الطاقة هي إحدى صور الوجود، فالكون مكون من أجرام (أجسام) وطاقة. منذ النظرية النسبية لأينشتاين نعرف تكافؤ المادة والطاقة، فالطاقة يمكن أن تتحول إلى مادة وبالعكس يمكن للمادة أن تتحول إلى طاقة. وقد رأينا تحول المادة إلى طاقة في اختراع القنبلة الذرية.

يمكن للطاقة أن تأخذ أشكالًا متنوعة منها طاقة حرارية، كيميائية، كهربائية، إشعاعية، نووية، طاقة كهرومغناطيسية، وطاقة حركية. هذه الأنواع من الطاقة يمكن تصنيفها بكونها طاقة حركية أو طاقة كامنة، في حين أن بعضها يمكن أن يكون مزيجًا من الطاقتين الكامنة والحركية معًا، وهذا يدرس في الديناميكا الحرارية.

جميع أنواع الطاقة يمكن تحويلها مِن شكل لآخر بمساعدة أدوات بسيطة أو أحيانًا تستلزم تقنيات معقدة مثلاً من الطاقة الكيميائية إلى الكهربائية عن طريق الأداة الشائعة البطاريات أو المركمات، أو تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية وهذا نجده في محرك احتراق داخلي، أو تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية، وهكذا.

وقد بينت نظرية النسبية لأينشتاين أن المادة والطاقة هما صورتان لشيء واحد، وعرفنا تكافؤ المادة والطاقة، هذا الاكتشاف اكتشفه أينشتاين عام 1905 وكتبه في النسبية الخاصة، ويعبر عن تكافؤ الطاقة والمادة بمعادلته الشهيرة: E=mc2. هذا الاكتشاف الذي نتج عنه اختراع القنبلة الذرية التي ألقيت على هيروشيما عام 1945 وأنهت الحرب العالمية الثانية بين اليابان والولايات المتحدة. ونعرف تحول المادة إلى طاقة من الانشطار النووي والاندماج النووي.

مصطلحات الطاقة وتحولاتها مفيدة جدًا في شرح العمليات الطبيعية. فحتى الظواهر الطقسية مثل الريح، والمطر والبرق والأعاصير تعتبر نتيجة لتحولات الطاقة التي تأتي من الشمس على الأرض. الحياة نفسها تعتبر أحد نتائج تحولات الطاقة: فعن طريق التمثيل الضوئي يتم تحويل طاقة الشمس إلى طاقة كيميائية في النباتات، يتم لاحقا الاستفادة من هذه الطاقة الكيميائية المختزنة في عملية التمثيل الغذائي للكائنات الحية والإنسان. ومن النبات ينتج الخشب وهو مصدر آخر للطاقة يرجع أصلها إلى الشمس.

ضمن الاستخدام الاجتماعي: تطلق كلمة «طاقة» على كل ما يندرج ضمن مصادر الطاقة، إنتاج الطاقة، واستهلاكها وأيضا حفظ موارد الطاقة. بما أن جميع الفعاليات الاقتصادية تتطلب مصدرا من مصادر الطاقة، فإن توافرها وأسعارها هي ضمن الاهتمامات الأساسية والمفتاحية. في السنوات الأخيرة برز استهلاك الطاقة كأحد أهم العوامل المسببة للاحترار العالمي مما جعلها تتحول إلى قضية أساسية في جميع دول العالم.

تاريخ
كلمة الطاقة مشتقة من اليونانية القديمة: ἐνέργεια، بالحروف اللاتينية: energeia، حرفيًا. «نشاط، عملية»، والتي من المحتمل ظهورها لأول مرة في أعمال أرسطو في القرن الرابع قبل الميلاد. على عكس التعريف الحديث، كان Energeia مفهومًا فلسفيًا نوعيًا، واسعًا بما يكفي ليشمل أفكارًا مثل السعادة والمتعة.

في أواخر القرن السابع عشر، اقترح غوتفريد لايبنتس فكرة (باللاتينية: vis viva)، أي القوة الحية، والتي تُعرَّف على أنها ناتج كتلة جسم ما ومربع سرعته؛ كان يعتقد أن مجموع القوة الحية محفوظ. لحساب التباطؤ بسبب الاحتكاك، افترض لايبنتس أن الطاقة الحرارية تتكون من الحركة العشوائية للأجزاء المكونة للمادة، على الرغم من أن الأمر سيستغرق أكثر من قرن حتى يقبل هذا المفهوم بشكل عام. يختلف المفهوم الحديث لهذه الخاصية، الطاقة الحركية، عن مفهوم القوة الحية فقط بمعامل 2 (اثنين).

في عام 1807، ربما كان توماس يونغ هو أول من استخدم مصطلح «الطاقة» بدلاً من «القوة الحية» بالمعنى الحديث. وصف غاسبارد-غوستاف كوريوليس «الطاقة الحركية» عام 1829 بمعناها الحديث، وفي عام 1853 صاغ وليم رانكين مصطلح «الطاقة الكامنة». وُضِعَ قانون حفظ الطاقة أيضًا لأول مرة في أوائل القرن التاسع عشر، وينطبق على أي نظام معزول. لقد قيل لعدة سنوات عما إذا كانت الحرارة مادة فيزيائية، أو يطلق عليها اسم نظرية الكالوريك، أو مجرد كمية فيزيائية، مثل الزخم. في عام 1845 اكتشف جيمس بريسكوت جول الصلة بين الشغل الميكانيكي وتوليد الحرارة.

أدت هذه التطورات إلى نظرية الحفاظ على الطاقة، التي صاغها وليام طومسون (اللورد كلفن) كمجال للديناميكا الحرارية. ساعدت الديناميكا الحرارية في التطور السريع لتفسيرات العمليات الكيميائية بواسطة رودولف كلاوزيوس، وجوزيه غيبس، وفالتر نيرنست. كما أدى إلى صياغة رياضية لمفهوم الإنتروبيا بواسطة كلاوزيوس وإدخال قوانين الطاقة المشعة بواسطة جوزيف ستيفان. وفقًا لمبرهنة نويثر، فإن الحفاظ على الطاقة هو نتيجة لحقيقة أن قوانين الفيزياء لا تتغير بمرور الوقت. وهكذا، منذ عام 1918، أدرك المنظرون أن قانون حفظ الطاقة هو النتيجة الرياضية المباشرة للتناظر الانتقالي للكمية المقترنة بالطاقة، أي الوقت.

تحول الطاقة
يمكن تحويل الطاقة الكيميائية المختزنة في بطارية الجيب إلى ضوء. كما تتحول الطاقة الكيميائية المختزنة في بطارية الرصاص إلى طاقة كهربائية. أو تحويل طاقة أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية عن طريق لوح ضوئي.

كمية الطاقة الموجودة في العالم ثابتة على الدوام، فالطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم (قانون حفظ الطاقة)، وإنما تتحول من شكل إلى آخر. وعندما يبدو أن الطاقة قد استنفذت، فإنها في حقيقة الأمر تكون قد تحولت إلى صورة أخرى، لهذا نجد أن الطاقة هي قدرة للقيام بالشغل تكون نتيجته مثلا طاقة حركية أو طاقة إشعاعية. فالطاقة التي يصاحبها حركة يطلق عليها طاقة حركة. والطاقة التي لها صلة بالموضع (الجاذبية) يطلق عليها طاقة الوضع (جهدية). فالبندول المتأرجح تختزن به طاقة وضع عند نقطتي النهائية (أعلى نقطتين أثناء حركة البندول، يمين ويسار)، وعند كل نقطة نهائية لاهتزاز البندول تتحول طاقة الوضع إلى طاقة حركية لذلك يعود في اتجاه وضع التوازن (أسفل) ومنه إلى النقطة النهائية الثانية، وهكذا.

الطاقة توجد في عدة أشكال كالطاقة الميكانيكية (حركية)، والطاقة الحرارية، والطاقة الكيميائية، والطاقة الكهربائية، والطاقة الإشعاعية.

أثبت أينشتاين تكافؤ المادة والطاقة في نظرية النسبية، أي يمكن تحول المادة إلى طاقة وهذا ما يحدث في الشمس (اندماج نووي)، كما يمكن أن تتحول الطاقة إلى مادة مثلما في إنتاج زوجي حيث يتحول شعاع غاما إلى إلكترون وبوزيترون.

وحدات الطاقة
في عام 1843، اكتشف جيمس بريسكوت جول بشكل مستقل المعادل الميكانيكي في سلسلة من التجارب. أشهرها استخدم «جهاز جول»: يسبب وزن تنازلي، مرتبط بخيط، في دوران مجداف مغمور في الماء، معزول عمليا عن انتقال الحرارة. وأظهر أن طاقة وضع الجاذبية التي فقدها الوزن في النزول كانت مساوية للطاقة الداخلية التي يكتسبها الماء من خلال الاحتكاك بالمجداف.

في النظام الدولي للوحدات (SI)، وحدة الطاقة هي الجول، التي سميت باسم جول. على أنها وحدة مشتقة. إنها تساوي الطاقة المستهلكة (أو الشغل المبذول) في تطبيق قوة مقدارها نيوتن واحد خلال مسافة متر واحد. ومع ذلك، يتم التعبير عن الطاقة أيضًا في العديد من الوحدات الأخرى التي ليست جزءًا من (SI)، مثل الإرج والسعرات الحرارية والوحدات الحرارية البريطانية والكيلوواط ساعة والسعرات الحرارية، والتي تتطلب عامل تحويل عند التعبير عنها بوحدات SI.

وحدة معدل الطاقة في النظام الدولي للوحدات (الطاقة لكل وحدة زمنية) هي الواط، وهو جول في الثانية. إذن، الجول الواحد يساوي واط في الثانية، و3600 جول يساوي واحد واط في الساعة. وحدة الطاقة CGS هي الإرج والوحدة الإمبراطورية والأمريكية المعتادة هي وحدة رطل قدم. تستخدم وحدات الطاقة الأخرى مثل إلكترون فولت أو السعرات الحرارية الغذائية أو السعرات الحرارية الديناميكية الحرارية (بناءً على تغير درجة حرارة الماء في عملية التسخين)، والوحدات الحرارية البريطانية في مجالات علمية وتجارة محددة.

بعض وحدات الطاقة:
1 جول = 1 كيلوجرام. متر2. ثانية −2
1 إرج = 1 جرام. سم2. ثانية −2
1 جول = 107 إرج
1 كيلوواط ساعة = 3,6. 106 جول
1 حصان = 2,68. 106 جول
كما توجد وحدة صغيرة تناسب التعامل مع الجسيمات الأولية والذرة وتستخدم في الفيزياء النووية، ذلك لأن الجول وكيلوواط ساعة وحدات كبيرة لهذا المجال. والوحدة التي يستخدمها الفيزيائيون للجسيمات الأولية هي الإلكترون فولت ومقدارها:

1 إلكترون فولت = 1.6023×10−19 جول
كتلة البروتون = 931 مليون إلكترون فولت
وهذه الأخيرة يمكن حسابها أيضاً بالجول أو بالكيلوجرام. متر2. ثانية −2.

تحويل وحدات الطاقة
لتحويل وحدات الطاقة انظر تحويل الوحدات.
أنواع الطاقة
تعتبر الطاقة الحيوانية أول طاقة شغل استخدمها الإنسان في فجر الحضارة عندما استخدم الحيوانات الأليفة في أعماله ثم شرع واستغل قوة الرياح في تسيير قواربه لآفاق بعيدة واستغل هذه الطاقة مع نمو حضارته واستخدمها كطاقة ميكانيكية في إدارة طواحين الهواء وفي إدارة عجلات ماكينات الطحن ومناشير الخشب ومضخات رفع الماء من الآبار وغيرها وهذا ما عرف بالطاقة الميكانيكية.

بعض أشكال الطاقة (التي يمكن أن يمتلكها جسم أو نظام كخاصية قابلة للقياس):
نوع الطاقة الوصف
ميكانيكية مجموع الطاقات الحركية والطاقات الكامنة للحركة الانتقالية والدورانية.
كهربائية الطاقة الكامنة الناتجة عن المجالات الكهربائية أو المخزنة فيها.
مغناطيسية الطاقة الكامنة الناتجة عن المجالات المغناطيسية أو المخزنة فيها.
جاذبية الطاقة الكامنة بسبب موضعها من حقل الجاذبية أو المخزنة في مجال الجاذبية.
كيميائية الطاقة الكامنة بسبب الروابط الكيميائية.
تأين الطاقة الكامنة التي تربط الإلكترون بذرته أو جزيئه.
نووية الطاقة الكامنة التي تربط النوى لتشكيل نواة الذرة (والتفاعلات النووية).
كروموديناميكا الطاقة الكامنة التي تربط الكواركات لتكوين الهادرونات.
مرنة الطاقة الكامنة بسبب تشوه مادة (أو حاويتها) وعندها تظهر قوة الاستعادة.
موجة ميكانيكية الطاقة الحركية والكامنة في مادة مرنة بسبب موجة تشوهية منتشرة.
صوتية الطاقة الحركية والكامنة في مائع بسبب موجة انتشار الصوت (شكل معين من الموجات الميكانيكية).
إشعاعية الطاقة الكامنة المخزنة في مجالات انتشارها عن طريق الإشعاع الكهرومغناطيسي، بما في ذلك الضوء.
ساكنة الطاقة الكامنة بسبب الكتلة الساكنة (rest mass).
حرارية الطاقة الحركية للحركة المجهرية للجسيمات، وهي شكل من أشكال المكافئ المضطرب للطاقة الميكانيكية.
طاقة حرارية
المقالة الرئيسة: طاقة حرارية
نجد الطاقة الحرارية في المحركات البخارية التي تحول الطاقة الكيميائية للوقود إلى طاقة ميكانيكية. فالآلة البخارية يطلق عليها آلة احتراق خارجي، لأن الوقود يحرق خارج المحرك في غلاية لتوليد البخار الذي بدوره يدير المحرك. لكن في القرن التاسع عشراخترع محرك الاحتراق الداخلي، مستخدما وقودا يحترق داخل الآلة (مثلما في السيارة، حيث يحترق البنزين داخل المحرك)، فتصبح مصدرا للطاقة الميكانيكية التي أستغلت في عدة أغراض كتسيير السفن والعربات والقطارات. ومن نماذج الوقود الحيوي الرخيص وقود روث الحيوانات الصلب.

الطاقة غير المتجددة نحصل عليها من باطن الأرض كسائب كما في النفط وكغاز كما في الغاز الطبيعي أو كمادة صلبة كما في الفحم الحجري وهي غير متجددة لأنه لايمكن صنعها ثانية أو استعواضها مجددا في زمن قصير وتلك المصادر هي أصلا تكونت من الطاقة الشمسية واختزنت في النفط والفحم والغاز وترجع جميع مصادر الطاقة المتجددة أيضا إلى الطاقة الشمسية (ماعدا الطاقة النووية) مصادر الطاقة المتجددة نجدها في طاقة الكتلة الحيوية التي تُستمد من مادة عضوية كإحراق النباتات وعظام الحيوانات وروث البهائم والمخلفات الزراعية فعندما نستخدم الخشب أو أغصان الأشجار أو روث البهائم في اشتعال الدفايات أو الأفران فهذا معناه أننا نستعمل وقود الكتلة الحيوية وفي الولايات المتحدة تستغل طاقة الكتلة الحيوية في توليد نحو 3% من مجمل الطاقة لديها لتوليد 10 آلاف ميجا وات من القدرة الكهربائية

وتستغل طاقة الحرارة الأرضية لتوليد الكهرباء والتسخين وهي تحتاج إلى حفر أبار عميقة بين 400 متر إلى 2000 متر لاستخراج الماء الساخن منها واستغلاله في التدفئة أو لتوليد الكهرباء

طاقة كهربائية
المقالة الرئيسة: طاقة كهربائية
في القرن 19 ظهر مصدر آخر للطاقة وهو الطاقة الكهربائية والتي تعرف بالكهرباء ويمكن الحصول على الكهرباء من الطبيعة عن طريق الصواعق والاحتكاك وهذا صعب وغير مجدٍ اقتصادياً ولكن يمكن توليد الكهرباء بعدة طرق أخرى منها الكيميائية مثل البطاريات أو عن طريق تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية وذلك بتحريك سلك موصل في مجال مغناطيسي كما في المولدات الكهربائية أو بتسخين مزدوج حراري كما في المزدوجة الحرارية

في البطاريات تكون الكهرباء المتولدة ذات تيار مستمر في المولدات الكهربائية تكون الكهرباء المولدة في الغالب ذات تيار متردد ويمكن أن تكون الكهرباء ذات تيار مستمر
طاقة نووية
ثم ظهرت الطاقة النووية التي استخدمت في المفاعلات النووية حيث يجري الانشطار النووي الذي يولد حرارة هائلة تولد البخار الذي يدير المولدات الكهربائية أو محركات السفن والغواصات لكن مشكلة هذه المفاعلات النووية تكمن في نفاياتها المشعة واحتمال حدوث تسرب إشعاعي أو انفجار المفاعل كما حدث في مفاعل تشيرنوبل الشهير

طاقة كهرمائية

السد العالي ،أسوان.
المقالة الرئيسة: طاقة كهرمائية
وطاقة كهرمائية التي تتولد من السدود حاليا نصف الطاقة المتجددة في الولايات المتحدة الأمريكية تأتي من الطاقة الكهرمائية وهي قوة دفع المياه التي تدير التوربينات والتي بدورها تسيّر مولد الكهرباء كما يحدث في مصر في السد العالي وفي أمريكا تمثل كهرباء الطاقة المائية 12% من جملة الكهرباء المنتجة ويمكن مضاعفتها إلي 72 ألف ميجاوات حيث تتوفر مياه الأنهار والبحيرات

طاقة الرياح
المقالة الرئيسة: طاقة الرياح
هناك أيضا طاقة قوة الرياح حيث تُستخدم مراوح كبيرة تدور بالهواء والرياح وبواسطة مولد كهربائي تقوم بإنتاج التيار الكهربائي كانت قوة الرياح تستغل في إدارة طواحين الهواء ومضخات رفع المياه كما إتبع في هولندا عندما نزح الهولنديون مساحات مائية من البحر لتوسيع الرقعة الزراعية عندهم سبب عدم انتشارها في العالم أصواتها المزعجة وقتلها للطيور التي ترتطم بشفراتها السريعة وعدم توفر الرياح في معظم المناطق بشكل مناسب.

طاقة المد والجزر
المقالة الرئيسة: طاقة المد والجزر
تستغل طاقة المد والجزر التي تبلغ في بعض المناطق قدرا مناسبا في إنتاج الطاقة الكهربائية تستغل طاقة المد والجزر في فرنسا والولايات المتحدة الإمريكية

طاقة كيميائية
في البطاريات تستغل الطاقة الكيميائية في توليد التيار الكهربائي وفي المراكم المستخدم في هاتف محمول وهي تنتج التيار الكهربائي من التفاعل الكيميائي أيضا في خلايا الطاقة التي تستغل الهيدروجين والأكسجين لإنتاج الكهرباء من خلال تفاعل كهربائي كيميائي

ويرافق جميع العمليات الكيميائية تغير في المواد أي تختفي مواد وتنتج مواد أخرى وجميع العمليات الكيميائية مصحوبة بتغير في الطاقة نطلق اسم طاقة كيماوية على الحرارة المنطلقه إلى الوسط المحيط لتفاعل كيمائي أو الطاقة التي تمتصها العملية من الوسط المحيط

طاقة إشعاعية
تنتقل الطاقة الشمسية إلى الأرض كطاقة إشعاعية في صورة الضوء، وهو موجات كهرومغناطيسية. كذلك تصدر النجوم طاقتها بصفة أساسية في صورة إشعاع.

طاقة المجموع
إن طاقة المجموع فعالة نظرياً بالنسبة للكمية القصوى للطاقة التي يمكن أن تؤخذ من الجسم، كما أنها تمثل أيضاً شبكة كمية الطاقة للجسم.

في الفيزياء الكلاسيكية، طاقة المجموع (بالإنجليزية: Total energy)‏ للجسم هي مجموع طاقتها الكامنة وطاقتها الحركية، حيث كل أشكال الطاقة يمكن أن تُساق من هذه النوعين.
في الفيزياء الحديثة، طاقة المجموع لجسم ما هي مجموع الطاقة الساكنة، ومجموع الطاقة الحركية، وطاقتها الكامنة.
مصادر الطاقة الطبيعية
طاقة البترول
البترول عبارة عن سائل كثيف، قابل للاشتعال، بني غامق أو بني مخضر، يوجد في الطبقة العليا من القشرة الأرضية. وأحياناً يسمى نافثا، من اللغة الفارسية («نافت» أو «نافاتا» والتي تعني قابليته للسريان). وهو يتكون من خليط معقد من الهيدروكربونات، وخاصة من سلسلة ألكان، ولكنه يختلف في مظهره وتركيبه ونقاوته بشدة من مكان لأخر. وهو مصدر من مصادر الطاقة الأولية الهام للغاية (حسب إحصائيات الطاقة في العالم). البترول هو المادة الخام لعديد من المنتجات الكيميائية، اللدائن.

طاقة الوقود
الوقود له أنواع مختلفة من أهمها الوقود الأحفوري وهو الذي يشمل كل من النفط والفحم والغاز، والذي أستخدم بإسراف منذ القرن الماضي ولا يزال يستخدم بنفس الإسراف مع ارتفاع أسعاره يوماً بعد يوم، مع أضراره الشديدة للبيئة. ومثله وقود السجيل وهو مثل النفط يكون مخلوط مع الرمال.

من أنواع الوقود الأخرى هو الوقود الخشبي والذي يغطي استخدامه حوالي 6% من الطاقة الأولية العالمية، وهناك الوقود المستخرج من النفايات الحيوانية أو المياه الثقيلة للمجاري، حيث بالمستطاع استخدام هذه النفايات في توليد الطاقة بالاعتماد عليها بعد عمليات التخمير، وتستخدم في العديد من دول العالم معالجة المياه الثقيلة للاستفادة من الغازات المنبعثة لأغراض توفير الطاقة.

من الطرق الحديثة والنظيفة في توفير الوقود النظيف يمكن أن يكون من نباتات الأشجار سريعة النمو، أو بعض الحبوب أو الزيوت النباتية أو المخلفات الزراعية أو بقايا قصب سكر، أمكن تحويل بعض منتجات السكر إلى كحول لاستخدامه كوقود للسيارات وكذلك زيت النخيل. يتميز هذا النوع من الوقود بأنه يقلل من التلوث، حيث لا حاجة هناك لاستعمال الرصاص في مثل هذا النوع من الوقود لرفع أوكتان الوقود كما هو الحال في البنزين المستحصل عليه من النفط الأحفوري، ومن ثم فإنه بنزين خال من الرصاص.

هناك الوقود النووي وتحطه الكثير من المشاكل والقوانين الضابطة والتي قد لا تخلو من ازدواجية في المعايير وإجحاف بالسماح لاستخدامها على البعض، إضافة لخطورة استخدامها وتأثيرها السيئ على البيئة.

الطاقة الشمسية
الطاقة الشمسية هي الطاقة الأم فوق كوكبنا، حيث تنبعث من أشعتها كل الطاقات المذكورة سابقاً لأنها تسير كل ماكينات وآلية الأرض بتسخين الجو المحيط واليابسة وتولد الرياح وتصريفها، وتدفع دورة تدوير المياه، وتدفيء المحيطات، وتنمي النباتات وتطعم الحيوانات. ومع الزمن تكون الوقود الإحفوري في باطن الأرض. وهذه الطاقة يمكن تحويلها مباشرة أو بطرق غير مباشرة إلى حرارة وبرودة وكهرباء وقوة محركة. تعتبر أشعة الشمس أشعة كهرومغناطيسية، وطيفها المرئي يشكل 49% منها، والغير مرئي منها يسمى بالأشعة الفوق البنفسجية، ويشكل 2%، والأشعة تحت الحمراء 49%.

الطاقة الشمسية تختلف حسب حركتها وبعدها عن الأرض، فتختلف كثافة أشعة الشمس وشدتها فوق خريطة الأرض حسب فصول السنة فوق نصفي الكرة الأرضية وبعدها عن الأرض وميولها ووضعها فوق المواقع الجغرافية طوال النهار أو خلال السنة، وحسب كثافة السحب التي تحجبها، لأنها تقلل أو تتحكم في كمية الأشعة التي تصل لليابسة، عكس السماء الصحوة الخالية من السحب أو الأدخنة. وأشعة الشمس تسقط على الجدران والنوافذ واليابسة والبنايات والمياه، وتمتص الأشعة وتخزنها في كتلة حرارية. هذه الحرارة المخزونة تشع بعد ذلك داخل المباني. تعتبر هذه الكتلة الحرارية نظام تسخين شمسي يقوم بنفس وظيفة البطاريات في نظام كهربائي شمسي (الفولتية الضوئية). فكلاهما يختزن حرارة الشمس لتستعمل فيما بعد.

والمهم معرفة أن الأسطح الغامقة تمتص الحرارة ولا تعكسها كثيراً، لهذا تسخن. عكس الأسطح الفاتحة التي تعكس حرارة الشمس، لهذا لا تسخن. والحرارة تنتقل بثلاث طرق، إما بالتوصيل من خلال مواد صلبة، أو بالحمل من خلال الغازات أو السوائل، أو بالإشعاع. من هنا نجد الحاجة لانتقال الحرارة بصفة عامة لنوعية المادة الحرارية التي ستختزنه، لتوفير الطاقة وتكاليفها. لهذا توجد عدة مبادئ يتبعها المصممون لمشروعات الطاقة الشمسية، من بينها قدرة المواد الحرارية المختارة لتجميع وتخزين الطاقة الشمسية حتى في تصميم المباني واختيار مواد بنائها حسب مناطقها المناخية سواء في المناطق الحارة أو المعتادة أو الباردة. كما يكونون على بينة بمساقط الشمس على المبني والبيئة من حوله كقربه من المياه واتجاه الريح والخضرة ونوع التربة، والكتلة الحرارية التي تشمل الأسقف والجدران وخزانات الماء. كل هذه الاعتبارات لها أهميتها في امتصاص الحرارة أثناء النهار وتسربها أثناء الليل.

طاقة جسيم وطاقة شعاع
يدخل في حسابات طاقة جسيم وطاقة شعاع ثابتين طبيعيين وهما c سرعة الضوء في الفراغ و h ثابت بلانك. يعتبر هذان الثابتان الطبيعيان من أهم الثوابت على الإطلاق لأنهما يحددان إلى جانب ثابت الجاذبية G والقوى الأساسية وكتلة الإلكترون وكتلة البروتون وشحنة أولية تكوين الكون كله من ذرات ونجوم ومجرات ومن كواكب ومن أرض نشأت عليها الحياة.

طاقة جسم أو جسيم
تلك هي طاقة حركية جسم أو جسيم، وتنطبق المعادلة على الأجسم الكبيرة مثل السيارة مثلاً، وكذلك على الجسيمات الصغيرة مثل الإلكترون، (كل بحسب كتلته). (ملحوظة: ينجم عن سرعة الجسيم طاقة حركية يمكن حسابها طبقا للمعادلة أعلاه التي تعتمد على كتلة الجسم m وسرعته v. ولكن إذا شئنا معرفة الطاقة الكلية للجسم فلا بد من أخذ الطاقة المرتبطة بكتلة السكون للجسم أيضا. وتحسب طاقة كتلة السكون للجسم عن طريق معادلة أينشتاين التي تعطي تكافؤ الكتلة والطاقة:E = m.c² حيث c سرعة الضوء في الفراغ.

لتِّقَانَة أو التكنولوجيا، هذه الأخيرة هي كلمة أعجمية ذات أصل يوناني، تتكوّن من مقطعين، كلمة تكنو والتي تعني حرفة أو مهارة أو فن، وكلمة لوجي التي تعني علم أو دراسة. ليصاغ الكل في كلمة تكنولوجيا بمعنى علم التّطبيق؛ وقد أورد الكثير من العلماء تعريفات أخرى عديدة للكلمة. تعرف التكنولوجيا بأنها مجموع التقنيات والمهارات والأساليب الفنية والعمليات المستخدمة في إنتاج البضائع أو الخدمات أو في تحقيق الأهداف، مثل البحث العلمي. يمكن أن تكون التكنولوجيا هي المعرفة بالتقنيات والعمليات وما شابه ذلك، أو يمكن تضمينها في الآلات للسماح بالتشغيل دون معرفة تفصيلية لأعمالها. يُشار إلى الأنظمة (مثل الآلات) التي تطبق التكنولوجيا عن طريق أخذ مدخلات وتغييرها وفقًا لاستخدام النظام، ثم إنتاج نتيجة، على أنها أنظمة تقنية أو أنظمة تكنولوجية.

أبسط شكل من أشكال التكنولوجيا هو تطوير واستخدام الأدوات الأساسية. إن اكتشاف ما قبل التاريخ لكيفية التحكم في الحريق والثورة الحديثة في العصر الحجري الحديث قد زاد من مصادر الغذاء المتاحة، وساعد اختراع العجلة البشر على السفر والتحكم في بيئتهم. أدت التطورات في العصور التاريخية، بما في ذلك المطبعة والهاتف والإنترنت، إلى تقليل الحواجز المادية التي تعترض التواصل وسمح للبشر بالتفاعل بحرية على نطاق عالمي.

التكنولوجيا لها العديد من الآثار. وقد ساعد ذلك في تطوير اقتصادات أكثر تقدماً (بما في ذلك الاقتصاد العالمي اليوم) وسمح بزيادة مستوى الترفيه. تنتج العديد من العمليات التكنولوجية منتجات ثانوية غير مرغوب فيها تعرف باسم التلوث وتستنفد الموارد الطبيعية بما يضر ببيئة الأرض. لطالما أثرت الابتكارات على قيم المجتمع وأثارت أسئلة جديدة في أخلاقيات التكنولوجيا. ومن الأمثلة على ذلك ظهور مفهوم الكفاءة من حيث الإنتاجية البشرية، وتحديات أخلاقيات البيولوجيا.

نشأت مناقشات فلسفية حول استخدام التكنولوجيا، مع وجود خلافات حول ما إذا كانت التكنولوجيا تعمل على تحسين الحالة البشرية أو تفاقمها. اللاضية الجديدة، الأناركية البدائية، والحركات الرجعية المماثلة تنتقد انتشار التكنولوجيا، بحجة أنها تلحق الضرر بالبيئة وتنفر الناس؛ يرى أنصار الإيديولوجيات مثل ما بعد الإنسانية والتقدمية التكنولوجية أن التقدم التكنولوجي المستمر مفيد للمجتمع وللحالة الإنسانية.

مقدمة

في أواسط القرن العشرين حققت التقنية انتصاراً هاماً بقدرتها على استكشاف الفضاء.
تعتبر التكنولوجيا مهمة لأنها تستخدم في جميع مجالات الحياة العملية. عندما تتأمل روتينك اليومي وتحصي جميع أدوات التقنية التي تستهلكها في يوم واحد فقط ستدرك مدى أهمية التقنية عند استخدامك للهاتف أو مشاهدة التلفاز أو قيادة السيارة أو استخدام الحاسب أو أي آلة كهربائية. في الواقع، يوما بعد يوم يزداد اعتمادنا على التقنية سواء خلال التواصل أو المواصلات أو البحث عن أي معلومة أو حتى التسلية.

تعرف التقنية تعرف اصطلاحاً بأنها كل ما قام الإنسان بعمله، وكل التغييرات التي أدخلها على الأشياء الموجودة في الطبيعة، والأدوات التي صنعها لمساعدته في أعماله. لكن البعض يحصر نطاق كلمة التقنية بالآلات المعقدة كالحاسوب والساتل والسيارة فقط، بل التقنية تشمل الأدوات البسيطة كالورق والأقلام والخيط والنعل ومفتاح العلب أيضاً.

والتقنية بدأت مع الإنسان منذ وجوده على هذه المعمورة، فهي قديمة بقدمه، فقد اعتمد عليها في صناعة أدوات صيده والدفاع عن نفسه وحراثة الأرض والزراعة وهلم جراً من الأعمال. كما أن التقنية أحاطت بكافة مناحي الحياة المختلفة شاردة وواردة فكانت في الغذاء والطعام والدواء والملبس والسكن والأدوات والمواصلات والاتصالات والترفيه والرياضة والتعلم والعديد غيرها.

التعريف والاستعمال

سهل اختراع المطبعة للعلماء والساسة التواصل بأفكارِهم وقادَتهم إلى عصر التنوير، وهذا مثال على التقنية كقوةٍ ثقافيةٍ.
تعرف التقنية بطريقتين: بأنها «السعي وراء الحياة بطرق مختلفة عن الحياة»، وبأنها «مادة لا عضوية منظمة». التطبيقات العلمية للعلم والمعرفة في جميع المجالات والعمل، أو بعبارة أخرى كل الطرق التي استخدمها -وما زال يستخدمها- الناس في اختراعاتهم واكتشافاتهم لتلبية حاجاتهم وإشباع رغباتهم.

كما يمكن تعريف التقنية أو التكنولوجيا بمفهوم أوسع أنها الأشياء الموجودة بنوعيها، المادية واللّامادية، التي تم تخليقها بتطبيق الجهود المادية والفيزيائية للحصول على قيمة ما. في هذا السياق، تشير التقنية إلى المعدات والآلات التي يمكن استعمالها لحل المشاكل الحقيقية في العالم.

أصل التسمية
تغيّر استعمال مصطلح تكنولوجيا بشكل ملحوظ على مدى المئتي سنة الماضية. قبل القرن العشرين، لم يكن المصطلح Technology مشهوراً في الإنجليزية، وغالباً ما كان يشير إلى وصف أو دراسة الفنون المفيدة. كان المصطلح متعلقاً بالتعليم الفني في الغالب، كما في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. تصاعدت العبارة «تكنولوجيا» حتى اشتهرت في القرن العشرين مع الثورة الصناعية الثانية.

تغيرت استخدام التكنولوجيا على المدى بشكل كبير خلال السنوات ال200 الماضية. قبل القرن القرن العشرين، وكان هذا المصطلح شائع في اللغة الإنجليزية، وعادة ما يشار إلى وصف أو دراسة الفنون المفيدة. وغالباً ما يرتبط مصطلح التعليم الفني، كما في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. «التكنولوجيا» برزت على الساحة في القرن القرن العشرين في اتصال مع الثورة الصناعية الثانية. وتطور بعدها المصطلح، ولكن على قدم مساواة بارزة برز تعريف التكنولوجيا والعلوم التطبيقية كمصطلحين متداخلين، وخاصة بين العلماء والمهندسين، بالرغم من أن معظم علماء الاجتماع الذين يدرسون التكنولوجيا ترفض هذا التعريف.

مجالات الاستعمال
في مجال العمليات، أصبح المصطلح مرتبطاً بعالم العلوم والأعمال الكبيرة، والهندسة. اختلف معنى التكنولوجيا في أوائل القرن العشرين حينما عمل علماء الاجتماع الأمريكيون بداية مع ثورستين فيبلين على ترجمة الأفكار من المفهوم الألماني من Technik إلى “technology” أي «تكنولوجيا»، في التعريب العربي (إبقاء على الكلمة اليونانية أو «تكنولوجيا» بالمعنى). في الألمانية واللغات الأوروبية، ظهر تفريق بين Technik وTechnologie والذي لا يوجد في الإنجليزية حيث أن كلا الكلمتين تُتَرْجَمان عادة إلى “technology”. في عقد الثلاثينيات من القرن العشرين، لم تشر عبارة تكنولوجيا في الإنجليزية إلى علم الفنون الصناعية، بل إلى الفنون الصناعية بعينها. في 1937، كتب عالم الاجتماع ريد بين أن «التكنولوجيا تتضمن جميع الأدوات، الآلات، الآنية، الأسلحة، الأجهزة، الكسوة، سبل التواصل، وأجهزة النقل، والمهارات التي ننتج بفضلها ونستعملها.» لا يزال تعريف براين شائعاً بين الدارسين هذه الأيام، خاصة علماء الاجتماع. لكن تعريف التكنولوجيا بأنه العلوم التطبيقية مكافئ بارز بشكل خاص من قبل العلماء والمهندسين، بالرغم من رفض غالبية علماء الاجتماع الذين يدرسون التكنولوجيا لهذا التعريف. حديثا، استعار الدارسون عبارة “technique” من الفلاسفة الأوروبيين لتوسيع المعنى إلى صور أخرى تتعلق بالأجهزة الدقيقة كما في أعمال فوكو على تقنيات الذات.

تقدمت التراجم والدارسون بتعريفات عديدة. يعرّف قاموس مريام ويبستر المصطلح على أنه «التطبيق العملي للمعرفة خاصة في حقل معين والإمكانية المعطاة من التطبيق العملي للمعرفة».

قدمت أورسولا فرانكلين في محاضرتها «العالم الحقيقي للتقنية» عام 1989 تعريفاً آخر للتكنولوجيا بأنها «تطبيق، للطريقة التي نعمل بها الأشياء من حولنا». يستعمل المصطلح عادة ضمن مجال معين من التقنية، أو التقنية العليا أو إلكترونيات المستهلك، بدلاً من التعبير عن التقنية كمفهوم عام. برنارد ستيجلر، في التقنيات والزمن، 1.

استعمالات التقنية الشائعة
تقنية الاتصالات: تشمل هذه الفئة التقنية المستخدمة بهدف تسهيل التخاطب الإنساني وزيادة طرق الاتصال الشخصي. ومن الأمثلة على ذلك: الهاتف الخلوي والاتصال المرئي والاتصال الجماعي وأجهزة النداء الآلي.
التقنيات المنزلية: تتضمن هذه الفئة التقنية التي تؤثر على النشاطات المنزلية للعائلات. وهذه التقنية قد لا تستخدم دائما بشكل مباشر من قبل العائلات، بل يمكن استخدامها أيضا بطريقة غير مباشرة بشكل يؤثر على الحياة العائلية. ومن الأمثلة على ذلك: فرن المايكروويف والأطعمة المجمدة والأطعمة المجففة بطريقة التجميد.
تقنية المعلومات: هو مصطلح عام يستخدم للدلالة على مجموعة من التطبيقات المبنية على نظام الحاسوب. ويمكن استخدام هذا النوع من التقنية في الاتصال، وفي استرجاع المعلومات من نشاطات رقمية أخرى. ومن الأمثلة على هذه الفئة: البريد الإلكتروني وغرف الدردشة، والشبكة العنكبوتية، وأجهزة الحاسوب المنزلية، وأجهزة الحاسوب المحمولة، وآلات التصوير، وآلات المسح الرقمية.
تقنيات الإعلام والترفيه: تساهم التقنية في الترفية العائلي الذي يتواجد بإطارات رقمية متعددة. حيث جاء الإعلام الإلكتروني بأشكال متنوعة ليحل محل الإعلام التقليدي.مثال على ذلك أجهزة التلفاز والستالايت وأجهزة الراديو الرقمية والكتب الإلكترونية وجميع المنشورات على شبكة الإنترنت وأجهزة الستيريو المحمولة والشخصية وألعاب الفيديو.
التقانة الطبية: ما زالت الأبحاث العلمية والطبية مستمرة لتطوير تقنيات للتعامل مع مشكلات الجسم البشري الناتجة عن الإصابات أو المرض أو التقدم بالسن، حيث تقدم التقنية الطبية خيارات جديدة للعائلات للتعامل مع القضايا الطبية. ومن الأمثلة على ذلك: ضابط النبض والأعضاء الاصطناعية ومضخات الأنسولين واللقاحات الجديدة وغيرها كثير.
التقنيات التربوية: وهي تطبيق المبادئ العلمية في تسهيل عملية التعليم والتعلم. وتزيد هذه التقنية من فرص الوصول للمعلومات من قبل المعلم المحترف، كما تعزز مفاهيم التعليم وتجعل عملية التعليم والتعلم أكثر بساطة.
أنواع التقنية
جرت العادة على تقسيم التقنية إلى ثلاثة أنواع رئيسية وهي:

التقنية الموفرة لرأس المال، وهي الأفضل لاستخدامها في الدول النامية.
التقنية الموفرة للعمل، وهي الأفضل في الدول المتقدمة.
التقنية المحايدة، وهي التي تزيد رأس المال والانتاجية .
التكنولوجيا من وجهات النظر المختلفة
علماء كثيرين يبحثون في التكنولوجيا من وجهة نظر حضارية، اجتماعية فهم يرون بالتكنولوجيا كثورة الإنسان الرابعة ومن هنا تتباين وجهات النظر بين محبين ومعارضين

الحضارة هي النتاج الفكري والثقافي والمادي المتراكم لأمةٍ من الأمم والتي تمنحها خاصيةً مميزة عن الأمم الأخرى.

ولا يمكن حصر الحضارة على الجانب المادي فقط كالمباني والقلاع والقصور أو اختزالها في أنماطٍ سياسية كالامبراطوريات والأسر الحاكمة والدول بل بما تنتجه أمةٌ ما من خصائص مميزة وفنون.

وهي نظام اجتماعي يعين الإنسان على الزيادة من إنتاجه الثقافي، وتتألف الحضارة من عناصر أربعة: الموارد الاقتصادية، والنظم السياسية، والتقاليد الخُلقية، ومتابعة العلوم والفنون؛ وهي تبدأ حيث ينتهي الاضطراب والقلق، لأنه إذا ما أمِنَ الإنسان من الخوف، تحررت في نفسه دوافع التطلع وعوامل الإبداع والإنشاء، وبعدئذ لا تنفك الحوافز الطبيعية تستنهضه للمضي في طريقه إلى فهم الحياة وازدهارها وباختصار الحضارة هي الرقي والازدهار في جميع الميادين والمجالات.

ترتكز الحضارة على البحث العلمي والفني التشكيلي بالدرجة الأولى، فالجانب العلمي يتمثل في الابتكارات التكنولوجيا وعلم الاجتماع فأما الجانب الفني التشكيلي فهو يتمثل في الفنون المعمارية والمنحوتات وبعض الفنون التي تساهم في الرقي. فلو ركزنا بحثنا على أكبر الحضارات في العالم مثل الحضارة الرومانية سنجد أنها كانت تمتلك علماء وفنانين عظماء. فالفن والعلم هما عنصران متكاملان يقودان أي حضارة.

وفي اللغة العربية هي كلمة مشتقة من الفعل حضر، ويقال الحضارة هي تشييد القرى والأرياف والمنازل المسكونة، فهي خلاف البدو والبداوة والبادية، وتستخدم اللفظة في الدلالة على المجتمع المعقد الذي يعيش أكثر أفراده في المدن ويمارسون الزراعة، التعدين، التصنيع على مستوى مصغر، والتجارة. على خلاف المجتمعات البدوية ذات البنية القبلية التي تتنقل بطبيعتها وتعتاش بأساليب لا تربطها ببقعة جغرافية محددة، كالصيد مثلاً، ويعتبر المجتمع الصناعي الحديث شكلاً من اشكال الحضارة.

تعتبر لفظة حضارة مثيرة للجدل وقابلة للتأويل، واستخدامها يستحضر قيم (سلبية أو ايجابية) كالتفوق والإنسانية والرفعة، وفي الواقع رأى ويرى العديد من أفراد الحضارات المختلفة أنفسهم على أنهم متفوقون ومتميزون عن أفراد الحضارات الأخرى، ويعتبرون أفراد الحضارات الأخرى همجيين ودونيين.

و يذهب البعض إلى اعتبار الحضارة أسلوب معيشي يعتاد عليه الفرد من تفاصيل صغيرة إلى تفاصيل أكبر يعيشها في مجتمعه ولا يقصد من هذا استخدامه إلى احدث وسائل المعيشة بل تعامله هو كإنسان مع الأشياء المادية والمعنوية التي تدور حوله وشعوره الإنساني تجاهها. ومن الممكن تعريف الحضارة على أنها الفنون والتقاليد والميراث الثقافي والتاريخي ومقدار التقدم العلمي والتقني الذي تمتع به شعب معين في حقبة من التاريخ. إن الحضارة بمفهوم شامل تعني كل ما يميز أمة عن أمة من حيث العادات والتقاليد وأسلوب المعيشة والملابس والتمسك بالقيم الدينية والأخلاقية ومقدرة الإنسان في كل حضارة على الإبداع في الفنون والآداب والعلوم.

و للتعرف على حضارات الشعوب تُدرس العناصر التالية:

طرق العيش والظروف الطبيعية.
الوضع الاقتصادي.
العلاقات الاجتماعية بين فئات المجتمع.
أنظمة الحكم السائدة.
الإنجازات العلمية والثقافية والعمرانية.
سمات مميزة
سمّى علماء الاجتماع مثل: غوردن تشيلد عدد من السمات التي تميز الحضارة عن الأنواع الأخرى من المجتمع. تميزت الحضارات بوسائل عيشها وأنواع سبل العيش وأنماط الاستيطان وأشكال الحكم والطبقات الاجتماعية والأنظمة الاقتصادية ومحو الأمية وسمات ثقافية أخرى. يجادل أندرو نيكيفوروك بأن الحضارات اعتمدت على العضلات البشرية، إذ استُخدمت طاقة العبيد لزراعة المحاصيل والإكساء وبناء المدن واعتُبرت العبودية سمة مشتركة لحضارات ما قبل الحداثة.

اعتمدت جميع الحضارات على الزراعة، مع استثناء محتمل لبعض الحضارات المبكرة في بيرو والتي اعتمدت على الموارد البحرية. يمكن أن تؤدي مزارع الحبوب إلى تخزين متراكم وفائض من الغذاء، خاصة عندما يستخدم الناس تقنيات زراعية مثل التسميد الاصطناعي والريّ للمحاصيل. كانت الحضارات القائمة على البساتين نادرة جدًا. كان لفائض الحبوب أهمية خاصة بسبب إمكانية تخزينها لفترة طويلة. سمح فائض الطعام لبعض الناس بالقيام بأشياء إلى جانب إنتاج الغذاء لكسب الرزق: شملت الحضارات المبكرة الجنود والحرفيين والكهنة والكاهنات وغيرهم من ذوي الوظائف المتخصصة. ينتج عن فائض الغذاء تقسيم العمل ونطاق أكثر تنوعًا للنشاط البشري، وهي سمة مميزة للحضارات. ومع ذلك، في بعض الأماكن تمكن الصيادون – الجامعون من الوصول إلى الفائض الغذائي، كما هو الحال بين بعض الشعوب الأصلية في شمال غرب المحيط الهادئ وربما خلال ثقافة العصر الحجري.

الحضارات لها أنماط استيطان مختلفة بشكل واضح عن المجتمعات الأخرى. أحيانًا تُعرّف كلمة حضارة ببساطة على أنها العيش في المدن. يميل غير المزارعين إلى التجمع في المدن للعمل والتجارة.

بالمقارنة مع المجتمعات الأخرى، فإن الحضارات لديها بنية سياسية أكثر تعقيدًا، وهي الدولة. مجتمعات الدولة طبقية أكثر من المجتمعات الأخرى. هناك فرق أكبر بين الطبقات الاجتماعية. تسيطر الطبقة الحاكمة، المتمركزة عادة في المدن، على الكثير من الفائض وتمارس إرادتها من خلال تصرفات الحكومة أو البيروقراطية. صنّف مورتون فرايد، وإلمان سيرفيس، الثقافات البشرية على أساس النظم السياسية وعدم المساواة الاجتماعية، يحتوي نظام التصنيف هذا على أربع فئات:

فرق الصيادين – الجامعين، والتي تعتبر متساوية بشكل عام.
المجتمعات البستانية/الرعوية التي توجد فيها عمومًا طبقتان اجتماعيتان؛ رئيسية وعامة.
هياكل شديدة الطبقية، مع العديد من الطبقات الاجتماعية الموروثة: الملك، والنبلاء، والأحرار، والعبيد.
الحضارات، ذات التسلسل الهرمي الاجتماعي المعقد والحكومات المؤسسية المنظمة.
من الناحية الاقتصادية، تعرض الحضارات أنماطًا أكثر تعقيدًا للملكية والتبادل من المجتمعات الأقل تنظيمًا. يسمح العيش في مكان واحد للناس بتجميع ممتلكات شخصية أكثر من البدو. يكتسب بعض الأشخاص أيضًا ملكية خاصة للأرض، نظرًا لأن نسبة من الناس في الحضارات لا يزرعون طعامهم، يجب أن يتاجروا في سلعهم وخدماتهم مقابل الغذاء في نظام السوق، أو يتلقوا الغذاء من خلال ضريبة الجزية أو ضرائب إعادة التوزيع من قطاع إنتاج الغذاء في الدولة. عملت الثقافات البشرية المبكرة من خلال أنظمة المقايضة المحدودة. بحلول أوائل العصر الحديدي، طورت الحضارات المعاصرة المال كوسيلة لتبادل المعاملات المعقدة بشكل متزايد. في القرية، يصنع الخزّاف قدرًا لمُصنِّع الجعة ويعوض صانع الجعة الخزّاف بإعطائه كمية معينة من البيرة. في المدينة، قد يحتاج الخزّاف إلى سقف جديد، وقد يحتاج عامل الأسقف إلى أحذية جديدة، وقد يحتاج الإسكافي إلى نعل حصان، وقد يحتاج الحداد إلى معطف جديد وقد يحتاج الدبّاغ إلى وعاء جديد. وقد لا يكون هؤلاء الأشخاص على معرفة شخصية بعضهم البعض وقد لا تحدث احتياجاتهم كلها في نفس الوقت. النظام النقدي هو وسيلة لتنظيم هذه الالتزامات لضمان الوفاء بها.

لا يعني الانتقال من الاقتصاد الأبسط إلى الاقتصاد الأكثر تعقيدًا بالضرورة تحسنًا في مستويات معيشة السكان. على سبيل المثال، على الرغم من أن العصور الوسطى غالبًا ما تُصوّر على أنها حقبة تدهور من الإمبراطورية الرومانية، فقد أظهرت بعض الدراسات أن متوسط قامة الذكور في العصور الوسطى (نحو 500 إلى 1500 م) كان أكبر ما كان عليه بالنسبة للذكور خلال الإمبراطورية الرومانية السابقة والعصر الحديث المبكر لاحقًا (نحو 1500 إلى 1800 م). كذلك، كان هنود السهول في أمريكا الشمالية في القرن التاسع عشر أطول من نظرائهم الأمريكيين والأوروبيين المتحضرين. يعتبر متوسط قامة السكان مقياسًا جيدًا لمدى كفاية وصولهم إلى الضروريات، وخاصة الغذاء.

تعتبر الكتابة التي طورها الناس في الحضارة السومرية أولًا سمة مميزة ويبدو أنها رافقت صعود البيروقراطيات الإدارية المعقدة أو دولة الفتح. اعتمد التجار والبيروقراطيون على الكتابة للاحتفاظ بسجلات دقيقة. مثل المال، كانت الكتابة ضرورية بسبب حجم سكان المدينة وتعقيد تجارتها بين الأشخاص الذين ليسوا جميعًا على دراية شخصية ببعضهم البعض. مع ذلك، فإن الكتابة ليست ضرورية دائمًا للحضارة، كما هو موضح من قبل حضارة الإنكا في جبال الأنديز، والتي لم تستخدم الكتابة على الإطلاق باستثناء نظام تسجيل معقد يتكون من الحبال والعقد: (كيبو)، وما زالت تُعتبر مجتمع متحضر.

طورت الحضارات العديد من السمات الثقافية المتنوعة الأخرى بمساعدة تقسيم العمل والتخطيط الحكومي المركزي، مثل: الدين المنظم، والتطور في الفنون، والتطورات الجديدة التي لا حصر لها في العلوم والتكنولوجيا.

عبر التاريخ، انتشرت الحضارات الناجحة، واستولت على المزيد والمزيد من الأراضي، واستوعبت المزيد من الناس غير المتحضرين في السابق. ومع ذلك، فإن بعض القبائل أو الناس لا تزال غير متحضرة حتى يومنا هذا. يطلق على هذه الثقافات من قبل البعض (بدائية)، وهو مصطلح يعتبره البعض تحقيرًا. تشير كلمة (بدائية) بطريقة ما إلى أن الثقافة هي (الأولى) وأنها لم تتغير منذ بداية البشرية، على الرغم من إثبات عدم صحة ذلك. نظرًا لأن جميع ثقافات اليوم معاصرة، فإن ما يسمى بالثقافات البدائية اليوم ليست أبدًا سابقة لتلك التي نعتبرها حضارية. يستخدم علماء الأنثروبولوجيا اليوم مصطلح (الأُميّين) لوصف هذه الشعوب.

لقد انتشرت الحضارة عن طريق الاستعمار والغزو والتحول الديني وفرض السيطرة البيروقراطية والتجارة وإدخال الزراعة والكتابة إلى الشعوب غير المتعلمة. قد يتكيف بعض الأشخاص غير المتحضرين مع السلوك المتحضر. لكن الحضارة تنتشر أيضًا من خلال الهيمنة التقنية والمادية والاجتماعية التي تولدها.

تستند تقييمات مستوى الحضارة الذي وصل إليه نظام الحكم إلى مقارنات بين الأهمية النسبية للقدرات الزراعية مقابل القدرات التجارية أو التصنيعية، والامتدادات الإقليمية لقوتها، وتعقيد تقسيم العمل، والقدرة الاستيعابية للمناطق الحضرية. تشتمل العناصر الثانوية على نظام نقل متطور وكتابة وقياس موحد وعملة وأنظمة قانونية والفن والهندسة المعمارية والرياضيات والفهم العلمي والتعدين والهياكل السياسية والدين المنظم.

تقليديًا، عرّفت الأنظمة السياسية التي تمكنت من تحقيق قوة عسكرية وأيديولوجية واقتصادية ملحوظة نفسها على أنها متحضرة على عكس المجتمعات أو التجمعات البشرية الأخرى خارج نطاق نفوذها – وتطلق عليهم ألقاب مثل: البرابرة أو المتوحشين.

تقسيم الحضارات
صامويل هنتنجتون

تقسيم الحضارة وفقًا لصمويل هنتنغتون
الحضارة الغربية ذات خلفية كاثوليكية – بروتستانتية
الحضارة الأمريكية اللاتينية
الحضارة اليابانية
الحضارة الصينية
الحضارة الهندية
الحضارة الإسلامية
الحضارة المسيحية الأرثوذكسية
الحضارة الأفريقية
الحضارة البوذية
قسم أستاذ العلوم السياسية صامويل هنتنجتون حضارات العالم الحالية إلى تسعة مناطق نفوذ ثقافي وهي:

الحضارة الغربية ذات الخلفية الثقافية المسيحية الغربية بشكليها الكاثوليكية-البروتستانتية، تمتد هذه الحضارة من أوروبا الغربية إلى دول البلطيق، وأنغلو-أمريكا، وأستراليا، ونيوزيلاندا وإسرائيل. تقوم هذه الحضارة على أساسين ومصدرين هما الحضارة اليونانية-الرومانية والديانة المسيحية. حيث تحدد الثقافة الغربيّة بأبعاد ثلاثة: الديانة المسيحية، القانون الروماني، والنزعة الإنسانية في الفلسفة اليونانية. النتاج التاريخي والثقافي لكل من عصر النهضة والثورة الصناعية أعطى مقومات منفردة وخصوصية لهذه الحضارة.
الحضارة الأمريكية اللاتينية تتشابه هذه الحضارة مع الحضارة الغربية كونها منطقة تستخدم فيها في المقام الأول اللغات الرومانسية (أي، التي اشتقت من اللغة اللاتينية)- خصوصًا الأسبانية والبرتغالية، والفرنسية بنسب مختلفة وكون الرومانية الكاثوليكية هي الديانة المهيمنة فتسمى أيضًا بأمريكا اللاتينية. لكن لكونها منطقة فيها العديد من الأنساب والجماعات العرقية يجعلها ذلك منطقة فيها تنوعًا عرقيًا وثقافيًا مما يعطيها خصوصيّة ثقافية منفردة. وقد تعتبر المنطقة إما جزء من العالم الغربي أو حضارة متميزة بما فيه الكفاية أو مرتبطة بالغرب كونها تنحدر منها.
الحضارة اليابانية يدرج أغلب الباحثين الحضارة اليابانية كحضارة منفردة بسبب خصوصيّة الثقافة اليابانيّة. في حين يدرج أقلية من الباحثين الحضارة اليابانية كجزء من حضارة الشرق الأقصى.
الحضارة الصينية يدرج أغلب الباحثين الحضارة الصينية كحضارة منفردة وذات خصوصية ثقافية مميزة. من جذور وأساسيات الحضارة الصينية هي الفلسفة الكنفشيوسية. تمتد حدود الحضارة الصينية من الصين إلى تايوان وشبة الجزيرة الكورية وسنغافورة وفيتنام.
الحضارة الهندية هي الحضارة ذات الأساس الهندوسي وتمتد من الهند إلى النيبال وموريشيوس. تعتبر هذه الحضارة واحدة من أقدم الحضارات الإنسانيّة وهي مشبعة بالتقاليد والفلسفة والثقافة الهندوسية.
الحضارة الإسلامية وهي الحضارة التي تمتد بين البلدان ذات الأغلبية المسلمة والتي ترتبط من الناحية التاريخية والحضارية والاجتماعية في الإسلام. تمتد هذه الحضارة بين منطقة الشرق الأوسط، وشمال أفريقيا، وآسيا الوسطى، وباكستان، وبنغلادش، وإندونيسيا وماليزيا. تنفرد هذه الحضارة بخصوصية ثقافية أساسها دين وتعاليم وتراث الإسلام. اللغات الأكثر انتشارًا في حدود هذه الحضارة اللغة العربية والفارسية والتركية واللغة الماليزية.
الحضارة المسيحية الأرثوذكسية تمتد هذه الحضارة بين الدول ذات الغالبية الأرثوذكسية والحضارة المسيحية الشرقية المشتركة والتي ترتبط من الناحية التاريخية والثقافية والاجتماعية والسياسية. تمتد الحضارة الأرثوذكسية من روسيا إلى أوكرانيا، والقوقاز، والبلقان، واليونان وقبرص. أساس ومركزية هذه الحضارة تراث الإمبراطورية البيزنطية والأرثوذكسية الشرقية. اللغات المنتشرة في هذه المنطقة الحضارية هي اللغات السلافية، واللغة الرومانية، واليونانية، والأرمنية والجورجية.
الحضارة الأفريقية تمتد حدود هذه الحضارة إلى أفريقيا جنوب الصحراء. تتميز هذه الثقافة الأفريقية باستجابات معقدة تجاه الإستعمار والإمبريالية الأوروبية. بدءاً من أواخر التسعينات من القرن الماضي يحاول الأفارقة تأكيد هويتهم الخاصة. تشترك شعوب هذه الحضارة بذاكرة ثقافية خاصة.
الحضارة البوذية تنتشر هذه الحضارة في عدد من دول الهند الصينية. حيث أن مركزية هذه الحضارة هي تعاليم وتراث بوذا والديانة البوذية ومذاهبها تيرافادا وهينايانا. تمتد حدود الحضارة البوذية في تايلندا، وكمبوديا، ولاوس، وبورما، وسريلانكا، وبوتان، ومنغوليا.
بدلاً من الانتماء إلى واحدة من الحضارات «الرئيسية»، وصف صامويل هنتنجتون أن إثيوبيا وهايتي دول ذات حضارة «وحيدة ومتميزة». ويمكن اعتبار إسرائيل دولة فريدة من نوعها بسبب حضارتها الخاصة اليهودية، كما كتب هنتنغتون، لكن هذه الدولة تشبه إلى حد بعيد الغرب. ويعتقد هنتنغتون أيضاً أن منطقة البحر الكاريبي الناطقة باللغة الإنجليزية، والمستعمرات البريطانية السابقة في منطقة البحر الكاريبي، تٌشكل كياناً متميزاً.
هناك أيضاً «البلدان المشقوقة» لأنها تحتوي على مجموعات كبيرة من الناس ذات حضارات منفصلة. ومن الأمثلة على ذلك أوكرانيا التي تنقسم بين القسم الغربي الذي يسيطر عليه الكاثوليك الشرقيين والشرق الذي يهيمن عليه الأرثوذكس الشرقيين، وغويانا الفرنسية التي تنتمي بين حضارة أمريكا اللاتينية والحضارة الغربية، وبنين وتشاد وكينيا ونيجيريا وتنزانيا وتوغو والتي تضم جميعها الشق بين الحضارة الإسلامية وحضارة أفريقيا جنوب الصحراء، وغيانا وسورينام (الشق بين الحضارة الهندوسية وأفريقيا جنوب الصحراء)، وسريلانكا (الشق بين الحضارة الهندوسية والبوذية)، والصين (الشقاق بين الحضارة الصينية والبوذية في حالة التبت، والحضارة الصينية والغربية في حالة هونغ كونغ وماكاو)، والفلبين (الشقاق بين الحضارة الإسلامية في حالة مينداناو، وباقي المناطق التي تنقسم بين الحضارة الصينية والغربية). وقد أدرج السودان أيضاً في قائمة «بلدان الشق» حيث تنقسم بين الحضارة الإسلامية وحضارة أفريقيا جنوب الصحراء. وأصبح هذا التقسيم انقساماً رسمياً في يوليو من عام 2011 بعد التصويت الساحق لإستقلال جنوب السودان في استفتاء يناير من عام 2011.
لماذا تقوم الحضارات وتنهار؟
أبدى الفلاسفة والمؤرخون وعلماء الآثار القديمة أسبابًا كثيرة لقيام الحضارات وانهيارها. وقد شبَّه جورج و. ف. هيجل الفيلسوف الألماني في أوائل القرن التاسع عشر المجتمعات بالأفراد الذين ينقلون شعلة الحضارة من واحد إلى الآخر، وفي رأي هيجل، أنه خلال هذه العملية تنمو الحضارات في ثلاث مراحل: 1- حُكْم الفرد. 2- حُكْم طبقة من المجتمع. 3- حُكْم كل الناس. وكان هيجل يعتقد أن هذا النسق تسفر عنه الحرية في آخر الأمر لجميع الناس.

كان الفيلسوف الألماني أوزوالد سبنجلر يعتقد أن الحضارات مثلها مثل الكائنات الحية تولد وتنضج وتزدهر ثم تموت. وفي كتابه انحدار الغرب (1918 – 1922م) ذكر أن الحضارة الغربية تموت، وسوف تحل محلها حضارة آسيوية جديدة.

وعرض المؤرخ البريطاني أرنولد توينبي نظريته عن التحدي والاستجابة في كتابه دراسة التاريخ1 (1934ـ 1961م). كان توينبي يعتقد أن الحضارات تقوم فقط حيث تتحدى البيئة الناس، وحينما يكون الناس على استعداد للاستجابة للتحدي. على سبيل المثال، فإن الجو الحار الجاف يجعل الأرض غير مناسبة للزراعة ويمثل تحديًا للناس الذين يعيشون هناك. ويمكن أن يستجيب الناس لهذا التحدي ببناء أنظمة ري لتحسين الأرض. ورأى توينبي أن الحضارات تنهار حينما يفقد الناس قدرتهم على الابتكار. انظر: توينبي.

ويذهب معظم علماء الآثار القديمة إلى أن بزوغ الحضارات يرجع إلى مجموعة من أهم الأسباب تشمل البناء السياسي والاجتماعي للحياة والطريقة التي يكيف بها الناس البيئة المحيطة بهم والتغيرات التي تطرأ على السكان. وفي كثير من الحالات، يمكن أن تظهر الحضارات لأن رؤساء القبائل المحليين اتخذوا خطوات متعمدة لتقوية نفوذهم السياسي. ويعتقد كثير من العلماء أن سوء استخدام الأرض والمصادر الطبيعية الأخرى أسفرت عن الانهيار الاقتصادي والسياسي للحضارات الأولى. ويقال ان العنصرية والطبقية منعا من نشر الحضارة (استنادا على راي هيجل)

الزجاج هو مادة صلبة غير عضوية، عادة ما تكون شفافة أو نصف شفافة، صلبة، سهلة الانكسار، غير نافذة للمواد الطبيعية. بالرغم من أنه استعمل منذ القدم إلا أنه لا يزال مهم جدا في استعمالات شتى، مثل المباني والأدوات والأواني المنزلية ومعدات الاتصالات السلكية. وتختلف أنواع الزجاج اختلافا شاسعا باختلاف مكوناتها وخصائصها الفيزيائية. وأما أكثر أنواع الزجاج شيوعاً عبر العصور، وخاصة في عصرنا هذا، هو ذاك المستخدم في صناعة النوافذ وأواني الشرب، وهو زجاج صودا الجير، والذي يتكون من 75% من السيليكا وأكسيد الصوديوم وأكسيد الكالسيوم؛ مع أو بدون مضافات الأخرى.
الفراعنة
من زمن الفراعنة إلى اليوم، فإن (الخرز الزجاجي) المصري هو أقدم الأجسام الزجاجية المعثور عليها والتي يرجع تاريخها إلى حوالي 2500 سنة قبل الميلاد. لاحقا في الحضارة المصرية كذلك صنعت أواني زجاجية بها خطوط ملونة، متوازية مسننة في بعضها وذات طابع ريشي في الآخر.

الرومان
وقد تمكن الرومان من صب زجاج النوافذ، دون أن يكون بالصفاء الكافي، ولم يزد استخدامه عن السماح بدخول الضوء، دون التعرض للظروف الجوية. وكان الزجاج يُصبَّ على هيئة لوح مسطح، وربما أجريت عليه عملية درفلة وهو ساخن، لكي يصبح أرق سمكاً. وعلى الرغم من وجود الزجاج في عدد قليل من الكنائس القديمة، التي يرجع تاريخها إلى القرن السابع، إلا أن الألواح المتسعة من الزجاج الشفاف، لم تصبح شائعة إلا في القرن السابع عشر.

العرب
اعتنى العرب في العصور الوسطى بصناعة الزجاج وتطويره، فقد كانت الزخرفة تنفذ بأساليب مختلفة، منها طريقة الضغط على الأواني وهي لا تزال لينة، وكذلك بطريقة الملقاط، أو بطريقة «الإضافة» وهي تتم بلصق خيوط من الزجاج على جدران الأواني وهي لينة، أو لصق حامل من الزجاج الذي لا زال ليّنا، وربما يكون ملونا، وغيرها من الطرق الأخرى. ومن آثار صناعة الزجاج عند العرب القدامى، هي المجموعات المختلفة من القرن الثاني أو الثالث هجري، التي كانوا يصنعون منه الإبريق الزجاجي المصنوع بالطريقة الرومانية من القرن الثاني الهجري، وهذا القدر المزخرف بطريقة «الإضافة» من الدولة الفاطمية في القرن الخامس الهجري، وهذا إبريق من القرن الثالث الهجري من مصر، وهذه المزهرية من عصر المماليك. وقد زودت فوهتها بخيوط زجاجية ملونة، أما هذه القنينة فلها بدن مضلع ونفّذت بالقالب وزخرفت رقبتها بإضافة خيوط زجاجية من القرن الثامن الهجري.وهذا جزء من إناء فاطمي العصر زُخرف بالكتابة الكوفية مع الكائنات المتقابلة من القرن الخامس الهجري، أما هذه القنينة وتلك المكحلة فمن البلور الصخري، وقد زخرفتا بالقطع والشطف في مصر الفاطمية خلال القرن الخامس الهجري. والبلور هو زجاج مضافا إلى خلطته عناصر ثقيلة مثل الكوبلت ويتميز بكثافة عالية.وهذه بعض المكاييل الزجاجية المخصصة للعطور أو السوائل الطبية من القرن الثاني الهجري من عهد الأمويين، كما صنع العرب الموازين والصِنَج من الزجاج أيضًا، فهذا ثقل ميزان يوازي رطلاً ويرجع إلى عام 129 للهجرة. وهذا مثقال فلس من العصر الأموي المبكر، أما هذه الصِنَج فمن عهد «العزيز بالله» الخليفة الفاطمي، وهذا الثقل من عهد السلطان قايتباي عام 893 للهجرة.كما برع العرب في صنع المشكاوات؛ وذلك لإضاءة المساجد والمنازل وخلافه، منها عدد من المشكاوات المملوكية العصر المموهة بالمينا والمزخرفة بكتابة النسخ وكذلك عليها زخرفة نباتات. وهذه المشكاة باسم السلطان «حسن» وقد موهت بالمينا، وزخرفت بكتابات نسخية قرآنية وزخرفة نباتية فنية. وهذه من عهد السلطان «حسن»، وقد زخرفت فقط بزخارف نباتية دقيقة.و هذه المشكاة باسم الأمير «شايخو» ساقي السلطان المملوكي الناصر “محمد بن قلاوون”، وتضم مع الكتابة النسخية «رنك الكأس» الذي يشير إلى وظيفة الساقي؛ حيث تعتبر «الرنوك الوظيفية» سمة من سمات العصر المملوكي.واستخدم العرب الزجاج في زخرفة النوافذ أيضًا؛ حيث صنعوا الزجاج المعشق في الجص. وتمر هذه الصناعة بعدة مراحل؛ بداية برسم الوحدات الزخرفية على الجص، ثم تبدأ مرحلة التفريغ أي التخريم لهذه الوحدات المراد تعشيقها بالزجاج. وأخيرًا تبدأ مرحلة تركيب القطع الزجاجية المختلفة الأحجام والألوان من الخلف وتثبت بالجص السائل.وما زالت هذه الطريقة متوارثة لانتاج لوحات زخرفية متنوعة الأشكال تُشع من الضوء مثل نوافذ العمائر الإسلامية المختلفة. كما استخدمتها الكنائس في مصر أيضا للتزيين وصناعة النوافذ الملونة. كما استخدم العرب الزجاج في عمل زخارف الفسيفساء؛ مثل الجامع الأموي بدمشق الذي تضم زخارفه مناظر طبيعية بديعة.

صناعة الزجاج
يمكن تقسيم الزجاج إلى نوعين هما؛ العادي أي زجاج الصودا والجير والسيليكا، والزجاج النوعي، فالزجاج العادي هو الأكثر إنتاجا ويتكون من الرمل (أو السيليكا التي هي أكثر نقاوة من الرمل) والجير والصودا.

والسيليكا المنصهرة وحدها تنتج زجاج ممتاز، لكنها تنصهر عند حوالي 1700 درجة مئوية أي أن إنتاج الزجاج بهذه الطريقة مكلف، لذلك فهذه الطريقة تقتصر على إنتاج الزجاج المتوجب فيه درجة أفضل من الخمول الكيميائي والقدرة على تحمل الصدمات الحرارية أو في إنتاج أغراض البصريات وتستعمل الصخور الكريستالية بدل كوارتز الرمل لإنتاج هذا النوع.
أما في حالة الزجاج العادي فان السليكا (أو الرمل) يضاف إليها مُسهّل صهر لتخفيض درجة الحرارة اللازمة لصهر المزيج، لهذا فإن الصودا تستعمل لتسهيل الصهر حيث أنه بإضافة 25 بالمئة من الصودا إلى السيليكا تكون درجة انصهار المزيج عند 850 درجة مئوية بدل 1700 درجة مئوية، لكن الزجاج الناتج منهما لا يصمد في الماء بل يذوب ولذلك يسمى زجاج الماء، وهنا يكمن دور إضافة الجير، فبإضافة الجير إلى مزيج السيليكا والصودا نحصل على زجاج لا يذوب في الماء بينما تكون درجة حرارة صهر المزيج ليست عالية جدا، لكن إضافة كمية كبيرة من الجير تجعل الزجاج الناتج سهل التفتت.
مكونات الزجاج العادي (زجاج سيليكا صودا جير):

75 % سيليكا (اكسيد السيليكون)أو رمل
15 % صودا (كربونات الصوديوم (ملح القلي) أو (اكسيد الصوديوم)، أو بورق (بوتاس)
10 % الجير(حجارة كلسية أي حجارة الجير كربونات الكالسيوم أو الجير الغير مطفى: أكسيد الكالسيوم)
بالرغم من هذه الوصفة المتبعة في إنتاج الزجاج اليوم إلا أنه يبقى عرضة إلى التفتت خلال عملية تشكيله.

لصنع الصفائح الزجاجية من العادة يستخدم 6 في المئة من الجير و 4 في المئة من المغنيسيا (أكسيد المغنيسيوم، MgO)، أما لصنع زجاج القوارير يستخدم 2 في المئة الألومينا (أكسيد الألومنيوم، أو Al2O3) غالبا ما تكون موجودة. كما يتم إضافة مواد أخرى منها ما يتم وضعه للمساعدة في تصفية الزجاج (أي لإزالة فقاعات نتجت في عملية ذوبان)، في حين يتم إضافة غيرها لتحسين لونه. على سبيل المثال، الرمل يحتوي دائماً على الحديد كشوائب على الرغم من أن المواد المستخدمة لصنع الزجاجات يتم اختيارها خصيصا لانخفاض محتوى الحديد فيها، إلا أن بقاء آثار صغيرة من شوائبه يكسب الزجاج اللون الأخضر غير المرغوب فيه؛ لكن باستخدام السيلينيوم مع أكسيد الكوبالت جنبا إلى جنب مع قليل جداً من ثالث أكسيد الزرنيخ ونترات الصوديوم، فمن الممكن إزالة اللون الأخضر وإنتاج ما يسمى الزجاج الأبيض (الزجاج غير الملوّن).

أصناف الزجاج مختلفة جداً، وغالباً ما تكون أكثر تكلفة، تركيبات معينة تصنع لتلبي الحاجة لبعض الخصائص الفيزيائية والكيميائية الضرورية. على سبيل المثال، في النظارات البصرية، مجموعة واسعة من التركيبات تلزم للحصول على مجموعة متنوعة من معامل الانكسار والتشتت اللازمة. وللحصول على زجاج مقاوم للصدمات الحرارية يمكن صهر السليكا وحدها أو كبديل تستبدل الصودا بحمض البوريك في حين ستبدل بعض الجير بالألمونياAlO3 فينتج ما يسمى البورو سلسيكات. أمّا للحصول على زجاج ذو بريق شديد كالذي يستعمل في أواني الطاولة فيستعمل أكسيد الرصاص كمّسهّل صهر للسيليكا

تشكيل الزجاج

أوعية زجاجية صنعت في عهد مماليك الشام.
تتضمن العمليات الأولى لتشكيل الزجاج: صب لوح من الزجاج ثم درفلته وصقله، أو نفخ كرة من الزجاج، ثم تدويرها في حركة مغزلية على طرف قضيب مع إسنادها على سطح أملس بارد حتى تتسطح على هيئة قرص أو تأخذ شكل الأسطوانة، وصقله بواسطة اللهب وتنعيم سطحه. ولصناعة أكواب فيتم بإدخال كرة الزجاج التي لا زالت منصهرة في قالب وتدويرها فيه فتأخذ شكل القالب ثم تبرد. بعد إزالة الطرف يصبح الكوب جاهزاً.

واحتاج عمليات التزجيج (صناعة الزجاج) القديمة، إلى أطر صغيرة للنوافذ، لتركيب هذا الزجاج (التاجي) أو (النورماندي) عليها، وظل بعضها محتفظاً بـ (عين الثور) المميزة في مركزها، كعلامة مختلفة عن استخدام القضيب. أما العملية البديلة لإنتاج (الزجاج العريض) فكانت تعتمد على أرجحة الكرة، حتى تتمدد وتتحول إلى شكل أسطواني، يصل طوله إلى حوالي متر ونصف، بقطر حوالي 45 سم. ثم تزال الأطراف وتشق الأسطوانة على طولها، ثم يتم تسطيحها في فرن مناسب.

وظلت الطريقة الأخيرة، مع طريقة أخرى متطورة عنها تعتمد على الميكنة، قيد الاستخدام حتى أوائل القرن العشرين، حين تم التوصل إلى طريقتين أخرتين هامتين:

طريقة بيترسبرج
طريقة (فوركو) عام 1904 وطريقة (بتسبرج) عام 1926 وتعتمد كلتا الطريقتين على سحب شريط من الزجاج رأسيّاً من فرن الزجاج، عبر فرن تلبيد (تلدين) بواسطة درافيل من الاسبستوس تدار بالمحركات، تقوم بمسك الشريط من طرفه العلوي بمجرد برودته لدرجة كافية، بعد عدة أقدام أعلى الفرن. وتسمح عملية التلدين بتبريد الزجاج ببطء بمعدل محدد، ويعد التبريد ببطء أمراً ضرورياً لتجنب الإجهادات الناشئة عن التبريد السطحي السريع. ويتميز الزجاج الناتج بشفافيته، وسطوحه المصقولة الصلبة، مع وجود بعض التشوه أو العيوب.

وكان الحصول على لوح زجاج مصقول فيما سبق من طرق، يتم بدرفلة الزجاج المصهور من الفرن، على هيئة شريط مستمر، ولكن كان يعيب ألواح الزجاج، وجود علامات (ندبات) بسطحه، نتيجة التلامس بين الزجاج والدرافيل. لذلك كان يتحتم إزالة هذه العلامات بالتجليخ والصقل بغرض الحصول على سطحين متوازيين للوح الزجاج لتحقيق الاكتمال البصري (الخواص الضوئية الجيدة) للمنتج النهائي. وبالطبع، يتخلف عادم يقدر بحوالي 20% من عمليات التجليخ والصقل، كما كان من الصعب في الماضي إخلاء الزجاج من الفقاقيع الهوائية.

أسلوب الطفو
منذ ظهور عملية الطفو على يد شركة (بيلكنجتون) البريطانية عام 1959 أصبحت الطريقة الأساسية المستخدمة في العالم أجمع لتصنيع الزجاج المسطح، وكان يتعين قبل ذلك، صب أي لوح مسطح من زجاج، ثم درفلته وصقله للتخلص من الإعوجاج وعدم الاستواء.

ويعتمد أسلوب الطفو على تحريك شريط من الزجاج بعرض يصل إلى 33 متراً إلى خارج فرن الصهر، ثم يتم تعويمه على سطح حمام (مغطس) من مصهور القصدير. ويحتفظ بالشريط في جو يتم التحكم في تركيبه الكيميائي، عند درجة حرارة مرتفعة، لمدة زمنية كافية لاستواء المواضع غير المنتظمة، وحتى يصبح السطحين مستويين ومتوازيين. ويتميز سطح الزجاج الناتج بالاستواء التام، نتيجة الاستواء المماثل لسطح حمام القصدير المنصهر.

ويجري تبريد الشريط مع تحركه عبر حمام القصدير المنصهر، حتى تتصلد السطوح بدرجة كافية لإمرار الشريط، عبر مرحلة التلبيد، دون أن تترك الدرافيل علامات (ندبات) على السطح السفلي للشريط، ويتميز الزجاج الناتج بهذه الطريقة بانتظام السُمْك ولمعان سطوحه، دون حاجة إلى تجليخ أو صقل.

وبعد مرور سبع سنوات من العمل المضني، وبعد 14 شهراً من التشغيل غير الناجح لمصنع أُقيم بالحجم الصناعي الكامل، وتكلف مائة ألف من الجنيهات الإسترلينية، كل شهر من هذه الشهور، ظَهرت أول ألواح زجاجية ناجحة، ثم تصنيعها بهذه الطريقة، بثخن 6 ملم. وقد تحدد هذا السُمك بطريقة تلقائية، نتيجة القوى الطبيعية المؤثرة على حمم الطفو، وهي ظاهرة حسنة، إذ يحتاج 50% من سوق الزجاج مرتفع الجودة، إلى هذا السُمك.

ولكن الاستفادة الكاملة من طريقة الطفو، اقتضت السيطرة والتحكم في سُمك الشريط المنتج، وهو أمر أولته شركة (بيلكنجتون) اهتمامها، إلى أن تمكنت بعد عامين من ظهور هذه الطريقة من إنتاج زجاج بسمك 3 ملم وتحقق ذلك عن طريق مط الشريط برفق، وبطريقة يتم التحكم فيها، بحيث انتفى وجود أيّة تشوهات في الألواح الناتجة.

ثم أمكن إنتاج ألواح أكثر سمكاً خلال السنوات الثلاث التالية، عن طريق الحد من الاستطالة التي يتعرض لها الزجاج المصهور في حمام الطفو، حتى تتاح زيادة السمك، ويبلغ مدى السمك المتوافر حالياً من 4 ملم حتى 25 ملم من الزجاج المناسب لأغراض البناء، وسمك 2.5 ملم لأغراض أخرى.

صناعة الزجاج عند العرب
اعتنى العرب في العصور الوسطى بصناعة الزجاج وطوروها لحاجتهم إلى الأواني الزجاجية التي تستخدم في العطور، والعقاقير، والإنارة، والشرب، وغيرها. وكانت الزخرفة تنفذ بأساليب مختلفة منها طريقة الضغط على الأواني وهي لا تزال لينة، وكذلك بطريقة الملقاط، أو بطريقة «الإضافة» وهي تتم بلصق خيوط من الزجاج على جدران الأواني وهي لينة، أو لصق حامل من الزجاج الذي لا زال ليّنا، وربما يكون ملونا وغير ذلك من الطرق الأخرى.

ولقد صنع العرب القدامى أنواعاً كثيرة من الأواني الزجاجية؛ منها هذه المجموعة المختلفة الأشكال التي ترجع إلى القرن الثاني أو الثالث الهجري. هذه آنية زجاجية ترجع إلى القرن الثالث الهجري، وهذا الإبريق الزجاجي المصنوع بالطريقة الرومانية يرجع إلى القَرن الثاني الهجري من عصر الدولة العباسية، أما هذا القدر فقد زخرف بطريقة «الإضافة» في مصر الفاطمية خلال القرن الخامس الهجري، وهذا إبريق يرجع إلى القرن الثالث الهجري من الدولة العباسية، كما وصلتنا هذه المزهرية عصر المماليك. وقد زودت فوهتها البديعة الصنع بخيوط زجاجية ملونة، أما هذه القنينة فذات بدن مضلع ونفّذت بالقالب وزخرفت رقبتها بإضافة خيوط زجاجية وهي من القرن الثامن الهجري.

وهذا جزء من إناء فاطمي العصر، وقد زُخرف بالكتابة الكوفية مع الكائنات المتقابلة ويرجع إلى القرن الخامس الهجري، أما هذه القنينة وتلك المكحلة فمن البلور الصخري، وقد زخرفتا بالقطع والشطف في مصر الفاطمية خلال القرن الخامس الهجري. والبلور هو زجاج مضافا إلى خلطته عناصر ثقيلة مثل الكوبلت ويتميز بكثافة عالية.

وهذه بعض المكاييل الزجاجية المخصصة للعطور أو السوائل الطبية من القرن الثاني الهجري من عهد الأمويين، كما صنع العرب المسلمون الموازين والصِنَج من الزجاج أيضاً، فهذا ثقل ميزان يوازي رطلاً ويرجع إلى عام 129 للهجرة. وهذا مثقال فلس من العصر الأموي المبكر، أما هذه الصِنَج فمن عهد «العزيز بالله» الخليفة الفاطمي، وهذا الثقل من عهد السلطان قايتباي عام 893 للهجرة.

كما برع المسلمون في صنع المشكاوات؛ وذلك لإضاءة المساجد والمنازل وخلافه، منها عدد من المشكاوات المملوكية العصر المموهة بالمينا والمزخرفة بكتابة النسخ وكذلك عليها زخرفة نباتات. وهذه المشكاة باسم السلطان «حسن» وقد موهت بالمينا، وزخرفت بكتابات نسخية قرآنية وزخرفة نباتية فنية. وهذه من عهد السلطان «حسن»، وقد زخرفت فقط بزخارف نباتية دقيقة.

أمّا هذه المشكاة فباسم الأمير «شايخو» ساقي السلطان المملوكي الناصر “محمد بن قلاوون”، وتضم مع الكتابة النسخية الجميلة «رنك الكأس» الذي يشير إلى وظيفة الساقي؛ حيث تعتبر «الرنوك الوظيفية» سمة من سمات العصر المملوكي.

واستخدم العرب الزجاج في زخرفة النوافذ أيضاً؛ حيث برعوا في صناعة الزجاج المعشق في الجص. وتمر هذه الصناعة بعدة مراحل؛ بداية برسم الوحدات الزخرفية على الجص، ثم تبدأ مرحلة التفريغ أي التخريم لهذه الوحدات المراد تعشيقها بالزجاج. وأخيراً تبدأ مرحلة تركيب القطع الزجاجية المختلفة الأحجام والألوان من الخلف وتثبت بالجص السائل.

وما زالت هذه الطريقة المتوارثة تنتج لوحات زخرفية متنوعة الأشكال تُشع من الضوء، ويبدو ذلك جليا في نوافذ العمائر الإسلامية المختلفة. كما استخدمتها الكنائس في مصر أيضا للتزيين وصناعة النوافذ الملونة. كما استخدم العرب الزجاج في عمل زخارف الفسيفساء؛ مثل الجامع الأموي بدمشق الذي تضم زخارفه مناظر طبيعية بديعة، وتعتبر فسيفساء هذا المسجد أقدم نموذج للفسيفساء الزجاجية الإسلامية بعد قبة الصخرة.-

بنية الزجاج

بنية زجاج السيليكا (SiO2) في بعدين، وهي بنية لا بلورية.
كما هو الحال في المواد الصلبة لا بلورية الأخرى فإن التركيب الأيوني للزجاج – وليس التركيب الذري لأن الزجاج لا يحتوي على الذرات – لا يحتوي أي تناظر انتقالي، ولكن نظراً لخصائص الترابط الكيميائي فإن الزجاج قد يمتلك درجة ما من الانتظام قصير المدى نسبة إلى المضلعات الذرية الموضعية القريبة ولكنها لا تتواصل في الزجاج على المدى البعيد.

أنواع الزجاج
يمكن تقسيم الزجاج من حيث تركيبه الكيميائي إلى ثلاثة أنواع:

زجاج الصودا والجير: ويشكل ما يزيد عن 90% من الزجاج المستخدم: حيث يحتوي على أملاح الصوديوم وكربونات الصوديوم بنسبه عالية.
الزجاج الرصاصي الكريستال: وهو زجاج براق، عالي الكثافة وذو معامل انكسار عالي للضوء، يستخدم في صناعة التحف والإكسسوارات والثريا وكان يستخدم قديما في حفظ الطعام والشراب ونظراً لتفاعل الرصاص مع المواد الغذائية توقف استخدامه لخطورته على صحة الإنسان.
الكوارتز (زجاج السيليكا): ويحتوي على السيليكا بنسبه96% مما يجعله يحتاج إلى درجات حرارة عالية لتصنيعه، يتميز بمقاومة عالية لدرجات الحرارة، مما يجعله مناسباً لصناعة موازين الحرارة والأفران.
كما يمكن تقسيم الزجاج أيضاً من حيث المعالجة الفيزيائية إلى نوعين:

الزجاج الملدن:
الزجاج المُقسّى: حيث يسخن إلى درجة حرارة معينة ثم يبرد بشكل سريع عن طريق تعريض سطح الزجاج لتيارات هواء بارد. لذا فهو يتميز عن الزجاج الملدن العادي بما يلي:
-*يمكن للزجاج المقسّى تحمل صدمات ميكانيكية أشدّ ممّا يتحمله الزجاج الملدن العادي بـ 5 – 7 مرات. وعندما يتكسر الزجاج نتيجة صدمة شديدة، يتحول إلى عدد كبير من الشظايا صغيرة التي لا تجرح ولا تؤذي أحداً (لهذا السبب يسمى هذا الزجاج زجاج أمان مُقسّى). وخلافا للزجاج المقسى، فإن الزجاج العادي يتناثر عند تكسره إلى شظايا حادة جارحة بالغة الضرر.

-* كما يمكن للزجاج المقسَّى تحمل فرقا كبيرا بين درجات الحرارة الداخلية والخارجية، تصل إلى 300 درجة مئوية، في حين لا تتجاوز هذه الفروق 70 درجة مئوية في الزجاج العادي الملدن، مما يعرضها للكسر مباشرةً.

ومن الطرق الشائعة لتصنيع الزجاج هي خلط كمية كبيره من الرمل مع كميات قليله من الجير والصودا، ومن ثم تسخينه إلى درجة حرارة عالية تزيد عل 1100 درجة مئوية، حتى يصبح عجينةً سائلةً عالية اللزوجة، يتم بعدها تشكيله بطرق آلية أو يدوية، ومن ثم يبرد ليكون زجاجاً.

ويعتبر زجاج الصودا والجير (الزجاج المسطح): هو الزجاج الأكثر شيوعاً واستخداماً، حيث يشكل نسبه تزيد عن الـ (90%) من إجمالي الزجاج المستخدم في العالم. أما زجاج البوروسيليكات وهو ما يسمى بزجاج البايركس والكيموكس فهو يحتوي على السيليكا بنسبة (80%) وعلى القلويات بنسبة (4%) وعلى الألمونيوم بنسبة (2%) وعلى أكسيد البوريك بنسبة (13%). وهذا ما يعطيه الصلابة التي تزيد بثلاثة أضعاف الزجاج المسطح العادي.

أما زجاج السليكا المنصهر الكوارتز فهو يحتوي على السيليكا بنسبة (96%) ويتميز بمقاومته للصدمات، إلا أنه مرتفع الثمن.

وأهم خاصيّة للزجاج من ناحية تصنيعه هي لزوجته والتي تعتمد على درجة الحرارة، لِذا فإن زجاج السليكا النقي له لزوجه عالية ويحتاج إلى حرارة عالية جداً للتخلص من الفقاعات الموجودة فيه.

وهذا الشيء يجعل من صناعة زجاج السليكا النقي مكلف جداً. لذا ولأسباب علمية يلزم إضعاف زجاج السليكا لكي يسهل تصنيعه بشكل اقتصادي. ومن واقع الخبرة، يتضح أن اكسيدات المعادن القلوية هي خير وسيلة لتحقيق ذلك.

ويكمن السر في ذلك بأن كل ذرة سيليكون ترتبط بأربع ذرات فقط من الأوكسجين وأن أي ذرات إضافية من الأوكسجين تعمل خلخلة التشكيل المتماسك والقوي والمكون من سيليكون – أكسجين – سيلكون لذا أصبح من السهل تغيير تركيب زجاج السيليكا وجعله أكثر تحركاً وذلك باستخدام أكسيدات المعادن القلوية.

وتعتبر هذه أكسيدات المعادن القلوية من أهم عوامل الصهر المستخدمة في صناعة الزجاج، وأكثر هذه الأكسيدات استخداما هي الصودا التي تعتبر أرخصها ثمنا، وقد استخدمت أكسيدات معادن أخرى القلوية لهذا الغرض مثل (البوتاسيوم والليثيوم… الخ).

وهناك أنواع من الزجاج تستخدم في الصناعات الميكروية كالزجاج الحساس للضوء.

البرسبكـس
هو مكثور (polymer) الميثيل ميثاكريليت، اسمها التجاري (في الولايات المتحدة) هو «لوسايت»، كما يوجد له اسم تجاري آخر هو «بليكسي غلاس». ويتميز البليكسي جلاس بخواص بصرية ممتازة، وهي ملائمة لصنع النظارات والعدسات وعدسات الكاميرات. كما تستخدم في الإعلانات الضوئية الموجودة في الشوارع، ويصنع منها زجاجا شديد التحمل للصدمات بحيث يصلح لتأمين السيارات.

زجاج الأمان
رافق التطور التكنولوجي وبشكل دائم ما يسمى بعوامل الأمان التي من شأنها حماية العمال والعمل بآن واحد، والزجاج مادة خطرة ونتائج استخداماتها أثبتت خطورتها وخاصة أن الزجاج بشكل عام يتحطم إلى قطع كبيرة وحادة الأطراف قادرة على إيذاء الشخص كيفما كان وضع الحادث، لذلك كانت الغاية من زجاج الأمان هي تقليل خطورة الزجاج وجعله يتحطم على شكل أجزاء صغيرة وناعمة غير حادة ومتلاصقة دون أن تتناثر في أرجاء مكان الحادث.

ويصنع زجاج الأمان بإحدى طريقتين، وضع طبقة لدائنيه «بلاستيكية» رقيقة بين لوحين زجاجيين، أو تقوية ألواح الزجاج عن طريق معالجتها بالصدمة الحرارية. ولقد كان الكيميائي الفرنسي إدوار بنيديكتوس أول من صنع زجاج الأمان، وذلك حين ركب عام 1909 م رقاقة من السليولويد بين لوحين من الزجاج. وقد استخدم زجاج الأمان في الواجهات الواسعة التجارية وفي مجال واسع في عالم السيارات حيث كانت حوادث السير تحصد الكثير من الأرواح بسبب الزجاج.

اكتشاف زجـاج الأمان

أوقع العالم الفرنسي بينيديكتوس خطأ زجاجة تحتوي على مادة الكولوديون وهي مادة تستعمل لتضميد الجروح وللتصوير، من فوق الرف إلى الأرض، ولاحظ العالم أن الزجاجة قد تحطمت، ولكنها بقيت قطعة واحدة ولم تتفتت، فدهش للنتيجة، ولاحظ فضلا عن ذلك أن مادة الكولوديون تركت بعد أن تبخرت قشرة رقيقة على الزجاج، هي التي أبقته ملتحما بعضه ببعض.

وقرأ هذا العالم فيما بعد أن عدداً كبيراً من الإصابات تحدث بسبب تطاير شظايا زجاج السيارات الأمامي لدى حدوث حوادث الارتطام، وكانت السيارات وقتئذ في مستهل عهدها، فتذكر خطأه ومادة الكولوديون، فألفى فيها العلاج الناجع، ومذ ذاك، ظهر إلى الوجود الزجاج الأمين، غير القابل للكسر والتحطيم.

المركبات الموازنة في الزجاج
هناك عناصر ومركبات كيميائية ضرورية موازنة في عملية تصنيع الزجاج بأشكاله وأنواعه المعروفة بحسب الاستخدام، من أهمها:

1- الجير: هو عبارة عن كربونات الكالسيوم على شكل حجري ويضاف إلي الخلطة الزجاجية بعد طحنه لإكساب الزجاج بعض الخواص . ويستخدم جير الكالسيوم والدولوميت بكميات كبيرة مع الرمل وكربونات الكالسيوم.

2- أكسيد الرصاص: يعتبر من المكونات الرئيسية لأنواع الزجاج الظراني الذي يتميز بمعامل انكسار عال للضوء، وعادة ما تشتمل على نسبة كبيرة من البوتاس (يعطي للزجاج بريقاً ولمعاناً وفي نفس الوقت مقاوم للكهرباء والحرارة).

3- أكسيد البوريك: يخفض من درجة لزوجه السيليكا دون أن يزيد من تمددها الحراري، ومع إضافة كمية قليلة من أكسيد الألمونيوم يحافظ على شفافية الزجاج، ويجعله أكثر مقاوما للحرارة (البايركس)، وهي تستخدم في صناعة أدوات المخابز وأجهزة المختبرات والأنانبيب الصناعية لقدرتها على مقاومة التغيرات المفاجئة في درجات الحرارة وتحملها للمواد الكيميائية.

4- أكسيد الألمونيوم والجير: يستخدم هذا الخليط بنسبة كبيرة في الزجاج مع (10%) من أكسيد البوريك وقليل من القلويات لصناعة الزجاج الليفي.

بشيء من التقريب يمكن القول أن الزجاج هو خلطة مناسبة من الرمل (السيليكا) مع بعض الاضافات الكيميائية وبظروف حرارية معينة نحصل على تلك المادة العجينية التي تبرد لتعطينا الزجاج، والزجاج من أكثر المواد فائدة في العالم. وهو يصنع بشكل رئيسي من رمل السيليكا والصودا والجير.

ويمكن الحصول على خواص مختلفة للزجاج بحسب طريقة تحضيره ومكوناته حيث يمكن للزجاج أن يشكل بحيث يستخرج على شكل خيوط رفيعة جداً تستخدم في تصنيع الألياف البصرية، أو يمكن أن يشكل من الحالة العجينية ويكسب مطواعية ليسكب في قوالب تعطيه الشكل النهائي كمرآة التلسكوب التي يصل وزنها عدة أطنان، ويمكن أن تزاد صلادته أو قساوته ليصبح أقوى من الفولاذ وأكثر هشاشة من الورق مع إمكانية الحصول عليه بألوان وأشكال كثيرة.

الزجاج المعدني في خدمة المستقبل
أصبحت الحاجة إلى استخدام الزجاج المعدني ضمن المحولات الكهربائية ومضارب الغولف وضمن تطبيقات أُخرى أمراً مُلحا، الأمر الذي دفع «تود هاف نايغل» الباحث الجامعي في جامعة جونز هوبكنز وبروفسور علم المواد والهندسة، إلى البحث عن تركيبة زجاج معدني جديد يتميز بخصائص القوة والمرونة وخصائص مغناطيسية.

ويعرف علماء الزجاج أن أي مادة يمكن تحويلها من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة بدون أن تتبلور عن طريق معالجتها حرارية معالجة خاصة. وعادة تتعرض معظم المعادن لعملية التبلور خلال تبرّدها وتنظّم ذراتها لتشكل نموذجا عالي التنظيم يدعى شبكة بلورية. في حين أن الزجاج المعدني يتشكل خلال نفس العملية في صورة لا بلورية حيث تترتّب بشكل عشوائي (يسمي الزجاج أحيانا بسائل صلب).

وبشكل مغاير للألواح الزجاجية، فالزجاج المعدني لا يكون شفافا، لكن تكوينه يجعله يمتلك خصائص مغناطيسية وميكانيكية متميزة وصلابة عالية.

القطن من نباتات المناطق الحارة، وهو عبارة عن شجيرة صغيرة، يتطلب رياً جيداً وأرضاً خصبة حتى ينمو بشكل جيد لينتج قطناً على درجة عالية من الجودة.

يعد القطن المحصول الرئيسي ليس بين المحاصيل السيليلوزية فحسب بل بين المحاصيل المختلفة التي تكون المواد الخام المستعملة في صناعات الخيوط والأقمشة، فمحصول القطن يبلغ مقداره كما سبق لنا ذكره حوالي 75% من مقدار مجموع المحاصيل المختلفة.

يعد القطن المصري أفضل أنواع القطن الذي يطلق عليه «قطن طويل التيلة» ولذلك يتم تصديره لجميع دول العالم.

تتطلب صناعة القطن خطوة «الحلج» أي تخليص زهرة القطن من البذور وفصلها عنه، ليتبعه بعد ذلك عدة صناعات منها صناعة الزيوت والعلف من نواتج القشرة بعد كسرها.
نبتة القطن

هذه الخريطة التخيلية تظهر التوزيع العالمي لانتاج القطن في عام 2005 كنسبة مئوية من المنتج الأول (الصين – 11400000 طن) وملاحظ تدني إنتاج القطن المصري.
يكون القطن شعرات الانتشار التي تحيط ببذور عدة أنواع من النباتات من الجنس المعروف بالجوسيبيوم (Gossypium) التابع للفصيلة الخبازية (Malvaceae). أما من حيث أنواع وسلالات القطن فهي عديدة جداً، ولكن يمكن تقسيم أهم الأنواع المستأنسة إلى خمسة كالآتي:

جوسيبيوم باربادانس: يتبعها أهم سلالات القطن ذي التيلة الطويلة (1,5 – 2,5 بوصة) مثل قطن جزر البحر (Sea island) وجورجيا ومعظم سلالات القطن المصري والأمريكي. وتكون نباتات هذا النوع في شكل شجيرات تتراوح طولها بين 3 و 8 أقدام، جذوعها مستقيمة ومستديرة وناعمة، وهي متسعة التفريع. أما الأوراق فعريضة ومفصصة تفصيصًا عميقًا ذات 3 – 5 أقسام أوسطها أكبرها. وأزهارها صفراء تنتهي بقواعد قرمزية. أما البذور فسوداء وملساء يسهل نزع الشعر عنها وليست مغطاة بشعرات زغبية. ويظهر أن الخواص المميزة لهذا القطن تعتمد بدرجة كبيرة على نوع الطقس والتربة، وأن التغيير في هذين العاملين يؤدي حتمًا إلى تغيير في خواص التيلة.
جوسيبيوم هرباسيوم: منتشر في بلاد كثيرة إلا أن موطنه الأصلي آسيا، فمنه تنحدر معظم سلالات القطن الهندي. وكذلك أقطان آسيا الصغرى وبلاد الشام. ويقال أن قطن شمال أمريكا يتبع هذا النوع. ونباتات الهرباسيوم تتراوح في الارتفاع بين 2 و 5 أقدام. والفروع والجذوع مستديرة ومتعرجة بسبب وجود عُقَل بها. وتكون عادة مغطاة بطبقة وبرية وهي صغيرة، أما الأوراق فجلدية الملمس ولها 5 – 7 فصوص. وسيقان الأوراق طويلة والأزهار صفراء ضاربة إلى اللون القرمزي. ويبلغ طول التيلة ¾ إلى 1 بوصة. ولون التيلة بين الأبيض والأصفر والأسمر. والبذور مغطاة بالزغب الخشن.
جوسيبيوم بيروفيانوم: وطنها الأصلي أمريكا الجنوبية والوسطى. وقد انتشرت بممالك أخرى ويقال إنها تكون أصل القطن المصري. وتبلغ في الطول من 10 إلى 15 قدمًا، والجذوع قوية وطويلة. والأوراق كبيرة وسميكة ذات ثلاث فصوص. أما الأزهار فصفراء، والنباتات حمراء قرمزية، والبذور سوداء متصل بعضها البعض في صورة مخروط ويكسوها زغب أخضر ورومادي. أما التيلة فتبلغ في الطول من بوصة إلى بوصة ونصف، وهي خشنة تشبه الصوف في ملمسها. ويتبع قطن بيرو والبرازيل هذا النوع.
جوسيبيوم اربوريوم: تنمو في الهند والصين. وتكون أشجارًا يترواح طولها بين 6 أقدام و12 قدمًا. والفروع طويلة ودقيقة لونها قرمزي عندما تكون صغيرة. والأوراق سميكة وناعمة عميقة التفصيص، ذات 5 إلى 7 فصوص. أما الأزهار فكبيرة بيضاء ضاربة إلى الحمرة. أما التيلة فقصيرة لا تزيد عن ¾ البوصة. ولونها مائل إلى الصفرة أو الاخضرار. وتمتاز نباتات هذا النوع بكونها معمرة.
نبذة تاريخية
يظهر أن زراعة القطن نشأت بالمنطقة المعتدلة ولكن لا يعلم بالضبط الموطن الأصلي لهذا النبات، غير أنه يغلب على الظن أن هذا الموطن هو بلاد الهند – فإن الهنود قد استعملوا شعرات القطن في صناعة الأنسجة منذ نحو 1500 قبل الميلاد.

ومما لا شك فيه أن للعرب فضلا كبيرًا في إدخال الصناعة القطنية بأوروبا بنشر هذه الصناعة في البلاد التي تقع على البحر المتوسط. وقد كانت أوروبا إلى عهد غير بعيد تستورد ما تحتاج إليه من الأقمشة القطنية من بلاد الشرق وعلى الأخص الهند. وقد عرفت الأقمشة القطنية بالكليكو (Calico) نسبة إلى شاطئ كلكتا بالهند. وقد بدأت الصناعة القطنية في إنجلترا في عام 1635، وكان القطن الخام يستورد إليها من المشرق. وأخذت من هذا العهد تستتب وتزدهر بإنجلترا وفرنسا ومعظم البلاد الأوربية الأخرى. أما من حيث تاريخ القطن في الدنيا الجديدة فيظهر أيضًا أنه كان موجودًا من أزمان غابرة، وقد وجد كولومبس عند اكتشافه لأمريكا أن زراعة القطن كانت منتشرة هناك. وقد ثبت أن القطن كان ينمو بمملكة بيرو من عهد بعيد، فقد وجدت أقمشة أثرية من القطن تحيط بأجسام الموتى المحنطة بهذه البلاد.

زراعة القطن
القطن نبات معمر. ويشترط لزراعة القطن تربة خاصة وجو صالح. وكل نوع من أنواع القطن يتطلب ظروفًا خاصة مثل الجو والتربة كثيرًا مالا تصلح للأنواع الأخرى. ويختلف وقت زراعة القطن باختلاف البلد. ففي أمريكا يبدأ موسم البذار من منتصف مارس إلى نهاية أبريل. وفي مصر يزرع المحصول في النصف الأول من شهر فبراير إلى 15 أبريل، ويزرع القطن الهندي (سوارت) من مايو إلى أوائل أغسطس. ويزرع قطن بيرو والبرازيل من أواخر ديسمبر إلى أواخر أبريل.

حلج القطن
بعد جني القطن وفرزه، يكبس في أكياس ويرسل إلى المحالج لكي تفصل التيلة عن البذرة، وبعد ذلك يكبس القطن المحلوج في بالات. أما البذور فيؤخذ منها جانب للبذر في السنة القادمة والجزء الباقي يرسل إلى المعاصر حيث يستخلص منه الزيت المعروف بزيت البذرة أو الزيت الفرنسي. ويستعمل هذا الزيت في الأكل وفي صناعة الصابون. أم الثفل المتخلف عن كبس البذور فيستعمل غذاءً للماشية.

زيت بذرة القطن
يتكون زيت القطن من جلسيريدات حمض النخليك (Palmitic) وحمض الزيتيك (Oleic) وبعض أحماض أخرى غير مشبعة مثل اللينولييك (يشكل 56% من وزن الأحماض الدهنية). وبعض أحماض أخرى غير مشبعة. وهذه الأخيرة هي التي تسبب تأكسد الزيت جزئيًا في درجة الحرارة العالية وتعطيه بعض خواص الجفاف. ويحتوي الزيت على جانب من الاستاريين الذي يمكن فصله بتبريد الزيت إذ يرسب الاستياريين في هذه الحال وتبلغ كثافة القطن في درجة 12°م (0,922 – 0,93) ومعامل تصبنه 287 – 300 وعدد اليود 105 ومعامل الانكسار في درجة 15°م (1,478). وزيت القطن غير المكرر قاتم اللون ويحتوي على مواد مخاطية لذلك يجب تكريره قبل الاستعمال.

التجارة العالمية
أكبر منتجي القطن، اعتبارًا من عام 2017، الهند والصين، بإنتاج سنوي يبلغ حوالي 18.53 مليون طن و 17.14 مليون طن، على التوالي؛ تستهلك صناعات النسيج الخاصة بها معظم هذا الإنتاج. أكبر مصدرين للقطن الخام هم الولايات المتحدة، بمبيعات بلغت 4.9 مليار دولار، وأفريقيا بمبيعات بلغت 2.1 مليار دولار. يقدر إجمالي التجارة الدولية بـ 12 مليار دولار. تضاعف نصيب إفريقيا من تجارة القطن منذ عام 1980. ولا يوجد في أي من المنطقتين صناعة نسيج محلية كبيرة، وانتقل تصنيع المنسوجات إلى الدول النامية في شرق وجنوب آسيا مثل الهند والصين. في أفريقيا، يزرع القطن من قبل العديد من صغار الملاك. مشاريع دونافانت، ومقرها ممفيس، تينيسي، هي وسيط القطن الرائد في أفريقيا، مع مئات وكلاء الشراء. وهي تقوم بتشغيل محالج القطن في أوغندا وموزمبيق وزامبيا. في زامبيا، غالبًا ما تقدم قروضًا للبذور والنفقات إلى 180.000 من صغار المزارعين الذين يزرعون القطن من أجله، فضلاً عن تقديم المشورة بشأن أساليب الزراعة. تشتري Cargill أيضًا القطن في إفريقيا للتصدير.

يتلقى مزارعو القطن البالغ عددهم 25000 في الولايات المتحدة دعمًا كبيرًا بمعدل 2 مليار دولار سنويًا على الرغم من أن الصين تقدم الآن أعلى مستوى إجمالي لدعم قطاع القطن.

إن مستقبل هذه الإعانات غير مؤكد وقد أدى إلى توسع متوقع في عمليات سماسرة القطن في إفريقيا. توسعت Dunavant في إفريقيا عن طريق شراء العمليات المحلية. هذا ممكن فقط في المستعمرات البريطانية السابقة وموزمبيق؛ استمرت المستعمرات الفرنسية السابقة في الحفاظ على الاحتكارات المشددة، الموروثة من أسيادها الاستعماريين السابقين، على مشتريات القطن بأسعار ثابتة منخفضة

الرياضة هي مجهود جسدي عادي أو مهارة تُمَارَس بموجب قواعد مُتفق عليها بهدف الترفيه أو المنافَسة أو المُتعة أو التميز أو تطوير المهارات أو تقوية الثقة بالنفس أو الجسد. واختلاف الأهداف من حيث اجتماعها أو انفرادها يميز الرياضات، بالإضافة إلى ما يضيفه اللاعبون أو الفِرَق من تأثيرٍ على رياضاتهم.

التربية البدنية هي الجانب المتكامل من التربية يعمل على تنمية الفرد وتكيفه جسديًّا وعقليًّا واجتماعيًّا ووجدانيًّا عن طريق الأنشطة البدنية المُختارة التي تتناسب مع مرحلة النمو، والتي تُمارس بإشراف قيادةٍ صالحةٍ لتحقيقِ أسمى القيم الإنسانية وبذلك فإن تعبير التربية الرياضية أوسع بكثير وأعمق دلالةً بالنسبة لحياةِ الإنسان من كونه مجرد صحة بدنية أو الثقافة البدنية أو التمرينات والتدريبات البدنية أو الألعاب الرياضية، فهو مجال من مجالات التربية الشاملة التي تشكل التربية الرياضية ميدانا حيا منه مشيرا إلى أن برامجه ليست مجرد تدريبات تُؤَدَّى ولكنها بإشراف قيادةٍ مؤهلة تساعد على جعل حياة الإنسان أكثر ملائمةً لمتطلبات عصره.

النشأة
تدل الآثار المصرية على أن المصريين القدماء كانوا يمارسون أنواعاً من الرياضة منها المصارعة والرقص، ولا شك أن الرياضة أثبتت نفسها كعامل مهم لتدريب المحاربين. وفي كثير من اللوحات صور لفراعنة مصر وهم يمارسون صيد الأسود والغزلان بالقوس أثناء ركوبهم عرباتهم الحربية.

وتدل آثار العصر اليوناني مثل الملعب الأولمبي باليونان، على أن العديد من الرياضات كانت تنظم لها المسابقات للمشاركين من بين البلاد اليونانية. وقد استوحيت العديد من الرياضات من الأنشطة التي قام بها الإنسان البدائي مثل:

مطاردة الفريسة من أجل لقمة العيش فقد استوحي منها رياضة العدو والرماية.
القفز لتجاوز الكوارث الطبيعية وقد استوحي منه رياضة القفز.
السباحة في البحر، وصيد الأسماك وقد استوحي منها رياضة السباحة.
استعمال الخيل للتنقل وقد استوحي منها رياضة سباق الخيل.
وهناك أيضا الرياضات التي كان يمارسها الصينيون منذ آلاف السنين حيث كانوا يلعبون كرة القدم بالحديد.

الجمباز
ممارسة أغلب الرياضات تضفي جمالا على الجسم، مثل الجمباز، بناء الأجسام، اليوغا، الفروسية، وأيضا الأداء مثل القفز عاليا فهو ذو جمال شكلي، ويحافظ على الجسد. ومن يزاول الرياضة فهو ليس بحاجة لتخسيس نفسه، فالرياضة تستهلك كل ما يزيد عنده من السعرات الحرارية.

فوائد الرياضة والحركة
الرياضة تلعب دوراً أساسياً في أي حمية يمكن اتباعها؛ فهي مفيدة للجسم البشري وتؤدي إلى تقليل نسبة الإصابة بمرض السكري وأمراض القلب والشرايين، وتحافظ على الوزن المثالي وعلى ذاكرة أفضل كما أنها تزيد الثقة بالنفس؛ حيث أثبتت دراسة بريطانية أن الرياضة تساعد على إفراز المخ لمواد كيميائية مثل «الاندرفينس» التي تجعل الإنسان يشعر بأنه في حال أفضل. كما أن هناك العديد من ألعاب الرياضة التي تتميز بالتشويق مثل كرة القدم والقفز العالي وسباق الحواجز.

ولممارسة الرياضة لست في حاجة إلى قضاء ساعات في صالة التمارين الرياضية، كل ما تحتاجه هو إضافة القليل من الحركة للروتين اليومي. أثبتت الدراسات الحديثة أن الرياضة البدنية تفيد الجسم كثيراً وتؤدي إلى:

التقليل من نسبة الإصابة بمرض السكري
تحكم أفضل بنسبة السكر في الدم
التقليل من نسبة الإصابة بأمراض القلب والشرايين والكولسترول
المحافظة على الوزن
التقليل من الإصابة بالبرد
ذاكرة أفضل
نوم أفضل
المحافظة على المفاصل
زيادة الثقة بالنفس
تحكم أفضل بالضغوطات والتوتر
التمارين الرياضية
تساعد التمارين الرياضية على التحمل والصبر وذلك عن طريق تدريب الجسم على أن يكون أكثر مرونة ومن هنا نستكشف أن الرياضة تعلم الآتي:

الصبر إذ عندما يخسر الرياضى في مباراة ما فعليه أن يصبر على خسارته فلا يتعدى على منافسه ويسعى إلى الفوز بشرف ونزاهة فالرياضة لتهذيب النفوس لا لإحراز الكؤوس.
ترتبط الرياضة بالاحترام إذ على الرياضي احترام قواعد اللعبة واحترام منافسه.
الرياضة تعلم الفرد التنافس النزيه والتحدي.
التعاون وتنمية روح الفريق والعمل الجماعي وهذا عند إقامة مباريات بين فريقين أو عدة فرق.
وكذلك تعلم الجرأة والشجاعة، وهذا ما يوجد كثيرًا في الرياضات القتالية كالكونغ فو والكاراتيه إلخ.
الرياضة تنمي الثقة بالنفس في الفرد، وتعلمه التركيز.
والعديد من القيم الأخرى التي تساعده على التأقلم في المجتمع؛ لأن الرياضة -كما ذكر سابقا- ليست لإحراز الكؤوس ولكن لتهذيب النفوس.

هناك دراسة بريطانية تقول إن الأطباء يصفون ممارسة التمرينات الرياضية بشكل متزايد كعلاج لأولئك المصابين ببعض الأمراض، وذكرت الدراسة التي أجرتها مؤسسة الصحة العقلية، وشملت 200 طبيب من الذين يندرجون تحت فئة ممارس عام، أن 22 بالمئة منهم يصفون التمارين الرياضية لأولئك الذين يعانون من الاكتئاب المتوسط.

يذكر أن 5 بالمئة فقط من الأطباء كانوا يصفون التمارين الرياضية كعلاج للاكتئاب المتوسط قبل 3 أعوام.

وقالت المؤسسة أنه من المهم ألا يركز الأطباء على وصف العقاقير المضادة للاكتئاب باعتبار أن هناك وسائل أخرى.

وقال البحث إن التمارين الرياضية تساعد الذين يعانون من الاكتئاب من الدرجة المتوسطة لانها ترفع من تقديرهم لأنفسهم من خلال تحسين صورة أجسادهم أو تحقيق أهدافهم.

كما أن التمارين الرياضية تساعد في إفراز المخ لمواد كيميائية مثل الأندورفين الذي يجعل الإنسان يشعر أنه في حالة أفضل.

وتقول سيليا ريتشاردسون المديرة بمؤسسة الصحة العقلية «إن التمارين الرياضية يمكنها أن تساعد الناس جسديًّا واجتماعيًّا وبيولوجيا».

ووجدت الدراسة ان عدد الأطباء الذين يؤمنون بفوائد العلاج بالتمارين قد ارتفع بدرجة كبيرة جدا، فقبل 3 سنوات كان 41 بالمئة فقط يرون أن التمارين تمثل علاجًا «فعالا أو فعالا للغاية» بالمقارنة بـ 61 بالمئة حاليا.

ويقول أندرو ماكولوج المدير التنفيذي بمؤسسة الصحة العقلية «إن الاكتئاب مرض معقد لذلك يجب أن يكون العلاج متنوعًا وان تتاح للمرضى فرصة للاختيار». تنشط الرياضة الدورة الدموية للجسم.

تحمي الرياضة الجسم من الأمراض المتنوعة كالسمنة وهشاشة العظام وأمراض القلب والشرايين فالعقل السليم في الجسم السليم.

ومن جانبه، قال البروفيسور «ستيف فيلد» من الكلية الملكية للطب العام «إن هناك وعيًا في الوقت الحالي بين الأطباء لفوائد التمارين وهناك دليل متزايد على فعاليتها، ورد الفعل من جانب المرضى يؤكد على فوائدها الكبيرة».

الألعاب الرياضية
الأخبار الرياضية ليست مقتصرة على رياضة كرة القدم فقط، بل كل الألعاب الرياضية ويمكن متابعتها في تريند الرياضة.

هناك العديد من الألعاب الرياضية في العالم، وأخرى جديدة تبتدع باستمرار، ومنها:

بناء الأجسام
رفع الأثقال
كرة السلة
كرة القدم
كرة القدم الأمريكية
رجبي
الكرة الحديدية الحرة والمقيدة
الغولف
اليوغا
القفز الطويل
القفز العالي
سباق الحواجز
السباحة
رمي المطرقة
رمي القرص
وغيرها من الرياضات..

أنواع الفنون الجسدية
تنقسم الفنون الجسدية إلى ثلاثة أنواع: رياضة وفن قتالي وفن حربي. الرياضة تمارس لتمرين عضلات الجسد وتدخل في اتحاد رياضي وتعمل بقوانين محددة، وكل ما كان كذلك يسمى رياضيًّا. مثل الكاراتيه بعد أن تحولت إلى رياضة صار ضرب الخصم أمرا ممنوعا بل تتوقف اللكمة قبل وصولها إلى جسد الخصم ويمنع إصابته في مواضع حساسة. أما الفن القتالي فهو لا قانون له ولا اتحاد رياضي له ويستخدم في قتال الشوارع، ولهذا نرى أن المقاتل الشرطي أو العسكري يتعلم فنًّا قتاليًّا لا رياضيًّا حيث يمكنه ضرب مواضع خطرة وحساسة لأن الشخص يدافع عن حياته. أما الفن الحربي فهو كالفن القتالي لا قانون له ولا اتحاد له ويصلح لقتال الشوارع لكن يضاف إليه أن الممارس يتعلم استراتيجيات حربية وعسكرية كخطط الهجوم والدفاع إلخ

المَطَرُ هو شكل من أشكال قطرات الماء المتساقطة من السحاب في السماء. وأنواع الأمطار ثلاثة، أمطار تصاعدية وهي التي تحدث بسبب تقلُّص الهواء الرطب القريب من سطح الأرض، والأمطار التضاريسية تحدث بسبب التقاء الرياح الرطبة القادمة من البحر بمناطق مرتفعة، والأمطار الإعصارية وتكون بسبب التقاء رياح مختلفة في درجة حرارتها ورطوبتها. يعد المطر من ضروريات الحياة فبدون المطر تموت الأرض التي تعيش عليها جميع الكائنات الحية.

طبيعة المطر
تتشكل قطرات المطر عندما تتحد قطيرات الماء الصغيرة في السحب، أو عندما تنصهر أشكال التساقط مثل الجليد والمطر الثلجي والبرد. وتسقط الأمطار على معظم أنحاء العالم، ويكون التساقط في المناطق المدارية على شكل أمطار، أما في القارة المتجمدة الجنوبية وفي بعض الأماكن الأخرى في العالم فيكون التساقط ثلجا. وتتفاوت قطرات المطر في أحجامها تفاوتا كبيرا، كما تتفاوت في سرعة سقوطها، إذ يتراوح قطر القطرات ما بين 0,5 و6,4 ملم، فالقطرة الأكبر هي الأسرع في السقوط. وعند مستوى سطح البحر تصل سرعة سقوط قطرة المطر التي يصل قطرها 5 ملم إلى حوالي تسعة أمتار في الثانية (9م/ث). أما الرذاذ، الذي يتألف من قطيرات صغيرة، يقل قطرها عن 0,5 ملم، فإن سرعة الواحدة منها تصل إلى 2,1 م/ث أو أقل من ذلك نظرا لمقاومة الهواء. ويعتمد شكل قطرة المطر على حجمها؛ فقطرة المطر التي يقل قطرها عن 1 مليمتر يكون شكلها كرويا، ومعظم القطرات الكبيرة تتفلطح عند السقوط. أما الجليد فله أشكال بلورية مختلفة.

دور المطر
والمطر ضروري للحياة، لأنه يمد الإنسان والحيوان والنبات بالماء، ويُلاحظ أن مظاهر الحياة تكاد تنعدم في المناطق التي تعاني قلة الماء، أو قلة سقوط الأمطار عليها. وتساعد الأمطار على منع فقدان التربة السطحية القيمة بإيقاف العواصف الرملية. كما أن الأمطار تنظف الهواء من الغبار والملوثات الكيميائية. ويمكن أن تكون الأمطار ضارة أيضاً مثل ظاهرة المطر الحمضي التي تتشكل عندما تتفاعل الرطوبة مع أكاسيد النيتروجين وثاني أكسيد الكبريت. وتنبعث هذه المواد الكيميائية من المركبات والمصانع ومحطات توليد الطاقة. وتعمل هذه الأمطار على تلويث مياه البحيرات والجداول، مشكلة بذلك خطورة على الحياة المائية، كما تُلوث الأمطارُ الحقولَ مسببةً تلفاً للمحاصيل، والأشجار والتربة. فكثرة الأمطار قد تخلق اضطراباً في الاتصالات وتسبب الفيضانات وتدمر الممتلكات وتُسرع فقدان التربة السطحية.

قياس الأمطار
تقاس الأمطار بعدة طرق:

يعد الممطار أكثرها شيوعا، وهو أسطوانة بها أنبوب ضيق يتصل بقمع في الأعلى، وعندما تسقط الأمطار في القمع تجري في الأنبوب إلى حيث تقاس الكمية بمخبار أو دورق مدرج خاص.

وتستعمل شبكة من المماطير لقياس كمية التساقط في إقليم ما، وتثبت المماطير في الفصل الممطر أو الرطب بحيث تكون متباعدة بحوالي 15كم. أما في الفصل الجاف، فتوضع بشكل متقارب، لأن زخات خفيفة من المطر، قد تحدث في نطاق ضيق. وعادة ما تستخدم المماطير على مستوى الأرض. وتتمثل كمية الأمطار السنوية لمنطقة ما بجملة ما تم جمعه في هذه المقاييس من أمطار خلال السنة.

هناك بعض الأجهزة تقيس غزارة الأمطار، وهي تمثل معدل التساقط في فترة محدودة، وتكون عادة ساعة واحدة من اليوم. ويمكن استخدام الممطار ذي الميزان (مقياس المطر الوزني) لهذه الغاية. ويحتوي هذا الجهاز على وعاء موضوع على ميزان، وعندما تكون مياه المطر في الوعاء، فإن وزن الماء يضغط على الميزان إلى الأسفل، وتسجل هذه الحركة في حاسوب وتحول إلى أرقام ذات معنى.

وفي بعض الأحيان يقيس علماء الأرصاد الجوية الأمطار بوساطة رادار الطقس، حيث يرسل هذا الجهاز الإلكتروني موجات راديوية تنعكس من قطرات المطر وتسمى الموجات المنعكسة الصدى، وتظهر على الشاشة نقطا مضيئة. وتدل شدة لمعان النقط على حجم قطرات المطر وعددها، لذلك يدل الصدى على كمية الأمطار وغزارتها. كما أن الرادار يقيس الأمطار التي لا تتمكن المقاييس العادية من قياسها، نظرا لتباعدها الكبير في جميع المناطق.

أسباب سقوط الأمطار
النظرية الأولى
نظرية الاندماج تنشأ الأمطار من بخار الماء في الغلاف الجوي، ويتكون بخار الماء عندما تتسبب حرارة الشمس في تبخر الماء من المحيطات وغيرها من المسطحات المائية، فيبرد الهواء الرطب الدافئ عندما يرتفع، وتقل كمية البخار التي يمكنه حملها، وتسمى درجة الحرارة التي لا يمكن للهواء عندها أن يستوعب كمية إضافية من الرطوبة نقطة الندى، فإذا انخفضت درجة الحرارة إلى حد ما دون نقطة الندى، يتكاثف بخار الماء على شكل رذاذ مشكلا السحب. ويتكاثف بخار الماء على شكل جسيمات متناهية في الصغر تسمى نويات التكاثف. وتتألف هذه النويات من الغبار وأملاح البحار والمحيطات، وبعض المواد الكيميائية المنبعثة من المصانع وعوادم السيارات، وعند تكاثف بخار الماء تنطلق حرارة، تجعل السحب ساخنة، ويساعد هذا التسخين على دفع السحب إلى أعلى، وبذلك تصبح أكثر برودة. وقد فسر تكون قطرات الأمطار في مثل هذه السحب بنظرية الاندماج ونظرية البلورات الثلجية. وتنطبق هذه النظرية على الأمطار المتكونة فوق المحيطات وفوق المناطق المدارية. وبناء على هذه النظرية، فإن مختلف أحجام قطرات الماء الأكبر تسقط بصورة أسرع من القطرات الأصغر منها. وبناء على ذلك، فإن هذه القطرات تصطدم بالقطرات الصغرى ومن ثم تضمها إليها. وتدعى هذه العملية الاندماج. فإذا سقطت قطرة كبيرة من الماء مسافة 1,5كم في إحدى الغيوم، فإنها قد تدمج معها مليون قطيرة، وبهذه الطريقة، تصل القطرة إلى ثقل لا يستطيع الهواء تحمله، فيسقط بعضها على الأرض على شكل قطرات المطر، وتتحطم القطرات المتبقية التي يزيد قطرها عن 6ملم إلى رذاذ. وتتحرك هذه القطرات إلى أعلى، إذا ارتفعت السحابة بسرعة، ثم تسقط مرة أخرى وتتكرر عملية الاندماج.

النظرية الثانية
نظرية البلورات الثلجية تفسر هذه النظرية معظم مظاهر التساقط في المناطق المعتدلة. فعملية تكون الأمطار بناء على هذه النظرية، تعتبر أكثر حدوثا من ظاهرة الاندماج؛ إذ تحدث عملية البلورات الثلجية في السحب التي تقل درجة حرارة الهواء فيها عن الصفر المئوي (درجة تجمد الماء). وفي معظم الحالات، تضم مثل هذه السحب قطرات من مياه فائقة البرودة، تبقى في حالة السيولة رغم تدني درجة حرارتها إلى ما دون الصفر المئوي. وتكون البلورات الثلجية في هذا النوع من السحب في شكل جسيمات مجهرية تدعى نويات الثلج. وتحتوي هذه النويات الثلجية على جسيمات متناهية الصغر من التربة، أو الرماد البركاني. وتتكون البلورات الثلجية، عندما تتجمد القطرات فائقة البرودة على النويات الثلجية. فعندما تنخفض درجة الحرارة إلى 40°م تحت الصفر أو أقل، فإن قطرات الماء تتجمد بدون نويات الثلج. وتحت ظروف معينة يمكن أن تتشكل البلورات الثلجية رأسا من بخار الماء. وفي هذه الحالة يبدأ بخار الماء بالترسب على النويات الجليدية، بدون أن يمر بحالة السيولة. ويزداد حجم البلورات الثلجية التي تشكلت قرب القطرات الفائقة البرودة، وذلك عندما يترسب بخار الماء من قطرات السحابة على هذه البلورات. ونتيجة لسقوط البلورات من خلال السحابة، فمن الممكن اصطدامها وانضمامها مع غيرها من البلورات، أو مع القطرات فائقة البرودة. وعندما يصل وزن البلورة إلى حد لايعود الهواء قادرا على حملها، تسقط من السحابة. ومثل هذه البلورات تصبح قطرات المطر، إذا مرت خلال طبقات هوائية تزيد درجة حرارتها على الصفر المئوي. وتقوم تجارب الاستمطار، أو ما يدعى تطعيم السحب على أساس نظرية البلورات الثلجية. وفي هذه التجارب توضع عدة مواد كيميائية داخل السحب، لتعمل عمل نويات الثلج، وتساعد هذه العملية أحيانا على تحسين فرص تكون البلورات الثلجية.

أنواع المطر
للمطر ثلاثة أنواع هي:

مطر تصاعدي: وهو المطر الناتج عن صعود الهواء الرطب كما في مناطق الرهو الاستوائية حيث تشتد الحرارة وتتصاعد التيارات الهوائية إلى طبقات الجو العليا فتبرد ويتكاثف ما بها من بخار الماء فيسقط المطر وتتوقف غزارة هذا المطر على عاملين هما: كمية بخار الماء التي يحملها الهواء ثم درجة حرارة الطبقات العليا التي تصعد إليها السحب ويكثر هذا النوع من الأمطار في المناطق الاستوائية والمدارية حيث يسقط بصورة منتظمة في جميع فصول السنة ويحدث التصاعد الهوائي أثناء النهار الحار ويتساقط المطر في المساء والسحب المصاحبة لهذا النوع من المطر هي الركامي ويتصف المطر بالغزارة وفي هيئة وابل ولهذا قد يضر بالمحاصيل كما أن الجريان السطحي الغزير قد يجرف التربة ويؤدي إلى تعريتها.
مطر إعصاري: وهو مطر الرياح العكسية التي تكثر بها الانخفاضات الجوية المسماة بالأعاصير ومن أمثلتها أمطار البحر المتوسط وأمطار غرب أوروبا ويتسبب في سقوطه مرور الأعاصير أو الانخفاضات الجوية إذ يحدث أن يجذب الإعصار تيارين هوائيين مختلفي المصدر من حيث درجة الحرارة كأن يأتي تيار من الشمال البارد وآخر من الجنوب الدافئ أو الحار وحينما يتقابلان تحدث عملية تصعيد الهواء الدافئ لأنه أخف وزنا وحينما يعلو فإنه يبرد ويتكاثف ما به من بخار الماء فيسقط المطر ويكثر المطر حينما يكون الهواء الصاعد غزير الرطوبة.
مطر تضاريسي: وهو المطر الذي يسببه اعتراض الهضاب أو الجبال الرياح المحملة ببخار الماء حيث ترتفع الرياح فوق المرتفعات فتبرد ويتكاثف ما بها من البخار فيسقط المطر مثل أمطار الجهات الموسمية وأمطار الرياح المنتظمة وتكون المنحدرات الجبلية المواجهة لهبوب الرياح أكثر مطرا من المنحدرات المظاهرة لها وتسمى السفوح الجافة التي لا تسقط عليها المطر بمنطقة ظل المطر ويزداد المطر في كميته كلما ازداد الارتفاع حتى يصل إلى مستوى معين يأخذ بعده في التناقص ويكثر مطر هذا النوع في كل الجهات الجبلية مثل جبل اسكندناوه في شمال غرب أوروبا ومرتفعات الأنديز و جبال الروكي في غرب الأمريكتين وجبال شبة جزيرة الهند وخاصة المنحدرات الجنوبية لجبال الهملايا.
نظم المطر
يعرف التوزيع الفصلي لكمية الأمطار الساقطة على كل إقليم من الأقاليم وهذا ما يعرف بنظم المطر وهي:

النظام الاستوائي: يظهر هذا النظام في الأقاليم الواقعة حول خط الاستواء 5 درجات شمالا و5 درجات جنوبا وتسقط فيه الأمطار طول العام وأهم أسباب المطر هنا كثرة التبخر ووجود التيارات الهوائية الصاعدة وكثرة الزوابع ويبلغ متوسط ما يسقط من المطر بين 1.5 – 2 متر في السنة.
النظام السوداني ويظهر في الأقاليم التي تقع بين خطي عرض 5 درجات – 20 شمال وجنوب خط الاستواء وخاصة في السودان وهضبة البرازيل وأهم ما يميزه سقوط الأمطار صيفا عندما تتعامد عليه الشمس ويبلغ متوسط متوسط ما يسقط من الأمطار حوالي نصف متر في السنة.
النظام الموسمي ويوجد في المناطق التي تقع جنوب شرق وشرق آسيا وهذا النظام يشبه النظام السوداني من حيث سقوط الأمطار صيفا إلا أن الأمطار الموسمية أشد غزارة ويتراوح متوسط ما يسقط من المطر في هذا النظام بين 0.90- 1.10 متر في السنة ويتذبذب المطر في كميته وفي طول سقوطه من عام لآخر.
النظام الصحراوي ويوجد بين خطي عرض 18 درجة و30 درجة شمال وجنوب خط الاستواء ويكاد ينعدم به المطر نظرا لوقوع الصحارى في مهب الرياح التجارية التي لاتصل إليها جافة.
نظام البحر المتوسط يوجد في غرب القارات بين خطي عرض 30 درجة و40 درجة شمالا وجنوبا وتسقط به الأمطار في فصل الشتاء لا سيما شهري نوفمبر وفبراير بسبب هبوب الرياح الغربية العكسية والانخفاضات الجوية التي تصاحبها ويبلغ متوسط كمية المطر نحو نصف متر ويشمل هذا النظام الدول المطلة على البحر المتوسط ويتمثل في كاليفورنيا ووسط شيلي وجنوب غرب كل من أستراليا وأفريقيا.
النظام الصيني ويوجد في شرق القارات بين خطي عرض 30 درجة و40 درجة شمالا وجنوبا وتساقط الأمطار يكون طول العام وأكثرها في فصل الصيف بسبب هبوب الرياح الموسمية أما في الشتاء بسبب وجود منخفضات جوية ويسود هذا النظام جنوب ووسط الصين وجنوب شرق الولايات المتحدة.
نظام غرب أوروبا يوجد بين خطي عرض 40 درجة – 60 درجة شمالا وجنوبا على السواحل الغربية للقارات كغرب أوروبا وغرب أمريكا الشمالية إلى الشمال من كاليفورنيا وتسقط به الأمطار طول العام بسبب الرياح الغربية التي تهب على السواحل من ناحية البحر وتشتد الأمطار في الخريف والشتاء بسبب كثرة ورود الأعاصير ويبلغ مجموع المطر السنوي به ما يقرب من 2 متر في المتوسط.
النظام اللورنسي ويسود في شرق القارات بين خطي عرض 40 درجة و60 درجة شمالا وجنوبا ويسمى بذلك نسبة إلى حوض نهر سنت لورنس بشمال شرق أمريكا الشمالية والأمطار في هذا النظام تسقط طوال العام وتزداد في فصل الصيف.
نظام الجهات الداخلية ويوجد داخل القارات والأمطار قليلة فيه وأغلبها في فصل الصيف بسبب التيارات الهوائية الصامدة التي تنشط في الفصل الحار ويظهر هذا النظام في شرق أوروبا والسهول الوسطى بأمريكا الشمالية.
نظام الصحارى الداخلية المعتدلة ويوجد في الجهات الداخلية من القارات في مجال عروض هبوب الرياح العكسية فيوجد في وسط آسيا إلى الشرق من بحر قزوين ولا يسقط المطر إلا إذا نجحت الرياح العكسية وأعاصيرها في الوصول إليها وهذا لا يحدث إلا نادرا.
الصحارى الباردة أو الجليدية ويسود في شمالي القارات بالنصف الشمالي من الكرة الأرضية على الخصوص حيث تشتد البرودة في المناطق القطبية طول العام والمطر نادر بسبب ارتفاع الضغط وشدة البرودة التي لا تساعد الهواء على حمل بخار الماء ويسقط المطر القليل نحو 25 سم في فصل الصيف الذي لا يتعدى شهرا أو شهرين فيهما ترتفع الحرارة فوق الصفر بقليل.
اشكال التشتت البيانية
أشكال التشتت البيانية تستخدم هذة الاشكال أكثر ما يكون في حالة الأمطار، لتبيان مدى تباعد كميات الأمطار الشهرية أو السنوية_خلال فترة زمنية معينة _عن معدلها العام، ولرسم اشكال تشتت الأمطار خلال فترة زمنية ولتكن 30 سنة نرسم محورا شاقولياً يمثل كمية المطر ومحورا افقيا يمثل أشهر السنة ثم نقيم على المحور الافقي 12 عمود كل منها يمثل شهراً ثم نوقع كميات الأمطار الشهرية في امكنتها بنقط بالحجم المناسب.

رائحة الأرض بعد سقوط المطر
يطلق على رائحة الأرض بعد سقوط المطر اسم البيتريكور، ويعد مركب جيوسمين مسؤولاً عنها.

القطار من أهم وسائل نقل الركاب والبضائع، يتألف من عربات متصلة، تسير على خطوط السكك الحديدية.

وقد يتكون خط السكة الحديدية من مسارين في اتجاهين مختلفين، للذهاب والإياب. لكن أحياناً قد يتكون الخط من مسار واحد فقط؛ عندئذ تتناوب قطارات الذهاب وقطارات الإياب بانتظام زمني حاد، وإلا تتصادم قطارات الذاهبة والآيبة وتتصادم القطارات ويسقط ضحايا من الركاب وموت وعاهات، وخسارات في البضائع المنقولة. والقطار يسير على عجلات من الحديد الصلب، ويتكون من قاطرة في المقدمة عبارة عن محرك قوي تقوم بجر عربات الركاب أو عربات البضائع خلفه؛ العربات أيضاً ترتكز على عجلات من الحديد الصلب. العجلات مشكلة بحيث يكون لها حافة جانبية من الداخل بحيث ترتكز عل القضيبين الحديدين الذين يشكلان السكة الحديد وتمنع العجلات وبالتالي القطار من الخروج عن القضبان.

كانت إنجلترا أول من استخدمت السكك الحديدية لأول مرة في التاريخ عام 1789م حتى عم استخدام القطارات في جميع البلاد. وكانت القطارات الأولى تشتغل بالفحم كمصدر للطاقة. يقوم الفحم بتسخين خزان ماء في القاطرة، فيتولد منه بخاراً شديد الضغط، وهذا البخار يدفع آلة بخارية فتقوم بتحريك عجلات القاطرة وبالتالي يتحرك القطار.

ومع التقدم العلمي والتكنولوجي بدأ استخدام القطارات الكهربائية، وهي لا تعمل بالفحم ولا بالبخار وإنما تعمل بمحركات كهربائية موجودة في القاطرة.

وتعدد تطوير القطارات فمنها ما يعمل بالديزل، وهو نوع من القطارات السريعة ومنتشر في جميع البلاد تقريباً لسهولة استخدامه. فقطارات الديزل لا تحتاج لخط كهربائي فوقها أو تحتها تستمد منه الكهرباء مثل القطار الكهربائي. وأتاح استخدام الكهرباء لتسيير القطارات الوصول إلى سرعات كبيرة جداً، تصل إلى ما يفوق 500 كيلومتر في الساعة.

قطار آلة بخارية.
قبل اختراع القطارات كان السفر يتم بركوب الحصان والجمال، وعربات تجرها الأحصنة. ثم اخترع جيمس واط الآلة البخارية في عام 1769، وبدأ الإنسان في استعمال قاطرة تعمل بالفحم والبخار وتجر عربات للركاب والبضائع وتجري على قضيبين حديديين.

مع بداية القرن 19 زودت مناجم الفحم في كورنوال الموجودة في شمال شرق إنجلترا بمقطورات تعمل بالبخار؛ قام بصنعها تقنيين مثل «تيموثس هاكورث» في عام 1808 و«جون بلينكينسوب» في عام 1812 و«وليام هيدلي» في عام 1813 و«جورج ستيفنسون» في عام 1814. وكانت أول محطة للقطار في ليفربول.

وفي عام 1850 طُوِّرَ قطار نقل البضائع الذي يعمل بالفحم، طُوِّرَ ليجر أيضاً عربات خزانات وعربات ثلاجات، وكانت تلك القطارات تؤّجر للمصانع التي تحتاجها وتستخدمها.
بالنسبة إلى ألمانيا تكون اتحاد إدارة السكة الحديد الألماني الذي دعى في عام 1850 إلى توحيد مقاييس السكك الحديدية، وكللت تلك المجهودات بالنجاح في عام 1881 عن طريق تأسيس اتحاد بروسيا للقطارات. وحتى عام 1911 أصبح الاتحاد يمتلك قطارات بعدد 560.000 من العربات؛ كان أغلبها من قطارات البضائع.

قطار فوبرتال المعلق
ليس بالضرورة أن يسير القطار فوق قضبان، فقد أنتجت ألمانيا قطار معلقاً يقوم بنقل الركاب في داخل مدينة فوبرتال. القطار معلق وتتدلى عرباته أسفل قضيب من الفولاذ قوي؛ وقد اتخذ هذا النظام لتوفير المكان، فالقطار معلق ويسير معلقاً فوق أحد المجاري النهرية في المدينة. يستند القضيب الفولاذي الذي يحمل القطار على داعمات مائلة من الحديد المتين في شكل حرف V المقلوب متكئا على ضفتي النهر.

قطار فوبرتال المعلق، ألمانيا.
قطار فوبرتال المعلق وهو قطار أو «مترو» معلق أنشئ في مدينة فوبرتال الألمانية ودشن في 1 مارس 1901. وهو يعتبر رمزاً لمدينة فوبرتال المسمى باسمها. عند إنشاء هذا القطار المعلق كان المشروع يحمل اسم «نظام (أوجين لانجن) للانتقال على قضيب واحد».

يسمى بالإنجليزية suspension railway في مدينة فوبرتال الألمانية، وهو أقدم قطار معلق يعمل بالكهرباء في العالم، وتتدلى عرباته أسفل القضيب الحامل له، متتبعا مجرى نهر الفوبر.

درب التبانة (أو «الطريق اللبني») هي مجرة حلزونية الشكل. وهي اسم المجرة التي تنتمي إليها الشمس، والأرض، وبقية المجموعة الشمسية. تشتمل مجرة درب التبانة على مئات البلايين من النجوم، وتنتشر سحابات هائلة من الذرات والغبار والغازات في شتى أطراف المجرة. تحوي ما بين 200 إلى 400 مليار نجم؛ ففي الليالي المظلمة الصافية، يظهر درب التبانة على شكل حزمة لبنية عريضة من ضوء النجوم تمتد عبر السماء ولذلك تسمى أيضا الطريق اللبني. وتنشأ فجوات مظلمة في الحزمة نتيجة لتكون سحب الغبار والغازات التي تحجب الضوء المنبعث من النجوم التي وراءها. ومن ضمنهم الشمس. شكلها قرصي ويبلغ قطرها حوالي 185.000 سنة ضوئية وسمكها حوالي 1000 سنة ضوئية، فهي قرص رقيق جدا. ونحن نعيش قريبا من حافة تلك المجرة حيث تدور مجموعتنا الشمسية حول مركز المجرة. تبعد المجموعة الشمسية عن مركز المجرة نحو 27 ألف سنة ضوئية. وإذا نظر الشخص إلى السماء في الليل فقد يرى جزءًا من مجرتنا كحزمة من النجوم، ويرى سكان نصف الكرة الأرضية الشمالي درب التبانة في الصيف والخريف والشتاء. والمنظر في أواخر الصيف أو في مطلع الخريف يأخذ المدى الألمع والأغنى لهذا النهر السماوي: ففي ذلك الوقت من السنة، يمتد درب التبانة من برجي ذات الكرسي (كوكبة) والملتهب (كوكبة) في الشمال، عبر النصف الشرقي للسماء وعبر مجموعة نجوم تعرف كمثلث الصيف، ثم يغطس نحو الأفق خلال برجي القوس والعقرب. وتحجب الغيوم الفضائية بين برجي مثلث الصيف والقوس، رقعة مركزية واسعة من درب التبانة، مما يجعله يبدو منقسما إلى جدولين. وقرب برجي القوس والعقرب، يكون درب التبانة كثيفا ولامعا جدا، لأن هذا الاتجاه يدل نحو مركز المجرة.

ودرب التبانة أكثر تألقا في بعض أقسامها مما هي عليه في أقسام أخرى. فالقسم الذي يحيط بكوكبة الدجاجة شديد اللمعان، ولكن القسم الأكثر اتساعا ولمعانا يقع أبعد إلى الجنوب في كوكبة رامي القوس، ورؤيتها ممكنة في الفضاء الشمالي على انخفاض كبير في الأمسيات الصيفية، لكن مشاهدتها أكثر سهولة في البلدان الواقعة جنوب خط الاستواء.

سبب التسمية
جاءت تسمية مجرة درب التبانة بأن العرب شبَّهت ما يسقط من التبن الذي كانت تحمله مواشيهم كان يظهر أثره على الأرض كأذرع ملتوية تشبه أذرع المجرة. لأن جزء منها يرى في الليالي الصافية كطريق أبيض من التبن يتمثل للرائي بسبب النور الأبيض الخافت الممتد في السماء نتيجة الملايين من النجوم السماوية المضيئة والتي تبدو رغم أبعادها الشاسعة كأنها متراصة متجاورة، كما ترى كامل المجرة من مجرة أخرى على شكل شريط أبيض باهت في السماء.

أم تسمية “The Milky Way” في اللغات الأخرى، هي ترجمة للتعبير الأغريقي Galaxias Kiklos الذي يعني الدائرة اللبنية. والقصة وراء هذا الاسم هي أن الرضيع هيراكليس (هرقل في النسخة الرومانية) حاول الرضاعة من ثدي هيرا. وفيما تعرفه الأمهات الحاضنات في كل مكان، وكإشارة إلى رد فعل خذلان قوي، انتثر بعض الحليب إلى خارج فم هيراكليس. وعندما أخفق في أن ينهل من هذا الجدول القدسي، حرم هيراكليس من فرصته في الخلود. لكن أحدا لم يعرف هذه الخصلة من النجوم ومواصفاتها قبل أن يصنع جاليليو مرقبه الأول. عند ذاك تمكن جاليليو أن يكتشف إنها تتألف من الملايين من النجوم المنفصلة.

نشأة درب التبانة

أذرعة المجرة، وذراع الجبار هو القوس القصير بني اللون، وتقع عليه المجموعة الشمسية (أصفر)، متفرعا من ذراع رامي القوس Sagittarius-Carina، إلا أن بعض العلماء يراه جزءا من ذراع حامل رأس الغول Perseus Arm.
يقدر علماء الفلك أن مجرة درب التبانة تكونت قبل مدة زمنية تقدر بـ12–14 مليار سنة، فيما يعد علماء الفلك المجرة بأنها صغيرة العمر نسبيًا بالنسبة لمجرات كونية أخرى. و حُدِّد عمر المجرة باستخدام تقانة علم التسلسل الزمني الكوني

في عام 2007، قُدِّر عمر نجم يدعى NGC 3199 ويقع خارج المجرة ويبعد عنا نحو 13.2 مليار سنة، أي ما يقارب عمر الكون (يقدر عمر الكون بنحو 13.7 مليار سنة). وهو يمثل أقدم جرم سماوي آنذاك فقد وضع حدودًا دنيا لعمر مجرة درب التبانة. تم التحقق من هذا التقدير بواسطة مطياف UV-Visual Echelle للتلسكوب العظيم.

يمكن تقدير عمر النجوم الواقعة في القرص المجري الرقيق بطريقة مشابهة لـHE 1523-0901. كانت نتائج القياسات بحدود 8.8 ± 1.7 مليار سنة مضت، وهذا يقترح بأن فجوة عمرها حوالى 5 مليار كانت هناك بين فترة تكون الهالة وبين القرص الرقيق.

مكونات المجرة

أذرع المجرة وموقع الشمس، وتبين الاتجاهات المختلفة الممتدة من موقع الشمس (أصفر) المجموعات النجمية التي ترى على امتداد تلك الاتجاهات. كما يبين الشكل منطقة لا تُرى النجوم فيها على قرص المجرة بسبب كثافة الضوء والغبار في مركز المجرة.

شكل ذراع الجبار طبقا للمقالة العلمية للعالم ” فازقز ” وزملائه المنشورة في : “Spiral Structure in the Outer Galactic Disk. I. The Third Galactic Quadrant”. The Astrophysical Journal. ج. 672 ع. 2: 930–939. يناير 2008. doi:10.1086/524003. مؤرشف من الأصل في 2019-08-30. {{استشهاد بدورية محكمة}}: النص “author” تم تجاهله (مساعدة)
تعتبر مجرة درب التبانة واحدة من ضمن المجرات الحلزونية الكبيرة، وهي في شكل القرص وتدور حول نفسها دورة كل نحو 250 مليون سنة. ونظرًا لدوران المجرة ودوران النجوم فيها حيث تدور النجوم القريبة من مركز المجرة أسرع من النجوم التي على الحافة بالإضافة إلى اختلاف شدة الجاذبية من مكان إلى مكان داخل المجرة بفعل تزايد كثافة النجوم في بعض الجهات، فتعمل تلك المؤثرات على تكون أذرع حلزونية للمجرة. وتقع المجموعة الشمسية على أحد تلك الأذرع ويسمى ذراع الجبار وهو يقع بالنسبة لمركز المجرة على بعد نحو ثلثي نصف قطر المجرة. كما تشتمل المجرة على عدة أذرعة أخرى حلزونية تبدأ عند المركز متفرعة إلى الخارج، منها ذراع حامل رأس الغول Perseue Arm وهو الذراع الذي يجاورنا مباشرة نحو حافة المجرة، وذراع رامي القوس Sagittarius Arm وهو قريب منا من جهة مركز المجرة، كما تحوي المجرة عدة أذرع أخرى تشغل قرص المجرة. وتسمى الأذرعة بتلك التسميات حيث يتميز كل ذراع بكوكبة شديدة السطوع فيه. فيتميز ذراع حامل رأس الغول بكوكبة حامل رأس الغول وذراع رامي القوس يتميز بوجود كوكبة الرامي (كوكبة)، وكذلك ذراع الجبار Orion Arm فهو يحوي كوكبة الجبار (كوكبة) الذي يحوي أحد السدم الشهيرة وهو سديم الجبار.

وتقسم بنية المجرة إلى ثلاثة أقسام رئيسية:

النواة أو الحوصلة: وهي عبارة عن انتفاخ مضيئ شبه كروي (بيّنت قياسات حديثة أجريت عام 2008 بأن شكلها ضلعي) يحتل مركز المجرة، كما بينت قياسات العشر سنوات الأخيرة وجود ثقب أسود عملاق في مركز المجرة وتبلغ كتلته نحو 2 مليون كتلة شمسية. يزداد اتساعه مع كبر عمر المجرة، كما توجد في الحوصلة المجرية تجمع هائل للنجوم والغبار الكوني. ويمكن بسهولة رؤية حوصلة المجرة المنتفخ نسبيا ليلا في وسط الطريق اللبني حيث أنها شديدة الضياء بصفة عامة، رغم صعوبة رؤية تفاصيلها الداخلية بسبب وجود غبار كثيف فيها يحجب الضوء.
الأذرع: هي التي تحيط بالنواة المجرية على شكل حزوني وهي أذرع عملاقة تدور حول مركز المجرة. ومنها ذراع الجبار (أوريون) الذي يبعد نحو 26 ألف سنة ضوئية عن مركز المجرة. ويقدر العلماء الفلكيون عدد النجوم التي يحويها هذا الذراع وحده بـمائتي ألف نجم من ضمنهم نجم نظامنا الشمسي (الشمس). كما يقدر قطر المجرة بحوالي 110 ألف سنة ضوئية. وتوجد الشمس متواجدة على بعد 30 ألف سنة ضوئية من مركز المجرة في ذراع الجبار . ويبلغ طول ذراع الجبار رغم قصره نسبيا نحو 6.500 سنة ضوئية وسمكه يصل إلى 1000 سنة ضوئية.
الهالة: وهي عبارة عن الإكليل الكروي الذي يحيط بالقرص المجري إلى مسافات بعيدة يبلغ قطرها نحو 150.000 سنة ضوئية متكونة من غازات مختلفة وسحب كونية، كما تحوي الهالة المجرية تجمعات نجوم متناثرة هنا وهناك فوق وتحت مستوى القرص . تلك التجمعات تدور حول مركز المجرة بسبب الكتلة الكبيرة المجتمعة في المركز ووجود ثقب أسود في مركز المجرة. مدرات تجمعات نجوم الهالة تكون مائلة بالنسبة لمستوى القرص الذي يحوي معظم النجوم . وتبدو تلك التجمعات النجمية متناثرة ومتألقة في السماء فوق وتحت القرص.
الشكل العام
يصعب دراسة بنية المجرة بسبب وجودنا داخلها ووجود غبار فيها يحجب عنا شيئا من الضوء. خلاف إمكانية دراسة أشكال وفيزياء المجرات الأخرى التي تبعد عنا فنحن نراها من الخارج. وقد ساعدنا كثيرا دراسة الأشعة القادمة من مجرتنا في نطاق الأشعة تحت الحمراء بالأقمار الصناعية، وكذلك ببناء مراصدا على الأرض ترصد الموجات الراديوية القادمة منها . ومع ذلك لا تزال طلاسم تحيط بالبنية التفصيلية للمجرة، وتحتاج إلى المزيد من الرصد وتجميع البيانات وتفسيرها.

اعتبر في الماضي بأن مجرتنا لها أربعة أو خمسة أذرع تزداد فيها كثافة النجوم والغبار، ونحن نعلم الآن بأن لها حوصلة ضلعية وليست كروية. وتتكون من 100 إلى 300 مليار من النجوم وكميات هائلة من الغبار الكوني تكفي لتكوين نحو 600 مليون إلى 1 مليار نجم جديد. وتقدر كمية المادة في المجرة نحو 3,6 × 1041 كيلوجرام. ويبلغ قطر قرصها نحو 100.000 سنة ضوئية) أو 30 كيلو فرسخ فلكي). ويبلغ سمك القرص 3.000 سنة ضوئية ويبلغ حجم الحوصلة المركزية نحو 16.000 سنة ضوئية.

بالمقارنة بمجرة المرأة المسلسلة فالأخرى ذات قطر 150.000 سنة ضوئية، كما يوجد في مجموعتنا المحلية العضو الثالث من ناحية الكبر وهي مجرة المثلث ويسمى مسييه 33 طبقا لفهرس مسييه، ويبلغ قطر مجرة المثلث نحو 50.000 سنة ضوئية. وربما كان سمك مجرتنا أكثر ثلاثة مرات عن الرقم المعطى أعلاه بحسب العالم الأسترالي بريان جينزلر ومجموعته الذين قاموا بنشر بحث في هذا الموضوع حديثا عام 2008.

تبين حركة الغاز بالقرب من المركز وتوزيع النجوم أن مركز المجرة ليس كروي الشكل وإنما ضلعي مستقيم. ويصنع هذا الضلع الوسطي زاوية قدرها 45 درجة مع الخط الواصل من شمسنا إلى مركز المجرة. وتعتبر الفلكيون الآن أن امجرة بذلك من التصنيف SBc طبقا لتصنيف هابل. وقد بين الرصد بواسطة مقراب سبيتزر الفضائي الذي يقيس الضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء أن امتداد الضلع يصل إلى نحو 27.000 سنة ضوئية.

على أساس معرفتنا بسرعة دوران الشمس وتقدر ب 276 كم في الثانية وبالتالي المجموعة الشمسية حول الضلع المركزي للمجرة وبُعد الشمس عن المركز يمكن بتطبيق قوانين كيبلر حساب كمية المادة في الجزء الداخلي من المجرة.

وتقدر كمية المادة الكلية في مجرتنا بين 1,0 – 1,9 مليار كتلة شمسية., وتقدر كتلة مجرة المرأة المسلسلة نحو 1.2 مليار كتلة شمسية.

الهالة

تحيط هالة كروية الشكل بقرص المجرة ويبلغ قطرها 165.000 سنة ضوئية ويشغلها نوع من الغاز . ويوجد فيه بجانب 150 تجمع نجمي نجوم قديمة معمرة منها تصنيف متغير الشليقان RR-Lyrae، وغاز قليل الكثافة جدا. بخلاف ذلك فيوجد أيضا نجوم زرقاء، وهي نجوم نشأت حديثا نسبيا كبيرة الكتلة شديدة الطاقة. وبالإضافة إلى كل ذلك تقدر مادة مظلمة تكفي لتكوين نحو 1000 مليار كتلة شمسية، إلا أن العلماء لا يزالون لا يعرفون ما هي المادة المظلمة . فهم يتتبعون آثارها ولم يتمكنوا من رؤيتها أو قياسها بأجهزة قياس . وعلى عكس القرص المجري المحتشد بالنجوم، وهو قرص رقيق، فتعتبر الهالة خالية من الغبار ويحتوي فقط على تجمعات نجمية قليلة من نجوم معمرة قديمة من التصنيف النجمي II قليلة المعدنية، وتتخذ كل مجموعة مدارا مائلا بالنسبة إلى مستوى القرص وتدور في أفلاك حول مركز المجرة.

القرص
تعتبر معظم النجوم مجمعة في قرص المجرة توزيعها يكاد يكون منتظما. وهو يحتوي بصفة أساسية على نجوم من التصنيف 2 التي تحتوي على نسبة كبيرة من المعادن (يقصد بالمعادن هنا عناصر أثقل من الهيدروجين والهيليوم).

أذرعة حلزونية
وجزء من الفرص تشكله أذرعة حلزونية توجد المجموعة الشمسية في إحداها. وتتكون الأذرعة من سحابات كبيرة من تجمعات الهيدروجين ومناطق هيدروجين II تنشأ فيها نجوم جديدة. ولذلك يوجد في الأذرعة أيضا نجوم ناشئة. وخلال عمر النجم يتحرك النجم من مكان مولده ويتوزع في القرص. ولكن النجوم العملاقة ذات الكتل الهائلة (أكثر كتلة من الشمس 10 إلى 100 مرة) فلا يتسع لها الوقت للحركة في القرص فهي تنتهي في الذراع التي نشأت فيه. من تلك النجوم العظيمة الكتلة نجد التصنيفات O وB والعمالقة الحمر ونجوم نباضة وكل منهم يبلغ عمره أقل من 100 سنة. وتشكل تلك النجوم نحو 1 % من مجموع نجوم المجرة. ومعظم النجوم في مجرتنا هي نجوم قديمة معمرة تبلغ كتلة كل منها كتلة الشمس أو أصغر قليلا. والمساحة بين الأذرع ليست خالية تماما ولكنها أقل ضياء.

وقد ساعد رصد توزيع مناطق هيدروجين I وهو الهيدروجين المتعادل كهربائياً على معرفة شكل الأذرع. ويسمى كل ذراع باسم كوكبة النجوم التي توجد في اتجاهه.

وتبين الصورة شكل نام المجرة، ولا يمكن رؤية الضوء مباشرة الصادر من مركزها وكذلك يصعب رؤية المناطق خلفه. والشمس (الدائرة الصفراء) فهي تقع بين ذراع رامي القوس وذراع الجبار في كوكبة الجبار.

ربما كان هذا الذراع غير مكتملا (قارن الخط البني في الشكل). وتتحرك الشمس بسرعة قدرها 30 كيلومتر في الثانية في مدارها حول المركز في اتجاه كوكبة حامل رأس الغول. أما الذراع الأصغر الداخلي فهو ذراع القاعدة (أو ذراع قاعدة السفينة). والذراع الخارجي فهو ذراع الدجاجة وهو لا يظهر في الشكل، وربما يعتبر امتدادا لذراع قنطورس.

قامت مجموعة من العلماء من جامعة وسكونسين بنشر بحث في يونيو 2008 عن تقييمهم لأرصاد قاموا بها في نطاق الأشعة تحت الحمراء بواسطة مقراب سبيتزر الفضائي وهي تبين أن مجرتنا لها ذراعين اثنين فقط، تشكل فيها ذراعي الرامي والقاعدة مجرد ذراعين ثانويين خفيفين.
درب التبانة في اتجاه حامل رأس الغول، إلى اليمين تـُرى سحابة القاعدة مضيئة وهي منطقة هيدروجين II.
ما هي المؤثرات الفيزيائية التي تؤدي إلى بناء الأذرعة في مجرة، فهي مسألة لم تحلل تماما بكل وضوح. ولكن من المعروف أن النجوم في الأذرعة ليست ثابتة بل تتحرك في تجمعات حول مركز المجرة. ويحول بعض العلماء تفسير تكوين الأذرعة بنظرية موجات كثافة تؤدي إلى زيادة كثافة النجوم في الأذرعة وبالتالي نشأة نجوم جديدة. وبأن التغيرات التي تحدثها الأذرعة من الممكن أن تؤدي إلى حدوث ما يسمى رنين لندبلاد باسم العالم لندبلاد.

نجوم القرص
تحوي مستوي القرص ذو سمك 700 إلى 800 سنة ضوئية نجوما شديدة الضياء التي لا تبعد عن نحو 500 سنة ضوئية في القرص وكذلك نجوم الأذرعة المجرية وهي من التصنيفات A وF، وبعض النجوم العملاقة من التصنيفات A وF وG وK. كذلك توجد في القرص أقزام ذات التصنيف النجمي G و K وM وأقزام بيضاء.

وتماثل معدنية تلك النجوم معدنية الشمس. وربما تصل معدنيتها أحيانا ضعف ما لدى الشمس من نسبة معدنية، وتبلغ أعمارها نحو 1 مليار سنة.

ثم توجد مجموعة النجوم ذات اعمار متوسطة، أي تبلغ أعمارها نحو 5 مليار سنة، ومن ضمنها شمسنا وبعض النجوم القزمة ذات أطياف من تصنيف G و K و M وبعض العمالقة الحمر. وتبلغ نسبة معدنية تلك النجوم أقل من معدنية الشمس بنحو 50%. كما تزداد مدارات النجوم في شكل القطع الناقص ولكنها لا تبعد عن مستوى القرص أكثر من 1500 سنة ضوئية.

عند السمك 2500 سنة ضوئية فوق وتحت مستوى المجرة يوجد ما يسمى «القرص السميك» يوجد به أقزام من الأنواع K و M الحمر ووأقزام بيضاء وبعض من النجوم العملاقة، وكذلك متغيرات ذات دورات تغيير طويلة. يصل عمرها إلى نحو 10 مليار وهي تكون فقيرة في معدنيتها (نحو ربع نسبة معدنية الشمس). وتشبه تلك المجموعة نجوم الحوصلة.

مستوى قرص المجرة ليس مستويا تماما وإنما معوج بعض الشيء من جهة مجرة ماجلان الكبرى وسحابة ماجلان الصغرى وهما مجرتان صغيرتان تتبعان مجرتنا وتؤثر على مجرتنا كما تؤثر المجرة عليهما بقوة، وتبعد مجرتي ماجلان الكبرى والصغرى عنا نحو 160.000 سنة ضوئية (بالمقارنة تبعد المرأة المسلسلة (مجرة) عنا نحو 5و2 مليون سنة ضوئية وتتبعنا في مجموعة المجرات المحلية.
مركز المجرة

يرى مركز المجرة في كوكبة رامي القوس (كوكبة) وهو يختفي خلف سحب كثيفة قاتمة تحجب رؤياه مباشرة في نطاق الضوء المرئي. بدأ العلماء خلال السنوات الخمسينية من القرن الماضي رصد مركز المجرة بواسطة تلسكوبات الأشعة الراديوية وتلسكوبات الأشعة تحت الحمراء ومسبارات الأشعة السينية فأتاحت لنا اكتساب صورة عن مركز المجرة والمنطقة القريبة منها.

وجد علماء الفلك في المركز مصدرا قويا يشع موجات راديوية وأسموه الرامي أ* وتأتي التلك الأشعة من منطقة صغيرة في المركز. وتوجد في تلك المنطقة تجمعات هائلة من النجوم محصورة في منطقة قطرها نحو 1 سنة ضوئية وتدور فيها حول المركز بدورات تبلغ 100 سنة. علاوة على ذلك وجدوا ثقبا أسودا يحوي نحو 1300 كتلة شمسية تدور حوله نجوم. وأقرب نجم يدور حول هذا الثقب الأسود هو النجم إس2 ويبعد عن مركز المجرة 17 ساعة ضوئية في دورة تبلغ 2 و15 سنة. وقد استطاع العلماء تحديد مساره بكل دقة عبر دورة كاملة، ويستنتجون من حركة النجوم في مركزية أنه لا بد وأن توجد في تلك المنطقة – واتساعها نحو 15 مليون كيلومتر – كتلة تقدر بنحو 3و4 مليون كتلة شمسية (نشر البحث عام 2009). والتفسير المعقول والذي يتمشى مع مشاهدة ذلك التجمع الهائل للمادة لا بد وأن يكون وجود ثقب أسود هائل في مركزالمجرة.

إصدارات أشعة غاما
في يوم 9 نوفمبر 2010 اكتشف العلم الفلكي دوج فينكبانر من مركز هارفارد- سمثسونيان للأبحات الفلكية فقعتين ضخمتين شديدتي الطاقة تنطلقان من وسط المجرة إلى الشمال وإلى الجنوب . و اُكْتُشِف ذلك بواسطة مرصد فيرمي الفضائي لأشعة غاما أيضا. ويبلغ قطر الفقاعة منهما نحو 25.000 سنة ضوئية وتمتد عبر الفضاء في الجنوب من كوكبة العذراء إلى كوكبة الكركي. ولا يزال تفسيرها غامضا.

مقارنة الأحجام
يمكن تصور عظمة كبر مجرتنا بما تحويه من 100 مليار إلى 300 مليار نجم عندما نقيسها بمقياس رسم 1:1017. إذا عادلت قرص قطره 10 كيلومتر وارتفاعه 1 كيلومتر ويشغله في المتوسط 200 مليار جرثومة لكان كل متر مكعب منها به 3 جراثيم، ولكانت الشمس جرثومة بمقاييس 10 نانومتر. وحتى مدار بلوتو لكان يبلغ 1و0 مليمتر، ولكان بلوتو نفسه صغير مثل الأرض لأصبح في حجم ذرة واحدة. من ذلك يتبين كيف أن كثافة النجوم في المجرة بالغة الصغر والمسافات بينها شاسعة.

جيراننا من المجرات القزمة

توابع من مجرات قزمة تتبع مجرتنا (عرض الصورة نحو 1 مليون سنة ضوئية).
توجد عدة مجرات قزمة حولنا في حدود 300.000 سنة ضوئية، من ضمنها مجرة ماجلان الكبرى وسحابة ماجلان الصغرى، وهما تابعتان لمجرتنا. ثم توجد مجرة قزمة وهي مجرة الكلب الأكبر (كوكبة) وتبعد عنا مركز مجرتنا نحو 42.000 سنة ضوئية وعن الشمس نحو 25.000 سنة ضوئية. هذه المجرة القزمة تتأثر ب قوة المد والجزر الناشئة من مجرتنا وتتفكك من بعضها مخلفة ورائها فتيل من النجوم يتداخل في مجرتنا. ثم نجد مجرة قزمة أخرى وهي مجرة قزمة الرامي تبعد نحو 50.000 سنة ضوئية وتدور حول درب التبانة في دورات حلزونية، ومجرتنا في سبيل ابتلاعها.

وتعمل مجرتنا على جذب تلك الجيران القريبة نسبيا وهي في سبيل ابتلاعهم وتكتسب بذلك مادة ونجوم. وأثناء عملية الجذب والابتلاع تتخلف من المجرات القزمة تيارات من النجوم ومادة كونية متأثرة بقوى المد والجزر. بذلك تتكون تكوينات مثل «تيار ماجلان» و«تيار العذراء» وغيرها من السحب السريعة على مقربة من المجرة.

المجموعة المحلية
كان العلماء ومنهم أينشتاين يعتقدون حتى عام 1929 أن الكون يتكون من مجرتنا، مجرة درب التبانة فقط ؛ والتي تحتوي على نحو 200 إلى 300 مليار من النجوم. ثم بينت القياسات التي أجراها إدوين هابل خلال الأعوام 1927 إلى 1929 أن مجرة المرأة المسلسلة هي مجرة مستقلة بنفسها وأنها تبعد عنا بنحو 2.5 مليون سنة ضوئية. ولم تنحصر قياسات هابل على ذلك فقط فقد قام بقياس المئات من المجرات الأخرى التي اكتشفها ، وهي تبعد عنا أبعادا عظيمة جدا تفوق بعد مجرة المرأة المسلسلة عنا. ونحن نعرف اليوم أن الكون يحوي أكثر من 100 مليار من المجرات منها الكبير والصغير.

مجموعتنا المحلية ، وتظهر مجرتنا (درب التبانة ) وتابعتيها «سحابة ماجلان الكبرى» و«سحابة ماجلان الصغرى» في وسط الشكل ، وموضع مجرة المرأة المسلسلة التي هي أكبر من مجرتنا بالنسبة لنا (عرض الصورة نحو 10 مليون سنة ضوئية، ).
كما يبين الرصد الفلكي الحديث أن مجرتنا تنضم إلى تجمع مجرات قريب منا يسمى المجموعة المحلية Local Group، ومنها مجرة المرأة المسلسلة . ومجرة المرأة المسلسلة أكبر من مجرتنا حيث يبلع قطرها نحو 150 ألف سنة ضوئية – بينما يبلغ قطر مجرتنا نحو 100 ألف سنة ضوئية فقط. وتحوي المجموعة المحلية نحو 30 مجرة هي أقرب المجرات لنا وأكبرهم هي مجرة المرأة المسلسلة ومجرتنا وأما المجرات الأخرى فتعتبر مجرات قزمة.

ويقع مركز المجموعة بين مجرة المرأة المسلسلة [أندروميدا] التي تبعد عنا نحو 2.5 مليون سنة ضوئية وبيننا . تشغل المجموعة مكانا في الفضاء يبلغ قطره 10 مليون سنة ضوئية. أهم أعضاء المجموعة المحلية تشكلها مجرتنا درب التبانة، والمرأة المسلسلة ومجرة المثلث Triangulum.

وتبلغ كتلة المجموعة المحلية نحو (1.29 ± 0.14)×1012 كتلة شمسية. كما أن المجموعة المحلية تنتمي إلى مجموعة أكبر وهي مجموعة العذراءالعظمى Virgo Super cluster، وهي تبعد عنا نحو 50 مليون سنة ضوئية.

طبقة الأوزون هي جزء من الغلاف الجوي لكوكب الأرض والذي يحتوي بشكل مكثف على غاز الأوزون. وهي متمركزة بشكل كبير في الجزء السفلي من طبقة الستراتوسفير من الغلاف الجوي للأرض وهي ذات لون أزرق.

يتحول فيها جزء من غاز الأوكسجين إلى غاز الأوزون بفعل الأشعة فوق البنفسجية القوية التي تصدرها الشمس وتؤثر في هذا الجزء من الغلاف الجوي نظرا لعدم وجود طبقات سميكة من الهواء فوقه لوقايته. ولهذه الطبقة أهمية حيوية بالنسبة لنا فهي تحول دون وصول الموجات فوق البنفسجية القصيرة بتركيز كبير إلى سطح الأرض.

اكتشف كل من شارل فابري وهنري بويسون طبقة الأوزون في 1913 وتم معرفة التفاصيل عنها من خلال غوردون دوبسون الذي قام بتطوير جهاز لقياس الأوزون الموجود في طبقة الستراتوسفير من سطح الأرض.

بين سنة 1928 و1958 قام دوبسون بعمل شبكة عالمية لمراقبة الأوزون والتي ما زالت تعمل حتى وقتنا هذا. وحدة قياس دوبسون، هي وحدة لقياس مجموع الأوزون في العامود، سميت باسمه تكريمًا له.

خصوصا إذا علمنا ان غاز الاوزون والمتكون من ثلاث ذرات اوكسجين لونه مائل إلى الخضرة وان من أهم وظائف طبقة الأوزون هي حماية سطح الأرض من الأشعة الضارة للشمس من أن تصل لسطحها وخاصة الأشعة فوق البنفسجية، التي تسبب أضراراً بالغة للإنسان وخاصة سرطانات الجلد .. وأيضاً للحيوان والنبات على حد سواء.

الأشعة الفوق بنفسجية والأوزون

دور طبقــة الأوزون: على الرغم من أن تركيز الأوزون في طبقة الأوزون قليل، إلا انه مهم بشكل كبير للحياة على الأرض، حيث انها تمنع تسرب الأشعة فوق البنفسجية الضارة (UV) التي تطلقها الشمس. تم تصنيفها على حسب طول موجاتها إلى UV-A وUV-B وUV-C حيث تعتبر الأخيرة خطيرة جداً على البشر ويتم تنقيتها بشكل كامل من خلال الأوزون على ارتفاع 35 كيلومتر. مع ذلك يعتبر غاز الأوزون سام على ارتفاعات منخفضة حيث يسبب النزيف وغيرها.

من الممكن ان يؤدي تعرض الجلد لأشعة UV-B لاحتراقه (يظهر على شكل احمرار شديد); والتعرض الشديد له قد يؤدي إلى تغير في الشفرة الوراثية والتي تنتج عنها سرطان الجلد. مع ان طبقة الأوزون تمنع وصول الأشعة UV-B الا انه يصل بعضاً منها لسطح الأرض. معظم أشعة UV-A تصل الأرض وهي لا تضر بشكل كبير إلا انها من الممكن ان تسبب تغيير في الشفرة الوراثية أيضاً.

استنزاف طبقة الأوزون يسمح للأشعة فوق البنفسجية وتحديداً الأشعة ذات الموجات الأكثر ضررا أن تصل إلى سطح الأرض مما يؤدي إلى زيادة في احتمال حدوث تغييرات بالجينات الوراثية للأحياء على الأرض.

حساسية الحمض النووي للأشعة فوق البنفسجية

مستويات طاقة الأشعة فوق البنفسجية عند ارتفاعات مختلفة، الخط الأزرق يوضح حساسية الحمض النووي (DNA). اللون الأحمر يوضح مستوى الطاقة عند انخفاض 10% بنسبة الاوزون
لتقدير أهمية الوقاية من الأشعة فوق البنفسجية، نستطيع تفادي الضرر من التعرض للإشعاع في طيف ضوئي (action spectrum)، حيث يبين لنا تأثير الإشعاع البيولوجي حسب طول الموجات. من الممكن ان يكون التأثير حروق الجلد، تغير في نمو النبات أو تغيير في الحمض النووي (DNA). يتغير الضرر من التعرض للإشعاع على حسب طول الموجات. لحسن الحظ، يتغير تركيب الحمض النووي (DNA) بالموجات الأقل من 290 نانومتر والتي تقوم طبقة الأوزون بحجبها بشكل كبير. وفي الموجات الأطول التي يحجبها الاوزون بشكل بسيط لا يتضرر الحمض النووي بشكل كبير. لو قل الأوزون بنسبة 10%, سيتم التغيير بنسبة 22% في الحمض النووي من تأثير الأشعة الفوق بنفسجية. للعلم التغيير في الحمض النووي يؤدي إلى أمراض مثل سرطان الجلد، وهذا يوضح أهمية طبقة الاوزون على حياتنا.

أيــن يتوزع الأوزون

المتوسط الشهري العالمي لكمية الأوزون الإجمالية
سماكة الأوزون هي الكمية الإجمالية في عمود رأسي من الهواء وهي تختلف لأسباب كثيرة، حيث تكون اقل عند خط الاستواء وأكبر مع المرور عند القطبين. وهي تختلف أيضاً في المواسم، حيث تكون أكثر سماكة في فصل الربيع وأقل سماكة في فصل الخريف. والأسباب لذلك معقدة، يتضمن ذلك دورة الغلاف الجوي وقوة الشمس.

بما أن الأوزون الموجود في طبقة الستراتوسفير ينتج بسبب الأشعة الفوق البنفسجية الصادرة من اشعة الشمس، لذلك من المتوقع ان تكون أعلى مستويات الأوزون عند خط الاستواء وأقلها عند القطبين ولنفس السبب من الممكن الاستنتاج ان أعلى مستويات الأوزون في الصيف واقلها في الشتاء. غير أن ذلك غير صحيح حيث أن أعلى مستويات الأوزون متواجدة في القطبين الشمالي والجنوبي كما تكون أعلى في فصل الربيع وليس في الصيف، واقلها في فصل الخريف وليس الشتاء. خلال فصل الشتاء، تزداد سماكة طبقة الاوزون. تم تفسير هذه الأحجية من خلال دورة الرياح في طبقة الستراتوسفير والمعروفة بدورة بروير-دوبسون معظم الأوزون يتم إنتاجه فوق القطبين وتقوم دورة الرياح في طبقة الستراتوسفير من عند القطبين بإتجاه وبالعكس إلى ارتفاع اقل في طبقة الستراتوسفير.

دورة بروير – دوبسون في طبقة الاوزون
طبقة الأوزون أكثر ارتفاعاً عند خط الاستواء وأقل انخفاضاً عند الابتعاد عن خط الاستواء، خصوصاً عند منطقة القطبين. تنوع الارتفاع في الأوزون سببه بطئ دورة الهواء التي ترفع الأوزون من طبقة الترابوسفير إلى الستراتوسفير.

كلما ابتعدنا عن خط الاستواء زادت سماكة الأوزون بإتجاه القطبين، بشكل عام كمية الأوزون الموجودة في القطب الشمالي أكثر منها في الجنوبي. بالإضافة إلى ذلك، تكون سماكة الأوزون في القطب الشمالي أكبر في فصل الربيع (مارس – أبريل) منها في القطب الجنوبي بينما تكون في القطب الجنوبي أكبر في فصل الخريف (سبتمبر – أكتوبر) منها في القطب الشمالي في نفس الفترة. في الواقع أكبر كميات الأوزون في جميع أنحاء العالم توجد في القطب الشمالي خلال فترة الربيع وفي خلال الفترة نفسها تكون أقل كميات الأوزون في جميع أنحاء العالم توجد في القطب الجنوبي خلال فترة الربيع بالقطب الجنوبي بشهري سبتمبر وأكتوبر وذلك بسبب ظاهرة ثقب الأوزون.

استنزاف الأوزون
من الممكن استنزاف طبقة الأوزون هيدروكسيل (OH), غاز الكلور (Cl) وغاز البرومين (Br). حيث يوجد مصادر طبيعية لجميع العناصر المذكورة، إلا أن تركيز غاز الكلور وغاز البرومين قد ارتفع بشكل ملحوظ في السنوات الأخيرة وذلك بسبب إنتاج البشر لبعض المواد المركبة خصوصاً كلوروفلوروكربون (chlorofluorocarbon) والتي تعرف اختصاراً باسم (CFCs) وأيضاً بروموفلوروكربون.

هذه المركبات المستقرة كيميائية تستطيع ان تصل إلى طبقة الستراتوسفير حيث تعمل الأشعة فوق البنفسجية على تفكيك كل من الكلور والفلور.. يبدأ كل منهم بتحفيز سلسلة من التفاعل القادرة على تفكيك أكثر من 100,000 جزئ أوزون. الاوزون في الجزء الشمالي من الكرة الأرضية في انخفاض 4% كل عقد. تقريباً أكثر من 5% من سطح الأرض حول القطب الشمالي والقطب الجنوبي، أكثر (لكن بشكل موسمي) قد ينخفض; وهذا ما يسمى بـ ثقب الأوزون.

الحلول المقترحة للتقليل من استنزاف الأوزون
السويد هي أول دولة تمنع استخدام الرشاشات (مثل المبيدات الحشرية) التي تقضي علي الحشرات والتي تحتوي على كلوروفلوروكربون (CFC) الذي يعمل علي تاكل طبقة الاوزون في 23 يناير، 1978. تلتها بعض الدول مثل الولايات المتحدة الأمريكية، كندا والنرويج. وقد منعت المجموعة الأوروبية اقتراح مشابه. حتى في الولايات المتحدة، ما زال غاز كلوروفلوروكربون يستخدم في أماكن أخرى مثل الثلاجات والمنظفات الصناعية حتى بعد اكتشاف ثقب طبقة الأوزون بالقطب الجنوبي في سنة 1985. بعد محادثات ومعاهدة دولية (بروتوكول مونتريال)، تم وقف إنتاج كلوروفلوروكربون (CFC) بشكل كبير ابتداً من 1987 وبشكل كامل في عام 1996.

في 2 اغسطس 2003, قام العلماء بالإعلان ان استنزاف طبقة الأوزون قد بدأ يتباطأ بعد حظر استخدام الكلوروفلوروكربون (CFC).

ثلاث أقمار اصطناعية وثلاث محطات ارضية اثبتت بطئ استنزاف طبقة الأوزون العليا بشكل كبير خلال العقد الماضي. تمت الدراسة من خلال منظمة الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي (American Geophysical Union). بعض الانحلال ما زال قائم في طبقة الأوزون بسبب عدم قيام بعض الدول بمنع استخدام الكلوروفلوروكربون (CFC) بالإضافة إلى وجوده مسبقاً في طبقة الستراتوسفير قبل منع استخدامه، حيث له فترة انحلال طويلة من 50 إلى أكثر من 100 سنة، ولذلك تحتاج طبقة الأوزون لرجوعها بشكل كامل لعدة عقود.

حالياً يتم تركيب مكونات تحتوي على (C-H) لتحل كبديل لاستخدام الكلوروفلوروكربون (CFC) مثل هايدروكلوروفلوروكربون (HCFC)، حيث ان هذه المركبات أكثر نشاط ولحسن الحظ لا تبقى فترة كافية في الغلاف الجوي لتصل إلى طبقة الستراتوسفير حيث تؤثر على طبقة الأوزون.

البيئة لغة: المنزل والحال، وهي لفظة شائعة الاستخدام يرتبط مدلولها بنمط العلاقة بينها وبين مستخدمها فنقول:- البيئة الزراعية، والبيئة الصناعية، والبيئة الصحية، والبيئة الاجتماعية، والبيئة الثقافية، والسياسية. ويعني ذلك علاقة النشاطات البشرية المتعلقة بهذه المجالات.

التعريف اللغوي للبيئة
البيئة في اللغة مشتقة من الفعل (بوأ) و (تبوأ) أي نزل وأقام. والتبوء: التمكن والاستقرار والبيئة: المنزل. والبيئة بمعناها اللغوي الواسع تعني الموضع الذي يرجع إليه الإنسان، فيتخذ فيه منزله ومعيشته، ولعل ارتباط البيئة بالمنزل أو الدار له دلالته الواضحة حيث تعني في أحد جوانبها تعلق قلب المخلوق بالدار وسكنه إليها، ومن ثم يجب أن تنال البيئة بمفهومها الشامل اهتمام الفرد كما ينال بيته ومنزله اهتمامه وحرصه.

يغلب عند سماع كلمة البيئة أن المقصود هي البيئة الطبيعية.

التعريف العلمي للبيئة
يرجع الفضل الأول في تحديد مفهوم البيئة العلمي إلى العلماء العاملين في مجال العلوم الحيوية والطبيعية، فيرى البعض أن للبيئة مفهومان يُكمّل بعضهما البعض: أولهما «البيئة الحيوية» وهي كل ما يختص بحياة الإنسان نفسه من تكاثر ووراثة فحسب، بل يشمل علاقة الإنسان بالكائنات الحية، الحيوانية والنباتية، التي تعيش في صعيد واحد. أما ثانيهما وهي «البيئة الطبيعية أو الفيزيقية» وهذه تشمل موارد المياه وتربة الأرض والجو ونقاوته أو تلوثه وغير ذلك من الخصائص الطبيعية للوسط.

ويرى البعض الآخر أن البيئة تعني الوسط الذي يعيش فيه الكائن الحي أو غيره من الكائنات الحية وهي تشكل في لفظها مجموع الظروف والعوامل التي تساعد الكائن الحي على بقائه ودوام حياته. ويحاول طرف آخر التركيز على الإنسان باعتباره أحد مكونات البيئة الفاعلة، فيعرف البيئة بأنها كل مكونات الوسط الذي يتفاعل معه الإنسان مؤثراً ومتأثراً، أو هي الإطار الذي يعيش فيه الإنسان ويحصل منه على مقومات حياته، من غذاء وكساء ودواء ومأوى، ويمارس فيه علاقاته مع أقرانه من بني البشر. ويبدو أقرب للحقيقة العلمية القول إن البيئة هي مجموع العوامل الطبيعية والبيولوجية والعوامل الاجتماعية والثقافية والاقتصادية التي تتجاور في توازن، وتؤثر على الإنسان والكائنات الأخرى بطريق مباشر أو غير مباشر. وهذا التعريف يدلي بأن البيئة اصطلاح ذو مضمون مركب: فهناك البيئة الطبيعية بمكوناتها التي أودعها الله فيها، وتشمل الماء والهواء والتربة وأشعة الشمس، وما يعيش على تلك العناصر والمكونات من إنسان ونبات وحيوان. وهناك البيئة الاصطناعية وهي تشمل كل ما أوجده تدخل الإنسان وتعامله مع المكونات الطبيعية للبيئة، كالمدن والمصانع والعلاقات الإنسانية والاجتماعية التي تدير هذه المنشآت.

بصفة عامة البيئة تشير إلى المحيط الكائن حول شيء، وقد يكون هذا الشيء إنسانا أو حيوانا أو برنامج حاسوب أو نفس الإنسان. ويتفق العلماء في الوقت الحاضر على أن مفهوم البيئة يشمل جميع الظروف والعوامل الخارجية التي تعيش فيها الكائنات الحية وتؤثر في العمليات التي تقوم بها. فالبيئة بالنسبة للإنسان- “الإطار الذي يعيش فيه والذي يحتوي على التربة والماء والهواء وما يتضمنه كل عنصر من هذه العناصر الثلاثة من مكونات جمادية، وكائنات تنبض بالحياة. وما يسود هذا الإطار من مظاهر شتى من طقس ومناخ ورياح وأمطار وجاذبية ومغناطيسية…إلخ، ومن علاقات متبادلة بين هذه العناصر.

البيئة قد تشير إلى:

البيئة المبنية: هي التي شيدت المناطق المحيطة بها التي تقدم الإعداد للنشاط البشري، بدءا من المناطق المحيطة بها على نطاق واسع في الأماكن المدنية الشخصية.
البيئة (فيزياء حيوية): هي العوامل المادية والبيولوجية مع تفاعلاتها الكيميائية التي تؤثر على الكائن الحي.
البيئة (النظم): هي المناطق المحيطة بها لنظام المادية التي قد تتفاعل مع النظام من خلال تبادل الشامل، والطاقة، أو غيرها من الممتلكات.
الفن البيئي
الحتمية البيئية
السياسة البيئية
علم النفس البيئي
نوعية البيئة
العلوم البيئية: هي دراسة التفاعلات بين المكونات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية للبيئة
البيئة (سلسلة): هي سلسلة من الأشرطة، والأقراص المدمجة التي تصور الحياة الطبيعية
علم البيئة
البيئة الطبيعية: هي جميع الكائنات الحية وغير الحية التي تتفاعل فيما بينها وتتواجد في مجال جغرافي معين
البيئة الاجتماعية: والثقافة أن في حياة الفرد، والشعب والمؤسسات الذين يتفاعلون.
البيئة السياسية: هي المحيط السياسى الناشئ نتيجة لسياسة الحكومة أو الإدارة.
البيئة التاريخية: هي الأحداث والثقافة التي عاشها الشخص أو آلاف الأشخاص والمعتقدات والإجراءات التي تعتمد على بيئته.
النظام البيئي والتوازن الإيكولوجي
إن البيئة بمفهومها السابق، يحكمها ما يسمى بالنظام البيئي، والتوازن الإيكولوجي وهما فكرتان متلازمتان من الناحية العلمية. والإنسان جزء من نظام معقد يتفاعل معه ويؤثر فيه عن طريق المجتمع ومن خلاله. والظواهر البيئية الناتجة عن التغيرات التي يحدثها الإنسان في بيئة الأرض من خلال الأنشطة المختلفة التي يقوم بها، لا يمكن فهمها إلا في إطار علاقة ثلاثية تبادلية تقوم بين الإنسان والمجتمع والبيئة. وعليه فإن النظام البيئي كما عرفه البعض هو عبارة عن: «وحدة أو قطاع معين من الطبيعة بما تحويه من عناصر وموارد حية نباتية وحيوانية وعناصر وموارد غير حية، تشكل وسطاً حيوياً تعيش فيه عناصره وموارده في نظام متكامل، وتسير على نهج طبيعي، ثابت ومتوازن، تحكمه القدرة الإلهية وحدها، دون أي تدخل بشري أو إنساني». ويعرفه البعض الآخر بقوله «أن النظام البيئي عبارة عن وحدة بيئية متكاملة تتكون من كائنات حية ومكونات غير حية متواجدة في مكان معين، يتفاعل بعضها ببعض، وفق نظام دقيق ومتوازن، في ديناميكية ذاتية، لتستمر في أداء دورها في استمرارية الحياة». نلاحظ أن القاسم المشترك بين هذين التعريفين يدور حول علاقة الكائنات الحية في منطقة ما، ووسطها المحيط، قائمة على التأثير المتبادل. لذلك يمكن أن نعرف النظام البيئي بشكل مبسط بأنه «جملة من التفاعلات الدقيقة بين الكائنات الحية التي تستوطن قطاعاً معيناً من الطبيعة، والوسط المحيط بها». والنظام البيئي بهذا المعنى يقوم على نوعين من العناصر:

النوع الأول: العناصر الحية: وهي عديدة تشمل الإنسان، والنبات والحيوان، وتعيش هذه العناصر على اختلاف أشكالها، في نظام حركي متكامل، كل عنصر يتأثر بالعناصر الأخرى، ويؤثر فيها، ويؤدي دوراً خاصاً به، ويتكامل مع أدوار العناصر الأخرى، ويأتي الإنسان على قمة هذه العناصر فينسق بينها ويسخرها لخدمته.

النوع الثاني: العناصر غير الحية: وأهمها الماء والهواء والتربة، وكل عنصر منها يشكل محيطاً خاصاً به، فهناك المحيط المائي ويشمل كل ما على الأرض من مصطلحات مائية(بحار– أنهار– محيطات- بحيرات) وهناك المحيط الجوي أو الهوائي ويشتمل على غازات وجسيمات وأبخرة وذرات معادن. وأخيراً هناك المحيط اليابس أو الأرضي ويشمل الجبال والهضاب والتربة. ويلاحظ أن هذه الأوساط أو المحيطات ترتبط ببعضها البعض، وبمكونات العالم الحي، أو العناصر الحية السابق ذكرها، بعلاقات متكاملة متوازنة والاختلال الذي يلحق بالتوازن البيئي يتأتى من ازدياد أو نقصان، غير طبيعي، لعنصر من عناصر النظام البيئي، الذي يحكم كل بيئة من تلك البيئات، بفعل تأثير خارجي، كتلوث الماء، أو الهواء، أو التربة، أو انقراض بعض النباتات أو الحيوانات أو غيرها ويمثل الإنسان أحد العوامل الهامة في هذا النظام البيئي، بل هو يعتبر من أهم عناصر الاستهلاك التي تعيش على الأرض، ولذلك فإن الإنسان إذا تدخل في هذا التوازن الطبيعي دون وعي أو تفكير، فإنه يفسد هذا التوازن تماماً.

في الحوسبة
بيئة سطح المكتب في مجال المعلوماتية، واجهة المستخدم الرسومية لجهاز الحاسوب.
متغير البيئة ومجموعة من البيئات المحددة في عملية.
بيئة التطوير المتكاملة وهو نوع من برامج الحاسوب التي تساعد المبرمجين في تطوير برامج الحاسوب.
بيئة تشغيل ظاهري آلة الدولة التي توفر خدمات البرمجيات لعمليات أو برامج عند عمل وتشغيل الحاسوب.
البيئة الافتراضية من التقنيات المميزة التي تمكّن المستخدم مثلا من تشغيل نظامي تشغيل في ذات الوقت بنفس الحاسوب.
عناصر البيئة
يمكن تقسيم البيئة، وفق توصيات مؤتمر ستوكهولم، إلى ثلاثة عناصر هي:

البيئة الطبيعية: وتتكون من أربعة نظم مترابطة وثيقاً هي: الغلاف الجوي، الغلاف المائي، اليابسة، المحيط الجوي، بما تشمله هذه الأنظمة من ماء وهواء وتربة ومعادن، ومصادر للطاقة بالإضافة إلى النباتات والحيوانات، وهذه جميعها تمثل الموارد التي اتاحها الله سبحانه وتعالى للإنسان كي يحصل منها على مقومات حياته من غذاء وكساء ودواء ومأوى.
البيئة البيولوجية: وتشمل الإنسان «الفرد» وأسرته ومجتمعه، وكذلك الكائنات الحية في المحيط الحيوي وتعد البيئة البيولوجية جزءاً من البيئة الطبيعية
البيئة الاجتماعية: ويقصد بالبيئة الاجتماعية ذلك الإطار من العلاقات الذي يحدد ما هي علاقة حياة الإنسان مع غيره، ذلك الإطار من العلاقات الذي هو الأساس في تنظيم أي جماعة من الجماعات سواء بين أفرادها بعضهم ببعض في بيئة ما، أو بين جماعات متباينة أو متشابهة معاً وحضارة في بيئات متباعدة، وتؤلف أنماط تلك العلاقات ما يعرف بالنظم الاجتماعية، واستحدث الإنسان خلال رحلة حياته الطويلة بيئة حضارية لكي تساعده في حياته فعمّر الأرض واخترق الأجواء لغزو الفضاء.

إنترنت

الإنترنت أو شبكين أو شبكينة (بالإنجليزية: Internet)‏، وتلقب بـ (شبكة المعلومات، الشبكة العالمية، الشبكة العنكبوتية) هي نظام اتصالات عالمي يسمح بتبادل المعلومات بين شبكات أصغر تتصل من خلالها الحواسيب حول العالم. تعمل وفق أنظمة محددة ويعرف بالبروتوكول الموحد وهو بروتوكول إنترنت. وتشير كلمة «إنترنت» إلى جملة المعلومات المتداولة عبر الشبكة وأيضاً إلى البنية التحتية التي تنقل تلك المعلومات عبر القارات.

مقدمة

تربط شبكة الإنترنت ما بين ملايين الشبكات الخاصة والعامة في المؤسسات الأكاديمية والحكومية ومؤسسات الأعمال وتتباين في نطاقها ما بين المحلي والعالمي وتتصل بتقنيات مختلفة، من الأسلاك النحاسية والألياف البصرية والوصلات اللاسلكية، كما تتباين تلك الشبكات في بنيتها الداخلية تقنياً وإدارياً، إذ تدار كل منها بمعزل عن الأخرى لامركزياً ولا تعتمد أياً منها في تشغيلها على الأخريات.

وتحمل شبكة الإنترنت اليوم قدراً عظيماً من البيانات والخدمات، ربما كان أكثرها شيوعاً اليوم صفحات النصوص الفائقة المنشورة على الوِيب، كما أنها تحمل خدمات وتطبيقات أخرى مثل البريد وخدمات التخاطب الفوري، وبرتوكولات نقل الملفات، والاتصال الصوتي وغيرها.

وكمثل الطفرات في وسائل الاتصال عبر التاريخ أضحت لشبكة الإنترنت اليوم آثارا اجتماعية وثقافية في جميع بقاع العالم، وقد أدى ذلك إلى تغيير المفاهيم التقليدية لعدة مجالات مثل العمل والتعليم والتجارة وبروز شكل آخر لمجتمع المعلومات.

المصطلح

صاغ العرب المحدثون مصطلحات لغوية لتدل على شبكة الإنترنت منها «الشابكة» و «المِعمام» و«الشبكة» (ترجمة لكلمة «نت») والشبكة الدولية، إلا أن الاسم العَلَمَ المُعّرب صوتياً «الإنترنت» هو الأكثر شيوعاً.

ففي الإنكليزية نُحِتَت كلمة Internet من البادئة inter وتعني «بينيّ» أو «ما بين» ومن كلمة net التي تعني «شبكة»، وذلك وصفاً لجوهر شبكة الإنترنت بأنها «شبكة ما بين شبكات» أو «شبكة الشبكات» أو «شبكة من شبكات»، أي نظاماً (بروتوكولًا) موحداً يصل ما بين شبكات مستقلة متباينة.

بالرغم من ذلك فقد شاعت في وسائل الإعلام العربية ترجمة «الشبكة الدولية للمعلومات» المبنية على تفسير خاطئ لإتمولوجية اسم Internet مفاده أن المقطع inter اختصار كلمة International أي «دولي»، وهذا تفسير غير صحيح على المستويين اللغوي والبنيوي. فعلى المستوى اللغوي يدخل المقطع inter في تكوين كلمات إنكليزية عديدة، منها international لكنه لا يقتصر عليها ولا يمكن اعتباره اختصاراً لها. وعلى المستوى البنيوي للشبكة فبنية شبكة الإنترنت لا تقوم على التقسيم الدولي السياسي للعالم المعاصر، ولا تديرها الحكومات، فهي في هذا تختلف عن شبكات أخرى تنظمها اتفاقات دولية ما بين الحكومات، مثل البرق والهاتف، فشبكة الإنترنت تتألف من مجموع الشبكات المستقلة المتباينة التي تملكها وتديرها جهات عديدة، كانت أولاها تاريخياً جامعات ومراكز بحثية، ثم انضمت إليها شركات خاصة ومنظمات أهلية وحكومات لتصنع شبكة الإنترنت التي نعرفها اليوم.

كذلك تشيع بين العامة وغير المتخصصين أسماء تدل على خدمات معينة من العاملة على شبكة الإنترنت للتدليل على الإنترنت كلها بالتعميم، فنجد «وب» و«الشبكة العنكبوتية»، وهو نمط استخدام شائع في لغات عدة ولا يقتصر على اللغة العربية، إذ أن الوب هي الوجه الأكثر ظهوراً لأغلب مستخدمي الإنترنت في الوقت الحالي، وهي الوجه الذي تعرّف عليه الملايين ممن استخدموا الإنترنت لأول مرة بصفته تجلّي الإنترنت كلّها، بينما سادت خدمات أخرى في أزمنة أبكر من عمر الشبكة، كانت منها غوفر والبريد الإلكتروني ونقل الملفات FTP وUSENET.

التعريفات

هي شبكة عالمية من الروابط بين الحواسيب تسمح للناس بالاتصال والتواصل مع بعضهم البعض واكتساب ونقل المعلومات من الشبكة الممتدة في جميع أرجاء العالم بوسائل بصرية وصوتية ونصية مكتوبة، وبصورة تتجاوز حدود الزمان والمكان والكلفة وقيود المسافات وتتحدى في الوقت نفسه سيطرة الرقابة.

ويعرف آخرون الإنترنت كذلك بأنه شبكة دولية للمعلومات تتفاهم باستخدام بروتوكولات وتتعاون فيما بينها لصالح جميع مستخدميها، وتحتوي على العديد من الإمكانات مثل البريد الإلكتروني، والاتصال الصوتي المرئي بين الأشخاص، وإقامة المؤتمرات بالفيديو، وقوائم البريد بالإضافة إلى الملايين من الأخبار والتحليلات الصحفية، والعديد من الملفات المتاحة لنقلها واستخدامها بطريقة شخصية وكذلك آلات البحث المرجعي.

مميزات الانترنت

توفر تقنية اتصالات سريعة.

توفر تقنيات وبرمجيات حاسوب متقدمة.

تعدد اللغات المستخدمة في الشبكة.

تنوع استخداماتها في جميع المجالات.

ذات أهمية في أسلوب حياتنا المعاصرة.

السرعة وبالتالي توفير الوقت والجهد على الباحث.

منع احتكار المعلومات.

وسيلة للترفيه في أوقات الفراغ.

تعلم أشياء جديدة في مختلف المجالات.

عمل شبكة أصدقاء جدد وتبادل الثقافات.

الدراسة عبر الإنترنت في مختلف الجامعات.

التقنيات

إن شبكة إنترنت تعتمد على ما يعرف في علم تصميم الشبكات بأنه «تصميم بسيط»، لأن شبكة الإنترنت تقوم بعمل وحيد أولي وبسيط، وهو إيصال رسالة رقمية بين عقدتين لكل منهما عنوان مميز بطريق «التخزين والتمرير» بين عقد عديدة ما بين العقدة المرسلة والعقدة المستقبلة، وبحيث لا يمكن التنبؤ مسبقاً بالمسار الذي ستأخذه الرسالة عبر الشبكة كما يمكن أن تقسم الرسالة إلى أجزاء يتخذ كلاً منها مساراً مختلفاً وتصل في ترتيب غير ترتيبها الأصلي الذي يكون على العقدة المتلقية أن تعيد ترتيب الرسالة كما كانت، وهي فئة من بروتوكولات الشبكات تعرف بتسيير الرزم.

التاريخ

في ستينيات القرن العشرين، موَّلت وكالة مشاريع البحوث المتطورة الدفاعية (داربا) – كانت تسمى سابقاً بأربا، وهي إحدى وكالات وزارة دفاع الولايات المتحدة- بحثاً حول المشاركة الزمنية للحواسيب. والبحث في طرق تبديل الرزم، واحدة من تقنيات الإنترنت الثورية التي بدأ بول باران بالعمل عليها في بدايات ستينيات القرن العشرين، وبشكل إفرادي، دونالد ديفيس عام 1965. بعد المؤتمر العلمي حول أساسيات أنظمة التشغيل عام 1967.دُمجت تقنية تبديل الرزم من شبكة NPL المقترحة في تصميم أربانت وشبكة مشاركة موارد أخرى مثل ميريت نيتورك وسيكلاد، الذين طُوروا في أواخر ستينيات وأوائل سبعينيات القرن العشرين.

وفي الأول من يناير 1983 استبدلت وزارة دفاع الولايات المتحدة البروتوكول (NCP) المعمول به في الشبكة واستعاضت عنه بميثاق حزمة موافيق (بروتوكولات) الإنترنت. ومن الأمور التي أسهمت في نمو الشبكة هو ربط المؤسسة الوطنية للعلوم وجامعات الولايات المتحدة ألامريكية بعضها ببعض مما سهّل عملية الاتّصال بين طلبة الجامعات وتبادل الرسائل الإلكترونية والمعلومات، عند دخول الجامعات إلى الشبكة، ولقد أخذت الشبكة في التوسع والتّقدم وساهم طلبة الجامعات بمعلوماتهم واكتشف المتصفح «موزاييك»، والباحث «جوفر» و«آرشي» بل إن الشركة العملاقة «نتسكيب» هي في الأصل فكرة من جهود طلبة الجامعة قبل أن يتبنّاها العقل التجاري، ويوصلها إلى ما آلت إليه فيما بعد. إن مهندسوا شبكة الإنترنت هم أحد عوامل نجاح الشبكة حيث أن الهيئة عامة ومفتوحة للجميع، ولما أسست العديد من الشركات الكبرى اليوم التي تعتمد على تزويد الخدمات في شبكة الإنترنت. وهنالك تطور متصفح الويب violawww، استناداً إلى ما كان يعرف باسم hypercard. ولحقه فيما بعد متصفح الويب موزاييك. وفي عام 1993، وفي المركز الوطني لتطبيقات الحوسبة الفائقة في جامعة إلينوي تم إصدار نسخة 1,0 من موزايك (متصفح ويب)، وبحلول أواخر عام 1994 كان هناك تزايد ملحوظ في اهتمام الجمهور بما كان سابقاً اهتمام للاكاديمين فقط. وبحلول عام 1996 صار استخدام كلمة الشبكة قد أصبح شائعاً، وبالتالي، كان ذلك سبباً للخلط في استعمال كلمة إنترنت على أنها إشارة إلى الشبكة العنكبوتية العالمية في الويب.

وفي غضون ذلك، وعلى مدار العقد، زاد استخدام شبكة الإنترنت بشكل مطرد. وخلال التسعينات، كانت التقديرات تشير إلى أن الشابكة قد زاد بنسبة 100٪ سنوياً، ومع فترة وجيزة من النمو الانفجاري في عامي 1996 و 1997. وهذا النمو هو في كثير من الأحيان يرجع إلى عدم وجود الإدارة المركزية، مما يتيح النمو العضوي للشابكة، وكذلك بسبب الملكية المفتوحة لموافيق (بروتوكولات) الإنترنت، التي تشجع الأشخاص والشركات على تطوير أنطمة وبيعها وهي أيضا تمنع شركة واحدة من ممارسة الكثير من السيطرة على الشبكة. حيث بدأت شركات الاتصالات بتوفير خدمة الدخول isp على الإنترنت بواسطة الشبكة الهاتفية عام (1995).

التطبيقات

محركات وأدلة البحث:

هي برامج متخصصة في الشبكة الاتصالية تفيد المستخدم وتسهل عليه عناء البحث الطويل، حيث يقوم المستخدم بوضع كلمات البحث لكي يتم البحث عنها. وهي برامج متصلة بمواقع كثيرة لكي يتم استخراج المعلومات والبيانات المبحوث عنها ومن اشهرها محرك البحث العملاق جوجل.

الشبكة العنكبوتية العالمية.

البريد الإلكتروني:

هو برنامج معد مسبقا من قبل شركات معينة، تفيد المستخدم في تبادل الرسائل الإلكترونية بسرعة فائقة، ويقصد هنا بالرسائل الإلكترونية المعلومات والبيانات والصور. ومن أشهر مواقع الايملات (الهوتميل) و (الجي ميل).

مواقع الوسائط الاجتماعية:

يتم فيها تبادل الأخبار الاجتماعية بين أفراد المجتمع، وهي عبارة عن مواقع يشترك فيها المستخدمون لتبادل الآراء والأفكار.

مواقع الويب:

هي برامج تتيح وتعرض المعلومات والبيانات وهي في الأصل أرقام ولكن يتم ترجمتها إلى كلمات وتعرض للمستخدم على الشاشة.

الاجتماعات والمؤتمرات:

يستطيع مستخدم الشبكة (الإنترنت) أن يشاهد ما يعرض في الأجتماعات والمؤتمرات من خلال برامج نقل الصورة والصوت عبر الشبكة بكل سهولة.

الجامعة الالكترونية:

وهي مؤسسات جديدة تستخدم الإنترنت كوسيلة لنشر المعرفة والارتباط بالطلبة، وغالباً ما تعتمد على منتديات الجامعة التي تمكنها من سرعة التواصل وتفتح مجالاً مباشراً للنقاش والحوار بين الطلبة والاساتذة والدكاترة. طلاب العلاقات العامة

البريد الإلكتروني

المقالة الرئيسة: بريد إلكتروني

البريد الإلكتروني هو مصطلح يطلق على إرسال رسائل نصية إلكترونية بين مجموعات في طريقة مناظرة لإرسال الرسائل والمفكرات قبل ظهور الإنترنت. حتي في وقتنا الحاضر، من المهم التفريق بين بريد الإنترنت الإلكتروني وبين البريد الإلكتروني الداخلي. فبريد الإنترنت الإلكتروني قد ينتقل ويخزن في صورة غير مشفرة على شبكات وأجهزة أخرى خارج نطاق تحكم كلاً من المرسِل والمستقبِل. وخلال هذه الفترة (فترة الانتقال) من الممكن لمحتويات البريد أن تُقرأ ويُعبث بها من خلال جهة خارجية، هذا إذا كان البريد على قدر من الأهمية. أنظمة البريد الإليكتروني الداخلي لا تغادر فيها البيانات شبكات الشركة أو المؤسسة، وهي أكثر أمناً.

الشبكة العالمية

الكثير من الناس يستعملون مصطلحيّ الإنترنت والشبكة العالمية (أو ويب فقط) على أنهما متشابهان أو الشئ ذاته. لكن في الحقيقة المصطلحين غير مترادفين. الإنترنت هو مجموعة من شبكات الحواسيب المتصلة معاً عن طريق أسلاك نحاسية وكابلات ألياف بصرية وتوصيلات لاسلكية وما إلى ذلك. على العكس من ذلك، الويب هو مجموعة من الوثائق والمصادر المتصلة معاً، مرتبطة مع بعضها البعض عن طريق روابط فائقة وعناوين إنترنت. بشكل آخر، الشبكة العالمية واحدة من الخدمات التي يمكن الوصول إليها من خلال الإنترنت، مثلها مثل البريد الإلكتروني ومشاركة الملفات وغيرهما.

البرامج التي يمكنها الدخول إلى مصادر الويب تسمي عميل المستخدم. في الحالة العادية، متصفحات الوب مثل إنترنت إكسبلورر أو فيرفكس تقوم الدخول إلى صفحات الوب وتمكن المستخدم من التجول من صفحة لأخرى عن طريق الروابط الفائقة. صفحة الوب يمكن تقريباً أن تحتوي مزيج من بيانات الحاسوب بما فيها الصور الفوتوغرافية، الرسوميات، الصوتيات، النصوص، الفيديو، الوسائط المتعددة ومحتويات تفاعلية بما في ذلك الألعاب وغيرها.

الدخول عن بعد

يسمح الإنترنت لمستخدمي الحاسوب أن يتصلوا بحواسيب أخرى وخوادم المعلومات بسهولة، مهما يكن موضعها في العالم. تعرف هذه العملية بالدخول البعادي. بالإمكان عمل ذلك بدون استخدام تقنيات حماية أو تشفير أو استيقان. وهذا يشجع أنواعا جديدة من العمل المنزلي، ومشاركة المعلومات في العديد من الصناعات وهذه أسهل طريقة في العالم من حيث النوع.

الأنظمة التعاونية

لقد أدى انخفاض تكلفة الاتصال عبر شبكة الإنترنت وتبادل الأفكار والمعارف، والمهارات إلى تطور العمل التعاوني بشكل كبير وظهور الأنظمة التعاونية. وليس بالإمكان فقط الأتصال بشكل رخيص وعلى نطاق واسع عبر شبكة (الإنترنت) ولكن يسمح لمجموعات لها نفس الاهتمامات ان تنشئ مواقع مشتركة بسهولة. ومثال على ذلك حركة البرمجيات الحرة في تطوير البرمجيات، والتي أنتجت نظام لينكس وجنو GNU من الصفر وتولت تطوير موزيلا وOpenOffice.org (المعروفة سابقا باسم نتسكيب محاور وستار أوفيس). أفلام مثل روح العصر Zeitgeist كان لها تغطية واسعة النطاق على شبكة الإنترنت، في حين يجري تجاهلها تقريبا في وسائل الأعلام الرئيسية.

الدردشة عبر شبكة الإنترنت وسواء كان في شكل IRC أو القنوات، أو عن طريق المراسلة الفورية يسمح للزملاء البقاء على اتصال دائم عن طريق وسيلة مريحة للغاية تعمل في حواسيبهم طول الوقت. ويجري تبادل للملفات سواء كانت تحتوي على الصوت والصور أو أي نوع آخر من الملفات وتدعم العمل المشترك بين أعضاء الفريق.

نظم التحكم في نسخ الإصدار تسمح لفرق العمل المشتركة والعاملة على مجموعات من الوثائق التعاون في عملها. وهكذا يجري تفادي مسح ما كتبه زميل آخر دون قصد ويتمكن كل أعضاء الفريق المتعاون من إنشاء الوثائق وللكل من إضافة أفكارهم وإضافة التغيرات.

توجد حاليا أنظمة أخرى في هذا المجال مثل مفكرة جوجل google calendar، أو BSCW أو نظام شير بوينت.

الاتصال الصوتي

الصوت عبر الشابكة (الإنترنت) يعتمد على نقل الصوت خلال ميفاق (بروتوكول) الإنترنت. وبدأت هذه الظاهرة كاختيار وأداة مساعدة لأنظمة دردشة IRC لنقل الصوت في اتجاه واحد. في السنوات الأخيرة انتشرت العديد من أنظمة VoIP كما أصبحت سهلة الاستخدام ومريحة كأي هاتف عادي. وهذه الأنظمة هي استخدام واعد لشبكة الإنترنت ذات تكلفة أقل بكثير من المكالمة الهاتفية العادية، وخاصة لمسافات طويلة.

ولا تزال نوعية الصوت في كثير من الأحيان تختلف من كلمة إلى أخرى وستحتاج إلى بعض الوقت حتى تصبح بنفس النوعية كالهواتف التقليدية، وأصبحت ذات شعبية متزايدة في عالم اللعب، باعتباره شكلا من أشكال الاتصال بين اللاعبين، ومن أكثر الأنظمة شعبية في مجال الصوت عبر الإنترنت هو نظام سكايب

خدمة التلقيم

خدمة التلقيم هي خدمة تمكن من متابعة ما يصدر في المواقع التي توفرها أولا بأول دون حاجة إلى الدوران عليها لزيارتها من أجل التحقق من إن كان قد نُشر جديد عليها، كما أنها على غير الطريقة التي كانت سائدة مسبقا ولا تتطلب جهد يذكر من ناحية الموقع لأن المستخدم هو الذي يطلب هذا النوع من المحتوى بطريق قارءات التلقيمات وقتما يريد بطور التشغيل ذاته الذي تعمل به متصفحات الوب، ولا تتطلب الإفصاح عن أي قدر من البيانات الشخصية من جانب المستخدم للموقع، ولا حتى عنوان البريد الإلكتروني، وبهذا فالمتحكم الوحيد فيها هو المستخدم، ولا يمكن استخدامها بشكل لا يرضيه أو مفروض عليه. وتشتمل التلقيمة في أبسط صورها عنوانا وملخصا للموضوع، ورابطا للنص الكامل للخبر على موقع ناشر الموضوع، وتوجد عدة صيغ لنشر التلقيمات، منها أتوم وآر إس إس و RDF.

سوق الإنترنت

أصبح الإنترنت سوقا واسعة للشركات، بعض الشركات الكبيرة ضخمت من أعمالها بأن أخذت مميزات قلة تكلفة الإعلان والتسوق عبر الإنترنت، والذي يعرف بالتجارة الإلكترونية، وهي تعتبر أسرع طريقة لنشر المعلومات إلى عدد كبير من الأفراد. ونتيجة لذلك قامت شبكة الإنترنت بعمل ثورة في عالم التسويق، كمثال على ذلك، يمكن لأي شخص أن يطلب شراء إسطوانة مدمجة عبر شبكة الإنترنت وسوف تصله عبر البريد العادي خلال يومين، أو بإمكانه تنزيلها مباشرة عبر الإنترنت إذا تيسر ذلك.

ومن منافع الإنترنت عملية التسوق الشخصي، والذي يتيح لشركة ما أن تسوق منتج لشخص معين أو مجموعة معينة من الأشخاص بطريقة أفضل من أي وسط إعلاني.

كأمثلة على التسوق الشخصي، مجتمعات الإنترنت والتي يدخلها الآلاف من مستخدمي شبكة الإنترنت ليعلنوا عن أنفسهم ويعقدوا صداقات عبر الشبكة. وبما أن مستخدمي هذه المجتمعات تتراوح أعمارهم بين 13 و25 عاماً، فإنهم حين يعلنوا عن أنفسهم فهم يعلنون بالتالي عن هواياتهم واهتماماتهم، ومن هنا تستطيع شركات التسوق عبر الإنترنت استخدام هذه المعلومات للإعلان عن المنتجات التي توافق رغباتهم واهتماماتهم، وبهذا تتمكن الشركات من التسوق بصورة أفضل من أي مكان في العالم عن طريق شبكة الأنترنت.

السلبيات

يوجد بعض الجوانب السلبية للأستخدام المتواصل لشبكة الإنترنت، منها:

استخدام الأطفال لمواقع الإنترنت ولمواقع خاصة يعرضهم لخطر التحرش من قبل الغرباء.

الجلوس طويلا أمام شاشة الحاسوب يسبب بعض الأضرار الصحية، مثل: المساعدة على زيادة الوزن، وضعف البصر.

الاستخدام الكثير لشبكة الإنترنت يقلل من الاجتماع بأفراد العائلة وقضاء فترة اجتماعية مع الأهل والأصدقاء.

زيارة الشباب أو الناس بصفة عامة للمواقع المنوعة على الشبكة العنكبوتية والتي أصبحت متناول الجميع ومنتشرة بكثرة يؤدي إلى حالة من الأنعزال عن المجتمع والتواصل معه.

علم الأحياء

عِلْمُ الأَحْيَاء (بالإنجليزية: Biology)‏ هو علم طبيعي يُعنى بدراسة الحياة والكائنات الحية، بما في ذلك هياكلها ووظائفها ونموها وتطورها وتوزيعها وتصنيفها. الأحياء الحديثة هي ميدانٌ واسعٌ يتألف من العديد من الفروع والتخصصات الفرعيَّة، لكنها تتضمن بعض المفاهيم العامّة الموحدة التي تربط بين فروعها المُختلفة وتسير عليها جميع الدراسات والبحوث. يُنظر إلى الخلية في علم الأحياء عموماً باعتبارها وحدة الحياة الأساسية، والجين باعتباره وحدة التوريث الأساسية، والتطور باعتباره المُحرّك الذي يولد الأنواع الجديدة. ومن المفهوم أيضاً في علم الأحياء في الوقت الحاضر أنّ جميع الكائنات الحيّة تبقى على قيد الحياة عن طريق استهلاك وتحويل الطاقة، ومن خلال تنظيم البيئة الداخلية للحفاظ على حالةٍ مُستقرةٍ وحيويّة.

ينقسم علم الأحياء إلى فروع حسب نطاق الكائنات الحيَّة التي تدرسها، وأنواع الكائنات الحيَّة المدروسة، والأساليب المُستخدمة في دراستها. فتدرس الكيمياء الحيوية العمليات الكيميائية المُتعلقة بالكائنات الحيَّة، ويدرس علم الأحياء الجزيئي التفاعلات المُعقدة التي تحصل بين الجُزيئات البيولوجية، ويُعنى علم النبات بدراسة حياة النباتات المُختلفة، ويدرس علم الأحياء الخلوي الخلية التي تُعدّ الوحدة البنائية الأساسية للحياة، ويدرس علم وظائف الأعضاء الوظائف الفيزيائية والكيميائية لأنسجة وأعضاء وأجهزة الكائن الحي، بينما يدرس علم الأحياء التطوري العمليات التي أدّت إلى تنوّع الحياة، ويُعنى علم البيئة بالبحث في كيفيّة تفاعل الكائنات الحيَّة مع بيئتها.

التسمية

يُشتق مُصطلح علم الأحياء اللاتيني (Biologia) من اليونانية (bios تعني حياة و logia تعني دراسة أو علم). ظهر هذا المُصطلح للمرة الأولى عام 1736 عندما استخدمه كارلوس لينيوس في أحد كتبه، وتبع ذلك ترجمته للألمانية (Biologie) عام 1771 في ترجمةٍ لعمل لينيوس. دخل هذا المُصطلح حيِّز الاستخدام الحديث في أطروحةٍ من ستة مُجلدات من تأليف العالم الألماني غوتفريد راينولد تريفيرانوس، الذي قال: «سيكون موضوع أبحاثنا هو أشكال الحياة ومظاهرها المُختلفة، والظروف والقوانين التي تحدث بموجبها هذه الظواهر، والأمور والأسباب التي أثرت فيها. وسنُشير إلى العلم الذي يهتم بهذه الأمور باسم علم الأحياء (biologie) أو مبدأ الحياة (Lebenslehre)».

على الرغم من ظهور علم الأحياء بشكله الحالي حديثاً نسبيّاً، إلا أن العلوم التي تتضمنها الأحياء أو تتعلق فيها كانت تُدرس منذ العصور القديمة. فقد كانت الفلسفة الطبيعية تُدرس في بلاد الرافدين ومصر وشبه القارة الهندية والصين. بَيْد أنّ أصول علوم الأحياء الحديثة ومنهجها في دراسة الطبيعة تعود إلى اليونان القديمة. فكان أبقراط بمثابة مؤسس علم الطب، بالإضافة إلى مُساهمة أرسطو الكبيرة في تطوير علم الأحياء، حيث كان لكتبه التي أظهر فيها ميوله للطبيعة أهميةٌ خاصةٌ مثل كتاب «تاريخ الحيوانات»، تبع ذلك أعمالٌ أكثر تجريبية ركّزت على السببية البيولوجية وتنوع الحياة. كتب ثيوفراستوس بعد ذلك سلسلة من الكتب في علم النبات اعتُبرت الأهم من نوعها في هذا العلم في العصور القديمة حتى العصور الوسطى.

أسهم العلماء المسلمون كذلك إسهاماتٍ مُهمّةٍ في علم الأحياء، مثل الجاحظ، وأبو حنيفة الدينوري الذي كتب في علوم النباتات، وأبو بكر الرازي الذي كتب في علم التشريح وعلم وظائف الأعضاء. كما أولى المسلمون الطب اهتماماً خاصاً، فترجموا علوم اليونانيين وأضافوا إليها الكثير. أمّا إسهاماتهم في التاريخ الطبيعي فكانت مُعتمدةً بشكلٍ كبيرٍ على الفكر الأرسطي.

قفز علم الأحياء قفزةً كبيرةً عندما قام أنطوني فان ليفينهوك بتطوير المجهر، حيث أدى ذلك إلى اكتشاف الحيوانات المنوية والبكتيريا ومُختلف الكائنات المجهرية. كما لعب العالم الهولندي يان زفامردام دوراً محورياً في تطوير علم الحشرات وساعد في إرساء التقنيات الأساسية في الترشيح والتلوين المجهري. كما كان للتقدم في الدراسات المهاجرية أثرٌ عميقٌ في تفكير الأحيائيين، فأشار عددٌ من علماء الأحياء إلى الأهمية المركزية للخلية منذ مطلع القرن التاسع عشر. وفي عام 1838 بدأ العالمان شوان وشلايدن في تعزيز فكرة أنّ الوحدة الأساسية في الكائنات الحيَّة هي الخليَّة، وأنّ الخلايا مُنفردةً تملك خصائص الحياة، لكنهما عارضا فكرة أنّ جميع الخلايا تنتج من انقسام خلايا أخرى. لكن بفضل أعمال روبرت ريماك ورودولف فيرشو اتجه العلماء إلى قبول المبادئ الثلاثة السابقة بحلول عقد الستينيّات من القرن التاسع عشر، وهو ما عُرف فيما بعد بنظرية الخلية.

وفي الوقت ذاته كانت أهمية علم التصنيف في تزايدٍ مُستمرٍ وباتت موضع تركيز المؤرخين الطبيعيين. نشر لينيوس عام 1735 منهاجاً في مبادئ التصنيف للعالم الطبيعي، وما زالت بعض المبادئ التي جاء بها قيد الاستخدام مُنذ ذلك الحين. ثم أطلق لينيوس في مُنتصف القرن الثامن عشر أسماءً علميَّةً على جميع الأنواع. وفي القرن ذاته ظهر العالم الفرنسي جورج دي بوفون الذي أشار إلى إمكانيّة وجود سلف مشترك، وبالرغم من أنّه كان مُعارضاً لنظرية التطور، إلا أنه في الحقيقة كان شخصيةً محوريةً في تاريخ الفكر التطوري، حيث أثرت أعماله على النظريات التطورية التي جاء بها كُلٌ من جان باتيست لامارك وتشارلز داروين.

كانت بداية الأخذ بنظرية التطور على محمل الجد بعد صدور أعمال لامارك، الذي كان أول من قدّم نظريةً مُتماسكةً في التطور. افترض لامارك أنّ التطور كان نتيجةً للضغوط البيئية على خصائص الحيوانات، أي أنه كلما ازداد استخدام العضو والاعتماد عليه بات هذا العضو أكثر كفاءةً وتعقيداً، وبذلك يتمكّن الحيوان من التكيف مع بيئته. اعتقد لامارك أنّ هذه الصفات المُكتسبة يُمكن أن تنتقل عبر النَّسل، وبالتالي تتطور وتُصبح أكثر كمالاً. ظهر بعد ذلك العالم البريطاني تشارلز داروين الذي جمع بين النهج البيوجغرافي لألكسندر فون هومبولت، والنهج الجيولوجي المُنتظم الذي اتبعه تشارلز لايل، ونهج كتابات توماس مالتوس حول النمو السكاني، بالإضافة إلى خبرته الخاصة ومُلاحظاته للطبيعة، ليؤسس بذلك نظرية تطوريَّةً أكثر نجاحاً تستند إلى الانتقاء الطبيعي، وهي النتيجة نفسها التي توصل إليها ألفرد راسل والاس بشكل مُستقل بعد اتباعه ذات المنطق والأدلة. وعلى الرغم من أنّ هذا النظرية ما زالت موضعاً للجدل حتى الوقت الحاضر، إلا أنها سرعان ما انتشرت في الأوساط العلمية وباتت جزءاً مُهمّاً من علم الأحياء الحديث.

أشارت التجارب التي أجريت في مُنتصف القرن العشرين إلى كون الدي إن إيه مُكوّنٌ من كروموسومات تحمل الوحدات الحاملة للسمات، والتي عُرفت فيما بعد باسم الجينات. مثّل تركيز العلماء على إيجاد أنواع جديدة من الكائنات الحيَّة الدقيقة مثل الفيروسات والبكتيريا، وكذلك اكتشاف الهيكل الحلزوني المُزدوج للمادة الوراثية عام 1953، مثّل المرحلة الانتقالية لعصر علم الوراثة الجزيئي. وبات علم الأحياء مُمتداً في المجال الجُزيئي بشكلٍ واسع مُنذ الخمسينيّات وحتى الوقت الحاضر. تبع ذلك إطلاق مشروع الجينوم البشري عام 1990 بهدف معرفة الجينوم البشري بشكلٍ كامل. اكتمل هذا المشروع مبدئيّاً عام 2003، وما زالت تُنشر التحاليل المُتعلقة به حتى الوقت الحاضر. شكّل مشروع الجينوم البشري الخطوة الأولى في عولمة ودمج المعارف البشرية المُتراكمة في علم الأحياء للتوصل إلى تعريف وظيفي جُزيئي للجسم البشري وأجسام الكائنات الحيَّة الأخرى.

أسس علم الأحياء الحديث

نظرية الخلية

تنصُّ نظرية الخلية على أنّ الخليَّة هي وحدة الحياة الأساسيَّة، وأنّ جميع الكائنات الحيَّة تتكون من خلية واحدة أو أكثر أو من مواد تُفرز من تلك الخلايا (مثل الهياكل الخارجية). تنشأ جميع الخلايا من خلايا أخرى بواسطة عملية الانقسام الخلوي، حيث يعود أصل كل خلية في جسم الكائن الحي متعدد الخلايا من خلية واحدة في البيضة المُخصبة. وكذلك تُعد الخليَّة الوحدة الأساسية في العديد من العمليات المرضيَّة. ويتمّ انتقال الطاقة في الخلايا بوساطة عمليات تُشكّل جُزءاً من عملية التمثيل الغذائي. وأخيراً فإنّ الخلايا تحتوي على المعلومات الوراثية (DNA) التي يتم تمريرها من خلية إلى أخرى أثناء انقسام الخلية.

التطور

الانتقاء الطبيعي للبشرة الداكنة لمجموعة سكانية.

التطور هو أحد مفاهيم علم الأحياء الحديث، ويعني أنّ الحياة تتغير وتتطور، وأنّ أشكال الحياة المعروفة كافة تنحدر من سلف مشترك. حيث تفترض نظرية التطور أنّ جميع الكائنات الحيَّة على وجه الأرض سواءً كانت حيَّةً أو مُنقرضةً قد انحدرت من أصل مُشترك أو تجميعة جينية أولية. يُعتقد أنّ آخر سلف مُشترك لجميع الكائنات الحيَّة كان قد ظهر قبل حوالي 3.5 مليار عام. ويرى العلماء الداعمون لهذه النظرية أنّ تشارك الكائنات الحيَّة في الشفرة الجينية يُشكّل دليلاً حاسماً لصالح نظريتهم، بينما يرى المُعارضون لها عدم صحة العبارة وبالتالي فإنها لا تُشكل دليلاً داعماً للتطور.

أُدخل مُصطلح التطور إلى المعجم العلمي بوساطة العالم الفرنسي جان باتيست لامارك عام 1809، أما البداية الفعلية للنظرية فكانت على يد تشارلز داروين بعد ذلك بخمسين عاماً لتُصبح نموذجاً علمياً فعلياً، ويُعزى ذلك إلى توضيحه القوة أو الآلية الدافعة للتطور، وهي الانتقاء الطبيعي (كما يُعد ألفرد راسل والاس مُساهماً في اكتشاف هذا المفهوم، بالإضافة إلى مُساهمته بالأبحاث والتجارب المُتعلقة بالتطور). قال داروين في نظريته إنّ الأنواع والسلالات تتطور خلال عمليات الانتقاء الطبيعي والانتقاء الاصطناعي، بالإضافة إلى الانحراف الوراثي الذي شكّل آليةً تطوريةً أخرى في توليفة النظرية الحديثة.

يُطلق اسم علم الوراثة العرقي على التاريخ التطوري للأنواع الذي يصف خصائص الأنواع المُختلفة من الأصل الذي انحدرت منه، بالإضافة إلى علاقة النَّسب بين النوع والأنواع الأخرى. هناك العديد من الوسائل المُستخدمة في توليد المعلومات حول علم الوراثة العرقي. إحدى هذه الوسائل هي مُقارنة تسلسلات الدي إن إيه التي تتبع مجال علم الأحياء الجزيئي أو علم الجينوم. وسيلةٌ أخرى هي مُقارنة المستحاثات أو ما نملك من معلومات عن الكائنات القديمة في علم الأحياء القديمة.

علم الوراثة

مربع بانيت يُظهر نواتج تلقيح نبتتي بازيلاء تحملان ألّيلين مُختلفين. يُشير B إلى لون الزهرة البنفسجي، بينما يُشير b إلى اللون الأبيض.

الجين هو الوحدة الأساسية للوراثة في جميع الكائنات الحيَّة ويُشكّل المنطقة التي تؤثر على شكل أو وظيفة الكائن الحي من المادة الوراثية. حيث أنّ جميع الكائنات الحيَّة من البكتيريا إلى الحيوانات تتشارك في نفس الآليات الأساسية المُتمثلة في نسخ وترجمة الدنا إلى بروتينات. تقوم الخلايا بنسخ جين الدنا إلى جين الرنا ثم يترجم الرايبوسوم الرنا إلى بروتين، وهو عبارةٌ عن سلسلة من الأحماض الأمينية. تتشارك مُعظم الكائنات الحيَّة في رمز الترجمة من الرنا إلى الأحماض الأمينية، ولكنها قد تكون مُختلفةً قليلاً في بعضها الآخر.

تكون الكروموسومات عادةً خطية الشكل في حقيقيات النوى ودائرية الشكل في بدائيات النوى. والكروموسوم هو تركيبٌ مُنظمٌ يتألف من الدنا والهستونات. وتُشكّل مجموعة الكرموسومات الموجودة في الخلية، بالإضافة إلى أية معلومات وراثية أخرى موجودة في الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء أو أي مكان آخر، تُشكل مُجتمعةً ما يُعرف باسم الجينوم. توجد المعلومات الوراثية في حقيقيات النوى في نواة الخلية، بالإضافة إلى كميات أخرى صغيرة موجودة في الميتوكندريا والبلاستيدات الخضراء. أما في بدائيات النوى فتكون المادة الوراثية موجودةً في جسم غير مُنتظم الشكل يقع في السيتوبلازم يُسمّى بالنيوكليود. تكون معلومات الجينوم الوراثية موجودةً في الجينات، ويُسمّى مجموع هذه المعلومات في الكائن الحي بالنمط الجيني.

الاستتباب

الاستتباب هو قدرةُ النظام المفتوح على تنظيم بيئته الداخلية للحفاظ على ظروف مُستقرة عن طريق تحقيق توازن ديناميكي. وهو خاصيةٌ تظهر في جميع الكائنات الحيَّة سواءً كانت وحيدة الخلية أو مُتعددة الخلايا.

يجب على النظام أن يكون قادراً على الكشف عن الاضطرابات والرد عليها بشكل مُناسب للحفاظ على توازنه الديناميكي وأداء وظائفه بشكل فعّال. حيث يقوم النظام الحيوي عادةً بالاستجابة على الاضطرابات بعد كشفها من خلال الارتجاع السلبي، ممّا يُتيح له القدرة على الحفاظ على ظروف مُستقرة من خلال تخفيض أو زيادة نشاط أحد الأعضاء أو الأجهزة. ومن الأمثلة على ذلك انخفاض الغلوكاغون عندما تكون مُستويات السكر مُنخفضةً جداً.

الطاقة

نظرة مبدئية على دورة الطاقة في الإنسان.

يعتمد بقاء الكائن الحي على استمرار إمداده بالطاقة. ويتم الحصول على هذه الطاقة من المواد التي تُشكّل غذاء بوساطة تفاعلات كيميائية، وتُستغل هذه الطاقة في المُساعدة في تشكيل خلايا جديدة والمُحافظة عليها. تلعب جُزيئات المواد الكيميائية التي تُشكل غذاء الكائن الحي دورين خلال هذه العملية: الأول أنها تُشكل مصدراً للطاقة التي يحتاجها الجسم، والثاني هو تكوين تراكيب جزيئية تتألف من جزيئات حيويَّة.

تُعرف الكائنات الحيَّة التي تقوم بإنتاج الطاقة في النظام البيئي بالكائنات المُنتجة أو ذاتية التغذية. تُشكل الشمس مصدر الطاقة الأساسي لجميع الكائنات ذاتية التغذية تقريباً، حيث تستخدم الطاقة الشمسية في عملية تُعرف بعملية البناء الضوئي لتحويل المواد الخام إلى جزيئات عضوية مثل ثلاثي فوسفات الأدينوسين (ATP) يُمكن تحطيم روابطها لإطلاق الطاقة. بَيْد أنّ بعض الكائنات تعتمد كلياً على مصادر أخرى للطاقة غير الشمس مثل الميثان وأيونات الكبريت.

تُستغل بعض الطاقة في إنتاج الكتلة الحيوية لاستمرار الحياة وتوفير القدرة على النمو، بَيْد أنّ مُعظم الطاقة المُتبقيَّة تُفقد على شكل حرارة أو فضلات جُزيئية. أهم عمليات تحويل الطاقة الموجودة في المواد الكيميائية إلى طاقة مُفيدة للكائن الحي هي عملية التمثيل الضوئي وكذلك التنفس الخلوي.

الفيزياء

الفِيزِيَاءُ أو الفِيزِيقَا (من الإغريقية: φυσική)، وتُسَمّى أيضًا بـ الطَبِيعِيَّاتِ أو عِلْمِ الطَبِيعَةِ هو العلم الذي يدرس المفاهيم الأساسية مثل الطاقة، القوة،(1) والزمان، وكل ما ينبع من هذا، مثل الكتلة، المادة وحركتها.(2) وعلى نطاق أوسع، هو التحليل العام للطبيعة، والذي يهدف إلى فهم كيف يعمل الكون.

وتحاول الفيزياء أن تفهم الظواهر الطبيعية والقوى والحركة المؤثرة في سيرها، وصياغة المعرفة في قوانين لا تفسر العمليات السالفة فقط بل التنبؤ بمسيرة العمليات الطبيعية بنماذج تقترب رويدًا رويدًا من الواقع.

يعتبر علم الفيزياء من أحد أقدم التّخصصات الأكاديمية، فقد بدأت بالبزوغ منذ العصور الوسطى، وتميّزت كعلمٍ حديثٍ في القرن السابع عشر، وباعتبار أن أحد فروعها، وهو علم الفلك، يعد من أعرق العلومِ الكونيةِ على الإطلاقِ. خلال معظم الألفي سنةِ الماضيةِ، كانت الفيزياء (علم الطبيعة) والكيمياء وعلم الأحياء وبعض فروع الرياضيات، جزءً من الفلسفة الطبيعية، ولكن خلال الثورة العلمية في القرن السابع عشر ظهرت هذه العلوم الطبيعية كمساعي بحثية فريدة في حد ذاتها. تتقاطع الفيزياء مع العديد من مجالات البحث متعددة التخصصات، مثل الفيزياء الحيوية والكيمياء الكمومية، وحدود الفيزياء التي لم يتم تعريفها بشكل صارم. غالبًا ما تشرح الأفكار الجديدة في الفيزياء الآليات الأساسية التي تدرسها علوم أخرى وتقترح طرقًا جديدة للبحث في التخصصات الأكاديمية مثل الرياضيات والفلسفة.

تهتم الفيزياء في نفس الوقت بدقة القياس وابتكار طرق جديدة للقياس تزيد من دقتها؛ فهذا هو أساس التوصل إلى التفسير السليم للظواهر الطبيعية. وتقدم الفيزياء ما توصلت إليه من طرق القياس للاستخدام في جميع العلوم الطبيعية والحيوية الأخرى كالكيمياء والطب والهندسة والأحياء وغيرها. إن التقدم الحضاري والمدني يدين بشكل كبير للتقدم الباهر لعلم الفيزياء، فجميع الأجهزة التي تملأ حياتنا اليومية أساسها الفيزياء، مثل الرادار واللاسلكي والراديو والتلفزيون والهاتف المحمول والحاسوب وأجهزة التشخيص في الطب مثل أشعة إكس والتصوير بالرنين المغناطيسي والعلاج بالأشعة، والنظارات، والتلسكوبات ومسبارات المريخ والفضاء، وأفران الميكروويف، والكهرباء والترانزيستور والميكروفون، وغيرها.(3) بالإضافة إلى مفاهيم أخرى كالفضاء والزمن، ويتعامل مع خصائص كونية محسوسة يمكن قياسها مثل القوة والطاقة والكتلة والشحنة. وتعتمد الفيزياء المنهج التجريبي، أي أنها تحاول تفسير الظواهر الطبيعية والقوانين التي تحكم الكون عن طريق نظريات قابلة للاختبار.

وللفيزياء مكانة متميزة في الفكر الإنساني، وكما تأثرت بأفرع المعرفة الإنسانية الأخرى؛ فقد كان لها أيضا الأثر الحاسم في بعض الحقول المعرفية والعلمية الأخرى مثل الفلسفة والرياضيات وعلم الأحياء. ولقد تجسدت أغلب التّطورات التي أحدثتها بشكل عملي في عدّة قطاعات من التقنية والطب. فعلى سبيل المثال، أدى التّقدم في فهم الكهرومغناطيسية إلى الانتشار الواسع في استخدام الأجهزة الكهربائية مثل التلفاز والحاسوب، وكذلك تطبيقات الديناميكا الحرارية إلى التطور المذهل في مجال المحركات ووسائل النقل الحديثة، وميكانيكا الكم إلى اختراع معدات مثل المجهر الإلكتروني، كما كان لعصر الذرة -بجانب آثاره المدمرة- استعمالات هامة لتطويع الإشعاع في علاج السرطان وتشخيص الأمراض.

معظم الفيزيائيين اليوم هم عادة متخصصون في مجالين متكاملين وهما الفيزياء النظرية والفيزياء التجريبية، وتهتم الأولى بصياغة النظريات باعتماد نماذج رياضية، فيما تهتم الثانية بإجراء الاختبارات على تلك النظريات، بالإضافة إلى اكتشاف ظواهر طبيعية جديدة. وبالرغم من الكم الهائل من الاكتشافات المهمّة التي حققتها الفيزياء في القرون الأربعة الماضية، إلا أن العديد من المسائل لا تزال بدون جواب إلى حد الآن، كما أن هناك مجالات نظرية وتطبيقية تشهد نشاطًا وأبحاثًا مكثّفة.

أصل التسمية

كلمة فيزياء مأخودة من اللغة الإغريقية «φυσική فيزياء» وهي مكونة من كلمتين “ἐπιστήμη epistḗmē” وتعني «معرفة الطبيعة». في البداية تم تعريبها من الإغريقية إلى فيزيقا  واستخدم عدد من العلماء العرب في فجر الإسلام هذا الاسم، كما استخدم بعضُهم لفظَ فيزياء سجعًا مع لفظ كيمياء. والآن لفظ فيزيقا لم يعد يستعمل وبقي لفظ فيزياء هو المستخدم، وقد تم تعريبه أيضاً من علم الطبيعة إلى طبيعياء، سجعاً مع لفظ فيزياء ولفظ كيمياء.

التاريخ

يتضح علم الفلك المصري القديم في آثار مثل سقف قبر سينيموت من الأسرة الثامنة عشرة لمصر.

علم الفلك هو واحد من أقدم العلوم الطبيعية. كانت الحضارات المبكرة التي يعود تاريخها إلى ما قبل 3000 سنة قبل الميلاد، مثل السومريين والمصريين القدماء وحضارة وادي السند، لديهم معرفة تنبؤية وفهم أساسي لحركات الشمس والقمر والنجوم. كانت النجوم والكواكب تعبد في كثير من الأحيان، ويعتقد أنها تمثل آلهة. في حين أن التفسيرات للمواقف المرصودة للنجوم كانت في كثير من الأحيان غير علمية وتفتقر إلى الأدلة، وضعت هذه الملاحظات المبكرة الأساس لعلم الفلك في وقت لاحق، حيث تم العثور على النجوم لاجتياز دوائر كبيرة عبر السماء، والتي لم تفسر مدارات الكواكب.

وفقًا لآسغر آبو، يمكن العثور على أصول علم الفلك الغربي في بلاد ما بين النهرين، وكل الجهود الغربية في العلوم الدقيقة تنحدر من علم الفلك البابلي المتأخر. ترك علماء الفلك المصريون آثارًا تُظهر معرفة الأبراج وحركات الأجرام السماوية، في حين كتب الشاعر اليوناني هوميروس العديد من الأجرام السماوية في كتابه «الإلياذة» و«الأوديسة»؛ في وقت لاحق قدم علماء الفلك اليوناني أسماء، والتي لا تزال تستخدم حتى اليوم، بالنسبة لمعظم الأبراج المرئية من نصف الكرة الشمالي.

الفلسفة الطبيعية

تعود أصول الفلسفة الطبيعية إلى اليونان خلال العصر القديم (650 قبل الميلاد – 480 قبل الميلاد)، عندما رفض فلاسفة ما قبل سقراط مثل تاليس تفسيرات غير طبيعية للظواهر الطبيعية وأعلنوا أن كل حدث له سبب طبيعي. اقترحوا أفكارًا تم التحقق منها عن طريق العقل والملاحظة، وأثبتت العديد من فرضياتها نجاحها في التجربة؛ على سبيل المثال، تم العثور على المذهب الذري الصحيح حوالي 2000 سنة بعد أن اقترحه ليوكيبوس وتلميذه ديموقريطوس.

الفيزياء في العصور الوسطى الأوروبية والعالم الإسلامي

سقطت الإمبراطورية الرومانية الغربية في القرن الخامس، مما أدى إلى انخفاض المساعي الفكرية في الجزء الغربي من أوروبا. على النقيض من ذلك، قاومت الإمبراطورية الرومانية الشرقية (المعروفة أيضًا باسم الإمبراطورية البيزنطية) هجمات البرابرة، واستمرت في تقدم مجالات التعليم المختلفة، بما في ذلك الفيزياء. في القرن السادس عشر، أنشأ إيزيدور ميليتوس مجموعة مهمة من أعمال أرخميدس التي تم نسخها من طرسية أرخميدس.

في القرن السادس عشر، تساءل جون فيلوبونوس، وهو عالم بيزنطي، عن تعاليم أرسطو للفيزياء وأشار إلى عيوبها. قدم نظرية الزخم. لم تفحص فيزياء أرسطو حتى ظهر جون فيلوبونوس، وعلى عكس أرسطو الذي بنى فيزياءه على الحجة اللفظية، اعتمد فيلوبونس على الملاحظة. في فيزياء أرسطو كتب جون فيلوبونوس:

«لكن هذا خاطئ تمامًا، وقد يتم دعم وجهة نظرنا من خلال الملاحظة الفعلية بشكل أكثر فعالية من أي نوع من الحجة الكلامية. فإذا تركت الأجسام تسقط من نفس الارتفاع حيث أحدهما أكثر وزنا من الآخر، فسترى أن نسبة المرات المطلوبة للحركة لا تعتمد على نسبة الأوزان، لكن الفرق في الوقت هو صغير جدا. وهكذا، إذا لم يكن الفرق في الأوزان كبيرًا، وهذا يعني أن أحدهما، نقول، ضاعف الآخر، لن يكون هناك فرق، وإلا سيكون هناك اختلاف غير محسوس، في الوقت المناسب، على الرغم من أن الفرق في الوزن لا يعني ذلك، مع وزن جسم واحد ضعف وزن الجسم الآخر.»

كان نقد جون فيلوبونوس لمبادئ الفيزياء الأرسطية بمثابة مصدر إلهام لغاليليو غاليلي بعد عشرة قرون،(4) خلال الثورة العلمية. استشهد غاليليو بفيلوبونوس بشكل كبير في أعماله عندما جادل بأن الفيزياء الأرسطية كانت معيبة. في القرن الثالث عشر الميلادي، طوّر جان بوريدان، وهو مدرس في كلية الآداب بجامعة باريس، مفهوم الزخم. لقد كانت خطوة نحو الأفكار الحديثة عن الجمود والزخم.

ورث علماء العصر الإسلامي الفيزياء الأرسطية من الإغريق وخلال العصر الذهبي الإسلامي طورتها أكثر، خاصة مع التركيز على الملاحظة والتفكير المسبق، وتطوير أشكال مبكرة من المنهج العلمي.

كانت أبرز الابتكارات في مجال البصريات والرؤية، والتي جاءت من أعمال العديد من العلماء مثل ابن سهل والكندي وابن الهيثم وكمال الدين الفارسي وابن سينا. كان العمل الأكثر بروزًا هو كتاب البصريات، الذي كتبه ابن الهيثم، والذي دحض فيه بشكل قاطع الفكرة اليونانية القديمة عن الرؤية، لكنه توصل أيضًا إلى نظرية جديدة. في الكتاب، قدم دراسة لظاهرة الكاميرا المظلمة (نسخة عمرها ألف سنة من الكاميرا ذات الثقب) وتعمق أكثر في الطريقة التي تعمل بها العين نفسها. باستخدام التشريح ومعرفة العلماء السابقين، تمكن من البدء في شرح كيف يدخل الضوء إلى العين. أكد أن أشعة الضوء مركّزة، لكن التفسير الفعلي لكيفية إضاءة الضوء المرتقب على الجزء الخلفي من العين كان ينتظر حتى عام 1604. وقد أوضحت أطروحته على ضوء الكاميرا المظلمة، قبل مئات السنين من التطور الحديث للتصوير الفوتوغرافي.

أثر كتاب البصريات المؤلف من سبعة مجلدات بشكل كبير على التفكير عبر تخصصات من نظرية الإدراك البصري إلى طبيعة المنظور في فن العصور الوسطى، في كل من الشرق والغرب، لأكثر من 600 عام. كان العديد من العلماء الأوروبيين في وقت لاحق وزملائه من الذين كانوا يمتلكون الموهبة الرياضية، من روبرت جروسيتيست وليوناردو دافنشي إلى رينيه ديكارت ويوهانز كيبلر وإسحاق نيوتن، في دَينهِ. في الواقع، فإن تأثير ابن الهيثم للبصريات يصنف إلى جانب تأثير نيوتن الذي يحمل نفس العنوان، والذي تم نشره بعد 700 عام.

كان لترجمة كتاب البصريات تأثير كبير على أوروبا. من ذلك، تمكن العلماء الأوروبيون لاحقًا من بناء أجهزة طورت بناء على الأجهزة التي أنشأها ابن الهيثم، وفهمت طريقة عمل الضوء. من هذا، تم تطوير أدوات مهمة مثل النظارات والعدسات المكبرة والتلسكوبات والكاميرات.

تاريخ الفيزياء الكلاسيكية

أصبحت الفيزياء علمًا منفصلاً عندما استخدم الأوروبيون الحديثون الأوائل الأساليب التجريبية والكمية لاكتشاف ما يُعتبر الآن قوانين الفيزياء.

تشمل التطورات الرئيسية في هذه الفترة الاستعاضة عن نموذج مركز الأرض للنظام الشمسي بنموذج كوبرنيكوس الشمسي، والقوانين التي تحكم حركة الهيئات الكوكبية التي حددها يوهانس كيبلر بين عامي 1609 و1619، والعمل الرائد في مجال التلسكوبات وعلم الفلك الرصدي بواسطة غاليليو غاليلي في القرنين السادس عشر والسابع عشر، واكتشاف إسحاق نيوتن وتوحيد قوانين الحركة والجاذبية العالمية التي ستحمل اسمه. طور نيوتن أيضا حساب التفاضل والتكامل، الدراسة الرياضية للتغيير، والتي قدمت أساليب رياضية جديدة لحل المسائل الفيزيائية.

نتج اكتشاف قوانين جديدة في الديناميكا الحرارية والكيمياء والكهرومغناطيسية عن جهود بحثية أكبر خلال الثورة الصناعية مع زيادة احتياجات الطاقة. تظل القوانين التي تضم الفيزياء الكلاسيكية مستخدمة على نطاق واسع جدًا للكائنات ذات المقاييس اليومية التي تنتقل بسرعات غير نسبية، نظرًا لأنها توفر تقريبًا وثيقًا للغاية في مثل هذه الحالات، كما أن النظريات مثل ميكانيكا الكم ونظرية النسبية تبسط إلى نظيراتها الكلاسيكية عند هذا الحد. ومع ذلك، أدت عدم الدقة في الميكانيكا الكلاسيكية للأجسام الصغيرة جدًا والسرعات العالية جدًا إلى تطور الفيزياء الحديثة في القرن العشرين.

تاريخ الفيزياء الحديثة

بدأت الفيزياء الحديثة في أوائل القرن العشرين بعمل ماكس بلانك في نظرية الكم ونظرية النسبية لألبرت أينشتاين. كل من هذه النظريات جاءت بسبب عدم الدقة في الميكانيكا الكلاسيكية في بعض الحالات. تنبأت الميكانيكا الكلاسيكية بسرعة متفاوتة من الضوء، والتي لا يمكن حلها بالسرعة الثابتة التي تتنبأ بها معادلات ماكسويل الكهرومغناطيسية؛ تم تصحيح هذا التناقض من خلال نظرية النسبية الخاصة لآينشتاين، والتي حلت محل الميكانيكا الكلاسيكية للأجسام سريعة الحركة والسماح لسرعة ثابتة من الضوء. قدمت إشعاعات الجسم الأسود مشكلة أخرى للفيزياء الكلاسيكية، والتي تم تصحيحها عندما اقترح بلانك أن إثارة مذبذبات المواد غير ممكن إلا في خطوات منفصلة تتناسب مع ترددها؛ هذا، إلى جانب التأثير الكهروضوئي ونظرية كاملة تتنبأ بمستويات الطاقة المنفصلة للمدارات الإلكترونية، أدى إلى نظرية ميكانيكا الكم التي تولت من الفيزياء الكلاسيكية بمقاييس صغيرة للغاية. سيأتي دور ميكانيكا الكم بواسطة فيرنر هايزنبرغ، إرفين شرودنغر وبول ديراك. من هذا العمل المبكر، والعمل في المجالات ذات الصلة، تم اشتقاق النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. بعد اكتشاف جسيم له خصائص تتوافق مع بوزون هيجز في سيرن في عام 2012، يبدو أن جميع الجزيئات الأساسية التي تنبأ بها النموذج القياسي، وليس غيرها، موجودة؛ ومع ذلك، فإن الفيزياء خارج النموذج القياسي، مع نظريات مثل التناظر الفائق، هي مجال نشط للبحث. مجالات الرياضيات بشكل عام مهمة في هذا المجال، مثل دراسة الاحتمالات والمجموعات.

فلسفة الفيزياء

مؤتمر سولفاي لعام 1927، مع علماء الفيزياء البارزين مثل ألبرت أينشتاين، فيرنر هايزنبرغ، ماكس بلانك، هندريك لورنتز، نيلز بور، ماري كوري، إرفين شرودنغر وبول ديراك.

المقالة الرئيسة: فلسفة الفيزياء

في نواح كثيرة، تنبع الفيزياء من الفلسفة اليونانية القديمة. من محاولة طاليس الأولى لتوصيف المادة، إلى ديموقريطوس، وعلم الفلك البطلمي الخاص بمركزية الأرض، وكتاب فيزياء أرسطو (كتاب مبكر عن الفيزياء، والذي حاول تحليل وتحديد الحركة من وجهة نظر فلسفية)، قدم العديد من الفلاسفة اليونانيين نظرياتهم الخاصة للطبيعة. عرفت الفيزياء بالفلسفة الطبيعية حتى أواخر القرن الثامن عشر.

بحلول القرن التاسع عشر، أصبحت الفيزياء تخصصًا متميزًا عن الفلسفة والعلوم الأخرى. تعتمد الفيزياء، كما هو الحال مع بقية العلوم، على فلسفة العلوم و«طريقتها العلمية» لتعزيز معرفتنا بالعالم المادي. توظف الطريقة العلمية المنطق المسبق وكذلك المنطق الخلفي واستخدام الاستدلال البايزي لقياس صحة نظرية ما.

لقد أجاب تطور الفيزياء عن العديد من أسئلة الفلاسفة الأوائل، ولكنه أثار أيضًا أسئلة جديدة. تتضمن دراسة المسائل الفلسفية المحيطة بالفيزياء، وفلسفة الفيزياء، قضايا مثل طبيعة المكان والزمان، والحتمية، والتوقعات الميتافيزيقية مثل التجريبية، والواقعية.

كتب العديد من علماء الفيزياء عن الآثار الفلسفية لعملهم، على سبيل المثال لابلاس، الذي دافع عن الحتمية السببية، وإرفين شرودنغر، الذي كتب عن ميكانيكا الكم. كان الفيزيائي الرياضي روجر بنروز قد أطلق عليه ستيفن هوكينج، وهو رأي يناقشه بينروز في كتابه «الطريق إلى الواقع». أشار هوكينج إلى نفسه على أنه «مختزل لا يخجل» وأثار مشكلة بينروز.

المجالات الأساسية

المجالات الأساسية في الفيزياء

بينما تعمل الفيزياء على تفسير القوانين الطبيعة بوجه عام تفسر كل نظرية منها مجالا محصورا. فمثلا نجد أن قوانين الميكانيكا الكلاسيكية تصف بدقة أنظمة يكون حجمها أكبر من الذرة وتكون السرعات فيها أقل بكثير عن سرعة الضوء. أما خارج تلك الحدود فنجد أن المشاهدة لا تتطابق مع الحسابات.

وساهم ألبرت أينشتاين بصياغته النسبية الخاصة عام 1905 التي تبين عدم وجود مكان مطلقا أو زمن مطلق وربطت بين الاثنين فيما يسمى الزمكان للأنظمة التي تكون السرعات فيها قريبة من سرعة الضوء (300.000 كيلومتر في الثانية). ثم جاءت أعمال ماكس بلانك وإرفين شرودنغر، وفرنر هايزنبرج وأدخلت ميكانيكا الكم، وهي تصف احتمالات تفاعلات الجسيمات تحت الذرية واستطاعت أن تعطي وصفا دقيقا للطبيعة للذرة وطبيعة الجسيمات الأولية.

وبعد ذلك وحدت نظرية الحقل الكمومي بين ميكانيكا الكم ونظرية النسبية الخاصة. وتصف نظرية النسبية العامة (عام 1915) الحركة في زمكان منحني وهي تصف بدقة الأنظمة الكبيرة الكتلة على مستوي النجوم والمجرات في الكون.

ولم ينجح حتى الآن ربط نظرية النسبية العامة مع النظريات الأخرى، ولكن العلماء يعملون على هذا الطريق أي ربط النسبية العامة (وهي نظرية الأنظمة الكبيرة جدا) مع نظرية الكم (وهي النظرية التي تصف الأنظمة الذرية وتحت الذرية) وتوجد حاليا عدة نظريات مقترحة للجاذبية الكمومية ولكن الأمر لم يفصل بعد.

الفيزياء الكلاسيكية

يبين هذا الشكل تحلل الضوء المار خلال المنشور.

تشمل الفيزياء الكلاسيكية الفروع والمواضيع التقليدية التي تم الاعتراف بها وتطويرها جيدًا قبل بداية القرن العشرين (الميكانيكا الكلاسيكية، الصوتيات، البصريات، الديناميكا الحرارية، والكهرومغناطيسية). تهتم الميكانيكا الكلاسيكية بالأجسام التي تعمل بواسطة القوى والأجسام المتحركة ويمكن تقسيمها إلى الإستاتيكا (دراسة القوى على الجسم أو الهيئات التي لا تخضع لتسارع)، الكينماتيكا (دراسة الحركة دون النظر إلى أسبابها)، والديناميكا (دراسة الحركة والقوى التي تؤثر عليه)؛ يمكن أيضًا تقسيم الميكانيكا إلى ميكانيكا صلبة وميكانيكا الموائع (المعروفة معًا باسم ميكانيكا الاستمرارية)، وتشمل هذه الأخيرة فروعًا مثل الهيدروستاتيكا، وهيدروديناميكا الماء، والديناميكا الهوائية، وعلم النيوماتيك. الصوتيات هي دراسة كيفية إنتاج الصوت والتحكم فيه ونقله واستقباله. تشمل الفروع الحديثة المهمة للصوتيات الموجات فوق الصوتية ودراسة الموجات الصوتية عالية التردد التي تتجاوز نطاق السمع البشري؛ الصوتيات الحيوية، فيزياء المكالمات والسمع الحيوانية، والصوتيات الكهربائية، والتلاعب بالموجات الصوتية المسموعة باستخدام الإلكترونيات. علم البصريات، والذي يختص بدراسة الضوء، لا يتعلق فقط بالضوء المرئي ولكن أيضًا بالأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية، والتي تظهر جميع ظواهر الضوء المرئي باستثناء الرؤية، على سبيل المثال، الانعكاس، الانكسار، التداخل، الحيود، التشتت، واستقطاب الضوء. الحرارة هي شكل من أشكال الطاقة، الطاقة الداخلية التي تمتلكها الجزيئات التي تتكون منها المادة؛ الديناميكا الحرارية تتعامل مع العلاقات بين الحرارة وغيرها من أشكال الطاقة. تمت دراسة الكهرباء والمغناطيسية كفرع واحد للفيزياء منذ اكتشاف العلاقة الوطيدة بينهما في أوائل القرن التاسع عشر؛ ينتج عن التيار الكهربائي مجال مغناطيسي، ويحدث المجال المغناطيسي المتغير تيارًا كهربائيًا. تتعامل الإلكتروستاتيات مع الشحنات الكهربية أثناء السكون، والديناميكا الكهربائية ذات الشحنات المتحركة، والكهرباء المغناطيسية مع الأقطاب المغناطيسية الباقي.

الميكانيكا الكلاسيكية

صورة لبندول نيوتن وهو نظام يوضح مفهوما أساسيا في الميكانيكا الكلاسيكية يتمثل في مبدئ حفظ زخم الحركة والطاقة.

تصف الميكانيكا الكلاسيكية القوى التي تؤثر على حالة الأجسام المادية وحركتها. وغالبا ما يشار إليها باسم «المِيكانيكا النيُوتُنية» نسبة إلى إسحاق نيوتن وقوانينه في الحركة. تتفرع الميكانيكا الكلاسيكية إلى؛ علم السكون أو «الإستاتيكا» وهو يصف الأجسام ساكنة وشروط توازنها، وعلم الحركة أو «الكينماتيكا» وهو يهتم بوصف حركة الأجسام دون النظر إلى مسبباتها، وعلم التحريك أو «الديناميكا» الذي يدرس حركة الأجسام وماهية القوى المسببة لها. تقوم الميكانيكا الكلاسيكية بشكل أولي على افتراض أن الجسم المادي المراد دراسته يكون صلبًا وفي شكل نقطة (أي أن الأبعاد بين النقاط المكونة للجسم لا تتغير مع الزمن). وتتولى على صعيد آخر، الميكانيكا الاستمرارية وصف المادة المتصلة والمستمرة مثل الأجسام الصلبة والسائلة والغازية، وهي تنقسم بدورها إلى قسمين؛ ميكانيكا المواد الصلبة وميكانيكا الموائع. وتدرس ميكانيكا المواد الصلبة سلوك هذه الأجسام أمام عوامل عديدة مثل الضغط وتغير درجة الحرارة والتذبذب، وغيرها. فيما تدرس ميكانيكا الموائع فيزيائية السوائل والغازات، وهي تتناول مواضيع كثيرة منها توازن السوائل في الهيدروستاتيكا، وتدفقها في الهيدروديناميكا، وحركة الغازات وانتشارها إلى جانب تأثيرها على السطوح والأجسام المتحركة في الديناميكا الهوائية.

أحد المفاهيم الهامة في الميكانيكا الكلاسيكية هي مبادئ حفظ زخم الحركة والطاقة، وقد دفع هذا الأمر إلى إعادة الصياغة الرياضية لقوانين نيوتن للحركة في ميكانيكا لاجرانج وميكانيكا هاملتون باعتماد هذه المبدئ. وتقف الصياغتان الميكانيكية في وصف سلوك الأجسام على نفس المقدار من الدقة، ولكن بطريقة مستقلة عن منظومة القوى المسلطة عليها والتي تكون بعض الأحيان غير عملية في تشكيل معادلات الحركة.

تعطينا الميكانيكا الكلاسيكية نتائج وتنبوات رقمية ذات دقة عالية، تتماشى مع المشاهدة، وذلك بنسبة لأنظمة ذات أبعاد عادية وضمن مجال سرعات تقل بكثير عن سرعة الضوء. أما عندما تكون الأجسام موضع الدراسة جسيمات أولية أو أن سرعتها عالية، تكاد تقارب من سرعة الضوء، فهنا تحل محل الميكانيكا الكلاسيكية تباعا الميكانيكا الكمومية والميكانيكا النسبية. ومع ذلك تجد الميكانيكا الكلاسيكية مجالا لتطبيقها في وصف سلوك أنظمة دقيقة، فعلى سبيل المثال في النظرية الحركية للغازات وضغط الغاز تسري القوانين التي تحكم حركة أجسام ذات حجم العادي على الجزيئات المكونة للغازات وهو ما يُمَكن من استنتاج خصائص عيانية مثل درجة الحرارة والضغط والحجم. وفي أنظمة عالية التعقيد يمكن فيها لتغييرات طفيفة أن تنتج آثارًا كبيرة (مثل الغلاف الجوي أو مسألة الأجسام الثلاثة) تصير قدرة معادلات الميكانيكا الكلاسيكية على التنبئ محدودة. وتختص بدراسة هذه الأنظمة، التي توصف بأنها لاخطية، نظرية الشواش.

أوجدت قوانين الميكانيكا الكلاسيكية نظرة موحدة وشاملة لظواهر طبيعية قد تبدو ظاهريًا غير متصلة، مثل وقوع تفاحة من غصن شجرة أو دوران القمر حول الأرض. فعلى سبيل المثال؛ قوانين كيبلر لحركة الكواكب، أو السرعة التي يجب أن يبلغها صاروخ للتحرر من حقل الجاذبية الأرضية (سرعة الإفلات)، يمكن استنتاجهما رياضيًا من قانون نيوتن العام للجاذبية. وقد ساهمت هذه الفكرة ومفادها أن التوصل لقوانين كليّة يمكنها وصف الظواهر الكونية على اختلافها أمر ممكن، إلى بروز الميكانيكا الكلاسيكية كعنصر هام في الثورة العلمية وذلك خلال القرنين السابع والثامن عشر.

قوانين نيوتن في الحركة

تعد قوانين نيوتن في الحركة أحد أهم قوانين وأساس الميكانيكا الكلاسيكية، وهي عبارة عن ثلاثة قوانين وتربط هذه القوانين القوى المؤثرة على الجسم وحركته. وضعها إسحاق نيوتن ليصف حركة الأجسام والعديد من الظواهر الفيزيائية. يصف قانون نيوتن الأول على أنه إذا كانت القوة المحصلة (المجموع الاتجاهي للقوى المؤثرة على الجسم) تساوي صفر، فإن سرعة الجسم تكون ثابتة. تعتبر السرعة كمية متجهة حيث يتم التعبير عنها مقدارا وهي سرعة الجسم واتجاها وهو اتجاه حركة الجسم. عندما نقول أن سرعة الجسم ثابتة فإننا نعني أن كلا من المقدار والاتجاه ثابتين. ويمكن وصفه رياضيا:

الكهرومغناطيسية

تدرس الكهرومغناطيسية التأثيرات التي تتم بين الجسيمات المشحونة وبين المجالات الكهربائية والمجالات المغناطيسية. ويمكن تقسيم الكهرومفناطيسية إلى؛ كهرباء ساكنة أو «إلكتروستاتيكا» وهي تدرس الشحنات والمجالات الكهربائية الساكنة، و«إلكتروديناميكا» وهو يصف التفاعل بين الشحنات المتحركة والإشعاع الكهرومغناطيسي. ومع أن المعرفة بالكهرباء والمغناطيسية تطورت منذ القدم بشكل منفصل، فقد توصلت النظرية الكلاسيكية للكهرومغناطيسية، خلال القرنين الثامن والتاسع عشر، إلى تحديد العلاقة بين الظاهرتين من خلال قانون لورنتز ومعادلات ماكسويل. فقد تمكن ماكسويل من خلال اشتقاقه لأربعة معادلات تفاضلية من وصف الموجات الكهرومغناطيسية وفهم الطبيعة الموجية للضوء.

تهتم الكهرباء الساكنة بدراسة الظواهر المرتبطة بالأجسام المشحونة في حالة السكون، والقوى التي توجهها على بعضها البعض كما يصفها قانون كولوم. ويمكن تحليل سلوك هذه الأجسام من تجاذب أو تنافر من خلال معرفة القطبية والمجال الكهربائي المحيط بها، حيث يكون متناسباً مع مقدار الشحنة والأبعاد التي تفصلها. للكهرباء الساكنة عدة تطبيقات، بدءاً من تحليل الظواهر الكهرومغناطيسية مثل العواصف الرعدية إلى المكثفات التي تستعمل الهندسة الكهربائية.

وعندما تتحرك الأجسام المشحونة كهربيًا في مجال كهرومغناطيسي فإنها تنتج مجالاً مغناطيسياً يحيط بها فتختص الديناميكا الكهربائية بوصف الأثار التي تنتج عن ذلك من مغناطيسية وإشعاع كهرومغناطيسي وحث كهرومغناطيسي. وتنطوي هذه المواضيع ضمن ما يعرف بالديناميكا الكهربائية الكلاسيكية، حيث تشرح معادلات ماكسويل هذه الظواهر بطريقة جيدة وعامة، وتؤدي هذه النظريات إلى تطبيقات مهمة ومنها المولدات الكهربائية والمحركات الكهربائية. وفي العشرينيات من القرن العشرين، ظهرت نظرية الديناميكا الكهربائية الكمومية وهي تتضمن قوانين ميكانيكا الكم، وتصف التفاعل بين الإشعاع الكهرومغناطيسي والمادة عن طريق تبادل الفوتونات. وهناك صياغة نسبية تقدم تصحيحات لحساب حركة الأجسام التي تسير بسرعات تقارب سرعة الضوء، والتي تظهر بشكل مباشر في معجلات الجسيمات والأنابيب الكهربائية التي تحمل فروق جهد وتيارات كهربائية عالية.

تعتبر القوى والظواهر الناجمة عن الكهرومغناطيسية من أكثر الأمور المحسوسة في حياتنا اليومية بعد تلك التي تسببها الجاذبية. فعلى سبيل المثال، الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية مرئية تشع من جسيمات مَشحونة ومُعَجلة، وتجد مبادئ الكهرومغناطيسية إلى يومنا هذا العديد من التطبيقات التقنية والطبية، وما الأجهزة الكهربائية مثل الراديو، والمرناة، والهاتف، والقطارات المغناطيسية المعلقة، والألياف البصرية، وأجهزة الليزر إلا بضع أمثلة عن هذه التطبيقات التي صنعت تقدمًا نوعيًا في تاريخ البشرية.

الديناميكا الحرارية والميكانيكا الإحصائية

نظام التحريك الحراري المثالي -تنتقل الحرارة من ساخنة (غلاية) إلى باردة (مكثّف)- وينتج عنها شغل.

تختص الديناميكا الحرارية أو «الثرموديناميك» بدراسة انتقال الطاقة وتحولها في النّظم الفيزيائية، والعلاقة بين الحرارة والشغل والضغط والحجم. تقدم الديناميكا الحرارية الكلاسيكية وصفا عيانيا لهذه الظواهر دون الخوض في التفاصيل مجهرية الكامنة ورائها. فيما تخوض الميكانيكا الإحصائية في تحليل السلوك المعقد للمكونات المجهرية (ذرات، جزيئات) وتستنج منها كَمِيًا الخصائص العيانية للنظام وذلك بواسطة طرق إحصائية. وضعت أسس الديناميكا الحرارية خلال القرنين الثامن والتاسع عشر، وذلك نتيجة للحاجة الملحة في زيادة كفاءة المحركات البخارية.

يتأسس فهم ديناميكية الطاقة والمتغيرات في نظام معين على أربعة مبادئ أساسية تسمى قوانين الديناميكا الحرارية. وتعمل معادلات الحالة على تحديد العلاقة بين نوعين من متغيرات العيانية التي تعرف حالة الأنظمة؛ متغيرات الامتداد مثل الكتلة والحجم والحرارة، ومتغيرات الشدّة مثل الكثافة ودرجة الحرارة والضغط والكمون الكيميائي. ويمكن من خلال قياس هذه المتغيرات التعرف إلى حالة التوازن أو التحول التلقائي في النظام.

ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على مبدئ حفظ الطاقة، وذلك بأن التغير في الطاقة الداخلية لنظام مغلق وساكن، يساوي كمية الطاقة المتبادلة مع الوسط الخارجي على شكل حرارة أو عمل. فيما ينص القانون الثاني على أن الحرارة لا يمكنها المرور بطريقة تلقائية من جسم ذي درجة حرارة منخفضة إلى آخر ذي درجة حرارة مرتفعة بدون الإتيان بشغل. وذلك يعني أنه من غير الممكن الحصول على شغل دون أن تفقد منه كمية على شكل الحرارة. وتوصل لهذين القانونين الفيزيائي الفرنسي سادي كارنو في بداية القرن التاسع عشر. وفي سنة 1865، أدخل الفيزيائي الألماني رودلف کلاوزیوس دالة الاعتلاج، ومن خلالها يصاغ القانون الثاني على أن «التحول التلقائي في نظام معين لا يمكن أن يتحقق بدون أن ترتفع هذه القيمة فيه وفيما حوله». يُعبر الاعتلاج، من وجهة نظر عيانية، على عدم إمكانية تسخير كل الطاقة في نظام ما للقيام بعمل ميكانيكي. وتصفها الميكانيكا الإحصائية على أنها قياس لحالة الفوضى للمكونات المجهرية للنظام من ذرات وجزيئات.

تتكتسي الديناميكا الحرارية أهمية كبرى في العديد من المجالات؛ في الكيمياء والهندسة الكيميائية وعلم الأحياء وإنتاج الطاقة والتبريد. فعلى سبيل المثال، يمكن للديناميكا الحرارية تفسير الأسباب التي تجعل بعض التفاعلات الكيميائية تتم من تلقاء نفسها، فيما لا يمكن ذلك للبعض الآخر.

الفيزياء الحديثة

تهتم الفيزياء الكلاسيكية عمومًا بالمادة والطاقة على النطاق الطبيعي للمراقبة، بينما تهتم الكثير من أفرع الفيزياء الحديثة بسلوك المادة والطاقة في ظل الظروف القاسية أو على نطاق كبير جدًا أو صغير جدًا. على سبيل المثال، دراسات الفيزياء الذرية والنووية تهم على نطاق صغير يمكن من خلاله تحديد العناصر الكيميائية. فيزياء الجسيمات الأولية تكون على نطاق أصغر لأنها تهتم بأبسط وحدات المادة؛ يُعرف هذا الفرع من الفيزياء أيضًا باسم فيزياء الطاقة العالية بسبب الطاقات العالية للغاية اللازمة لإنتاج العديد من أنواع الجزيئات في مسرعات الجسيمات. على هذا المقياس، لم تعد المفاهيم العادية المنطقية للفضاء والوقت والمادة والطاقة صالحة.

تقدم نظريتان رئيسيتان للفيزياء الحديثة صورة مختلفة عن مفاهيم الفضاء والوقت والمادة عن تلك التي تقدمها الفيزياء الكلاسيكية. تقارب الميكانيكا الكلاسيكية الطبيعة باعتبارها مستمرة، في حين تهتم نظرية الكم بالطبيعة المنفصلة للعديد من الظواهر على المستوى الذري ودون الذري ومع الجوانب التكميلية للجزيئات والأمواج في وصف هذه الظواهر. تهتم نظرية النسبية بوصف الظواهر التي تحدث في إطار مرجعي يتحرك بالنسبة للمراقب؛ تتعلق نظرية النسبية الخاصة بالحركة في غياب حقول الجاذبية ونظرية النسبية العامة بالحركة وعلاقتها بالجاذبية. كلا نظرية الكم ونظرية النسبية تجد تطبيقات في جميع مجالات الفيزياء الحديثة.

النسبية

أحد أدق الاختبارات التي أجريت على نظرية النسبية العامة كانت من قبل المسبار الفضائي كاسيني-هايجنس، في 10 أكتوبر 2003: شعاع الراديو (باللون الأخضر) الذي أرسل من الأرض نحو المسبار وقع تأخيره، تحت تأثير الإنحناء الذي أحدثته جاذبية الشّمس في بنية الزمكان (باللون الأزرق)، وذلك بالمعدل الذي تنبأت به النظرية.

نظرية النسبية هي بنية رياضية أكثر عمومية من تلك التي تأسست عليها الميكانيكا الكلاسيكية، وتصف حركة الأجسام بسرعات تقارب سرعة الضوء، أو أنظمة ذات كُتلٍ هائلة، وتشتمل على شقين هما نظرية النسبية الخاصة ونظرية النسبية العامة.

اقترح نظرية النسبية الخاصة الفيزيائي الألماني ألبرت أينشتاين، سنة 1905، في ورقة بحثية شهيرة بعنوان «حول الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة» بناء على المساهمات الهامة لهندريك لورنتس وهنري بوانكاريه. ويتطرق هذا المقال إلى أن نظرية النسبية الخاصة تجد حلا لعدم الاتساق بين معادلات ماكسويل والميكانيكا الكلاسيكية. وتقوم النظرية على مسلمتين هما؛ أن القوانين الفيزيائية لا تتغير بتغير الإطار المرجعي العطالي للنظم،(5) وأن سرعة الضوء في الفراغ هي مقدار ثابت وغير متصل بحركة مصدر الضوء أو بالمشاهد. الدمج بين هاتين المسلمتين يقود إلى افتراض علاقة بين أمرين منفصلين في الميكانيكا الكلاسيكية، وهما المكان والزمان ويجمع بينهما في بنية تسمى الزمكان.

إحدى التداعيات الهامة للنسبية الخاصة، والتي تبدو مخالفة للبديهة وإن كانت أثبتتها عدة تجارب، هي انعدام مكان أو زمان مطلق، أي منفصل عن الإطار المرجعي للمشاهد (ومن هنا يأتي مصطلح النسبية). وهذا يعني أن الكتلة والأبعاد والزمن تتغير بتغير سرعة الجسم، وذلك ملائمةً لثبات سرعة الضوء. قد تكون هذه الظواهر غير محسوسة بمجال السرعات في حياتنا اليومية وتبقى بذلك قوانين نيوتن سارية، ولكنها تصير ذات تأثير لا يستهان به عندما ترتفع السرعة وتقارب سرعة الضوء.

ومن أهم النتائج الأخرى مبدئ التكافئ بين المادة والطاقة، وهو أمر تعبر عنه بشكل بليغ أحد أشهر المعادلات الفيزيائية:

E = m c 2

حيث E هي الطاقة، و m هي الكتلة، و c هي سرعة الضوء في الفراغ (2 فوق سرعة الضوء تعني أن الطاقة تتناسب طرديًا مع مربع هذه السرعة). بعبارة أخرى تُنبئنا هذه الصيغة الرياضية أن لكل جسم ذي كتلةٍ طاقةٌ مرتبطة به، والعكس بالعكس.

النسبية العامة هي نظرية ذات طابع هندسي، توصل إليها ألبرت أينشتاين بشكل منفرد ونشرها في 15\1916، وذلك بأنه قام بتوحيد النسبية الخاصة وقانون نيوتن العام للجاذبية. تنص هذه النظرية على أن الجاذبية يمكن وصفها على أنها انحناء في بنية الزمكان تسببه الكتلة أو الطاقة. على الصعيد الرياضي، تتميز النسبية العامة عن غيرها من النظريات الحديثة التي تصف الجاذبية بأنها تستعمل معادلات أينشتاين للمجال لوصف محتوى الزمكان من مادة أو طاقة وأثر ذلك على انحنائه. وتعتمد في ذلك بشكل أساسي على موتر الإجهاد-الطاقة،(6) وهو كائن هندسي يصف عبر مكوناته عدة كميات فيزيائية مثل الكثافة، والتدفق، والطاقة، والزخم، والزمكان. ويمكن القول بطريقة مبسطة، أن موتر الإجهاد-الطاقة هو سبب وجود مجال تثاقلي في زمكان معين وذلك بشكل أعم من ما تفعله الكتلة وحدها في قانون نيوتن الكلاسيكي للجاذبية.

من أول المشاهدات التي أكدت على صحة نظرية النسبية العامة، هو تمكنها من احتساب أوج بدارية كوكب عطارد الشاذة، بدقة فشلت في تحقيقها المكانيكا الكلاسيكية. وفي سنة 1919، قام الفلكي الإنجليزي آرثر ستانلي إيدينجتون بمشاهدة انزياح ضوء النجوم القريبة من قرص الشمس خلال الكسوف، ليأكد تنبؤ النسبية العامة بانحناء الضوء تحت تأثير مجال تثاقلي تحدثه أجسام فائقة الكتلة. وفي وقت لاحق بدأت تتراءى العديد من التداعيات لهذه النظرية في علم الكون والتي أكدت بعضها المشاهدات، ولكنها لا تزال موضع جدال، ومنها تنبؤ حلول معادلات أينشتاين بالانفجار العظيم، وتوسع الكون، وطاقة الفراغ، والثقوب السوداء.

ميكانيكا الكم

تتعامل الميكانيكا الكمومية مع نظم ذات أحجام ذرية أو تحت الذرية؛ مثل الجزيئات والذرات والإلكترونات والبروتونات وغيرها من الجسيمات الأولية. وقد أدت بعض الصعوبات التي واجهت الميكانيكا الكلاسيكية في أواخر القرن التاسع عشر، مثل إشكالية إشعاع الجسم الأسود واستقرار الإلكترونات على مداراتها، إلى التفكير بأن جميع أشكال الطاقة تتنقل على شكل حزم متقطعة غير قابلة للتجزئة، وتسمى كُمُومَات أو «كوانتوم». وقد قام بتشكيل هذا المفهوم، الفيزيائي الألماني ماكس بلانك سنة 1900، وقدم من خلاله ألبرت أينشتاين تفسيرًا للتأثير الكهروضوئي والذي يتبين من خلاله بأن الموجات الكهرومغناطيسية تتصرف في بعض الأحيان بطريقة تشبه تصرف الجسيمات.

وضعت مبادئ الميكانيكا الكمومية خلال العشرينات من القرن الماضي، من قبل مجموعة متميزة من الفيزيائيين. في سنة 1924، توصل لويس دي بروليه إلى إدراك أن الأجسام أيضا يمكنها أن تتصرف على أنها موجات، وهو ما يعبر عنه بمثنوية الموجة والجسيم. وقدمت على خلفية ذلك صياغتان رياضيتان مختلفتان وهما؛ الميكانيكا الموجية التي وضعها إرفين شرودنغر وهي تنطوي على استخدام كائن رياضي يسمى دالة الموجة، يصف احتمال وجود جسيم في بقعة ما من الفضاء وميكانيكا المصفوفات التي أنشأها فيرنر هايزنبرغ وماكس بورن، وهي تصف الجسيمات على أنها مصفوفات تتغير مع الزمن. ومع أن هذه الأخيرة لا تشير إلى دالة موجة أو مفاهيم مماثلة، إلا أنها تتوافق مع معادلة شرودنغر ومع الملاحظات التجريبية. وقد شكل مبدأ عدم اليقين الذي صاغه هايزنبرغ في سنة 1927 أحد أهم مبادئ الميكانيكا الكمومية، وهو ينص على محدودية قدرتنا في قياس خاصيتين معينتين لجسيم ما في نفس الوقت وبدرجة عالية من الدّقة. ويضع هذا حدًا لمبدأ الحتمية المطلقة الذي يشير إلى إمكانية التنبؤ بشكل دقيق بحالة نظام انطلاقا من حالته السابقة، حيث أن الظواهر الكمومية لا يمكن تفسيرها إلا بطريقة احتمالية. وقد أدى هذا الأمر إلى جدال علمي كبير دار بين أعظم فيزيائيي القرن العشرين، بما فيهم ألبرت أينشتاين الذي عارض هذا التفسير الاحتمالي بالرغم من إسهاماته الهامة في تأسيس الميكانيكا الكمومية.(7)

معادلة شرودنغر والتي هي عبارة عن معادلة تفاضلية جزئية تصف كيفية تغير الحالة الكمية لنظام فيزيائي مع الزمن، وقد صاغها عالم الفيزياء النمساوي إرفين شرودنغر في أواخر عام 1925 ونشرها عام 1926. تصف هذه المعادلة حالات النظم الكمومية المعتمدة على الزمن.

وفي سنة 1928، قام الفيزيائي البريطاني بول ديراك بوضع الميكانيكا الكمومية بصيغتيها الموجية والخطية (المصفوفات) ضمن صياغة أشمل في إطار نظرية النسبية الخاصة. وقد تنبأت صياغته بوجود الجسيمات المضادة. وتم تأكيد هذا الأمر تجريبيا سنة 1932، باكتشاف مضاد الإلكترون أو البوزيترون.

لاقت للميكانيكا الكمومية نجاحًا كبيرًا في تفسير العديد من الظواهر مثل الليزر وشبه الموصلات، وقد نجمت عنها تطبيقات تقنية مهمة، على غرار الصمام الثنائي والترانزستور، التي تعتبر حجر الأساس في الإكترونيات الحديثة. وفي الكيمياء، يعتمد جزء كبير من فهم ديناميكا وبنية الجزيئات، والطريقة التي تتفاعل بها، وتكوين الروابط الكيميائية على دالة الموجة. كما تعتمد الكيمياء الحاسوبية على النظريات الكمومية في أدائها الرياضاتي، لتحليل ومحاكات نتائج التجارب الكيميائية. أما في علم الأحياء، فقد تمكنت الميكانيكا الكمومية من تفسير الآلية التي يحدث بها تحويل الطاقة خلال التمثيل الضوئي في النباتات وبعض صنوف البكتيريا، وكذلك عملية الإبصار لدى الحيوانات. ويعمل الباحثون في الوقت الحاضر على العديد من التطبيقات الأخرى المستقبلية في المعلوماتية، مثل الترميز الكمومي والحاسوب الكمومي.

العلاقة مع المجالات الأخرى

الفرق بين الرياضيات والفيزياء واضح تمامًا، لكنه ليس واضحًا دائمًا، خاصة في الفيزياء الرياضية.

الحقول الأساسية

توفر الرياضيات لغة مدمجة ودقيقة تستخدم لوصف الترتيب في الطبيعة. لوحظ هذا ودافع عنه فيثاغورس، أفلاطون،(8) غاليليو،(9) ونيوتن.

تستخدم الفيزياء الرياضيات لتنظيم وصياغة النتائج التجريبية. من هذه النتائج، يتم الحصول على حلول دقيقة أو مقدرة، لنتائج كمية يمكن من خلالها التنبؤات الجديدة وتأكيدها أو إنكارها تجريبياً. النتائج من تجارب الفيزياء هي بيانات رقمية، مع وحدات القياس وتقديرات الأخطاء في القياسات. جعلت التقنيات القائمة على الرياضيات، مثل الحوسبة، الفيزياء الحاسوبية مجالًا نشطًا للبحث.

علم الوجود هو شرط أساسي للفيزياء، ولكن ليس للرياضيات. وهذا يعني أن الفيزياء تهتم في النهاية بتوصيفات العالم الواقعي، بينما تهتم الرياضيات بأنماط مجردة، حتى خارج العالم الحقيقي. وهكذا تكون البيانات الفيزيائية تركيبية، بينما تكون البيانات الرياضية تحليلية. تحتوي الرياضيات على فرضيات، بينما تحتوي الفيزياء على نظريات. يجب أن تكون عبارات الرياضيات صحيحة منطقيا فقط، في حين أن تنبؤات بيانات الفيزياء يجب أن تتطابق مع البيانات الملاحظة والتجريبية.

التمييز واضح، لكن ليس دائمًا واضح. على سبيل المثال، الفيزياء الرياضية هي تطبيق الرياضيات في الفيزياء. طرقها رياضية، ولكن موضوعها مادي.(10) تبدأ المشكلات في هذا الحقل ب«نموذج رياضي للحالة المادية» (نظام) و«وصف رياضي لقانون مادي» سيتم تطبيقه على هذا النظام. كل عبارة رياضية تستخدم للحل لها معنى مادي يصعب العثور عليه. الحل الرياضي النهائي له معنى يسهل العثور عليه، لأنه ما يبحث عنه المحلل.

الفيزياء هي فرع من العلوم الأساسية، وليس العلوم التطبيقية. تسمى الفيزياء أيضًا «العلم الأساسي» لأن موضوع دراسة جميع فروع العلوم الطبيعية مثل الكيمياء وعلم الفلك والجيولوجيا والبيولوجيا مقيدة بقوانين الفيزياء، على غرار كيفية تسمية الكيمياء في كثير من الأحيان بالعلم المركزي بسبب دورها في ربط العلوم الفيزيائية. على سبيل المثال، تدرس الكيمياء خواص المادة وهياكلها وردود أفعالها (تركيز الكيمياء على المقياس الذري يميزها عن الفيزياء). تتشكل الهياكل لأن الجزيئات تمارس قوى كهربائية على بعضها البعض، وتشمل الخصائص الفيزيائية لمواد معينة، وتكون التفاعلات ملزمة بقوانين الفيزياء، مثل الحفاظ على الطاقة والكتلة والشحنة.

التطبيق والتأثير

تعتبر الفيزياء التطبيقية مصطلحًا عامًا لأبحاث الفيزياء وهو مخصص لاستخدام معين. يحتوي منهج الفيزياء التطبيقية عادةً على عدد قليل من الفصول في تخصص تطبيقي، مثل الجيولوجيا أو الهندسة الكهربائية. عادة ما يختلف عن الهندسة في أن الفيزيائي التطبيقي قد لا يصمم شيئًا خاصًا، بل يستخدم الفيزياء أو إجراء أبحاث الفيزياء بهدف تطوير تكنولوجيات جديدة أو حل مشكلة.

النهج مماثل لنهج الرياضيات التطبيقية. يستخدم علماء الفيزياء التطبيقية الفيزياء في البحث العلمي. على سبيل المثال، قد يسعى الأشخاص الذين يعملون في فيزياء المسرعات إلى بناء أجهزة الكشف عن الجسيمات بشكل أفضل للبحث في الفيزياء النظرية.

تستخدم الفيزياء بكثافة في الهندسة. على سبيل المثال، يتم استخدام علم السكون، وهو حقل فرعي من الميكانيكا، في بناء الجسور والهياكل الثابتة الأخرى. يؤدي فهم الصوتيات واستخدامها إلى التحكم في الصوت وقاعات الحفلات الموسيقية بشكل أفضل؛ وبالمثل، فإن استخدام البصريات يخلق أجهزة بصرية أفضل. إن فهم الفيزياء يجعل أجهزة محاكاة الطيران أكثر واقعية وألعاب الفيديو والأفلام، وغالبًا ما يكون حاسمًا في التحقيقات الجنائية.

مع الإجماع القياسي على أن قوانين الفيزياء عالمية ولا تتغير مع مرور الوقت، يمكن استخدام الفيزياء لدراسة الأشياء التي عادة ما تكون غارقة في عدم اليقين. على سبيل المثال، في دراسة أصل الأرض، يمكن للمرء أن يصور بشكل معقول كتلة الأرض ودرجة الحرارة ومعدل الدوران، كدالة من الزمن تسمح للشخص باستقراء للأمام أو للخلف في الوقت المناسب وبالتالي توقع الأحداث المستقبلية أو السابقة. كما يسمح بإجراء عمليات محاكاة في الهندسة والتي تسرع بشكل كبير من تطوير تقنية جديدة.

علم الكيمياء:

عِلْمُ الكِيِمْيَاءِ هو العلم الذي يدرس المادة والتغيُّرات التي تطرأ عليها، تحديدًا بدراسة خواصها، بنيتها، تركيبها، سلوكها، تفاعلاتها وما تحدثه من خلالها. ويدرس علم الكيمياء الذرات والروابط التي تحدث بينها مكونةً الجزيئات، وكيف تترابط هذه الجزيئات فيما بعدها لتُكوّن المادة. ويدرس أيضًا التفاعلات التي تحدث بينها. وللكيمياء أهمية كبيرة في حياتنا، وتدخل في مجالات كثيرة وتلعب دورًا مهمًا في الصناعات بمختلف أنواعها، كالصِّناعات الغذائية، صناعة المواد التنظيفية، الدهانات، الأصبغة، صناعة الأدوية والعقاقير، النسيج والملابس والأسلحة وغيرها. ولها تطبيقات أخرى في الطب والعلوم الأخرى. ويطلق على الكيمياء تسمية «العِلْمُ المَرْكَزِي»، وذلك لدورهِ الجوهري في ربط العلوم الطبيعية ببعضها.

وعلم الكيمياء هو أحد العلوم الطبيعية، والتي تشمل كلًّا من الفيزياء وعلوم الأرض وعلم الفلك وعلم الأحياء. ويُعدُّ تاريخ صناعة الكيمياء ذا أثرًا بالغًا في مجال الكيمياء بشكل عام. تدرس الفيزياء المادة أيضًا، ولكنها تدرس كميَّات الفضاء، والمادة، والقوانين التي تحكمها، والكيمياء فرع من العلوم الفيزيائية ولكنّها لا تتفرع عن الفيزياء.

يُعدُّ جابر بن حيان الملقّب بـ «أبي الكيمياء»، المؤسّس الحقيقي لمفهوم علم الكيمياء، المبني على مفهوم التجريبية، إذ يقول: «إن واجب المشتغل في الكيمياء هو العمل وإجراء التجربة، وإن المعرفة لا تحصل إلاَّ بها». حتى أن العرب سمَّوا الكيمياء عامةً بـ «صَنْعَة جَابِر». وكلمة كيمياء ذات أصلٍ عربي، وتشتق الكلمة من المصدر كمي بمعنى أستر وأخفى، ووجهة ذلك تعتمد على الكتمان وتحريم إذاعتها وإفضاء أسرارها لغير أهلها لكون هدفها تحويل المعادن البخسة إلى ذهب وفضة. تنقسم الكيمياء إلى فروع عدة تتفرّع منها أقسام أخرى، أهمها: الكيمياء العامة والتي تدرس المبادئ الأساسية في الكيمياء، والكيمياء العضوية وتهتم بدراسة المواد العضوية، أي التي تحتوي على عنصر الكربون، والكيمياء غير العضوية والكيمياء الفيزيائية والكيمياء الحيوية والكيمياء التحليلية.

أصل التسمية

أصح وأرجح الأقوال بأن أصل كلمة «كيمياء» من اللغة العربية؛ وذلك لأن صناعة الكيمياء في العصور الوسطى كانت تعتمد على الكتمان وتحريم إذاعتها وإفضاء أسرارها لغير أهلها لكون هدفها تحويل المعادن البخسة إلى ذهب وفضة، واكتشاف الإكسير الذي يعيد الصحة والشباب إلى الإنسان، بالإضافة إلى ذلك فقد كانت الكيمياء من المعارف المغلفة بالغموض والكتمان، فقد أورد حاجي خليفة صيغة وصية كيميائي لتلميذه يحذره فيها بكتمان سر هذه الصنعة وعدم إذاعتها، لأن في إذاعتها خرابًا للعالم، ويذكر هذا المعنى جابر بن حيان مرارًا في رسائله وكتبه، ولهذا نجد أن ابن خلدون يهاجم أهل هذه الصنعة وكتاباتهم المليئة بالألغاز والطلاسم التي يتعذر فهمها. وقد ذكر محمد بن أحمد في مفاتيح العلوم في القرن الرابع للهجرة، أن كلمة كيمياء مشتقة من المصدر كمى ومعناها خفى وأستر، وكَمى الشيءَ وتَكَمَّاه: سَتَرَه؛ وقد تَأَوَّل بعضهم قوله: بَلْ لو شَهِدْتَ الناسَ إِذْ تُكُمُّوا إِنه من تَكَمَّيت الشيء. وكَمَى الشهادة يَكْمِيها كَمْيًا وأَكْماها: كَتَمَها وقَمَعَها؛ قال كثيِّر: وإِني لأَكْمِي الناسَ ما أَنا مُضْمِرٌ، مخَافَةَ أَن يَثْرَى بِذلك كاشِحُ يَثْرى: يَفْرَح. وانْــكَمَى أَي اسْتَخْفي. وتَكَمَّتْهم الفتنُ إِذا غَشِيَتْهم. وتَــكَمَّى قِرْنَه: قَصَده، وقيل: كلُّ مَقْصود مُعْتَمَد مُتَــكَمّىً. وتَــكَمَّى: تَغَطَّى. وتَــكَمَّى في سِلاحه: تَغَطَّى به. وسمي العلم كيمياءً لأن هذا العلم كان متداولًا بين طائفة من الناس دون غيرها، بسبب الاعتقاد الذي سيطر على عقول الناس طيلة العصور الوسطى، وهو إمكانية تحويل المعادن البخسة إلى ذهب وفضة، وتحضير إكسير الحياة، ذلك السائل السحري الذي يعيد الصحة والشباب للإنسان، ومن ثم فقد حرص الكيميائيون القدامى على كتمان سر صنعتهم، وكتب بعض الكيميائيين العرب المتأخرين نسبيًا لا سيما بعد القرن السادس هجري معلومات في الكيمياء وتحويل المعادن إلى ذهب وفضة برموز وألغاز وتعمدوا الغموض والإرباك. والكيمياء في اللغة الحِيلَة والحِذْق، وكان يراد بها عنْد القدماءِ: تحويل المعادن الخسيسة إِلى أخرى أسمى وأعلى قيمة. وهناك أقوال أن أصل كلمة كيمياء مصري وهي كيم أو كمت ومعناها الأرض السوداء وهي تربة وادي النيل، وينسب ذلك أن الكيمياء فن مصري قديم، وكانت تعرف آنذاك بسر الكهنة أو الصناعة التحتوية (نسبة إلى تحوت أو تحوتي أو جحوتي). وهناك من يقول كلمة كيمياء مشتقة من الكلمة الإغريقية خيما Chyma بمعنى التحليل والتفريق، ويرى غيرهم أن لفظة كيمياء قد حورت عن اللفظة العبرية (شامان) وتعني السر أو الغموض. وهناك مدلولات كثيرة على أن أصل الكلمة عربية اسمً وفعلًا، اشتقاقًَا من المصدر كمى. وتكتب كلمة كيمياء في اللغات الأوروبية Alchimica (معرفةً بأل)، وكل كلمة لاتينية معرفة بأل تكون من أصلٍ عربي كالجبر والكحول؛ أما كلمة كيمياء لم يرد ذكرها في أي حضارة أو لغة قبل العرب، وكان أول من عرف علم الكيمياء هم العرب.

تاريخ علم الكيمياء:

عرف الإنسان الكيمياء منذ القدم، وقد اصطلح على تسمية الكيمياء القديمة بـ الخيمياء التي تعد مزيجًا من ممارسة علوم الكيمياء والفيزياء والفلك والفلسفة؛ والتي كانت تمارس بشكلٍ غير علمي، ولا تخلو من الشعوذة والسيمياء؛ والتي عرفها ابن خلدون الخيمياء بأنها: «علم ينظر في المادة التي يتم بها تكوين الذهب والفضة بالصناعة». وقد ارتبط هذا الفن منذ الحضارات القديمة بالمعادن والتعدين وصناعة الألوان والدواء وبعض الصناعات الفنية كدبغ الجلود وصبغ القماش وصناعة الزجاج، وحتى طبخ الطعام قد يصاحبه تغيرات كيميائية معينة مثل نبات البفرة الذي زرعه الأميرنديون في فنزويلا منذ آلاف السنين قبل الميلاد، وتحتوي جذور هذا النبات على حمض الهيدروسيانيك القاتل، وقد عرف الهنود الحمر القدامى هذه المادة السامة وقاموا بالتخلص منها بالتسخين الذي يحول هذا الحمض إلى مواد غير سامة. واستخدم الإنسان منذ أكثر من ثلاثة آلاف سنة قبل الميلاد محلول الشب وبعض الصبغات المحضرة من العفص ولحاء بعض ثمار الأشجار وأوراق نبات السماق في تلوين الجلود والقماش.

الحضارات الإنسانيَّة الأولى كالحضارة كالصينية والمصريَّة والبابليَّة والهنديَّة نجحت في جمع معرفة عمليَّة بخصوص التعدين وصنع الفخار والأصبغة، غير أنَّها لم تُطوِّر معرفة نظريَّة منظمة يُمكن اعتبارها علمًا. وكما ظهرت فرضيات الكيميائيَّة في بلاد الإغريق عندما ساد الاعتقاد عند بعض فلاسفة الإغريق أنَّ العالم يتكوَّن من أربعة عناصر أساسيَّة، يُشكِّل تمازجها كل جسم معروف في الكون، وطُرِحت هذه الفرضيَّة بصورتها النهائيَّة علي يد أرسطو، الذي افترض أنَّ هذه العناصر هي النار والهواء والأرض والماء. وفي بلاد الإغريق أيضًا ظهرت الفلسفة الذريَّة، وترجع إلى القرن الخامس قبل الميلاد، حيث افترض الفيلسوف الإغريقي ديموقريطس أن جميع المواد تتكون من دقائق متناهية في الصغر غير قابلة للتجزئة تسمى الذرات. وعلى عكس النظريَّة الذريَّة في العلوم الحديثة فإنَّ مفهوم الذرَّة عند الإغريق كان فلسفيًا تمامًا ولم يستند على الملاحظة والتجريب العلمي.

في العصور الوسطى

في العصر الهيلينستي ازدهرت الخيمياء، وقد تداخلت الخيمياء مع السحر والشعوذة عند دراسة طبيعة المواد، بهدف اكتشاف طريقة لتحويل المواد إلى ذهبٍ أو صنع إكسير الحياة الذي يمنح الخلود، واكتُشِفت في هذه الفترة عمليَّة التقطير. واستمرَّ ازدهار الخيمياء في الإمبراطوريَّة البيزنطيَّة، ومن أبرز الخيميائيين في هذه الفترة زوسيموس من بانوبوليس. وبعد سقوط الإمبراطورية الرومانية، انتقل وتركز التطوير الكيميائي في الحضارة الإسلامية عند العرب والمسلمين، وكانوا أول من اشتغل بالكيمياء كعلم له قواعده وقوانينه، وذلك من القرن الأول للهجرة. وكان لهم دور كبير في تطور الكيمياء وازدهاره ازدهارًا كبيرًا، حيث تحول الكيمياء من مجرد صنعة أو حرفة يختص بها المشعوذين وتبحث عن أشياء خرافية مثل إكسير الحياة وتحويل المعادن الرخيصة إلى ثمينة، إلى علم متكامل قائم بذاته يقوم على التجربة العملية والمنهج العلمي. وقد أسس المسلمون مفهوم تجريبية علم الكيمياء، فقال جابر بن حيان:

علماء العرب أول من أسس مفهوم التجريبية في الكيمياء؛ وعرفوا العمليات الكيميائية داخل المختبرات، وطوروا وصنعوا له أدواته الخاصة، وهي نفسها التي نستعملها اليوم.

وعلم الكيمياء علم عربي الأساس والمنهج، حيث وضع العلماء العرب المسلمين نظرية كيميائية ناضجة ومنهجًا علميًا قويمًا. ولقد تعمقوا في فهم هذا العلم، وطوّروا المختبر الكيميائي وصنعوا له أدواته الخاصة؛ ولا يزال بعضها بشكل أو بآخر مستخدماً إلى اليوم، وعرَّفوا العمليات الكيميائية داخل المختبرات والعناصر الأساسية للمواد، واجتهدوا في التطبيق. وكان أول من عمل واشتغل بالكيمياء من العرب والمسلمين خالد بن يزيد، وهو شقيق الخليفة الأموي معاوية بن يزيد بن معاوية بن أبي سفيان، أما حاجي خليفة صاحب كتاب «كشف الظنون»، فيقول عن خالد: «إنه أول من تكلم في علم الكيمياء، ووضع فيها الكتب… ونظر في كتب الفلاسفة من أهل الإسلام». ولقد انصرف خالد بن يزيد انصرافًا تامًّا إلى دراسة العلوم بعامة، وعلم الصنعة أو الكيمياء بخاصة، وذلك بعد أن اختزلت الخلافةُ دونه، فلم يجد منها عوضًا إلا أن يبلغ آخر هذه الصناعة. وله في الكيمياء رسائل، وله فيها شعر كثير كذلك، وإذا لم يحقق خالد بن يزيد شيئًا في مجال الكيمياء، فإنه وضع اللبنة الأولى على طريق البحث وعمل التجربة. وممَّا يروى من شعره في الكيمياء، وما ينبغي على الباحث أن يبذلَه من جهد في فك رموزها وتحصيل ثمراتها قولُه:

إذا كنتَ في حلِّ الرموزِ مدانيًا              أخانا، فقد نلتَ الذي كنتَ راجِيَا

وإلا فلا ترتعْ بها فهْي جنَّةٌ                  قد امتلأتْ للرائدينَ أفاعِيَا

هي الصَّنعةُ المضروبُ من دون نَيْلِها                  من الرُّموزِ أسوارٌ تشيب النَّواصِيَا

ولكنَّها أدنى إذا كان عالِمًا                   إلى المرءِ من حبل الوريدِ تدانِيَا

أعِدْ نظرًا، فالظنُّ كالعين لا تَرى                       على البُعْد أجرامَ الجسوم كما هِيَا

أبالظنِّ والتَّخمينِ يُدرَك سرُّنا                وقد بلغتْ فيه النُّفوسُ التَّراقِيَا

الماء الملكي، أول من عزله جابر بن حيان.

وقد كان من تلاميذ خالد بن يزيد الكيميائي جابر بن حيان الذي يسمى بـ «أبو الكيمياء»، وينسب له وضع أسس الكيمياء الحديثة، وقد وضع تصانيف كثيرةً في الكيمياء، قيل: عددها 232 كتابا، وقيل: بلغت خمسمائة. وضاع أكثرها، وتُرجم بعض ما بقي منها إلى اللاتينية. وقد صنع جابر بن حيان أهم الحموض المعدنية، مثل حمض النتريك، وحمض الكبريت وحمض هيدروكلوريك. وبقيت من أهم المركبات في الصناعة الكيميائية لأكثر من ألف عام. وهو أول من حضّر حمض الكبريتيك وسماه زيت الزاج، وأول من استحضر ماء الذهب، وينسب إليه تحضير بعض المركبات الكيميائية الأخرى. وقد درس خصائص مركبات الزئبق واستحضرها. وهو أول من وصف أعمال التقطير والتبلور والتذويب والتحويل إلخ. وقد قام جابر بن حيان أيضًا باختراع الإنبيق، كما قام باختراع المقطرة والمعوجة كجزء من الإنبيق.

في العصور الحديثة

نموذج طومسون، الشحنة الموجبة موزعة بالتساوي على كل الحجم المشغول بالإلكترونات.

تفاعل احتراق الميثان؛ حيث توجد 4 ذرات هيدروجين و4 ذرات أكسجين و1 ذرة كربون قبل التفاعل وبعده. الكتلة الكلية بعد التفاعل هي نفسها التي كانت قبل التفاعل.

في العصور الحديثة استمر تطور علم الكيمياء بعد إسهامات المسلمين فيه؛ وفي القرن السابع عشر الميلادي، عندما قام بويل بأبحاث، وقسم الأجسام إلى مواد أولية وهي: العناصر والمركبات والمخاليط؛ وصاغ قانون الذي يعرف باسمه، وضف فيه العلاقة بين ضغط الغاز وحجمه. وتلته بعددها أبحاث بلاك ولافوازييه عن الاحتراق والتأكسد، وقانون حفظ الكتلة، الذي أشار من قبل العالم المسلم الأندلسي أبو القاسم مسلمة بن أحمد المجريطي، وذلك في كتابه «رتبة الحكيم». ومن ثم برستلي الذي اكتشف الأكسجين في الهواء، ثم كافنديش الذي اكتشف تكوين الماء، ومن ثم اقترح دالتون مقترحًا بالنظرية الذرية عن تكون المادة؛ بأنها تتكون من ذرات غير قابلة للانقسام، تتشابه الذرات المكونة للعنصر في الحجم والكتلة والخواص الكيميائية وتختلف ذرات العنصر عن ذرات العناصر الأخرى. تم تطويره بعد ذلك ليصبح جدولًا دوريًا للعناصر في الستينيات من القرن التاسع عشر عندما ابتكر العالم ديمتري منديلييف الجدول الدوري، وقام مندليف بترتيب العناصر طبقًا لكتلتها الذرية. وفي نهاية القرن التاسع عشر اكتشف وليام رامزي الغازات النبيلة، بالتعاون مع اللورد رايلي، وبالتالي ملء الهيكل الأساسي للجدول الدوري. وتعرَّف الكيمياء الحديثة بأنها: العلم الذي يدرس المادة والتغيرات التي تطرأ عليها، وتحديدًا تتم دراسة خواصها، وبنيتها، وتركيبها، وسلوكها، وتفاعلاتها، وتداخلاتها التي تحدثها.

وفي مطلع القرن العشرين، اكتمل فهم الأسس النظرية للكيمياء بسبب سلسلة من الاكتشافات التي نجحت في استكشاف واكتشاف طبيعة البنية الداخلية للذرات. ففي عام 1897 اكتشف العالم طومسون الإلكترونات في الذرة، وفي عام 1911 وفي محاولة من العالم رذرفورد لإثبات صحة نظرية العالم طومسون بأن الذرة تتكون من إلكترونات سالبة الشحنة تتوسطها شحنة موجبة موزعةً بالتساوي قام العالم رذرفورد بتجربة تعرف باسم «تجربة رقاقة الذهب»، اكتشف من خلالها الهيكل الداخلي للذرة وتنبأ بوجود البروتونات في الذرة، وشرح أنواع مختلفة من النشاط الإشعاعي ونجح بتحويل طبيعة العنصر الأول بقذف النيتروجين بجسيمات ألفا. وفيما بعد عام 1926 م أظهرت أبحاث العالمين شرودينجر ودوبروكلي أن الإلكترونات تدور حول النواة بمدارات غير ثابتة تسمى «السحابة الإلكترونية».

تعريفات

تغير تعريف الكيمياء عبر العصور بسبب التطور الحاصل في النظريات والاكتشافات التي وسعت من مفهوم هذا العلم، وفيما يلي بعض التعريفات التي استخدمت في كتابات بعض الكيميائيين:

الكيمياء عند القدماء: هو علم يراد به تحويل بعض المعادن إلى بعض وعلى الخصوص تحويلها إلى الذهب بواسطة الإكسير وهو حجر الفلاسفة أو استنباط داء لجميع الأمراض.

الكيمياء (330): هو دراسة تركيب الماء والحركة والنمو والتجسّد واستخراج الأرواح من الأجساد. — زوسيموس

الكيمياء (القرن الثامن الميلادي): «الكيمياء هو الفرع من العلوم الطبيعية الذي يبحث في خواص المعادن والمواد النباتية والحيوانية وطُرق تولدها وكيفية اكتسابها خواص جديدة». — جابر بن حيان

كيمياء (1377): علم ينظر في المادة التي يتم بها كون الذهب والفضة بالصناعة، ويشرح العمل الذي يوصل إلى ذلك. — ابن خلدون

كيمياء (1661): موضوع المواد الأساسية للأجسام المتمازجة. — روبرت بويل

كيمياء (1663): فن علمي يستطيع الفرد من خلاله حل الأجسام، واستخراج المواد المختلفة المكونة لها، وكيفية دمجها مجددًا، ورفعها إلى مستوى أكثر كمالًا. — كلاسر

كيمياء (1730): هو فن حل الأجسام الممتزجة أو المختلطة أو المجموعة إلى أجزاءها الرئيسية، وتركيب هذه الأجسام من هذه المواد. — جورج ستال

كيمياء (1837): هو العلم الذي يهتم بالقوى الجزيئية وتأثيراتها وقوانينها. — دوماس

كيمياء (1947): هو علم المواد: بنيتها، خواصها، والتفاعلات التي تحولها إلى مواد أخرى. —لينوس باولنغ.

كيمياء (1998): هو دراسة المادة والتأثيرات التي تحصل عليها.

المبادئ الأساسيَّة

تبدأ الكيمياء التقليدية بدراسة المادة ومكوناتها المنقسمة إلى مادة نقية (وهي العناصر والمركبات) والمخلوط (وينقسم إلى متجانس وغير متجانس)؛ وأطوارها الثلاث: الصلبة والسائلة والغازية معزولة عن بعضها أو متداخلة مع بعضها. وخواصها؛ وثم تدرس الذرات والنظرية الذرية التركيب الذري وأعداد الكم للذرة، والتوزيع الإلكتروني للعناصر. وتدرس الروابط الكيميائية وهي القوة التي تربط الذرات ببعضها، وتسعى الذرات بأن تكون أقل طاقةً وأكثر استقرارًا؛ والتفاعلات الكيميائية وهو تحول بعض المواد إلى مادة أخرى أو أكثر. وتستخدم الرموز للتعبير عنه بواسطة معادلة كيميائية. غالبًا ما يكون عدد الذرات في طرفي المعادلة متساويًا، وتكون طبيعة التفاعلات الكيميائية والتغيرات في الطاقة التي تحدث نتيجة لهذه التفاعلات محكومة بقوانين تسمى القوانين الكيميائية، وتعد ملاحظة الطاقة والقصور الحراري من الأمور المهمة في أغلب الدراسات الكيميائية. وهنالك العديد من المفاهيم الأساسية في دراسة الكيمياء، ومنها:

المادة

الماء والبخار صورتان مختلفتان لنفس المادة الكيميائية.

المادة هي كل شيء يشغل حيزًا من الفراغ، والمادة الكيميائية هي نوع من المادة له تركيب معلوم ومجموعة من الخواص. ولكن وبشكل دقيق لا يعد مزيج من المركبات أو العناصر أو المركبات والعناصر مادة كيميائية. تعد الكثير من المواد التي نراها في حياتنا اليومية نوعًا من أنواع الأمزجة، مثل: الهواء، السبائك، والكتل الحيوية. أي كمية من أي مادة كيميائية يكون لها كتلة، وتشغل حيزًا من الفراغ، ولها طاقة داخلية. يعد الماء النقي من الأمثلة الشائعة عن المواد الكيميائية، حيث أن لديه نفس الخواص ونسبة الهيدروجين إلى الأكسجين نفسها وذلك بغض النظر عن منشأ العينة إن كان طبيعيًا من نهر جاري أو مصطنعًا في مختبر كيميائي.

أطوار المادة

الماء في حالاته الثلاث: السائلة والصلبة (جليد) والغازية (بخار ماء/سحاب).

بالإضافة إلى الخواص الكيميائية المعينة التي تتصف بها المواد الكيميائية فإن الأخيرة تتواجد أيضًا بأطوار متعددة. وعلى الأغلب فإن تصنيف المواد الكيميائية لا يرتبط بهذه تصنيف الأطوار، مع إمكانية عدم توافق بعض الأطوار مع بعض الخواص الكيميائية. يعرف الطور بأنه مجموعة من الحالات للنظام الكيميائي والتي تمتلك نفس الخواص البنيوية، في مدى معين من الظروف، مثل الضغط ودرجة الحرارة. تميل بعض الخواص الفيزيائية مثل الكثافة ومعامل الانكسار إلى كونها خواص مميزة للطور.

أطوار المادة.

الحالة الصلبة: المواد الصّلبة لها شكل ثابت حيث أن الجزيئات لا تنتقل من مكانها؛ تكون الجزيئات متقاربة بقدر كبير في الحالة الجامدة، الكثافة في المواد الصلبة عالية، لأن الفراغات صغيرة جدًّا بين الجزيئات.

الحالة السائلة: تأخذ السّوائل شكل الوعاء الذي توضع فيه، والجزيئات في السوائل ليست ثابّتة، إنما متحركة ولكن ضمن إطار محدود. السّوائل عالية الكثافة إلى حدّ ما، وليس هناك مسافات كبيرة بين الجزيئات.

الحالة الغازية: ليس للغازات شكل محدد لكن الغازات تملأ أيّ فراغ متاح لأن الجزيئات تتحرّك بسرعة في كلّ الاتّجاهات. إن كثافة الغازات منخفضة، وهناك مسافات فارغة كبيرة بين الجزيئات؛ لذلك يمكن ضغط الغازات بسهولة، بحيث تتقارب جزيئات الغاز من بعضها.

حالة البلازما (هيولي): هي حالة متميزة من حالات المادة يمكن وصفها بأنها غاز متأين تكون فيه الإلكترونات حرة وغير مرتبطة بالذرة أو بالجزيء. فإذا كانت المادة توجد في الطبيعة في ثلاث حالات: صلبة وسائلة وغازية، فإنه بالإمكان تصنيف البلازما على أنها الحالة الرابعة التي يمكن أن توجد عليها المادة.

المول وكمية المادة

المول وحدة لقياس كمية المادة، والتعريف الحديث له هو مقدار 6.02214076×1023(عدد أفوغادرو) من الجسيمات، مثل الذرات أو الجزيئات أو الأيونات أو الإلكترونات. كان يعرف سابقاُ على أنه كمية المادة التي تحتوي على (ذرات أو جزيئات أو أيونات) بقدر ما يحتويه 0.012 كلغم (12 غرام) من كربون-12، عندما تكون ذرات الكربون غير مرتبطة ومستقرة في الحالة القاعية.

الذرة

الذرة هي الوحدة الأساسية في الكيمياء، وتتكون الذرة من نواة تدور حولها الإلكترونات سالبة الشحنة؛ وتتألف النواة من بروتونات موجبة الشحنة، ونيوترونات متعادلة الشحنة؛ تضم الذرة نفس العدد من الإلكترونات والبروتونات لذلك فشحنتها الكهربائية الإجمالية منعدمة، لذلك نقول إن الذرة متعادلة كهربائيًا، الشيء الذي يفسر التعادل الكهربائي للمادة. في بعض الحالات، وبواسطة نقل خارجي للطاقة، يمكن للذرة أن تفقد أو تكتسب إلكترونا أو أكثر؛ تسمى هذه الظاهرة بظاهرة التأين. كما أن الذرة هي أصغر وحدة يمكن تصورها والتي تكون قادرة على المحافظة على الخواص الكيميائية للعنصر، مثل السالبية الكهربية وطاقة التأين، حالات الأكسدة المفضلة، عدد التساند وعدد الروابط التي يفضل تشكيلها (مثل الفلزية والأيونية والتساهمية). تطور مفهوم الذرة عبر التاريخ بعد أن كان أول نموذج لها الذي وضعه دالتون عبارة عن كرة صماء غير قابلة لتجزئة إلى النموذج الحالي وهي عبارة عن نواة تتكون من كواركات وغلونات محاطة بسحابة إلكترونية تدور حول النواة.

الجزيء

جزيء ماء؛ يتكون من ذرة أوكسجين مرتبطة بذرتي هيدروجين

الجزيء هو أصغر جزء غير قابل للتقسيم من المادة الكيميائية النقية، والذي يمتلك مجموعة فريدة من الخواص التابعة له، بمعنى قدرته إحداث مجموعة معينة من التفاعلات مع المواد الأخرى. يمكن أن تتواجد الجزيئات على شكل وحدات متعادلة كهربائيًا على عكس الأيونات. تعد الجزيئات مجموعة من الذرات المرتبطة مع بعضها بروابط تساهمية، ومثل هذه البنى متعادل كهربائيًا وتكون جميع الأغلفة التكافؤية متزاوجة مع إلكترونات أخرى بواسطة الأواصر أو الأزواج الوحيدة. لا تحتوي جميع المواد على جزيئات مجردة، فغالبية العناصر الكيميائية مكونة من ذرات وحيدة تمثل الوحدة المجردة الصغرى. وتنتظم الأنواع الأخرى من المواد مثل المركبات الأيونية والشبكات الصلبة بطريقة تقلل من وجود جزيئة يمكن التعرف عليها. وتدرس هذه المواد بالاعتماد على وحدات الصيغة أو البناء البلوري كأصغر وحدة متكررة بنيوية ضمن المادة، وذلك لعدم وجود جزيئات يمكن التعرف عليها.

خواص المادة

تصف جملة خاصية كيميائية تصرف المادة عند ظروف الضغط والحرارة القياسية، وتظهر هذه الخاصية بوضوح أثناء التفاعلات الكيميائية.

حالة المادة صلبة أو سائلة أو غازية.

نشاطية المادة في التفعل تجاه المواد الأخرى.

حالات التأكسد الأفضل للمادة.

شكل الجزيئات، والروابط.

طول الرابطة.

الرقم التناسقي.

الشكل الأفضل للروابط لتكوين إما فلزية أو أيونية أو تساهمية.

أشكال المادة

توجد المادة على شكلان وهما:

المادة النقية: وتنقسم إلى عناصر ومركبات.

المخاليط: وتنقسم إلى مخاليط متجانسة وغير متجانسة.

العنصر

العنصر هو المادة المتكونة من نوع واحد من الذرات، ويمتلك العنصر الكيميائي عددًا ثابتًا ومحددًا من البروتونات في نواة ذرته، ويعرف هذا العدد بالعدد الذري للعنصر. فمثلًا جميع الذرات التي تمتلك 6 بروتونات في أنويتها هي ذرات عنصر الكربون، وجميع الذارت التي تمتلك 92 بروتونًا في أنويتها هي ذرات عنصر اليورانيوم. وهنالك 94 عنصرًا متوفرًا في الطبيعة بالإضافة إلى 18 عنصرًا تم تصنيعها.

على الرغم من احتواء جميع ذرات العنصر الواحد على نفس عدد البروتونات فإن ليس من اللازم احتواءها على نفس عدد النيترونات، تسمى مثل هذه الذرات بالنظائر ويمكن أن يمتلك العنصر الواحد أكثر من نظير واحد.

أفضل تمثيل للعناصر الكيميائية هو الجدول الدوري والذي يرتب العناصر حسب عددها الذري، وتتشارك زمر ودورات العناصر في الجدول الدوري في بعض الخصائص أو تتبع نمطًا معينًا للخصائص، مثل قطر الذرة، والسالبية الكهربية، وغيرها.

المركب

المركب الكيميائي هو مادة تتكون من نسبة معينة وثابتة من العناصر وتحدد تركيب المركب والمجموعة التي ينتمي إليها هذا المركب والتي تحدد بالتالي خواص هذا المركب. فمثلًا الماء هو مركب يحتوى على الهيدروجين الأكسجين بنسبة 2 إلى 1، حيث تكون ذرة الأكسجين محاطة بزوج من ذرات الهيدروجين وبزاوية قياسها 104.5 درجة. وبصفة عامة فإن هذه النسبة يجب أن تكون ثابتة لبعض الاعتبارات الفيزيائية، وليس طبقا للاختيارات البشرية، ولهذا السبب فإن المواد مثل النحاس الأصفر تعتبرسبيكة وليست مركب. ومن الخواص المميزة للمركب أن له بنية كيميائية مميزة يعبر عنها عن طريق صيغة جزيئية، تصف هذه الصيغ نسبة الذرات الموجودة به، وعدد الذرات الموجودة في جزيء واحد من المادة، وعلى هذا فتكون صيغة الإيثان C2H6 وليس CH2)، ويمكن عن طريق معرفة تلك الصيغ بحساب الكتلة المولية للمركب، توجد عدة معرفات لتمييز المركبات الكيميائية منها رقم CAS (رقم لتعريف كل المركبات). ويمكن للمركبات أن يكون لها حالات عديدة. معظم المركبات توجد في هيئة صلبة. كما أن المركبات الجزيئية يمكن أن توجد أيضا في حالة سائلة أو غازية.تتكون المركبات وتتحول عن طريق التفاعلات الكيميائية. ويمكن فصل المركبات بالطرق الكيميائية.

المخلوط

الخليط أو المخلوط هو مزيج مكون من مادتين أو أكثر بدون روابط كيميائية بين العناصر الكيميائية أو المركبات الكيميائية فيها والتي قد تكون موجودة بنسب مختلفة، وبالتالي يحتفظ كل بخواصه وشكله، ويمكن فصل المخاليط بالطرق الكيميائية والفزيائية. وتنقسم المخاليط إلى:

فصل خليط غير متجانس من الحديد والكبريت، باستخدامالمغناطيس.

مخاليط متجانسة: وهي مخاليط تحتوي على مادتين أو أكثر تسمى المذاب والمذيب؛ لا يمكنك التمييز بينهما في المحاليل.

المحاليل

المذاب: هو المادة التي تذوب.

المذيب: هو الوسط الذي يذيب المذاب.

مخاليط غير متجانسة: هو المخلوط الذي لا تمتزج مكوناتها تماما ويمكن تمييز كل منها.

المخلوط الغروي: هو مخلوط غير متجانس يتكون من جسيمات متوسطة الحجم وويبلغ قطر الجسيمات بين 1 نانومتر إلى 1000 نانومتر.

المخلوط المعلق: هو مخلوط يحتوي على جسيمات يمكن أن تترسب بالترويق وذلك بتركه دون تحرك ومن أمثلته الماء والتراب.

الروابط الكيميائية

المقالة الرئيسة: رابطة كيميائية

طالع أيضًا: قوة داخل الجزيء وقوة بين الجزيء

الرابطة الكيميائية هي القوة التي تربط الذرات ببعضها؛ وذلك لسعي الذرة بأن تكون أقل طاقةً وأكثر استقرارًأ. في مركبات بسيطة عديدة، نظرية التكافؤ ومبدأ عدد التأكسد يمكن استخدامهما للتنبؤ بالتركيب الجزيئي. وبالمثل؛ فإن النظريات الفيزياء الكلاسيكية يمكن استخدامها للتنبؤ بتركيب مركبات أيونية عديدة. أما المركبات ذات التركيب المعقد، مثل السبائك المعدنية، فإن نظرية التكافؤ لا تستطيع تفسير تركيبها، وهنا تظهر أهمية استخدام نظريات الميكانيكا الكمية مثل نظرية المدار الجزيئي.

أنواع الروابط الكيميائية:

رسم متحرك لعملية الترابط الأيوني بين الصوديوم (Na) والكلور (Cl) لتشكيل كلوريد الصوديوم، أو ملح الطعام العادي. الترابط الأيوني ينطوي على ذرة واحدة تأخذ إلكترونات التكافؤ من أخرى (على عكس التقاسم، الذي يحدث في الترابط التساهمي).

الرابطة التساهمية بين الهيدروجين والكربون في جزيء الميثان. أحد طرق تمثيل الرابطة التساهمية في جزيء عن طريق النقط وعلامات إكس.

القوة داخل الجزيئات هي أي قوة تعمل على جمع الذرات مع بعضها البعض لتكون جزيء أو مركب. ترتبط هذه الدقائق ببعضها البعض بقوى متفاوتة في القوة، فنجد هذه القوى كبيرة في المادة الصلبة، ومتوسطّة في السوائل، وضعيفة في حالة الغازات.

الرابطة الأيونية أو الرابطة الشاردية هي الرابطة التي تنشأ بين ذرتين تختلفان في المقدرة على كسب أو فقد الإلكترونات وتكون بين أيوني هاتين الذرتين الموجب والآخر السالب الشحنة فتنشأ قوة جذب كهربائي بينهما، وتختلف نسبة الأيونات المفقودة والمكتسبة فمثلا تحتاج ذرة الأكسجين لأيونين من البوتاسيوم لأن المدار الأخير يحتاج لإلكترونين ليصل لحالة الاستقرار أي ثمانية إلكترونات.

4K + O2 → 2 K2O وتحدث الرابطة الأيونية عادةً بين الفلزات (ذات طاقة التأين المنخفضة والتي تميل لفقدان الإلكترونات) واللافلزات (ذات الألفة الإلكترونية المرتفعة والتي تميل لاكتساب الالكترونات).تتكون غالبًا بين الفلزات واللافلزات حيث تكون: الفلزات: ذراتها حجمها كبير – جهد تأينها صغير (فيسهل فقد إلكترونات المستوى الأخير) فيتكون أيون موجب ليصل إلى التشكيل الإلكتروني لأقرب غاز خامل. اللافلزات: صغيرة الحجم – ميلها الإلكتروني كبير (فيسهل اكتساب إلكترونات) فتصبح أيون سالب لتصل إلى التشكيل الإلكتروني لأقرب غاز خامل (نبيل). والربطة الأيونية هي: انجذاب كهربائي بين الأيون الموجب والسالب.

الرابطة التساهمية هي أحد أشكال الترابط الكيميائي وتتميز بمساهمة زوج أو أكثر من الإلكترونات بين الذرات، مما ينتج عنه تجاذب يعمل على تماسك الجزيء الناتج. تميل الذرات للمساهمة أو المشاركة بإلكتروناتها بالطريقة التي تجعل غلافها الإلكتروني ممتلئاً. وهذه الرابطة دائما أقوى من القوى بين الجزيئات مثل الرابطة الهيدروجينية. ترتب الرابطة التساهمية لوصف عدد أزواج الإلكترونات المتشاركة بين الذرات المكونة للرابطة التساهمية. وأكثر أنواع الرابطة التساهمية شيوعًا هو الرابطة الأحادية، والتي فيها يتم المشاركة بزوج واحد فقط من الإلكترونات. كل الروابط التي بها أكثر من زوج من الإلكترونات تسمى روابط تساهمية متعددة. المشاركة بزوجين من الإلكترونات تسمى رابطة ثنائية، والمشاركة بثلاثة أزواج تسمى رابطة ثلاثية. ومثال للرابطة الثنائية في حمض النيتروس (بين N وO)، ومثال للرابطة الثلاثية سيانيد الهيدروجين (بين C وH).

الرابطة التناسقية وهي نوع من أنواع الروابط التساهمية، ولكن في هذا النوع من الروابط تتشارك كلا الذرتين بإلكترونات من ذرة واحدة فقط وليس إلكترونات من كلا الذرتين. ومثال على ذلك الرابطة في أيون الأمونيوم.

الرابطة الفلزية توجد في المعادن مثل الزنك.

الرابطة الفلزية هي رابطة كيميائية تحصل بين عنصرين من الفلزات، وهي قوى التجاذب الكهربائي الناتجة بين الأيونات الموجبة وهذه الالكترونات السالبة بالرابطة الفلزية وهي التي تربط البلورة الفلزية (المعدنية) بالكامل. عندما ترتبط الفلزات مع بعضها البعض فانها لا تكتسب التركيب الاكتروني للغازات النبيلة، فمن السهل أن تفقد ذرات الفلزات مثل الصوديوم والبوتاسيوم الكترونات تكافؤها لتصبح أيونات موجبة لأن سالبيتها الكهربائية منخفضة. الخصائص التي تمنحها الرابطة للفلز ترجع الكثير من خصائص الفلزات الطبيعية إلى طبيعة هذه الرابطة، فالتوصيل الكهربائي والتوصيل الحراري للفلزات سببه هو حركة الالكترونات الحرة بين الذرات. حركة الالكترونات الحرة داخل المعدن تنتظم عند تمرير التيار الكهربائي من خلاله، وتتقدم الالكترونات من القطب السالب إلى الموجب.

روابط بين الجزيء

القوة بين الجزيئات هي قوى الجذب أو التنافر التي تعمل بين الجسيمات المجاورة (ذرات، جزيئات أو أيونات). فهي ضعيفة بالمقارنة مع قوة الترابط داخل الجزيء، القوى التي تبقي الجزيئات معا. على سبيل المثال، الرابطة التساهمية الموجودة في جزيئات حمض الهيدروكلوريك هو أقوى بكثير من القوى الموجودة بين الجزيئات المجاورة، والتي تكون عندها الجزيئات قريبة بما فيه الكفاية لبعضها البعض.

الأكسدة والاختزال

تمثيل لعملية أكسدة-اختزال: تعطي ذرة الهيدروجين إلكترونًا لذرة الفلور، ثم تتحد معه.

مفهوم يرتبط بقابلية ذرات المواد المختلفة على اكتساب وفقدان الإلكترونات. حيث تدعى المواد القادرة على أكسدة المواد الأخرى بالمؤكسدات وتعرف بالعوامل المؤكسدة. يقوم العامل المؤكسد بإزالة الإلكترونات من المواد الأخرى. وتدعى المواد القادرة على اختزال المواد الأخرى بالمواد المختزلة أو العامل المختزل. يقوم العامل المختزل بنقل الإلكترونات إلى المواد الأخرى، وبالتالي تحصل في العامل المختزل عملية الأكسدة، ويسمى العامل المختزل كذلك بمانح الإلكترون لقيامه بهذه الوظيفة. ترمز عملية الأكسدة والاختزال إلى التغير في عدد التأكسد، وقد لا يحدث الانتقال الفعلي للإكترونات، لذا فمن المفضل أن نعرف الأكسدة بأنها العملية التي تقوم بزيادة عدد التأكسد، والاختزال بأنه العملية التي تقلل عدد التأكسد.

القوانين

تخضع التفاعلات الكيميائية لقوانين محددة، والتي أصبحت مفاهيم أساسية في الكيمياء، وهذه بعض القوانين:

قانون أفوجادرو

قانون بير لامبرت

قانون شارل

قانون فيك للانتشار

قانون جاي لوساك

مبدأ لو شاتيليه

قانون هنري

قانون هس

قانون بقاء الطاقة الذي أدى إلى اكتشاف مفاهيم مهمة مثل التوازن والديناميكا الحرارية والحركية الكيميائية.

قانون بقاء المادة

قانون النسب الثابتة

قانون النسب المتضاعفة

قانون راؤول

قانون دالتون

قانون حفظ الكتلة

الجدول الدوري

جمعت العناصر الكيميائية بطريقة منظمة لعرضها بطريقة منظمة على هيئة جدول سمي بـ الجدول الدوري وتترتب العناصر في هذه المجموعات بناءًا على عددها الذري فكل عنصر له عدد ذري يزيد عن العنصر الذي يسبقه بمقدار واحد. مرتبة بناءًا على العدد الذري لكل واحد منها ومقسمة إلى 7 دورات بشكل افقي، وثمانية عشر مجموعة بشكل رأسي، تنقسم هذه المجموعة إلى قسمين، المجموعة الأولى وهي الرئيسية A وعددها ثمانية، أما المجموعة الأخرى فهي المجموعة B (تسمى العناصر الانتقالية) وهي مجموعة فرعية وعددها عشرة. أما مجموع العناصر في الجدول بما في ذلك الدورتين في أسفل الجدول الدوري ( اللانثانيدات والأكتنيدات) فيبلغ 118 عنصر.

الجدول الدوري الذي وضعه مندلييف، بوضعه الأخير عام 1871.

كانت أولى المحاولات لتصنيف العناصر سنة 1789 حين صنف أنتوان لافوازييه العناصر بالاعتماد على خصائصها إلى: الغازات، اللافلزات، الفلزات، والترابيات. وتوالت بعده المحاولات من عدة علماء إلى أن وضع مندلييف الجدول الدوري الحديث عندما كان يحاول ترتيب العناصر، وذلك عام 1869، وقد قام بذلك عن طريق كتابة خواص العناصر على بطاقات وترتيبها مرارًا وتكرارًا إلى أن توصل إلى حقيقة مفادها أنه إذا رتبت العناصر بحسب زيادة الوزن الذري، فإن أنواعًا معينة من العناصر تتكرر بانتظام. فعلى سبيل المثال، يكون اللافلز الفعّال متبوعًا مباشرة بفلز خفيف فعال جدًا، يليه فلز خفيف أقل فعالية. لم يقتصر عمل مندلييف على ترتيب العناصر بالطريقة الصحيحة فحسب، بل إنه نقل العنصر الذي يظهر في المكان الخاطئ نظرًا لوزنه الذري إلى مكانه الصحيح في الجدول بحيث يطابق النمط المتبع. فمثلًا، يجب أن يكون اليود والتيليروم في الجهة المقابلة تمامًا بالاستناد على الوزن الذري، ولكن مندلييف رأى أنّ اليود مشابه جدًا في خصائصه لبقية الهالوجينات (الفلور، والكلور والبروم) وأنّ التيليريوم مشابه لعناصر الزمرة السادسة (الأكسجين والكبريت والسيلينيوم)، لذا بدل مندلييف مكان العنصرين في الجدول. ترك مندليف في الجدول الدوري شواغر للعناصر غير المكتشفة في حينها، حتى أنه توقع خواص ومركبات خمسة من تلك العناصر. وخلال الخمسة عشر سنة اللاحقة اكتشفت ثلاثة من هذه العناصر.

بعد فترة من الزمن تحديًدا عام 1913م، قام العالم موزلي بترتيب عناصر الجدول الدوري معتمدًا على العدد الذري لكل عنصر، وذلك بالاستفادة من التشتت في البلورات والناتج عن استخدام طيف الأشعة السينية، واستطاع من خلال ذلك على معرفة العدد الذري لكل عنصر. وكان هو من أطلق على الصفوف العامودية مجموعات والصفوف الأفقية دورات. وفي نهاية القرن التاسع عشر اكتشف وليام رامزي الغازات النبيلة، بالتعاون مع اللورد رايلي، وبالتالي ملء الهيكل الأساسي للجدول الدوري.

هذا الترتيب الشائع للجدول الدوري يفصل اللانثانيدات (lanthanoids) والأكتينيدات (actinoids) (عناصر المستوى الفرعي f) من العناصر الأخرى. والجدول الدوري العريض يضم عناصر المستوى الفرعي-f. الجدول الدوري الممتد يضيف الدورة الثامنة والتاسعة، ودمج عناصر المستوى الفرعي-f وإضافة عناصر المستوى الفرعي-g النظرية.

الفروع

تنقسم الكيمياء بصفة عامة إلى فروع رئيسة عدة، وتنقسم الفروع الأساسية إلى فروع أخرى، وموضوعات ذات تخصص أكبر داخل هذه الفروع، ومن هذه الفروع الرئيسية:

الكيمياء الفيزيائية

هي دراسة الأصل الفيزيائي للتفاعلات والأنظمة الكيميائية. وتدرس تغييرات حالات الطاقة في التفاعلات الكيميائية.

ومن أقسام الكيمياء الفيزيائية:

الكيمياء الكهربائية: وتدرس تبادل التأثير للذرات والجزيئات والشوارد (الأيونات) مع التيار الكهربائي.

الكيمياء الضوئية: وتدرس التأثيرات الكيميائية للضوء، والتفاعلات الكيميائية الضوئية.

الكيمياء الحرارية: وتدرس ارتباط الحرارة بالتغير الكيميائي.

كيمياء الكم: وتدرس ميكانيكا الكم وكيف يرتبط بالظواهر الكيميائية. تقوم كيمياء الكم بتطبيق ميكانيكا الكم ونظرية الحقل الكمومي وتقريب بورن-أوبنهايمر لحل قضايا ومسائل في الكيمياء. وأحد تطبيقات الكيمياء الكمومية هي دراسة سلوك الذرات والجزيئات فيما يخص قابليتها للتفاعل. تقع الكيمياء الكمومية على الحدود بين الكيمياء والفيزياء ويشارك بها مختصون من كلا الفرعين.

كيمياء السطوح: وتدرس التفاعلات الكيميائية على السطوح البينية.

علم المطيافية: وتدرس طيوف الضوء أو الإشعاع.

الكيمياء اللاعضوية

هي دراسة خواص وتفاعلات المركبات اللا العضوية. تدرس الكيمياء اللا عضوية العناصر والمركبات غير الكربون والهيدروكربونات ومشتقاتها. أي أن الكيمياء اللا عضوية تغطي دراسة كل المواد غير العضوية، والتي يشار لها بأنها مواد غير حية. وهي مركبات لا تحوي روابط كربون-هيدروجين.

ومن أقسام الكيمياء اللا عضوية:

الكيمياء الحيوية اللا عضوية: تدرس دور المعادن في علم الأحياء.

الكيمياء التناسقية: تدرس المركبات التناسقية أو التساندية وتبادل الأفعال بين روابطها.

الكيمياء النووية: تدرس المواد المشعة.

كيمياء الحالة الصلبة: تدرس تشكُّل، وبنية، وخصائص مواد الحالة الصلبة.

كيمياء الاصطناع اللاعضوي: تدرس اصطناع الكيماويات اللا عضوية.

الكيمياء الصناعية اللا عضوية: تدرس المواد المستعملة في التصنييع.

كيمياء عضوية

يعتبر جزيء البنزين والجزيء ثلاثي الأبعاد، في الكيمياء العضوية، مادة أساسية تلعب دورًا أساسيًا في إنتاج ملايين المواد العضوية.

هي دراسة تركيب، خواص، وتفاعلات المركبات العضوية. تدرس الكيمياء العضوية خواص وتفاعلات مركبات الكربون مثل أنواع الوقود واللدائن، والأدوية.

ومن أقسام الكيمياء العضوية:

الكيمياء الفراغية: تدرس بنية الجزيئات ثلاثية الأبعاد.

الكيمياء الطبية: تهتم بتصميم واصطناع عقاقير صيدلانية.

الكيمياء العضوية الفلزية: تدرس الكيماويات التي تحتوي روابط بين كربون وفلز.

الكيمياء العضوية الفيزيائية: تدرس بنية وفعالية الجزيئات العضوية.

كيمياء المبلرات: تدرس تركيب وتصنيع جزيئات البوليميرات.

الكيمياء التحليلية

مختبر استشراب غازي (جهاز تحليل لوني غازي).

هي تحليل عينات من المادة لمعرفة التركيب الكيميائي لها وكيفية بنائها. تعرف الكيمياء التحليلية بأنها العلم الذي يبحث في تحليل المكونات الكيميائية للعينات المدروسة. وتقسم الكيمياء التحليلية إلى قسمين رئيسين:

التحليل النوعي: ويستخدم طرق وقياسات لتحديد مكونات المادة، دون الاهتمام بكمياتها أو نسبها.

التحليل الكمي: ويستخدم بتحديد كمية كل مكون موجود في المادة أو نسبته. وهو نوعان حجمي ووزني.

وتستخدم الكيمياء التحليلية طرق تحليل تقليدية أو آلية. وهي تستخدم في جميع الفروع والأنواع الأخرى للكيمياء.

الكيمياء الحيوية

هي دراسة المواد الكيميائية، والتفاعلات الكيميائية التي تحدث في الكائنات الحية. تدرس الكيمياء الحيوية العمليات الكيميائية في الكائنات الحية.

الكيمياء الحيوية السريرية: تدرس الأمراض، وتهتم بشكل عام على تحليل سوائل الجسم.

الكيمياء الحيوية الجزيئية: تدرس الجزيئات الحيوية ووظائفها.

علم الإنزيمات: تدرس الأنزيمات.

علم الغدد الصم: تدرس الهرمونات.

فروع أخرى

ومن الفروع الكيمياء الأخرى:

الكيمياء العامة: تدرس أسس ومبادئ ونظريات الكيمياء وتقسيماتها مع دراسة حالات المادة كذرات وجزيئات وبنى بلورية أو جزيئية، بأشكالها الغازية والسائلة والصلبة، وغير ذلك مما يؤسس لدراسة كل من الأقسام الخمسة الأساسية للكيمياء، المذكورة أعلاه، بشكل مستقل.

الكيمياء الصناعية: تدرس كيمياء الصناعات الكيميائية وغيرها القائمة على حالات المادة وتحولاتها ومزائجها، كصناعة الأسمنت، وصناعة الزيوت والدهون النباتية.

الكيمياء البيئية: تدرس الكيماويات التي تشكل خطرًا على البيئة، ومصدرها، وكيفية تشكلها، وطرق التخلص منها. ويشمل ذلك عمليات تنقية المياه ومعالجة المخلفات البيئية وتلوث الجو والتربة وغير ذلك.

كيمياء النفط: تدرس تركيب النفط، والعمليات الكيميائية المصاحبة لاستخراجها وتكريرها.

الكيمياء النباتية: تدرس المكونات الكيميائية للنباتات وطرق استخلاصها وفصلها وتحليلها. ويشمل ذلك الأعشاب والنباتات الطبية.

الكيمياء الزراعية: وكيمياء التربة، تدرس المكونات الكيميائية للتربة وإمكانيات الاستفادة منها أو استخدامها للأغراض الزراعية وغيرها. كما تدرس طرق مكافحة الآفات الزراعية.

1. كيمياء النانو: وهو فرع جديد للكيمياء يستخدم كيمياويات فائقة الصغر يمكنها التغلغل في أي مكان من المادة أو الجسم لتحقيق غرض كيميائي أو طبي أو تقني في المجالات المختلفة.

بحث عن القهوة (التركيب ، التاريخ ، الاكتشاف ، الفوائد، التأثير الصحي)

تُقدم القهوة العربية ضمن مراسم الاستقبال والضيافة الرسمية في المملكة العربية السعودية

القهوة هو مشروب يعد من بذور البن المحمصة، وينمو في أكثر من 70 بلداً. خصوصاً في المناطق الاستوائية في أمريكا الشمالية والجنوبية وجنوب شرق آسيا وشبه القارة الهندية وأفريقيا. ويقال أن البن الأخضر هو ثاني أكثر السلع تداولاً في العالم بعد النفط الخام. ونظراً لاحتوائها على الكافيين، يمكن أن يكون للقهوة تأثيراً منبهاً للبشر. تعتبر القهوة اليوم واحدة من المشروبات الأكثر شعبية في جميع أنحاء العالم.

اكتشاف القهوة

من المعتقد أن أجداد قبيلة الأورومو في أثيوبيا، كانوا هم أول من اكتشف وتعرف على الأثر المنشط لنبات حبوب القهوة. ولم يُعثر على دليل مباشر يكشف بالتحديد عن مكان نمو القهوة في إفريقيا، أو يكشف عمن قد استخدمها على أنها منشط أو حتى يعرف عن ذلك قبل القرن السابع عشر. وظهر أقرب دليل موثوق به سواء على شرب القهوة أو معرفة شجرة البن، في منتصف القرن الخامس عشر، في الأديرة الصوفية في اليمن في جنوب شبه الجزيرة العربية. وقد انتشرت القهوة من إثيوبيا إلى اليمن ومصر وشبه الجزيرة العربية، وبحلول القرن الخامس عشر وصلت إلى أرمينيا وبلاد فارس وتركيا وشمالي أفريقيا. وقد انتشرت القهوة من العالم الإسلامي، إلى إيطاليا، ثم إلى بقية أوروبا وإندونيسيا وإلى الأمريكتين.

يتم إنتاج ثمار البن التي تحتوي على حبوب القهوة عن طريق عدة أنواع من الشجيرات دائمة الخضرة الموجودة بشجر البن. والنوعان الأكثر شيوعاً هما كافيا كانيفورا (المعروفة أيضاً باسم كافيا روبوستا)، وكافيا ارابيكا؛ أما أقل الأنواع شيوعاً فهي liberica ،excelsa ،stenophylla ،mauritiana ،racemosa. حيث يتم زراعتهم غالباً في أمريكا اللاتينية، جنوب شرق آسيا، وإفريقيا. وبمجرد نضوجها، يتم قطف حبوب القهوة، وتجهيزها، وتجفيفها. ثم يتم تحميص البذور، قبل مرورها بعدة تغيرات فيزيائية وكيميائية. حيث يتم التحميص بدرجات متفاوتة، اعتماداً على النكهة المطلوبة. ثم يتم طحنها وغليها لعمل القهوة. حيث يمكن إعدادها وتقديمها بطرق متنوعة.

تعتبر الجمهورية اليمنية من أوائل الدول التي زرعت البن وصدرته إلى العالم، بدليل أن القهوة يطلق عليه Arabica أو القهوة العربية مصدرها اليمن؛ كما أن أهم وأفخر أنواع القهوة هي الموكا وهي تحريف من «قهوة المخاء» نسبة إلى الميناء اليمني الشهير (المخا). ويعتبر ميناء المخاء الأول الذي انطلقت منه سفن تجارة وتصدير البن إلى أوروبا وباقي أنحاء العالم. يشتهر البن اليمني بمذاقه الخاص وطعمه الفريد الذي يختلف عن أنواع البن الأخرى التي تزرع وتنتج في بلدان العالم الأخرى.

الأصل اللغوي

في اللغة العربية، تخبرنا القواميس والمعاجم بأن لفظ القهوة مشتق من الفعل قها ويقال أقْهَى فلانٌ: دام على شُرْب القهوة أي ارتدَّت شهوتُه عنه من غير مرض.  ويخبرنا المعجم الوسيط بأن الفعل أقْهَى يعني دام على شُرْب القهوة، أي داوم على شرابها واعتاد عليها. وفي العربية ترد في الشعر والأدب ثلاثة أشربة باسم القهوة هي القهوة شراب البُن المغلي موضوع المقال هذا، واللبن والخمر.

التاريخ

ألف الجزيري الحنبلي (القرن 10 هجري) كتاب اسمه «عمدة الصفوة في حل القهوة» وناقش القهوة من منظور فقهي إسلامي، حيث قال:

«فمن قايل بحلها يرى أنها الشراب الطهور المباركة على أربابها الموجبة للنشاط والإعانة على ذكر الله تعالى وفعل العبادة لطلبها ومن قايل بحرمتها مفرط في ذمها والتشنيع على شربها.»

وذكر الجزيري أن القهوة سببت فتناً في مكة ومصر والحجاز وغيرها من بلاد المسلمين، حتى أنه روي أن بعض الأمراء أمر بهدم المقاهي وتكسير أواني الشرب وإتلاف حبوب البن ومعاقبة من يشربونها.

زراعة القهوة

إن الطريقة التقليدية لزراعة القهوة هي وضع عشرون بذرة في كل حفرة في بداية موسم الأمطار، وتفقد هذه الطريقة حوالي 50% من البذور أما النصف المتبقي لا يتلف وينمو، ولكن هناك طريقة برازيلية أكثر فاعلية لزراعة القهوة وهي أن توضع الشتلات في حاضنة حتى تنمو في الخارج لمدة ستّة إلى إثنا عشر شهراً، وغالباً ما تتداخل زراعة محاصيل القهوة مع المحاصيل الغذائية الأخرى مثل الذرة والفاصولياء والأرز خلال سنوات الزراعة الأولى القليلة لكون المزارعين على معرفة بحاجة هذه النباتات.

ومن بين الأنواع الرئيسية للقهوة فإن العربية (من القهوة العربية) عموماً أكثر اعتباراً من روبوستا (من قهوة الروبوستا) والتي تميل إلى المرارة وأقل نكهة ولكن هيئتها أفضل من العربية، ولهذه الأسباب فإن نحو ثلاثة أرباع القهوة المزروعة عالمياً هي القهوة العربية، بالإضافة إلى ذلك تحتوي سلالات روبوستا أيضا على حوالي 40-50% كافيين أكثر من آرابيكا و لهذا السبب يتم استخدامها كبديل غير مكلف للقهوة العربية في العديد من خلطات القهوة التجارية. وتستخدم بذور الروبوستا ذات النوعية الجيدة في خلطة الإسبرسو الإيطالية التقليدية لتقديم طعم قوي مع أفضل رغوة على الوجه (المعروف الرغوه أو الكريما).

و بالرغم من ذلك فإن كافيا كانيفورا أقل عرضة للأمراض من القهوة العربية ويمكن زراعتها في مناطق أقل ارتفاعاً وذات مناخ دافئ حيث لا يمكن للقهوة العربية أن تزدهر. و كان أول تجميع لسلالة الروبوستا في عام 1890 من نهر لومني كما نقل أحد روافد نهر الكونغو من زائير (تعرف بجمهورية الكونغو الديمقراطية الآن) إلى بروكسل لجاوة حوالي عام 1900، وأدت زيادة التكاثر في جاوة من إنشاء مزارع لروبوستا في العديد من البلدان، خاصّةً مع انتشار صدأ أوراق القهوة المدمرة (هميليا فستتريإكس) حيث أصبحت القهوة العربية ضعيفة كما سارعت الإقبال على مقاومة روبوستا، ولقد تم العثور على صدأ أوراق القهوة تقريبا في جميع البلدان التي تنتج القهوة.

وقد سجل ما يزيد عن 900 فصيلة من الحشرات الضارة لمحاصيل القهوة في جميع أنحاء العالم، فالخنافس تشكل ثلث هذه الحشرات الضارة بينما تشكل البق الربع، ويهاجم المحاصيل 20 فصيلة من الديدان الخيطية و9 فصائل من العث وعدد من الحلزونات والرخويات، وأحياناً تأكل العصافير والقوارض بذور القهوة ولكن يعد تأثيرهم بسيط مقارنةً باللافقاريات. وعموماً فإن القهوة العربية تعد من أكثر الفصائل حساسية لافتراس اللافقريات، فكل جزء من نبات القهوة معرض للافتراس من مختلف الحيوانات، فالديدان الخيطية تهاجم الجذور بينما تحفر الخنافس الحفارة في الجذع والمواد الخشبية، كما تهاجم أوراق النبات أكثر من 100 فصيلة من يرقات (اليسروع) الفراشات والعث.

وكثيرا ما ثبت أن الرش الشامل للمبيدات الحشرية كارثة حيث أن الحيوانات المفترسة من الآفات هي أكثر حساسية من الآفات أنفسهم، فبدلا من ذلك تم إنشاء إدارة متكاملة للآفات وذلك باستخدام تقنيات مثل العلاج المستهدف من تفشي الآفات وإدارة بيئة المحاصيل بعيدا عن ظروف الآفات الصالحة، وغالبا ما يتم قطع الفروع التي تنتشر فيها الحشرات القشرية بكثرة وتترك على الأرض مما يعزز الطفيليات القشرية لمهاجمة القشور في الفروع المقطوعة والنبات أيضاً.

و تعد الخنفساء الحفارة ذات طول يساوي 2 م لبذرة القهوة من أكثر أنواع الحشرات ضررًا لصناعة القهوة في العالم فهي تدمر ما يصل إلى 50% أو أكثر من ثمار القهوة في مزارع معظم البلدان المنتجة للقهوة، فالخنفساء الأنثى البالغة تقوم بقضم ثقب صغير في بذرة القهوة وتضع من 35 إلى 50 بيضة، فينمو النسل في داخل النبات ثم يتزاوج وبعدها يخرج من البذرة المدمرة لتنتشر وتعيد دورة حياتها. وغالباً ما تكون المبيدات الحشرية غير فعّاله لأنّ أطفال الخنافس يكونو محمين بداخل الثمرة الحاضنة ولكن عند خروجهم يكونو غير محمين من افتراس الطيور، فعندما تكون الأشجار قريبة فإن العصافير الأمريكية الصفراء والعصافير المغردة وعصافير أخرى تقضي على الحشرات مقللة نسبة وجودها إلى 50% من عدد الخنافس الحفارة لبذرة القهوة في مزارع كوستاريكا.

الصحة العامة

أجريت البحوث العلمية الواسعة لدراسة العلاقة بين استهلاك القهوة والحالات الطبية المتعددة. وقد اتفقت جميع آراء المجتمع الطبي العام أن الاعتدال في شرب القهوة عند الأفراد الأصحاء إما ضروري أو على الأقل مفيد. في 2012 المؤسسة الصحة العالمية والجمعية الأمريكية لرعاية المتقاعدين قاموا بدراسة الحمية والصحة وتحليل العلاقة بين شرب القهوة ومعدل الوفيات. ووجد الباحثون أن كمية القهوة المستهلكة تتناسب عكسيا مع معدل الموت، وأن أولئك الذين يشربون القهوة يعيشون أكثر من أولئك الذين لايشربونها. ومع ذلك كتب في البحث، سواء كان هذا لا يمكن تحديد الأسباب من خلال البحث الذي أجريناه.” ونشرت دراسة مماثلة مع نتائج مماثلة في مجلة نيو انغلاند للطب في عام 2012. وقال الباحثون أن المشاركين في الدراسة الجارية أعمارهم 22 من كلية هارفارد للصحة العامة ” القهوة قد يكون لها فوائد صحية محتملة، ولكن تحتاج إلى مزيد من البحث الذي يجب القيام به.”.”

وكانت النتائج أيضا متناقضة حول ما إذا كان البن له أي فوائد صحية محددة، وأيضا النتائج تتضارب بشأن الآثار المحتملة الضارة لاستهلاك القهوة. وعلاوة على ذلك، فإن النتائج والتعميمات تعقدت بسبب الاختلاف في العمر والجنس والحالة الصحية والكمية المتناولة.

الفوائد الصحية

وفقا لأبحاث السرطان في المملكة المتحدة، نتائج الدراسة واسعة النطاق التي نشرت في عام 2012 نظرة ثاقبة لتأثير شرب القهوة على السرطان، مبرزا أنه في الواقع لايوجد أي ارتباط بين الإثنين. تشير نتائج الدراسة أن «شرب القهوة لم يكن له تأثير على معدل الوفاة من السرطان». بينما تشير دراسات أخرى إلى أن تناول القهوة يقلل من خطر الإصابة بمرض الزهايمر والخرف والشلل والرعاش وأمراض القلب وداء السكري من النوع الثاني ومرض الكبد الدهني الغير كحولي وتليف الكبد والنقرس وسرطانات الكبد والجلد والبروستاتا والأمعاء والدماغ والمريء والقولون وبطانة الرحم والثدي والفم والحلق. وفي الحقيقة أن القهوة منزوعة الكافيين أيضا لها تأثيرات وقائية ضد أمراض مثل سرطان البروستاتا ومرض السكري نوع 2 وهذا يوحي بأن الفوائد الصحية للقهوة ليست فقط بسبب احتوائها على الكافيين.

وقد ثبت وجود مضادات الأكسدة في القهوة تمنع الجذور الحرة من تسبب تلف الخلايا، مما قد يؤدي إلى السرطان.مستوى الأكسدة يعتمد على كيفية تحميص الحبوب والمدة. وتشير الدلائل إلى أن البن المحمص يتأثر بمضاد للأكسدة أكثر من القهوة الخضراء.

لم يعد يعتقد أن القهوة أحد عوامل الخطر لمرض القلب التاجي. ولخص التحليل 2012 أن الناس الذين تناولوا كميات معتدلة من القهوة لديهم معدل أقل من قصور في القلب، وأكبر تأثير وجد عند أولئك الذين يشربون أكثر من أربعة فناجين يوميا. وإضافة إلى ذلك، يرتبط استهلاك القهوة المعتاد مع تحسن وظيفة الأوعية الدموية. الدراسة استمرت خلال عشر سنوات بين 50739 امرأة في الولايات المتحدة (متوسط أعمارهن 63 عاما) وهم في الأساس ليس لديهم أعراض الاكتئاب (في عام 1996)، فقد ارتبط استهلاك القهوة سلبا مع خطر الإصابة بالاكتئاب السريري.. وأشار التدقيق الذي نشر في عام 2004 وجود علاقة عكسية بين معدلات الانتحار وتناول القهوة. وأشير إلى أن عمل الكافيين هو منع التأثيرات المثبطة للالأدينوزين على دوبامين الأعصاب في الدماغ وخفض مشاعر الاكتئاب. ويرتبط استهلاك القهوة أيضا مع تحسين وظيفة بطانة الأوعية الدموية. وقد ثبت خلاصة القهوة لمنع 11β هيدروكسي ستيرويد نوع 1، وهو الانزيم الذي يحول الكورتيزون لهرمون الكورتيزول، وهو العلاج الصيدلاني الحالي الشائع لمرض السكري من النوع 2 ومتلازمة التمثيل الغذائي.

المخاطر الصحية

شرب كميات كبيرة من القهوة يمكن أن يسبب حالات مزعجة جداً خاصة بالنسبة للمسنين، وفي حالات نادرة، الآثار السلبية من الممكن أن تهدد حياتهم.الآثار السلبية للقهوة تصبح أكثر انتشاراً عندما تؤخذ بشكل زائد. العديد من المخاطر الصحية للقهوة تتعلق باحتوائها على الكافيين، وبالتالي يمكن تجنبها عن طريق شرب قهوة منزوعة الكافيين.

مكونات زيتية تسمى ثنائي التربين diterpenes موجودة في القهوة غير المرشحة والقهوة باستخدام مرشحات معدنية، ولكن ليس في القهوة المستخدم بها مرشحات ورقية.

أيضاً الأفراد المسنين المصابون بنظام الأنزيم المنضب لا يسمح له بشرب القهوة مع الكافيين

. معظم كبار السن يسمح لهم بشرب كميات معتدلة من القهوة (50-100 ملغ من الكافيين أو 5-10 غرام من مسحوق القهوة يوميا).

استهلاك القهوة يمكن أن يؤدي إلى iron deficiency بسبب نقص الحديد عن طريق التداخل مع امتصاص الحديد، وخصوصا لدى الأمهات والرضع. يعود سبب تدخل القهوة بامتصاص الحديد إلى مادة البوليفينول التي تحتوي عليها القهوة. ومع ذلك، الحديد الزائد قد يتسبب بسرطان للكبد. بالتالي استهلاك القهوة يرتبط سلبياً مع تطور سرطان الكبد وأيضاً نسبه البوليفينول.

على الرغم من أن بعض الجرعات العالية للمواد الكيميائية في القهوة تسرطن القوارض وتشير البحوث إلى أن أنها ليست خطيرة على المستويات التي يستهلكها البشر. البن القابل للذوبان لديه كمية أكبر بكثير من الأكريلاميد من القهوة. تشير الأبحاث إلى أن شرب القهوة التي تحتوي على الكافيين من الممكن أن يسبب تشنج مؤقت في جدران الشرايين. القهوة قد تفاقم المشاكل السابقة مثل الصداع النصفي، وعدم انتظام ضربات القلب، ويسبب اضطرابات في النوم. وكان يعتقد أن القهوة تفاقم مرض الجزر المعدي ولكن تشير الأبحاث الأخيرة بأنه لا توجد صلة. اوجدت الدراسات ان استهلاك القهوة يزيد من خطر الإصابة بالسكتة الدماغية خاصة بين الذين نادراً ما يشربونها. الكافيين يمكن أن يسبب القلق، وخاصة في الجرعات العالية وعند الاشخاص المصابون من قبل باضطرابات القلق. وتشير بعض الأبحاث إلى أن أقلية من مستهلكين الكافيين بانتظام معتدل خضعوا لتجربة التوقف من استخدام الكافيين وظهر لديهم الاكتئاب، والقلق، وانخفاض قوة، أو التعب. ومع ذلك، فقد تم انتقاد منهجية هذه الدراسات. آثار الانسحاب هي الأكثر شيوعا وتظهر بشكل أقوى لدى مستخدمين الكافيين الثقيل. حوالي 15% من سكان الولايات المتحدة توقفوا عن شرب القهوة تماما، بعد التقرير العام الذي أشار إلى مخاوف بشأن صحتهم والآثار الجانبية غير السارة من الكافيين. وفي 2013 هنالك دراسة قام بها ليو وآخرون. نشرت في مايو كلينيكMayo Clinic أظهرت حقيقة وجود علاقة بين استهلاك القهوة> 28 أكواب في الأسبوع (> 4 أكواب يوميا) وزيادة معدل الوفيات في مجموع السكان من الرجال والنساء والرجال الذين تقل أعمارهم عن 55 عاما.وكان هذا الارتباط ليس دلالة إحصائية بالنسبة للأشخاص الذين تتراوح أعمارهم بين 55 سنة وما فوق. وأشار الباحثون إلى أن بعض الاخطاء موجودة في الدراسة، مثل عدم وجود بيانات على الاستعدادات القهوة المختلفة التي يمكن أن تختلف بالتشكيل العام للمركبات المكونة القهوة (على سبيل المثال، cafestol، قهويول)، والتي يمكن أن تؤثر على عوامل الخطر القلبية الوعائية. عدم وجود بيانات عن الحالة الاجتماعية وإجمالي استهلاك الطاقة؛ والتباس المتبقية محتمل من عوامل المخاطر الصحية مثل التدخين. وذكر أحد مؤلفي الدراسة، «نحن لا نقول أن القهوة تسبب الموت نحن فقط نربط القهوة مع زيادة خطر الموت»، الذي يتناول القهوة بخثره.

الصحة النفسية

تنصح هيئة الصحة الوطنية في المملكة المتحدة أن تجنب القهوة قد يقلل من القلق. يرتبط الكافيين، المكون الرئيسي النشط في القهوة، بالقلق.  في الجرعات العالية، التي تزيد عادة عن 300 ملغ، يمكن للكافيين أن يسبب القلق ويزيد من تفاقمه.  بالنسبة لبعض الناس، يمكن أن يؤدي التوقف عن استخدام الكافيين إلى تقليل القلق بشكل كبير. اضطراب القلق الناجم عن الكافيين هو فئة فرعية من اضطرابات القلق الناجمة عن المواد أو الدواء. السكان الذين قد يكونون الأكثر تأثراً باستهلاك الكافيين هم المراهقون والذين يعانون بالفعل من اضطرابات القلق. أشارت الأبحاث الأولية إلى احتمال وجود علاقة مفيدة بين تناول القهوة وانخفاض الاكتئاب. البحوث الأولية طويلة الأجل، بما في ذلك تقييم أعراض الخرف وضعف الإدراك، لم تكن حاسمة بالنسبة للبن الذي له تأثير على كبار السن، ويرجع ذلك أساسا إلى رداءة نوعية الدراسات.