مبادئ فيزيائية

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 8

مبدأ تكافؤ الكتلة والطاقة The Unification of Energy and Mass

من أشهر معادلات الفيزياء معادلة تكافؤ الكتلة والطاقة والتي تنص على ان الطاقة تساوي الكتلة في مربع السرعة أي E=mc2. ماذا تخبرنا هذه المعادلة بالضبط؟ رياضيا، نقول بما أن سرعة الضوء مقدار ثابت فان الزيادة أو النقصان لكتلة نظام ساكن يتناسب طرديا بالزيادة أو النقصان لطاقة النظام.إذا ما كانت هذه العلاقة تخضع لقانون حفظ الطاقة وقانون حفظ الكتلة، فان ذلك سوف يؤدي إلى تكافؤ الكتلة والطاقة. ونتيجة لهذا التكافؤ نحصل على قانون لتحويل الكتلة إلى طاقة أو تحويل الطاقة إلى كتلة. ونستنتج أيضا أن الكتلة والطاقة هما مقدارين لنفس الشيء.

تكافؤ الكتلة والطاقة

إن لقانون تكافؤ الكتلة والطاقة له الأثر الكبير في عصرنا الحالي فهو الذي أدى إلى أن مقدار ضئيل جداً من المادة يمكن أن يعطي كمية هائلة من الطاقة حيث أن الكتلة وذلك كما يحدث في القنبلة النووية والتي تحدثنا عنها في مقال سابق بعنوان كيف تعمل القنبلة النووية وكذلك كيف ان مقدارا صغيرا من كتلة مادة اليورانيوم تستخدم في توليد الطاقة الكهربية من خلال المفاعل النووي والذي تحدثنا عنه أيضا في مقال بعنوان كيف تعمل المفاعلات النووية.  ويعود السبب في ذلك إلى انه عندما نضرب كتلة المادة في مربع السرعة ستنتج عنه مقداراً كبيراً جداً من الطاقة (لاحظ ان c^2هو مقدار كبير جدا). فمهما كانت الكتلة صغيرة سوف ينتج عنها مقدار طاقة هائلة. وكان أول إثبات عملي لقانون تكافؤ الكتلة والطاقة هو تفجير أول قنبلة ذرية في عام 1945.

توصل العالم اينشتين إلى هذا القانون عن طريق تفكيره في إن كتلة الجسم تزداد بزيادة سرعته. وقد توصل إلى هذا الاستنتاج في محاولة لإيجاد تفسير لماذا لا يمكن ان تصل سرعة الأجسام إلى سرعة الضوء وتتجاوزها إذا زودت بالطاقة الكافية لتصل لسرعات عالية جدا وإذا ما قمنا بزيادة تعجيل هذه الجسيمات فإنها سوف تفوق سرعة الضوء وبهذا فان النظرية النسبية تفشل تماما لأنها مبينة على ان سرعة الضوء هي السرعة القصوى ولا تتغير بتغير محاور الإسناد كما ذكرنا من قبل ولذلك. إلا ان النظرية النسبية أيضا صمدت أمام هذا التحدي وان الجسم كلما ازدادت سرعته ازدادت أيضا كتلته وبهذا فان أي طاقة سيكتسبها الجسم المعجل سوف تتحول إلى زيادة في كتلة الجسم، ولذلك فانه من المستحيل ان تصل سرعة الجسم لسرعة الضوء لان كتلته في هذه الحالة سوف تصبح لانهائية ويصعب تعجيلها إذا تخيلنا هذا الأمر.

اعلانات جوجل

لقد جرت عدة محاولات لهزيمة النظرية النسبية في بداية الأمر وذلك من خلال بناء معجل خطي طوله 1 كيلومتر ليعجل الالكترونات إلى سرعة تصل 0.999c من سرعة الضوء وبالفعل تم عمل ذلك ثم أضيفت للمعجل الخطي مرحلة تعجيل إضافية من خلال زيادة طول المعجل السابق كيلو متر أخر حتى تعطي الالكترونات التي بلغت تلك السرعة الكبيرة مزيدا من الطاقة لتصل في نهاية المعجل بسرعة مضافة تفوق سرعة الضوء.  وبعد إجراء التجربة تبين ان المرحلة الثانية للتعجيل لم تتمكن من تحقيق ما توقعوا ان يتحقق فكانت سرعة الالكترونات المعجلة 0.999c أي زيادة طفيفة في السرعة،فأين ذهبت طاقة المرحلة الثانية من التعجيل؟  وبحسابات معتمدة على النظرية النسبية تبين بالفعل ان الزيادة في الطاقة للالكترونات السريعة زادت كتلة تلك الالكترونات وكلما زودت الالكترونات بطاقة إضافية تحولت الطاقة إلى كتلة.

بالطبع اينشتين عندما وضع نظريته النسبية وضع كل تفاصيلها وحلل كل نتائجها فبالعودة إلى الفقرة السابقة حيي ثان انتشين استنتج ان الكتلة لابد ان تزداد بزيادة الطاقة ولذلك لا يمكن لأي جسيم مادي ان يصل بسرعته إلى سرعة الضوء فانه أيضا استنتج بناءا على ذلك ان الطاقة تتحول إلى كتلة وان الكتلة تتحول إلى طاقة وان الكتلة هي صورة من صور الطاقة وتربطهما المعادلة الشهيرة E=mc2 وبالطبع لهذه المعادلة اشتقاق رياضي ولكن لن نتطرق له في هذه الحلقات.

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتين

في حالة التفاعلات النووية الاندماجية حيث يتم فصل ذرة إلى ذرتين أو أكثر، وفي نفس الوقت يتحرر نيوترون عن هذا الانفصال. فإذا ما قمنا بدمج كتلة الذرتين الناتجتين مع كتلة النيوترون فإننا سوف نجد أن مجموع الكتل اقل بقليل من كتلة الذرة الأصلية.  فأين اختفت هذه الطاقة؟ قد تكون تحررت في صورة طاقة حرارية أو في صورة طاقة حركية.  هذه الطاقة بالضبط هي نفسها المحسوبة من المعادلة E=mc2 والتي استنتجها العالم اينشتين حيث انه مقدار هذه الطاقة المتحررة يساوي بالضبط مقدار الفارق بين كتلة الذرة الأصلية وكتلة النواتج مضروبا في مربع سرعة الضوء وكانت القنبلة النووية هي احد تطبيقات هذه المعادلة والتي كان لها عواقبها التي نعرفها.

ومعادلة تكافؤ الكتلة والطاقة متحققة في نوع أخر من التفاعلات النووية وهو التفاعلات الاندماجية والتي في حالة اندماج الذرات الخفيفة في وجود درجات حرارة عالية جدا.  فتعمل الحرارة العالية على اندماج الذرات مع بعضها البعض لتشكل ذرة اثقل مثل اندماج ذرات الهيدروجين لتكوين ذرات الهليوم.  وبمقارنة كتلة الذرة الناتجة مع كتلة الذرات التي اندمجت نجد ان كتلة الذرة الجديدة اقل بمقدار بسيط. وهذا المقدار البسيط من الكتلة المفقودة يظهر في صورة طاقة حرارية وحركية.

في حياتنا العادية قد لا نلاحظ زيادة في كتلة الجسم الذي نكسبه طاقة فمثلا لو قمنا بدلك ساق من الحديد بمغناطيس لتحويله إلى مغناطيس فإننا نكسبه طاقة ونتوقع بناء على ذلك ان كتلة ساق الحديد ازدادت كما انه يمكن ان نتخيل انه بتسجيل البيانات على القرص الصلب فانه من المفترض ان تزداد كتلة القرص الصلب لان تسجيل البيانات ما هو إلا أحداث تغيرات في القطبية المغناطيسية لذرات الهارد ديسك وكذلك نتوقع ان تقل كتلة مصباح كهربي عندما يضيء لان الطاقة الكيميائية تتحول إلى طاقة كهربية وبدورها تتحول إلى ضوء. ولكن لا يمكن ان نلحظ هذا التغير في الكتلة لأنه طفيف جدا جدا وذلك لان مقدار النقصان في الكتلة أو الزيادة في الكتلة يعتمد على مقدار الطاقة المستخدمة والتي هي صغيرة جدا إذا ما قورنت بمربع سرعة الضوء حيث ان m=E/c2 والناتج سيكون مقدار صغير جدا.  ولكن الأمر مختلف تماما في حالة التعامل مع الأجسام الفلكية فعلى سبيل المثال نجد أن الضوء الناتج عن الشمس يعادل كتلة مقدارها 4 مليون طن في الثانية الواحدة!!

وفي ختام هذه الحلقة يجب ان نوضح نقطة مهمة جدا قد تكون فكرت فيها عزيزي القارئ وهي انه لو قمنا بتطبيق قانون اينشتين لتكافؤ الكتلة والطاقة على 1 كيلو جرام من الفحم وقمنا بحرقه للتدفئة في فصل الشتاء فإن الطاقة الناتجة يجب ان تعادل 90000000000000000 جول وهي طاقة هائلة جدا وبالرغم من ذلك لا نكاد نشعر بالدفء ..

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتين

اعلانات جوجل

ولكن هنا يجب توضيح ان احتراق الفحم ما هي إلا عملية كيميائية تغير من ترتيب جزيئات الفحم ولا تغير من كتلته والذي يحدث في عملية الاحتراق هو اتحاد غاز الأكسجين بالفحم وينتج عن هذا الاتحاد انطلاق طاقة على شكل حرارة انظر موضوع كيف تنشأ النار.

وبالتالي لا مجال لهذه التجربة البسيطة أية علاقة بقانون تكافؤ الطاقة والكتلة.. حيث أن العمليات التي يطبق عليها القانون تسمى التفاعلات النووية.. وقد أثبتت التجارب النووية إن التفاعلات النووية تعطي طاقة تعادل آلاف الملاين من الطاقة التي قد تعطينا أيها عملية الاحتراق.وسوف نتعرض لهذا الموضوع من خلال المقالات العلمية التي تنشر ضمن أقسام شبكة الفيزياء التعليمية.

في الحلقة القادمة سوف نتحدث عن ظاهر دبلر في النظرية النسبية

إلى اللقاء

د. حازم فلاح سكيك

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 1

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 2

اعلانات جوجل

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 3

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 4

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 5

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 6

اعلانات جوجل

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 7

كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 9

اعلانات جوجل

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