مبادئ فيزيائية

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 3

النظرية النسبية الخاصة

من المفترض الآن عزيزي القارئ ان تكون على معرفة تامة بأهم الكميات الفيزيائية التي نحتاجها في شرح النظرية النسبية وهي المكان والزمان والمادة والحركة والكتلة والجاذبية والطاقة والضوء كل هذه المتغيرات تعرضت لها النظرية النسبية الخاصة وغيرت كل مفاهيمنا عنها. ومفتاح فهمنا للنظرية النسبية الخاصة هو تأثيرها على خواص هذه الكميات.

محاور الإسناد Frame of reference

تعتمد النظرية النسبية لاينشتين على مفهوم محاور الإسناد reference frames.  ومحور الإسناد ببساطة هو المكان الذي يقوم فيه شخص ما برصد حدث ما.هذا الشخص سوف نسميه المراقب observer لأنه يرصد الحدث ويقوم بالقياسات، فمثلا عند هذه اللحظة وأنت تقرأ في هذا الموضوع يعتبر مكانك هو محاور إسناد،ولأنك جالس قد تعتقد إن محاور إسنادك ثابتة، بالرغم من ان الكرة الأرضية تتحرك حول محورها وتتحرك حول الشمس في نفس الوقت.

ولتمثيل محاور الإسناد بطريقة يسهل التعامل معها رياضيا سوف نستخدم مجموعة من الإحداثيات coordinates لتحديد مكان حدث معين مثل مكان وجود جسم ما مثل شخص أو سيارة أو غير ذلك وإذا كان هذا الشخص متحرك بسرعة معينة أو يتسارع بعجلة ما فإننا نحتاج بالإضافة إلى الإحداثيات المكانية ان نقيس الزمن لذلك سوف نستخدم مع الإحداثيات ساعة.

اعلانات جوجل

أي نقطة في الفراغ يمكن تحديدها بدقة باستخدام 3 إحداثيات هي (x,y,z) وإذا كانت هذه النقطة تمثل حدث ما مثل انفجار صغير فان زمن الحدث أيضا يجب أن نحدده لذلك سيكون لدينا بالإضافة إلى الإحداثيات المكانية إحداثي الزمن ولذلك فان الحدث سوف نعبر عنه بـ (x,y,z,t)

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتين

وهنا يجب أن نوضح نقطة مهمة وهي انه لا يوجد محور إسناد مميز في هذا الكون فكل محاور الإسناد متكافئة.  ونقصد بذلك انه لا يوجد في هذا الكون مكان ثابت لا يتحرك، حاول ان تفكر في هذا الأمر وتبحث عن مكان ثابت! لن تجد فكل الأجرام السماوية في حركة مستمرة وعندما نفترض إننا في حالة سكون فهذا فقط بالنسبة للأجسام التي حولنا، فالكرة الأرضية نفسها تتحرك ونحن نعيش عليها، إذا نحن أيضا نتحرك معها في هذا الفراغ الشاسع.

وبسبب عدم وجود مكان أو جسم في الكون مستقر فانه لا يوجد مكان أو جسم ننسب له حركتنا، فإذا تحرك خالد في اتجاه صديقة محمد فانه يمكن لنا ان ننظر لهذا الأمر بشكل مختلف كان نقول من وجهة نظر محمد انه يتحرك في اتجاه خالد.  وكلا من خالد ومحمد له الحق في ان يستخدم وجهة نظره في تحديد الأمر.  ومثال أخر لو اننا نظرنا من نافذة السيارة المتحركة على الأشجار على جانب الطريق فإننا نقول ان الأشجار تتحرك بالنسبة لنا، ويمكن أيضا لأي شخص يقف بجوار الأشجار ان يقول ان السيارة تتحرك بالنسبة للأشجار، كلا من في السيارة ومن يقف بجانب الأشجار اعتمد على محاور إسناده، وكما ذكرنا انه لا يوجد محور إسناد مميز لوصف الأحداث بالنسبة له.

طبقا لقوانين نيوتن للحركة فان أي جسم لا يغير من حالته الحركية إلا إذا أثرت عليه قوة خارجية لذلك فان الجسم الساكن يبقى ساكناً والجسم المتحرك يستمر في حركته ما لم تؤثر عليه قوة تغير من حالة السكون أو حالة الحركة.

وبالنسبة لميكانيكا نيوتن (الميكانيكا الكلاسيكية classical mechanics) فان قوانين الفيزياء الممثلة بقوانين الحركة لنيوتن Newton’s law of motion في وجود عجلة الجاذبية الأرضية فان القوة تساوي الكتلة في العجلة

force = mass × acceleration,

F = ma

حيث ان F  تمثل القوة و mتمثل كتلة الجسم و aتمثل العجلة.  ويعرف هذا بقانون نيوتن الثاني للحركة

اعلانات جوجل

لنفترض انه من التجربة العملية ان هذا القانون تحقق في محور إسناد معين كان نقوم بعمل تجربة في مختبر ندرس فيها العلاقة بين العجلة والقوة عندما تكون الكتلة ثابتة.  السؤال المهم الآن ماذا لو قمنا بالتحقق من هذه القانون في محور إسناد مختلف كأن نقوم بإجراء التجربة في قطار متحرك بسرعة ثابتة v مثلا وللإجابة على هذا السؤال يجب ان نعرف العلاقة بين المكان والسرعة والعجلة في محور إسناد ما ومحور إسناد أخر، بمعنى أخر إذا كانت لدينا قياسات المكان والسرعة والعجلة في المختبر فكم ستكون تلك القياسات لنفس التجربة في حالة وجودها في محور إسناد متحرك بسرعة ثابتة بالنسبة للمحور الإسناد الأول.

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتين

لاحظ في الشكل السابق إننا قمنا بإضافة ساعة في كل محور إسناد لتحديد القياسات الزمنية في كل محور إسناد كما إننا رمزنا للمحور الإسناد الثابت بالرمز Sبينما لمحور الإسناد المتحرك بسرعة vبالنسبة لمحور الإسناد S بالرمز S’ وذلك للتميز بينهما.  كذلك من اجل التوضيح فإننا سوف نرمز للمراقب الذي يقوم بالقياسات في المحور S بالرمز O أما المراقب الثاني في محور الإسناد S بالرمز O’ والآن نريد ان نراقب ونحسب قياسات كلا من المراقبين O و O’ لحدث معين مثل قياس المسافة بين شجرتين أو حساب زمن سقوط حجر من ارتفاع معين أو قياس سرعة طائرة تتحرك بالنسبة لهما، ماذا تتوقع ان تكون قياسات المراقبين لهذه الأحداث هل سوف يختلفان أم يتفقان في القياسات.

الميكانيكا الكلاسيكية (ميكانيكا نيوتن) تخبرنا انه بالتجربة العملية وبالاشتقاق الرياضي ان إذا كان المراقب O’يتحرك بالنسبة للمراقب Oبسرعة ثابتة vفان قياس المسافة بين شجرتين أو قياس زمن سقوط الحجر أو تسارع سيارة بالنسبة لهما لن تتغير بالنسبة للمراقبين، وبالنسبة لسرعة الطائرة فإن المراقب O سوف يقيس سرعتها uبينما المراقب الثاني سوف يقيس سرعة الطائرة u’ حيث ان u’هي عبارة عن السرعة uمطروحا منها سرعة المراقب O’.

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتين

الحدث هو انطلاق المكوك الفضائي في رحلته والمراقبين كلا منهما في محور إسناده يصفان حركة المكوك

مثل هذه الأمور تحدث في حياتنا العادية حيث إننا لا نلاحظ فرق في المسافة بين شجرتين عندما نقوم بقياسها سواء كنا متحركين بالنسبة لهما أو ثابتين فهذه الأمور عادية في حياتنا اليومية كذلك لو قلنا ان عصا خشبية سقطت أفقيا على الأرض فلا يختلف اثنين على ان طرفي العصا وصلا الأرض في نفس اللحظة حتى لو كان الراصد لسقوط العصا متحرك بالنسبة لها بسرعة v.

اعلانات جوجل

هذه الحقائق في النظرية النسبية الخاصة تصبح غير صحيحة وقياسات كلا من المراقبين تختلف فلا يعد يتفق المراقب الثابت مع المراقب المتحرك في قياسات المسافة بين جسمين وكذلك يصبح قياس الزمن مختلف وكل شيء يختلف عما هو مألوف وهذا ما جعل النظرية النسبية تجذب اهتمام العلماء والباحثين والمفكرين وتشد انتباه المتخصصين والغير متخصصين لأنها قلبت المفاهيم وغيرت القوانين الكلاسيكية وأظهرت قصورها وفشلها في تفسير الكثير من الظواهر.

قبل الخوض في هذه الأمور والإجابة عنها سنقوم بتوضيح فرضيات النظرية النسبية حيث إنها مبينة على فرضيتين سوف نقوم الآن بذكر نص الفرضية الأولى والثانية وشرحهما

الفرضية الأولى للنظرية النسبية

الفرضية الأولى للنظرية النسبية كما وضعها العالم اينشتين تنص على:

The laws of physics hold true for all frames of reference.

اعلانات جوجل

والتي تعني ان كل قوانين الفيزياء صحيحة لكافة محاور الإسناد.  فالقوانين الفيزيائية تساعدنا على فهم كيف ولماذا تتصرف المتغيرات العديدة التي من حولنا على النحو الذي هي عليه.  كما إنها تسمح لنا بان بتوقع حدث معين حسب العلاقة الفيزيائية التي تحكمها فمثلا لو كان هناك شخص يتحرك بسرعة معينة في اتجاه الشرق فإننا نستطيع ان نتوقع أين سيكون بعد مرور زمن قدره 20 دقيقة، كذلك لو أردنا بناء سكة حديدية فنعلم من قوانين الفيزياء ان الحديد يتمدد بالحرارة وينكمش بالبرودة ونستطيع حساب مقدار هذا التمدد بالضبط فتقوم الشركة المنفذة للسكة الحديدية بترك مسافات محددة حتى إذا جاء فصل الصيف وارتفعت درجة الحرارة لأقصى قيمة لها فان هذه المسافة كافية لعدم تصادم قضبان السكة الحديدية مع بعضها البعض، وتم حساب المسافات التي يجب ان تترك بين القضبان الحديدية بناء على قوانين الفيزياء المعروفة.

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتين

اعلانات جوجل

كلا المراقبين يصفا حركة الكرة بالضبط كما يتوقع من قوانين نيوتن وقوى الجاذبية

ولتوضيح ما المقصود بان كل قوانين الفيزياء صحيحة في كل محاور الإسناد دعنا نفترض ان لدينا أداة قياس الطول وليكن مسطرة طولها متر وحجر إسمنتي، فإذا قمنا بقياس الحجر سنجده دائما يساوي نفس القيمة سواء كنت في البيت أو في قطار متحرك أو في طائرة ستجد ان طول الحجر لا يتغير بتغير محاور الإسناد،  ومثال أخر على ذلك هو ان نقوم بقياس الزمن اللازم لبندول طوله 12 سم ليعمل 10 اهتزازات كاملة حول موضع استقراره، مرة أخرى سوف نجد ان زمن العشر اهتزازات هو نفسه سواء كان البندول في المنزل أو في باص متحرك بسرعة ثابتة (على افتراض ان الباص لا يتسارع).

والآن لنفترض اننا سنقوم بعمل القياسات السابقة مرة أخرى ولكن بطريقة مختلفة حيث سيكون كلا من الحجر والبندول متحركان بالنسبة لنا (نفترض ان الحجر والبندول في الباص ونحن خارجه) فعندما نقوم بالقياس في هذه الحالة سنجد ان قياساتنا تختلف عنها في الحالة الأولى.  وهذا هو المقصود بالفرضية الأولى للنظرية النسبية. ان كل قوانين الفيزياء صحيحة في كل محاور الإسناد.

قد تجد عزيزي القارئ نفسك مشوشا بعض الشيء عند هذه النقطة وان ما ذكرته في الفقرة الأخيرة مخالفاً للعادة ولكن الفرضية الثانية سوف توضح هذا الأمر وتفسره أكثر. وهنا يجب ان نوضح انه نظرا لان قوانين الفيزياء ثابتة لا يعني انه سوف نحصل على نفس النتائج لأي تجربة في محاور إسناد مختلفة.  فهذا يعتمد على طبيعة التجربة فمثلا في حادث تصادم سيارتين فإننا سوف نجد ان الطاقة كانت محفوظة في التصادم سواء كنا في داخل السيارة أو خارجها، فقانون الحفاظ على الطاقة من قوانين الفيزياء وبالتالي فان حفاظ الطاقة متحقق في كل محاور الإسناد.

الفرضية الثانية للنظرية النسبية

الفرضية الثانية للنظرية النسبية هي فرضية غير متوقعة حيث تنص على:

The speed of light is measured as constant in all frames of reference.

 

بمعنى ان قياس سرعة الضوء لا يتغير بتغير محاور الإسناد!

في الحلقة الرابعة سوف نقوم بشرح الفرضية الثانية بالتفصيل لتتضح الصورة أكثر ان شاء الله.

إلى اللقاء

د. حازم فلاح سكيك

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 1

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 2

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 4

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 5

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 6

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 7

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 8

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 9

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 10

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 11

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 12

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى