقة ولقد قدم ( آينشتاين ) المعادلة التى صنعت القنبلة الذرية :

( E = m c2 ) الطاقة = حاصل ضرب الكتلة × مربع سرعة الضوء

إن الطاقة الناجمة عن تفجير جرام واحد كمية هائلة جدا يمكن أن تدمر مدينة كاملة أو تزود باخرة بالوقود لمدة عام كامل والمعادلة تفسر السر فى أن العدد الهائل من النجوم ما زال يشع نورا وطاقة وحرارة ولم تظهر عليه مظاهر الفناء على الرغم من مضى ( 13.73 مليار عام ) على الانفجار الكونى العظيم .

لقد أثبت ( آينشتاين ) نسبية الزمان والمكان والكتلة ثم كشف عن الكتلة فإذا بها خواء ( الحركة ) فالعالم فى الواقع خواء لا شىء فيه عبارة عن طاقات وأمواج ومجالات فالمادة ليست مادة إنها حركة .

المجال :

يوجد نسيج واحد من المكان والزمان يخلق فيه مجالا من حوله أى أنه يحدث تغيرات فى الخواص القياسية للمكان والزمان ( الزمكان ) فيحنى الفضاء حوله كما تنحنى خطوط القوى حول المغناطيس فالتغيرات هى المجال وكل ذرة تقع فى المجال تعدل سيرها واتجاهها وفقا له كما تتراص برادة الحديد وفقا لخطوط المجال حول المغناطيس وعلى هذا الأساس تدور الأرض حول الشمس لا بسبب قوة جذب الشمس ولكن بسبب خصائص المجال الذى تخلقه الشمس حولها فإن الأرض لا تجد طريقا تسير فيه سوى الطريق الدائرى وكل الكواكب محكومة فى طرقها بخطوط دائرية وهى انحناءات المجال حول الأجسام الأكبر منها والأجسام قاصرة عن أن تتعدى مجالاتها المرسومة لها .

إن النظرية النسبية إن كل جسم يوجد من الزمان والمكان يخلق حوله مجالا وأن الفضاء حول الجسم يتحدب وينحنى بمقتضى خطوط المجال وكان آخر ما قدمه ( آينشتاين ) للعلم سلسلة من المعادلات حاول فيها أن يضم قوانين الذرة إلى قوانين النسبية بحثا عن المجال وكان يدرك أن العلم عاجز عن رؤية البداية والنهاية قاصر عن فهم ماهية الأشياء وكان يعتقد بانسجام الوجود كله فى وحدة واحدة ويوجد ( 4 قوى ) أدت لخلق الكون ( القوتان النوويتان الضعيفة والقوية والجاذبية والكهرومغناطيسية ) وحاول أن يوحدها فى قوة واحدة خلقت الكون العظيم وكان يبحث عن مجال موحد يضم القوى ال ( 4 ) وأن القوى ال ( 4 ) ما هى إلا مظاهر مختلفة لقوة واحدة تسببت فى حدوث الانفجار العظيم . أ . د / حسنية موسى تنقيح / أسامة ممدوح عبد الرازق مصطفى شرف 

بلايين الكواكب الصخرية قى مجرة الطريق اللبنى ( Milky Way )

بلايين الكواكب الصخرية قى مجرة الطريق اللبنى ( Milky Way )

تنبأت دراسة فلكية بأمكانية وجود بلايين الكواكب الصخرية فى مجرة ( درب التبانة / اللبانة ) ذات السطوح الصخرية فى الجزء الخارجى من مجرة الطريق اللبنى .

ويعتقد علماء الفلك أن الكواكب الصخرية قد تصلح للحياة عليها وأنه يعتقد أن الكواكب الشبيهة بالأرض متوفرة بكثرة حول النجوم الشبيهة بالشمس .

وقد استخدمت ( NASA ) التلسكوب ( سبيتزر ) للنظر للمجموعات من النجوم الشبيهة بالشمس وحجمها يقارب حجم الأرض وقد وجد الغبار والتراب الكونيين حولها ويعتقد أن يكون الغبار والتراب الكونى نتاج للشظايا الصخرية التى اصطدمت بعضها لتكون الكواكب .

أسامة ممدوح عبد الرازق مصطفى شرف

30 / 9 / 2016 

تبسيط نظرية الكم

تبسيط نظرية الكم

توفر فيزياء الكم قاعدة صلبة لعلوم ( ق / 20 ) وهى نظرية ذات أهمية عملية تفوق الأهمية العملية لنظرية النسبية العامة وتشكل قاعدة دعم سواء للكيمياء أم البيولوجيا الجزيئية ولكن فيزياء الكم تستند لمفهوم غريب غير مفهوم .

فيزياء الكم عبارة عن نظرية عملية ذات تطبيقات عديدة تمس الحياة اليومية عن قرب وهى تكمن وراء التطورات الحديثة فى الكمبيوترات والاتصالات والهندسة الوراثية فيوجد فى قلب فيزياء الكم مجموعة من المفاهيم التى تبلغ من الشذوذ حدا يستحيل معه فهمها عن طريق الكلمات المستعملة يوميا .

وإن ميكانيكا الكم يتعامل مع الفرصة والاحتمال وعدم اليقين ومع عالم تكون الجسيمات فيه عبارة عن موجات والموجات عبارة عن جسيمات دون ذرية حيث يغير فعل مراقبة نظام ما وإن غموض نظرية الكم لا بد من محاولة لفهمها .

فى بداية ( ق / 20 ) اتضح لبلانك أنه يمكن تفسير طبيعة طيف الاشعاع الذى يبثه جسم حار

( منحنى الجسم الأسود ) إذا ما اعتبر الاشعاع مؤلفا من وحدات صغيرة أو جسيمات كما تتألف المادة من ذرات والوحدات ( كموما ) جمع كم .

إن للإشعاع المنطلق من جسم حار شكل جسم أسود مميز دوما يكون فيه قليل جدا من الإشعاع طويل الموجات وقليل جدا من الاشعاع قصير الموجات مع ذروة فى الكثافة الاشعاعية فى نقطة ما بينهما وتنتقل الذروة باتجاه أطوال الموجات الأقصر عندما يصبح الجسم أكثر سخونة من الأشعة تحت الحمراء إلى الحمراء فالزرقاء فما فوق البنفسجية وهكذا .

وكانت نظرية الموجات الكلاسيكية التى عاملت الموجات الكهرومغناطيسية بنفس الطريقة التى يمكن بها معاملة اهتزازات وتر الكمان وقد تنبأ فيزيائيو ( ق / 19 ) بأنه لا بد من وجود كمية هائلة من الاشعاعات التى تبث على موجات قصيرة جدا أى فوق البنفسجية واستنادا للنظرية الكلاسيكية فإن الطاقة التى تبث على أية موجة تتناسب طردا مع التردد وعكسا مع طول الموجه فعندما يتجه طول الموجة إلى قيمة ( 0 ) تميل الطاقة إلى ما لا نهاية ( الكارثة فوق البنفسجية )

وقد حلت الكارثة فوق البنفسجية من خلال مقولة ( بلانك ) بأنه لا يمكن لاشعاع كالضوء أن يبث إلا فى رزم أكبر من حجم معين وبدلا من انتشار الطاقة المتوافرة بشكل مستمر لأنها مؤلفة من عدد لا متناه من الفوتونات ) ولقد وصفت نظرية بلانك الجديدة احصائيات الطاقة الكهرومغناطيسية على أنها مقسمة لعدد محدد من الفوتونات ويتطابق الوصف الاحصائى مع منحنى الجسم الأسود الملاحظ وإن الطاقة ( E ) لكل فوتون من الاشعاع ترتبط بتردده ت ( F ) بموجب المعادلة :

( ط  =  ث ت ) حيث ( ث / H ) ( ثابت بلانك ) .

فكيف يمكن لثابت بلانك أن يحل ( الكارثة فوق البنفسجية ) فالطاقة اللازمة لبث كم واحد من الاشعاع فى الترددات العالية جدا تكون كبيرة لأن التردد كبير ولا تمتلك كل الطاقة إلا ما صدر بث قليل أما فى الترددات المنخفضة جدا فيوجد الكثير من الإلكترونات التى تمتلك ما يكفى من الطاقة لبث الكموم الملائمة المنخفضة الطاقة ولكن كلا من الكموم يحمل القليل من الطاقة التى لن تصل إلى الكثير حتى ولو جمعت معا وفى منتصف منحنى الجسم الأسود حيث يوجد عدد معتدل من الإلكترونات التى لكل منها ما يكفى من الطاقة لبث كموم كثيرة باعتدال تكون ذروة إشعاع .

كميات محددة من الطاقة :

تفسر الاحصائيات المفصلة تفسيرا تاما ونظرا لاعتقاد الفيزيائيين فى مطلع ( ق / 20 ) أن الإشعاع الكهرومغناطيسى عبارة عن ظاهرة موجات وإن ( التكمية ) على علاقة ببنية الذرات وليس بطبيعة الموجات الكهرومغناطيسية وإن الذرات لا تبث إلا كميات معينة من الإشعاع على رغم وجود كميات بينية متوسطة .

وكان لنظرية الكم أن تساهم فى فهم بنية الذرات فالذرة تتألف من نواة مشحونة ايجابيا محاطة بسحابه من الإلكترونات المشحونة سلبا ولأن الشحنات المتعاكسة تتجاذب فلماذا لا تسقط الإلكترونات السلبية على النواة الايجابية ؟

فلو سقطت الإلكترونات لتابعت بث الطاقة باستمرار أما استنادا لنظرية الكم فإنه لا يمكن للإلكترونات أن تشغل إلا مستويات طاقة معينة محددة بدقة حول النواة ويمكن للإلكترون أن يقفز من مستوى طاقة أعلى إلى مستوى طاقة أدنى والعكس وأن يبث أو يمتص الكم المناسب من الطاقة

ولكنه لا يستطيع أبدا القفز إلى حالة متوسطة لأنه ليست هنالك حالات بينية متوسطة وتبقى الإلكترونات متباعدة أحدها عن الآخر مع السماح لعدد محدود منها على كل مستوى من مستويات الطاقة ولا تستطيع الإلكترونات أن تسقط بإتجاه النواة .

ولو جاءت الطاقة نفسها ضوءا كانت أم أى إشعاع كهرومغناطيسى آخر بأية كمية من الطاقة بدلا من أن تكون متكمية ولكن ( ألبرت آينشتاين ) قدم اقتراحا أكثر إثارة ففى عام ( 1905 ) أشار آينشتين إلى أن الطريقة التى تطرد بها الإلكترونات من سطح معدنى بواسطة الإشعاع ( التأثير الكهروضوئى ) لا يمكن تفسيرها إلا إذا كان الضوء نفسه مكمما أى على شكل تيار من الجسيمات

( الضوئيات / الفوتونات ) وكانت الخواص المطلوبة من الفوتونات لتفسير التأثير الكهروضوئى  هى نفس الخواص المطلوبة لتفسير منحنى الجسم الأسود مع عدم السماح للطاقة الكهرومغناطيسية أن توجد إلا بكتل صغيرة ويعتمد حجم كل كتلة من الضوء على طول الموجة ولكن يوجد أطوال موجات معينة تكون فيها الطاقة التى يحملها كل فوتون ضوئى هى نفسها .

وكان هذا العمل الذى تلقى عليه ( آينشتاين ) جائزة نوبل للفيزياء عام ( 1921 ) مما أدخل علم الفيزياء فى إرباك إذ يوجد ثروة من الأدلة التى تؤكد أن الضوء إشعاع كهرومغناطيسى عبارة عن ظاهرة موجية ولقد أثبت العلماء بواسطة حزمة الضوء التى تمر من خلال شقين ضيقين أن موجات الضوء تنتج نمط تداخل مماثل للتداخل الناجم عن مجموعتين من التموجات المتحركة عبر سطح بركة ماء ولقد برهنت تجربة الشقين على أن الضوء عبارة عن موجة بينما برهن التأثير الكهروضوئى أن الضوء عبارة عن تيار من الجسيمات .

تزايد الغموض : الموجات الإلكترونية :

عثر طومسون فى عام ( 1897 ) على جسيمات مشحونة سلبا وذات كتلة تبلغ ( 1 / 11837 ) من كتلة ذرة الهيدروجين واكتشف طومسون الإلكترون وعرفه على أنه من مكونات الذرة وتلقى طومسون جائزة نوبل للفيزياء عام ( 1906 ) لتعرفه على الإلكترون كجسيم قائم بذاته .

وعن طريق تكييف وصف آينشتاين الضوئى للضوء المتماشى مع الإلكترونات وكان بالامكان الدوران حول المعادلات التى أظهرت أن موجات الضوء تتصرف كجسيمات لوصف جسيمات إلكترونية تتصرف كموجات وإن لكل إلكترون موجة تترافق معه بطريقة ما وتوجه حركته وأن مستويات الطاقة المسموح بها للإلكترون فى الذرة تتطابق مع مدارات فيها عدد محدد من أطوال الموجات مثبتة حول النواة .

وعن طريق دراسة الطريقة التى تحرف فيها ذرات الشبكة البللورية حزم الإلكترونات وأظهرت الدراسات أن الإلكترونات تنعرج فى ظل الشروط المناسبة بواسطة الشبكة البللورية وتنتج أنماط تداخل وأثبتت التجارب أن الإلكترونات عبارة عن موجات وإن الإلكترونات عبارة عن جسيمات وموجات فالإلكترونات تتصرف كجسيمات وكموجات وكل إلكترون يملك زخما ( P ) له طول موجة

ويرتبط الاثنان فيما بينهما بموجب معادلة رياضية معينة .

وليست الطبيعة المزدوجة للجسيمات والموجات إلا أمرا ظاهريا على المستوى الذرى وتحت الذرى ولكن الازدواجية أمر مهم بالنسبة للإلكترونات لأن للإلكترون كتلة صغيرة .

وازدواجية الموجة الجسيم هى ما يشكل النقطة المركزية فى غموض عالم الكم وهى ترتبط عن قرب بمفهوم عدم يقين الكم أى أنه لا يمكن معرفة موقع وزخم أى جسيم ما بدقة مطلقة فى أى وقت كان .

إن الموجة هى انتشار شىء ما وتنتشر تموجات سطح البركة لمسافة بعيدة ومن الصعب تحديد أين يبدأ خيط التموج ( رتل الموجات ) وأين ينتهى أما الجسيم فعبارة عن شىء محدد يشغل مكانا محددا فى زمن محدد فعن طريق النظر للإلكترون الضوئى أو الفوتون على أنه موجة وجسيم فى وقت واحد .

إن الصورة المناسبة صورة ( رزمة ) صغيرة من الموجات رتل موجات قصيرة لا يمتد إلا إلى مسافة قصيرة تكاد تطابق حجم الجسيم ومن السهل وصف الرزم الموجية رياضيا ولكن طريقة خلق رزمة موجية محددة الموقع فى الفضاء تكون من خلال السماح لموجات عديدة من أطوال مختلفة بالتداخل فيما بينها وكلما كانت الرزمة الموجية أصغر كانت الحاجة أكبر إلى تنوع من الموجات ذات الأطوال الموجية المختلفة اللازمة للإبقاء عليها محصورة بقوة .

ويتطابق الانتشار لأطوال الموجات مع الانتشار فى الزخم نظرا لأن كل طول موجة مفرد زخمه المحدد المرافق له بحسب معادلة رياضية فكلما ازدادت دقة تحديد موقع الرزمة الموجية = جسيم نقصت دقة تحديد زخمها .

عدم يقين الكم : آينشتاين ينكر نفسه :

يمكن معرفة وجود جسيم ما أو المكان الذى يتوجه إليه الجسيم فزخم إلكترون ما بدقة فقد أطلق من الرزمة الموجية وإن له طول موجة وحيد وتمتد الموجة الوحيدة ذات التردد النقى إلى ما لا نهاية ولن يكون للإلكترون موقع فريد فعن طريق قياس موقع الإلكترون فيجبر على حالة تعدد لأطوال الموجات بزخم غير مؤكد وعند هذا المستوى تعتمد نفس طبيعة الواقع على نوع القياسات المجراه

وإن عدم يقين الكم يشير لصعوبة عملية فى قياس الأشياء الصغيرة كالإلكترونات وما زال عدم اليقين يوصف خطأ بكلمات تدور حول الطريقة التى تجرى فيها القياسات ولمراقبة الإلكترون يجب طرد الإشعاع منه وأن مجرد حث الإلكترون بهذه الطريقة سيغير موقعه وزخمه ولكنه يخطىء الهدف المراد ولقد أظهر ( هايزنبرج ) الذى كان أول من قدر أهمية عدم يقين الكم حق قدره فإن عدم اليقين يمثل مظهرا أساسيا من المظاهر الطبيعية للإلكترون أو لأى جسيم آخر وفى عالم الكم لا تمتلك الأجسام خاصيتين منفصلتين احداهما الزخم والأخرى الموقع بل هى تحمل خليطا من الزخم والموقع خليط لا يمكن فصله أبدا وليس نتيجة للحدوديات التجريبية وإن فكرة الزخم والموقع وحتى فكرة الجسيم ذاتها إنما تنبع من الخبرة بالعالم الميكروسكوبى وهى لا تعمل على المستوى الميكروسكوبى .

وعن طريق تفسير عالم الكم ( تفسير كوبنهاجن ) حيث يمكن فهم مظاهره الأساسية بشكل أفضل من خلال ما يحصل عندما يقوم العالم بمراقبة تجريبية .

1 ) إن مجرد مراقبة الشىء تؤدى إلى تغييره فنحن جزء من أية تجربة كم وليست هنالك ساعة ألية تتكتك خلف الستار بالطريقة نفسها .

2 ) إن كل ما نستطيع معرفته ليس إلا نتائج التجارب ويمكن النظر إلى إلكترون ما فنجده فى الموقع ( أ ) ثم ننظر فنجده فى الموقع ( ب ) وتتكهن بأنه انتقل من ( أ ) : ( ب ) ولكن لا نستطيع معرفة كيف فعل ذلك .

وعن طريق التعلم من التجارب هو وجود احتمال محدد أوعن طريق عدة احتمالات لأجوبة مختلفة ولأن هناك عدد لا نهائى من الإلكترونات فى أنظمة الحياة اليومية كجهاز التليفزيون فإنه يمكن تطبيق الاحتمالات بثقة كبيرة ومن بين كل مليون من الإلكترونات المتحدة بطريقة ما بواسطة حقل كهرومغناطيسى تكون هناك نسبة معينة تتجه فى منحنى معين وطالما انتقل عدد كاف من الإلكترونات بطريقة متوقعة للموقع الصحيح على شاشة التلفزيون فلا نهتم بكيفية وصولها لهناك أو بما حدث لبقية الإلكترونات المنتهية فى مواقع أخرى .

أما خلف الاعتبارات العملية فإن فيزياء الكم لا تتعامل إلا مع الاحتمالات وليس مع الأمور المؤكدة وهو الاكتشاف الذى قاد ( آينشتاين ) لإنكار ملكية الاكتشاف ومن الواضح أن المظاهر الغريبة لفيزياء الكم التى وجدها آينشتاين غير مقنعة وقابلة للاعتراض عليها لا تظهر فى أعمال جهاز التلفزيون بل فى الحالات التى تكون الاحتمالات فيها موزعة بتساو أكبر .

ولكن كل الاختبارات المطبقة تنبىء بأن جسيمات وموجات على المستوى ما تحت الذرى عبارة عن مظهرين لواقع واحد وأن نتيجة أى تفاعل إنما تعتمد على الفرصة وأن الطريقة التى نقيس بها الأشياء تحدد الأجوبة التى نحصل عليها وليست هنالك ساعة آلية تقود بقسوة أعمال الكون من الانفجار الأعظم وحتى نهاية الزمن .

استعمال نظرية الكم فى الحياة اليومية :

إن نظرية الكم هى التى تشرح سواء عملية الانشطار أو الاندماج النووى وإن معادلة ( آينشتاين )

الطاقة = الكتلة × مربع سرعة الضوء حيث الكتلة قد تتحول إلى طاقة ولكن فيزياء الكم هى التى تخبر كيف يتم تحولها وأنه يمكن جعل الإلكترونات تقفز فى الذرة من مستوى طاقة إلى آخر مما يشكل عاملا رئيسيا فى نظرية الكم وهو مفتاح تطوير الليزر حيث يتم إقناع الإلكترونات الموجودة على درجة طاقة متساوية فى ذرات عديدة مختلفة بالقيام بقفزة هابطة معا فينحنى كل إلكترون عن فوتون من نفس التردد النقى وهكذا تتجمع الفوتونات فى حزمة من ضوء الليزر .

ويعتمد جهاز تشغيل القرص المضغوط المدمج على فيزياء الكم فى عمله وبغض النظر عن الليزر الذى يمسح القرص فإن تأثيرات الكم تشكل نقطة أساسية فى تحديد تصرف الإلكترونات فى دارة حالة الصلابة وفى الموصلات شبه الناقلة فى الكمبيوترات الصغرى ( الميكروكمبيوتر ) .

ويدخل الكم فى قصة الحياة نفسها فحمض ( الدنا ) ذلك الجزىء اللولبى المزدوج الذى يحمل الرمز الوراثى إنما يتماسك كلولب مزدوج بواسطة تأثير كيميائى ( الترابط الهيدروجينى ) وهو عبارة عن ظاهرة تفسرها طبيعة الموجة للإلكترون المفرد وخلافا للجسيم النقى يمكن حتى لإلكترون واحد أن ينتشر حول ذرة موزعا شحنة بفاعلية عبر سحابة والطريقة التى يتفاعل فيها هذا التوزع من الشحنة مع الشحنة الايجابية فى نواة الهيدروجين تساعد فى تشكيل الرابط الهيدروجينى .

فيوجد الطاقة النووية والليزر والكمبيوترات وسر الحياة المفسرة بفضل نظرية الكم .

الماص والمشع المثالى :

الجسم الأسود هو الماص المثالى للطاقة وهو أسود لأنه يمتص كل الإشعاع الكهرومغناطيسى الذى يسقط عليه ولكن لأن القوانين التى تصف سلوك الإشعاع يمكنها أن تنعكس مع الزمن فإن الماص الكامل هو المشع الكامل كذلك .

والجسم الأسود الساخن هو مشع الطاقة الكهرومغناطيسية الأكثر فعالية الذى تسمح بها قوانين الفيزياء فيمكن للجسم أن يكون ساخنا أحمر أو حتى ساخنا أبيض .

ويشع الجسم الساخن الأبيض بذروة كثافته فى اطار الطيف البصرى فإن الأعين ترى خليطا من أطوال الموجات التى تطابق كل ألوان قوس القزح على أنها لون أبيض .

ترجمة / عفيف الرزاز

تنقيح / أسامة ممدوح عبد الرازق مصطفى شرف

15 / 10 / 2016 

تكنولوجيا ( WI – FI ) الذكية

تكنولوجيا ( WI – FI ) الذكية

أصبح النفاذ اللاسلكى للانترنت عن طريق تكنولوجيا ( WI – FI ) مهم جدا من أجل الحصول على المعلومات بطريقة سريعة وآمنة .

فعن طريق تكنولوجيا الاتصال اللاسلكى تبدو تكنولوجيا ( WI – FI ) وكأنها لا تقاوم لأنها تجعل الشبكة متوفرة للمستخدمين فى أى زمان ومكان كما توفر وصلات اتصالات سريعة تسمح لرسائل البريد الإلكترونى بالظهور فورا ولصفحات الانترنت ( الويب ) بملء وتلوين شاشات الكمبيوترات بسرعة مع إمكانية التنقل بحرية مما جعل الهواتف الخلوية منتشرة فى كل مكان .

إذ أن الازدياد المطرد فى استخدام شبكات ( WI – FI ) قد يجعلها غير قادرة على التعامل مع حركة مرور البيانات أو المعلومات المتنامية مما يؤدى إلى أن تعانى أجهزة المستخدمين خدمة بطيئة وتأخيرات طويلة .

حتى عندما تعمل التكنولوجيا بشكل ملائم فإن النفاذ اللاسلكى ليس بالسرعة التى تقدمها الوصلات السلكية العالية السرعة للانترنت كالخطوط الرقمية للمشتركين ( DSL ) أو وصلات موديم الكابلات ولا تأمل الإشارات الراديوية أن ترقى لسرعات الارسال التى تقدمها الأسلاك النحاسية أو كابلات الألياف الضوئية كما أن اتصالات تكنولوجيا ( WI - FI ) أو أى تكنولوجيا لاسلكية تعتمد على الموجات الراديوية لن تستطيع توفير الدرجة نفسها من الأمان إذ أنه يمكن التقاطها بمستقبلات الراديو .

لقد حدث الكثير فى عالم اللاسلكى حيث ظهر العديد من المشكلات الشائكة نتيجة الزيادة المطردة فى استخدام تكنولوجيا ( WI – FI ) إلا أن التقدم الملموس فى مجال الاتصالات اللاسلكية ساهم فى حل المشكلات .

كيفية عمل تكنولوجيا ( WI – FI ) :

تتكون شبكات ( WI – FI ) من كمبيوترات متنقلة مجهزة بتكنولوجيا ( WI – FI ) أجهزة حاضنة أو محمولة باليد أو هواتف خاصة بتكنولوجيا ( WI – FI ) إضافة إلى نقاط نفاذ للشبكة ( APS ) ونقاط النفاذ هى محطات قاعدية تتواصل بالأسلاك والراديو بكل من الأنظمة المحمولة بالشبكات التى تؤمن لها مدخلا للانترنت وتستطيع كل نقطة نفاذ إرسال واستقبال إشارات ضمن مجال محدود يتراوح بين ( 20 : 50 م ) داخل أحد الأبنية حيث تشكل منطقة التغطية لنقطة نفاذ خلية ثلاثية الأبعاد تماثل خلية هاتف نقال ( موبايل ) إلا أنها أصغر بكثير حيث تستطيع أن تخدم العديد من التجهيزات النقالة الواقعة ضمنها فى وقت واحد .

أطلق على شبكات ( WI – FI ) ( شبكات محلية لاسلكية ) حيث لم تستطع تجهيزات الشبكات المحلية اللاسلكية التعامل فيما بينها إذ أن النظم المنتجة من قبل المصنعين لم تكن تتواصل مع تلك المنتجة من قبل شركات أخرى إلا أن معهد المهندسين الكهربائيين والإلكترونيين IEEE

تبنى المعيار ( IEEE 802.11 ) عام ( 1997 ) الذى وضع حدا لعدم التوافق وتعمل معظم تجهيزات الشبكة المحلية اللاسلكية وفق هذا المعيار ( WI – FI ) ومع أنه لا يحدد جميع الجوانب فى عمل الشبكة فإن المعيار يكفل قيام أنواع مختلفة من التجهيزات بالعمل مع بعضها البعض .

ويواجه مصممو الشبكات ( WI – FI ) ( 4 مصادر ) أساسية للقلق من تأمين الوثوقية من خلال التأكد من عدم تعرض الخدمة للانقطاع بسبب رداءة نوعية الاتصالات الراديوية والمحافظة على الآداء من خلال تجنب بطء سرعات الوصلات والتأخير الطويل وتصميم شبكات نقاط نفاذ قادرة على الهيمنة بشكل فعال على كامل منطقة التغطية وتوفير الأمان ضد مسترقى السمع اللاسلكيين .

إن السبب الرئيسى فى كون الشبكات المحلية اللاسلكية عرضة للمشكلات هو اعتماد تكنولوجيا

WI – FI على الاتصال الراديوى الذى يعانى مشكلات تشغيل ذاتية فإن الإشارات المستقبلة من نقطة نفاذ يمكن أن تضمحل بعدة طرق :

1 ) يضعف الارسال اللاسلكى كلما زادت المسافة حتى فى حالة عدم وجود عوائق والتى تسبب ضعفا إضافيا فى قوة الإشارة الراديوية .

2 ) يمكن للموجة الراديوية أن تعانى تشويه المسارات المتعددة بانعكاسها عن جدران الأبنية والمفروشات والتجهيزات أو أى أجسام تقع بالقرب من محيطها فالإشارات عندئذ مسارات متعددة من المرسل للمستقبل بسبب وجود نسخ متعددة للآرسال تصل للمستقبل فى أوقات مختلفة قليلا عن بعضها ويمكن للنسخ المتأخرة أن تفسد الإشارة المباشرة مسببة  إشكالات لدى الجهة المستقبلة .

3 ) إن سوء استقبال الإشارات عن التداخل وتأثيرات الضجيج وينشأ التداخل بسبب التضارب فى الارسال الراديوى إذ يمكن أن تصدر عنه إشارات راديوية متناثرة أما الضجيج الراديوى فإنه يحدث فى الطبيعة كما يأتى من مصادر أخرى عن طريق الموجات الراديوية .

إن الطرق التى تؤخر ساعات الارسال فبينما توفر شبكات ( إيثرنت ) اللاسلكية خدماتها بسرعات تراوح بين ( 100 : 1000 ميكابتة / ث ) والميكابتة وحدة قياس الارسال اللاسلكى فإن العديد من الشبكات المحلية اللاسلكية عند أحد المعايير المحددة علميا فهى تعمل عند معدلات تصل إلى ( 11 ميكابتة / ث ) ويمكن للتجهيزات الأحدث التى تعمل وفق المعايير المحددة علميا أن تصل سرعتها إلى ( 54 ميكابتة / ث ) وهى بطيئة مقارنة بعمل الانترنت حيث سيتم تقديم نسخة من المعايير الحديثة تسمح بالاتصال بسرعات تصل إلى ( 180 ميكابتة / ث )

وتبالغ الأرقام فى معدلات سرعات الشبكات WI – FI التى تهبط آليا من السرعة القصوى

( 11 أو 54 ميكابتة / ث ) إلى المعدلات الأدنى لتسير مع إشارات الراديو وتعدد المسارات والتداخل والضجيج فإن الوصلات تتوافق مع المعايير الحديثة والعلمية المحددة يمكن أن تنخفض سرعة نقلها من معدل نقل ( 11 : 5.5 أو 2 أو 1 ميكابتة / ث ) فإن البتات الإضافية

( البتات الرقمية ) المضافة لكل إرسال للتحكم فى تشغيل الشبكة ولتخفيض الأخطاء حيث تقلص معدل النقل الفعلى بدرجة أكبر .

ومنذ إدخال تكنولوجيا WI – FI ) فعن طريق البحث عن مواطن ضعفها فى مجالات الوثوقية والآداء والتصميم والأمان وقد نتج عنها تجهيزات الجيل الثانى من تكنولوجيا WI – FI حيث تدمج العديد من الامكانات الجديدة والتى تهدف للتغلب على المشكلات الموجودة وتعتمد على التحسينات على ذكاء أكبر فى نظم

تجنب الاختناق المرورى للمعلومات :

ستحسن تكنولوجيا ( WI – FI ) الذكية تجربة المستخدم مع الشبكة اللاسلكية من خلال  التعامل مع قضايا كالاختناق المرورى للمعلومات وتغير البيئة بالنسبة لإشارات الراديو والأمان وذلك بطرق متعددة .

1 ) يحتمل أن يسبب الاختناق المرورى  فى الشبكة فعندما يطلب لنقطة نفاذ ( AP ) أن تخدم العديد من المستخدمين مما يجعلها محملة بشكل زائد من المعلومات تأخيرا وانخفاضا فى مستوى الخدمة على نحو مؤثر وبما أن نقطة نفاذ ما والمستخدمين لها مجبرون على تقاسم قناة راديو واحدة ( جزء من طيف إشارات الراديو ) وأن محطة واحدة ( نقطة نفاذ أو مستخدم ) يمكن لها أن تقوم بالإرسال بنجاح فى وقت معين فإن تشابكا يمكن أن يحصل حيث تحل شبكات

( WI – FI ) الصدامات بين المحطات المتنافسة ضمن الخلية باستخدام تكنولوجيا بروتوكول النفاذ المتعدد مع تجنب التصادم عن طريق ناقل الاستشعار عن بعد ( CSMA|CA ) .

ووفقا للبروتوكول   CSMA|CAتصنت كل محطة قبل إرسال أى إشارة فإذا التقطت إشارة محطة أخرى تهم بالارسال فإنها تنتظر حتى تصبح قناة الاتصال متاحة وإذا حاولت محطتان الارسال فى الوقت نفسه فى الوقت نفسه فلن تسمع أى منهما الأخرى وسيتصادم الإرسالان وعند حدوث ذلك لن يتم استقبال أى من الارسالين بشكل صحيح ويجب عندئذ إعادة الارسال وعندما تستخدم العديد من الكمبيوترات نقطة نفاذ واحدة فإن التصادمات غالبا ما تحدث مما يتطلب تعدد تكرار الارسال ويواجه جميع المستخدمين تأخيرا زمنيا .

ويمكن لمشكلة التحميل الزائد لنقاط النفاذ أن تكون حادة فى المناطق ذات الكثافة العالية من المستخدمين .

فإن سرعة الآداء تجعل نقاط النفاذ غير قادرة على الاقتراب من آداء الشبكات السلكية فى الأمكنة المكتظة بالمستخدمين بالكمبيوترات النقالة ( اللاب توب ) .

ويمكن للبروتوكول CSMA|CA أن يسبب صعوبات خاصة بين نقاط النفاذ البعيدة والأجهزة النقالة التى تعمل على القنوات الراديوية نفسها فإذا تمكنت نقطة نفاذ أو جهاز نقال من سماع مستخدم أو نقطة نفاذ بعيدين على قناة مرافقة فإنها سوف تذعن كما لو أن المحطة المرسلة تقع ضمن خليتها وينتج عنها التراكب مع القناة المرفقة نوعا آخر من الانخفاض فى الآداء .

إن التجهيزات التى تعمل على القناة الراديوية الموجودة فى أجزاء مختلفة من بناء ما ويترابطان بنقاط نفاذ مختلفة فإذا أستطاع أحد الأنظمة سماع النظام الآخر فإن الأول سوف يذعن فى كل مرة يقوم فيها النظام الثانى بالإرسال مؤخرا فعن طريق رسائل تنتظر أن ترسل من قبل النظام الأول وبشكل مشابه إذا استطاع النظام الثانى أن يسمع النظام الأول فإنه لن يكون قادرا على الإرسال كلما كان النظام الأول يقوم بالإرسال مما يؤدى إلى خفض مستوى خدمة الاتصال بها حيث تسترعى المشكلة الانتباه بشكل خاص إذا كان أى من النظام الأول أو النظام الثانى يستخدم آداة إرسال وإستقبال يدوية للصوت .

ويستطيع المصممون تخفيف آثار الحالات السابقة من خلال تحديد مهام القنوات بدقة وباستخدام خاصية جديدة ( موازنة الحمل ) تمكن من تخفيض احتمال إرهاق نقطة النفاذ وتعتمد موازنة الحمل على حقيقة كون الزبائن ضمن مجال ( 2 ) أو أكثر من نقاط النفاذ وتحاول الشبكات

( WI – FI ) الذكية أن تخفف من الازدحام بتوزيع الزبائن على نقاط النفاذ بشكل منتظم وبحيث لا تغرق أيا منها مما يحقق انسيابية فى الآداء بشكل كبير .

وإن الوصلة بين المستخدمين ونقاط الآداء ( الارتباط ) وتبدأ العملية عندما يبدأ المستخدم مطالب الارتباط وعندما تتسلم نقطة نفاذ ما طلب ارتباط فإنها تستطيع أن تقبل الطلب أو ترفضه وإن المعيار ( IEEE 802.11 ) لا يخصص منهاجا برمجيا لاتخاذ القرارات اللازمة والصائبة فإن الجيل الثانى لنقاط النفاذ أو ( مفتاح التحويل الذكى ) الذى يتحكم فيها يدرس الحمل الآنى للنقطة قيد الاختبار وإن الأحمال الخاصة بنقاط النفاذ المجاورة مما يساعد على اتخاذ القرارات اللازمة والصائبة لكن ربما لا تكون نقطة النفاذ محملة بشكل كبير بحيث تكون الأنسب للارتباط بمستخدم جديد إذا تم تسلم طلب ارتباط معين وكان النظام يعلم أن إحدى نقاط النفاذ غير محملة بشكل كبير وتقع فى المجال الراديوى للمستخدم صاحب طلب الارتباط فإن نقطة النفاذ قد ترفض طلب الارتباط مؤدية لتحسين الآداء الكلى للشبكة فإن موازنة الأحمال إضافة لتكنولوجيات أخرى سوف تسمح لشبكات WI – FI المستقبلية بتقديم آداء جيد حتى فى الأمكنة ذات الكثافة العالية .

تغير المحيط بالنسبة لإشارات الراديو :

يمكن للصعوبات المتعلقة بإشارات الراديو كالوهن وتعدد المسارات والتداخل والضجيج أن تخفف بشكل جوهرى من خلال تصميم جديد للشبكة ويجب أن يقرر مصمم الشبكة WI – FI

أين توضع نقاط النفاذ ( AP ) ضمن فضاء المنطقة المستهدفة ليؤمن التغطية والآداء الملائمين كما يترتب على المهندسين اختيار القنوات التى يجب تخصيصها لنقاط النفاذ ويحتاج المصمم لمراعاة خصائص المحيط بالنسبة لإشارات الراديو وهندسة المبنى الذى سيتم فيه تركيب الشبكة المحلية اللاسلكية والتى هى فى الحقيقة شبكة راديوية ثلاثية الأبعاد .

ويهدف مصمم الشبكة لتجنب الثغرات فى التغطية عند انتقاء مواقع نقاط النفاذ إلا أنه فى الوقت نفسه يجب أن يباعد بين نقاط النفاذ أكثر ما يمكن لتخفيض كلفة التجهيزات والتركيب والسبب الذى يدعو لفصل نقاط النفاذ عن بعضها تداخل التغطية بين النقاط التى تعمل على القناة الراديوية نفسها ( التراكب بين القنوات ) مما يخفض جودة الآداء .

وفى الجزء الثانى من عملية التصميم تخفيض التراكب بين القنوات إلى حدودها الدنيا مما يقلل التأثر بين المحطات فى خلايا قنوات متجاورة مختلفة .

وتوجد ميزة جديدة لتكنولوجيا WI – FI الذكية التحكم الآلى فى حجم الخلية تسمح للخلايا بالتوسع أو الانكماش كى تتوافق مع تغير شروط إشارات الراديو كما يمكن لتكنولوجيا

WI – FI أن تعوض أى نقص فى التصميم أو توقف فى نقاط النفاذ .

وحتى فى أكثر الشبكات دقة فى التشكيل فإنه من الممكن للمحيط بالنسبة لإشارات الراديو أن يتغير من وقت لآخر فإن الظروف الأساسية يمكن  أن لا توجد فعندما تنقل بعض التجهيزات المعدنية فى مصنع ما فإن تغيرا فى الحالة الكهرومغناطيسية يمكن أن يقود لثغرات فى التغطية وسيكون من المناسب توسيع أو تقليص أحجام الخلايا للقيام بالتعويض ويمكن تعديل أحجام الخلايا من خلال تكييف قدرة الإرسال الراديوى لنقاط نفاذ WI - FI فإذا كانت التغييرات تعكس بدقة المحيط الراديوى الجديد فإن التغطية المستمرة للشبكة يمكن أن يحافظ عليها فى كل مكان من المساحة المستهدفة دون وجود تراكب بين الخلايا حيث تستطيع نقاط النفاذ أن تعدل فى مستويات قدرة الإرسال الخاصة بها فعن طريق انتظار اضافات لمعيار IEEE 802.11 حيث يسمح بموجبها لنقاط النفاذ أن ترشد مستخدميها لزيادة أو إنقاص قدرة الإرسال الراديوى ووحدته ( الميكتاثانية ) .

وتتوافر فى التحكم الآلى لحجم الخلايا إمكانية تخفيض الجهد المطلوب فى تصميم الشبكات المحلية اللاسلكية حيث تتيح الميزة إمكانية تصميم سريع لوضع نقاط النفاذ فى مواقع معقولة وإن لم تكن مثالية وإن نقاط النفاذ تصاب بأعطال من وقت  لآخر ولكن وفقا للمواقع الخاصة لنقاط النفاذ ولأنواع الهوائيات المستخدمة يمكن للتحكم الآلى فى حجم الخلايا أن يغطى بصورة مؤقتة الثغرات التى تسببها أعطال نقاط النفاذ .

المهمة الديناميكية للقناة :

يمكن لنقاط النفاذ أن تستخدم المهمة الديناميكية للقناة فى الشبكات WI – FI الذكية لتغيير تردد قنوات الراديو آليا حيث يقوم المصممون بتحديد مهام القنوات بحيث يكون التشابك بينها فى حدوده الدنيا بسبب انتشار الموجات الراديوية وتكون القنوات بعد تحديد مهامها ساكنة فى الظروف العادية إلا أن البيئة يمكن أن تتغير فإنه لا يوجد ضمان بأن المهام المحددة ستبقى صالحة .

وتتحسس شبكات WI – FI من الجيل الثانى البيئة الراديوية خلال فواصل زمنية ومن ثم تقوم ديناميكيا بإعادة تحديد مهام القنوات وتزيل الامكانية الحاجة لإجراء تحديد مهام القنوات خلال عملية التصميم الأساسية فقد يتسبب بتوسيع منطقة التغطية وإذا نجم عن التوسع تضارب مع تغطية خلية أخرى تعمل على نفس القناة فإن الآداء يمكن أن ينخفض بشكل حاد وقد يكون من المناسب تحويل الخلية الثانية لقناة أخرى جديدة وتؤمن خوارزميات تبديل القنوات تخفيض تداخل التغطية بين القنوات لحدوده الدنيا فى الشبكة بأكملها .

وتفعل النظم WI - FI الذكية عادة خوارزمية تبديل القنوات بصورة دورية لضمان كون تخصيص القنوات يعكس وضع البيئة الراديوية وتستطيع تكنولوجيا المهمة الديناميكية للقناة أن تحسن من الآداء بالسماح لنقاط النفاذ بأن تختار قنوات لا تعانى الضجيج المحلى أو التداخل .

الأمن اللاسلكى :

قد يكون الأمن مشكلة تكنولوجيا WI – FI الأكثر عرضة للنقاش فالمستخدمون لا يرغبون فى أن يراقب الغرباء تبادلهم للبريد الإلكترونى أو أن يحصل هؤلاء على نفاذ غير مسموح به لنظمهم الإلكترونية وقد قدم المعيار الأساسى IEEE 802.11 ميزة تدعى الخصوصية WEP

للحصول على إرسال معمى والتعمية طريقة فى تحويل دفق من البتات إلى دفق معمى آخر بحيث يمكن استعادة الدفق الأساسى من البتات باستخدام مفتاح وهو التشفير الخاص الذى استخدم أساسا من أجل التكويد إلا أن العديد من مستخدمى اللاسلكى لا يكلفون أنفسهم عناء تفعيل ميزة التعمية ومن ثم فإنهم ينفذون إرسالاتهم بوضوح مما يسمح باختراق أسهل .

حتى عند استخدام الخصوصية ( WEP ) فإن قابلية الشبكات اللاسلكية للاختراق طرقا لاكتشاف المفاتيح ومن ثم كشف الرسائل حيث أصبح من المعلوم على نطاق واسع أن الخصوصية WEP لها بعض العيوب وقد عمل المطورون على تدعيم أمن الشبكات WI – FI

والسماح بالنفاذ قضية مهمة فى الشبكات WI –FI حيث يمكن للمستخدمين التعريف بأنفسهم من خلال عملية تيقن تتضمن هوية المستخدم وكلمة مروره ولكن إذا كان بمقدور أناس مؤذين استراق النظر بسهولة على رسائل الآخرين فإنه من الممكن لهم التطفل على هوية المستخدم وكلمة المرور ومن ثم التمكن من النفاذ للشبكة .

وإن مجموعتا العمل الخاصتان بالمعيار IEEE 802.11 وتحالف WI – FI قد أنهت العمل على معاييرهما ذات العلاقة IEEE 802i النفاذ المحمى فى الشبكات WI – FI و WPA

والتى وضعت بموجبها تدابير أمنية أكثر صرامة تتضمن تكنولوجيات تعمية محسنة وطرقا أكثر أمنا فى جوهرها لنقاط النفاذ والمستخدمين ليصلوا للمفاتيح اللازمة للتعمية وكشفها .

ويوفر النفاذ WPA الذى يستخدم معيار IEEE  802IX عملية استيقان أكثر قوة بكثير مما كان متوافرا من قبل وتحسن المجموعة من المعايير وبشكل كبير الأمن الكلى للشبكات 

WI – FI الذكية .

وقد أضاف بعض مصنعى تجهيزات التكنولوجيا تدابير أمنية جديدة منها كشف الدخلاء وتختلف الشبكات اللاسلكية عن السلكية فى أن أدوات استراق السمع وحتى نقاط النفاذ يمكن أن توجد فى أى مكان ضمن أو بالقرب من منطقة تغطية شبكة لاسلكية فيمكن للدخلاء السلكيين أن يهاجموا عن بعد مما أدى إلى أن تستخدم بعض تجهيزات التكنولوجيا WI – FI تكنولوجيا تحديد الموقع لكشف وجود محطة معادية وباستخدام الميزة الجديدة يمكن للشبكة أن تتعقب المحطة المسيئة وأن تزيلها .

ولقد بدأت الشبكات اللاسلكية تتصرف بشكل مشابه لمثيلاتها السلكية مع تطور تكنولوجيات

WI – FI الذكية كما بدأ مستخدموا اللاسلكى بملاحظة الفرق إلا أنه يتبقى الكثير مما يجب عمله كما تتواصل الأبحاث التى ستأخذ التكنولوجيا WI – FI بعيدا ويجرى العمل لإيجاد آداة متنقلة آليا ضمن الشبكة WI – FI حيث ستسمح الميزة الجديدة لمشغلى الشبكة باكتشاف سريع لمواقع الناس من الأطباء فى المستشفيات أو أغراض منتجات تتحرك ضمن خط تجميع فى أحد المصانع .

وتتطور تكنولوجيا WI – FI وتكنولوجيات الاتصالات اللاسلكية بشكل مطرد ومستمر ويزداد باستمرار عدد الأشخاص الذين يتخلون عن خدمة التليفون الأرضى مفضلين الهواتف الخلوية اللاسلكية فإن استخدام الجيل الثالث من الهواتف الخلوية فى ازدياد واضح وقد يكون لتكنولوجيا جديدة لها القدرة على تحسين خدمات شبكات WI – FI .

الشبكات المحلية اللاسلكية :

فيما تتنامى شعبية تكنواوجيا WI –FI عن طريق النفاذ اللاسلكى للانترنت فإن حركة مرور المعلومات المتزايدة تهدد بإغراق الشبكات المحلية المعتمدة على الراديو التى يستخدمها الناس للوصل مع الشبكة مسببا تأخيرات غير مقبولة وفوضى فى الخدمة فإن مجموعة من التحسينات التى تشمل الجيل الثانى أو تكنولوجيا WI – FI الذكية ستذهب بعيدا باتجاه حل المشكلات .

وإن مصممو الشبكات WI – FI يقلقهم ( 4 ) قضايا :

1 ) تجنب الإرسال الراديوى الضعيف فى النوع .

2 ) منع السرعات البطيئة للوصلات .

3 ) التأخيرات الطويلة .

4 ) توفير التغطية لمناطق المستخدمين وتوفير درجة أمان كافية حيث ستحقق تكنولوجيا

WI – FI الذكية المهام الجديدة والصعبة والمستحدثة مستقبلا .

أعطال خلل الإرسال الراديوى وكيف يمكن تحقيق تكنولوجيا WI – FI :

1 ) إن التداخل عندما يواجه إشارة راديو عن طريق ارسالات راديوية من أجهزة كهربية حيث

تظهر المشكلة الجديدة وهى الضجيج الراديوى من مصادر طبيعية كما يمكن أن ينبعث من الأجهزة الكهربائية .

2 ) يحدث الوهن أو ضعف الإرسال عندما تتنقل الإشارة لمسافة بعيدة عن مصدرها ويمكن أن تسبب الأجسام المعترضة اضمحلال قوة الإشارة .

3 ) ينجم تشويه تعدد المسارات عندما تنعكس موجة راديوية من قبل الأجسام المجاورة كالجدران والأجهزة والأثاث وبذلك تنبع الموجة طرقا متعددة من المرسل ( نقطة النفاذ ) للمستقبل فيمكن لعدة نسخ من الإشارة نفسها أن تصل للمستقبل فى أوقات مختلفة متقاربة مسببة مشكلات فى الاستقبال .

محن الشبكات اللاسلكية :

1 ) يمكن لإشارات متضاربة مرسلة فى وقت واحد من قبل مستخدمين أو أكثر لنقطة نفاذ واحدة أن تسبب توقيف النظام لأنه لم يستقبل أيا من الإشارات بشكل  صحيح ويجب على الأجهزة النقالة كالهواتف الخلوية  والموبايلات واللاب توب إعادة إرسال الإشارات .

2 ) يمكن للتأخير أن يحدث عندما يرسل مستخدمان يعملان على نفس التردد إشاراتيهما لنقطتى نفاذ مختلفتين لأنه من الممكن أن يستمع أى من الجهازين للآخر .

3 ) يمكن أن يلتقط الارسال من قبل مستخدمين غير مخولين ضمن خلية تغطية WI - FI محلية حيث إذا أخفق المستخدمون الشرعيون فى تفعيل التدابير الأمنية المناسبة لتعمية الإشارة أو بكسب النفاذ لكودات التيقن الخاصة بهم كهوية المستخدم وكلمة المرور .

موائمات ذكية لشبكات WI – FI :

يمكن لشبكة WI – FI الذكية أن تخفف من الازدحام بتوزيع وصلات المستخدمين بشكل متساو بين نقاط نفاذ WI – FI المتاحة وإن الميزة تكون موازنة الأحمال عندما يحاول مستخدم الوصل مع نقطة نفاذ محملة بشكل كبير فإذا بين النظام أن نقطة النفاذ الثانية محملة بشكل خفيف وتقع ضمن المجال الراديوى للمستخدم فإن النظام سيرفض النفاذ لنقطة النفاذ الأولى ويوصل المستخدم مع نقطة النفاذ الثانية مما يحسن آداء التشغيل العام للشبكة .

فعندما تتغير الظروف بالنسبة لإشارات الراديو فإن النظام WI – FI الذكى يمكن أن يعدل من حجم خلاياه بهدف التعويض لخدمة لفضاء داخلى وعندما تفشل نقطة النفاذ AP4 للوسط بشكل غير متوقع فإنها تحدث ثغرة فى التغطية اللاسلكية وتتوسع الخليتان المجاورتان AP3 و AP4 

لتوفير التغطية فوق الثغرة .

تكنولوجيا WI – FI فى مقابل تكنولوجيا WIMAX :

إن تكنولوجيا نفاذ لاسلكى جديدة WIMAX فما هى وماعلاقتها بتكنولوجيا WI – FI ؟

بينما تستخدم تكنولوجيا WI – FI من قبل التجهيزات النقالة على نطاق واسع فإن تكنولوجيا

WIMAX توجهت أساسا لوصلات الانترنت الثابتة فإن مصطلح WIMAX من ابتكار مجموعة صناعية ( منتدى WIMAX ) .

وكما أن تكنولوجيا WI – FI تقوم على المعيار IEEE 802.11 فإن تكنولوجيا WIMAX

تنسب للمعيار IEEE 802.16d من أجل تعريف خدمة لاسلكية عالية السرعية لمواقع ثابتة عبر مسافات تصل إلى ( 50 كم ) فى حين يبلغ المدى الأقصى للتكنولوجيا WI – FI بضع مئات من الأمتار وأحد أسباب المدى الأكبر لنطاق التكنولوجيا WIMAX أنها تستطيع الإرسال بمستويات استطاعة أعلى وفقا للحزمة الراديوية حيث ستكون التكنولوجيا WIMAX قادرة على العمل عند معدل نقل ( 75 مليون بتة / ث ) أى أسرع عدة مرات من خط رقمى لمشترك إلا أن المقدرة ستوزع بين العديد من المستخدمين .

ولقد جرى التفكير فى التكنولوجيا WIMAX لتوفر نفس النوع من خدمة الانترنت السريعة الممنوحة من قبل الخط ( DSL ) وموديم الكابل وحتى نظم الألياف البصرية الضوئية ولهذا السبب فإنها تعتبر شبكة مدنية لاسلكية .

وعلى الرغم من أصول التكنولوجيا بدأ جمهور تكنولوجيا WIMAX العمل على نسخة نقالة من المعيار IEEE 802.16e ( موبايل WIMAX ) حيث تهدف التكنولوجيا على غرار

WI – FI لتقديم الخدمة للكمبيوترات الحاضنة والأجهزة النقالة إلا أنها سوف تحظى بمدى أعظم من المحتمل أن يصل لبضعة كيلومترات .

ويوجد اهتمام كبير فى الصناعة الكمبيوترية بالنقالة WIMAX إلا أنه لم يجر تبنى المعيار فلم يتم التيقن من قدرة التكنولوجيا على كسب موطىء قدم فى السوق وإن التكنولوجيا WIMAX

لن تتنافس مباشرة مع تكنولوجيا WI – FI وبسبب استطاعتها الأكبر ومداها الأبعد فإنها من المحتمل أن تتنافس مع خدمة الجيل الثالث ( 3G ) للهواتف الخلوية فى تقديم خدمة انترنت نقالة أولا فى مناطق حضرية ولاحقا فى أقاليم أوسع ويعمل الجيل الثالث بشكل مشابه للتكنولوجيا WIMAX عند مستويات استطاعة أعلى من التكنولوجيا WI – FI كما تغطى محطاتها القاعدية مناطق أوسع من التكنولوجيا المنافسة لها .

ومن المحتمل أن تتعايش الأنظمة الثلاثة WI – FI و WIMAX والجيل الثالث معا بحيث يغطى كل منها الموضع اللائق الذى يختص به ولأن التكنولوجيا WIMAX والجيل الثالث يعملان عند مستويات استطاعة أعلى ويوظفان منهج نفاذ مختلفا عن التكنولوجيا WI – FI

فإنهما لن يتعرضا للمشكلات نفسها ولن يحتاجا للحلول نفسها .

وسوف تجهز الكمبيوترات الحاضنة والمساعدات الرقمية الشخصية ( PDA ) بشكل متزايد فى المستقبل للعمل مع شبكات لاسلكية متعددة فإن كمبيوتر حاضن يمكن أن يوصل بالنظام

WI – FI فى محيط المنزل والمكتب لكنه يستخدم النظام WIMAX أو الجيل الثالث من الهواتف الخلوية فى أمكنة أخرى فإن توليفات WI – FI l WIMAX أو WI – FI l 3G

يمكن أن تصبح شيئا مألوفا فى وقت ما مع إمكانية وصل كمبيوترات مجهزة بالنظم السابقة بالشبكات الثلاث .

مجلة العلوم الأمريكية

أسامة ممدوح عبد الرازق مصطفى شرف

13 / 11 / 2016