بيتر زيمان: شطر الضوء بالمغناطيس

في 12 مارس 1862، قرب نهاية حياته المهنية، وضع مايكل فاراداي (Michael Faraday) مصدراً ضوئياً بين قطبي مغناطيس ونظر عبر مطياف بحثاً عن أي تغيير. سجلت مذكراته النتيجة: "لم يثبت وجود أي تأثير ولو طفيف، سواء بالضوء المستقطب أو غير المستقطب". بعد ثماني سنوات، كتب جيمس كليرك ماكسويل (James Clerk Maxwell) أنه لا توجد قوة في الطبيعة يمكنها تغيير كتلة أو فترة تذبذب الجسيمات المنبعثة للضوء ولو قليلاً. وبين الاثنين، أغلق أعظم سلطتين في هذا المجال المسألة. في أغسطس 1896، أعاد محاضر هولندي يبلغ من العمر واحداً وثلاثين عاماً فتحها.

من زونيمير إلى ليدن

ولد بيتر زيمان (Pieter Zeeman) في 25 مايو 1865 في زونيمير، بمقاطعة زيلاند الهولندية. درس في جامعة ليدن تحت إشراف هندريك أنتون لورنتس (Hendrik Antoon Lorentz)، الذي كان حينها فيزيائياً نظرياً بارزاً في هولندا، وبدأ التدريس هناك في عام 1890. بعد ست سنوات، أجرى التجربة التي جعلت اسمه مشهوراً.

تأثير كير، وفكرة

لم تأتِ الفكرة من فراغ. قال زيمان لجمهور نوبل في عام 1902: "جاءتني الفكرة أثناء التحقيق في التأثير الذي اكتشفه كير (John Kerr) على الضوء المنعكس بواسطة المرايا المغناطيسية". إذا كان المغناطيس يمكن أن يغير الضوء الذي ارتد عن سطح ممغنط، فلماذا لا يغير الضوء في لحظة انبعاثه؟ كان فاراداي قد أثبت بالفعل أن المجال المغناطيسي يدور مستوى استقطاب الضوء المار عبر وسط ما. كما بحث فاراداي عن التأثير الأكثر جوهرية ولم يجد شيئاً، ومن المحتمل أن النتيجة السلبية لفاراداي قد ثبطت عزيمة أي شخص آخر من المحاولة لعقود، كما أشار زيمان.

أغسطس 1896

في ليدن، وضع زيمان لهب الصوديوم بين قطبي مغناطيس كهربائي قوي وفحص ضوءه باستخدام محزوز حيود رولاند (Rowland diffraction grating) — الذي كان في ذلك التاريخ أدق أداة طيفية موجودة. ينتج الصوديوم خطين أصفرين حادين، وهما من بين السمات الأكثر شهرة في أي طيف. مع تنشيط المغناطيس، توسع كل خط.

التوسع نتيجة مشبوهة؛ فهي ما تحصل عليه من الحرارة والضغط والتلوث وعشرات الأسباب العادية الأخرى. ما أثبته زيمان هو أن اللهب كان يبعث ليس فقط تردده الأصلي بل تذبذبات إضافية ذات فترة أكبر وأصغر - لم يكن الخط ملطخاً بل مقسماً. كان المقدار ضئيلاً، تقريباً جزء من ثلاثين من الفجوة بين خطي الصوديوم. كان اكتشافه على الإطلاق إنجازاً في أدوات القياس.

خطوط لورنتس الثلاثة

قدم لورنتس التفسير، وكان هو التفسير الذي جعل النتيجة تاريخية. وفقاً لنظريته، تحتوي الذرات على جسيمات صغيرة مشحونة كهربائياً — إلكترونات — ينتج اهتزازها الضوء. ضع مثل هذه الشحنة المهتزة في مجال مغناطيسي وتتحلل حركتها إلى ثلاثة مكونات: تذبذب خطي مستقيم على طول المجال، غير متأثر، وتذبذبان دائريان في اتجاهين متعاكسين تتغير فتراتهما، واحدة للأعلى والأخرى للأسفل. هذا يتنبأ بشيء محدد جداً. عند النظر بزوايا قائمة على المجال، يجب أن ترى ثلاثة خطوط، الأوسط منها مستقطب موازٍ للمجال والخارجان عموديان عليه. عند النظر على طول المجال، يجب أن ترى خطين فقط، ويجب أن يكونا مستقطبين دائرياً في اتجاهين متعاكسين.

نظر زيمان، وتحققت كل واحدة من تلك التوقعات. قال في ستوكهولم: "ترون كيف تم تأكيد النتائج المترتبة على نظرية البروفيسور لورنتس بشكل جميل من خلال الملاحظة".

رقم هائل

جاءت أعمق نتيجة من حجم التقسيم، لأن الإزاحة تعتمد على نسبة شحنة الجسيم المهتز إلى كتلته. حسب زيمان الرقم وحصل على حوالي 10⁷ وحدة سنتيمتر-جرام-ثانية لكل جرام — "رقم هائل"، أكبر بحوالي ألف مرة من الرقم المقابل المشتق من التحليل الكهربائي. كان ما يهتز داخل الذرة لصنع الضوء حوالي جزء من ألف من كتلة الذرة نفسها. كان صريحاً بشأن ما يعنيه هذا لحظوظه: لو لم تكن النسبة كبيرة بشكل غير متوقع، "لما حظيت بشرف مخاطبتكم في ستوكهولم اليوم".

ذهب إلى أبعد من ذلك. من اتجاه الخط المزدوج واتجاه الاستقطاب حدد الإشارة: الإلكترونات المهتزة مشحونة سلباً. وتطابقت الخصائص مع تلك التي يتم قياسها لأشعة الكاثود (cathode rays)، مما يشير — في صياغته الدقيقة الخاصة — إلى أن ما يهتز في مصدر الضوء هو نفس الشيء الذي ينتقل في أنبوب أشعة الكاثود. كان هذا في عامي 1896 و1897، وهي بالضبط اللحظة التي بدأ فيها الإلكترون يصبح كائناً حقيقياً بدلاً من كونه وسيلة نظرية مريحة.

أمستردام وما بعدها

أصبح زيمان أستاذاً للفيزياء في جامعة أمستردام في عام 1900 ومديراً لمعهدها الفيزيائي منذ عام 1908. في عام 1902 شارك هو ولورنتس جائزة نوبل في الفيزياء، حيث سمّى تكريم زيمان اكتشافه للتأثير الذي يحمل اسمه. تحولت أبحاثه اللاحقة إلى انتشار الضوء عبر الأوساط المتحركة — الماء، الكوارتز، زجاج الصوان — وهو عمل بصري دقيق من النوع الذي كان مجهزاً بشكل فريد للقيام به. توفي في أمستردام في 9 أكتوبر 1943 عن عمر يناهز الثامنة والسبعين.

لماذا يُسمى بيتر عبقرياً

تلك الجودة هي صفة محددة ومستهانة بها: الاستعداد لإعادة فتح مسألة أعلنت أعظم أسماء المجال أنها مغلقة، مقترنة بالمهارة التجريبية لرؤية شيء أصغر بألف مرة مما بحث عنه أي شخص. حاول فاراداي وفشل. أعلن ماكسويل أنه مستحيل من حيث المبدأ. مضى زيمان قدماً، وكان العامل الحاسم ليس الجرأة وحدها بل الحرفة — معرفة أن محزوز رولاند يمكنه حل ما لا يستطيع المطياف الذي يعود لمنتصف القرن حله، والتعرف على تقسيم حقيقي داخل ما بدا كأنه توسع عادي، ثم اختبار توقعات لورنتس للاستقطاب بشكل منهجي بدلاً من الاكتفاء بالعناوين الرئيسية. إن استخراج نسبة الشحنة إلى الكتلة من حجم إزاحة طيفية، وإشارة من اتجاه الاستقطاب الدائري، هو استنتاج من رتبة عالية.

القضية المضادة حقيقية وكان زيمان سيكون أول من يطرحها. كانت النظرية لنظرية لورنتس، وليس له؛ كانت نوبل مشتركة، والكثير مما يجعل الاكتشاف مهماً — نموذج الإلكترون، الثلاثية المتوقعة، قواعد الاستقطاب — جاء من معلمه. كان تجريبياً تصادف وجوده بجانب المنظر الصحيح في اللحظة المناسبة. كما أنه لم يستطع تفسير أنماط التقسيم المعقدة التي سُميت لاحقاً بتأثير زيمان الشاذ، والتي تبين أنها تتطلب دوران الإلكترون وميكانيكا الكم — وهي آليات كانت بعد عقدين من الزمن. وجي جي طومسون (J. J. Thomson)، الذي عمل بشكل مستقل في كامبريدج، يتلقى عموماً الفضل في الإلكترون. عبقرية زيمان هي عبقرية القياس بدلاً من الأفكار، وهو نوع أقل من الشهرة وليس نوعاً أقل من العلم.

الإرث

تحول تأثير زيمان إلى واحدة من أكثر أدوات التشخيص إنتاجية في الفيزياء. ولأن فصل الخطوط يتناسب مع قوة المجال، يصبح الطيف مقياساً للمغناطيسية: يستخدمه علماء الفلك لقياس المجالات المغناطيسية في النجوم والبقع الشمسية، على مسافات حيث لا يمكن قياس أي شيء مباشرة. في المختبر، يتحقق من مستويات الطاقة الذرية ويكشف عن الخصائص الدورانية والنووية، وهو الأساس للرنين المغناطيسي الإلكتروني ومطيافية الرنين المغناطيسي النووي — سلف، عبر سلالة طويلة من النسب، لماسح الرنين المغناطيسي (MRI). كان فاراداي، الذي أطلق بعظمة على محاولاته الخاصة "مغنطة الضوء" و"إضاءة خطوط القوة"، محقاً في كل شيء باستثناء ما إذا كان ذلك ممكناً.