النسبية الخاصة لألبرت أينشتاين.

[محمد محمود بدر]

إســحــاق نــيــوتــن.


يتبع


ولد نيوتن في عام ١٦٤٢م ، وهي صدفةٌ السنة نفسها التي توفي فيها جاليليو. ولكنه قام بإستكمال ما بدأه جاليليو ووسع أفكار جاليليو أكثر. في الحقيقة تعتبر فيزياء نيوتن هي فعلاً فيزياء نيوتن وجاليلو من نواحي عديدة.

إن أكثر ما يُشتهر به نيوتن هو قوانينه للحركة وقانونه للجاذبية. ونحن نريد أن نستغرق بعض الوقت في النظر في هذه القوانين ، لأنه في النهاية ، سندرك كيف ستوصلنا هذه القوانين إلى نسبية أينشتاين.

قــوانــيــن نــيــوتــن الــثــلاثــة لـلـــحــركــة.

تعتبر قوانين نيوتن الثلاثة للحركة شيئاً أساسياً يتم تدريسه في مقررات الفيزياء في جميع المدارس الثانوية. هناك ثلاثة قوانين توصف كيف تتحرك الأجسام نتيجة تأثير القوى عليها ، سواءً دفع أو سحب.
إذاً ، ما هي قوانين نيوتن الثلاثة للحركة ؟

قانون نيوتن الأول للحركة هو شئٌ مررنا به من قبل بالفعل. قانون نيوتن الأول للحركة هو في الأساس قانون القصور الذاتي المنسوب إلى جاليليو. وينص هذا القانون ، بطريقة رسمية ، بأن أي جسم يتحرك بصورة منتظمة (يعني في خط مستقيم وسرعة ثابتة) ، مالم تؤثر عليه قوةٌ ما (يعني قوة دفع أو سحب).

إذاً ، ها هو نيوتن ببساطة يلخص ويعيد صياغة ما قاله جاليليو بأن كل الأجسام لها قصور ذاتي ، وأن هذا القصور الذاتي يجعلها تستمر في الحركة.

قانون نيوتن الثاني للحركة يصف بطريقة كمية (حسابية) كيف تؤثر القوى (الدفع أو السحب) في تغير الحركة.

يقوم قانون نيوتن الثاني للحركة بحساب ذلك عن طريق المعادلة المشهورة "القوة = الكتلة x التسارع" (بالإنجليزية F = m.a) ، حيث F هي القوة سواءٌ دفع أو سحب ، و m هي كتلة الجسم ، و a هي التسارع ، وهو معدل تغير سرعة الجسم مع الوقت ، مثال ذلك عندما تضغط بقوة على دواسة البنزين لسيارتك وبالتالي تغير من سرعتها ، أو أيضاً عندما تلف عجلة القيادة لسيارتك وبالتالي تغير إتجاه الحركة.

إذاً قانون نيوتن الثاني للحركة يقول لنا ، على سبيل المثال ، إذا كان الجسم ثقيلاً (ذَا كتلة كبيرة) مثل كرة البولينج ، فإنه سيحتاج إلى قوة كبيرة لتعطيه تسارعاً معيناً. أما إذا كان الجسم خفيفاً (ذَا كتلة صغيرة) مثل كرة التنس ، فإنه سيحتاج إلى قوة أصغر لتعطيه التسارع نفسه.

قانون نيوتن الثالث للحركة ، وهو أشهرها ، ويعلمه الكثير من الناس ، وينص على الأتي : لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار ومعاكس له في الإتجاه. وهذا يعني أن القوى دائماً تأتي في شكل زوج (يعني إثنين إثنين). وبصيغةٍ أخرى ينص القانون على الآتي : لو دفعت شيئاً ، سيدفع الشئ عليَّ بقوة تساوي القوة التي دفعتُ بها الشئ. أو بتعبير فيزيائي رياضي يقول : لو أثر الجسم أ على الجسم ب بقوةٍ ما ، فإن الجسم ب سيؤثر على الجسم أ بنفس القوة.

قــانــون نــيــوتــن الــعــام للجــاذبــيــة الــكــونــيــة.


لقد قام نيوتن بخطوة عظيمة أخرى للأمام. لقد قام بدراسة أحد أهم القوى المعروفة في الكون. الجاذبية.

القصة الأسطورية تَحكي الآتي : كان نيوتن جالساً تحت شجرة تفاح ، فسقطت تفاحة على رأسه ، فإكتشف نيوتن الجاذبية !! كلام فارغ.





إن قصة نيوتن الحقيقية هي أكثر رقة ، ودقة ، وعقلانية ، وتعقيداً ، ووضوحاً في نتائجها وعواقبها.


يتبع

[محمد محمود بدر]

إن قصة نيوتن الحقيقية هي أكثر رقة ، ودقة ، وعقلانية ، وتعقيداً ، ووضوحاً في نتائجها وعواقبها.



القصة الحقيقية تَحكي الآتي : كان نيوتن جالساً تحت شجرة تفاح ، وكان القمر ظاهراً مرتفعاً في السماء في الوقت نفسه ، وقد سقطت تفاحة أمامه أو على رأسه ، وقد أدرك نيوتن أن حركة سقوط التفاحة وحركة دوران القمر حول الأرض هي نفس الحركة.

هذه هي جوهر عبقرية نيوتن. فقد قال : ماذا يفعل القمر ؟ إنه يتحرك حول الأرض. وماذا تفعل التفاحة ؟ إنها تسقط بإتجاه الأرض. ما هو العامل المشترك بين هاتين الحركتين ؟

نيوتن أدرك ما هو العامل المشترك بين هاتين الحركتين. لقد أدرك أنه في كلتا الحالتين ، الجسمان يتسارعان ، الجسمان ينحرفان عن الحركة في خط مستقيم وعن السرعة المنتظمة الثابتة في إتجاه الأرض وذلك بالنسبة للقمر والتفاحة على التوالي. إنه يبدو وكأنه في ، الحالتين ، هناك قوة سحب بإتجاه الأرض تؤثر في كلا الجسمين. في حالة التفاحة ، قوة السحب تسبب في تحرك التفاحة فيزيائياً وحقيقياً بإتجاه الأرض. في حالة القمر ، قوة السحب لا تجعل القمر يقترب من الأرض فيزيائياً وحقيقياً. ولكنها تسحب القمر وتجعله ينحرف عن البقاء في طريقه المستقيم الذي كان سيمشي فيه - كما ينص قانون نيوتن الأول - لو لم يكن هناك تأثير قوة سحب جاذبية الأرض عليه. هذه هي ، بمنتهى البساطة ، الفكرة الأساسية التي أدركها نيوتن.

الإجسام تتحرك في خط مستقيم وبسرعة منتظمة ثابتة مالم تؤثر عليها قوةٍ ما. في هذه الحالة القوة هي الجاذبية الأرضية ، وفي هذه الحالة الجاذبية الأرضية عندها القوة المناسبة لكي تُبقي القمر في حركة دائرية حول الأرض. إنه ينحرف عن السير في الخط المستقيم الذي كان يجب أن يمشي عليه.




نيوتن لم يتعرف فقط على هذا من الناحية الكيفية ، لقد تعرف أيضاً على هذا من الناحية الكمية. فقد وضع قانوناً على أساس هذه المراقبات ، هذا القانون معروفاً بإسم : القانون العام للجاذبية الكونية.

وينص قانون نيوتن هذا على الأتي :

كل جسم في الكون يجذب كل جسم أخر بقوة سحب تعتمد على كتلة الجسمين معاً وكذلك على المسافة التي تفصلهما. كلما بعدت المسافة بين الجسمين أكثر ، ضعفت قوة السحب بينهما ، وتضعف القوة بسرعة كبيرة وتتبع قانون التربيع العكسي نفسه الذي يتبعه الضوء. وينص قانون التربيع العكسي على الأتي :

إن قوة الجاذبية تتناسب تناسباً عكسياً مع مربع المسافة ، أي تقل قوة الجاذبية مع إزدياد المسافة عن مصدر الجاذبية. فَلَو إبتعدت عن مصدر الجاذبية مسافة معينة فإن الجاذبية ستقل بمقدار معين. ولو ضاعفت هذه المسافة ، فإن الجاذبية ستقل بمقدار الربع (١/٤). ولو إبتعدت ثلاثة أضعاف المسافة ، فإن الجاذبية ستقل بمقدار التسع (١/٩). ولو إبتعدت أربعة أضعاف المسافة ، فأن الجاذبية ستقل بمقدار (١/١٦) ، وهكذا.

لاحظ أنه من الممكن عملياً قياس قوة الجاذبية الكونية بين جسمين كثيفين عاديي الحجم مثل كرتين من الرصاص المصمت ، سيكون مقدار القوة صغير جداً جداً ، وستكون صعبة القياس للغاية. إلا أنه قد تم قياس ذلك لأول مرة في القرن الثامن عشر على يد العالم هنري كافينديش.

تــوحــيــد الفــيــزيــاء.


يتبع

[محمد محمود بدر]

تــوحــيــد الفــيــزيــاء.





لقد فعل نيوتن أكثر من ذلك ، لقد أخذ خطوة فلسفية كبيرة للأمام ، لأنه بإدراكه أن حركة القمر وحركة التفاحة هما نفس الشئ ، ونفس الحركة ، بإدراكه ذلك ، قد وحد وللأبد الحركة السماوية والأرضية. فقد قال نيوتن : الحركة السماوية والحركة الأرضية تطيع وتتبع القوانين الفيزيائية نفسها. فيزياء كونية واحدة تُطبق في كل مكان في الكون. وبذلك أصبح نيوتن أول من وحد الأفكار في تاريخ العلوم ، فقد أخذ على ما يبدوا أنه منطقتان مختلفتان أو حقلان مختلفان من العلوم - ونعني في هذه الحالة علم الفلك والفيزياء الأرضية - ووحدهما مع بعضهما البعض. لقد أصبحا شيئاً واحداً. أصبحا شيئاً واحداً لأنهما يتبعان ويطيعان القوانين نفسها. لقد أصبح العِلمَان يُفهمان كجزء من نفس الشئ الْوَاحِد.

ماذا تفعل الزُهرة في حركتها حول الشمس يمكن فهمه وحسابه كَنَفْس الشئ وبنفس الطريقة التي نفهم بها ماذا تفعل التفاحة عندما سقطت على رأس نيوتن ، أو ماذا تفعل كرة التنس عندما تضربها بالمضرب في مباراة التنس في باطن السفينة. تَغَيُّر فلسفي كبير جداً. مجموعة قوانين كونية فيزيائية واحدة.




دعنا الآن نسأل السؤال التالي :

لمن تعمل قوانين الحركه هذه ؟

لمن تعتبر قوانين نيوتن صحيحة ؟

هل فقط لنيوتن ؟

هل فقط لنيوتن وجاليلو ؟

بالطبع لا. هذه القوانين صحيحة لكل شخص.

هل هذه القوانين صحيحة فقط على الأرض ؟ مرةً أخرى نقول بالطبع لا. قوانين الفيزياء التي تعمل هنا على الأرض تعمل في أي مكان أخر. وغايةً في الأهمية نضيف ، القوانين تعمل بغض النظر عن حالة الحركة التي أنت فيها. هذه هي النقطة المهمة.

مــبــدأ الــنــســبــيــة الــجــالــيــلــيــة.


يتبع

[محمد محمود بدر]

مــبــدأ الــنــســبــيــة الــجــالــيــلــيــة.





والآن ، وبعد أن فهمنا المعنى الحقيقي للجملة الأخيرة عن قوانين الفيزياء ، فقد حان الوقت أن نكون أكثر دقة وأكثر وضوحاً بخصوص هذه الجملة ، ونكون أكثر حرصاً في إنتقاء الكلمات عندما نقول هذه الجملة. الجملة التي نريد أن نقولها هي : إن قوانين الفيزياء واحدة لا تتغير لكل شخص ، عند هذه النقطة لا بد أن نُكيِّف هذه الجملة وننقيها أكثر ، إنه إنتقاء وتنقية هام جداً ، ويقول الآتي : إن قوانين الفيزياء واحدة لا تتغير لكل شخص في حركة منتظمة. كل شخص في حركة منتظمة. لو كنت متحركاً في خطٍ مستقيمٍ وبسرعة منتظمة ثابتة وقمت بعمل تجارب فيزيائية لتحدد ما هي القوانين التي تحكم الفيزياء ، فإنك ستحصل على القوانين نفسها.

سنتفق جميعاً على أن قوانين نيوتن للحركة صحيحة وتعمل ، وأن قانون الجاذبية الكونية صحيح ويعمل ، وأن هذه القوانين كلها لها بالضبط نفس الشكل والهيئة.





ولكن لو ذهبت إلى مدينة الملاهي وركبت لعبة ماري الدوارة ، أو لو كنت راكباً في سيارة أثناء دورانها حول ركن الطريق بسرعة كبيرة ، أو لو كنت راكباً في سيارة أثناء تسارعها ، أو لو كنت راكباً في طائرة نفَّاثة تنطلق على مدرج المطار ، أو لو كنت راكباً في طائرة نفَّاثة هبطت على المدرج وتتباطأ بسرعة للوقوف.

في كل تلك الحالات نقول بمنتهى البديهية والوضوح : أن قوانين نيوتن لا يمكن تطبيقها لأن هذه الحالات ليست أوضاعاً تكون أنت فيها في حركة منتظمة ثابتة.

سوف نركز الأن على كلمة الحركة ، وسوف نقوم بإستخدام كلمة الحركة بدلاً من كلمة الفيزياء في الوقت الراهن وفي المقال القادم ، وذلك لأنه في زمن نيوتن كانت الحركة هي الفرع الوحيد من الفيزياء المعروف والمفهوم حقيقةً بشكل كبير.

ففي زمن نيوتن ، كان العلماء يعرفون القليل عن علم البصريات والضوء ولكن ليس كثيراً ، والقليل عن علم الحرارة والديناميكا الحرارية ولكن ليس كثيراً.

إن قوانين الحركة هي نفسها لا تتغير لكل شخص في حركة منتظمة. وهذه الجملة لها إسم. إنها تسمى مبدأ النسبية الجاليلية.

وأحياناً أخرى تسمى مبدأ النسبية النيوتونية ، لإنها خرجت من أفكار جاليليلو ونيوتن.

هذه أول مرة نرى فيها كلمة النسبية في سياق فيزيائي حقيقي. لقد تحدثنا عن أن هذه المقالات ستكون للحديث أساساً عن نسبية أينشتاين ، ولكننا نشاهد الأن كلمة النسبية تُحصَد قبل ذلك !!

نسبية أينشتاين ، في الحقيقة ، ليست فكرة حديثة. في الواقع إنها فكرة قديمة جداً أعيد تدويرها وزُينت وحُسنت قليلاً. مبدأ النسبية الأصلي كان لجاليليو ونيوتن وينص على ماذكرناه سابقاً. ولكي نذكره مرة أخيرة بطريقة رسمية نقول : إن قوانين الحركة هي نفسها لا تتغير لكل شخص بشرط أن يكون في حركة منتظمة.
هناك طريقة أخرى لقول هذا المبدأ وهو أن تقول : فقط الحركة النسبية هي التي تهم.

لو كنت تقود السيارة على الطريق في سرعة منتظمة ثابتة في خط مستقيم وأنا أقف على جانب الطريق ، لو قلت لك : أنت تتحرك. أنت أيضاً لك كل الحق أن تقول لي : كلا أنا فقط جالسٌ هنا في السيارة وأنت الذي تتحرك في الإتجاه الآخر.

ولكن ما تقوله النسبية الجاليلية هو ، في الحقيقة ، أنت لا تستطيع التفريق. نحن لا نستطيع القول بأن شخصاً يتحرك وأن الآخر لا يتحرك. تذكر أن كل شخص يتحرك في حركة منتظمة له الحق في إستخدام نفس قواني الفيزياء وسيحصل على نفس النتائج. الفيزياء متساوية لأي شخص في حركة منتظمة ، ولذلك لا يستطيع شخص مطلقاً القول : أنا أتحرك وأنت ثابت ، أو أنا ثابت وأنت تتحرك. هاتان الجملتان ليس لهما معنى.

ما نستطيع قوله هو : أنا أتحرك على الطريق بسرعة ٥٠ كيلومتراً في الساعة بالنسبة للأرض. أو نقول : أنت تتحرك ماراً بي بسرعة ٥٠ كيلومتراً في الساعة بالإتجاه الآخر. نحن نستطيع التحدث فقط عن الحركة النسبية. هذا هو السبب في أنه مبدأ النسبية. لأنه يقول ، فقط الحركة النسبية هي التي تهم. فقط الحركة النسبية هي فكرة لها معنى ، أما الحركة المطلقة فليس لها معنى.

كــلــمــة واحــدة أخــيــرة.


يتبع