شكلت الاكتشافات العلمية والاختراعات ثورة كبيرة ساهمت في تسهيل الحياة على البشرية في جوانب عديدة، إذ فتحت الباب أمام العديد من التطبيقات المفيدة، والفرضيات الجديدة، ولعلوم الفيزياء نصيبٌ كبير من ذلك، إذ اعتُبرت بعض الانجازات التي حققها العلماء قفزةً كبيرة في تاريخهم، ومنها اكتشاف الفوتون، فما هو؟ ومن مكتشف الفوتون؟ اعرف الإجابة في هذا المقال.
كان لعمل أينشتاين تأثير عميق على الفيزياء الحديثة، حيث اهتم بمجالات مهمة مثل ميكانيكا الكم، وعلم الكونيات، وفيزياء الجسيمات.
ما هو الفوتون؟
الفوتون هو جسيم أساسي يمثل أصغر كمية ممكنة من الإشعاع الكهرومغناطيسي، بما في ذلك الضوء المرئي وموجات الراديو والأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء والأشعة السينية وأشعة جاما، ويتصرف كجسيم وموجة.
وفي الفيزياء الكلاسيكية كان يُعرف الضوء على أنه ظاهرة موجية بحتة، ومع ظهور ميكانيكا الكم لاحقًا أصبح من الواضح أن الضوء يمكن أن يكون مشابهًا للجسيمات في سلوكه، إذ تحمل الفوتونات طاقة تتناسب مع ترددها، كما هو موضح بالمعادلة ( E = hf)، حيث إن: E هي طاقة الفوتون، h هو ثابت بلانك، وf هو تردد الإشعاع.
والفوتونات ليس لها كتلة وتنتقل بسرعة الضوء في الفراغ، وهي تتفاعل مع المادة من خلال عمليات مختلفة، مثل الامتصاص، والانبعاث، والتشتت، وتعتبر هذه التفاعلات أساسية للعديد من الظواهر في الفيزياء، بما في ذلك التأثير الكهروضوئي، الذي كان له دور فعال في تطوير نظرية الكم.
من هو مكتشف الفوتون؟
ظهر مفهوم الفوتون كنتيجة لمساهمات العديد من العلماء مع مرور الوقت، إلا أن مكتشف الفوتون هو العالم ألبرت أينشتاين، وفيما يلي نتتبع أبرز المعلومات عنه:
- ولد ألبرت أينشتاين في 14 مارس 1879، في مدينة أولم، في مملكة فورتمبيرغ في الإمبراطورية الألمانية.
- انتقلت عائلته لاحقًا إلى ميونيخ، حيث قضى معظم سنوات حياته الأولى.
- أظهر أينشتاين كفاءة مبكرة في علوم الرياضيات والفيزياء، لكنه عانى من نظام التعليم التقليدي.
- التحق أينشتاين بالمدرسة الفيدرالية السويسرية للفنون التطبيقية، حيث درس الفيزياء والرياضيات.
- عمل كاتبًا لبراءات الاختراع بعد التخرج في مكتب براءات الاختراع السويسري في برن بينما واصل أبحاثه في الفيزياء النظرية.
- في عام 1905 نشر أينشتاين أربع أوراق بحثية رائدة، بما في ذلك نظريته في النسبية الخاصة وتفسيره للتأثير الكهروضوئي والفوتون، مما أكسبه اعترافًا واسع النطاق.
- أحدثت نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين، التي نُشرت عام 1905، ثورة في فهم عناصر المكان والزمان والطاقة، لتتوج جهوده بحصوله على جائزة نوبل.
- هاجر أينشتاين إلى الولايات المتحدة عام 1933 بعد وصول أدولف هتلر إلى السلطة في ألمانيا، وتسلم منصبًا في معهد الدراسات المتقدمة في برينستون - نيوجيرسي، حيث واصل أبحاثه حتى وفاته.
- كان لعمل أينشتاين تأثير عميق على الفيزياء الحديثة، حيث اهتم بمجالات مهمة مثل ميكانيكا الكم، وعلم الكونيات، وفيزياء الجسيمات.
- توفي ألبرت أينشتاين في 18 أبريل 1955، تاركًا وراءه إرثًا ما يزال يلهم العلماء والباحثين في جميع أنحاء العالم.
في حين أن عمل أينشتاين يُنسب إليه الفضل في كثير من الأحيان باعتباره الأساس لمفهوم الفوتون، إلا أن هناك العديد من العلماء الذين ساهموا في تحقيق هذا الاكتشاف.
اقترح ماكس بلانك فكرة ثورية مفادها أن الطاقة كمية؛ أي أن الطاقة المحتجزة في وسط معين غير قادرة على الانتقال من مكان لآخر، مقدمًا بذلك مفهوم فرضية الكم
مراحل اكتشاف الفوتون
شمل اكتشاف الفوتون مساهمات العديد من العلماء على مر الزمن، ويمكن فهمه من خلال عدة مراحل وخطوات رئيسية:
-
إشعاع الجسم الأسود وفرضية الكم
في أواخر القرن التاسع عشر كان الفيزيائيون يدرسون خصائص إشعاع الجسم الأسود، وهو الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من جسم ساخن، حيث اقترح ماكس بلانك في بحثه عن التوزيع الطيفي لإشعاع الجسم الأسود، فكرة ثورية مفادها أن الطاقة كمية أي أن الطاقة المحتجزة في وسط معين غير قادرة على الانتقال من مكان لآخر، مقدماً مفهوم فرضية الكم.
-
التأثير الكهروضوئي
في عام 1905 نشر ألبرت أينشتاين بحثًا عن التأثير الكهروضوئي، اقترح فيه أن الضوء يتكون من حزم منفصلة من الطاقة تسمى "الكمات" أو "الفوتونات"، وساعد تفسير أينشتاين في التحقق من صحة مفهوم الفوتون، إذ لاحظ أن الإلكترونات تنبعث من مادة ما عندما تتعرض لضوء ذي تردد كافٍ.
-
التأكيد التجريبي
دُعِم مفهوم الفوتون بشكل أكبر من خلال التجارب، وخاصة تلك التي تناولت تشتت الأشعة السينية بواسطة الإلكترونات، ففي عام 1923، أجرى آرثر كومبتون تجارب أظهرت أن الأشعة السينية المتناثرة من الإلكترونات تتصرف كما لو كانت جسيمات تصطدم بجسيمات أخرى، مما يدعم طبيعة الضوء الشبيهة بالجسيمات.
-
ازدواجية الموجة والجسيم
لقد قدم تطور ميكانيكا الكم في عشرينيات وثلاثينيات القرن العشرين إطارًا نظريًا يوفق بين خصائص الضوء الموجية والشبيهة بالجسيمات، إذ ساهم علماء مثل لويس دي برولي وفيرنر هايزنبرغ في فهم ازدواجية الموجة والجسيم للمادة والطاقة، بما في ذلك الفوتونات.
-
الديناميكا الكهربائية الكمومية
تُعرف الديناميكا الكهربائية الكمومية بأنها نظرية المجال الكمي التي تصف التفاعل بين الضوء (الفوتونات) والجسيمات المشحونة (الإلكترونات والبوزيترونات)، والتي طُورَت في منتصف القرن العشرين على يد علماء مثل ريتشارد فاينمان، وجوليان شوينجر، وشينيتشيرو توموناغا، إذ قدموا إطارًا رياضيًا لفهم سلوك الفوتونات والجسيمات الأولية الأخرى.
خلال هذه المراحل والخطوات، شمل اكتشاف الفوتون مجموعة من الأفكار النظرية، والملاحظات التجريبية، وتطوير شكليات رياضية جديدة، مما أدى في النهاية إلى فهمنا الحديث للضوء كموجة وجسيم.
يعد اكتشاف الفوتون جزءًا لا يتجزأ من تقنيات الليزر والتقنيات البصرية المختلفة، بما في ذلك تحديد المدى بالليزر،
أهمية اكتشاف الفوتون
هناك العديد من الظواهر الطبيعية المبنية على اكتشاف الفوتون، إذ أسهم هذا الاكتشاف في تفسيرها وتطوير تطبيقات جديدة مفيدة للإنسان، وفيما يلي نتناول أبرزها:
- ميكانيكا الكم: يعد اكتشاف الفوتون ضروريًا للتجارب التي تبحث في المبادئ الأساسية لميكانيكا الكم، مثل ازدواجية موجة الضوء والجسيمات، وتشمل التطبيقات: التشفير الكمي، والانتقال الآني الكمي، والحوسبة الكمية، حيث أصبح بالإمكان تشفير المعلومات ومعالجتها.
- التحليل الطيفي الذري والجزيئي: تُستخدم تقنيات الكشف عن الفوتون، مثل التحليل الطيفي للامتصاص والتحليل الطيفي الفلوري، لدراسة تفاعل الضوء مع الذرات والجزيئات، وتُستخدم هذه التقنيات في الكيمياء التحليلية وعلوم المواد والكيمياء الحيوية في تحديد الجزيئات ودراسة الديناميكيات الجزيئية.
- التصوير الطبي والبيوفوتونيكس: استُخدم اكتشاف الفوتون في تطوير طرق التصوير الطبي المختلفة، بما في ذلك التصوير بالأشعة السينية، والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني، والتصوير المقطعي المحوسب بانبعاث الفوتون الواحد، والتصوير المقطعي التوافقي البصري. حيث تتيح هذه التقنيات التصور غير الجراحي لهياكل الجسم الداخلية، والتصوير الوظيفي للأعضاء، ومراقبة تطور المرض، والمساعدة في التشخيص وتخطيط العلاج في الطب.
- الفيزياء الفلكية وعلم الفلك: يعد اكتشاف الفوتون أمرًا بالغ الأهمية في مراقبة ودراسة الأجرام السماوية والظواهر في الفيزياء الفلكية وعلم الفلك، كما تشمل التطبيقات: التصوير الفلكي، والتحليل الطيفي، والقياس الضوئي، والتي توفر نظرة شاملة لخصائص وتكوين وتطور النجوم والمجرات والكون ككل.
- تقنيات الليزر والبصريات: يعد اكتشاف الفوتون جزءًا لا يتجزأ من تقنيات الليزر والتقنيات البصرية المختلفة، بما في ذلك تحديد المدى بالليزر، والليدار (كشف الضوء وتحديد المدى)، والاستشعار البصري، وتستخدم هذه التقنيات في الاستشعار عن بعد، والرصد البيئي، وتطبيقات القياس الدقيق.
يُعتبر ألبرت أينشتاين مكتشف الفوتون، إذ ساهمت تجاربه في التأثير الكهرومغناطيسي في وضع وصفٍ شامل لها، ساهم لاحقًا في تطوير العديد من التطبيقات والاختراعات المفيدة ومنها الليزر، ومراقبة النجوم، والرصد الفلكي، والتصوير الإشعاعي في الطب، وعلوم الكيمياء التحليلية، والألياف الضوئية، والرصد البيئي وغيرها.
