الإشعاع الكهرومغناطيسي (الموجات الراديوية) - Electromagnetic Radiation Radio Waves
سنة الاكتشاف: 1864م
ما هذا الاكتشاف؟
- تعتبر موجات الطاقة الكهربائية والمغناطيسية جميعها جزءاًً من طيف كهرومغناطيسي واحد وتخضع لقوانين حسابية بسيطة
من المكتشف؟
- جيمس كلارك ماكسويل James Clerk Maxwell
لماذا يعد هذا الاكتشاف ضمن المائة العظمى للإكتشافات في التاريخ؟
طوال معظم القرن التاسع عشر، اعتقد الناس أن الكهربائية والمغناطيسية والضوء هي ثلاثة أشياء منفصلة لا علاقة لها ببعض. فانطلقت البحوث من هذا الافتراض، لحين اکتشاف ماكسويل بأنها تمثل جميعاً الشيء ذاته- أشكال عن الإشعاع الكهرومغناطيسي. لقد كان ذلك اكتشافاً عظيماً ومذهلاً، وعادة ما يصنف كأعظم اكتشاف فيزيائي في القرن التاسع عشر.
لقد عمل ماكسويل للإشعاع الكهرومغناطيسي ما عمله نيوتن للجاذبية أعطى العلم أدوات حسابية لفهم واستعمال تلك القوة الطبيعية.
وحّد ماكسويل الطاقة المغناطيسية والكهربائية، ابتكر مصطلح (الإشعاع الكهرومغناطيسي)، واكتشف المعادلات البسيطة الأربعة التي تقود سلوك الحقلين الكهربائي والمغناطيسي. وخلال معرض ابتكاره لهذه المعادلات، اكتشف ماكسويل بأن الضوء جزء من الطيف الكهرومغناطيسي وتنبأ بوجود الموجات الراديوية، الأشعة السينية، وأشعة غاما.
كيف جاء هذا الاكتشاف؟
ولد جيمس كلارك James Clerk عام 1831م في إدنبرة باسكتلندا. ثم أضافت العائلة بعدها لقب ماکسویل Maxwell. شق جيمس مشواره الجامعي بسهولة وتفوق متقلداً أعلى المراتب وحاصلاً على شهادة في الرياضيات، ثم حاز بعدها على درجات أستذة مختلفة في حقلي الحساب والفيزياء.
و کریاضي، استطلع ماكسويل العالم - و الكون - من خلال معادلات حسابية تناول حلقات زُحل كأولى مواد دراسته الموسعة، فاستعمل الرياضيات ليثبت بأن هذه الحلقات لا يمكن أن تكون أقراص صلبة، كما لا يمكن أن تكون مواد غازية فقد أظهرت معادلاته بأنها لا بد أن تكون مؤلفة من دقائق صلبة صغيرة لا عد لها. بعدها بقرن، أثبت الفلكيون صحة دعواه.
حول ماكسويل اهتمامه إلى الغازات هذه المرة، فدرس العلاقات الرياضية التي تحكم حركة الدقائق الغازية السريعة الحركة. فصححت نتائج دراسته التوجه العلمي لدراسة العلاقة بين الحرارة وحركة الغاز.
و في عام 1860م تحول ماكسويل إلى متابعة بدايات العمل الكهربائي لمايكل فاراداي. فقد اخترع فاراداي المحرك الكهربائي باكتشافه أن قرصاً معدنياً يدور في مجال مغناطيسي يولد تیاراً كهربائياً وبأن التيار الكهربائي المتغير يغير من المجال المغناطيسي أيضاً ويمكنه تولید حركة فيزيائية. وقرر ماكسويل أن يستطلع بدوره العلاقة بين الكهربائية والمغناطيسية و«خطوط القوة الكهربائية والمغناطيسية» التي اكتشفها فاراداي، وذلك بمفهومه الرياضي الخاص.
وبينما كان ماكسويل يبحث في العلاقات الرياضية بين مختلف أوجه الكهربائية والمغناطيسية، ابتكر تجارب لفحص وتأكيد كل نتيجة يتوصل إليها. فتوصل في 1864م إلى اشتقاق أربع معادلات بسيطة لوصف سلوك الحقل الكهربائي والمغناطيسي وطبيعتهما المتداخلة. فالحقول الكهربائية المتذبذبة (المتغيرة)- التي تتأرجح تیاراتها سريعاً بکلا الاتجاهين - ولدت حقولاً مغناطيسية والعكس بالعكس.
هذان النوعان من الطاقة مرتبطان بشكل وثيق، إذن. أدرك ماكسويل بأن الكهربائية والمغناطيسية هما ببساطة تعبيران مختلفان لسيل طاقي واحد، أسماه electromagnetic energy أو «الطاقة الكهرومغناطيسية».
ولما نشر هذه المعادلات واكتشافاته لأول مرة مقالة عام 1864م، وعي الفيزيائيون لفورهم معنى هذه المعادلات الأربعة وقيمتها التي لا تقدر بثمن.
استمر ماكسويل بالبحث في معادلاته وتوصل إلى حقيقة جديدة تفيد بأنه طالما تذبذب المصدر الكهربائي بتردد عالِ كافِ، فإن موجات الطاقة الكهرومغناطيسية المتولدة عنه سوف تتحرر إلى الهواء الخارجي دون الحاجة إلى أسلاك موصلة تنساب من خلالها. لقد كان هذا أول تنبؤ بوجود الموجات الراديوية.
قاس ماكسويل السرعة التي يمكن لهذه الموجات الكهرومغناطيسية أن تنتقل بها، فوجدها مطابقة لأفضل حسابات سرعة الضوء (وقتذاك). من هنا أدرك بأن الضوء ما هو إلا شكل آخر من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي. ونظراً لقابلية تذبذب التيارات الكهربائية بأي تردد كان، أدرك ماكسويل من جديد بأن الضوء هو مجرد جزء ضئيل من طيف مستمر من الإشعاع الكهرومغناطيسي.
تنبأ ماكسويل بالعثور يوماً ما على أشكال جديدة من الإشعاع الكهرومغناطيسي ضمن أجزاء أخرى من الطيف. وبالفعل، اكتشفت الأشعة السينية عام 1895م من قبل فلهيلم رينتغن Wilhelm Roentgen.
وقبل هذا الاكتشاف بثمانية أعوام، أجرى هينريك هيرتز Heinrich Hertz تجارب على ضوء معادلات ماكسويل ليختبر إمكانية جعل الإشعاع الكهرومغناطيسي ينتقل في الهواء (ينتقل في الفضاء على هيئة موجات من الطاقة). وبسهولة، أوجد هيرتز وتقصى أولى الموجات الراديوية في العالم، مثبتاً صحة معادلات ماكسويل وتنبؤاته.
