إدوارد ميلز بورسيل: الفيزيائي الذي سمع غناء الهيدروجين

في ظهيرة أحد أيام ديسمبر عام 1945، وفي مبنى مختبر من أيام الحرب في جامعة هارفارد لا يزال تفوح منه رائحة اللحام وأجزاء الرادار، قام إدوارد ميلز بورسيل (Edward Mills Purcell) واثنان من زملائه بتوجيه عينة بارافين نحو جهاز استقبال لاسلكي، والتقطوا لأول مرة إشارة الامتصاص الخافتة للأنوية الذرية وهي تنقلب في مجال مغناطيسي. استغرقهم الأمر أسابيع لإقناع أنفسهم بأن الإشارة حقيقية. وسوف يستغرق الأمر من الطب ثلاثة عقود أخرى لتحويلها إلى ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI).

مهندس من حزام المزارع يكتشف الفيزياء

وُلد بورسيل في 30 أغسطس 1912 في تايلورفيل، إلينوي، لإدوارد أ. بورسيل (Edward A. Purcell) وماري إليزابيث ميلز (Mary Elizabeth Mills)، ونشأ وهو يرتاد المدارس العامة هناك وفي مدينة ماتون القريبة. التحق بجامعة بوردو بهدف أن يصبح مهندساً كهربائياً، وتخرج في عام 1933، لكن فترة تدريب جامعية في إجراء أبحاث حيود الإلكترونات تحت إشراف الأستاذ كيه. لارك-هوروفيتز (K. Lark-Horovitz) وجهته نحو الفيزياء. عامٌ كطالب تبادل في الجامعة التقنية (Technische Hochschule) في كارلسروه بألمانيا، حيث درس تحت إشراف الأستاذ دبليو. فايزل (W. Weizel)، زاد من حدة هذا الاهتمام. عاد إلى الولايات المتحدة للعمل في الدراسات العليا في هارفارد، وحصل على درجة الدكتوراه في عام 1938 وبقي لفترة وجيزة كمدرس للفيزياء قبل أن تعيد الحرب العالمية الثانية تشكيل مسيرته المهنية، كما حدث مع كل فيزيائي تقريباً من جيله.

الرادار في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

في عام 1940، انضم بورسيل إلى مختبر الإشعاع في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، وهو البرنامج العاجل الذي بنى رادار الميكروويف للمجهود الحربي للحلفاء، وارتقى ليقود مجموعة التطورات الأساسية فيه. وضعه العمل جنباً إلى جنب مع آي. آي. رابي (I. I. Rabi) وغيره من الفيزيائيين الذين كانوا يبحثون في الخصائص الجزيئية والنووية بطرق لاسلكية، وترك بورسيل طليقاً في إلكترونيات الميكروويف التي سيحتاجها لاكتشافه الخاص في فترة ما بعد الحرب. كانت أبحاث الرادار، بمعنى ما، تدريباً مهنياً لمدة خمس سنوات على أدوات الرنين، رغم أنه لم يكن أحد في المشروع يفكر في التصوير الطبي.

اكتشاف الرنين المغناطيسي النووي

بعد عودته إلى هارفارد كأستاذ مشارك بعد الحرب، عمل بورسيل مع روبرت باوند (Robert Pound) وهنري توري (Henry Torrey) للكشف عن امتصاص الرنين المغناطيسي النووي في المادة السائبة - وهي الظاهرة التي تمتص بها الأنوية الذرية في مجال مغناطيسي طاقة التردد الراديوي وتعيد انبعاثها بتردد يعتمد على بيئتها الكيميائية المحلية. وجد فيليكس بلوخ (Felix Bloch) وفريقه في ستانفورد نفس التأثير بشكل مستقل وفي وقت واحد تقريباً، باستخدام طريقة كشف مختلفة، وتقاسم الفريقان جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1952 "لتطويرهم طرقاً جديدة للقياسات النووية المغناطيسية الدقيقة والاكتشافات المتعلقة بها". كانت لغة لجنة نوبل جافة؛ لكن النتيجة لم تكن كذلك. أعطى الرنين المغناطيسي النووي (NMR) للكيميائيين طريقة دقيقة وغير مدمرة لقراءة بنية الجزيئات، وبعد عقود أصبح الأساس الفيزيائي للتصوير بالرنين المغناطيسي، مما سمح للأطباء برؤية داخل جسم حي دون مبضع أو جرعة أشعة سينية. انتقل بورسيل نفسه بسرعة إلى الزوايا الأكثر دقة لهذه الظاهرة - استرخاء صدى الدوران، وأوقات الاسترخاء المغناطيسي النووي، والمفهوم الغريب ولكنه الحقيقي لدرجة حرارة الدوران السالبة، وهي نتيجة ثبت لاحقاً أنها ذات صلة بنظرية الليزر.

الاستماع إلى المجرة

لم يتوقف فضول بورسيل العلمي عند مقعد المختبر. فقد تنبأ ثم ساعد في تأكيد الكشف عن خط انبعاث الراديو بطول 21 سم من ذرات الهيدروجين المتعادلة المنتشرة عبر الفضاء بين النجوم - وهي إشارة خافتة جداً لدرجة أن العثور عليها تطلب توسيع نفس تقنيات الرنين التي أنتجت الرنين المغناطيسي النووي لتصل إلى مسافات فلكية. سمح خط الـ 21 سم لعلماء الفلك برسم خريطة للبنية الحلزونية لمجرة درب التبانة لأول مرة وأسس فعلياً مجال علم الفلك الراديوي كعلم منهجي. كانت حالة نادرة لتقنية مختبرية لفيزيائي واحد تعيد تشكيل الطب وعلم الكونيات ضمن مسيرة مهنية واحدة.

أستاذ، مؤلف كتب مدرسية، ومستشار رئاسي

بالعودة إلى هارفارد، ترقى بورسيل إلى أستاذ كامل في عام 1949 وشغل في النهاية لقب أستاذ جامعة جيرهارد جاد (Gerhard Gade). عمل رئيساً للجمعية الفيزيائية الأمريكية وكان عضواً في الأكاديمية الوطنية للعلوم والأكاديمية الأمريكية للفنون والعلوم. قادته مكانته العلمية إلى الخدمة الحكومية: جلس في اللجنة الاستشارية العلمية للرئيس بدءاً من عام 1957 في عهد دوايت أيزنهاور (Dwight Eisenhower) واستمر في تقديم المشورة لجون إف. كينيدي (John F. Kennedy) وليندون جونسون (Lyndon Johnson)، وهو جزء من جيل الفيزيائيين السياسيين الذين استدعتهم الحرب الباردة إلى واشنطن. كما ترك بصمة في تدريس الفيزياء أبعد بكثير من اكتشافاته الخاصة، حيث ألف الكتاب المدرسي "الكهرباء والمغناطيسية" (Electricity and Magnetism) كجزء من دورة فيزياء بيركلي، وهو مشروع بتمويل من مؤسسة العلوم الوطنية (NSF) في عصر سبوتنيك، يتميز بنسج النسبية الخاصة مباشرة في عرض الكهرومغناطيسية - وهو خيار تعليمي لا يزال معجباً به معلمو الفيزياء. كما أنه معروف بمحاضرة عام 1976 التي تم الاستشهاد بها على نطاق واسع، "الحياة عند رقم رينولدز منخفض" (Life at Low Reynolds Number)، والتي شرحت بوضوح مذهل لماذا تخضع السباحة على نطاق مجهري - لبكتيريا، على سبيل المثال - لقواعد فيزيائية مختلفة تماماً عن السباحة على نطاق بشري، وقدمت ما أصبح يسمى مبرهنة الإسكالوب للحركة التبادلية في السوائل اللزجة. وشملت التكريمات اللاحقة ميدالية أورستد (Oersted Medal) في عام 1967 والميدالية الوطنية للعلوم في عام 1979.

لماذا يُدعى إدوارد عبقرياً

تستند حجة تسمية بورسيل بالعبقري إلى اتساق نادر في حدس بناء الأدوات المطبق عبر مقاييس مختلفة تماماً، أكثر من استنادها إلى ومضة واحدة من البصيرة. نفس التقنية - إثارة دورات الدوران النووي بموجات الراديو وقراءة الإشارة الخافتة التي ترسلها - سمحت له بالعثور على ظاهرة مختبرية ذات مردود كيميائي وطبي فوري، وبعد بضع سنوات، اكتشاف همس من ذرات الهيدروجين المنتشرة عبر المجرة. أشار الزملاء ومؤرخو العلوم اللاحقون إلى هذا النطاق، بالإضافة إلى قدرته على شرح الفيزياء الصعبة بلغة بسيطة، كعلامة على حدس فيزيائي عميق بشكل غير عادي وليس مجرد مهارة تقنية. الحجة المضادة الصادقة هي أن بورسيل لم يكتشف الرنين المغناطيسي النووي بمفرده أو في عزلة: فقد توصل فريق فيليكس بلوخ إلى نفس الفيزياء بشكل مستقل في غضون أسابيع باستخدام طريقة مختلفة، وبنى بورسيل عمله مباشرة على إلكترونيات الرادار في زمن الحرب التي طورها مئات المهندسين في مختبر الإشعاع التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. تكمن عبقريته، إن جاز التعبير، في إدراك ما يمكن أن تكشفه قطعة مألوفة من أجهزة الرادار حول الداخل غير المرئي للمادة - ثم في شرح ذلك الكشف، في الكتب المدرسية والمحاضرات، بوضوح شديد لدرجة أنه أصبح معرفة عامة للجيل القادم من الفيزيائيين.

الإرث

توفي بورسيل في 7 مارس 1997 في كامبريدج، ماساتشوستس، عن عمر يناهز أربعة وثمانين عاماً. التقنية التي ساعد في اكتشافها في مختبر رادار محول تجلس الآن داخل أجنحة التصوير بالرنين المغناطيسي في المستشفيات وأقسام الكيمياء في جميع أنحاء العالم، وتظل طريقة رسم خرائط السماء التي رائدها أداة عمل في علم الفلك الراديوي - وهي حالة نادرة لبصيرة فيزيائي واحد تعيد تشكيل الطب وعلم الكونيات في وقت واحد.