انظر "الأختام (مع المسطرة والساعة)

وفي مقال عن "الحركة البراونية" تنبأ أينشتاين بدقة بنمط حركة الذرات وأقنع المشككين في النهاية بوجودها

أميت هاجر

رسم توضيحي يصور الحركة العشوائية لحبيبات المسحوق في السائل ("الحركة البراونية"). "قصف" متواصل للذرات غير المرئية

في مايو 1905، بعد عشرة أيام من تقديم المقال عن قطر جزيئات السكر، والذي بفضله سيحصل على درجة الدكتوراه في الفيزياء في صيف ذلك العام، أكمل ألبرت أينشتاين مقالًا آخر، سعى فيه إلى إظهار كيفية "وفقًا للنظرية الحركية الجزيئية للحرارة، فإن الأجسام المجهرية تطفو في السائل والتي يمكن تمييزها، ويجب علينا، بسبب الحركة الجزيئية الحرارية، أن تتحرك بطريقة يمكن قياسها". وهكذا، في جملة واحدة، قدم أينشتاين الفصل الأخير في الدراما العلمية العظيمة التي تم في نهايتها قبول الفرضية القائلة بأن عالم المادة يتكون من الذرات دون أدنى شك.

لكي نفهم مدى خطورة هذه الجملة التي تبدو بريئة، يجب على المرء أن يعود إلى منتصف القرن التاسع عشر. في ذلك الوقت، عمل ثلاثة علماء - رودولف كلوسيوس، ولودفيج بولتزمان، وجيمس كليرك ماكسويل - على تطوير نظريتين جديدتين: الديناميكا الحرارية، التي تناولت تحويل الطاقة إلى حرارة وشغل ميكانيكي (على سبيل المثال، نقل وزن من مكان واحد). إلى آخر) والنظرية الحركية للغازات والتي حاولت تفسير الديناميكا الحرارية على أساس الميكانيكا النيوتونية وأساس الفرضية الذرية.

كان كلاوزيوس مسؤولاً، من بين أمور أخرى، عن صياغة القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية.

الأول هو قانون الحفاظ على الطاقة، والذي بموجبه يمكن أن تتشكل ببساطة وتنتج شغلًا أو إشعاعًا أو حركة أو حرارة، لكن كميتها ستبقى ثابتة إلى الأبد. على الرغم من أن القياس مضلل بعض الشيء، إلا أنه يمكن فهم القانون الأول دون صعوبة إذا كنت تفكر في الطاقة من حيث المادة المحبوسة داخل الحاوية. وطالما ظلت الحاوية مغلقة، فإن كمية المادة الموجودة فيها تظل ثابتة. ولا يضيع مهما كان الشكل الذي اتخذه.

ينص القانون الأول على أن الطاقة يمكن أن تتحول من شكل إلى آخر، ولكنها لا تجبر الطاقة على التحول في أي اتجاه. تم تعيين هذه المهمة للقانون الثاني. كل من وضع يده على وعاء ساخن وشعر بالألم يعرف أن هناك قاعدة ثابتة وهي أن الحرارة "تتدفق" تلقائيًا من الجسم الساخن إلى الجسم البارد وليس العكس، وأن هذه العملية تتم حتى تصل درجة الحرارة إلى درجة الحرارة. يتساوى الجسمان.

ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن العمليات الديناميكية الحرارية التلقائية لا رجعة فيها وتحدث فقط في اتجاه واحد: في درجة حرارة الغرفة يذوب الجليد ويتحول إلى ماء تلقائيًا، ولكن لتحويل الماء إلى جليد عليك وضعه في الثلاجة؛ يمتزج الحليب والقهوة بسهولة بشكل عفوي، لكن لا يمكن إعادتهما إلى حالة الحليب المنفصل والقهوة المنفصلة دون استثمار العمل. إن الضحك الذي يصاحب عرض فيلم فيديو إلى الوراء يظهر مدى اعتيادنا على مثل هذه الظواهر العفوية التي لا رجعة فيها في الحياة اليومية.

في نفس الوقت الذي عمل فيه كلاوسيوس، حاول بولتزمان وماكسويل تطوير نماذج ميكانيكية لقوانين الديناميكا الحرارية، والتي كان أساسها الفرضية الذرية. ووفقا لهذه النماذج، فإن الحرارة ليست أقل من ذرات متحركة. لكن حركة هذه الذرات يجب أن تمليها معادلات الحركة في ميكانيكا نيوتن، وهي لا تفرق بين جسم يتحرك للأمام في الزمن ونفس الجسم يتحرك "للخلف في الزمن". بمعنى آخر، فيديو اصطدام الذرات لن يضحك أحدًا إذا تم تشغيله بشكل عكسي، لأننا لن نتمكن من معرفة أي فرق بين الاتجاهين.

كان حل ماكسويل وبولتزمان للتناقض الواضح بين قوانين الديناميكا الحرارية والنماذج الذرية حلاً احتماليًا: الظواهر العيانية "العكسية" مثل الفصل التلقائي للقهوة إلى حليب وقهوة أو التجميد التلقائي للماء إلى جليد ليست مستحيلة، ولكنها ليست مستحيلة ولكنها ببساطة غير محتمل، واحتمال حدوثها موجود ولكنه صغير جدًا. وهذا يعني أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ليس قانونًا بل قاعدة إحصائية لها استثناءات.

لم يقبل العديد من معاصري بولتزمان وماكسويل "الصفقة الشاملة" التي اقترحها الاثنان، وهي الصفقة التي تضمنت الإيمان بوجود الذرات، والادعاء بأنه على المستوى المجهري يمكن التعامل مع حركة الذرات على أنها عشوائية والقوانين. من الاحتمالية المفروضة عليها، والاستنتاج بأن الديناميكا الحرارية ليست نظرية شاملة - لأنها لا تنطبق على العالم المجهري الذي تحدث فيه ظواهر لا تتوافق مع تنبؤاتها. بولتزمان، على سبيل المثال، كان يتعرض في كثير من الأحيان للهجوم من قبل معاصريه بسبب أفكاره، وقبل حوالي عقد من نشر مقال أينشتاين، تمت دعوته إلى بريطانيا للدفاع عن آرائه في نقاش سرعان ما تحول إلى شخصي.

تكمن عظمة مقالة أينشتاين في أنها جعلت من الممكن، لأول مرة، حسم المناقشة تجريبيا. في هذه الورقة، قدم أينشتاين تحليلًا رياضيًا رائعًا للحركة الجزيئية العشوائية التي لها عواقب يمكن ملاحظتها تحت المجهر. وبعبارة أخرى، اقترح أينشتاين "وصفة طبية" لتجربة يمكن أن تدعم نظرية ماكسويل وبولتزمان بكل مضامينها. ووفقا لأينشتاين، إذا كانت نظرية ماكسويل وبولتزمان صحيحة، فإن جزيئات المسحوق العائمة في السائل يجب أن "تقصف" باستمرار بواسطة جزيئات سريعة الحركة، وهذه الاصطدامات تجعلها تتحرك من مكان إلى آخر في حركة "متعرجة" يمكن تقاس بالمجهر. وتعتمد هذه الحركة على حركة الجزيئات، والتي بدورها تعتمد على حجمها. وهذا يعني أنه إذا تم بالفعل إجراء تجربة من شأنها أن تؤكد تنبؤات أينشتاين، فسيكون من الصعب أكثر من أي وقت مضى رفض صفقة بولتزمان وماكسويل.

ومن المهم الإشارة إلى أن الظاهرة التي اقترح أينشتاين تحليلًا رياضيًا لها كانت معروفة بالفعل قبل عقود من الزمن، وكانت تُلقب بـ "الحركة البراونية"، نسبة إلى عالم نبات بريطاني يحمل هذا الاسم. كان براون، الذي لاحظ في عام 1828 تحت المجهر الحركة "المتعرجة" والعشوائية لحبوب اللقاح العائمة في سائل، أول من أظهر أن تفسير هذه الظاهرة يجب أن يكون فيزيائيا وليس بيولوجيا (حتى ذلك الحين كانت الحركة العشوائية تعتبر السبب وراء ذلك). نتاج القوة "الحيوانية" للحبوب). لكن مثل هذا النموذج المادي لم يكن موجودا. كان أينشتاين أول من قدم ذلك، وقد فعل ذلك بطريقة دقيقة لدرجة أن كل ما تبقى لتأكيده هو النظر عبر المجهر وقياس سرعة حركة حبيبات المسحوق التي تطفو في الماء باستخدام ساعة توقيت ومسطرة. السائل، وهي حركة ناجمة عن اصطدامها بالجزيئات غير المرئية.

في عام 1909، تمكن الفيزيائي الفرنسي جان بيرين من إجراء سلسلة من التجارب وفقا لـ "وصفة" أينشتاين. لقد تطابقت تنبؤات أينشتاين معه بدقة لا تصدق، وكان تأثيرها على العالم العلمي هائلاً. باستثناء إرنست ماخ، المتشكك المعروف في الفرضية الذرية، والذي توفي عام 1916 بينما كان لا يزال يشكك في صحتها، كان الفيزيائيون مقتنعين بأن الذرات موجودة بالفعل، وهي أكثر من مجرد خيال مفيد. ولم يكن لدى أينشتاين أدنى شك في ذلك قبل فترة طويلة.

الأسبوع القادم: النسبية الخاصة؛ النسبية العامة