اريد بحثا عن الخواص النسبية
اريد بحثا عن الخواص النسبية
مش عارفة اذا تستفيد من هالموضوع
كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتين
الكتلة والطاقة Mass and Energy
الكتلة لها تعريفين مهمين، فالتعريف الأول عام ويستخدم في كل الأحوال ويعرفه الجميع على ان الكتلة هي ما يحتويه الجسم من مادة (أي مقدار ما يحتويه الجسم من جسيمات ذرية مثل البروتونات والالكترونات والنيوترونات). وإذا ما قمنا بضرب الكتلة في عجلة الجاذبية الأرضية نحصل على كمية فيزيائية تعرف بالوزن weight. فعندما نتناول الكثير من الأطعمة على سبيل المثال فان وزننا يزداد وفي الواقع كتلة الجسم هي التي ازدادت، ويجب ان ننتبه لان الكتلة لا تعتمد على مكان وجودها في الفراغ فمثلا كتلة الجسم على الأرض هي نفسها كتلته على القمر أو على المشتري أو حتى في الفراغ والذي يتغير هنا هو الوزن، لان الوزن هو مقدار تأثير الجاذبية على الكتلة ولان الجاذبية تتغير فان الوزن يتغير ولكن الكتلة تبقى ثابتة.
أما التعريف الثاني للكتلة هو مقدار القوة اللازمة لجعل الجسم يتسارع. والكتلة تعتمد على حركة الأجسام بالنسبة لبعضها البعض كما أثبتت ذلك النظرية النسبية الخاصة. حيث وضحت النظرية النسبية ان كتلة الجسم تزداد كلما زادت سرعته، وبالتأكيد هذا أمر غريب ان تزداد الكتلة بزيادة سرعتها والأمر الأخر الذي أضافته لنا النظرية النسبية ان الكتلة هي صورة من صور الطاقة بمعنى انه يمكن ان نحول الكتلة إلى طاقة وان تتحول الطاقة إلى كتلة. ولقد كان لمبدأ تكافئ الكتلة والطاقة الفضل في اكتشاف الطاقة النووية واستخداماتها المتعددة.
في هذه المرحلة من الموضوع سوف يبدو التعريف الجديد للكتلة صعب بعض الشيء ولكن سوف يتم توضيحه فيما بعد أثناء شرح نتائج النظرية النسبية والمطلوب هنا ان نتذكر ان هناك علاقة بين الكتلة والطاقة.
الطاقة Energy
تعرف الطاقة بأنها مقياس لقدرة نظام معين على بذل شغل work. وتوجد الطاقة في أشكال مختلفة مثل طاقة الوضع potential energy أو طاقة حركة kinetic energy أو غيرها. وكما نعلم فان الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من عدم ولكن تتحول من شكل لأخر مثل ان تتحول الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية ا وان تتحول الطاقة النووية إلى طاقة كهربية وهكذا بحيث تكون دائما طاقة النظام محفوظة.
الضوء Light
الضوء هو شكل من أشكال الطاقة ويوجد الضوء في حالتين أحيانا يكون للضوء خواص تشبه خواص الجسيمات وأحيانا أخرى يكون للضوء خواص الأمواج فمثلا عندما ندرس ظاهرة الانعكاس أو الانكسار للضوء نتعامل مع الضوء على انه جسيمات مادية ولكن عندما ندرس حيود وتشتت الضوء فإننا في هذه الحالة نتعامل مع الضوء على انه موجات. ولهذا فان الضوء خاصية مزدوجة تعرف باسم duality. ويجب الانتباه هنا إلى ان هذا السلوك المزدوج للضوء لا يعني ان نجد ان الضوء يتصرف كجسيمات وأمواج في نفس الوقت ويكون للضوء سلوك محدد حسب الظاهرة التي ندرسها بحيث تطغى الخصائص الموجية على الخصائص الجسمية في ظاهرة الحيود بينما تطغى الخواص الجسيمية على الخواص الموجية في ظاهرة الانعكاس. ولهذا فإننا نطلق على الضوء بالأمواج الكهرومغناطيسية electromagnetic radiation إذا كنا الضوء يتصرف كانه موجة ونطلق على الضوء فوتونات photons عندما يسلك الضوء سلوك الجسيمات. بمعنى ان الفوتونات هي أشعة كهرومغناطيسية والأشعة الكهرومغناطيسية هي فوتونات.
الفوتون
الفوتون هو الضوء الذي نراه عندما تصدر الذرة طاقة. ففي النموذج الذري الالكترونات تدور في مدارات محددة حول النواة المكونة من بروتونات ونيوترونات. ولهذه المدارات طاقات محددة فعندما ينتقل الإلكترون من مدار مرتفع إلى مدار منخفض فانه يفقط طاقة تصدر على شكل فوتون يحمل فرق الطاقة بين المدارين وعندما ينتقل الإلكترون من مدار منخفض إلى مدار مرتفع فانه يمتص طاقة تساوي بالضبط فرق الطاقة بين المدارين وقد تكون هذه الطاقة التي يمتصها هي فوتون وفي هذه الحالة نقول ان الذرة أصبحت مثارة لان الإلكترون اكتسب طاقة مكنته من الانتقال من مداره حول النواة إلى مدار ابعد. ولكن حالة الإثارة تلك لا تدوم طويلا فما يلبث ان يعود الإلكترون إلى مداره الأصلي مطلقا الطاقة التي اكتسبها في صورة فوتون وتتكرر هذه العملية طالما توفرت مصدر طاقة لإثارة الالكترونات (وبهذا نحصل على الضوء في أنابيب الفلوريسنت).
ومن هنا نستنتج ان الفوتونات ناتجة عن إثارة الذرة.
الموجة الكهرومغناطيسية
أما الموجة الكهرومغناطيسية فهي أيضا صورة من صور الطاقة الناتجة عن الحركة الاهتزازية للشحنة. فينتج عن هذه الحركة مجالاً كهربياً ومجالاً مغناطيسياً متردد، ومن هنا جاءت تسمية هذه الأمواج بالأمواج الكهرومغناطيسية، وكلا من المجال الكهربي والمغناطيسي متعامدين على بعضهما البعض. تردد المجال الكهربي يحدد تردد الضوء frequency والذي يعتبر احد الخواص المميزة للضوء فالترددات التي نراها هي التي تقع في المدى بين الأحمر والأزرق والترددات التي تقع خارج هذا النطاق لا نراها بالعين المجردة مثل أمواج الميكروويف أو أمواج الراديو أو أشعة اكس. ولكما زادت تردد الأشعة الكهرومغناطيسية زادت طاقته. فمثلا طاقة أشعة اكس كبيرة ولذلك تستطيع هذه الأشعة اختراق أجسامنا.
لهذا نلاحظ ان الضوء ينتشر على مدى واسع نسميه الطيف والجزء المرئي منه صغير جدا بالنسبة لكل الطيف وعندما نطلق كلمة ضوء فإننا نقصد الطيف المرئي من كامل الطيف الكهرومغناطيسي.
خصائص الضوء Characteristics of Light
عندما ينتقل الضوء في الفراغ فانه يعترضه في بعض الأحيان مواد مختلفة، منها ما تجعله ينعكس reflection مثل سطح المرآة ومنها ما يجعله ينحرف عن مساره عندما ينتقل الضوء من وسط مادي إلى وسط أخر مختلف في الكثافة الضوئية ونسمى هذا الانحراف بالانكسار refraction، وإذا كان الضوء يحتوي على ترددات مختلفة مثل الضوء الأبيض فان كل تردد ينحرف بزاوية مختلفة مما ينتج عنه تحلل الضوء إلى ألوان مختلفة نسميها ألوان الطيف، وهذه الظاهرة نعرفها باسم ظاهرة قوس قزح rainbow. ويمكن ان نفصل الضوء الأبيض إلى ألوان الطيف باستخدام منشور prism كما في الشكل التالي:
ولفهم ما يحدث في ظاهرة الانكسار دعنا نفترض موجات الضوء التي تعبر المنشور الزجاجي فلاحظ هنا ان الضوء ينحرف عن مساره عندما يعبر الحد الفاصل بين المنشور والهواء ويعود السبب في ذلك إلى اختلاف سرعة الضوء في الفراغ عنه في الزجاج فالجزء من الموجة الذي عبر الزجاج سرعته تقل بينما الجزء المتبقي من الموجة لا تزال سرعته كما هي وهذا يسبب انحراف الضوء (الانكسار) وعندما ينفذ الضوء من الجانب الأخر للمنشور فانه يحدث نفس الشيء. فينكسر الضوء مرة أخرى.
الخلاصة
هذه بعض المعلومات المتعلقة بالضوء والآن سوف نبدأ في شرح بعض المفاهيم الأساسية عن سرعة الضوء والتي هي نفسها سرعة الأمواج الكهرومغناطيسية ويمكن ان نطلق على سرعة الضوء مصطلح سرعة المعلومات، لأننا لا نستطيع ان نعرف ان حدث ما قد حدث إلا إذا وصلت الضوء المنعكس عن الحدث لنا لنبصره بأعيننا فمثلا لو سقط كتاب على الأرض فإننا نعرف ان الكتاب سقط على الأرض بانتقال الضوء من الكتاب إلى أعيننا وبالتالي ندرك ان حدث سقوط الكتاب قد حدث، كذلك عند حدوث البرق نعلم بان الضوء صدر عن تفريغ كهربي في السحابة وفي نفس الوقت صدر صوت هائل ولكن لان سرعة الضوء اكبر بكثير من سرعة الصوت فنرى الضوء أولا ونعرف بحدوث البرق ثم نسمع الصوت بعد ذلك.
إذا أي حدث ينتقل لنا بسرعة الضوء والتي تبلغ 300,000 كيلومتر في الثانية ولا يمكن ان تكون أسرع من ذلك لان سرعة الضوء هي السرعة القصوى. فمثلا لو تخيلنا قطار طويل جدا بدأ في الحركة فان لا يمكن ان تتحرك العربة الأولى والعربة الأخيرة في نفس الوقت لان الضوء القادم من العربة الأخيرة يستغرق وقت أطول من العربة الأمامية القريبة منا ولهذا ندرك ان العربة الأولى تحركت وبعد عدها تحركت العربة الأخيرة. لاحظ هنا ان الحدث هنا هو حركة العربة الأولى والحدث الثاني هو حركة العربة الأخيرة.
حقيقة النظرية النسبية !!!
بمناسبة مرور مئة عام على ظهورها
الحقيقة عن نظرية النسبية .. ألف عام من الشهرة؟
يحتفل العالم بمرور مئة عام على ظهور نظرية النسبية، التي تنسب الى آينشتاين. ومنذ صدورها وحتى يومنا هذا بلغ عدد الابحاث التي نشرت حول هذه النظرية عشرات الآلاف (لا أحد يعرف بالضبط). وكتب عن آينشتاين عدد لا يُحصى من سيَر الحياة. ورُفع الرجل الى مصاف أعظم الشخصيات البارزة في الحياة البشرية وفي ختام الألفية الثانية اعتبرت مجلة (تايم) الاميركية آينشتاين "رجل القرن"، ووصفته بأنه الأول من بين عمالقة القرن، وان سمعته ستدوم ألف عام على الأقل. وذهب العالم الفيزيائي البريطاني ستيفن هوكنغ، صاحب كتاب (موجز تأريخ الزمن)، أبعد من ذلك، في قوله: "إن معادلات النسبية العامة هي بمثابة نُصْبٍ ونقشٍ على ضريحه، ينبغي ان تدوم دوام الكون". هذا مع العلم أن هوكنغ يعترف ايضاً: "لا أزال أتلقى رسالتين أو ثلاثاً في كل اسبوع تؤكد لي أن آينشتاين كان مخطئاً. مع ذلك، إن نظرية النسبية تعتبر الآن معترفاً بصحتها بصورة تامة من قبل الجالية العلمية، وقد تحققت نبوءاتها في مجالات لا حصر لها."
وقيل في نظرية النسبية ما لم يُقل في أية نظرية أخرى، مع انها لا تعتبر حقيقة علمية مفروغاً من صحتها. فقد ثبتت صحة بعض تنبؤاتها، وطُعِن في البعض الآخر، ولا تزال النظرية وتفرعاتها خاضعة للنقض والإبرام... لكننا هنا سنقدم عرضاً عاماً لهذه النظرية، وقراءة تأريخية منصفة قدر الامكان، حول دور العلماء الذين أسهموا في التوصل اليها (قبل آينشتاين). فمنذ 1905-1907، أشار العلماء بلانك، وكاوفمان،ود.ايهر نفيست، ولاوب، ولاوه، ومنكوفسكي، وألبرت آينشتاين نفسه، الى ان نظرية آينشتاين كانت مجرد تفسير وتعميم لنظرية لورنتس (1853-1928) المعروف جيداً، وكان بوانكاريه (1854-1912) أول من قدم تفسيراً لها، ثم عُرفت فيما بعد بـ"نظرية النسبية الخاصة". وهناك أدلة على أن آينشتاين لم يكتب الرسالة العلمية في 1905 وحده حول "مبدأ النسبية"، بل إن زوجته الأولى مليفا آينشتاين ـ ماريك (أو ماريتي) أسهمت أيضاً في كتابتها، وكان دورها مهماً في الجزء الرياضي في النظرية.
إبحث عن الضوء
نحن نعرف اليوم أن الضوء هو سيل من إنثيالات شبه جُسَيمية من الطاقة الكهرومغناطسية. هذه الجسيمات تدعى فوتونات. ولا توجد الفوتونات إلا في حالة حركة، بسرعة يرمز لها باللاتينية بالحرف c من كلمة celeritas، (بمعنى سرعة). وتنتشر الفوتونات على هيئة موجات.
كان أرسطو (384ـ322 ق .م ) قد انتقد أمبذوقلس (حوالي 490ـ حوالي 430 ق . م ) لأنه قال إن الضوء يتحرك، أي انه يستغرق وقتاً في الانتقال من مكان الى آخر. فلم يكن الضوء عند أرسطو سيلاً من فوتونات تتدفق من مصدر مضيء بسرعة محدودة ، بل إعتبرها خاصية تكتسبها بيئة ما فوراً من المصدر المضيء، أشبه بالماء الذي يتجمد في كل أجزائه في آن واحد. وساد هذا المعتقد الارسطوطاليسي عدة قرون، الى أن صححه الحسن بن الهيثم (حوالي 965 ـ 1039)، حين أكد أن حركة الضوء تتطلب فترة زمنية محدودة وإن كانت غير مدرَكة.
وواقعُ أن سرعة الضوء هائلة، وربما لا نهائية، كان معروفاً منذ قديم الزمن. وقد حاول غاليليو في 1607 قياس سرعة الضوء بواسطة الفانوس، لكنه لم يوفق، لأن الضوء يقطع المسافات الأرضية في جزء صغير جداً من الثانية. لكن أولاف رومر الدانماركي (1644ـ1710) كان أول من أكد أن سرعة الضوء محدودة من خلال رصد خسوفات أقمار كوكب المشتري (بعد تحسن صناعة التلسكوب). فقد لاحظ رومر أن مدة خسوف قمر المشتري المسمى (إيو) كانت 11 دقيقة عندما تكون الأرض في اقرب نقطة الى المشتري، و11 دقيقة أخرى عندما تكون في ابعد نقطة من المشتري. لذا تصبح المدة بين القراءتين 22 دقيقة. وهذه المدة تغطي المسافة المساوية لقطر مدار الأرض حول الشمس. ولأن رومر كان يعمل في مرصد باريس، حيث تمّ قياس قطر مدار الارض حول الشمس لأول مرة، فقد كان يُفترض أنه كان على علم بهذه المسافة. لكنه لم يكلف نفسه مهمة تقسيم هذه المسافة على 22 دقيقة للحصول على سرعة الضوء. وفي أيام رومر كانت قراءة هذه المسافة تساوي 283 مليون كيلومتر. وبعد عام أو اثنين حقق كريستيان هويغنز (1629ـ1695) هذه القسمة، بعد الاعتراف الكامل بجهود رومر. فكانت سرعة الضوء وفقاً لذلك 214 ألف كيلومتر في الثانية. وفي 1849 كان الفيزيائي الفرنسي فيزو (1819ـ1896) أول من قدم قياساً معقولاً لسرعة الضوء باستعمال المرايا (بدل الشخص الثاني، في تجربة غاليلو)، لأنها تعكس الضوء بلا إبطاء. وبعد فيزو طور الفيزيائي الفرنسي فوكو ميكانيك التجربة. واليوم تعتبر سرعة الضوء في حدود 300 ألف كيلومتر في الثانية. وقد تم ذلك عندما توصل العالم الاسكوتلندي اللامع كلارك ماكسويل (1831ـ1879) الى وضع صيغة للمعادلات الرياضية للمجال الكهرومغناطيسي التي تقدم تفسيراً للكهربائية، والمغناطيسية، والضوء في نظام واحد موحد.
وللمقارنة، إن سرعة مركبة فضائية نموذجية هي في حدود 12 كيلومتراً في الثانية. وسرعة دوران الأرض حول الشمس تساوي 30 كيلومتراً في الثانية. وهذا يعني أن سرعة الضوء شيء لا يتصوره العقل، وهي ثابتة لا تتغير في الفراغ. فالفوتون (جُسيم الضوء) لا يمكن إسراعه أو إبطاؤه في الفراغ. فإذا وضعنا لوحاً زجاجياً أمام شعاع من الضوء، فإن سرعة الضوء في الزجاج تصبح أقل من سرعتها في الفراغ، لكنها تسترد سرعتها الأصلية بعد مرورها من اللوح الزجاجي.
النسبية والضوء
كان غاليليو (1564ـ1642) أول من تطرق الى مبدأ النسبية. في كتابه الشهير (حوار حول النظامين العالميين الأساسيين). تحدث غاليليو عن مبدأ النسبية: في اليوم الثاني من أيام الحوار دعا سالفياتي (وهو أحد ابطال الحوار) صديقيه للقاء في غرفة فسيحة داخل سفينة. ثم قال لزميليه:"لنعلق سطلاً من السقف، تتساقط منه قطرات ماء في إناء آخر ذي عنقٍ ضيق". ثم طلب من الزميلين ان يقفزا الى الأمام والخلف، ليرى ما هي المسافة التي يقطعانها. وذلك للمقارنة بين سفينة في حالة سكون وسفينة في حالة حركة. فلاحظ المتحاورون أن المسافة المقطوعة عند قـفزاتهم بقيت نفسها سواء قفز المرء مع اتجاه حركة السفينة أو ضد اتجاهها. وأكثر من ذلك، لاحظوا أن قطرات الماء استمر تساقطها في الإناء التحتاني ذي العنق الضيق، ولم تسقط أية قطرة الى أمام أو الى خلف العنق، حتى لو قطعت السفينة مسافة في الوقت الذي كانت قطرة الماء في الهواء. (طبعاً كان غرض غاليليو هنا هو دحض الاعتراضات على حركة الأرض حول الشمس). ولو كان سيرانو دي برجراك اطلع على كتاب (الحوار) لغاليليو، لما تصور نفسه في 1656 أنه سيهبط في كندا، إذا قُذف من فرنسا الى الهواء وبقي معلقاً في الفضاء بضع ساعات، وفي حسبانه أن الأرض ستتحرك كل هذه المسافة في حين يبقى هو معلقاً في الهواء.
وبعد ذلك وضع نيوتن (1642ـ1727) القانون الآتي في سياق قوانينه عن الحركة:"إن سرعة الأجسام الموجودة في فضاء معين هي نفسها، سواء كان الفضاء ساكناً أو متحركاً بانتظام الى الأمام في خط مستقيم". أي ان التجارب التي تُجرى على سفينة، مثلاً، وكل الظواهر المشاهدة على السفينة، ستكون متماثلة وكأن السفينة ليست متحركة. وهذا القانون يسري على الميكانيك الكلاسيكي ضمن الفرضية التي تعتبر السرعة القياسية لا نهائية.
لكن الرؤية تغيرت بعد التوصل الى معادلات ماكسويل حول المجال الكهرومغناطيسي التي تعتبر السرعة القياسية هي سرعة الضوء، ومع ان هذه كبيرة جداً، إلا أنها ليست لا نهائية، بل محدودة. وهذا يعني، كما يرى علماء الفيزياء، أن السرعة القياسية المحدودة (سرعة الضوء)، التي تعتبر حقيقة أساسية في نظرية ماكسويل، يجب تطبيقها على علم الميكانيك أيضاً.
هنا بدأ الإشكال، ففي العقود والسنوات الأخيرة من القرن التاسع عشر بُذلت جهود كبيرة للتمسك بقوانين الميكانيك الكلاسيكي (السرعة القياسية اللانهائية)، وإنزال معادلات ماكسويل الى مرتبة دنيا. لكن هذه الجهود باءت بالفشل. وفي 1904 كان العالمان الفرنسيان هنري بوانكاريه، وبول لانجفان من بين العلماء الذين وجهت اليهم الدعوة لحضور المعرض الدولي في سانت لويس، في أميريكا. وفي هذه المناسبة أعلن بوانكاريه عن أول تصريح واضح حول مبدأ النسبية، مع المبدأ القائل بأنه "ليست هناك سرعة تتجاوز سرعة الضوء". واعتبر بوانكاريه هذين المبدأين حقيقتين امبريقيتين مستنبطتين من التجربة.
وفي 1905 نشر ألبرت آينشتاين (1879ـ1955) رسالته العلمية التي تؤكد الشيء نفسه، لكن في صياغة أخرى. لقد أكد بوانكاريه في 1904 أن سرعة الضوء هي اقصى سرعة قياسية. أما آينشتاين فقد قال في 1905: "إن الضوء ينتشر دائماً في فضاء فارغ بسرعة محدودة مستقلة عن حالة الحركة للمصدر المشع للضوء". وهما صيغتان لشيء واحد، رياضياً أيضاً. وعرفت هذه النظرية بنظرية النسبية الخاصة... وهكذا يمكن إيجاز أسس النسبية الخاصة في القانونين الآتيين:
1ـ كل قوانين الفيزياء هي نفسها في أية إحداثيات من قصورها الذاتي (أي في حالتي السكون والحركة الثابتة على حد سواء).
2ـ إن السرعة القياسية القصوى هي سرعة الضوء في الفراغ (قانون بوانكاريه)، أو ان سرعة الضوء هي نفسها في أي إطار من القصور الذاتي (أي سواء كان المصدر المضئ ساكناً أو متحركاً) (قانون آينشتاين).
والآن اذا ارتفعنا عن سطح الأرض الدوارة، فإننا سنبقى نتحرك بفعل القصور الذاتي بنفس سرعة دوران الأرض. ولدى هبوطنا فإننا سنعود الى نفس البقعة التي ارتفعنا منها. ولن يتغير الحال اذا قـفزنا داخل عربة قطار متحرك. فكل من الأرض والقطار يعتبر إطاراً إحداثياً، وهي فكرة أساسية في نظرية النسبية. إن ادراكنا الحسي يبقى ثابتاً اذا كان لدينا إطار إحداثي واحد. أما اذا كان هناك إطار إحداثي آخر يتحرك في سرعة ثابتة بالنسبة للأول، فبمقتضى نظرية النسبية إن الادراك الحسي للفضاء والزمن في الإطار الثاني يختلف عنه في الاطار الأول. وهذان الادراكان الحسيان ليسا اعتباطيين، بل مرتبطان بقانون رياضي يدعى تحويلات لورنتس. وهذه التحويلات من الأهمية بحيث أن كل مبادئ نظرية النسبية الخاصة ما هي إلا تطبيقات لهذه التحويلات، او بكلمة أدق لمجموعة بوانكاريه من التحويلات، التي تعتبر تحويلات لورنتس جزءاً منها. بل إن لورنس - العالم الكبير، الذي كان آينشتاين ينظر اليه كأب ـ اعترف بأسبقية فويغت Voigt في موضوع التحويلات (الإحداثية)، ولم يكن راضياً بتسمية بوانكاريه لها بانها تحويلاته هو لورنتس.
كل التقدير والشكر لجهودك الطيبة يا اسطورتنا
حسبنا الله ونعم الوكيل
اللهم اكفنا بحلالك عن حرامك
اللهم اني اسألك الهدى والتقى والعفاف والغنى
ولا حول ولا قوه الا بالله الواحد الاحد الفرد الصمد
اللهم صلي على حبيبنا وخاتم الانبياء والمرسلين سيدنا محمد صلى الله عليه وسلم
ضوابط المشاركة
رد مع اقتباس
المفضلات