7 اختراقات علمية أحدثت تغيرا نوعيا في أميركا

نادراً ما يتحرك العلم في خطوط مستقيمة. و«يُطبق» العلم في بعض الأحيان لحل مشكلات محددة، مثل: دعونا نرسل الناس إلى سطح القمر؛ نحن بحاجة إلى لقاح ضد «كوفيد»، كما كتب آلان بورديك وإيميلي أنثيس*.

علوم أساسية وتمويل حكومي

في كثير من الأحيان يكون العلم «أساسياً»، ويهدف إلى فهم انقسام الخلايا وتكاثرها أو فيزياء تكوين السحب، على أمل أن تُثبت هذه المعرفة - يوماً ما وبطريقة ما - أنها مفيدة. والعلوم الأساسية هي علوم تطبيقية لم تُطبق بعد.

وتنفق الحكومة 200 مليار دولار سنوياً على مجالات البحث والتطوير، مع العلم أن المردود قد يأتي بعد عقود من الزمن؛ ومن المتوقع أن ينخفض هذا الرقم بشكل حاد في ظل ميزانية الرئيس دونالد ترمب المقترحة لعام 2026.

وخير مثال على الدعم المالي الحكومي هي شركة «غوغل»، التي بدأت في عام 1994 بمنحة فيدرالية بقيمة 4 ملايين دولار للمساعدة في بناء مكتبات رقمية؛ وقد أصبحت قيمة الشركة تبلغ الآن 2 تريليون دولار.

النظام العالمي لتحديد المواقع

وفيما يلي سبعة تطورات أخرى غيّرت مجرى الحياة بفضل الاستثمارات الحكومية.

اول الاختراقات- النظام العالمي لتحديد المواقع (GPS)، اذ صُنعت أول وحدة تجارية له في عام 1988، وهي عبارة عن قطعة كبيرة بحجم قطعة قرميد بقيمة 3 آلاف دولار أميركي للمتنزهين وراكبي القوارب. وقد أصبحت هذه التكنولوجيا الآن منتشرة في كل مكان - في السيارات والطائرات والهواتف والساعات الذكية التي تعمل بالتطبيقات - لدرجة أن وجودها قد يبدو أمراً محتوماً.

في واقع الأمر، كان طريقها طويلاً وغير مباشر وممهداً بأموال حكومية. البداية كانت في عام 1957: أدرك اثنان من الباحثين في مختبر الفيزياء التطبيقية بجامعة جونز هوبكنز أن بإمكانهما تحديد مكان «سبوتنيك»، القمر الصناعي الروسي الجديد الذي يدور حول الأرض، من خلال التردد المتغير لإشارته اللاسلكية أثناء تحركه.

والآن لنعكس هذا المنطق: إذا كان بإمكان جهاز استقبال ثابت على الأرض تحديد موقع قمر اصطناعي متحرك، فإن القمر الاصطناعي ذو الإحداثيات المعروفة يجب أن يكون قادراً على العثور على جهاز استقبال «مفقود» على الأرض، عندما يكون موقعه غير معروف.

تحولت هذه الفكرة، في عام 1958، إلى نظام يسمى «ترانزيت» Transit، وهو عبارة عن نظام ملاحي لتتبع الغواصات النووية، طورته جامعة جونز هوبكنز مع وزارة الدفاع. ثم جاء بعد ذلك نظام «نافستار» Navstar العالمي لتحديد المواقع، بدءاً من عام 1978، للاستخدام العسكري على نطاق أوسع؛ وفي عام 1983، تم السماح لشركات الطيران التجارية باستخدامه أيضاً.

كل هذا تطلب أقماراً اصطناعية أحدث؛ وساعات ذرية من أجل دقة أفضل؛ وصواريخ لإطلاق كل شيء إلى المدار؛ وأبحاثاً في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا ومختبر الأبحاث البحرية؛ وعقوداً حكومية لشركات مثل «روكويل إنترناشيونال» و«جنرال دايناميكس» و«بوينغ». والآن صار يُطلق عليه فقط اسم «نظام تحديد المواقع العالمي» (GPS).

أدوية السكري والسمنة

اليوم، يتناول ملايين الأميركيين أدوية مثل «أوزيمبيك» أو «ويغوفي» أو «مونجارو» أو أحد الأدوية الجديدة الرائجة الأخرى لعلاج مرض السكري وإنقاص الوزن، بفضل الدعم الحكومي - وبفضل سحلية بطيئة سامة يمكنها البقاء على قيد الحياة بتناول وجبات قليلة في السنة.

في عام 1980، اكتشف الدكتور جان بيير روفمان، وهو باحث يدرس سموم الحشرات والزواحف في المعاهد الوطنية للصحة، أن اسم «وحش جيلا» Gila monster له تأثير واضح على البنكرياس، إذ يدفعه إلى إفراز إنزيم هاضم. وقد أثار هذا الأمر اهتمام الدكتور جون إنغ، اختصاصي الغدد الصماء في المركز الطبي لشؤون المحاربين القدامى في برونكس بنيويورك، والذي عمل رفقة الدكتور روفمان لعزل وتحديد مركب جديد، هو مركب «إكسيندين 4» في سم السحلية. وفي عام 2005، تمت الموافقة على نسخة اصطناعية من المركب، الذي يحفز إنتاج الإنسولين ويبطئ إفراغ المعدة، لعلاج مرض السكري.

وقد كان أول دواء في فئة الأدوية المزدهرة الآن، والمعروفة باسم «ناهضات مستقبل الببتيد الشبيه بالغلوكاجون-1» GLP-1 receptor agonists، والتي تخضع للدراسة حالياً لبحث إمكانية استخدامها في علاج مجموعة واسعة من الحالات، بما في ذلك أمراض الكلى، وألزهايمر، واضطراب الإدمان الكحولي.

النقاط الكمومية

إذا كنت تقرأ هذا على الشاشة، فربما تنظر إلى المليارات من النقاط الكمومية.

والنقاط الكمومية quantum dots هي بلورات صغيرة من أشباه الموصلات، يبلغ حجمها 10 نانومترات (واحد من المليار من المتر) أو أصغر، وقد أصبحت دعامة أساسية في الإلكترونيات الاستهلاكية. ولكونها نانوية، فهي تخضع لقوانين ميكانيكا الكم الغريبة، وتمتص وتبعث الضوء بكفاءة أكبر من المواد الأخرى.

النقاط الكمومية ألوانها نابضة بالحياة، إنها مثالية لأجهزة التلفاز والهواتف الذكية وشاشات الكمبيوتر. وهي تضيء للتعرف على الخلايا السرطانية. وهي موجودة في النوافذ الشفافة التي تعمل أيضاً كألواح شمسية. وتكشف في أجهزة الاستشعار العسكرية، عن إشعاعات الميكروويف.

صُنعت النقاط الكمومية للمرة الأولى في عام 1980، ثم صُقلت وصارت قابلة للإنتاج على نطاق واسع بتمويل من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا ومعهد الجيش الأميركي للتقنيات النانوية العسكرية ووكالات أخرى. وفي عام 2023، فاز ثلاثة علماء، من بينهم كيميائي من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مدعوماً بمنح من الجيش، بجائزة نوبل في الكيمياء لاكتشافهم النقاط الكمومية وتطويرها.

قاموس لغة الإشارة

عندما وصل ويليام ستوكو، أستاذ الأدب الإنجليزي، إلى كلية غالوديت في عام 1955، كانت العديد من المدارس تشترط على الطلاب الصم قراءة الشفاه والتحدث بصوت عالٍ بدلاً من استخدام لغة الإشارة، والتي كانت تُعتبر شكلاً فجاً أو أقل شأناً من أشكال التواصل. لكن بالنسبة لستوكو، الذي لم يكن أصماً، بدت لغة الإشارة التي يستخدمها طلابه ديناميكية ومعقدة.

في السنوات التالية على ذلك، استخدم ستوكو منحاً من مؤسسة العلوم الوطنية لإجراء دراسات متعمقة حول البنية اللغوية للغة الإشارة وإنشاء أول قاموس للغة الإشارة Sign Language Dictionary الأميركية، بالتعاون مع اثنين من زملائه فيما يعرف الآن بجامعة غالوديت. أرست أبحاث ستوكو الأساس للاعتراف بلغة الإشارة الأميركية كلغة كاملة.

حروف التحقق أو «الكابتشا»

هل أنت روبوت؟ ربما لا. نحن نعرف هذا - «نحن»، هو أي موقع إلكتروني تزوره ويطرح عليك هذا السؤال - بفضل تقنية أمنية تسمى «حروف التحقق: كابتشا» (CAPTCHA)، وهي لغز رقمي يستبعد الروبوتات غير البشرية التي قد تحاول تعطيل نظام الفواتير، أو قاعدة بيانات أخرى ذات قيمة.

تم اختراع «كابتشا»، والتي تعني «اختبار تورينغ العام الآلي الكامل للتفريق بين أجهزة الكمبيوتر والبشر»، في عام 2000 من قبل البشر، بما في ذلك مايكل بلوم، وهو عالم تشفير في جامعة كارنيجي ميلون، ولويس فون آهن، عالم الكمبيوتر هناك الذي دعمت أبحاثه منح مؤسسة العلوم الوطنية الأميركية.

إن البشر أفضل من الحواسيب في فك تشفير الحروف والكلمات؛ حيث كانت اختبارات «كابتشا» المبكرة تعرض صورة لنص مشوه، وكان على المشاهد أن يكتبها بشكل صحيح للمتابعة. وفي عام 2007، عمل فون آهن مع صحيفة نيويورك تايمز لرقمنة قرن من المحفوظات.

جراحة الليزك من دون شفرات

أدى خطأ مخبري إلى حدوث تقدم في جراحة الليزك، وهي عملية يخضع لها مئات الآلاف من الأميركيين كل عام لإعادة تشكيل قرنياتهم وتصحيح بصرهم.

في عام 1993، أزال ديتاو دو، وهو طالب الدراسات العليا في مركز جامعة ميشيغان للعلوم البصرية فائقة السرعة، نظارات السلامة الخاصة به لفترة وجيزة أثناء عمله مع «ليزر الفيمتو ثانية» في المختبر، فأصابت عينه نبضة طائشة من ضوء الليزر. يُصدر ليزر الفمتو ثانية نبضات قوية من الضوء تدوم لمدة جزء من كوادريليون جزء من الثانية؛ فهو يضرب مثل آلة ثقب الصخور فائقة الدقة أكثر من شفرة سكين. لم يتسبب الحادث في حدوث مشكلات كبيرة في الرؤية، لكن الدكتور رون كورتز، الذي فحص عين الطالب المتخرج، أُعجب بعمل الليزر الدقيق.

في السنوات التالية على ذلك، تعاون كورتز مع جيرار مورو وزملائه في مركز العلوم البصرية، الذي تم تمويله من قبل مؤسسة العلوم الوطنية، لتحويل الليزر إلى أداة لطب العيون. وقد أدى عملهم إلى جراحة الليزك من دون شفرة Bladeless LASIK Surgery، والتي تستخدم ليزر الفيمتو ثانية بدلاً من الشفرة لحفر عين المريض.

منفضة الغبار

خلال سنوات برنامج أبولو، لم تكن «ناسا» تريد أن يمشي الإنسان على سطح القمر فحسب، إنما أرادت أيضاً أن يعود إلى الأرض بعينات من القمر. وقد أثمر البحث عن المثقاب المثالي على القمر في نهاية المطاف إلى منتج أصبح عنصراً أساسياً في المنازل الأميركية - وساعد السكان في الحفاظ على نظافة وترتيب منازلهم.

ولجمع عينات التربة من تحت سطح القمر، احتاجت وكالة ناسا إلى تزويد رواد الفضاء بمثقاب صغير الحجم وخفيف الوزن ولاسلكي. لذلك استعانت الوكالة بشركة «بلاك آند ديكر» للمساعدة في تطوير مثقاب أبولو لسطح القمر.

وكتبت وكالة الفضاء في عدد عام 1981 من مجلة «سبينوف»، وهي مجلة متخصصة في المنتجات والابتكارات التي استفادت من أبحاث «ناسا» وتمويلها: «في سياق التطوير، استخدمت شركة بلاك آند ديكر برنامجاً حاسوبياً مطوراً خصيصاً لتحسين تصميم محرك المثقاب وضمان الحد الأدنى من استهلاك الطاقة». ومهّد عمل الشركة على المثقاب القمري الطريق لتطوير مجموعة من المنتجات الاستهلاكية اللاسلكية، بما في ذلك «داستباستر»، أو المكنسة الكهربائية المحمولة باليد التي جاءت لتقديم فئة جديدة بالكامل من منتجات التنظيف.

* خدمة «نيويورك تايمز».

aawsat.com