استخدامات الفيمتو ثانية

استخدامات الفيمتو ثانية
أكثر من مجرد "كليك"!
مجلة (التدريب والتقنية). العدد 85¡ فبراير 2006

ذهبت أول جائزة نوبل في الفيزياء إلى الألماني (كارل رونتيغن) عام 1901 بفضل اكتشافه للأشعة السينية – أشعة إكس.. والتي لم تكن في الواقع أكثر من وسيلة تصوير متقدمة. ثم كانت أول نوبل علمية للعرب بعدها بـ 98 عاماً هي تلك التي حصدها (أحمد زويل) عن تقنيته للتصوير الفائق في زمن الفيمتو ثانية.

بين (إكس – رونتغن) و (فيمتو ثانية – زويل) يمتد تاريخ عريض من تقنيات التصوير العلمية التي كان وجه العلم والحضارة سيتغير تماماً بدونها. لكن أهمية التصوير في التاريخ البشري تبرزها تطبيقات أبسط بكثير من الفتوح العلمية التي جاء بها الرجلان. فكاميرات التصوير العادية التي تتكدس في بيوتنا باتت تمثل ما يشبه الذاكرة البشرية التي ستنقل تاريخنا للأجيال القادمة على نحو أفض بمراحل مما فعلته الأشعار أوراق البردي ومنحوتات الغرانيت مع أسلافنا. والتصوير السينمائي جاء ليعيد صياغة التجربة البشرية ويعيد تعريف الأدب والدراما وليقدم بدوره تاريخاً موثقاً كان له الدور الأبرز في صقل الشخصية الإنسانية المعاصرة عبر التلفزيون والسينما وحتى عبر أفلام الفديو العائلية. ويمثل التصوير الرقمي حلقة جديدة في العلاقة بين الإنسان والصورة التي بدأتها نقوش الكهوف القديمة. وسائط التصوير والتخزين الرقمية وصلت بالعملية لدرجة من البساطة جعلت من كل مواطن عادي محترف تصوير.. على نحو أوسع بكثير مما فعلته أفلام (الكوداك) وتقنيات (بولارويد) الفورية العتيدة. وهكذا نجح التصوير في الارتقاء بناحية تقنية بحتة صاعداً بها إلى خانة (الفن).. وهو إنجاز فذ يحتسب لذاته. وفيما تتوقف شركات آلات التصوير عن إنتاج الكاميرات الفيلمية للأبد.. تتواتر الأنباء عن قرب توافر تقنيات التصوير ثلاثي الأبعاد على نحو تجاري رخيص خلال سنوات قليلة قادمة.

بالعودة للجانب العلمي البحت لنعمة التصوير¡ تعالوا نحاول إحصاء بعض التطبيقات العلمية التي تدين بالكثير للعدسات والأفلام وللصورة ككل. هناك أولاً الطب الذي رفدت الأشعة السينية إياها فرع العظام منه قبل أن يتم إدراج تقنيات أخرى في عمليات المناظير وكشف الخلايا السرطانية وتصوير المواليد وفي كل تطبيق جراحي يمكن تخيله تقرباً. التصوير يفرض ذاته بشكل أو بآخر حيثما كان هناك مختبر و (مجهر). والصورة المرئية تبدو كإثبات حقيقي يضاهي إن لم يتفوق على كل الحسابات الرياضية اللازمة لتأكيد نظريات الفيزياء والكيمياء الجامدة.

خارج النطاق الذرة والخلية وانطلاقاً في الكون الرحب كانت الصورة خير إثبات لمدى جفاف صحراء القمر. ولعدد الكواكب حول الشمس واتساع أجواز الكون. وفيما احتاج (غاليليو) لعقود من التحديق عبر عدسات تلسكوبه ليدرك أن الأرض هي التي تدور حول الشمس¡ فإن مسباراً واحداً فقط (هابُل) كان له الفضل في مضاعفة المعرفة البشرية في علم الفلك خلال بضع سنوات.

يبقى هناك الكثير كي نكتشف ونشاهد. ومع تتابع فصول المعرفة البشرية لتغضي ماهو أضأل وأسرع أو ما هو أكبر وأبعد¡ تتوالى تقنيات التصوير الأكثر تعقيداً ومهارة. وحتى بغض النظر عن المتطلبات الدقيقة لنخبة العلماء والبحاثة¡ يظل التطوير في علم التصوير مطلوباً من قبل أفراد جمهور عريض متعطش للفن البصري ولتخليد ذكريات يومه وإن عبر عدسة عادية وضغطة عابرة على زر الغالق.

أحمد زويل: التصوير على المستوى الذري

في عالم التصوير الضوئي حيث يمتزج الفن بالعلم وبالحرفية التقنية¡ تطرح أسماء ذواتها كأعلام تستحق الإشادة. هناك (رونتغن) صاحب أول صورة بأشعة إكس. قبله بقرون أسس (الحسن بن الهيثم) لأساسيات علم البصريات. وفي العصر الحديث فرض الأميركي (جورج إيستمان كوداك) اسمه كرديف لكل ما يمت للتصوير بصلة. لكننا سنتسغل الفرصة النادرة للإشادة بعَلم عربي هو الدكتور (أحمد زويل) صاحب تقنية (الفيمتو ثانية) التي أتاحت تصوير أدق التفاعلات الكيميائية لينال عليها جائزة (نوبل) عام 1999.

تلقى زويل تعليمه المدرسي بمدينة (دسوق) المصرية ثم التحق بكلية العلوم بجامعة الإسكندرية وحصل منها على البكالوريوس عام 1967 بتقدير امتياز مع مرتبة الشرف ثم على الماجستير في علم الأطياف عام 1969. سافر إلى الولايات المتحدة الأمريكية ليحصل على الدكتوراه من جامعة بنسلفانيا عام1974 وعمل خلال هذه الفترة معيداً وزميلاً وباحثاً بنفس الجامعة ثم عمل بمعه كاليفورنيا للتقنية (كالتك).

ويعلق زويل على ذلك قائلا عندما جئت لأمريكا وأصبحت أستاذا في واحدة من أعظم جامعات أمريكا –كالتك- التي عينت بها في عام 76 بعد حصولي علي الدكتوراه ودرجة زمالة من جامعة بيركلي لمدة عامين ¡ وفي عام 78 منحوني درجة البقاء في الجامعة لمدي الحياة بينما هذه الدرجة لا تمنح لحاملها قبل مرور خمس سنوات¡ وأعطتني الجامعة درجة أستاذ كرسي (لاينس بولينج) - وكان لاينس بولينج قد حصل علي جائزتي نوبل في الكيمياء وفي السلام - وبهذا أصبحت من اصغر العلماء سناً الذين انتخبوا لأكاديمية أمريكا للعلوم ومعني هذا إنهم لم يعطوني الفرصة فقط ولكن أيضا التقدير الذي أعانني علمياً.

وفى يوم الثلاثاء 21 أكتوبر عام 1999 فاز العالم المصري د. أحمد زويل بجائزة نوبل في الكيمياء لتمكنه من مراقبة حركة الذرات داخل الجزيئات أثناء التفاعل الكيميائي عن طريق تقنية الليزر السريع. وقد أعربت الأكاديمية السويدية الملكية للعلوم أنه قد تم تكريم د. زويل نتيجة للثورة الهائلة في العلوم الكيميائية التي أحدثتها أبحاثه الرائدة في مجال ردود الفعل الكيميائية واستخدام أشعة الليزر حيث أدت أبحاث د. زويل إلى إيجاد ما يسمى بـ (كيمياء الفمتو ثانية) التي نشرحها بالتفصيل فيما يلي¡ ولاستخدام آلات التصوير الفائقة السرعة لمراقبة التفاعلات الكيميائية وذلك بسرعة الفمتو ثانية. وقد أكدت الأكاديمية السويدية في حيثيات منحها الجائزة لأحمد زويل إن هذا الاكتشاف قد أحدث ثورة في علم الكيمياء وفي العلوم المرتبطة به¡ إذ أن البحوث التي قام بها تسمح لنا بأن نفهم وبأن نتنبأ بالتفاعلات المهمة.

ولا يزال زويل يعمل حاليا كأستاذ للكيمياء الفيزيائية في معهد كاليفورنيا للتقنية وهو يحتفظ بجنسيته المصرية إلي جانب الجنسية الأمريكية التي اكتسبها منذ سنوات. وقد حصل زويل قبل نيله نوبل على العديد من الدرجات العلمية منها زمالة جامعة (بيركلي) عام 1975 ثم عمل أستاذاً مساعداً للطبيعة الكيميائية بمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في باسادينا عام 1976 حتى عام 1978 ثم أستاذاً مشاركاً للفيزياء الكيميائية بنفس المعهد حتى عام 1982 ثم عمل أستاذاً للطبيعة الكيميائية من 1982 حتى الآن وفى عام 1981 حصل على جائزة بحوث الكيمياء المتميزة من مؤسسة (ان ار سى) ببلجيكا واختارته الجمعية الأمريكية للطبيعة لزمالتها عام 1982. وفى عام 1981 حصل على جائزة وكالة ناسا للفضاء. كما حصل على جائزة المؤسسة القومية الأمريكية للعلوم خلال عامي 1982 و 1984 ثم حصل على جائزة الملك فيصل في الطبيعة عام 1989 وجائزة هوكست 1990 وفى نفس العام تم اختياره الشخصية المصرية الأمريكية¡ كما منحته جامعة أكسفورد الدكتوراه الفخرية عام 1991. وفى عام 1993 منحته الجامعة الأمريكية بالقاهرة الدكتوراه في العلوم وأخيرا تم منحه وشاح النيل عام 1994 . وقد رشح د.احمد زويل لنيل جائزة نوبل أكثر من مرة وللدكتور "أحمد زويل " مجموعة من الأجهزة المسجلة باسمه وأربعة كتب علمية ¡ وما يزيد عن 250 بحثا علميا في مجالات الليزر.

تقنيات التصوير: فن اللعب بالضوء

بتطرقنا لـ (تقنيات التصوير) فإننا لن نتناول بالضرورة أنواع الكاميرات الرقمية التي باتت تزيح أسلافها الفيلمية عن الساحة. لن نتكلم هنا عن عدد (الميغا بيكسلات) في الكادر أو كيفية عمل (مستشعرات) تلك الآلات الرقمية. الحديث عن تقنيات التصوير سيأخذنا إلى استكشاف الآفاق العلمية التي تُسهم فيها الصور المرئية بأكثر مما تفعل النظريات والمعادلات الرياضية المعقدة.. ولتظل القدرة على التقاط ثمة صور إبداعاً علمياً بذاتها!

ستغطي مادة هذا فرعين أساسيين علهما يغطيان كامل طيف التصوير العلمي: تصوير الأجرام السماوية¡ وتقنيات تصوير الأجسام الذريّة.



تصوير الفضاء: النظر للماضي



يظل التطلع للفضاء هو وسيلتنا الوحيدة للآن للسفر عبر الزمن والتطلع فعلاً لمنظر ينتمي للماضي. فالسنوات الضوئية التي تمثل بعد النجوم عنا ليست سوى الزمن الذي يستغرقه وصول ضوئها إلينا.

بالنسبة للتصوير الفضائي¡ تلعب الأقمار الاصطناعية والمسابر الدور المحوري في هذا المجال. كونها تحلق بحرية في الخواء متجررة من الغلاف الجوي الذي يعيق عمل التليسكوبات الأرضية. ويبز اسم المسبار أو المنظار الفضائي (هابُل) كأبز أداة تصوير فضائي على الإطلاق.

فمنذ إطلاقه من على متن المكوك الفضائي الأميركي عام 1990¡ التقط هذا المنظار الفضائي أوضح وأروع الصور الكونية التي رأتها العين البشرية على الإطلاق.

يحمل منظار الفضاء هابُل اسم عالم الفلك الأميركي (إدوين بي هابُل – Edwin Hubble) (1889 -1953) الذي حقق اكتشافات مهمة في عشرينات القرن الماضي غيّرت من مفهومنا عن الكون. وباستخدامه لأكثر أشكال التقنية تطوراً ¡ اكتشف هابُل أن الغيوم الباهتة الكثيرة في السماء ليست نجوماً بل مجرات بعيدة خارج مجرّة درب التبّانة¡ وأن كلاً منها يحتوي على ملايين النجوم. وفجأة اكتشفت البشرية أن الكون أكبر بكثير مما كانت تظن! كما اكتشف هابُل أنه كلما نأت مجرّة ما عن الأرض كلما زادت سرعتها عبر الفضاء¡ وهو ما يُعرف اليوم بثابتة هابُل. وقد أدى هذا الفهم إلى بروز فكرة الكون المتمدد (أو الكون الآخذ في الاتساع) ثم إلى نظرية "الانفجار العظيم" عن أصل الكون.

لقد رصد منظار هابُل مشاهد يتعذر رصدها عبر أقوى المناظير الأرضية. ومع أن الهواء ليس ملموسا¡ فإنك عندما تنظر عبر كيلومترات من الغلاف الجوي¡ يصبح كثيفا كالماء. فالفوارق في حرارة الهواء وكثافته تشوه الضوء¡ وتجعل النجوم لامعة ومتلألئة.

يملك هابُل¡ الذي يدور على ارتفاع 569 كيلومترا فوق سطح الأرض¡ رؤية واضحة للكون. وهو يسافر بسرعة تفوق الـ28 ألف كيلومتر في الساعة¡ ويدور دورة كاملة حول الكوكب كل 97 دقيقة¡ ويجمع الضوء بمرآته الأساسية البالغ قطرها 2.4 متراً.

تحافظ (جيروسكوبات) وهي أدوات شديدة الدقة تُبقي التلسكوب مُصوّبا على الهدف بدقة تبلغ 0.007 ثانية قوسية على ثبات المنظار الفضائي وتمكّنه من التركيز على نقطة في باريس بحجم قطعة معدنية صغيرة وعدم الانحراف عنها حتى ولو كان المنظار في لندن.

وينتج المنظار 10 إلى 15 غيغابايت من الصور والبيانات العلمية كل يوم. وقد التقط أكثر من 700 ألف صورة خلابة لسحب ضخمة من الغاز المضيء¡ ولمجموعة متنوعة من المجرات والأجسام غير المألوفة¡ ولولادة النجوم وموتها.

ويعتبر هابُل هو المرصد الأكثر شهرة بين أربعة "مراصد عظيمة" وضعتها وكالة الفضاء القومية الأميركية (ناسا) في مدار حول الأرض لدراسة الكون من خلال موجات ضوئية مختلفة. ويعمل أحد المناظير في نطاق الأشعة دون الحمراء من طيف الألوان¡ ويكشف منظار آخر الأشعة السينية¡ ويدرس منظار ثالث أشعة (غاما) المتحركة. أما هابُل¡ المنظار الوحيد الذي يعمل في الطيف المرئي للضوء¡ فهو أجودها.

وتقضي إحدى المهام الرئيسية للمنظار الفضائي بقياس المسافات بدقة في الكون. ويتيح هذا للعلماء احتساب سرعة توسع الكون المعروفة بثابتة هابُل التي تحدد بدورها عمر الكون.

فوفقاً لتلك النظرية¡ ولد الكون بانفجار ضخم¡ وهو يتوسع منذ ذلك الحين. وطيلة سنوات¡ ظن العلماء أن ذلك حصل قبل 10 إلى 20 مليار عام. غير أن هابُل حصر عمر الكون بما بين 12 و15 مليار عام. وتحدد المشاهدات الحديثة عمر الكون بـ13.5 مليار عام¡ بزيادة أو نقصان مليار عام.

النتائج العلمية التي يمكن التوصل لها عبر المناظير الفضائية مثل هابل لا متناهية. فقد أراد العلماء أن يعرفوا ما يمكن رؤيته في الفراغ. فتم في شهر ديسمبر 1995¡ تصويب هابُل إلى جزء مظلم وفارغ في الفضاء. وتم تركيز المنظار على بقعة صغيرة يبدو أنها خالية من النجوم والمجرات¡ وهي منطقة بحجم عُشر قطر القمر.
وأبقيت كوة التلسكوب مفتوحة لفترة طويلة - مليون ثانية أو أكثر من عشرة أيام- لجمع أكبر كمية ممكنة من الضوء. وبعد تثبيت هابُل بجيروسكوبات دقيقة¡ راح يسبر أغوار الظلمة الحالكة لالتقاط أضعف ضوء تم تسجيله. وعندما نظر العلماء إلى الصورة¡ ذُهلوا لرؤيتهم حقلا مكتظا بالمجرات يشمل أكثر من 10 آلاف مجرة في هذه البقعة الصغيرة من السماء (الفارغة).

خلال السنوات الـ15 الماضية¡ قطع هابُل أكثر من 3 مليارات ميل. الآن وقد أشرفت مهمته على نهايتها¡ فإن مستقبل هابُل غير أكيد. لقد مُنع المكوك الفضائي من استئناف مهمته الفضائية بعد تحطم مكوك كولومبيا في شباط/فبراير 2003¡ وفي السنة التالية ألغت ناسا مهمة لصيانة هابُل كان مقررا إجراؤها عام 2006.
ومن المفترض سحب المكوك الفضائي من الخدمة بحلول عام 2010. هذا العامل الدؤوب الذي خدم البرنامج الفضائي الأميركي ومحطة الفضاء الدولية لأكثر من عقدين¡ قائم على تكنولوجيا السبعينات. وتطور ناسا الجيل التالي من المركبات الفضائية¡ التي قد لا تصبح جاهزة للعمل قبل عام 2014¡ ما يعني أن برنامج الفضاء الأميركي سيتوقف عن العمل طيلة أربع سنوات.

من الناحية التكنولوجية¡ ما زال في هابُل رمق. فوكالة ناسا تميل إلى "الإفراط في هندسة" مشاريعها متخذةً الكثير من التدابير الوقائية الإضافية. مسبارا فوياجر 1 و2¡ اللذان أطلقا عام 1977¡ لا يزالان يعملان ويبثان إشارات ضعيفة رغم أنهما تخطيا مهلة عملهما بسنوات.

لقد تجاوز المسباران مدار أبعد كوكب وهما أول آلتين من صنع الإنسان تغادران النظام الشمسي. وسيسافران لمدة 50 ألف عام على الأقل قبل أن يصلا إلى نجم آخر.

ويأمل الكثير من العلماء في إنقاذ هابُل. قد يعمّر المنظار الفضائي سنوات إضافية إنْ أرسلت بعثات لصيانته.
وقد طُرح اقتراح لصيانة المنظار الفضائي على أيدي رجال آليين¡ لكن العملية مكلفة جدا وأكثر تعقيدا مما تتيحه التكنولوجيا الحالية. وقد أشارت ناسا إلى إمكانية إرسال بعثة لصيانة هابُل عام 2007¡ لكن تمويل المشروع قد يكون صعبا. "الأمر يبدو ميؤوسا منه"¡ كما يقول نول.