نظريات الفيزياء : "الحلقة الثالثة" .. النسبية الخاصة
- الفيزياء
-
الحلقة الثالثة .. النسبية الخاصة
..
(قد نختصر في كل النظريات أو نقسمها على حلقتين لاكن النسبية الخاصة لم أستطع الإختصار أكثر لكي لا نفرط في عدم فهم مدلولاتها .. )
.
.
.
سئل ألبرت أينشتاين عن النسبية ذات يوم فأجاب : "إجلس مع حبيبك ساعة ستمر كأنها دقيقة ضع يدك أقرب من النار 10 ثواني , ستضن أنها ساعة .. هذه هي النسبية "
النسبية التي جاءت لتهدم مصطلح الزمان المطلق , و اعطت دلائل تجريبية رياضية على تباطئ الزمان بعدما كان نقاشا و وهما بين الفلاسفة و علماء الأعصاب ..
.
حسنا سأبدأ بكل بساطة , أين أنت ؟ ستجيب أنا أقرأ المقال من غرفتي , و أين هي غرفتك ؟ في الطابق الأول من بيتي , و أين هو بيتك ؟ مهلا لا تتعب نفسك ؟ السؤال فيزيائيا غير صحيح .. يجب أن أسألك أين أنت بالنسبة لعاصمة المغرب الرباط ؟ ستقول أنا في غرفة في منزلي الذي يبعد 300 كيلومترا من الرباط .. حسنا هل فهمت ليس هنالك مكان مطلق بل يجب الإعتماد على مرجع لتحديد المكان النسبي ..هذه النسبية ليست جديدة بل كانت منذ زمن غاليليو , فمثلا عندما تكون فوق سفينة تسير بسرعة 10 أمتار في الثانية و أنت تسير فوقها بنفس الإتجاه بسرعة 3 أمتار في الثانية فما هي سرعتك بالنسبة للأرض ؟ هي 13=10+3 .. أي أن سرعتك دائما ما تكون نسبية ومتعلقة بمرجع يتم تحديده .. لاكن هذه التحويلات لجاليليو تعجز تماما عند حساب التسارع باستعمال قانون نيوتن 2 .. (تفاضل عدد ثابت يساوي 0)
.
حسنا ماذا فعل ألبرت ؟ , لقد قام باعتماد بُعد رابع لدراسة حركتنا وهو الزمان ..وليس كمرجع جاليليو المعتمد على الطول العرض الإرتفاع فقط ..
.
تتذكرون آخر نقطة في المقال السابق كيف أراد الفيزيائيون إثبات وسط الإثير الذي يسمح بنقل الموجات الضوئية من خلاله .. تم إفتراض أن هذا الوسط مرجع مطلق و ان الكواكب و الأجرام عند حركتها تخلق تيارا أثيريا ..مثلما تفعل السفن عندما تحدث أمواجا في مسيرها ..و كذلك ان الجسم الساكن للأثير هو الجسم الساكن سكونا مطلقا .. أراد الفيزيائيون معرفة سرعة الأرض بإعتماد منطق غاليليو السابق ذكره .. فتكفل عبقري أمريكي إسمه مايكلسون و زميله مورلي للقيام بتجربة دقيقة لحساب الفرق بين سرعة الضوء المصاحبة لنفس إتجاه تحرك الأرض و العمودي على إتجاهها , من أجل حساب الفرق بينهما لإستنتاج سرعة الأرض عبر الأثير .. سيسأل هل يستطيعون رصد هذا الفارق البسيط ؟ الجواب نعم و تمت إعادت التجربة مرارا و بدقة اكبر و تم الحصول على نفس النتيجة وهي ثبات سرعة الضوء !!! ستقول انه أمر عادي.. لكنه زلزل أفكار الفيزيائيين فمنهم من قال أن الأرض لا تتحرك أصلا و منهم من قال أن الطبيعة تتآمر علينا من أجل ان لا نحيط أسرارها , و آخرون قالو أن الأرض تسحب معها الأثير و لهذا لا نرصد آثار الرياح الأثيرية .. لورنتز و هو عالم هولندي قال ببساطة ان الأجسام تنكمش كلما زادت سرعتها وهنالك فرق في السرعة لاكن الإنكماش يخفيه ..
.
هذا التفسير لم يكن مستوعباً , فقد قدم ألبرت أينشتاين سنة 1905 بثلاث أبحاث (نحن سنتكلم في 1 منها) بين فيه أننا لا نحتاج أصلا لشيء يسمى أثير .. (ملاحظة : وجود وسط تتشر فيه الأمواج الضوئية سنجيب عنه في ميكانيك الكم ).. ووضع فرضيتين هم أساس النسبية :
.
1- لا يمكننا التميز بين حركة مستقيمية منتضمة و بين سكون مطلق .. مثال أغلق نافذتك ستظن أنك ساكن لاكنك تتحرك بسرعة كبيرة جدا مع الأرض و لن نحس إلا عندما تتباطأ أو تتسارع فجأة .. مثل السيارة عندما تغير سرعتها فجأة
2- سرعة الضوء مقدار ثابت لا يتأثر بحركة المصدر أو حركة الراصد النسبية مهما كان كان الإتجاه أو الموضع يعني أن سرعة الضوء هي المعيار الوحيد المطلق و مقداره في أي منطقة هو نفس المقدار ..
.
ومعنى هاتين الفرضيتين أنه لا نحتاج أثير و كذلك الطبيعة لا تتآمر علينا ..قد تظن ان الأمور بسيطة لاكن مهلا تخيل مع مايمكن أن يحصل بتطبيق المبدأين .. تخيل معي هذه التجربة الذهنية .. ركبت قطارا ينطلق بسرعة من المحطة وفي المحطة ساعة كبيرة يمكنك رؤيتها من الزجاج الخلفي للمقطورة , مع العلم ان سرعة الضوء محدودة فأننا كل ما أسرعنا كلما إستغرق الضوء وقتا أطول ليصل إلينا لاكنا لن نلاحظ .. لاكننا لو إقتربنا من سرعة الضوء بنسبة %99 فإن عقارب الساعة ستظهر كأنها شبه متوقفة .. هذه نسبية الزمن , الشخص الساكن بالنسبة للمحطة تمر عليه دقيقة و أنت قد تراها تقريبا 10 ثواني ..!!! أما عندما سيسرع القطار بسرعة تكافئ سرعة الضوء فإن الساعة ستتوقف عن الحركة , ببساطة لأن الشعاع المنطلق من الساعة لن يصلني أبدا ..
.
مهلا هل هذه خدعة ذهنية ؟ وما دخل السرعة في الزمن ؟ وهل تم إثباتها ؟
.
أولا لا ليست خدعة .. أما الزمكان فهو مفهوم تم دمجه من طرف أستاذ ألبرت السابق مينكوفسكي.. الذي وضع لنا بعدا رابعا وهو الزمن .. أي أن كل تغير في المكان فهو يحدث في الزمان أيضا, هذا يعني أن لا يوجد زمان مطلق أبدا ..
.
للملاحظة , تعتبر عبقرية ألبرت في خياله الكبير فكل تجاربه خيالية ولم يعتمد على تجارب مادية إلى بعد مدة لإثبات نظريته . و كذلك ليس برياضي بارع مثل ديراك شغودنجر هيزنبرج أو فاينمان.. لاكنه كان يملك ما يكفيه لبناء صرح جديد ..فقد قام بإثبات كل هذه التجارب من علاقة لورنتز للإنكماش وبرهن هليها ببساطة شديدة ليثبت بالرياضيات نسبية الأطوال الزمن الكتلة و ... (أنظر أول تعليق )
.
لم تستوعب جيدا حسنا سأعطيك تجربة واحدة من أروع التجارب الذهنية في الفيزياء .. تخيل معي توأمين على الأرض أحدهما قرر أن يتجول في الفضاء في مركبة خيالية بسرعة تقريبا تساوي %99 من سرعة الضوء و الآخر فضل أن يبقى .. سيعود التوأم بعد ان يقطع مسافة طويلة ليجد أن اخاه التوأم أكبر منه عمراً .. بنسبة مقرونة بالمسافة التي تم قطعها ..
.
كذلك ,تخيل معي أنك تقف وسط مقطورة قطار يسير بسرعة قريبة من سرعة الضوء , و أنت تقف وسطها ولديك مصباحين الأول موجه للباب الأمامي و الآخر للباب الخلفي .. أنت الذي تعتبر ساكنا بالنسبة للمقطورة سترى ان الشعاعين سيصلان في نفس الوقت أما المراقب من على رصيف المحطة سيلاحظ ان الضوء المتجه نحو الباب الخلفي يصل أسرع , لان الباب يتجه نحوه أما الباب الأمامي سيظهر أنه يسرع بعيدا عن مصدر الضوء و تسمى هذه نسبية التزامن .. أي ان الحدثين يختلف وقت رصدهما بينك و بين المراقب ..
.
كل هذا مهد الطريق لألبرت ليضع علاقته الشهيرة التي تبن العلاقة بين الزخم و الطاقة و الكتلة .. و توصل إلى E=mc² , بحيث تتغير الكتلة بتغير سرعة الجسم , و تكبر كلما زادت سرعته وعند سرعة الضوء تصبح لانهائية وهذا ما لم يتم رصده ..لأن أعلى سرعة ممكن أن نصل إليها حسب النسبية هي 99,99 من سرعة الضوء, (هذا إن إستطعنا ان نصل إليها) .. و كذلك أثبتت ان المكان و الزمان سيختفيان مع إختفاء المادة ..وكل هذه الثورة في المفاهيم الفيزيائية تم إثباته رياضيا و تجريبيا فقد تباطئ الزمن عندما قام العلماء بوضع ساعة ذرية دقيقة في طائرة نفاثة سريعة ..
.
حسنا ستقول لماذا لا نلاحظ هذه النسبية في حياتنا ؟ .. ببساطة لأن سرعتنا مهملة بالنسبة لسرعة الضوء , وكذلك إلى حد الآن لم يتم إثبات عكس مبدأي النسبية (هنالك بعض المناوشات كالنوترينو وغيرها لاكنها أخطاء في الرصد سنثبتها لاحقا) ..
.
إذن ,الآن لديك إثبات تجريبي ورياضي لتباطء الزمن .. هل تريد أن تبطئ زمنك النسبي تحرك بمايقارب سرعة الضوء , هل تريد توقف الزمن نهائيا ؟ تحول إلى فوتون ..!!!
.
