النسبية الخاصة لألبرت أينشتاين.

[محمد محمود بدر]

كــلــمــة واحــدة أخــيــرة.




لو كنت تحلق في طائرة وقاموا بتقديم الطعام لك ، فإنك تستطيع أن تأكل الطعام في الطائرة لأنك لن تقلق بخصوص حقيقة أن الطعام يسير معك بسرعة ٩٠٠ كيلومتراً في الساعة. طالما أن الطائرة تسير بسرعة منتظمة ثابتة ، لا توجد مشكلة. سوف تضع الملعقة في الطعام كما تفعل في البيت ، وستأكل الطعام كما في البيت. والآن لو صادفت الطائرة جبهة هوائية ضخمة من المطبات الهوائية العنيفة ، وبدأ الطعام يتطاير في كل مكان. أصبح الوضع هنا مختلفاً ، فأنت الآن لست في حركة منتظمة ، وقوانين الحركة لا يمكن تطبيقها في هذه الحالة.

والآن لكي ننهي هذا المقال ، سنقولها للمرة الأخيرة : أنت تستطيع القول أنك تتحرك بالنسبة إلىَّ ، ولكنك لن تستطيع القول بأنك تتحرك. هذه جملة لا معنى لها.





ولكي نضعها بشكل مختصر وواضح أكثر وبالألفاظ النهائية ، لأننا سوف نعود إلى هذه الجملة مرات ومرات في المقالات القليلة القادمة ، نقول : أنه ببساطة لا توجد تجربة فيزيائية تستطيع القيام بها تستخدم فيها قوانين الحركة سوف تجيبك على السؤال هل أنا أتحرك ؟

لو وضعناك في هذه الطائرة مرةً أخرى ، وسحبنا غطاء النوافذ للأسفل لإغلاقها بحيث أنك لا تستطيع رؤية الأرض وهي تتحرك تحتك. فإنه لا يوجد طريقة تستطيع القول بأن الطائرة تتحرك أم لا. لا يوجد تجربة تستطيع القيام بها بإستخدام كرات التنس ، أو كرات البلياردو ، أو قذف الأشياء حولك ، أو قياس القوى ، أو حساب قوى الدفع والسحب ، ستعطيك أي إدراك لأي فيزياء غير قوانين نيوتن للحركة. لا توجد تجربة فيزيائية تستطيع القيام بها تستخدم فيها قوانين الحركة سوف تجيبك على السؤال هل أنا أتحرك ؟

وهنا نكون قد وصلنا إلى فيزياء نيوتن الكلاسيكية مع قانون أو مبدأ النسبية.

سيتم التكملة في الجزء الثالث.

[محمد محمود بدر]

المشاركة الأصلية كتبت بواسطة aymaan noor

رائعة جدا أستاذنا الفاضل محمد محمود بدر

جزاك الله خيرا و بارك الله فيك

شكرا للمرور أستاذنا الكريم

[محمد محمود بدر]

الــكــهــربــاء والمــغــنــاطــيــســة.

لو كانت الحركة هي كل ما ندرسه في الفيزياء لكانت قصة تاريخ الفيزياء قبل النسبية في الأساس قد إنتهت. ولكن هناك فرع كامل من الفيزياء إسمه الكهرباء والمغناطيسية.

في الحقيقية ، الكهرباء والمغناطيسية كانت معروفة منذ زمن بعيد جداً.
اليونانيون القدماء كانوا على علم بالكهرباء الساكنة. والصينيون القدماء كانوا على علم بالمغناطيسية. وكانت البوصلة المغناطيسية تُستخدم منذ القرن الثاني عشر الميلادي.

مع ذلك ، بالنسبة للمعرفة الحقيقية المُفَصَّلة بعلم الكهرومغناطيسية ، فقد جاءت الكهرباء والمغناطيسية بعد علم الميكانيكا ، أي بعد دراسة علم الحركة. وسوف نحتاج إلى النظر في الكهرباء والمغناطيسية لأن النسبية ، في الحقيقة ، أكثر مما يتصور معظم الناس ، قد نمت مباشرةً من دراسة الكهرباء والمغناطيسية. كذلك الأسئلة التي سُئِلت بخصوص النسبية لها علاقة مباشرة بالأسئلة التي سألناها بالفعل عن النسبية أثناء دراستنا للحركة.

ولذلك نريد أن نقضي معظم الوقت في هذا المقال للنظر بإختصار في علم الكهرباء والمغناطيسية ، وفي النهاية ، سنصل إلى إستنتاج هام جداً من هذا العلم ، إستنتاجٌ سيتوجب عليك إدراك أنه حقيقي ، وسيتوجب عليك تقديره ، وسيتوجب عليك فهم أهميته ، إذا كنّا سنتقدم للأمام ونفهم من أين أتت النسبية.

الــكــهــربــاء

من خلال العديد من التجارب ، بدأ العلماء تدريجياً يدركون بأن هناك خاصية أساسية للمادة تسمى الشحنة الكهربائية. على سبيل المثال : فرك قطعة من الزجاج بواسطة فروة قطة أو بواسطة قماش من الصوف ، ستجد أن جزيئات صغيرة من التراب أو قطع صغيرة من الورق ستلتصق بالزجاج. أو أفرك بالونة على قميصك الصوف وسوف تلتصق البالونة على الحائط. هذه ظاهرة الكهرباء الساكنة.




وقد أدرك العلماء أنها خاصية أساسية للمادة ، وقد تَعَرَّفوا على نوعين من الشحنة الكهربائية ، وأطلقوا على هذين النوعين من الشحنات الكهربائية الشحنة الموجبة والشحنة السالبة. إذاً بعضها لها شحنة سالبة مثل الإلكترون ، وبعضها لها شحنة موجبة مثل البروتون.

كما قلنا من قبل ، الشحنة الكهربائية هي خاصية أساسية للمادة ، وأحد الخصائص المهمة للشحنة الكهربائية أن الشحنات المتشابهة تتنافر مع بعضها البعض. ولذلك من الصعب تقريب شحنتين متشابهتين من بعضهما. هناك قوة تنافر تنشأ بينهما. هي في الحقيقة أشبه بقوة الجاذبية التي وصفها نيوتن منذ قرونٍ مضت. وهي تضعف مع زيادة مربع المسافة بين الأجسام (قانون التربيع العكسي). لذا عندما تكون الشحنتان بعيدتين عن بعضهما البعض ، فإنها لا تشعر بقوة كبيرة بينهما ، وعندما تقتربان من بعضهما البعض ، تشعر بقوة كبيرة.
في المقابل ، تكون القوة تجاذبية إذا كانت الشحنات الكهربائية مختلفة. ولذلك الشحنة الموجبة والشحنة السالبة ستنجذبان إلى بعضهما البعض.

إذاً ، الشحنات المتشابهة تتنافر ، والشحنات المختلفة تتجاذب.

هذا شيئٌ لا نجده في الجاذبية ، ذلك لأنه يوجد نوع واحد من المادة ، نوع واحد من الكتلة ، وكل المادة تتجاذب مع بعضهما البعض.

المــغــنــاطــيــســة


يتبع

[محمد محمود بدر]

المــغــنــاطــيــســة



لقد عرف العلماء أيضاً معلومات عن المغناطيس والمغناطيسية.
المغناطيس العادي له نهايتان تسمى قطبين ، شمالي وجنوبي ، وجميع المغناطيسات لها خاصية أن القطب الشمالي والقطب الجنوبي ينجذبان لبعضهما البعض ، فإذا قرَّبنا القطب الشمالي لمغناطيس والقطب الجنوبي لمغناطيس آخر من بعضهما ، فسوف ينجذبان لبعضهما البعض وسيلتصقان بقوة ، وسيتطلب جهد لفصلهما عن بعض. أيضاً القوة بينهما ستضعف بسرعة إذا أبعدتهما شيئاً فشيئاً عن بعض.

إذا قمنا بعكس إتجاه المغناطيس الأول ، بحيث وضعنا القطبين الجنوبيين بالقرب من بعضهما البعض ، فسوف يحدث تنافر ، ومرةً أخرى نقول الأقطاب المتشابهة تتنافر والأقطاب المختلفة تتجاذب ، بالضبط كما يحدث في الشحنات الكهربائية.




ولكن المغناطيسية ليست كالكهرباء. فالمغناطيس ليس مشحوناً كهربائياً. ونهاية المغناطيس ليست مشحونةً كهربائياً. يبدو لنا أننا نواجه ظاهرتين مختلفتين تماماً. فعندنا ظاهرة الكهرباء والتي تشمل هذه الخاصية الأساسية للمادة والتي نطلق عليها اسم الشحنة الكهربائية ، وعندنا ظاهرة المغناطيسية والتي تبدو لنا وكأنها تشمل أشياء مثل المغناطيس.

مــفــهــوم أو تــصــور فــكــرة الــحــقــل.


يتبع

[محمد محمود بدر]

مــفــهــوم أو تــصــور فــكــرة الــحــقــل.




قبل أن نبدأ في تقديم فكرة الكهرومغناطيسية ، دعنا نتحدث قليلاً عن فهم وتصور تفاعل القوى هذا بين الشحنات الكهربائية والأقطاب المغناطيسية.



عندما قام علماء ذلك الزمن بمحاولة شرح هذا التفاعل بإستخدام قانون نيوتن الثالث للحركة ، قاموا بالوصف كالأتي : الشحنة الموجبة تؤثر بقوة على الشحنة السالبة ، والشحنة السالبة تؤثر بقوة على الشحنة الموجبة ، ويقول لنا قانون نيوتن الثالث للحركة ، مهما تكن القوة التي تؤثر بها الشحنة الموجبة على الشحنة السالبة ، فإن الشحنة السالبة ستؤثر على الشحنة الموجبة بقوة أيضاً ، وستنجذب الشحنتان إلى بعضهما البعض.

هناك مشكلة في هذا الوصف ، مشكلة فلسفية ، ومشكلة رياضية في محاولة شرح تفاعل القوى بهذه الطريقة.

هذا لأنه عندما نقول أن الشحنة الموجبة تؤثر بقوة على الشحنة السالبة ، فإننا نقول أنه ، بطريقةٍ ما ، إستطاعت هذه الشحنة الموجبة الوصول إلى الشحنة السالبة عبر الفضاء والإمساك بها والتأثير عليها.

كيف يحدث هذا ؟
نيوتن أطلق عليها "الفعل عن بعد". ولكن كيف يحدث الفعل عن بعد ؟
كيف يتسنى لجسمٍ هنا أن يؤثر بنفوذه على جسمٍ آخر هناك ؟
وهناك سؤالٌ مزعج ٌ بالذات بخصوص هذا الموضوع ، وهو :
ماذا لوإختفى جسم من هذه الأجسام فجأة ؟
هل سيعلم الجسم الآخر على الفور بإختفاءه ؟
هل سيتوقف على الفور عن الشعور بتأثير قوة الجذب في هذا الإتجاه ، أم لا ؟

والآن دعنا ننظر إلى الصورة الأكبر ولنتخيل أننا نتحدث عن الجاذبية. ماذا لو إختفت الأرض فجأة ، هل سيعلم القمر على الفور أن يتوقف عن الدوران في مداره حولها ، أم لا ؟

كيف وصلت تلك المعلومات إليه على الفور ؟

ولذلك ما حدث هو أن العلماء وجدوا طريقة لشرح ذلك بمفهوم أو تصور فكرة جديدة ، وهي مفهوم أو تصور تجريدي تماماً. إنها فكرة حقل القوى ، أو حقل مجال القوى.
وسوف نقدم تصور حقل القوى هذا أولاً بالنسبة للجاذبية ثم نعود ونشرحه بالنسبة للكهرباء والمغناطيسية.

إن تصور أو مفهوم فكرة حقل القوى هذه تقول الآتي : إن هناك طريقة أكثر تطوراً وعقلانيةً للنظر في مثل هذه المشاكل ، وهذه الطريقة المتطورة تقول : إن الأرض تصنع حولها في الفضاء المحيط بها شيئاً يسمى حقل القوى ، في هذه الحالة ، حقل جاذبية. في كل نقطة محيطة بالأرض في الفضاء القريب منها توجد هذه الكيانات المخفية ، هذه الكيانات لها خواص تجعل أي كتلة توضع فيها تشعر بقوى الجاذبية. وكلما زادت قوى هذا الحقل زادت القوى المؤثرة التي سيشعر بها الجسم. وكلما كبرت كتلة الجسم كبرت القوى التي سيشعر بها الجسم. ويكون إتجاه حقل القوى موجهاً بإتجاه مركز الأرض. إن حقل القوى مثل الأسهم ، ويمكنك تخيل كافة الكرة الأرضية محاطة بهذه الأسهم المخفية موجهةً رؤسها إلى مركز الأرض.

مــاذا ســنــجــنــي مــن هــذه الــصــورة ؟


يتبع

[محمد محمود بدر]

مــاذا ســنــجــنــي مــن هــذه الــصــورة ؟


أولاً من الأشياء التي سنجنيها مثلاً هو شرح للجاذبية الأرضية مستقلة عن أي جسم معين - مثل كرة التنس أو القمر أو الأقمار الصناعية - والتي قد نختار وضعه هناك في مجال الجاذبية الأرضية.
والشيء الثاني الذي سنجنيه هو طريق حول تلك المشكلة الفلسفية الرياضية التي ذكرناها من قبل.




إذاً مفهوم حقل القوى أو حقل مجال القوى يصف التفاعل بين جسمين - (تفاعل جذبي في هذه الحالة) - بطريقة مختلفة جداً. هذا التصور يقول ، إن جسماً ذا جاذبية كالأرض يصنع حقل جاذبية في خلال كل الفضاء المحيط به ، وإن الأجسام تتجاوب مع هذا الحقل ، ليس في مكان بعيد عنه ، بل في الفضاء المحيط والقريب منه.
وهو الشيء نفسه بالنسبة للكهرباء والمغناطيسية.

فإذا أخذنا جسماً له شحنة موجبة فإنه سيصنع حقلاً في جميع نقاط الفضاء المحيطة به ، في هذه الحالة حقل كهربائي لأن هذا الجسم مشحون كهربائياً. إنه حقل قوى كهربائي ، ولو وضعنا أي جسم مشحون آخر بالقرب منه ، فإنه سيشعر بهذه القوى والتي تعتمد على مكان موضعه في الحقل الكهربائي.




بنفس الطريقة ، إذا أردنا التحدث عن المغناطيسية ، نستطيع القول بأن المغناطيس يصنع حقل قوى مغناطيسي في كل نقاط الفضاء الموجودة حوله. ولو شاهدت تجربة وضع مغناطيس في كومة من برادة الحديد ، ستجدها تصطف وتُكَوِّن صورة مرئِيَّة لخطوط حقل القوى المغناطيسي المخفية والإتجاه الذي تشير إليه. ولو وضعنا مغناطيساً آخر بالقرب منه ، فسيشعر بحقل القوى هذا ، وسيتأثر بهذه القوى عليه.

إن تصور مفهوم حقل القوى هو فكرة تجريدية جداً ، ولكننا إستطعنا الذهاب من النقطة التي كنّا نصف فيها أن جسمين يتفاعلان مع بعضهما - جاذبياً ، أو كهربائياً ، أو مغناطيسياً - لأن كل جسم يدفع أو يسحب (يتنافر أو يتجاذب) مع الجسم الآخر أو القول بأن هذا الجسم قام بالوصول إلى الجسم الأخر عبر الفضاء وأمسك به وأثر عليه ، إلى النقطة التي نصف فيها أن كل جسم يصنع هذا الحقل الغامض في الفضاء الذي حوله ، والجسم الآخر يتجاوب ويشعر ويتفاعل مع هذا الحقل. فعلاً فكرة تجريدية جداً. إلا أن فيها حقيقة هائلة. ذلك لأنه بمجرد أن تعترف بوجود حقول القوى هذه ، وتدرس الكهرباء والمغناطيسية أكثر قليلاً ، فإنك ستجد هذه الحقول على سبيل المثال تحوي طاقة. ستجد هذه الحقول تبدو وكأنها تحوي مادتها الخاصة. نحن لا نرى هذه المادَّة ، ولا نستطيع لمسها ، ولكنها موجودة ، وهي في الحقيقة ، تعتبر وكأنها مخازن لطاقة هذه الحقول.


العــلاقــة بــيــن الــكــهــربــاء والمــغــنــاطــيــســة.


يتبع

[محمد محمود بدر]

العــلاقــة بــيــن الــكــهــربــاء والمــغــنــاطــيــســة.






لقد تبين أنه لو قمنا بتحريك شحنة كهربائية ، لو قمنا ببساطة بتحريك شحنة كهربائية في خط مستقيم إلى الأمام ، فإن هذا سيصنع مغناطيسية. وإذا تعمقنا أكثر في الأساس ، سنجد أن هناك علاقة مباشرة بين حقل المجال الكهربائي وحقل المجال المغناطيسي ، ويمكن وصف هذه العلاقة كالتالي :
لو كان عندنا مغناطيسية ، بمعنى أنه لو كان لدينا حقل مجال مغناطيسي ناشئ من مغناطيس مثلاً. إذا غيَّرنا حقل المجال المغناطيسي هذا بأي طريقة ، على سبيل المثال ، عن طريق تحريك المغناطيس بسرعة ، الحقيقة فإن ذلك سيصنع كهرباء ، بمعنى آخر سيصنع حقل مجال كهربائي.






النقطة التي نريد توضيحها وفهما جيداً من كل هذا هي ، هناك علاقة حميمة بين الكهرباء والمغناطيسية. وهذه العلاقة هي تغير المغناطيسية يصنع كهرباء. لنكون أكثر دقة بالنسبة لما نقول ، حقل المجال المغناطيسي المتغير يصنع حقل مجال كهربائي.

جــيــمــس كــلــيــرك مــاكــســويــل.

يوجد شئٌ مفقودٌ هنا، هناك شئٌ حقيقيٌ مفقود !

لقد تحدثنا عن الكهرباء ، وتحدثنا عن المغناطيسية ، وتحدثنا عن العلاقة بين الإثنين والتي عرفنا منها أن المغناطيسية تُنتج الكهرباء ، أو لكي نكون أكثر دقة ، المجال المغناطيسي المتغير يصنع مجالاً كهربائياً. ولكن هناك شئٌ مفقود !

في عام ١٨٦٥م ، قام العالم الفيزيائي جيمس كليرك ماكسويل بالتفكير كثيراً في هذا الموضوع.

والآن تذكر أننا تحدثنا في المقال الأول كيف أن الفيزياء والعلوم هي نشاط إنساني وعمل خَلاَّق ، وأن هناك لمسة إنسانية خلفها ، وأن الفيزياء تتأثر بالخصائص الإنسانية ، وأنها ليست خليطاً لا لون له من الذهاب إلى المعمل وإختبار الفرضية ومثل هذا النوع من النشاط. في الواقع ، لقد كان ماكسويل في تلك اللحظة يُظهر الجانب الإنساني الآخر ، الجانب الخَلاَّق المتعلق بالجمال وتقدير الجمال. فقد قال ، هنالك شئٌ مفقود ، لا يوجد تناظر هنا كما كنت أتوقع أن أجده في العالم الطبيعي. نحن نعلم عن الكهرباء ، وعندنا القوانين التي تغطي ذلك. نحن نعلم عن المغناطيسية ، وعندنا القوانين التي تغطي ذلك. نحن نعلم أن التغير المغناطيسي يُنتج كهرباء. لماذا لا يكون التغير الكهربائي بنتج مغناطيسية ؟ وقال ماكسويل ، أعتقد أنه يجب ذلك.
لقد عاش جيمس كليرك ماكسويل من عام ١٨٣١م إلى عام ١٨٧٩م ، وقد كان عالماً إسكتلندياً ، وقد كان عالماً متديناً يؤمن بوجود إله خالق للكون ، فقد قال : لو كان الله قد خَلَقَ الكون ، لكان خَلَقَه بهذه الطريقة ، فإنه سيكون أكثر تناظراً ، أكثر جمالاً. لا يوجد أي شئ تكنولوجي هنا. هذا تقدير للجمال ببساطة وبصفاء. قال ماكسويل : أعتقد أنه يجب أن يكون الوضع كذلك.





إقترح ماكسويل وقال "أعتقد أن حقل المجال الكهربائي المتغير سينتج عنه حقل مجال مغناطيسي" ، ثم قام بوضع أربعة قوانين رياضية عن الكهرباء والمغناطيسية معتمداً على ما كان معروفاً من قبل ، وعلى هذه الفكرة الجديدة. وعلى شرفه ولتكريمه ، سميت هذه القوانين معادلات ماكسويل.

وتمثل هذه القوانين أو المعادلات التوليف الثاني للعلوم الذي ذكرناه في هذه المقالات. في هذا التوليف ، أصبحت الكهرباء والمغناطيسية مندمجة في مادةٍ واحدةٍ ، الكهرومغناطيسية. هذا هو التوحيد الكبير الثاني للفيزياء بعد التوحيد الأول الذي تم على يد إسحاق نيوتن.


الــمــوجــات الــكــهــرومــغــنــاطــيــســيــة.



يتبع

[محمد محمود بدر]

الــمــوجــات الــكــهــرومــغــنــاطــيــســيــة.


ذهب ماكسويل بعد ذلك بعيدا للأمام وقال : ما هي العواقب لهذه الحقيقة ؟ ثم جاء ماكسويل بفكرة متألقة وتنبؤ عبقري فقال : أنظر ، فلنفرض أن هناك حقلاً لمجالاً مغناطيسياً متغيراً ، فماذا سَيُنتِج ؟ سوف يُنتِج حقلاً لمجال كهربائي. وهذا المجال الكهربائي سيكون متغيراً أيضاً ، وبالتالي ماذا سَيُنتِج ؟ سوف يُنتِج حقل لمجال مغناطيسي متغير. وماذا سَيُنتِج هذا المجال المغناطيسي المتغير ؟ سوف يُنتِج مجالاً كهربائياً متغيراً ، وهكذا وهكذا.

ثم تصور ماكسويل ، أنه من الممكن أن يتكون بِنَاءً من مجالٍ متغيرٍ يصنع مجالاً متغيراً آخر ذهاباً وإياباً ، بادئاً بأي مجال منهما ، كهربائي أو مغناطيسي لا يهم.

كهربائي متغير ، مغناطيسي متغير ، كهربائي متغير ، مغناطيسي متغير ، كهربائي متغير ، مغناطيسي متغير. وينطلق هذا البِنَاء المستقل ويقفز بنفسه عبر الفضاء. ويكتسب وجوداً مستقلاً بذاته ، ويحمل معه طاقة كهرومغناطيسية ، وينتشر عبر الفضاء كموجة.
ماكسويل تنبأ بوجود الموجات الكهرومغناطيسية ، وقد قام بشئٍ آخر. فقد تنبأ وقام بحساب السرعة التي تتحرك بها هذه الموجات.
لقد إستخدم ماكسويل بعض الأرقام التي توصل إليها العلماء وقتها من التجارب المعملية والتي تَصِف كيف تحدث وتتصرف قوة المجالين الكهربائي والمغناطيسي ، ومدى شدة القوة بين الشحنات الكهربائية مع بعضهما ، وشدة القوة بين المغناطيسات المختلفة. الشئ المهم أن هذه الأرقام ليس لها علاقة بعلم البصريات (دراسة الضوء) مع أشياء أخرى. لقد قام ماكسويل بحساب سرعة موجاته المغناطيسية التي إكتشافها هذه معتمداً على تلك الأرقام فقط ولا شئٌ آخر. وقد حسب هذه السرعة. وتبين أنها السرعة المعروفة للضوء.






والآن ، حتى هذه اللحظة ، لم يكن أحد يعلم ما هو الضوء. لقد خمَّن بعض العلماء منذ بداية القرن التاسع عشر على أنه موجات ، وقد إعتقد نيوتن أنه جزيئات. ولكن على زمن ماكسويل كان الجميع يعلم أن الضوء هو موجات ، ولكن لم يكن يعلم أحد أي نوع من الموجات هو.
وفجأة ، يضع ماكسويل نظريته عن الكهرباء والمغناطيسية ، ويتنبأ منها أنه يجب أن يكون هناك موجات من الكهرومغناطيسية ، وهذه الموجات يجب أن تنتشر وتتحرك عبر فراغ الفضاء ، وتحمل معها طاقة ، طاقة كهرومغناطيسية ، و يجب عليها التحرك بسرعة الضوء المعروفة. وفي الحال أصبح من الواضح أن الضوء هو عبارة عن موجات كهرومغناطيسية.

طـــيـــف الــمــوجــات الــكــهــرومــغــنــاطــيــســيــة.


يتبع

[محمد محمود بدر]

طـــيـــف الــمــوجــات الــكــهــرومــغــنــاطــيــســيــة.




بعد ذلك سأل ماكسويل أسئلة أخرى بخصوص الموجات الكهرومغناطيسية.

هل هناك أشكال أخرى غير الضوء ؟ والإجابة كانت نعم ، هناك أشكال أخرى. هناك أشكال أخرى مثل موجات الراديو ، وموجات الراديو القصيرة ، والموجات تحت الحمراء ، والموجات الفوق بنفسجية ، وموجات أشعة إكس ، وموجات أشعة جاما.

هذه كلها موجات كهرومغناطيسية ، هي في الأساس كلها متشابهه. كل ما هو مختلف فيهم هو طول الموجة لكل نوع ، أو بتعبيرٍ آخر ، كم سرعة ذبذباتها أو إهتزازاتها. من موجات الراديو الأبطأ ذبذبةً أو إهتزازاً ، إلى موجات أشعة جاما الأسرع ذبذبةً وإهتزازاً ، كلها تتحرك بنفس السرعة ، إنه فقط مسألة كم هي سرعة تذبذب المجالين الكهربائي والمغناطيسي الظاهرة أمامنا.
الموجات نفسها كلها تتحرك بنفس السرعة ، إنها سرعة الضوء المعروفة ، وهي حوالي ٣٠٠,٠٠٠ كيلومتراً في الثانية ، ومن الآن فصاعداً ، سوف نسميها ونعينها بالحرف الإنجليزي "c"
إذاً ، أثبت ماكسويل وجود الموجات الكهرومغناطيسية. وقام العلماء بعد ذلك بتجارب لإثبات فرضيته أو نفيها.





في عام ١٨٨٧م ، نجح العالم الألماني هينريك هيرتز في توليد موجات كهرومغناطيسية في جانبٍ من معمله ، وبواسطة جهاز آخر في الجانب الآخر من المعمل ، إستطاع إستقبال هذه الموجات ، وبصنعه هذه الموجات الكهرومغناطيسية في معمله ، أثبت هرتز أن ماكسويل كان صائباً.

في عام ١٩٠١م ، إستطاع المهندس الكهربائي جوليالمو ماركوني بعث موجات كهرومغناطيسية عبر المحيط الأطلسي للمرة الأولى.
وبذلك أصبح إكتشاف الموجات الكهرومغناطيسية شيئاً عملياً جداً.
واليوم ، الموجات الكهرومغناطيسية تُستخدم في الراديو ، والتلفزيون ، وأجهزة المايكرويف ، وأجهزة الأشعة تحت الحمراء ، والليزر ، وفأرة التحكم بالكومبيوتر ، والتليفونات الخلوية. كل هذه الأجهزة تُوَلِّد وتَستَخدِم الموجات الكهرومغناطيسية.

تُعتبر الموجات الكهرومغناطيسية كلية الوجود ، بمعنى أنها موجودة في كل مكان. والنقطة المهمة لنا هي أن هذه الموجات تنشأ بالضبط بنفس الطريقة. أنت بطريقةٍ ما تجعل مجالاً مغناطيسياً أو كهربائياً يتغير ، وحينما تفعل ذلك ، وبمجرد أن تبدأ هذه العملية ، ستُبَثُ هذه الموجات وتنتشر بعيداً عبر الفضاء ، وستفعل ذلك بسرعة فريدة واحدة. لا يهم أي نوع من الموجات هي ، سواءٌ كانت موجات راديو ، أو تلفزيون ، أو فوق بنفسجية ، أو تحت حمراء ، أو ضوء مرئي ، أو أشعة إكس ، أو أشعة جاما ، ستنطلق هذه الموجات بالسرعة التي أطلقنا عليها الحرف "c" ٣٠٠,٠٠٠ كيلومتراً في الثانية.

أيـــن نــحــن ذاهــبــون بــهــذا ؟

ما نريد منك أن تأخذه من هذا المقال هو الفكرة بأن الموجات الكهرومغناطيسية هي نتيجة أو عاقبة حتمية أساسية لفرع الفيزياء المسمى الكهرومغناطيسية. وأن الموجات الكهرومغناطيسية ، كما تُنُبِئَ بها ونتجت من هذا الفرع من الفيزياء ، تتحرك بسرعة معروفة ، إنها سرعة الضوء. إنه رقم محدد معروف ، إنه ثابت من ثوابت الطبيعة ، إنها السرعة c وقيمتها ٣٠٠,٠٠٠ كيلومتراً في الثانية.

سيتم التكملة في الجزء الرابع.

[محمد محمود بدر]

تـــاريـــخ مــخــتــصــر لــلــفــيــزيــاء.

قبل أن نبدأ الشرح ، دعونا نبدأ مع خلاصة مختصرة لما كنّا عليه قبل الأن. تاريخ مختصر للفيزياء حتى العام ١٩٠٠م. وذلك لأنه عند هذه النقطة ، نحن في المكان المناسب للقفز للنظرية النسبية.

منذ عام ١٦٠٠م إلى عام ١٧٥٠م ، شاهدنا قيام جاليليو ونيوتن وغيرهما بتطوير فهمنا لعلم الميكانيكا ، وهو علم دراسة الحركة. لقد طوَّروا فهماً ميكانيكياً للحقيقة الفيزيائية. لقد إستطاعوا وصف الطريقة التي يعمل بها العالم وشرحها باستخدام قوانين نيوتن للحركة ، وقانون نيوتن للجاذبية ، وقوانين لقوى مختلفة أخرى ، والتنبؤ بحركة الأجسام.

هنا نريد التأكيد على جانبين من رؤية جاليليو ونيوتن للحقيقة والتي تمنحها لنا الفيزياء الكلاسيكية.

الرؤية الأولى هي أن الكون حتمي ، وهذه الرؤية أدت إلى ولادة فكرة الكون الدقيق الذي يتحرك كالساعة.

الرؤية الثانية هي أن مبدأ النسبية متواجد ويُطبق في فيزياء جاليليو ونيوتن. بتعبير آخر ، قوانين الفيزياء الجاليلية أو الفيزياء النيوتونية تعمل لكل شخص في حركة منتظمة ، وهذا هو مبدأ النسبية الجاليلية.
إذاً ، مبدأ النسبية متواجد ويُطبق في هذا الفرع من الفيزياء.
ثم من حوالي العام ١٧٥٠م إلى حوالي عام ١٩٠٠م ، قام ماكسويل وآخرون باكتشاف وتطوير نظرية الكهرومغناطيسية والتي قمنا بتغطيتها بإختصار شديد في مقالنا السابق.

وهذه النظرية أدت إلى فهم جميع الظواهر الكهرومغناطيسية ، والكهرباء ، والمغناطيسية ، والتفاعلات بين الإثنين ، وخاصةً الضوء. وبدأ فهم الضوء على أنه موجة كهرومغناطيسية. وقامت معادلات ماكسويل للكهرومغناطيسية بعمل تنبؤات أكيدة بخصوص وجود تلك الموجات الكهرومغناطيسية ، وخصوصاً التنبؤ بأن تلك الموجات تسير بسرعة معروفة يمكن حسابها ، وهي سرعة الضوء ، البالغة ٣٠٠,٠٠٠ كيلومتر في الثانية.





جيمس كليرك ماكسويل (١٨٣١م - ١٨٧٩م)


إذاً هذا هو ملخص تاريخي للفيزياء حتى الموقف الذي نقف فيه الأن.

الإطـــار المـــرجــعــي.


يتبع

[محمد محمود بدر]

الإطـــار المـــرجــعــي.



والأن نريد أن نطرح بعض الأسئلة عن هذين الفرعين المختلفين من الفيزياء اللذين ذُكرا في الملخص التاريخي المختصر للفيزياء ، الميكانيكا (أو دراسة الحركة) ، والكهرومغناطيسية (أو دراسة الكهرباء والمغناطيسية بما فيها الضوء).

ولكن قبل أن نبدأ ، نريد الآن تقديم مفهوم جديد. إنه مفهوم يسمى "الإطار المرجعي".
ماذا نعني بالإطار المرجعي ؟
في الحقيقة ، أنت قد تقول ، إنه شئ مثل وجهة نظرك. وفي الفيزياء نقول ، نعم بالفعل إنه شئٌ مثل وجهة نظرك. إنه في الأساس مثل حالة الحركة الخاصة بك ، أو الأشياء التي تشاركك في حالة الحركة الخاصة بك.

على سبيل المثال :

لو أنت هنا على الأرض ، وتقوم بعمل تجربة فيزيائية ، فإن الأرض هي الإطار المرجعي لك.

عندما تقول : أنا أشاهد سيارة تتحرك بسرعة ٥٠ كيلومتراً في الساعة ، فإن الأرض هي الإطار المرجعي لك ، والذي تعنيه هو أن السيارة تتحرك بسرعة ٥٠ كيلومتراً في الساعة بالنسبة للإرض ولكل الأشياء المُثَبَّتَة والعالقة بالأرض.

لو كنت في الطائرة وتتحرك بسرعة ٩٠٠ كيلومتراً في الساعة بالنسبة للأرض ، فإن الطائرة هي الإطار المرجعي لك. ولو قلت أنني سوف أمشي في ممر الطائرة إلى الأمام بسرعة ٢ كيلومتر في الساعة ، فإن ذلك بالنسبة للإطار المرجعي الخاص بك وهي الطائرة وليست الأرض.

لو كنت في سيارة تتحرك بسرعة كبيرة على الطريق السريع ، وأردت أن تقوم بعمل تجربة فيزيائية داخل السيارة ، فإن السيارة هي إطارك المرجعي.

إن إطارك المرجعي في الأساس هو كل شئ يشاركك حالة الحركة الخاصة بك.

إذاً هذه هي فكرة الإطار المرجعي ، وسوف نقوم بإستخدام هذا المفهوم بكثرة في هذا المقال والمقالات القادمة. إنه مفهوم حاسم في النسبية ، وذلك لأن مبدأ النسبية - سواءٌ كانت النسبية الجاليلية أو نسبية أينشتاين - هي في الأساس تتعلق وتدور حول مفهوم الأطر المرجعية.

والآن نستطيع العودة للأسئلة البسيطة التي أردنا أن نسألها في البداية.

دعونا نسأل السؤال التالي : في أي إطار مرجعي تكون قوانين الميكانيكا (أو قوانين الحركة) صالحة ؟

في أي إطار مرجعي تكون - هذه الفيزياء المذكورة في الجزء الأول من ملخص تاريخ الفيزياء - صالحة ؟

نحن بالفعل نعلم مسبقاً الإجابة على هذا السؤال. لقد أجبنا على هذا السؤال من قبل بواسطة مبدأ النسبية الجاليلية. هذا المبدأ يقول إن قوانين الميكانيكا (أو الحركة) هي نفسها لكل المراقبين في حركة منتظمة. وإذا أعدنا صياغة ذلك من ناحية الإطار المرجعي فإننا نقول إن قوانين الميكانيكا هي نفسها وتعمل بطريقة جيدة متساوية في جميع الأطر المرجعية ذات الحركة المنتظمة.

إذاً لو كنت هنا على الأرض ، أو لو كنت على متن الطائرة وتتحرك خلال الهواء الثابت بدون مطبات هوائية وبسرعة منتظمة فإن هذين إطاران مرجعيان صالحان للقيام بالميكانيكا.

لو كنت على الزُهرة تلعب التنس ، أو على هذا الكوكب البعيد في تلك المجرة البعيدة ، ما دامت الحركة منتظمة فإن هذين إطاران مرجعيان صالحان للقيام بالميكانيكا. إذاً في أي إطار مرجعي تعتبر قوانين الميكانيكا صالحة ؟ إنها صالحة في أي إطار مرجعي يتحرك بسرعة منتظمة ثابتة.




ألبرت مايكلسون (١٨٥٢م - ١٩٣١م)


الــســرعـــة "c" بــالــنــســبــة لــمــاذا ؟

يتبع

[محمد محمود بدر]

الــســرعـــة "c" بــالــنــســبــة لــمــاذا ؟



والآن نحن نريد أن نطرح سؤالاً آخر مساوياً في البساطة ،
في أي إطار مرجعي تكون قوانين ماكسويل صالحة ؟
في أي إطار مرجعي تكون قوانين الكهرومغناطيسية صالحة ؟
في أي إطار مرجعي تكون - هذه الفيزياء المذكورة في الجزء الثاني من ملخص تاريخ الفيزياء - صالحة ؟

هل هي صالحة في أي إطار مرجعي يتحرك بسرعة منتظمة ثابتة مثل قوانين الميكانيكا أو قوانين الحركة ؟ هذا كان السؤال الحاسم في تطور تفكير أينشتاين والنسبية. ولكن في الحقيقة هذا ليس السؤال الذي سوف نطرحه. سوف نقوم بطرح سؤال مرادف أو موازٍ له ، ونحن نريد منك أن تفهم بمنتهى الوضوح لماذا هو سؤال مرادف وموازٍ.

سوف نقوم بدلاً من ذلك بسؤال السؤال التالي : في أي إطار مرجعي يتحرك الضوء بالسرعة "c" ؟ هذه السرعة الخاصة الثابتة البالغة ٣٠٠,٠٠٠ كيلومتراً في الثانية.

لماذا يعتبر هذا سؤالاً مرادفاً وموازياً ؟

هذا لأن أحد تنبؤات معادلات ماكسويل تنبأت بأنه يجب أن يكون هناك موجات كهرومغناطيسية والتي نعلم الآن أنها تشمل الضوء ، وأن هذه الموجات يجب أن تتحرك بسرعة الضوء المعروفة بالسرعة c. وفي الإطار المرجعي الذي تكون فيه معادلات ماكسويل صالحة ، فإن هذا التنبؤ سوف يُولد فوراً ويُثبت صحَّته. وفي المقابل ، في الإطار المرجعي الذي تكون فيه معادلات ماكسويل غير صالحة ، سيكون هناك سرعة مختلفة للضوء غير السرعة c.

ولذلك فإن السؤال : في أي إطار مرجعي يتحرك الضوء بالسرعة "c" ؟ هو مرادف وموازٍ منطقياً تماماً للسؤال : في أي إطار مرجعي تكون فيه معادلات ماكسويل صالحة ، أو في أي إطار مرجعي تكون فيه قوانين الكهرومغناطيسية صالحة ؟

في البداية ، إعتقد علماء القرن التاسع عشر خطأً بأن الضوء يسير بالسرعة c بالنسبة لمصدره ، ولذلك إذا كان هناك مصدر للضوء ، كمصباح كهربائي مثلاً ، وهو يشع الضوء في جميع الإتجاهات ، إذاً سوف يتحرك الضوء بسرعته c بالنسبة لمصدره ، وهو المصباح الكهربائي. ولو ركضت بالمصباح الكهربائي بإتجاهك ، فإن الضوء سيتحرك بإتجاهك أسرع من سرعته c ، ولكنه سيظل يتحرك بسرعته c بالنسبة لمصدره. هـــذا لـــيـــس صــحــيــحــاً.

هناك العديد والعديد من التجارب والمراقبة تمت بواسطة علماء القرن التاسع عشر والتي نتجت عنها نتائج صلبة مؤكدة بأن هذا غير صحيح.

إن أفضل وأسهل إثبات جاء من المراقبة الفلكية لأنظمة النجوم الثنائية. فلقد إكتشف علماء الفلك منذ القرن التاسع عشر بأن حوالي نصف عدد النجوم التي يمكن رؤيتها في مجرتنا هي من النجوم الثنائية ، وهي أنظمة تشمل نجمين يدوران حول بعضهما البعض في مدارات ضيقة نسبياً. والعديد من هذه الأنظمة النجمية الثنائية يكون موجهاً بإتجاه معين أمام خط الأفق الخاص بِنَا بحيث يبدو لنا النظام النجمي ظاهراً من جانبه أو حافته.

والأن تخيل نظاماً نجمياً ثنائياً مكوناً من النجم "أ" والنجم "ب" يدوران حول بعضهما ، وتخيل أيضاً أن وضعية النظام بالنسبة للأرض موجهة بحيث يُشاهد هذا النظام من حافته. لاحظ أنه سيكون هناك وقت عندما يكون النجم "أ" أتياً بإتجاهنا أثناء حركته في مداره ، وسيكون هناك وقت عندما يكون النجم "أ" يبتعد عنَّا أثناء حركته في مداره.

هذه النظم النجمية بعيدة جداً عنَّا ، تبلغ مئات إلى آلاف السنوات الضوئية. هذا يعني أن الضوء يستغرق مئات إلى آلاف السنوات ليصل إلينا. إذاً لو كانت سرعة الضوء تعتمد على سرعة المصدر ، فإن الضوء المنبعث من النجم "أ" أثناء قدومه بإتجاهنا في مداره ، على سبيل المثال ، سيصل إلينا أسرع بقليل من الضوء المنبعث من نفس النجم أثناء إبتعاده عنَّا في مداره ، والذي سيصل إلينا متأخراً بقليل. لو كانت هذه هي الحالة ، فإننا سوف نرى صوراً متعددة للنجم في نفس الوقت في اللحظة التي يصل إلينا الضوء القادم من النجم من المواقع المختلفة أثناء تحركه في مداره ، وهذا لأن الضوء سيستغرق مدداً زمنية مختلفة للتحرك عندما كان النجم في أماكن مختلفة في أزمنة مختلفة في مدارة مرةً متجهاً إلينا ومرةً مبتعداً عنَّا.

في الحقيقة عندما ننظر إلى الأنظمة النجمية الثنائية ، فإنه من الواضح جداً جداً أن سرعة الضوء القادم من النجوم ليس له علاقة بسرعة المصدر. نحن نشاهد الضوء قادماً إلينا بسرعته c بغض النظر عن كون المصدر ثابتاً أم متحركاً.





إدوارد مورلي (١٨٣٨م - ١٩٢٣م)


عــقــلــيــة عــلــمــاء الــقــرن الــتــاســع عــشــر.



يتبع

[محمد محمود بدر]

عــقــلــيــة عــلــمــاء الــقــرن الــتــاســع عــشــر.



يتبع


أولاً لقد كان فيزيائيو القرن التاسع عشر في غاية السعادة والإثارة بنجاح الفيزياء النيوتونية في شرح كل شئ بطريقة ميكانيكية. ولذلك كانوا مايزالون يحاولون التفكير في الكهرومغناطيسية على أنها علم ميكانيكي ذو طبيعة ميكانيكية. لقد كانوا يحاولون التفكير في موجات الضوء على أنها شئٌ مثل موجات الصوت ، على أنه إضطراب ميكانيكي لوسطٍ ما.

ولذلك فقد أعطى فيزيائيو القرن التاسع عشر إجابة مختلفة للسؤال : في أي إطار مرجعي يتحرك الضوء بالسرعة c ؟

لقد نظروا إلى أنواع أخرى من الموجات والتي يعلمون عنها مسبقاً وسألوا نفس السؤال.

على سبيل المثال نظروا إلى الموجات الصوتية والتي تتحرك خلال الهواء بسرعة ١٢٣٥ كيلومتراً في الساعة تقريباً. تتحرك بالنسبة لماذا ؟ بالنسبة للهواء. وذلك لأن الموجات الصوتية هي إضطرابات للهواء.
نظروا إلى موجات المحيط والتي تتحرك خلال سطح الماء بسرعات مميزة. تتحرك بالنسبة لماذا ؟ بالنسبة للماء. وذلك لأن موجات المحيط هي إضطرابات للماء.

نظروا إلى موجات الزلازل والتي تتحرك خلال الأرض الصلبة بسرعة ١٠ كيلومترات في الثانية تقريباً. تتحرك بالنسبة لماذا ؟ بالنسبة للأرض الصلبة. وذلك لأن موجات الزلازل هي إضطرابات للأرض الصلبة.

إذاً لقد كان من الواضح جداً لديهم أن الموجات الصوتية هي إضطرابات للهواء ، وأن موجات المحيط هي إضطرابات للماء ، وأن موجات الزلازل هي إضطرابات للأرض الصلبة.

ماذا عن الضوء ؟ في الحقيقة لقد أتوا بفكرة وجود وسط إفتراضي ، وسط يكون مثل الهواء أو الماء ، الشئ الذي تتحرك خلاله موجات الضوء. الشئ الذي تعتبر هي (موجات الضوء) إضطرابات له. ولقد أطلقوا عليه إسم الأثير.

الأرض والأثـــيـــر : أزمــــة فـــي الـــفــيـــزيـــاء.

هذا الأثير يجب أن يكون له خواص غير إعتيادية.
أولاً يجب أن يتخلل وينتشر ويَنفَذ إلى كل أنحاء الفضاء ، وذلك لأن موجات الضوء تنتشر عبر كل الفضاء.
ثانياً يجب أن يكون رقيقاً جداً وقليل الكثافة ، وذلك لأن الأرض تسبح في الفضاء في مدارها حول الشمس ولا تشعر بأي سحب أو عائق من الأثير والذي كانت ستشعر به لو كان الأثير عالي الكثافة وغير رقيق. ولذلك يجب أن يكون رقيقاً وقليل الكثافة جداً.
ثالثاً يجب أن يكون شديد الصلابة ، وذلك لسبب أكثر مكراً ودهاء. فقد عرف علماء ذلك العصر أنه إذا أرسلت موجة خلال زنبرك بواسطة ليُّه سريعاً أو ذبذبته ، فستجد أن الموجة تسير بسرعة أكبر إذا تم تقليل إستطالة الزنبرك بحيث يصبح أضيق. بتعبير آخر يكون شديد الصلابة. إذاً الأثير يجب أن يكون غاية في شدة الصلابة لكي يستطيع نشر موجات من خلاله بسرعات كبيرة جداً جداً والتي تصل إلى ٣٠٠,٠٠٠ كيلومتر في الثانية.


هذه الخاصية الآخيرة في الواقع ليست متوافقة جداً مع كون الأثير رقيق جداً ويملأ كل أنحاء الفضاء !! ولذلك فقد كان الأثير مادة غريبة إقترحها علماء القرن التاسع عشر. ولكنها كانت أساسية لهؤلاء الفيزيائيين لإنهم كانوا مغمورين بل غارقين في هذه الرؤية الميكانيكية لفيزياء نيوتن.

والآن لو كنت تقول لنفسك : انتظر لحظة !
هذه مادة سخيفة تنافي العقل والمنطق السليم !!
لماذا فكر العلماء وأخترعوا شيئاً كهذا ؟
لماذا لم يقولوا فقط أن موجات الضوء تسير عبر الفضاء الفارغ ؟


يتبع

[محمد محمود بدر]

والآن لو كنت تقول لنفسك : انتظر لحظة !
هذه مادة سخيفة تنافي العقل والمنطق السليم !!
لماذا فكر العلماء وأخترعوا شيئاً كهذا ؟
لماذا لم يقولوا فقط أن موجات الضوء تسير عبر الفضاء الفارغ ؟




السبب في ذلك هو أنهم لو قالوا ذلك ، فمعنى هذا أنهم قد عادوا للسؤال ، بالنسبة لماذا يسير الضوء بالسرعة c ؟ لأن الفضاء الفارغ ليس بشئٌ ملموس مثل المادة التي تمثل شيئاً ملموساً. فإذا قلنا أن الضوء يسير بسرعة c بالنسب للأثير ، فهذا واضح ماذا نعني بذلك.

ولكن لو قلنا أن الضوء يسير بسرعة c بالنسبة للفضاء الفارغ ، فهذا ليس واضحاً ماذا نعني بذلك ، وسوف نطرح على أنفسنا سؤالاً فلسفياً خطيراً عن الأفكار الأساسية للفيزياء.

ولذلك أجاب علماء القرن التاسع عشر عن السؤال ، بالنسبة لماذا يسير الضوء بالسرعة c ؟ الإجابة ، يسير الضوء بالسرعة c بالنسبة لهذه المادة الإفتراضية ، الأثير.

والآن ، نحن في مشكلة كبيرة !! هناك مشكلة فلسفية ستظهر فوراً إذا قبلنا بفكرة الأثير هذه !! وسوف تظهر على شكل إنشطار أو تفرع ثنائي في الفيزياء والتي كنّا نقوم بشرحها ووصفها حتى الآن.
لقد تحدثنا عن دراسة علم الميكانيكا (دراسة علم الحركة). وكيف في دراسة الميكانيكا يتواجد مبدأ النسبية ويُطبَّق. وأن قوانين الميكانيكا أو قوانين الحركة هي نفسها لأي شخص في حركة منتظمة. وأنه لا يوجد إطار مرجعي واحد خاص فقط تكون فيه قوانين الميكانيكا صالحة. إذاً مبدأ النسبية متواجد ويُطبَّق.

ولكننا الآن إذا سألنا نفس السؤال للكهرومغناطيسية ، وقلنا في أي إطار مرجعي يتحرك الضوء بالسرعة c ؟ ولقد ناقشنا من قبل أن هذا السؤال هو مرادف وموازي للسؤال في أي إطار مرجعي تكون قوانين ماكسويل (أو قوانين الكهرومغناطيسية) صالحة ؟ فالإجابة هي : أنها صالحة في هذا الإطار المرجعي الخاص الوحيد ، وهو إطار مرجعي ثابت غير متحرك بالنسبة للأثير. ولذلك أصبح عندنا إنقسام في الفيزياء ، فرع من الفيزياء يطيع مبدأ النسبية ، والفرع الآخر لا يطيع مبدأ النسبية.
وهذا شيئٌ غير مرض فلسفياً ونفسياً ، ولكنه كان أساسياً لعلماء القرن التاسع عشر.

والآن ، تذكر معنا في المقال الأول عندما جعلناك تلعب التنس على متن سفينة كبيرة في البحر ، وفي قاعدة على سطح الزُهرة ، وفي كوكبٍ بعيد في مجرةٍ بعيدة ، وأنت لم تقابلك مشاكل في ذلك. قد يكون موضوع تسخين كوب الشاي داخل المايكرويف غامضاً أو مبهماً قليلاً بالنسبة إليك. ولكن السبب الذي جعلنا نطلب منك ذلك أن هذا يتضمن الكهرومغناطيسية. وإذا كنت عالماً تؤمن بوضع أو حالة هذين الفرعين من الفيزياء في نهاية القرن التاسع عشر ، كنت ستقول لنا : نعم أستطيع لعب التنس على متن سفينة كبيرة في البحر ، وفي قاعدة على سطح الزُهرة ، وفي كوكبٍ بعيد في مجرةٍ بعيدة ، لأن مبدأ النسبية صالح ويُطبَّق على قوانين الميكانيكا (أو قوانين الحركة). ولكنك كنت ستقول لنا : كلا إن فرن المايكرويف لن يعمل أبداً لأن مبدأ النسبية غير صالح ولا يُطبَّق على قوانين الكهرومغناطسية (أو معادلات ماكسويل).

هذا هو الوضع في نهاية القرن التاسع عشر ، عندنا هذا الإنقسام في الفيزياء. إعتقد الفيزيائيون أن قوانين الكهرومغناطيسية كانت صالحة وتُطبَّق في إطار مرجعي خاص واحد فقط ، وهو إطار مرجعي ثابت غير متحرك بالنسبة للأثير. إذاً الجملة : "أنا أتحرك" لها معنى في الكهرومغناطيسية. أنا أتحرك تعني أنا أتحرك بالنسبة للأثير ، في المقابل "أنا أتحرك" ليس لها معنى في الميكانيكا. هذا يعني أيضاً أنه ينبغي علينا أن نكون قادرين على القيام بتجربة فيزيائية تتضمن الكهرومغناطيسية تستطيع إخبارنا إذا كنّا نتحرك أم لا.

تــجــربــة مــايــكــلــســون ومـــورلـــي.


يتبع

[محمد محمود بدر]

تــجــربــة مــايــكــلــســون ومـــورلـــي.




نظراً لدوران الأرض حول الشمس في مدارها ، لابد أن تكون الأرض تتحرك بالنسبة للأثير ، وإذا كانت الأرض تتحرك بالنسبة للأثير ، إذاً لابد من وجود رياح من الأثير تهب عبر الأرض مثل الرياح التي تضرب يدك لو أخرجتها من شباك السيارة وهي متحركة ، حتى لو كان الهواء خارج السيارة ساكناً.

إنها الرياح المُثارة الظاهرة التي تسببت فيها حركتك بالسيارة خلال الهواء. وبالمثل ، فإن حركة الأرض خلال الأثير سوف تثير رياح الأثير والتي ستهب عبر الأرض.

إنه من المفروض ومن المتوقع أننا نستطيع تحديد سرعة وإتجاه هذه الرياح الأثيرية بواسطة تجربة ، لماذا ؟ لأنه عندنا فرع من فروع الفيزياء صالح فقط في إطار مرجعي خاص واحد فقط ، وهو إطار مرجعي ثابت غير متحرك بالنسبة للأثير ، وسيعطينا أجوبة مختلفة في إطار مرجعي مختلف آخر. وخاصة سيعطينا أجوبة مختلفة تعتمد على كيفية تحركنا بالنسبة للأثير. إنها من المفروض أن تكون تجربة غاية في الحساسية لأنها ستتضمن أسئلة متعلقة بسرعة الأرض بالنسبة لسرعة الضوء ، ونحن لا نستطيع الإجابة على هذا السؤال بواسطة الميكانيكا ، وذلك لأنه في الميكانيكا هناك مبدأ النسبية وأن جميع الأطر المرجعية التي تتحرك بإنتظام هي متكافئة. ولكننا نستطيع الإجابة على هذا السؤال بواسطة الكهرومغناطيسية ، وذلك لأننا عندنا هذا الإنقسام في الفيزياء بين الميكانيكا والكهرومغناطيسية ، وفي نهاية القرن التاسع عشر إعتقد العلماء أن مبادئ الكهرومغناطيسية صالحة فقط في إطار مرجعي خاص واحد ، وهو إطار الأثير المرجعي.

والآن تذكر أن تفكر مثل عقلية علماء القرن التاسع عشر.
إذا فرضنا وجود موجات صوتية تتحرك بسرعة معينة بالنسبة للهواء ، ولتبسيط الحسابات ، لتكن ١٠٠٠ كيلومتر في الساعة.
لوكان الهواء ثابتاً أو غير متحركاً بالنسبة للأرض ، فإن الموجات الصوتية ستتحرك بالنسبة للأرض وبالنسبة لك - إذا كنت واقفاً ثابتاً على الأرض - بسرعة ١٠٠٠ كيلومتر في الساعة.

لو كانت هناك رياحاً تتحرك بسرعة ٥٠ كيلومتراً في الساعة مثلاً في نفس الإتجاه الذي تتحرك فيه الموجات الصوتية. بعبارة أخرى ، بإتجاهك ، فإن الموجات الصوتية ستتحرك بالنسبة للأرض وبالنسبة لك - إذا كنت واقفاً ثابتاً على الأرض - بسرعة ١٠٥٠ كيلومتراً في الساعة.

لو كانت هناك رياحاً تتحرك بسرعة ٥٠ كيلومتراً في الساعة مثلاً في الإتجاه المعاكس للإتجاه الذي تتحرك فيه الموجات الصوتية. بعبارة أخرى ، بعيداً عنك ، فإن الموجات الصوتية ستتحرك بالنسبة للأرض وبالنسبة لك - إذا كنت واقفاً ثابتاً على الأرض - بسرعة ٩٥٠ كيلومتراً في الساعة.

بالمناسبة ، قد تتكهن عن ما قد يحدث لو أن سرعة الرياح كانت مساوية بالضبط لسرعة الصوت ، في هذه الحالة فإن تلك الموجات الصوتية لن تصل إليك أبداً لو كانت الرياح تهب بعيداً عنك. ولكنها ستصل إليك بسرعة ٢٠٠٠ كيلومتراً في الساعة في حالة أن الرياح تهب في إتجاهك.

ماذا عن الضوء ؟

والأن إذا فرضنا وجود موجات ضوئية تسير بسرعة ثابتة معينة بالنسبة للأثير وهي السرعة c وهي ٣٠٠,٠٠٠ كيلومتر في الثانية.
لو كان الأثير ثابتاً أو غير متحركاً بالنسبة للأرض ، فإن الموجات الضوئية ستتحرك بالنسبة للأرض وبالنسبة لك - إذا كنت واقفاً ثابتاً على الأرض - بسرعة ٣٠٠,٠٠٠ كيلومتر في الثانية.

لو كانت الأرض تتحرك عبر الأثير ، إذاً سيكون هناك رياح أثيرية تهب في الإتجاه المعاكس بسرعة ٣٠ كيلومتراً في الثانية ، وهي سرعة الأرض في مدارها حول الشمس ، إذاً في هذه الحالة فإن الموجات الضوئية ستتحرك بالنسبة للأرض وبالنسبة لك - في حالة إنبعاثها بإتجاه هبوب رياح الأثير - بسرعة ٣٠٠,٠٣٠ كيلومتراً في الثانية.
وأن الموجات الضوئية ستتحرك بالنسبة للأرض وبالنسبة لك - في حالة إنبعاثها عكس إتجاه هبوب رياح الأثير - بسرعة ٢٩٩,٩٧٠ كيلومتراً في الثانية.

التــجــربــة الــفــاشــلــة الأكــثــر شــهــرة فــي الــتــاريــخ.






صورة حقيقية لجهاز مايكلسون ومورلي.

على الأقل هذه كانت الفكرة الأساسية وقد حاولوا إثباتها عملياً. وأن تجربة مايكلسون ومورلي تم إنشاؤها لإثبات هذا فقط.

والآن سوف نقوم بشرح واحدة من أشهر وأهم التجارب في كل الفيزياء ، تجربة مايكلسون ومورلي.

في عام ١٨٨٧م ، قام العالمان ألبرت مايكلسون و إدوارد مورلي ببناء جهاز حساس بما يكفي للكشف والشعور بالفرق بين سرعة الضوء - لو كانت موجودة - لإثبات مرة واحدة أخيرة وإلى الأبد وجود الأثير ولإيجاد الإجابة على السؤال : بالنسبة لماذا يتحرك الضوء بالسرعة c ؟

يتألف الجهاز تخطيطياً من عدة أجزاء. هناك مصدر للضوء. وهناك مرآتان عموديتان على بعضهما البعض. وهناك جهاز يسمى قاسم الأشعة أو قاسم الضوء ، وهو عبارة عن قطعة من الزجاج مطلية بطبقة خفيفة من الفضة بحيث لا تجعلها مرآة جيدة ، فكر فيها وكأنها مرآة تجعل نصف الضوء الذي يصل إليها يمر وتجعل النصف الأخر ينعكس. وأخيراً يحتوي الجهاز على منظار كاشف للضوء.

عندما يكون مصدر الضوء مفتوحاً سيتم إرسال شعاع من الضوء إلى نصف المرآة الفضية (قاسم الأشعة). نصف الشُعَاع سيمر من خلالها وسيصل للمرآة الأولى ، والنصف الأخر سينعكس عنها ويصل للمرآة الأخرى.





رسم تخطيطي توضيحي لجهاز مايكلسون ومورلي.

إذاً ما حققناه هنا أننا أنشأنا في الأساس ذراعين عمودين على بعضهما في آخرهما مرآتان ، مع قاسم للأشعة في المنتصف ومصدر للضوء في أحد الجوانب ومنظار كاشف للضوء في الجانب الأخر.
الفكرة المهمة جداً هنا هي أن شعاع الضوء الأصلي ترك المصدر ، وتحرك الشُعَاع ووصل إلى نصف المرآة الفضية (أو قاسم الأشعة) ، وإنقسم الشُعَاع إلى قسمين ذهبا إلى إتجاهين متعامدين ، وكل شعاع وصل إلى المرآتين وإنعكس عنهما ، وعاد الشعاعان إلى نصف المرآة الفضية (أو قاسم الأشعة) ، وإندمج الشعاعان مع بعضهما ليصبحا نفس الشُعَاع ، ثم وصل الشُعَاع المجمع إلى المنظار الكاشف للضوء.


يتبع
.