CALM/arwiki huggingface dataset:
كانت أغلب النظريات حتى القرن الثامن عشر تصف الضوء على أنه ناشئ عن جسيمات. أحد هذه النظريات المبكرة كانت قد وصفت في "كتاب البصريات" (1021) لابن الهيثم، الذي اعتبر أن أشعة الضوء عبارة عن تيارات من جسيمات صغيرة جداً والتي تفتقر لكل المؤهلات الحسية عدا الطاقة. كان هذا رأي إسحاق نيوتن أيضًا في طبيعة الضوء. لما كانت نماذج الجسيم غير قادرة على تفسير الانكسار والحيود والانكسار المزدوج للضوء، فقد اقتراح نظريات الموجة للضوء رينيه ديكارت (1637)، روبرت هوك (1665)، وكريستيان هايغنز (1678);، بالرغم من ذلك، ظلت نماذج الجسيم هي الغالبة، بشكل رئيسي لتأثير إسحاق نيوتن. في أوائل القرن التاسع عشر، شرح كل من توماس يونغ وفرسنل أوغست بوضوح عملية تداخل وانكسار الضوء ومع العام 1850 تم قبول نماذج الموجة عمومًا. في 1865، تنبؤات جيمس كلرك ماكسويل بأن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية والذي تأكد تقريبًا في 1888 بواسطة تحسس موجات الراديو من قبل هنريك هيرتز'—بدا أنها آخر صيحة لنماذج الضوء الجسيمية.
إن نظرية الموجة لماكسويل، مع ذلك، لا تحسب حسابًا لجميع خصائص الضوء. تتنبأ نظرية ماكسويل بأن طاقة موجة الضوء تعتمد فقط على شدتها، ليس على ترددها، على الرغم من أن أنواع عديدة من التجارب المستقلة تظهر أن الطاقة الممنوحة بالضوء للذرات تعتمد على تردد الضوء فقط وليس شدته. على سبيل المثال، بعض التفاعلات الكيميائية يتم إثارتها فقط عن طريق ضوء بتردد أعلى من حد معين. إذا كان هذا الضوء ذا تردد أقل فمهما بلغت شدته لا يحفز التفاعل. بالمثل، بالإمكان نزع الكترونات من صفيحة معدنية بتسليط ضوء ذي تردد عالي بقدر كاف عليها (تأثير كهروضوئي)؛ تتعلق طاقة الالكترونات المنتزعة بتردد الضوء فقط، وليس الشدة.
اكتشاف الفوتون.
يمكن تلخيص أبرز الأحداث التاريخية في اكتشاف الفوتون كما يلي:
الفوتون في الفراغ.
يتحرك الفوتون في الفراغ بسرعة الضوء 299792458 متر/ثانية وسرعته ثابته لا تتغير إلا إذا دخل وسطًا آخر مثل الزجاج.
وبصفته كمية طاقة تعتمد طاقته formula_5 على ثابت بلانك formula_2 وتعطى بالعلاقة:
formula_8 تردد موجة الفوتون
ونعطي هنا مثالًا عدديًا لفوتون معهود من الفوتونات الضوئية:
" formula_5 " طاقة الفوتون بالإلكترون فولت eV
formula_12: التردد الزاوي (1/ثانية).
فإذا كان التردد الزاوي: (في الثانية) ω = 1,520 · 1015
تكون طاقة الفوتون: E = 1 eV
وهذه طاقة شعاع ضوء في منطقة طيف الأشعة تحت الحمراء.
كما يمكن حساب طاقة الفوتون بمعرفة طول موجته، من المعادلة:
λ طول موجة الفوتون بالميكرومتر
فإذا كانت طول موجة الفوتون تساوي= 1,240 ميكرومتر فهي تساوي 1240 نانومتر
وتكون طاقة الفوتون: E = 1 eV
وللمقارنة فإن شعاع ضوء ذو طول موجة 620 نانومتر يكون لونه برتقالي، وبالتالي تكون طاقته = 2 إلكترون فولت.
والفوتون يتحرك باستمرار بسرعة الضوء ولا يوجد في حالة سكون، لذلك فله كمية حركة formula_14 وهي تعطى بالعلاقة التالية الناتجة عن ميكانيكا الكم:
كيف ينشأ الفوتون.
ينشأ الفوتون الضوئي في الغلاف الذري الإلكتروني عندما تتأثر الذرة بفعل الحرارة مثلًا ويصبح أحد الإلكترونات في مستوى طاقة للذرة عال، ولا يستطيع الإلكترون البقاء في ذلك المستوى فسرعان ما يقفز إلى مستوى طاقة سفلي ويطلق فارق الطاقة في هيئة فوتون (شعاع ضوء) له تردد محدد أو ذي طول موجة محددة.
فذرة الصوديوم على سبيل المثال تطلق عند الإثارة شعاعي ضوء تبلغ طول موجتهما 589 نانومتر و 590 نانومتر. ويقع هذان الشعاعان في منطقة اللون الأصفر للطيف، هذان الشعاعان هما فوتونان.
وطيف الزئبق يصدر خطين من الفوتونات طول موجتيهما 579 و 577 نانومتر يقعان في منطقة الضوء الأصفر وخط ثالث ذو طول موجة 546 نانومتر وهذا يقع في منطقة الضوء الأخضر.
وكل من هذه الفوتونات ينشأ عندما يقفز أحد الإلكترونات من مستوى للطاقة عال إلى مستوى منخفض. وتصل طاقة هذه الفوتونات بين 0.5 و 0.6 إلكترون فولت (أي أقل من 1 إلكترون فولت).
وبصفة عامة فالفوتونات عبارة عن أشعة كهرومغناطيسية، بعضها يمكن رؤيته وينتمي إلى أشعة الضوء المرئي، والبعض الآخر يمكن أن يظهر في هيئة شعاع من الأشعة السينية ذات الطاقة العالية وبالتالي فلها درجة نفاذ عالية. وتنشأ الأشعة السينية عندما يقفز إلكترون من مستوى عال في الذرة إلى مكان شاغر في الذرة بالقرب من النواة. فيكون فرق طاقتي المستويين بالغًا ويصل إلى عدة مئات إلكترون فولت.
وهناك نوع من الفوتونات ذو طاقة عالية جدًا تبلغ عدة ملايين إلكترون فولت مثل أشعة غاما. هذه الفوتونات لا تنشأ في الغلاف الذري للعناصر، وإنما تصدر من نواة الذرة.
في عام 1900م كان ماكس بلانك يعمل على مسألة إشعاع الجسم الأسود، وتوصل إلى أن الطاقة في الأمواج الكهرومغناطيسية لا يُمكن أن تنتشر إلا على شكل "حزم صغيرة" من الطاقة، أطلق عليها "الكموم" (جمع كم). لاحقًا وفي عام 1905م ذهب ألبرت آينشتاين إلى أبعد من ذلك حين قال أن الأمواج الكهرومغناطيسية لا يُمكن أن توجد إلا على شكل حزم طاقة. وقد أطلق عليها اسماً مشابهاً وهو "كموم الضوء". أما كلمة "فوتون" فقد اشتقت من الكلمة الإغريقية "φως" (فوس) والتي تعني "ضوء". وقد كان من ابتكر الكلمة هو الفيزيائي غلبرت لويس في عام 1926، والذي نشر نظرية تخمينية -غير تجريبية– حول أن "الفوتونات لا تستحدث ولا تفنى". وبالرغم من أن نظرية لويس لم تلاقِ قبولاً لتعارضها مع العديد من التجارب العلمية، إلا أن معظم الفيزيائيين استخدموا "فوتونه" الجديد مباشرة بعد طرح النظرية. حسب إسحاق أسيموف، آرثر كومبتون هو من عرّف "كموم الطاقة" بأنها "فوتونات" في عام 1923.
وعادة ما يُشار في الفيزياء إلى الفوتون برمز "γ" (الحرف الإغريقي "غاما"). وربما استخدم هذا الرمز تيمّناً بأشعة غاما (والتي اكتشفها وأسماها الفيزيائي "باول فيلارد" في عام 1990) لأنه تبيّن أنها من الأمواج الكهرومغناطيسية في عام 1914. في الكيمياء والهندسة البصرية يُرمز للفوتونات عادة بالرمز "hν"، حيث أن "h" هو ثابت بلانك و"ν" هو حرف إغريقي يدل على تردد الموجات. ويوجد رمز أقل شيوعاً هو "hf" حيث "f" اختصار للكلمة الإنجليزية "frequency" والتي تعني تردد.
الفوتون عديم الكتلة (انظر أدناه) والشحنة الكهربائية ولا يضمحل في الفضاء الخالي. الفوتون هو البوزون الحامل للقوة الكهرومغناطيسية، ونظريًا كل الأعداد الكمية الأخرى للفوتون (مثل عدد الباريون والأعداد الكمية للنكهة) هي صفر
العلاقة بين طاقة وزخم حركة الفوتون هي "E = pc"، حيث أن "E" هي الطاقة و"p" هي مقدار متجه زخم الحركة و"c" هي سرعة الضوء. طاقة وزخم حركة الفوتون يعتمدان فقط إما على تردده (ν) أو بشكل مساو على طوله الموجي (λ):
حيث أن "K" هو "متجه الموجة" و"ω" هو التردد الزاوي و"ħ" هو ثابت بلانك.
وأيضًا يملك الفوتون دورانًا مغزليًا لا يعتمد على تردده. ومقدار دورانه هو formula_17
يُعتقد حالياً أن الفوتون عديم الكتلة السكونية تمامًا (كتلته السكونية ليست قليلة جدًا بل هي لا شيء). لكن المشكلة هي أنه إذا كان الفوتون عديم الكتلة فلا يُمكن أن يتحرك بسرعة "c" في الفراغ، بل يجب أن تكون سرعته أقل وأن تعتمد على تردده. لكن في الواقع التعبير الشائع عن "c" بأنها سرعة تحرك الضوء هو خطأ، بل هي ثابت طبيعي يُمثل الحد الأقصى للسرعة التي يُمكن لأي جسم التحرك بها نظريًا في الزمكان. وهكذا فهي ما زالت سرعة الأمواج في الزمكان (أمواج الجاذبية والجاذبية)، لكنها ليست سرعة الفوتونات.
تم التحقق من تنبؤات أينشتاين عام 1905 تجريبياً بطرق عدة خلال العقدين الأولين من القرن العشرين. قبل تجربة كومبتون (تأثير كومبتون) التي أثبتت أن الفوتونات حملت زخم حركة متناسب مع رقم الموجة (التردد) كان معظم الفيزيائيين مترددين في الاعتقاد بأن الإشعاع الكهرومغناطيسي قد يكون جسيمي، بدلاً من ذلك كان هناك اعتقاد منتشر بأن تكميم الطاقة ينتج عن بعض القيود الغير معروفة للمادة الماصة والباعثة للإشعاع. تغيرت الآراء بمرور الوقت ويعود التغير بشكل جزئي إلى تجارب مثل تأثير كومبتون، حيث كان من الصعوبة بشدة ألا يعزى التكميم إلى الضوء نفسه لتفسير النتائج الملاحظة.
حتى بعد تأثير كومبتون، قام كل من نيلس بور وهندريك أنتوني كرامرز، وجون كلارك سلاتر بمحاولة أخيرة للحفاظ على نموذج ماكسويل للحقل الكهرومغناطيسي المستمر للضوء والتي أطلق عليها اسم نظرية BKS نسبة إلى (بوهر-كرامرز-سلاتر) [en]. لإدخال البيانات التي كانت متوفرة وقتها في الحساب، كان لابد من وضع فرضيتين جذريتين:
ومع ذلك، أظهرت تجارب كومبتون المدققة بأن حفظ الطاقة وزخم الحركة يتم بشكل جيد جداً في العمليات الابتدائية، وأن اهتزاز الالكترون وتوليد فوتون جديد في تأثير كومبتون يخضع للسبيبة خلال 10 بيكو ثانية. وفقا لذلك أعطى بور وزملاؤه نهاية مشرفة لنموذجهم قدر المستطاع. ومع ذلك ألهم فشل نموذج نظرية بوهر-كرامرز-سلاتر الفيزيائي فيرنر هايزنبيرغ في تطويره لميكانيكا المصفوفات.
استمر القليل من الفيزيائيين في تطوير النماذج النصف تقليدية والتي تصف الإشعاع الكهرومغناطيسي بأنه غير مكمم وتخضع فيها المادة لقوانين ميكانيكا الكم. بالرغم من أن الأدلة على وجود الفوتونات من التجارب الفيزيائية والكيميائية كانت ساحقة، فإنها لن تؤخذ نتيجة مطلقة، نظراً لاعتمادها على التفاعل بين الضوء والمادة. ومع ذلك دحضت تمامًا كل النظريات النصف تقليدية المعقدة للمادة في السبعينيات والثمانينيات من القرن العشرين بالتجارب المرتبطة بالفوتون. ومنذ ذلك الحين تم الأخذ بعين الاعتبار نظرية أينشتاين بأن التكميم خاصية للضوء نفسه ليتم إثباتها.
الحساب الكمومي هو أي وسيلة تعتمد على مبادئ ميكانيكا الكم وظواهره، مثل حالة التراكب الكمي والتشابك الكمي، للقيام بمعالجة البيانات. في الحواسيب التقليدية، تكون كمية البيانات مقاسة بالبت : أما في الحاسوب الكمي فتقاس كمية البيانات بالكيوبت qubit (اختصارا ل Quantum bits). المبدأ الأساسي للحوسبة الكمية هي القدرة على الاستفادة من الخواص الكمية للجسيمات لتمثيل البيانات ومعالجتها، إضافة لاستخدام قواعد ميكانيكا الكم لبناء وتنفيذ التعليمات والعمليات على هذه البيانات.
منذ ظهور أول حاسوب(ميكانيكي) في العام 1941 حدثت العديد من الاكتشافات والاختراعات الفيزيائية التي غيرت وجه عالم الحواسيب وصنعت منها الأجهزة الحديثة والمتطورة التي نراها اليوم.أهم هذه الاختراعات والاكتشافات الفيزيائية هي: الأنابيب المفرغة، الترانزستورات والدوائر المتكاملة.
تطورت الحواسيب في اتجاهات مختلفة فهي الآن صغيرة الحجم، خفيفة الوزن، جميلة المظهر، وفوق ذلك ذات إمكانيات متطورة وكفاءة عالية بالمقارنة مع الحواسيب القديمة كالذي يظهر في الشكل 1.1 والتي كانت ذات أحجام كبيرة (في حجم غرفة تقريباً) واستخدمت تكنولوجيا الأنابيب المفرغة الإلكترونية مما اكسبها كفاءة متدنية جدا بالمقارنة مع أي حاسوب شخصي في أيامنا هذه.
حاليا تجرى الأبحاث على كلا الجانبين : البرمجيات والمكونات الصلبة للحواسيب. فحتى هذه اللحظة ما زال علينا حمل حواسيب محمولة تزن عدة كيلوغرامات، استخدام لوحة المفاتيح، إعادة تكرار الأوامر والإجابة على أسئلة بسيطة يطرحها الحاسوب. (الشكل 1.2 يظهر حاسوباً تقليدياً من النوع المعروف باسم الحاسبات الشخصية. ولكن معضلات أخرى ما زالت موجودة. مثلاً البنوك، كبرى الشركات، وحتى الحكومات دائماً في حالة قلق من اختراق بياناتها المحوسبة وكسر سريتها، مما يكلفها أمولا طائلة للتشديد من سرية المعلومات، ولكن قراصنة الحاسوب أيضا يتطورون يوما عن يوم. تحليل الأرقام الكبيرة إلى عواملها الأولية يمثل تحدياً آخر لعلماء الرياضيات. فمثلاً لتحليل رقم يتكون من 230 رقماً ستتطلب هذه العملية وقتاً يقاس بملايين السنين عن طريق أحدث الحواسيب الكلاسيكية. حواسيب الكم ربما تمثل حلاً لمثل هذه المعضلات. أو بمعنى آخر نستطيع القول أن حواسيب الكم أعلى كفاءة من الحواسيب الكلاسيكية. إذن؛ ما هي حواسيب الكم؟ كيف تختلف عن الحواسيب الكلاسيكية؟ وما المتوقع منها بالضبط؟.
في العام 1994 اعلن عالم الرياضيات بيتر شور عن اكتشافه لخوارزمية بسيطة لتحليل الأرقام إلى مكوناتها الأولية بواسطة آلة حاسوبية تقوم على أسس فيزياء الكم. ومنذ ذلك الوقت مانفكت الأبحاث محاولةً تحقيق هذه الآلة (حاسوب الكم). لذا لابد أن يتكون الحاسوب الكمي من مكونات إلكترونية صغيرة جداً تماثل الذرات المنفردة حجماً. وبالتالي ستخضع هذه المكونات ذات الأحجام الصغيرة جدا لقوانين ميكانيكا الكم موفيةً بذلك الشرط اللازم لعمليات الحاسوب الكمي. ولهذا السبب يعتبر الحاسوب الكمي جزءاً من تكنولوجيا النانو الحديثة والتي تتعامل مع الأنظمة التي تحتوي علي مكونات نانوية الأبعاد (أجهزة ذات حجم ~ 1 نانو متر =10–9 متر).
بينما وحدة المعلومات في الحواسيب الكلاسيكية هي البت، تعتبر البت الكمية هي الوحدة النظيرة من المعلومات في الكمبيوتر الكمي. بت واحدة تعادل احدي حالتين 0 او1 واللذان يمثلان النظام الثنائي الذي تتعامل معه الحواسيب الكلاسيكية. بينما البت الكمية تستطيع أن تمثل بالإضافة إلى هاتان الحالتان حالة التراكب الكمي المكونة منهما معا، وبالتالي فان زوجاً من البت الكمية بستطيع أن يمثل أي تراكب كمي من الحالات الأربعة : I0,0&gt;, I0,1&gt;, I1,0&gt; or I1,1&gt; حيث نستخدم طريقة ديراك لتمثيل الحالة الكمية. بالعموم فان الحاسوب الكمي المكون من n بت كمية يمكن أن يكون أي تراكب اعتباطياً من 2n حالة مختلفة متواجدين آنيا، بينما في الحواسيب العادية n عدد من البتات يعني n حالة محددة ولا توجد أي حالات متزامنة آنياً. وهذا يعكس القوة الحوسبية الكبيرة التي تقدمها الحواسيب الكمية بالمقارنة مع الحواسيب الكلاسيكية.
الحواسيب الكمية ما زالت تحت البحث وما زال الجدل قائماً حول ما إذا كان إيجاد مثل هذه الحواسيب علي أرض الواقع في المستقبل ممكناً أو لا.وعلي كل حال فإن العمل علي الحواسيب الكمية يستطيع إثراء فيزياء الكم الأساسية وفي الوقت نفسه يستطيع إثراء الأبحاث علي مستوي القياس النانوي. في وقت قريب تم بناء حاسوب كمي صغير يتكون من سبعة بتات كمية مثلت بواسطة سبعة مغازل نووية (nuclear spins) خمسة منها من نويات الفلور واثنان من نويات الكربون -13 (انظر الشكل1.3) في معامل آي بي إم وستانفورد.
بشكل مماثل لقضيب مغنطيسي يشير إلى الشمال أو الجنوب يستطيع كل مغزل أن يمثل الأرقام الثنائية "0" أو "1" أو كلاهما معاً (انظر إلى الأسهم السوداء في الشكل 1.3). ويمكن التحكم في ذلك عن طريق مجالات مغنطيسية وموجات الراديو(تقنية الرنين المغنطيسي النووي). بواسطة حاسوب السبع بتات الكمية هذا أمكن الاستفادة من ميزة الحوسبة الكمية الفريدة -ألا وهي قابلية التراكب- لقياس الأعداد الأولية المكونة للرقم 15 ألا وهي 3و 5. ولكن تحليل الأعداد الكبيرة إلى عواملها الأولية يتطلب حاسوباً ذو عدد أكبر من البتات الكمية، ويبقى هذا تحدياً لبناء حاسوب كمي حقيقى كبير.
آلة تورنغ والتي وضعها آلان تورنغ في ثلاثينيات القرن العشرين، هي آلة نظرية تتألف من شريط لانهائي الطول مُقسم إلى مربّعات صغيرة، كل من هذه المربّعات يَحمل الرمز 1 أو 0 أو يبقى فارغاً. يقوم جهاز (قراءة/كتابة) بقراءة هذه الرموز والفراغات وهذا ما يعطي الآلة التعليمات لتقوم بعملٍ ما. الآن في آلة تورنغ الكمومية الفرق أنّ الشريط ورأس (القراءة/كتابة) يوجد في حالةٍ كمومية وهذا يعني أنّ الرموز على الشريط يمكن أن تكون 0 أو 1 أو حالة مُختلطة من 0 والـ 1. بعبارة أخرى الرموز تكون 1 و0 (وكل النقط بينهما) في نفس الوقت. فبينما تقوم آلة تورنغ العادية بتنفيذ عملية واحدة في وقت واحد، تقوم آلة تورنغ الكمومية بتنفيذ العديد من العمليات في نفس الوقت.
تعمل حواسيب اليوم –كآلة تورنغ- بمعالجة البيتات الموجودة في حالتين 0 أو 1. الحواسيب الكمومية ليست مُقيّدة بحالتين فهي تُرمز المعلومات على شكل بيتات كمومية أو اختصاراً (qubits) والتي يمكن أن توجد في الحالة المختلطة. يمكن تمثّيل البتات الكمومية عبر: ذرّات، أيونات، فوتونات أو إلكترونات والأجهزة التي تتحكّم بها والتي تعمل معاً فتصبح ذاكرة أو معالج. لأنّ الحواسيب الكمومية تحوي هذه الحالات المُتعددة وبنفس الوقت، فهي تملك القدرة على أن تكون أقوى بملايين المرات من الحواسيب الفائقة الموجودة اليوم.
التحكم بالحواسيب الكمومية.
يتحكم علماء الحواسيب بالأجزاء المجهرية التي تتصرف كبتات كمومية في الحواسيب الكمومية مستخدمين أجهزة تحكم
تعتمد طرق التعمية الكمومية لتوثيق وضمان الأمان في نقل البيانات في الاتصالات بناء على قواعد وظواهر الميكانيك الكمومي.
تستخدم طرق التعمية التقليدية طرقا رياضية لإخفاء المعلومات التي تحتويها الرسائل عن المتلصصين، لكن في التعمية الكمومية يكون التركيز أساسا على فيزياء المعلومات. فعملية إرسال وحفظ المعلومات تتم في هذه الحالة باستخدام وسائل فيزيائية مثل الفوتونات في حال الألياف الضوئية والإلكترونات في حالة التيار الكهربائي.
عملية التجسس هنا تحدث بعملية قياس للحامل الفيزيائي للمعلومات (سواء كان فوتونا أو الكتونا أو أي جسيم كمومي) اعتمادا على قوانين الفيزياء. لكن استخدام ظواهر كمومية مثل التشابك الكمومي يسمح بتصميم وتصميم أنظمة اتصالات تكشف عملية التجسس بسهولة، لأن أي عملية قياس للحامل الفيزيائي الكمومي ستخرب حالته الكمومية تاركة أثرا يستحيل محيه.
إطار مرجعي (Frame of Reference) (أو جملة إحداثيات مرجعية أو نظام مرجعي) هو مصطلح فيزيائي يشير إلى مجموعة محاور يقوم المراقب الفيزيائي (سواء كان مراقب نيوتن أو مراقب دالامبير) بتحديد موضع وحركة كل نقطة من نقاط النظام الفيزيائي.
يمكن لمراقبين مختلفين أن يقوما باختيار جملتين مرجعتين مختلفتين، أو ما يدعى أحيانا جملة مقارنة، لوصف نفس الجملة الفيزيائية. بالطبع يمكن للإطار المرجعي أن يأخذ أي شكل من أشكال الإحداثيات:
الزمن هو عملية تقدم الأحداث بشكلٍ مستمر وإلى أجل غير مسمى بدءً من الماضي مروراً بالحاضر وحتى المستقبل، وهي عملية لا رجعة فيها/متعذر إلغاؤها.
ربما يكون مصطلح الزمن الأعصى على التعريف، فالزمن أمر نحس به أو نقيسه أو نقوم بتخمينه، وهو يختلف باختلاف وجهة النظر التي ننظر بها بحيث يمكننا الحديث عن زمن نفسي أو زمن فيزيائي أو زمن تخيلي.
لكن يمكننا حصر الزمن مبدئيا بالإحساس الجماعي للناس كافة على توالي الأحداث بشكل لا رجوع فيه، هذا التوالي الذي يتجلى أكثر ما يتجلى بتوالي الليل والنهار وتعاقب الأيام فرض على الناس تخيل الزمن بشكل نهر جار باتجاه محدد لا عودة فيه.
مع الأيام لاحظ البشر أن العديد من الظواهر الفيزيائية بدءا من حركات الشمس إلى تساقط الرمل من وعاء زجاجي إلى اهتزاز نوّاس بسيط تأخذ فترات زمنية متساوية حسب تقديرهم مما دفعهم لتطوير ميقاتيات وأدوات لقياس الزمن باستخدام هذه الظواهر فأوجدوا المزولة الشمسية ثم الساعة الرملية ثم ساعة النواس أو البندول.
وفي كل هذه الأزمان تم اعتبار الزمن على أنه أحد المطلقات فالفترات الزمنية الفاصلة بين حدثين مختلفين ثابت بالنسبة لكافة المراقبين، وهذا أمر حافظ عليه نيوتن باعتباره الزمن شيئا مطلقا كونيا فتغيرات الزمن ثابتة في جميع أنحاء الكون، وهو يجري أبدا كما هو بالنسبة لجملة فيزيائية تتحرك بانتظام أو بتسارع، تتحرك حركة دائرية أو مستقيمة.
ما زال هذا المفهوم للزمن منتشرا بين الناس كونه يطابق كثيرا إحساسهم به إلا أن الفيزياء الحديثة قامت بإنزال الزمن عن عرشه وإلغاء صفة الإطلاق التي اتصف بها عبر السنين، فنظرية النسبية الخاصة اعتبرته أحد مكونات المسرح الكوني التي تجري فيه الأحداث وبالتالي أصبحت لكل جملة فيزيائية زمنها الخاص بها الذي يختلف عن زمن جملة فيزيائية أخرى.
قياس الزمن والتاريخ.
بصورة عامة، أخذت طرق قياس الزمن صورتين منفصلتين: التقويم وهو أداة رياضية لتنظيم الفترات الزمنية، والساعة وهي آلة ميكانيكية تقيس مرور الوقت. في الحياة اليومية، يتم الرجوع إلى الساعة في الفترات أقل من يوم بينما يتم الرجوع إلى التقويم في الفترات الأطول من يوم. بصورة متزايدة، تُظهر الأجهزة الكهربائية الشخصية كلا من التقويم والساعة في نفس الوقت.
تاريخ التقويم.
تقترح الآثار من العصر الحجري القديم أن القمر كان يُستخدم في تقدير الوقت لأكثر من 6000 سنة. كان التقويم القمري من أول التقويمات ظهوراً حيث يتكون من 12 أو 13 شهرا قمريا (354 أو 384 يوما). بدون ضبط التاريخ بطريقة الإقحام لإضافة أيام أو شهور لبعض السنوات، تنحرف الفصول سريعاً في تقويم مبني فقط على اثني عشر شهراً قمرياً. في التقويم الشمسي القمري شهرا إضافيا يُضاف لبعض السنوات للتعويض عن الفرق بين السنة الكاملة (المعروفة الآن بأنها حوالي 365.24 يوما) وبين سنة من اثني عشر شهرا قمريا. ظهرت الأرقام اثنا عشر وثلاثة عشر للتمييز في الكثير من الثقافات، جزئيا على الأقل بسبب هذه العلاقة بين الشهور والسنوات. ظهرت صور مبكرة أخرى للتقويم في أمريكا الوسطى، وخاصة في حضارة المايا القديمة. كان هذا التقويم دينيا فلكيا به 18 شهر في السنة و20 يوما في الشهر بالإضافة إلى خمسة أيام إضافية في نهاية كل عام.
وضعت إصلاحات يوليوس قيصر في 45 ق.م الإمبراطورية الرومانية على تقويم شمسي. كان هذا التقويم اليولياني خاطئا حيث أن إقحامه كان لا يزال يسمح للانقلاب الشمسي والاعتدال الشمسي بالتقدم عكسه بحوالي 11 دقيقة في السنة. قدم البابا غريغوريوس الثالث عشر تصحيحا في 1582، وبدأت دول متعددة اعتماد التقويم الميلادي على مدار عدة قرون، ولكنه الآن أكثر تقويم مستخدم حول العالم بفارق كبير.
أثناء الثورة الفرنسية، تم اقتراح ساعة وتقويم جدد في محاولة لإعادة الوقت إلى المسيحية وخلق نظام أكثر عقلانية من أجل استبدال التقويم الميلادي. تكونت أيام التقويم الجمهوري الفرنسي من عشر ساعات في كل منها مائة دقيقة في كل منها مائة ثانية، مما يعتبر انحرافاً عن نظام العد الاثني عشري المستخدم في العديد من الثقافات الأخرى. تم إلغاء النظام لاحقا في سنة 1806.
تاريخ آلات قياس الوقت.
تم اختراع عدد كبير من أجهزة القياس بهدف قياس الوقت. يُطلق على دراسة هذه الأجهزة اسم علم البنكامات.
يعود جهاز مصري إلى حوالي 1500 ق.م –شبيه بالمسطرة حرف تي- والذي كان يقيس مرور الوقت باستخدام الظل الساقط من العمود الموجود على مسطرة غير خطية. كان حرف تي يوضع شرقا في الصباح، وعند الظهر يُقلب الجهاز ليتمكن من إسقاط ظله في اتجاه المساء.
تستخدم المزولة قياسا يلقي بظله على عدد من العلامات التي تمثل الساعة. يحدد مكان سقوط الظل الساعة في المنطقة الزمنية. تعود فكرة تقسيم اليوم إلى أجزاء أصغر إلى المصريين بسبب اختراعهم المزولة والتي كانت تعمل على نظام اثني عشري. ترجع أهمية الرقم اثني عشر إلى عدد الدورات القمرية في السنة وعدد النجوم المستخدمة لحساب مرور الوقت ليلا.
كانت أكثر أجهزة العالم القديم دقة في قياس الوقت هي الساعة المائية والتي وُجدت واحدة منها في مقبرة الفرعون المصري أمنحتب الأول. كانت الساعة المائية تُستخدم في قياس الساعات حتى في الليل ولكنها كانت تتطلب ضبطا يدويا لاستكمال تدفق الماء. حافظ اليونانيون القدماء وشعوب كلدو (جنوب بلاد ما بين النهرين) على قيسهم للوقت كجزء أساسي في ملاحظاتهم الفلكية. قدم المخترعون والمهندسون العرب تحسينات على استخدام الساعات المائية حتى العصور الوسطى. في القرن الحادي عشر، اخترع المخترعون والمهندسون الصينيون أول ساعة ميكانيكة مبنية على آلية ميزان الساعة.
تستخدم الساعة الرملية سريان الرمل لقياس مرور الوقت. استُخدمت هذه الساعات في الملاحة. استخدم فرناندو ماجلان 18 ساعة رملية على كل سفينة عند إبحاره حول الكرة الأرضية في 1522.
كانت أعواد البخور والشمع تُستخدم لقياس الوقت في المعابد والكنائس حول العالم. كانت ساعات الماء ولاحقا الساعات الميكانيكية تُستخدم لتحديد أحداث الكنائس والأديرة في العصور الوسطى. بنى ريتشارد من والينجفورد (1292-1336) ساعة ميكانيكة شهيرة كآلة فلكية في حوالي 1330.
قدم غاليليو غاليلي إسهامات ضخمة في قياس الزمن بدقة، وخاصة كريستيان هوغنس مع اختراع الساعات القائمة على البندول مع اختراع جوست بورغي لعقرب الدقائق.
تأتي الكلمة الإنجليزية clock والتي تعني الساعة من الكلمة الهولندية الوسطى klocke والتي تأتي بدورها من الكلمة اللاتينية الوسطى clocca والتي أتت في آخر الأمر من اللغة الكلتية والتي تشبه الكلمات الفرنسية واللاتينية والألمانية والتي تعني الجرس. تحدد مرور الساعات في البحر بواسطة الأجراس والتي كانت تدلل على الوقت (انظر جرس سفينة). تحددت الساعات في الكنائس عن طريق الأجراس مثل البحر.
تمتد الساعات من ساعات اليد إلى الأنواع الأخرى الأكثر غرابة من الساعات. تعمل الساعات على العديد من الوسائل بما في ذلك الجاذبية والنوابض والعديد من صور القوى الكهربية، كما يضبطها العديد من الوسائل الأخرى مثل الرقاص أو البندول.
ظهرت المنبهات لأول مرة في اليونان القديمة حوالي سنة 250 ق.م في ساعة مائية تطلق صافرة. عدل كل من ليفي هتشنز وسيث توماس لاحقا على هذه الفكرة.
الكرونومتر هو أداة محمولة لتتبع الوقت والذي لا بد أن يصل إلى بعض أسس الدقة. في البداية، استُخدم المصطلح للإشارة إلى الكرونومتر البحري وهو أداة زمنية تستخدم لتحديد الطول الجغرافي باستخدام طرق الملاحة الفلكية، والتي كان جون هاريسون أول من حقق الدقة من خلالها. حديثا، تم تطبيق المصطلح أيضا على الكرونومتر الخاص بالزمن، وهي ساعة تصل إلى بعض أسس الدقة التي تضعها الشركة السويسرية COSC.
أكثر الآلات الزمنية دقة في تتبع الوقت هي الساعة الذرية، والتي تبلغ دقتها ثانية كل عدة ملايين من السنين، وتستخدم في ضبط الساعات والآلات الزمنية الأخرى.
تستخدم الساعات الذرية الانتقالات الإلكترونية في بعض الذرات لقياس الثانية. أحد أكثر الذرات المستخدمة هي ذرة عنصر السيزيوم، حيث تفحص معظم الساعات الذرية الحديثة السيزيوم بموجات الراديو لتحدد تردد اهتزازات هذه الإلكترونات. منذ 1967، حددت المنظمة الدولية للقياسات وحدة الزمن (الثانية) بناء على خواص ذرات السيزيوم. يعرف نظام الوحدات الدولي الثانية بأنها 9,192,631,770 دورة للإشعاع المقابل للانتقال بين مستويي طاقة للإلكترون من الحالة الأرضية لذرة السيزيوم.
اليوم يمكن استخدام نظام التموضع العالمي بالتنسيق مع بروتوكول وقت الشبكة لتوقيت وتزامن أنظمة قياس الوقت حول العالم.
في الكتابات الفلسفية من العصور الوسطى، كانت الذرة هي وحدة قياس الزمن حيث كان يُشار إليها بأنها أصغر وحدة ممكنة من الزمن. أول ذكر للكلمة في الإنجليزية في كتابات بيرثفيرث (كتاب علمي) في حوالي 1010-1012 حيث عرفها بأنها 1/564 من فترة الزخم (دقيقة ونصف) وبالتالي يساوي 15/94 من الثانية.
منذ مايو 2010، أصبحت أصغر وحدات تقسيم الزمن هو الأس 12 للأتوثانية (1.2 × 10−17 ثانية) وهي حوالي 3.7 × 1026 من زمن بلانك.
وحدات الزمن.
الثانية هي الوحدة الأساسية لنظام الوحدات الدولي. الدقيقة هي 60 ثانية، والساعة تبلغ 60 دقيقة. يبلغ اليوم 24 ساعة أو 86,400 ثانية.
الزمن الخطي والزمن الدوري.
كان للعديد من الحضارات القديمة مفهوم عجلة الزمن مثل الإنكا والمايا والهوبي والقبائل الأخرى في أمريكا الوسطى، بالإضافة إلى البابليين واليونانيين القدماء والهندوسيين والبوذيين والجاينيين وغيرهم، حيث اعتبروا الزمن على أنه تعاقب دوري ومتجانس ويتكون من أعمار متكررة تحدث لكل كائن حي في الكون ما بين مولده ووفاته.
بشكل عام، يعتبر التراث الإسلامي والتراث اليهودي المسيحي أن الزمن يسير بصورة خطية واتجاه نسبي، حيث بدأ بفعل الخلق بواسطة الله. يرى التراث المسيحي التقليدي أن الزمن ينتهي (لاهوتيا) مع الإسخاتولوجيا المسيحية ونهاية النظام الحالي للأشياء أو ما يُعرف باسم "نهاية الزمان". في العهد القديم كتاب سفر الجامعة والمنسوب تقليديا إلى سليمان (970-928 ق.م)، اعتُبر الزمن (أو الكلمة العبرية זמן)وسيلة لإنفاذ أحداث القدر.
الزمن في الميثولوجيا اليونانية.
تفرق اللغة اليونانية بين مبدأين منفصلين: خرونوس وكايروس. يشير الأول إلى الزمن العددي أو التقويمي، بينما يشير الأخير (حرفيا اللحظة الحالية) إلى الزمن الإلهي أو الميتافيزيقي. في اللاهوت، كايروس قابل للتعداد على عكس خرونوس.
في الميثولوجيا اليونانية، كرونوس (باليونانية القديمة: Χρόνος) هو تشخيص الزمن. اسمه في اليونانية يعني "الزمن". عادة ما كان يتم تشخيص الزمن على أنه رجل عجوز حكيم له لحية طويلة رمادية.
الزمن في القبالة.
طبقا للقبالة اليهودية، فالزمن مفارقة ووهم، فكل من المستقبل والماضي هي أحداث حاضرة مجمعة.
ينقسم الفلاسفة إلى رأيين متضادين بخصوص الزمن. أحد الرأيين هو جزء من التركيب الأساسي للفضاء الكوني أو بُعد مستقل عن الأحداث والذي تحدث فيه الأحداث متتالية. كان إسحق نيوتن أحد مناصري هذا الرأي الواقعي، ومن هنا أصبح يُشار إلي ذلك الرأي باسم الزمن النيوتوني. الرأي المقابل هو أن الزمن لا يشير إلى أي نوع من "الاحتواء" والذي "تتحرك" الأشياء والأحداث خلاله، ولكنه جزء من بناء عقلي أساسي (مع المكان والعدد) والذي تحدث فيه أفعال وأحداث البشر. يرى هذا الرأي الثاني (مثل غوتفريد لايبنتس وإيمانويل كانت) أن الزمن ليس بحدث أو شيء، وبالتالي فهو غير قابل للقياس في حد ذاته كما لا يمكن السفر عبره.
علاوة على ذلك، ربما يكون هناك مكون ذاتي للزمن ولكن سواء لا تزال إمكانية الإحساس بالزمن كشعور أو كتقييم مسألة تخضع للكثير من الجدل.