شرح معادلات ماكسويل التي كشفت حقيقة الضوء لماذا يتكون الضوء من موجتين كهربية ومغناطيسية

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته. مرحبا بكم. منذ ان بدأت هذه السلسلة من حلقات تبسيط مفاهيم الفيزياء ولم تمر حلقة دون ان نذكر فيها معادلات ماكسويل. ولهذا وجدت انه من الضروري ان نخصص لمعادلات ماكسويل حلقة. وفي الحقيقة كل معادلة من معادلات ماكسويل اربعة تحتاج الى حلقة منفصلة. ان كنتم تحبون ذلك اكتبوا لي في التعليقات. فمعظم افكار هذه الحلقات استلهمها من اسئلتكم واستفساراتكم. تخيلوا معي ان شخصا في التاسع عشر اكتشف العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية والضوء. بتفكيره العميق وقدرته الفذة على ربط المعلومات هذا الشخص هو جيمس كليرك ماكسويل. وبعد ان نوضح معادلات ماكسويل سوف اوضح في نهاية الحلقة كيف توصل العالم ماكسويل بعقليته الفذة وبراعته في الرياضيات من اكتشاف سر الضوء. وايضا ساوضح لك عزيزي المشاهد لماذا الضوء عبارة عن موجتين كهربائية ومغناطيسية. هذا الاكتشاف اينشتاين من حل سر فشل تجربة مايكل سون مورلي. ووضع نظريته النسبية الخاصة التي غيرت مفاهيمنا عن الزمان والمكان. لدرجة انه عندما قال البعض لاينشتاين انه يقف على اكتاف نيوتن كان يصححهم قائلا لا انا اقف على اكتاف جيمس ماكسويل. الرجل الذي لم يلهم اينشتاين فحسب. بل هو الى حد كبير المسؤول عن وضع وابتكار المعادلات التي يستخدمها كل مهندس كهرباء. في تصميم اي جهاز تكنولوجي اليوم. مثل الجوال والتلفزيون وجهاز الكمبيوتر والثلاجة ومصابيح الاضاءة وافران المايكرويف والسيارة. كل هذه الاشياء يقف خلفها مهندس استخدم احدى معادلات ماكس ويل في تصميمه. لذا ابقوا معي حتى النهاية. لنعرف كيف تمكن ماكسويل من كشف سر الضوء. ولماذا الضوء يتكون من موجتين موجة كهربائية وموجة مغناطيسية. هذه المعادلات الاربعة التي تظهر امامكم على الشاشة تسمى بمعادلات ماكسويل. تكريما للفيزياء الاسكتلندي جيمس ماكسويل الذي نشرها في عام الف وثمانمية وخمسة وستين. سنقسم الحلقة الى ثلاثة اقسام. في القسم الاول سنقوم بتقديم وصف مبسط لهذه المعادلات. وماذا تخبرنا? وفي القسم الثاني سوف نشرح فكرة كل معادلة من هذه المعادلات الاربعة. اما في القسم الثالث سوف نوضح كيف تمكن ماكسويل من اكتشاف حقيقة الضوء. تبدو هذه المعادلات صعبة ومعقدة وخصوصا انها تعتمد على مواضيع متقدمة في الرياضيات. وكما ذكرت في المقدمة كل معادلة من هذه المعادلات تحتاج الى حلقة لشرحها. ولكنني ساحاول ان اقدم لكم المفاهيم الفيزيائية التي تتضمنها هذه المعادلات. ولنبدأ مع الجزء الاول وهو الوصف المبسط. تخبرنا معادلات ماكسود بصفة عامة انه اذا كان هنالك جسم مشحون وثابت لا يتحرك. فان جسم المشحون سيؤثر فقط على الشحنات الاخرى. واذا كان لديك مغناطيس ثابت فانه سيؤثر فقط على مغناطيسات اخرى. لكن اذا كان لديك شحنة متحركة فانها ستؤثر على مغناطيس. واذا كان لديك مغناطيس متحرك فانه سيؤثر على الشحنة. وهذا يعتبر ابسط وصف لمعادلات. ننتقل الان الى الجزء الثاني من الحلقة. لنوضح ماذا تخبرنا? كل معادلة. المعادلة الاولى التي نراها على الشاشة باسم معادلة وتخبرنا هذه المعادلة ان شدة المجال الكهربي عند نقطة ما تساوي كثافة الشحنة رو مقسومة على ثابت النفازية بمعنى اخر السبب في ان المجال الكهربي لا يساوي صفر هو وجود الشحنة الكهربائية. كما تخبرنا ايضا بشيء عن المجال الكهربي. لنفترض اننا رسمنا كرة خيالية حول منطقة معينة في الفضاء. وكان اتجاه المجال الكهربي في اتجاه الخروج من سطح الكرة نستنتج ان الشحنة الكلية داخل تلك الكرة موجبة. واذا كان اتجاه اسهم المجال الى الداخل نستنتج ان الشحنة الكلية داخل الكرة سالب. واذا كان عدد خطوط المجال التي تدخل الكرة يساوي عدد خطوط المجال التي تخرج منها نستنتج ان محصلة الشحنة داخل الكرة يساوي صفر. كما وتوضح المعادلة ان لاي شحنة سيكون لها مجالا كهربي. وان شدة هذا المجال تتناسب عكسيا مع ثابت النفازية الكهربية للفراغ. والذي يسمى وهو ثابت يعبر عن مقاومة الفضاء للمجال نأتي الان الى المعادلة الثانية والتي تعرف باسم قانون المغناطيسية. والتي تقول اذا كان لديك نفس الكرة الافتراضية. ولكن بدلا من وجود شحنة بداخلها كان لديك مغناطيس. فلن تجد نقطة حيث تكون خطوط القوة المغناطيسية كلها تشير الى الخارج او كلها تشير الى الداخل. دائما ما تكون الخطوط المغناطيسية التي تشير الى اتجاه الخروج من الكرة يساوي الخطوط التي تشير الى اتجاه الدخول على الكرة. وستكون شكل حلقات. وذلك لاستحالة ان يكون داخل الكرة قطب مغناطيسي مفرد. دائما سيكون هنالك قطبين. حتى لو تم تقطيع المغناطيس وازالة القطب الشمالي فان ذلك لن يجدي نفعا. لانه ستحصل على مغناطيس اصغر مع قطبين. والمعادلة الثالثة تسمى قانون فردي. هذا القانون يخبرنا انه اذا حركت مغناطيسا سيولد مجالا كهربيا. او اذا تغير المجال المغناطيسي مع الزمن سيتولد مجالا كهربيا. ماذا يعني مجال كهربي. يعني ببساطة انه اذا وضعت شحنة في ذلك المجال فانها ستتأثر بقوة. اي سوف تتسارع هذه الشحنة. هذه المعادلة تخبر المهندسين بكيفية توليد الكهرباء من المولدات. يمكن استخدام مغناطيسات كبيرة وتدويرها. واذا وضعت سلكا بالقرب منها اثناء تحريك المغناطيس فسيتم توليد الكهرباء في السلك. يحدث ذلك لان هناك شحنات كهربية في السلك المعدني تتأثر بالمجال الكهربي وتتحرك تيارا كهربيا. المعادلة الرابعة هي قانون امبير. وهي ببساطة تقول انه اذا كان هنالك شحنة تتحرك في السلك او اذا كان هنالك السلك يمر به تيارا كهربيا فانك تولد مجارا مغناطيسيا وبعبارة اخرى يمكن لسلكين ان ينجذبا لبعضهما البعض اذا كان هنالك تيار يمر من خلالهم. من المعادلة الرابعة يمكن حساب قوة المجال المغناطيسي. وهذا يتطلب ثابت اخر ماميونوت. وهو معروف باسم السماحية المغناطيسية للفراغ. يمكن اعتبار هذا الثابت معبرا عن مقاومة الفضاء لانتشار المجال المغناطيسي. لاحظ ايضا ان المعادلة الرابعة تحتوي على مقدارين. المقدار الاول يمثل الشحنات الكهربائية المتحركة التي يمكن ان تولد مجالات مغناطيسية. والمقدار الثاني هو ان المجالات الكهربية المتغيرة مع الزمن تولد مجالات مغناطيسية. فكرة توليد المغناطيسية من المجالات الكهربية كانت اضافة ماكسويل الى قانون امبير. وهو ببساطة فكر فيها من تلقاء نفسه. ولم تستند الى اي تجربة. اعتقد انه ينبغي ان يكون هنالك تناظر مع قانون فردي. لانه اذا كانت المغناطيسات المتحركة قادر على توليد مجالات كهربية فان المجالات الكهربية المتحركة يجب ان تكون قادرة على توليد مجالات مغناطيسية. وللملاحظة فان الرمز نوت يشير الى ولكن اذا كنا نتحدث عن اي وسط اخر فسيكون الرمز المستخدم للنفاذية او السماحية هو بدون كتابة موت. الان الى الجزء الاهم من هذه الحلقة وهو الجزء الثالث. قد تقول في هذه المرحلة حسنا انت تتحدث فقط عن الكهرباء والمغناطيس. فما علاقة هذا بالضوء? وهنا ياتي الجزء الاكثر اثارة للاهتمام. لنأخذ ما استخلصناه من معادلات ماكسويل. ونضعه الان في استخدام عملي. ضع نفسك مكان ماكسويل في هذه المرحلة. انت تعمل مع معادلات ومفاهيم لا يعرف عنها الكثير من الناس في اوائل الستينات من القرن التاسع عشر. وتحاول رياضيا معرفة ما تخبرك به هذه المعادلات. فتفكر بالقيام بتجربة فكرية. ماذا لو اخذت شحنة كهربية وضعتها على عمود وقمت بتحريكها للاعلى وللاسفل. ماذا سيحدث? حسنا وفقا لقانون امبير اذا تغير الكهربي مع الزمن فانه سيولد مجالا مغناطيسيا عموديا عليه. وبسبب الحركة المتغيرة للاعلى وللاسفل التي تقوم بها الشحنة فان المجال المغناطيسي سيتغير ايضا مع الزمن. ووفقا لقانون فان المجال المغناطيسي المتغير سيولد مجموعة جديدة من المجالات الكهربية. الان بما ان هذا الامر سوف يتكرر مع المجالات الكهربية الجديدة. اي انها تتغير مع الزمن فانها بدورها ستولد مغناطيسية جديدة. والمجالات المغناطيسية المتغيرة الجديدة ستولد مزيدا من المجالات الكهربية. وهكذا يصبح الامر كحلقة مستمرة بدون توقف. حيث تولد المجالات الكهربية مجالات مغناطيسية. وتولد المجالات المغناطيسية مجالات كهربية. كلا منها يتولد نتيجة لحركة الاخر. وبذلك تكون قد انشأت موجة ذاتية الانتشار. موجة لا تحتاج وسط. موجة تنتشر في الفراغ بسبب حركة الجسيب المشحون. حاول ماكسويل اكتشاف نوع الموجة التي انشأها من تفسير معادلاته. ومعرفة شكلها وحساب سرعة انتشارها. قام ماكسويل بحساب السرعة باستخدام التفاضل والتكامل المتقدم. وهو المجال الذي كان ماكسويل بارعا فيه لدرجة كبيرة. وما توصل اليه ماكسويل هو ان واحد على مربع السرعة. يساوي مضروبة في ميونوت. وعندما حل المعادلة لايجاد السرعة انها تساوي الجزر التربيعي لواحد على مضروبة في مينونوت. اذا ما تخبرنا به المعادلات هو ان سرعة هذه الموجة يتناسب عكسيا مع ثابت النفازية وثابت السماحية للفراغ. فهل هذا منطقي? حسنا. يمكن اعتبار النفذية او السماحية. كما ذكرت سابقا على انها مقاومة الفراغ لتشكيل مجال كهربي او مغناطيسي. فكر في الامر مثل فالسوائل الاكثر لزوجة مثل الزيت او العسل ستكون اصعب للسباحة خلالها مقارنة بالماء. وبالمثل فان موجة تنتقل عبر مادة ذات نفاذية وسماحية اقل ستنتشر بشكل اسرع. الان نأخذ القيم المقاسة لثابت النفاذية وثابتة السماحية. ونقوم ببعض الحسابات البسيطة. ونجد ان الموجة التي تم انشاؤها تتحرك بسرعة حوالي تلاتميت الف كيلومتر في الثانية. هذه السرعة هائلة. فهذه الموجة يمكنها الدوران حول الارض ما يقارب سبع مرات في الثانية او الوصول الى القمر في ثانية واحدة. ما هو نوع الموجة التي تتحرك بهذه السرعة. وهنا المفاجأة. حيث تذكر ماكسويل على الفور ان الفلك الانجليزي جيمس برادلي قد حسب في عام الف وسبعمية وتمانية وعشرين سرعة الضوء. وكانت حوالي متين وسبعة وتسعين الف كيلو متر في الثانية. وهنا براعة ماكسويل. انه اكتشف ان الضوء ما هو الا موجة كهربية ومغناطيسية. وهنا اصبحنا نقول ان الضوء هو موجة كهروماتسية. تخيل معي كيف شعر ماكسويل عندما توصل الى هذا الاكتشاف. لم يستطع اثباته عمليا في ذلك الوقت. ولكن بعد حوالي عشرين عاما اثبت العالم هيرتس عمليا ان ماكسويل كان على حق. وبقية القصة هي انه بعد حوالي اربعين عام وانتم تعرفون تماما ان البرت اينشتاين اجرى المزيد من التجارب الفكرية مستندا على معادلات ماكسويل. وخرج اينشتاين بنظرية النسبية الخاصة عام الف وتسعمية وخمسة التي غيرت افكارنا عن طبيعة الزمان والمكان. وقد تحدثنا عن هذه التجارب الفكرية لاينشتاين في حلقة خاصة ساترك لك رابط هذه الحلقة في صندوق الوصف. وفي نهاية هذه الرحلة التي اظهرت لنا عبقرية جيمس ماكسويل. الذي كشف عن طبيعة كهرومغناطيسية للضوء. واصبحنا نعرف السبب في ان الضوء يتكون من موجتين كهربية ومغناطيسية. احدهما تولد الاخرى. وان مصدر هذه الموجة هو تذبذب جسيم مشحون. ومع كل اكتشاف نقترب اكثر من فهم اسرار الكون الذي نعيش فيه. اذا كنت متحمسا لاكتشاف المزيد حول الكون الذي نعيش فيه. فالفيزياء هي الطريق. ان اعجبتك هذه الحلقة. لا تنسى الاشتراك في القناة. وتفعيل جرس الاشعارات وشاركها ايضا مع وان كان لديك اي سؤال اتركه لنا في التعليقات. والى اللقاء في حلقة جديدة مع الفيزياء وحتى ذلك الوقت استودعكم الله والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته.