C.s.g: فيزياء:آلة الزمن ...بين خيال المؤلفين و عقول العلماء

[THE CodeR]

بسم الله الرحمن الرحيم

ده اول مقال في جروب

Cosmic Science Groub
اللي تم تأسيسه في الموضوع ده
http://thanwya.com/vb/showthread.php?t=266720
و بصراحة انا مش كاتب متميز و مش بتمتع بالاسلوب الجاذب في الكتابة
لكني بحاول اني احسن من الاسلوب ده مع الوقت
ارجو من اساتذة القسم التصحيح في حالة وجود خطأ علمي في الموضوع
و بعتذر علي تأخري في تقديم المقال ده
و ارجو انه ينال اعجابكم
و جزاكم الله كل خير

آلة الزمن ...بين خيال المؤلفين و عقول العلماء

مقدمة في النسبية الخاصة

درسنا في الفيزياء في السنين الماضية ان الموجات الديناميكية كموجات الصوت تحتاج الي وسط مادي لانتقالها .
اما الموجات الكهرومغناطيسية لا تحتاج الي وسط مادي لانتقالها .
لكن هذه الجملة الاخيرة سبقها عمل و جهد من العلماء دام عشرات السنين في اثباتها.
فقد ساد قديماً ان الموجات الكهرومغناطيسية كموجات الضوء تحتاج الي وسط لانتقالها سمي الاثير
دعونا نتخيل
كيف يكون الفراغ مملوءاً بوسط مادي؟؟ و كيف يكون تركيبه او كيف يتم وصفه؟؟
تعتبر فكرة الاثير من اكثر ما عطل مسيرة علم الفيزياء لفترات طويلة من الزمن
و اجريت فيها تجارب كثيرة سوف اذكر بعضها فيما يلي:
- في البداية ظن العلماء ان الاثير وسط متحرك تماماً مثل الهواء و يمكن دراسة تأثيره ليدعوا تأثيره بريح الاثير و قد اعتقدوا ان تأثيره لابد و ان يظهر علي انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في الاجسام الشفافة .
و كانت التجارب في هذا الغرض كثيرة منها تجربة فيزو و تجربة هوك ، و قد كانت نتائج هذه التجارب سلبية بحيث لم تعطي نتائج مفيدة او صحيحة في هذا الغرض
- و من بعد ذلك ظهرت بعض الافكار الجديدة للوصول الي حل في هذه المشكلة الكبيرة في الفيزياء و هي افكار لورنتز في افتراض ان الاثير ثابت لا يتحرك
- و من ثم تجربة ميكسون و تجربة مورلي ذوات النتائج السلبية بدورها كباقي تجارب الاثير

فكان لابد من الوصول الي حل لهذه المشكلة و كان الوصول الي هذا الحل من نصيب العالم البرت انشتاين في نظريته النسبية الخاصة
سرعة الضوء
اكتشف العالم دوبلر ظاهرة سميت بأسمه و هي كالاتي:

عندما يتحرك جسم يطلق موجة ضوئية قادم بأتجاهي بسرعة كبيرة يكون من المنطقي في قانون جمع السرعات في الميكانيكا ان سرعة الضوء ستكون مجموعة مع سرعة الجسم
لكن ما حدث غير ذلك، فقد ازداد تردد هذه الموجات بازدياد الطاقة التي تحملها
و هذا يعني ان سرعة الضوء ثابتة في هذه الحالة
و هذا ما اخذته تحويلات لورنتز في الاعتبار
دعونا نتفقد تحويلات لورنتز


توضيح للشكل الذي تم استنتاج هذه المعادلات منه
لكننا لن ندخل في كيفية استنتاج هذه المعادلات
فبعض الكتب قامت باستنتاجها عن طريق معادلات تفاضلية جزئية و بعضها قام باستنتاجه هندسياً
لكني قد اختصها بموضوع لشرح كيفية استنتاج معادلاتها و معادلات اثر دوبلر إن شاء الله تعالي
هذه التحويلات عبارة عن تحويل من x الي ًX عن طريق وضع علاقة بينهما
هذه العلاقات تسمي بتحويلات
و يلاحظ ان الزمن في هذه الحالة يختلف من الهيكل الاسنادي S الثابت عن الهيكل الاخر حيث كل واحد منهما له زمنه الخاص
و لكي نفهم معني الهيكل الاسنادي نلاحظ الاتي
ان كنت اقيس سرعة سيارة اقوم بقياسها في وضع ثبات
فتكون هي المتحركة بالنسبة لي
اما راكب السيارة فيراني انا المتحرك بالنسبية له
إذا قذفت كرة لاعلي و انا بداخل سيارة فستنزل علي الارض تماماً كما لو كنت ثابتاً
هذا لان جميع القوانين تنطبق علي الهياكل الاسنادية
لكني اذا لاحظت هذه الكرة من خارج السيارة المتحركة فسأراها تتحرك بسرعة السيارة بالاضافة الي سرعتها الخاصة
و هذه هي وظيفة التحويلات
تحويلات لورنتز هي كالاتي


نلاحظ من هذه المعادلات الآتي
انه لا يمكن لسرعة ان تتعدي سرعة الضوء
ففي هذه الحالة تصبح V/C اكبر من الواحد الصحيح و عند طرحها من الواحد الصحيح بجانبها يصبح ما تحت الجزر عدداً سالباً اي يصبح العدد تخيلياً
كما لا يمكن لها ان تساوي سرعة الضوء لان في هذه الحالة المقام يساوي الصفر و يصبح الحل غير معرف
و ما الفائدة من هذه المعلومة ؟؟

لنعرف سنجري التجربة التالية
نفترض ان عندنا عربة قطار تتحرك بسرعة v في اتجاه x بها جهاز يطلق نبضة ضوئية تنعكس عند السقف الذي ارتفاعه d في زمن قدره t*
في حالة كوننا داخل العربة سنري الضوء يتحرك طبيعياً كالاتي


فيكون الآتي

و هذا هو الزمن الذي يقيسه الملاحظ الموجود داخل العربة و يدعي الزمن الحقيقي
اما إن كنت ثابتاً علي الارض فسأري مجري الضوء كالاتي

و هنا نلاحظ أن الضوء اتخذ مسار ما يشبه المثلث في شكله، فقد وصل شعاع الضوء إلي المرآة في نصف مسافة سير العربة vt أي vt/2
t يرمز الي زن انعكاس الموجة و رجوعها للجهاز كما يقيسه الملاحظ الثابت علي الارض
من هذه الرسمة نستطيع الوصول الي رسمة ابسط و هي كالاتي

و منها نستنتج العلاقات التالية

و قد علمنا أن
فيصبح الشكل النهائي للمعادلة هو

و يتضح من هذه النتيجة أن الزمن يحدث له عملية تمدد اي يصبح اطول بالنسبة للثابت لكنه طبيعي بالنسبة للمتحرك
للتوضيح: لو ان مربع سرعة الجسم علي مربع سرعة الضوء يساوي 3/4 إذاً يتبقي ان نطرحهم من واحد ثم نأتي بجزر الناتج ليصبح 0.5
اي انه في هذه الحالة يكون الزمن الذي يقيسه الملاحظ الارضي هو الضعف
داخل العربة لن تشعر بشيء سوي انك ستري من هم خارج العربة اسرع منك في كل شيء حيث تقيس الزمن عندهم النصف و هي عملية عكسية قد تبدو طريفة
لكنها حقيقية.
الة الزمن
لنعود الي تحويلات لورنتز
بعد حصولنا علي التحويلات علمنا لماذا لا يمكن لجسم الوصول الي سرعة الضوء
لكن بزيادة السرعة يتمدد الزمن ليصبح ابطأ
لنقم بوضع بعض الافتراضات:
- إذا وصل جسم الي سرعة الضوء فلابد للزمن ان يتوقف تماماً عنده
لان المعادلة الاخيرة التي استنتجناها يصبح مقامها صفر اي غير معرفة
- إذا تخطي سرعة الضوء فلابد للزمن ان يعود الي الوراء (لان المقام يصبح عدداً تخيلياً)

و كما نري ان هذه الافتراضات غير ممكن تحقيقها عملياً
لذلك تبدو فكرة الة الزمان فكرة غير مؤيدة من قبل النسبية لان تجاوز سرعة الضوء غير ممكن لما يقابله من صعوبات منطقية و رياضية
فهي من المستبعد انجازها (علي الاقل هذه وجهة نظري)
اسرع من الضوء
بالرغم من تأكيد النسبية من عدم امكانية تخطي اي جسم سرعة الضوء مهما كانت الا ان هناك بعض الظواهر الطبيعية و النظريات الفيزيائية التي تخالف ذلك
ما هي هذه الظواهر؟؟؟
ما هي هذه النظريات؟؟؟
هذا ما سنعرفه في الموضوع القادم بإذن الله تعالي