تبحث دراسة جديدة مسألة ما إذا كانت الكهرباء عبارة عن تيار من الإلكترونات أم نوع من السوائل
لطالما وصفت كتب الفيزياء المدرسية الكهرباء بأنها تيار من الإلكترونات. وعندما يمر هذا التيار عبر مادة موصلة، مثل السلك النحاسي، تصطدم الإلكترونات بذرات المادة - وهذا يسبب مقاومة تؤدي إلى إبطاء التدفق. علاوة على ذلك، وفقًا لقانون أوم، فإن التيار الكهربائي في المادة الموصلة سوف يتدفق دائمًا من الجهد العالي إلى الجهد المنخفض. من ناحية أخرى، إذا تصرف تيار الإلكترون مثل تيار سائل، فإن معظم التصادمات لن تحدث بين الإلكترونات والجسيمات الأخرى ولكن بين الإلكترونات نفسها - كما يحدث في الماء والسوائل الأخرى، حيث تصطدم جزيئات السائل مع بعضها البعض. ولو أمكن إثبات أن الإلكترونات قادرة على التصرف مثل السوائل، فإن هذا البرهان سيفتح اتجاها جديدا تماما في دراسة خواص التيار الكهربائي وتغيير هذه الخواص.
هل التيار الكهربائي قادر على التكيف مع خصائص السائل؟ قد تؤدي الإجابة على هذا السؤال إلى كتابة فصل جديد في كتب الفيزياء الأساسية. وفي دراسة جديدة، نشرت مؤخرا في المجلة العلمية فيزياء الطبيعة، عمره البروفيسور غريغوري فالكويتز من معهد وايزمان للعلوم والبروفيسور ليونيد ليفيتوف من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، من المثير للدهشة أن التيار يمكن، في بعض الحالات، أن يتدفق في الاتجاه المعاكس - من الجهد المنخفض إلى الجهد العالي.
واقترح البروفيسور فالكويتز، خبير الديناميكا المائية في قسم فيزياء الأنظمة المعقدة، إجراء اختبار كلاسيكي حول هذا الموضوع. إذا كان التيار الكهربائي يتصرف مثل السائل، فيجب أن يخلق دوامات في ظل ظروف معينة - كما تفعل جميع السوائل. في هذه الدوامات، يدور التيار حول محور، بحيث يتدفق جزء من السائل في الاتجاه المعاكس الذي بدأ منه التدفق. يتم إنشاء هذه الدوامات لأن جزيئات السائل تتفاعل مع بعضها البعض. عندما يتم دفعها في اتجاه معين، تقوم الجسيمات بنقل جزء من الزخم إلى جيرانها، وبالتالي تحويل حركة الجسيمات الأخرى إلى الجانب وجعلها تدور حول نفسها. هذه هي الدوامات التي تسمح، على سبيل المثال، للأسماك بالسباحة: تقوم الأسماك بتحريف أجسادها في حركات متموجة، مما يخلق دوامات على جوانبها، مما يدفعها إلى الأمام.
قام البروفيسور فلاكوفيتز والبروفيسور ليفيتوف بتطوير نموذج نظري أظهر أن التيار الكهربائي ينتج بالفعل دوامات. أجرى العلماء حسابات تصف تدفق الإلكترونات في نظام بسيط للغاية، وهو سطح ضيق ثنائي الأبعاد يتكون من ذرات الكربون، يسمى "الجرافين". وأظهرت هذه الحسابات أنه عندما يصل التيار الكهربائي - الذي يتحرك في مجال كهربائي بين سالب وموجب، أو من الجهد العالي إلى المنخفض - إلى حافة السطح، فإن الإلكترونات تتحول إلى الجانب ثم تعود، بحيث تتدفق في الاتجاه المعاكس. الاتجاه - كما هو الحال في الدوامات في الماء - من الزائد إلى الناقص.
ويشير هذا الاكتشاف إلى إمكانية وجود زوايا جديدة تماما في دراسة التيارات الكهربائية، والتي قد تتقاطع وأحيانا تتقاطع في مجال ديناميكا الموائع. بالإضافة إلى ذلك، وبما أن الجزيئات الموجودة في السائل تؤثر على بعضها البعض عن بعد، فقد تؤدي هذه الدراسات، في المستقبل، إلى طرق جديدة للتحكم عن بعد في التيارات الكهربائية في الأجهزة الإلكترونية.
تم تأكيد نتائج هذه الدراسة النظرية مؤخرًا في تجربة أجراها في بريطانيا العظمى علماء فازوا بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2010 لاكتشافهم الجرافين. وفي دراسة مستقلة لا علاقة لها بعمل البروفيسور فلاكوفيتز، قام هؤلاء العلماء ببناء جهاز مشابه للجهاز النظري الموصوف في مقال البروفيسور فلاكوفيتز والبروفيسور ليفيتوف. كما ورد في المجلة العلمية علومتمكن العلماء من ملاحظة تيار كهربائي بشكل تجريبي يتصرف مثل التيار السائل ويخلق دوامات.
تعليقات 4
لقد شعرت بخيبة أمل كبيرة في المقالة حول الفيزياء الموجودة بالفعل في بداية المقالة لقراءة حقيقتين غير صحيحتين:
"عندما يمر هذا التيار عبر مادة موصلة، مثل الأسلاك النحاسية، تصطدم الإلكترونات بذرات المادة - وهذا يسبب مقاومة تؤدي إلى إبطاء التدفق. أبعد من ذلك، وفقا لقانون أوم، فإن التيار الكهربائي في مادة موصلة سوف يتدفق دائما من الجهد العالي إلى الجهد المنخفض. منذ ما يقرب من قرن من الزمان ونحن نعلم أن المقاومة لا تنشأ من اصطدام الإلكترونات بذرات المادة، وهذا النموذج الذي يسمى "نموذج درود" سقط بسرعة كبيرة بعد اقتراحه. كما أن قانون أوم يربط بين التيار والمقاومة والجهد، وما يحدد اتجاه تدفق التيار هو ببساطة تعريف الجهد والتيار، بغض النظر عن المقاومة وقانون أوم.
الجانب الموصوف هنا مختلف. فهو يصف تكوين الدوامات من التفاعل مع جوانب الدليل الموجي وليس من الحركة كبلازما وليس من الحركة كسائل إلكتروني بمعنى سائل فيرمي.
الكهرباء هي موجة تتكون من إلكترونات هي دالة موجية في حد ذاتها، وتتناسق بشكل متناغم مع الموجة الكهربائية.
ولذلك فهو يجمع كلا من الجسيمات والموجة. الكهرباء في البرق عبارة عن جسيمات مشحونة تتحرك بسرعة الضوء. إنها البلازما، وهي الحالة الرابعة للتجميع، ويمكن تحليلها مثل سائل الإلكترون. ومن الواضح أن الدوامات ستنشأ في ظل ظروف ما تسميه أكاديمية اللغويات الاضطراب، وما يسميه الفيزيائيون مرحلة الانتقال، وهناك بعض أفضل النظريات في العالم لذلك.
ما الذي يميز هذا السائل هل هو مجرد عوائق؟