مبادئ فيزيائية

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 4

النظرية النسبية متمثلة في فرضيتها الأولى والثانية جاءت غريبة ومخالفة لكل المفاهيم الفيزيائية في ذلك الوقت 1904 وفد رفض العلماء الاعتراف بها في بادئ الأمر ولكن هذا الأمر لم يستمر طويلا فقد كانت النظرية النسبية تفسر تجارب علمية لم يتمكن العلماء من تفسيرها على مدار سنوات طويلة بالاعتماد على الميكانيكا الكلاسيكية مثل تجربة ميكلسون مورلي لقياس سرعة الضوء بالنسبة للأثير فجاءت النظرية النسبية لتقول ان سرعة الضوء لا تتغير وانه لا يوجد أثير من الأساس علما بان الأثير هو وسط خيالي بنا عليه العلماء كل نظرياتهم وتفسيراتهم وتحليلاتهم حول الأشعة الكهرومغناطيسية فاتت النظرية النسبية لتنفي هذه المزاعم وتفتح آفاقا جديدة.  لنتابع سويا شرح الفرضية الثانية.

الفرضية الثانية للنظرية النسبية

لقد تحدثنا حول الفرضية الأولى للنظرية النسبية والآن دور شرح وتوضيح الفرضية الثانية والتي تنص على ان سرعة الضوء لا تتغير بتغير محاور الإسناد، وقد يبدو هذا الأمر غريبا عند التفكير فيه.  فمعنى الفرضية الثانية انه بغض النظر عن ما إذا كان المراقب الذي يقيس سرعة الضوء ثابتا بالنسبة للضوء أو متحركا بسرعة بالنسبة للضوء فإنه في كلا الحالتين ستكون سرعة الضوء هي نفسها.  الغريب في هذا الأمر اننا دائما عندما نقيس سرعة الأجسام المتحركة بسرعة معينة ان نقوم بحساب سرعة الضوء بالنسبة للسرعة المراقب، على سبيل المثال افترض ان عربة متحركة في اتجاه المراقب بسرعة 50 كيلومتر في الساعة، فإذا قام احد الأشخاص في العربة بإطلاق رصاصة بسرعة 20 كيلومتر في الساعة في اتجاه هدف ما فان المراقب سيقيس سرعة الرصاصة 70 كيلومتر في الساعة أي ان سرعة الرصاصة هي سرعتها عند انطلاقها من المسدس بالإضافة إلى سرعة العربة.  أما إذا قام احد ركاب العربة بقياس سرعة الرصاصة فستكون 20 كيلومتر في الساعة لأنه يعتبر ثابت بالنسبة للرصاصة في هذه الحالة.

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتين

اعلانات جوجل

في الشكل أعلاه نلاحظ ان احد ركاب السيارة A أطلق سهم بسرعة 200km/hr في حين ان شخص أخر B أطلق سهما أخر بسرعة 200km/hr لاحظ هنا اننا سوف نقيس سرعة السهم الذي أطلقه A المتواجد في السيارة بسرعة وقدرها 300km/hr وهي سرعة السهم وسرعة السيارة بالنسبة لنا.

هذه هي حقيقة ما يحدث عندما نقوم بقياس سرعة أي جسم متحرك، ولكن الأمر مختلف مع الضوء كما جاء في النظرية النسبية والتي خالفت كل معتقدات العلماء في ذلك الزمن حيث تفترض النظرية النسبية ان سرعة الضوء لا تتغير في كل محاور الإسناد، لنعود لمثالنا السابق ونفترض ان سائق العربة قام بإشعال مصابيح العربة فأضاءت الطريق وهنا ستكون سرعة الضوء الخارج من المصباح بالنسبة لسائق العربة (المراقب الثابت بالنسبة لسرعة الضوء) سوف يقيس سرعة الضوء بـ 300,000 كيلو متر في الساعة وهي السرعة المعروفة للضوء في الفراغ. الآن ماذا سيكون قياس سرعة الضوء بالنسبة للمراقب الذي على الطريق هل ستكون سرعة الضوء هي 300,050 كيلو متر في الساعة أي سرعة الضوء بالإضافة إلى سرعة العربة نفسها. الإجابة هي لا، بل ستبقى سرعة الضوء هي نفسها 300,000 كيلومتر في الساعة.  ولفهم لماذا يحدث هذا الأمر يجب ان نتطرق إلى مفهوم السرعة.

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتين

كلا من المراقبين و يقيسان سرعة نبضة الضوء 300,000km/hr مهما كانت سرعة العربة

السرعة هي المسافة المقطوعة في فترة من الزمن. فعلى سبيل المثال إذا كنت تقطع مسافة قدرها 60 كيلومتر في الساعة فان سرعتك تكون 60 كيلومتر في الساعة. ويمكن بسهولة ان نغير من السرعة عن طريق العجلة أما بالزيادة أو النقصان.  وبالتالي لكي تكون سرعة الضوء ثابتة حتى لو كان الضوء منطلق من سيارة مسرعة فان شيئين سوف يحدثان. إما ان يكون في المسافة أو ان يكون في الزمن ولذلك فانه نتيجة للفرضية الثانية للنظرية النسبية فان انحراف سوف يحدث للمسافة وللزمن.


على الهامش

تحويلات لورنتز Lorentz Transformations

تحويلات لورنتز هي عبارة عن معادلات رياضية تمكننا من تحويل القياسات التي قام بها مراقب في محاور إسناد معينة إلى مراقب أخر في محاور إسناد أخرى. والسؤال الآن لماذا نريد مثل هذه المعادلات؟ هذا لان النظرية النسبية تتعامل مع محاور الإسناد، فعندما تتوفر لدينا الأبعاد المكانية والزمنية لمراقب ما نستطيع ان نستخدمها لحساب كم تكون هذه الأبعاد في محاور إسناد لمراقب أخر يتحرك بسرعة v بالنسبة للمراقب الثاني.  بمعنى انه يمكن ان نستخدم معادلات لورنتز لتحويل قياس المسافات والزمن الذي قام به مراقب إلى مراقب أخر.  فعلى سبيل المثال إذا كنت تحلق في طائرة وأنا موجود على الأرض، فانك تستطيع استخدام تحويلات لورنتز لتحويل محاور إسنادي إلى محاور إسنادك وأنا استطيع ان أقوم بنفس الشيء في محور إسنادي.  فإذا كنت قد قمت بقياس المسافة بين شجرتين على الطريق في محاور إسنادك فيمكنني باستخدام تحويلات لورنتز ان استخدم قياساتك لأحولها لقياسات في محور إسنادي، وهذا يعني ان قياسات المسافة والزمن تعتمد على محاور الإسناد.  وقد استخدم اينشتين تحويلات لورنتز لأنه وجد في هذه التحويلات ترجمة حقيقية لنظريته في النسبية، حيث استخدم هذه التحويلات في إيجاد الأبعاد المكانية والزمنية في محور إسناد بالنسبة لمحور إسناد أخر عندما يكون الضوء مقدار ثابت في جميع محاور الإسناد.


لنوضح أكثر ما المقصود بالانحراف في المسافة أو الزمن!

الانكماش الطولي length contraction

في المثال السابق عندما تحدثنا عن إشعال مصابيح العربة، فان المسافة المستخدمة لقياس سرعة ضوء ليست هي المسافة التي قطعها الضوء بالفعل. هذا الأمر صعب التخيل لأنه يعارض المنطق الذي تعودنا عليه فكيف ان المسافة التي قسناها لنحسب من خلالها سرعة الضوء ليست هي المسافة التي قطعها الضوء؟ ولمن هذا ما يحدث بالفعل مع الضوء، فالأجسام المادية المتحركة بسرعة تنكمش المسافة في اتجاه الحركة، وإذا اقترب الجسم من سرعة الضوء فان المسافة تنكمش أكثر وأكثر حتى تتلاشى إذا افترضنا ان الجسم تحرك بسرعة الضوء.

هذا الأمر يحدث في إذا كان المراقب في محور إسناد مختلف عن محور إسناد الجسم المتحرك، بمعنى انه إذا كان المراقب في محور إسناد الجسم المتحرك (أي انه متحرك معه) فان أبعاد الجسم لن يحدث لها تغير. هذه الظاهرة تعرف باسم الانكماش الطولي length contraction. في الشكل التالي توضيح لظاهرة الانكماش الطولي حيث في الشكل 2 عندما تكون السيارة ثابتة فان طولها يكون هو الطول الحقيقي وهو الطول الذي يقيسه المراقب الثابت بالنسبة للسيارة أما إذا كانت السيارة متحركة بسرعة قريبة من سرعة الضوء فان طولها سوف ينكمش وسوف يقيسه المراقب المتواجد على الطريق (محور إسناده مختلف عن محور إسناد السيارة).

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتين

اعلانات جوجل

لاحظ أيضا ان الانكماش يحدث في طول السيارة فقط أما بالنسبة لارتفاعها لن يتغير لان الانكماش يحدث فقط في اتجاه الحركة.

في حياتنا العادية لا يمكننا ان نشعر أو نقيس الانكماش الطولي لان كل السرعات التي نتعامل بها اقل بكثير من سرعة الضوء وإذا ما قورنت بسرعة الضوء فإنها تهمل حيث ان سرعة الضوء تبلغ 300,000 كيلومتر في الساعة ولتخيل مقدار هذه السرعة فان الضوء يستطيع ان يدور حول الكرة الأرضية سبع مرات في الثانية الواحدة.

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 3

اعلانات جوجل

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

اعلانات جوجل

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 9

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 10

اعلانات جوجل

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.

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

زر الذهاب إلى الأعلى