موسوعه فيزيائيه

الكهرباء و
المغناطيسية

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

هندريك لورنتز

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

جيمس
ماكسويل

رأينا فى الحلقة السابقة تعريف مبدأ
النسبية بالمعنى المقيد و هو أن جميع قوانين الميكانيكا واحدة فى جميع
مناطات الإسناد القصورية و أن المشاهدين المتحركين بسرعة منتظمة سيحصلوا
على نفس النتائج لأى تجربة ميكانيكية و أنه لا يمكن لشخص ما أن يعرف إذا
كان يتحرك أو لا عن طريق أى تجربة ميكانيكية .

و لكن بالرغم من
الإشارة الواضحة فى ميكانيك نيوتن إلى الحركة النسبية إلا أن تصور الحركة
المطلقة لم يختفى و قد عاب بعض الناس على نيوتن هذا التناقض و لكن نيوتن ظل
مقتنعا بالحركة المطلقة لأن هذا التصور المطلق بالتأكيد مريح و لأنه ضرورى
فى الحركة غير المنتظمة أن يكون هناك معنى لكلمة حركة .

نبذة سريعة عن تاريخ الضوء

- كان أرسطو يقول أن
الضوء ينتشر فى المكان بلا زمان أى أن سرعته لانهائية و هذا ما يسمى
بالسرعة الأنية .
-جاء بن الهيثم بعد ذلك ليبطل هذا التصور و ليجرى بعض
التجارب التى أثبتت أن الضوء له سرعة يمكن قياسها و ليست سرعة أنية.
-مكث
العلماء بعد ذلك يحاولون اثبات كلام بن الهيثم مرة ثانية حتى أثبتوه و
بدأوا فى اجراء التجارب لقياس سرعته و تعددت محاولات القياس و فى كل مرة
كانوا يقتربون أكثر من السرعة الحقيقية.
-أخيرا تم قياس سرعة الضوء و
كانت حوالى 300000 كيلومتر فى الثانية و يرمز لها بالرمز (ج) أو C

ماكسويل و الضوء

فى القرن التاسع عشر ظهر
الفيزيائى اللامع جيمس كلارك ماكسويل و كان له اسهامات قوية جدا فى
الكهرباء و المغناطيسية و اكتشاف قوانين هذه القوى . كما أنه أول من وحد
الكهرباء و المغناطيسية فى قوة واحدة هى القوة الكهرومغناطيسية و وضع 4
معادلات رياضية سميت بمعادلات ماكسويل تصف كل ما يتعلق بالكهرباء و
المغناطيسية .

كان ماكسويل أول من اكتشف طبيعة الضوء و قد كان هذا
الاكتشاف مذهلا حقا فقد أدى إلى نتائج مدهشة و غريبة جدا، لقد اكتشف
ماكسويل أن الضوء عبارة عن مجال كهربائى و مجال مغناطيسى يتعامد اتجاههما
على بعض و على اتجاه الحركة . و يغير كلا المجالين اتجاهه باستمرار .

كان
لهذا الاكتشاف أثر كبير جدا ، فحسب هذا الكلام كان سير الضوء لا بد أن
يعتمد على السماحية الكهربية و المغناطيسية للوسط الذى يسير فيه و بما ان
الوسط أيا كان له سماحية ثابتة فلا بد للضوء فيه أن يسير بسرعة ثابتة حسب
معادلات ماكسويل و هذه السرعة هى C . نتيجة متعارضة تماما مع قانون جمع
السرعات فى النسية الجاليلية . و قد سمى هذا القانون بقانون ثبات سرعة
الضوء و أن هذا القانون ضرورى لتفسير نتائج التجارب فى الديناميكا الكهربية
.
بالطبع كان لابد من تجاوز هذا التعارض الواضح خاصة أن قانون جمع
السرعات منطقى جدا و لا غبار عليه.

فى الواقع لم يكن هذا الأمر هو
المشكلة الوحيدة أمام النسبية الجاليلية التى كانت تسعى لاثبات أن قوانين
الفيزياء ثابتة فى كل المناطات و نجحت فى هذا جزئيا باثبات أن قوانين
الميكانيكا ثابتة فى كل المناطات. فالكهرومغناطيسية كانت لها نتائج لا تتفق
مع النسبية الجاليلية كالنتيجة التى ذكرناها توا عن الضوء فهذه النتيجة
تقول بوضوح أنه لو كان كل المشاهدين سيطبقون نفس القوانين الكهرومغناطيسية
فلا بد أن يحصلوا على نفس السرعة للضوء و هذا يتعارض مع قانون جمع السرعات
المنطقى جدا مما يجعلك تعتقد أنه اما أن النسبية الجاليلية مخطئة و اما أن
القوانين الكهرومغناطيسية التى تعطى سرعة ثابتة للضوء مخطئة.

فيما
يلى نضع مثالا أخر على تجربة كهرومغناطيسية لا تعطى نفس النتائج فى كل
المناطات.

من المعروف أن الشحنات الكهربية المتامثلة تتنافر.

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

و من المعروف أيضا أن التيار
الكهربائى يخلق حوله مجالا مغناطيسيا و أنه إذا كان هناك شحنتان كهربيتان
لهما نفس إشارة الشحنة و يسيران فى نفس الاتجاه سيكون بينهما قوة جذب
مغناطيسية.

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

و الأن دعونا نجرى هذه التجربة
النظرية و هذا المصطلح سيتكرر كثيرا معنا و هى تجربة لا يمكن اجراءها عمليا
.
تخيلو أننى أمسكت بشحنتين متمثالتين و بدأت بالسير فى اتجاه معين ما
هى القوة المتبادلة بين هذين الشحنتين؟

بالنسبة لك :
- يوجد قوة
تنافر كهربية و ليكن قدرها 5 نيوتن
-و لكن يوجد أيضا قوة جذب مغناطيسية و
ليكن قدرها 3 نيوتن
- القوة = 5-3 = 2 نيوتن تنافرية

و لكن
بالنسبة لى الشحنتان لا يتحركا فبذلك لا يوجد قوة جذب مغناطيسية و ستكون
القوة 5 نيوتن تنافرية!!!
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
بالنسبة لك /////// ////////////////// بالنسبة لى

ماذا
لاحظتم؟؟ يمكننا اجراء تجارب كهربية و نحدد إذا كنا نتحرك أو لا ، أليس
كذلك ؟

كان هذا متعارضا تماما مع نسبية جاليليو . و قد دفع هذا
العلماء للتفكير من يقول النتائج الصحيحة و من له الأفضلية.

الأثير ، ما هو و لماذا؟؟؟

قبل أن نخوض أكثر لا
بد أن نضرب مثالا صغيرا هنا . جميعنا يعرف أن الصوت موجة و أن مروره يعتمد
على خواص الوسط (و ليكن الهواء) الذى يسير فيه و مع ذلك فنحن لم نفترض أن
سرعته ثابتة لكل المشاهدين و لم نحصل على تعارض مع قانون جمع السرعات
الكلاسيكى (أحد أركان الميكانيكا الكلاسيكية و النسبية الجاليلية) . لماذل
إذن لم نحصل على التعارض؟
لو أن هناك شخص ثابت بالنسبة للهواء فهو سيرى
سرعة معينة للصوت. لو أن هناك شخصا متحركا بالنسبة للهواء فسيحصل على سرعة
مختلفة و هذا لن يشكل مشكلة لأنه حتى لو اعتبر نفسه ثابتا فعليه أن يعتبر
أن الهواء متحرك و بما أن الهواء المتحرك لن تتصرف جزيئاته كالهواء الساكن و
سيكون للصوت سرعة مختلفة و هكذا فاننا نجد اننا نحافظ على قانون جمع
السرعات (السرعة تختلف باختلاف المشاهد) و النسبية الجاليلية (يمكنه اعتبار
نفسه ثابتا) دون الاساءة لقوانين الحركة الموجية (سرعة الصوت تعتمد على
خواص الوسط فقط) . هكذا فإن انتقال الصوت عبر الهواء حل المشكلة.

ماذا
لو كان الضوء كالصوت تماما له وسط يسير فيه و هذا الوسط كالهواء بالنسبة
للصوت. عندها سيمكننا أن نتلافى أى تعارض و هنا ظهرت أهمية الأثير الذى كان
مفترضا وجوده من قبل ذلك لا أعرف منذ متى تحديدا و لكن ما أعرفه هو أن
الأثير كان أحد أقوى الفروض الفيزيائية التى لا يمكن معارضتها آنذاك و هذا
الأثير هو الوسط الذى يسير فيه الضوء و هنا كان لا بد من الاعتراف (بسبب
بعض التجارب كالتجربة السابقة للشحنات) بأن النسبية الجاليلية لا تسرى على
الكهرومغناطيسية و أن قوانين الكهرومغناطيسية تسرى فقط على المشاهد الثابت
بالنسبة للأثير و على أى مشاهد أخر يتحرك بالنسبة للأثير أن يراعى تأثيرات
رياح الأثير عند تطبيق قوانين الفيزياء (أى عليه الاعتراف بأنه يتحرك) و من
هنا كان الأثير له ثلاث فوائد :

- الموجات تحتاج لوسط مثل الصوت و
موجات المياه و بذلك سيحتاج الضوء لوسط و هذا الوسط هو الأثير
- سرعة
الضوء ثابتة بالنسبة للأثير و قدرها (ج) و لكن إذا كنت تتحرك بالنسبة
للأثير ستقيس سرعة مختلفة و لكن قياسك لا يسرى لأنك تتحرك و قوانين
الكهرومغناطيسية (كقانون ثبات سرعة الضوء) تعمل فى المناط الثابت بالنسبة
للأثير فقط
- الذى يقول النتائج الصحيحة هو المشاهد الساكن بالنسبة
للأثير و له الأفضلية و على المتحرك أن يعرف أنه متحرك و يحسب على هذا
الأساس لكى يصل للنتائج الصحيحة.

بهذه الطريقة تم الحفاظ على قانون
جمع السرع إلى حد ما و لكن ظل هذا متناقدا مع نسبية جاليليو. رأى أينشتين
أن معادلات ماكسويل جيدة جدا و أنه يجب أن تصلح لكل مناطات الإسناد كما أنه
لم يحب فكرة الأثير تلك أبدا . فمبدأ الحركة النسبية كان يعجبه جدا و لكن
للأسف هذا المبدأ (فى ظل قانون جمع السرع الكلاسيكى) يتعارض مع قانون ثبات
سرعة الضوء الذى هو ضرورى لتفسير العديد من الظواهر فى الديناميكا الكهربية

من هو لورنتز؟؟
لورنتز هو أحد أكبر
العلماء الفيزيائيين و قد طور الديناميكا الكهربية كثيرا و قد كان له دورا
كبيرا سيظهر فيما بعد و لن نقول الكثير عنه ها هنا و لكن يكفى أن نعرف أن
له دور كبير فى الكهرباء و المغناطيسية مع ماكسويل.

__________

النسبية الجاليلية

سنبدأ بنظرة شاملة على
الفيزياء الكلاسيكية . يجب أن تكون لديك قدر من المعلومات عن الميكانيك
الكلاسيكى لكى تلاحظ الفرق بينه و بين النسبية . لقد قمت أيضا بنقل بعض
الأجزاء من أبحاث متميزة. و لنبدأ

المبدأ الأول:
الزمان و المكان المطلقين

فى الميكانيكا النيتونية ، الزمن
مستقل تماما عن المكان و كلاهما يعتبر مسرح للأحداث ، تحدث كل الأحداث
فيهما و المادة أيضا موجودة فيهما.

الزمن مستقل عن حالة الحركة لجسم
، يمكنك أن تضبط كل الساعات فى الكون و تجعلهم متوافقين ، و سيسيروا بنفس
المعدل و يستمروا فى اعطائك قرائات متامثلة بغض النظر عن مكانهم أو حالة
حركتهم. و نتيجة لذلك يتفق كل المشاهدين على ترتيب الأحداث التى تحدث فى أى
مكان و على وقت حدوثها . الأحداث التى تحدث فى نفس الوقت (متزامنة)
بالنسبة لمشاهد معين ستصبح متزامنة بالنسبة لكل المشاهدين الأخرين و هذا
يسمى "التزامن المطلق".

المبدأ الثانى: النسبية
الجاليلية

النسبية الجاليلية تعتبر جزئا من الفيزياء
الكلاسيكية . الفيزياء الكلاسيكية نظام ممتاز للتنبؤ بحركة كل شيئ من
التفاحات الساقطة إلى الكواكب الدوارة ، لذلك صمدت لمئات السنين. إنها أيضا
منطقية جدا ، يمكنك القول ، أنك بمجرد أن تفكر فيها تجدها سليمة و منطقية و
قريبة لعقلك. لذلك عندما تقرأ هذا الجزء ، تأكد أننا نتكلم عن العالم الذى
تعيش فيه. بهذه الطريقة ستلاحظ الأشياء الجديدة فى الفيزياء الحديثة عندما
تفقد هذا الإحساس بالمنطقية فى الكلام.

حاول أيضا أن تحل المسائل
قبل أن تنظر للإجابات . لن تحتاج ورقة أو قلما ولكنك ستحتاج القليل من
التفكير.

السؤال #1 : كنت أنا أقود سيارة بسرعة 30 ميلا فى الساعة .
كنت أنت واقفا على جانب الطريق ترانى . بعد أن مررت بك ، رميت ورائى حجرة
بسرعة 30 ميلا فى الساعة. متى ستلحق بى هذه الحجرة ؟

الإجابة #1 :
أعط نفسك عشر نقاط إذا قلت أنها لن تصلنى أبدا. لا يهم إن كانت تسير بسرعة
30 ميلا طالما أنى أبتعد بسرعة 30 ميلا. كلام منطقى ، صح؟

الأن لنضع
معى فى السيارة طفلا عمره عامين. بما أنه ما زال طفلا لا يفقه شيئا، سيقول
أنه لا يتحرك . عندما ينظر من الشباك و يرى الأشجار تذهب للوراء سيعتقد أن
الأشجار هى التى تتحرك. بالطبع لن يستنتج أن السيارة و هو بداخلها تتحرك
عبر الأشجار.

إذن ماذا سيستنتج الطفل بخصوص الحجرة؟ (لنسأل السؤال
فيزيائيا : كيف تتصرف الحجرة فى "مناط إسناد" الطفل؟).
الحجرة بالنسبة
له معلقة فى الهواء خلف السيارة و هى لا تتحرك. لو أننا سألنا الطفل نفس
السؤال (متى ستلحق الحجرة بالسيارة؟) سيجيب نفس الإجابة التى أجبناها أنا و
أنت (لن تلحق بها أبدا) و لكن لسبب مختلف تماما. أنا و أنت لدينا حس مشترك
يخبرنا أن السيارة هى التى تتحرك بينما الأشجار ثابتة . و لكنه من المفيد
أن تلاحظ أن الطفل حصل على نفس الإجابة .

هنا بيت القصيد . الطفل
على حق مثلنا تماما . لو أراد أن يقول أن السيارة لا تتحرك بينما الأشجار
تفعل ، فهو على حق. لو أردت أن تقول أن الأشجار ثابتة و السيارة تتحرك،
فأنت على حق أيضا. لأنه إذا سألت أى سؤال (مثل السؤال السابق) سيحصل كلاكما
على نفس الجواب. علميا إذا استطاع أن يحصل على إجابات صحيحة دائما. فإنه
لا يوجد أى أساس يمكننا من أن نقول أنه مخطئ حتى ولو تعارضت افتراضاته مع
الحس العام.

لنتقدم خطوة أخرى ، يمكنك أن تختار أى شيئ الطريق ،
السيارة أو أى شيئ أخر و تقول أنه ثابت و تفترض أن كل شيئ أخر يتحرك و
ستنجح فى التنبؤ بكل الظواهر. هذه النتائج تم تلخيصها فى هذه الجملة:
النسبية
الجاليلية[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]قوانين
الميكانيكا ثابتة فى "أى مناط إسناد قصورى".) إذن إنها طريقة أخرى للقول
أن الطفل على حق.

هذه الكلمة "قصورى" تعتبر جزرية هنا : إنها تعنى
أنك يمكنك أن تعتبر نفسك مناط إسناد فقط إذا كنت لا تتسارع أو تتباطأ أو
تغير اتجاهك (حركة منتظمة) . لو أن قائد السيارة استعمل الفرامل فجأة فإن
الطفل سيعرف أنه ليس ثابتا لأنه سيندفع فجأة للأمام.

هل أنت معترض
على أن الطفل على حق؟ ، تذكر أن الأشجار تدور حول مركز الأرض و أن الأرض
تدور حول الشمس أسرع من أسرع الطائرات . فلو كنت تقول أنه يجب على من يركب
سيارة أن يدرك أنه يتحرك لكى يتمكن من وصف الظواهر، فعليك أن تقول أنه لا
يوجد أحد قادر على استخدام الفيزياء إلا إذا وجدنا نقطة ثابتة فى الفضاء
نقف عندها.

حسنا فكر فى هذا جيدا ، قد يبدو غريبا و لكنه بعد قليل
سيثبت فى عقلك، هذه هى ميزة الفيزياء الكلاسيكية أنها منطقية جدا.

السؤال
#2: أنا أسير بسرعة 30 ميلا هذه المرة و أنت رميت ورائى حجرة بسرعة 40
ميلا. إذن هذه المرة ستلحق بى و ستصتدم برأسى. لنعتبر أننى خبير بصدمات
الأحجار. و أننى يمكننى أن أخبرك بسرعة الحجرة اعتمادا على الألم الذى
تسببه لى . ماذا سأقول عن سرعة الحجرة ( إذا كانت الحجرة سرعتها 40 ميلا فى
مناط إسنادك فما هى سرعتها فى مناط إسنادى)

الإجابة#2 : سرعتها فى
مناط إسنادى 10 ميل . أى إنها تسبب نفس الألم الذى تسببه لى حجرة تسير
بسرعة 10 ميل فى الساعة.

كما فى السؤال السابق -كما فى أى سؤال فى
النسبية الجاليلية- لدينا الحقائق المقاسة و هى أن الحجرة صدمتنى بسرعة 10
ميل.

على أى حال الأن يأتى الجزء الذى نختلف عليه ، الشرح لسبب هذه
السرعة. من مناط إسنادك الحجرة سريعة جدا و لكنها صدمتنى بخفة لأننى أتحرك
مبتعدا عنها. من مناط إسنادى أنا ثابت (أنا دائما ثابت فى مناط إسنادى) و
لكن الحجرة تسير إلى بسرعة 10 ميل. بأى شكل نحن نتفق على النتيجة.

كل
ما قلته حتى الأن أخبار قديمة فى الفيزياء و لكنى خضت فيه لكى أعرف معنى
مناط الإسناد القصورى و كيف أن قوانين الفيزياء ثابتة فى كل مناطات الإسناد
القصورية . يمكنك أن تلعب الكرة داخل السفينة و لن تشعر باختلاف . يمكنك
أن تسقط كرة من منتصف سقف السفينة و ستسقط فى منتصف الأرضية سواء كانت
السفينة ثابتة أو تتحرك حركة منتظمة.الأن يجب أن تفهم الاثبات القادم جيدا
لأننا سنحتاجه بعد ذلك

سنثبت أن الحجرة تسير فى مناط اسنادى بسرعة
10 ميلا فى الساعة.
لنعتبر أنك رميت الحجرة بعدما مررت بك و لحقت بى بعد
ساعة. ما المسافة التى قطعتها الحجرة فى ساعة فى مناط اسنادك؟ الاجابة 40
ميلا: بالتعريف ، هذا معنى جملة "الحجرة سرعتها 40 ميلا فى الساعة".
السؤال
التالى : ما المسافة التى قطعتها أنا فى مناط اسنادك ؟ 30 ميلا . لأنى
أسير بسرعة 30 ميلا فى الساعة.إذن ماذا أرى أنا؟ هذه الحجرة بدأت على بعد
10 أميال منى و فى ساعة واحدة لحقت بى إذن هى ولا شك تسير بسرعة 10 أميال
فى الساعة. لأنها فى كل ساعة تقطع 10 أميال تجاهى.

لا بد أن تعرف أن
قياس هذه السرعة لا يعتمد على أداة القياس المستخدمة . الأدوات لا تهم.
السرعة هى نتيجة تغير المسافة مع الزمن و الأدوات تقيس هذا التغير و حسب.
لا بد أن تقتنع بكل كلمة قلناها و تدرك معنى هذه القوانين لجمع السرع فى
الميكانيك الكلاسيكى. و أهم شيئ هو ادراك النسبية الكلاسيكية هنا و هى أن
القوانين ثابتة فى كل المناطات فقط عليك أن تقيس و ستحصل على نفس النتيجة
أيا كانت حركتك طالما أنها منتظمة.

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

[b]الحلقة
الثالثة
قبل ميكانيك الكم

لقد
وضعت هذه الحلقة هنا لكى أكمل كل الأمور المتعلقة بالفيزياء الكلاسيكية
قبل الدخول فى أى أشياء جديدة

هذه الورقة هى ترجمة لجزء من ورقة
أجنبية تتحدث عن ميكانيك الكم و قد أعجبتنى جدا .

ميكانيك الكم هى
أحد ثورات القرن العشرين العلمية و هى أحد أقرب العلوم التى توصلت لوصف
دقيق للطبيعة . و لكنها غريبة تماما . إنها تتعارض مع حسنا العام كما أنك
يمكن أن تعتبرها نوع من الخيال العلمى الذى لا يمكن لعلماء جادين الأخذ به .

.
سأبث إليكم الأن خبر جيد و لكننى سوف أكتب تحذيرا أيضا .

الخبر
الجيد هو أنك لا يجب أن تكون فيزيائيا بارعا لكى تفهم هذه الورقة . و لكن
يجب أن احذر أيضا من أن الموضوع صعب الفهم فلا تتوقع فهمه من أول مرة بل
انه عليك قراءته مرات كما يجب أن تتوقف بعد كل جزء و تطمئن إلى تمام فهمه .
سوف نغطى هنا أسابيع عديدة من الفيزياء الجامعية لأن ما يجعل الجامعيين
يأخذون وقتا طويلا هو تعلم القيام بالعمليات الحسابية المعقدة الخاصة
بالمواضيع أما نحن فعلى العكس لن نقوم بعمل أى رياضيات. أرجو أن تستمتعوا
فى هذه الحلقة .

نظرة عامة - إلى أين نحن ذاهبون
؟!

قبل البدء سنقوم برسم الطريق الذى سنسلكه و سوف نعرض
نظرة شاملة عن الأشياء التى تتناولها

سنتناول فيزياء القرن التاسع
عشر أى الفيزياء الكلاسيكية . إياك أن تترك هذا الجزء لتذهب مباشرة إلى
الجزء الشيق لأنه بلا هذا الجزء لن يكون الجزء الشيق شيقا أبدا .

-
ما هو الضوء؟ و ماذا يحدث عندما تتقابل موجاته ؟ هذه النقاط تشرح لماذا
نعتبر الضوء موجة كما تشرح معنى التداخل الموجى
- تجربة يونج للتداخل
تعتبر اثباتا ممتازا لتنبؤات الفيزياء الكلاسيكية
- تجربة يونج باستخدام
الكرات الصغيرة تظهر بوضوح الفرق بين تصرف الجسيمات و الأمواج فى التجربة .

بوصولك
لهذه النقطة ستكون ملما بجزء لا بأس به من الفيزياء الكلاسيكية . ستعرف ما
هى الموجة و ما هو الجسيم أو الجزئ . و ستعرف ما الفرق بينهما (خاصة
بالنسبة للتداخل) و سترى أن تجربة يونج تثبت كل هذه النظريات . لن ترى
الأمر سهلا و لكنه يجب أن يكون منطقيا تماما بالنسبة لك .

ما هو الضوء

أحد أهم الأسئلة فى العلوم فى
الأونة الماضية كانت "ما هو الضوء؟" . بنهاية القرن الـ19 كان هذا السؤال
قد أجيب بإجابة جيدة . الرياضيات " معادلات ماكسويل" تأخذ وقتا لتتعلمها و
لكن الفكرة نفسها واضحة جدا.

فى نقطة ما فى المكان يوجد ما يسمى
مجال كهربائى . ربما كانوا لا يعرفون تكوينه بالضبط و لكن يمكننا تحديد
اتجاهه . يمكننا أن نقول أن فى هذه النقطة مجال كهربائى برؤية تأثيره على
جسيم مشحون و نقول أن اتجاه هذا المجال هو الاتجاه الذى يسلكه جسيم موجب تم
وضعه فى هذا المجال . هذا المجال يشير لأعلى تعنى أن الجسيم الموجب سينطلق
لأعلى لو تم وضعه هنا .

يمكننا قضاء ساعات فى شرح المجال الكهربى و
الجسيمات المشحونة و لكن هذا لن يكون له علاقة بموضوعنا . الشيئ المهم هنا
هو أنه يمكنك تحت ظروف معينة الحصول على مجال كهربى يشير لأعلى و يمين
قليلا لا تجده تماما ثم إلى اليمين قليلا تجده يشير لأسفل . أى يتذبذب كما
فى الرسم

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

الخط العرضى هو احداثى المكان و ارتفاع المنحنى
يدل على اتجاه المجال الكهربى و شدته . لا يوجد شيئ حقيقى يتحرك لأعلى و
أسفل و لكن هذا رسم بيانى لشدة المجال و اتجاهه مع المكان . فى الحقيقة هذه
الموجة ليست ساكنة و لكنها تتحرك . تخيل أنها تتحرك يمينا و أنك واقف فى
طريقها فلو أنك قمت بقياس اتجاه و شدة المجال ستجده يقوى و يضعف و يغير
اتجاهه بمرور الوقت .

أحد أهم انجازات الفيزياء الكلاسيكية هو تصوير
الضوء كموجة من هذا النوع و شرح كل خصائصه اعتمادا على هذه الصورة له .
(فى الواقع يوجد فى الضوء مجال مغناطيسى [لهذا يسمى موجة كهرومغناطيسية] و
لكن ليس له علاقة بموضوعنا الأن ) . قبل المضى أكثر عليك أن تعلم أن
المسافة بين قمتين متتاليتين تسمى "الطول الموجى" و موجات الضوء المختلفة
لها أطوال موجية مختلفة .

عندما تلتقى موجات
الضوء

ماذا يحدث عندما تتقابل موجتان ضوئيتان ؟؟ الاجابة هى
أن المجالان الكهربينا يتم جمعهما . أى لو أنه فى نقطة ما يشير أحدهما
لأعلى بـ3 و الأخر لأعلى بـ 5 . فالمجموع هو لأعلى بـ8 و العكس فلو أن
أحدهما يشير لأعلى بـ3 و الأخر لأسفل بـ3 فانك لن تجد مجالا كهربيا فى هذه
النقطة.

لو كنت رجلا عمليا ستقوم الأن و تأتى بمصابحين و توجههما
لنفس الرقعة على الحائط لترى كيفية جمع الضوء . و لكن للأسف لن ترى شيئا
لأن ضوء المصباح هو مجموعة كبيرة عشوائية من موجات مختلفة . و لكن تخيل أن
لديك مصباحين يقومان بإطلاق موجتين (موجة من كل منهما) لهما نفس الطول
الموجى و يقومان باطلاقهما فى نفس الوقت .

اعتمادا على بعد كل منهما
عن الحائط يمكنك رؤية ضوء أو ظلام على حسب الفرق بين شدة المجال فى كلا
الموجتين عند هذه النقطة .

فى الصورة التالية تجد موجتين متوازيتان
تماما و المجال الكهربى فيهما متساوى عند كل نقطة. عندما يكون موجب فى
أحدهما يكون موجب فى الأخرى فيصبح المجموع موجب عالى . و هكذا فالناتج يكون
موجة أطول من الموجتين .
ضوء مع ضوء يعطى ضوء أقوى .

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

لو كانوا غير متوازيين بالمعنى
السابق (بالانجليزى اسمهم out of phase ) فعندما يشير أحدهما لأعلى سيشير
الأخر لأسفل فيلغيا بعضهما و ترى ظلام

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

هذين النوعان يسميان تداخل بناء و
تداخل هدام .

نعود لمصباحينا المتميزين لو أنهما يبعدا عن الحائط
بنفس المسافة فسوف تكون الموجات متساوية و ترى ضوء قوى . حرك أحدهما للخلف
بمسافة تساوى نصف الطول الموجى لترى ظلام حيث أن الموجتان سيصبحا متعاكستان
.

أرجو أن يبدو هذا واضحا . للأسف فإن هذه التجربة عمليا مستحيلة و
لكن توماس يونج عالم مشهور تمكن من التحايل و وضع فكرة لتنفيذ التجربة
اعتمادا على مصدر ضوئى واحد . و لكنه لا بد أن يصدر موجة من نوع واحد (لا
تجربها بالمنزل إنها تصلح فى المعمل فقط).

تجربة
الفتحات (تجربة يونج)

تسمى هذه التجربة بالفتحات و ستعرف
لماذا . سنضع مصدر للضوء أمام حائط أسود و بينهما قطعة من الكرتون بحيث لا
يعبر الضوء . الأن تقوم بعمل فتحة رأسية فى الكرتون بحيث يعبر بعض الضوء .
السؤال : ماذا ترى على الحائط؟؟

لو أن الضوء يسير فى خطوط مستقيمة
من مصدر الضوء نحو الحائط فسترى خط رأسى من الضوء . و لكن فى الواقع فان
الضوء يشع للخارج (ظاهرة تشتت الضوء). و بذلك فما ستراه هو عمود من الضوء
خلف الفتحة و يضعف الضوء نحو الأجناب

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

هذه النقطة ليست غريبة و هى ليست ذات أهمية
شديدة فهى فقط تثبت أن الضوء يشع للخارج . لكن ماذا لو أنك أضفت فتحة أخرى
بجانب الأولى ؟؟
ربما تتوقع رؤية نفس الشكل السابق موجود مرتين ، و لكن
ما تراه هو منظر جديد . ترى عواميد من الضوء بينها عواميد من الظلمة .

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

هذا يبدو غريبا حقا . بعض الأماكن التى كانت
مضيئة فى التجربة الأولى أصبحت مظلمة عندما فتحت فتحة أخرى . قم بتغطية هذه
الفتحة و سترى هذه المناطق تضئ مرة أخرى . هذه النتيجة منطقية جدا فى ظل
النظرية الموجية للضوء . تذكر أنه عندما تمر موجة ضوئية من احدى الفتحات
تقوم بالانتشار فى كل الاتجاهات (كل فتحة تعمل كمصدر ضوئى) و هكذا فإن كل
نقطة على الحائط تستقبل شعاعين ، واحدا من كل فتحة كما فى الصورة

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

نرى هنا أن الشعاعين بدئا متساويين و لكنهما
سارا مسافات مختلفة و هذا يعيدنا للشرح السابق عندما تلتقى أشعة الضوء .
فلو كلا الشعاعين عند الالتقاء كانوا يشيرون معا لأعلى أو لأسفل فستكون هذه
النقطة مضيئة و العكس صحيح .
الفرق بين مسار الشعاعين يختلف عند كل
نقطة و بذلك فستختلف الحالة عند كل نقطة و سيختلف نوع التداخل و هذا يفسر
المنظر الذى تم رؤيته.

تجربة االفتحات باستخدام
الكرات الصغيرة

منذ البداية حتى الأن قمنا بتغطية جزء لا بأس
منه فلا مانع فى أخذ دقيقة أو اثنين لمراجعته و التأكد من أن النتيجة فعلا
منطقية .

سنعيد التجربة باستخدام كرات صغيرة مدهونة بالأبيض مثلا.

سنعيد
التجربة الأولى و لكن بدلا من مصدر الضوء سنستخدم مكنة (أو مدفع) يطلق
كرات صغيرة مدهونة بالأبيض لتترك صبغة على الحائط الأسود لنعرف أين ذهبت .
هذا المدفع يطلق كرة تلو الأخرى . قم بعمل فتحة واحدة و انظر أبن تذهب
الكرات.
المدفع يطلق كل كرة بنفس الطريقة و فى نفس مسار الكرة السابقة
أى أن الكرات لا تنطلق مثل الضوء فى كل الاتجاهات و بذلك فستجد أن كل
الكرات ترتطم بنفس النقطة على الحائط .

لنجعل الأمر مسليا أكثر. قف
خلف المدفع و أثناء انطلاق الكرات قم بتحريك المدفع لأعلى و أسفل و يمينا و
يسارا و كل الاتجاهات بسرعة (أى قم بهزه). الأن ماذا ستجد ؟؟
الكثير من
الكرات لن تعبر الفتحة و لكن تلك التى ستعبر سوف ترتطم بالحائط تاركة
أثرها و لكن ليس لازما أن تصل للحائط خلف الفتحة مباشرة فتذكر أن الكرات
تنتطلق فى كل الاتجاهات نتيجة تحريكك المدفع . بعد أن تطلق عددا كبيرا من
الكرات توقف و انظر للحائط . سترى نتيجة مشابهة لنتيجة الضوء تماما . عمود
من اللون الأبيض يقل كثافة نحو الأجناب.

قم بعمل فتحة أخرى و استمر
باطلاق الكرات بجميع الاتجاهات . ماذا ستجد الأن ؟؟ عواميد متبادلة ؟؟ لا
،ما ستراه هو أثر الكرات المنطلقة من الفتحة الأولى بجانب أثر تلك المنطلقة
من الفتحة الثانية . الكرات تتطلق واحدة تلو الأخرى و بذلك فلن تصطدم
كرتان أو ما شابه . ستجد الشكل الذى رأيته عند عمل فتحة واحدة مكرر مرتين .

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

أنت تضيع وقتى !!!!!!!!!!

لا
نحن لا نضيع الوقت فكل ما شرحناه - حتى الكرات - له أهمية فى فهمك
للفيزياء الحديثة و لا بد من أن تفهم ما سبق جيدا و تتأكد من منطقيته .

ننهى
هذا الجزء بتلخيص بسيط . الفيزياء الكلاسيكية قسمت كل الأشياء إلى فريقين
فكل شيئ هو إما جسيم أو موجة . الموجات هى مثل الصوت و الضوء و موجات
المياه . الجسيمات هى مثل الذرة و الكرة و الكوكب . ربما تجد موجات مصنوعة
من حركة الجسيمات (فالصوت هو اهتزاز الهواء) و لكن بغض النظر عن ما هو
تركيب الموجة ، كل من الموجة و الجسيم يتصرفون باختلاف

بعض الفروق
هى :

- الجسيمات "كمية" أو " متفرقة" هذا يعنى أنها وحدات متفرقة :
كرة ، كرتان ، 3 كرات ،.... إلخ . الموجات لا تأتى
فى صورة أشياء متفرقة
بل هى تغير أو اضطراب عام موجود فى مساحة أو منطقة .

- شيئ أخر عن
الكمية . يوجد ما يسمى "بأصغر وحدة" . لو أن لديك حفنة من الكرات و قمت
بقسمها سيصبح لديك حفنتان أصغر من الكرات . و لكن لو انك استمريت فى
التقسيم فستصل إلى كرات متفرقة لا يمكنك قسمها لأنها بعد قسمها لن تكون كرة
. هذا يعنى أن الكرة هى أصغر وحدة ممكنة للكرات . على الناحية الأخرى
يمكنك الاستمرار فى تقطيع ارتفاع الموجة و لكنها ستظل موجة .

-
الموجات يمكنها أن تتداخل بنوعين اما بناء أو هدام . أما الجسيمات فنوع
واحد هو البناء. 5 كرات مع 3 كرات يعطوا
8 كرات لا يمكن أن يعطوا 2 .

-
بسبب الاختلاف فى طريقة جمع الجسيمات و الأمواج فإنهما يعطيان نتائج
مختلفة فى تجربة الفتحتين ليونج . مع الموجات ترى نقاط مظلمة حيث تلغى
الموجات بعضها . مع الجسيمات لا يوج الغاء . أنت ترى عمودين كبيرين من
الدهان.

عند هذه النقطة تكون قد عرفت كل ما تحتاج عن الفيزياء
الكلاسيكية . اذا لم تفهم نتيجة تجربة يونج قم بقراءة " عندما تتاقبل موجات
الضوء" و افهم كيف تتداخل الموجات ثم اقرأ التجربة مرة أخرى . تأكد من أن
كل النتائج منطقية حتى لو تتطلب ذلك القراءة عدة مرات.

استعد جيدا
فنحن على وشك الدخول للقرن العشرين.
الحلقة الرابعة
انهيار
الفيزياء الكلاسيكية

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

تفكير
ميكلسون لإيجاد سرعة الأثير

بعدما قام ميكلسون بقياس سرعة
الضوء أراد ان يقوم بعمل إنجاز أخر و هو قياس سرعة رياح الأثير بالنسبة
للأرض و كان يتوقع أن هذه السرعة لا بد و أن تكون أقل بكثير من سرعة الضوء و
إلا لكنا لاحظنا تأثيرها فى حياتنا اليومية.
اراد ميكلسون ان يستخدم
نفس الفكرة التى يمكنك عملها لقياس سرعة الرياح عن طريق سرعة الصوت فكما
قلنا ان سرعة الضوء ستكون ثابتة بالنسبة لرياح الأثير فإذا قمنا بإرسال
شعاع ضوءى إلى مرأة ثم انعكس الينا سيكون قد ذهب فى رحلة الذهاب فى نفس
اتجاه الرياح مثلا و بذلك سيعود فى عكس اتجاه الرياح إذن يمكننا ببساطة أن
نقيس الفرق بين سرعته فى الرحلتين و يكون هذا الفارق هو ضعف سرعة رياح
الأثير و سيكون بإمكاننا تدوير الجهاز المستخدم فى التجربة حتى نجعل شعاع
الضوء موازى لاتجاه الرياح.

و لكن للأسف لا يوجد جهاز واحد قادر على
قياس سرعة رحلة الضوء فى اتجاه واحد و كانت جميع القياسات تعتمد على قياس
سرعة الضوء فى رحلة من اتجاهين (أى أن يطلقوا شعاع من الضوء إلى مرأة ثم
يعود و يقوموا بقسمة المسافة الكلية على الزمن الكلى) و إذا استخدم هذا
التكنيك فإن تأثير الرحلتين على سرعة الضوء سيلغيان بعضهما و لن نصل إلى
سرعة الأثير.

هنا خطرت فى بال مكلسون فكرة مذهلة يمكنه بها قياس
سرعة الأثير و قد كانت فكرتها كما يلى:

لو كان لدينا نهرا عرضه س (و
ليكن 100 متر) و لدينا سباحان يعومان بنفس السرعة فى المياه الساكنة و
لتكن 5 متر فى الثانية . لو كان النهر يسير بسرعة ثابتة بالنسبة للضفة و
لتكن ص ( و لتكن 3 متر فى الثانية) . سنقيم سباقا بالطريقة التالية ،
السباح الأول يعوم بعرض النهر فى خط عمودى على الضفة إلى الضفة المقابلة و
يعود . أما الأخر فسيعوم بطول النهر مسافة 100 متر و يعود .

السباح
الثانى سيعوم مع عكس التيار فى الذهاب و بذلك تكون سرعته بالنسبة للضفة 2
متر فى الثانية و تستغرق رحلته للذهاب 50 ثانية أما فى العودة فستكون سرعته
8 متر فى الثانية و ستستغرق رحلته 12.5 ثانية و بذلك سيكون زمن رحلته كلها
62.5 ثانية.

بالنسبة لحساب سرعة السباح الأول بالنسبة للضفة فستكون
ناتجة من سرعتان فعليه أن يعوم بسرعته فى اتجاه زاوية معينة بحيث أنه لو
لا يوجد تيار سيبتعد عن الخط ب 3 متر كل ثانية أما فى وجود التيار فسيلغى
التيار هذا التأثير لأنه سيعيد السباح مرة أخرى (السباحين يفعلوا هذا ذاتيا
دون شعور)

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

ستكون سرعة السباح إذا بالنسبة للضفة عن طريق
قانون فيثاغورث 4 متر فى الثانية و بذلك سيقطع ال200 متر فى 50 ثانية واضح
أنه سيصل قبل الثانى ب12.5 ثانية . إذا كنا لا نعلم سرعة النهر و لكن لدينا
كل المعطيات الأخرى سنتمكن من حساب سرعة النهر ببساطة.

تجربة ميكلسون- مورلى

فكر ميكلسون فى عمل نفس
الشيئ فالأثير هو النهر و الضوء هو السباح. سرعة الضوء بالنسبة للأثير C و
سرعة رياح الأثير النسبة لنا V و قد كان معتقدا أن سرعة رياح الأثير ستكون
قريبة من سرعة دوران الأرض حول الشمس و على أية حال فإن لم يكن الأثير
ثابتا بالنسبة للشمس ستتغير سرعة الأثير بالنسبة للأرض على مدار اليوم و
السنة و لنضع فى الحسبان أيضا أننا لا نعرف اتجاه الرياح و بذلك فلا بد من
أن يكون جهاز التجربة قادر على الالتفاف حول المحور 360 درجة بهذا نضمن أن
احد الشعاعين سيكون موازى للرياح و الأخر عموديا عليها مرتين على الأقل و
فى هذا الوقت سيصل الشعاع العمودى أولا و لكن بقيت مشكلة أنه فى حال كانت
رياح الأثير سرعتها قليلة فعلا كما توقعوا سيصبح الفارق بين الشعاعين قليلا
حيث لا يمكن لأى جهاز رؤيته و لكن تم التغلب على هذه المشكلة فإذا كنا لا
نستطيع رؤية السباحين فلنقل لهم "إذا لم تصلا فى نفس الوقت فليصيح السباح
العمودى و لتكن قوة الصيحة متناسبة مع فارق الوقت" هذا هو بالضبط ما يفعله
الضوء دون أن نخبره و سنرى كيف هذا فى تصميم الجهاز
. تم تصميم الجهاز
كالتالى:
-مصدر يطلق شعاع ضوئى يسقط على مرأة نصف عاكسة بزاوية 45 درجة و
بذلك سيمر نصف الشعاع بلا تغيير إلى الجانب الأخر بينما ينعكس النصف الأخر
بزاوية 45 درجة ليصبح عموديا على الشعاع الأخر .
-تم وضع مرأة فى نهاية
طريق كل من الشعاعين بحيث تكون المسافة بين مرأة كل شعاع و بين المرأة
النصف عاكسة متساوية.
-بذلك سيرتد الشعاعين ليلتقيا مرة أخرى عند المرأة
النصف عاكسة . نصف الشعاع الموازى سينعكس إلى أسفل كما سيمر نصف الشعاع
العمودى إلى أسفل .

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

هل لاحظتم ماذا حدث عند المرأة النصف
عاكسة؟؟

نعم، لقد حدث تداخل بين الشعاعين و بم أنهما لم يأتيا فى
نفس الوقت فسيحدث التداخل كما شرحنا و إذا وضعنا حائطا مثلا أمام الشعاعين
فسترتسم الأهداب الضوئية عليه و سيتناسب حجم الأهداب الضوئية مع الفارق
الزمنى بين الشعاعين. فكرة عبقرية ، أليس كذلك ؟ . هكذا تم الإعداد لكل
شيء. بالطبع أنا لم اكتب الحسابات هنا و لكن يمكن استنتاجها بسهولة كما
فعلنا فى مسألة النهر.

يمكنك الذهاب إلى هذا الرابط و رؤية التجربة
كفلاش سيمكنك تغيير سرعة الأثير و ملاحظة التأثير على الشعاعين

تحت
كل التوقعات كانت ستكون الأهداب واضحة جدا . تم اجراء التجربة عام 1887 م و
لكن ماذا كان حجم الأهداب الضوئية؟ لقد كانت النتيجة مفاجأة و صدمة عنيفة
لكل علماء الفيزياء فالنتيجة كانت :

لا أهداب ضوئية !! الشعاعين
وصلا معا تماما !!!!!!!

ماذا تعنى هذه النتيجة ؟؟

محاولات تفسير النتيجة

كانت هذه التجربة أعظم
تجربة فاشلة فى التاريخ فلم تلقى أى تجربة قبل ذلك كل هذه المحاولات
لتفسيرها لكى تحافظ على المبادئ الكلاسيكية . تعددت المحاولات و سنذكر هنا
محاولتين فقط
الأولى : قام العلماء بافتراض أن الأثير المحيط بالأرض
ثابت بالنسبة لها أو بمعنى أصح ملتصق بها و لكن يمكن فورا تبين مدى سذاجة
هذا الفرض و لقد سقط فورا لأنه لو كان المر كذلك فعلى الضوء أن ينكسر عند
العبور من الأثير الخارجى إلى الأثير الأرضى و هذا سيؤدى إلى أن ترى مواقع
مختلفة للكواكب و الشمس النجوم فى الأوقات المختلفة و لكن هذا لم يكن الحال
طبعا .

الثانية ( فرض فيتزرجيرالد و لورنتز للانكماش) : بالطبع كان
لورنتز من أول المحاولين لتفسير هذه النتائج لكى ينقذ نظريته فتم وضع هذا
الافتراض "الأشياء تنكمش فى اتجاه حركتها الموازى للأثير و كمية الإنكماش
تعتمد على سرعة الأشياء" أى أنك لو وضعت طول مسطرة فى اتجاه موازى لحركتها
فى الأثير فسينكمش طولها و إذا وضعتها بالعرض يبقى طولها كما هو و لكن
ينكمش طول محورها العرضى و هذا لأن الأجسام تنكمش فى اتجاه حركتها بالنسبة
للأثير و نحن لا نلاحظ هذا الإنكماش لأنه صغير جدا نتيجة السرعات الصغيرة
التى نسير بها . و بذلك فقد تمكن الشعاع الموازى من اللحاق بالشعاع الأخر
ببساطة لأنه سار مسافة أقل نتيجة انكماش طريقه و لن يمكننا رؤية انكماش
الذراع لأن اى مسطرة ستحاول قياس الذراع ستنكمش بدورها و حسب معادلة لورنتز
فهذا الانكماش مساوى تماما للفارق المتوقع من قبل ميكلسون و مورلى . و هذا
بالطبع يفسر النتيجة .

اينشتين يبدأ فى الظهور

رأى
أينشتين أن فرضية لورنتز تلك ليس لها أى علاقة ببقية نظريته فى الديناميكا
الكهربية كما أنها تقول ان انكماش الطول يعتمد على حركة الجسم بالنسبة
للأثير. فإذا كنا لا نستطيع أن نحدد سرعتنا بالنسبة للأثير فكيف لنا أن
نكتب قوانين تعتمد على سرعة الأجسام بالنسبة للأثير.

فى بداية ورقة
أينشتين عن النسبية الخاصة عرض هذا المثال :
كلنا يعلم أننا لو مررنا
قضيب مغناطيس من خلال ملف معدنى فسيتولد طاقة كهربائية فى الملف .
1-
إذا كان الملف هو الثابت و المغناطيس هو المتحرك بسرعة v إلى اليمين
فسيتولد تيار كهربى فى اتجاه معين و كميته I و ذلك بسبب خلق مجال كهربى فى
الأثير عن طريق حركة المغناطيس فيه (قانون فاراداى)

2-إذا كان
المغناطيس ثابت و حركنا الملف بالسرعة -v لليسار فسيتولد تيلر كهربى له نفس
الكمية I و نفس الاتجاه كما فى الحالة الأولى و السبب هنا مختلف فلا يوجد
تيار كهربى فى الأثير لأن المغناطيس ثابت و لكن التيار موجود فى الملف
نتيجة انه يسير فى مجال مغناطيسى (قانون لورنتز)

اختلاف تام فى
الشرح لم يؤدى إلى أى اختلاف فى النتيجة و كل ذلك للحفاظ على الأثير فى نفس
الوقت لم تنجح أى محاولة لاكتشاف الأثير فى الكشف عنه فما الداعى لهذا
الأثير اللعين ؟ اى شيئ سوف ينتج نتيجة الحركة النسبية بين الأجسام و ليس
نتيجة الحركة بالنسبة للأثير . بذلك تم القضاء على الأثير و بما أنه لا
أثير فسيكون لهذا نتائج مذهلة سنراها فى الحلقات القادمة . فمبدأ النسبية
سيعود مرة أخرى و لكن بمعنى مختلف يؤدى إلى تغيرات جذرية فى طريقة تفكيرنا
تنافى كل ما نعتقده .
[b]
الحلقة الخامسة
النسبية
الخاصة1

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

فى الحلقة السابقة سقط الأثير و ثبت فشل قانون جمع
السرعات مع الضوء . أينشتين أصدر نظريته الجديدة التى حل هذه الأمور فيها و
فى نفس الوقت توصل لنتائج تنافى معظم خبرتنا عن الزمان و المكان . ستبدو
النتائج غريبة لنا لأننا لم نعتد عليها لأننا فى حياتنا اليومية نحرك
الأجسام بسرعات ضئيلة جدا . سوف أحاول ذكر كل المعادلات و الرياضيات حتى
يتسنى لكم الفهم الكامل للموضوع.

مبادئ النسبية
الخاصة

[b]1- مبدأ النسبية : قوانين
الفيزياء (الميكانيكا،الكهرومغناطيسية،...إلخ) لابد أن تكون ثابتة فى جميع
مناطات الإسناد القصورية (التى تتحرك بسرعات منتظمة بالنسبة لبعضها)
2-ثبات
سرعة الضوء: سرعة الضوء فى الفراغ ثابتة بالنسبة لكل المشاهدين فى كل
مناطات الإسناد القصورية و هى السرعة القصوى التى لا يمكن لأى جسم تخطيها و
لا تعتمد على سرعة المصدر أو سرعة المشاهد و هى c=3 *10^8 m/sec

المبدأ
الأول يقول أن كل قوانين الفيزياء -الكهربية ،المغناطيسية،
الميكانيكية،....- تبقى كما هى فى جميع مناطات الإسناد القصورية و ليست
القوانين الميكانكية فقط كما تقول نسبية جاليليو أى أنك لا يمكن أن تجرى أى
تجربة (قياس سرعة الضوء مثلا) تخبرك ما إذا كنت تتحرك أو لا و بذلك فلا
معنى للحركة المطلقة .

لاحظ ان المبدأ الثانى نتيجة مباشرة للمبدأ
الأول فلو كانت سرعة الضوء تختلف باختلاف المشاهد لأمكننا ان نحدد من يتحرك
و لوجدنا نفسنا نناقض المبدأ الأول .
على الرغم من أن تجربة
ميكلسون-مورلى قد أجريت قبل ظهور اينشتين إلا أنه ليس واضحا إن كان أينشتين
كان على علم بها أو لا ، أيا كان الأمر فسنجد أنه فى ضوء النظرية الجديدة
تصبح النتيجة التى وجدها ميكلسون و مورلى ليست غريبة فالضوء سار مسافات
متساوية و بنفس السرعة c فكلا الشعاعين لا تعتمد سرعتهما على سرعة الجهاز.
هل
بدأت تشعر بغياب الألفة و المنطق فى الحديث ؟؟ إن كنت لم تشعر بهذا بعد
دعنا نسأل هذا السؤال :

إذا كنت أنت واقفا على نجم ما و بجانبك
مشاهد أخر يستعد للرحيل على صاروخ بسرعة 0.5c و عندما مر بجانبك بهذه
السرعة أطلقت أنت شعاعا من الضوء بنفس اتجاهه بسرعة c بالنسبة لك .
ما
هى سرعة الشعاع بالنسبة للمشاهد الأخر؟
إنها c أيضا . هل فهمت ما يعنيه
هذا؟؟ .
لو نظرت إلى شعاع الضوء بعد مرور ثانية على ساعتك ستجد أن
الضوء يبعد عنك 300000 كيلومترا و يبعد المشاهد الأخر عنك 150000 كيلومترا و
ذلك فبالنسبة لك الضوء يبعد عن المشاهد الأخر 150000 كيلومترا و لكن لو
نظر المشاهد الأخر فى الضوء بعد ثانية واحدة لوجده على بعد 300000 كيلومترا
منه أيضا !!!
هذا ربما يعنى أن ساعاتكما لا تسيران بنفس المعدل أو
أنكما تريا المسافات بتقديرات مختلفة . دعونا نترك هذه النقطة الأن ، أنا
عرضت هذا السؤال فقط لأريكم مدى الغرابة و لكى أعرض نقطة أخرى فى غاية
الاهمية و هى أن كل منكم سيرى الضوء يبتعد عنه بمعدل 300000 كيلومتر فى
الثانية و هذا ما تقره النسبية لكن ربما ترى انت أن الضوء يبتعد عن المشاهد
الأخر بمعدل 150000 كيلومتر فى الثانية و فى هذه الحالة فمن الأفضل أن لا
نسمى هذه "سرعة الشعاع بالنسبة للمشاهد فى مناطى" و لكن نسميها "معدل تغير
المسافة بين الشعاع و المشاهد الأخر بالنسبة لى أو كما أراها أنا" . و لكن
تذكر أن كل مشاهد سيظل يرى شعاع الضوء يبتعد عنه بنفس السرعة c .

وصف الأحداث

قبل أن نتطرق إلى تبعيات النسبية
علينا أولا أن نتذكر كيف يصف المشاهد أى حدث .
يصف كل مشاهد فى أى مناط
الحدث بثلاث إحداثيات مكانية و إحداثى زمنى و بذلك ينشئ نظام إحداثيات و كل
مشاهد يتحرك بالنسبة للأخر سيجعل مركز إحداثياته مختلفا عن الأخر و بالطبع
سيصبح إحداثيات كل حدث مختلفة من مشاهد إلى أخر و هذا كلام قديم فلو كان
الحدث هو انفجار صاروخ مثلا فسيرى كل مشاهد أن هذا الحدث يبعد عن مركز
إحداثياته بمسافات معينة و لكن فى الفيزياء القديمة كانوا جميعا يتفقون على
الإحداثى الزمنى.

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

نسبية التزامن

كما
ذكرنا سابقا فقد اعتمدت ميكانيكا نيوتن على الزمن الكونى المطلق حتى أن
نيوتن نفسه قال :" الزمن الرياضى الحقيقى و المطلق يسير بدون التأثر بأى
شيء خارجى" و بذلك كان التزامن مطلقا أى أن الحدثين اللذان يحدثان فى نفس
الوقت بالنسبة لمشاهد ما هما متزامنين بالنسبة لكل المشاهدين و لكن أينشتين
لغى هذا المبدأ تماما و قد أجرى هذه التجربة الذهنية ليوضح كيف هذا.

عربة
قطار تتحرك بسرعة منتظمة و فى لحظة ما ضربت صاعقتان مقدمتها و مؤخرتها و
تركت علامات على الأرض وعلى العربة . العلامات على الأرض هى A و B و
العلامات على العربة A` و B` . هناك مشاهدان O يقف فى منتصف المسافة على
الأرض و O` يقف فى منتصف العربة .

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

واضح أن الإشارات الضوئية التى
ستنطلق من A و B عند ضربهما بالصاعقة ستصل O فى نفس الوقت و عندما يود أن
يعرف متى حدثت الصاعقتان فعلا فإنه سيطرح الوقت الذى أخذه الضوء من الوقت
التى تقرأه ساعته و سيجد أن كل شعاع استغرق نفس كمية الوقت نظرا لأن كلاهما
سار نفس السرعة نفس المسافة فلو كان الوقت ثانية مثلا فسيستنتج أن كل حدث
وقع قبل ثانية واحدة من وصول الضوء له و بما أن الضوء وصله فى نفس الوقت
فقد وقع الحدثان فى نفس الوقت بالنسبة لـO .

من وجهة نظر O` . عندما
وصل الشعاعان إلى O كان O` قد تحرك و واضح من الرسم أن الإشارة من B`
وصلته قبل الإشارة من A` . فى الميكانيك الكلاسيكى كان سيقول أن الضوء قطع
نفس المسافة (و هى نصف عربة القطار) و لكن بسرعات مختلفة نظرا لقانون جمع
السرعات و بذلك فرغم أن الشعاعان وصلوا إليه فى أوقات مختلفة (منB` قبل A` )
إلا أن الشعاع المتأخر أخذ وقت أطول و بذلك فعندما يطرح الوقت فسيصل إلى
أن كلا الحدثين حدثا معا و لكن هذه ليست الحالة هنا فكما بينت تجربة
ميكلسون-مورلى أن سرعة الضوء ثابتة أى أن كلا الشعاعين هنا سارا بنفس
السرعة فبذلك سيستنتج O` أن الصاعقة ضربت مقدمة القطار قبل مؤخرته أى أن
الحدثين ليسا متزامنين .

و بذلك نصل لمبدأ نسبية التزامن الذى هو
نتيجة مباشرة لقانون ثبات سرعة الضوء . بالطبع نحن لا نشعر بهذا فى حياتنا
اليومية لأننا ببساطة نتحرك بسرعات قليلة جدا مقارنة الضوء و لكن هذه
التأثيرات حقيقية.

الحدثان المتزامنان فى
مناط إسناد معين ليسا بالضرورة متزامنان فى مناط إسناد أخر يتحرك بالنسبة
للأول

تمدد الزمن

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

بإمكاننا توضيح ظاهرة تمدد الزمن
عن طريق التجربة الذهنية الموضحة فى الصورة . لدينا عربة قطار تتحرك
بالسرعة V و فيها المشاهد O` و فى السقف يوجد مرآة .يمسك فى يده مصدر للضوء
و المسافة ين المصدر و المرآة d . فى لحظة ما أطلق نبضة ضوئية (الحدث 1 )
باتجاه المرآة فانعكست و عادت إليه مرة أخرى ، وصولها إلى المصدر مرة أخرى
هو الحدث 2 .الزمن بين الحدثين بالنسبة لO` يسمى الزمن التام (الزمن التام
يقيسه مشاهد بين حدثين وقعا فى نفس النقطة فى مناط إسناده) و الزمن هنا هو
المسافة الكلية على سرعة الشعاع و يساوى

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

لنرى نفس الأحداث من وجهة نظر O .
بالنسبة لO تتحرك العربة و ما داخلها بسرعة V وبذلك فعند وصول الضوء للمرآة
تكون قد تحركت مسافة V t/2 حيث t هو الوقت الذى يستغرقه الضوء للوصول
للمرآة ثم العودة مرة أخرى للمصدر بالنسبة لO . لاحظ أن O سيرى الضوء يصنع
زاوية ما لكى يصل للمرآة و يعود و من الواضح هنا أن المسافة التى يسيرها
الشعاع فى نظر O أكبر و نظرا لأن الضوء يتحرك نفس السرعة فمن الواضح أن O
سيقيس زمن أطول بين الحدثين . (لاحظ هنا أنه لا يعرف أى منهما إن كان يتحرك
أو لا ) لو أن O شاهد نفس التجربة و العربة ساكنة لقاس نفس الفارق الذى
قاسه O` و لكن لأنه رآها تتحرك فقد وجد أن الفارق أطول و بذلك نصل إلى أن
المشاهد يرى الساعات المتحركة تسير أبطأ من ساعته. فلو اعتبرنا أن الضوء
يستغرق ثانية فى هذه الرحلة و هم يستخدمون هذه الأجهزة كساعات فلو أن O معه
جهاز مماثل على الأرض فسيرى الضوء يقطع الرحلة فى زمن أقصر مما يقطعه فى
القطار و بذلك فسيجد ساعته الضوءية تسير أسرع من الساعة التى فى القطار .
بإمكاننا استنتاج العلاقة بين الزمنين باستخدام المثلث الموضح فى الصورة.
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

_______

حلقة السادسة
النسبية
الخاصة 2

حتى الآن قمنا بتغطية جزء جيد و
لكن ما زال هناك الكثير أمامنا . فى المرة السابقة تعرضنا لأحد أغرب نتائج
النسبية و هى تمدد الزمن و لقد أثبتنا ذلك و توصلنا للعلاقة التى تربط
الزمن التام بالزمن الذى يقيسه المشاهد الأخر.

أنا أريد أن أقول
شيئا . كلما نصل لنتيجة و نضع اثباتها أريدكم أن تتفكروا لماذا لم يتوصل
نيوتن لهذه النتائج،
بالتأكيد لم يكن نيوتن غبيا أو سيئا بل كان عبقريا
.

و لقد حاولت أن أوضح فى كل نتيجة لماذا لم تتوصل الميكانيكا
الكلاسيكية لها . يعنى فى نسبية التزامن أكيد كل الناس كانت ملاحظة أن
الاشارات ستصل فى وقت مختلف بالنسبة لكل مشاهد و لكن لماذا لم تتوصل إلى
نسبية التزامن ، هذا ما أقصده . و لقد وضحت ذلك فى شرح نسبية التزامن.

الاثبات التجريبى لتمدد الزمن

كم يبدو تمدد
الزمن غريبا فعلا و ليس من السهل أن تقبله و لكن ماذا لو أخبرتك أنه لحسن
الحظ يوجد إثبات تجريبى قاطع لهذه الظاهرة .
يوجد نوع من الجزيئات يسمى
الميون . فى هذه التجربة سنضع أرقاما افتراضية خاطئة لأن الأرقام الحقيقية
صعبة فعلا .
المهم أن حياة الميون مثلا 4 ثوانى . و بذلك فسيتحلل بعد 4
ثوانى . لنقل الأن أن سرعته 0.6 c و كما ذكرنا فـc هى سرعة الضوء . أطلقنا
أحد هذه الميونات الأن ، إذن ما هى المسافة التى سيقطعها هذا الميون قبل أن
يتحلل؟؟

يمكننا حساب ذلك ببساطة فالمسافة هى ناتج ضرب السرعة فى
الزمن و سنقول أن الميون سيقطع مسافة 2.4 c متر . أى 720000 كيلومتر .

حسنا
الأن سنجرى التجربة . ماذا وجدنا فعلا ؟؟ ما المسافة التى قطعها الميون
فعلا ؟؟
ما وجدناه أن الميون قطع 900000 كيلومتر (3 c ) . ما معنى هذا
يا ترى ؟ نحن متأكدين من سرعة الميون و نقيسها فعلا كذلك إذن فكما يبدو أن
الميون قد عاش أطول لو حسبناها سيبدو كما لو أن الميون قد عاش 5 ثوانى.
المفاجأة
إنه يتفق تماما مع تنبؤ المعادلة فالميون يقيس الزمن التام لحياته فهو بدأ
و انتهى فى نفس النقطة (لأنه ثابت فى مناط اسناده) و كذلك سيبدو كما لو
كان زمنه تباطأ فى مناطنا بنفس النسبة التى قالتها النسبية تماما.
و لكن
مهلا ، أليس هنا من يفكر قليلا . هناك سؤال لا بد من طرحه هنا و هو واضح
تماما . ماذا عن الميون نفسه؟؟ ببساطة الميون لا يدرى أنه يتحرك بل هو يقول
أنه ثابت و بذلك فهو ما زال يقيس حياته 4 ثوانى كيف إذن سيفسر اجتيازه
لهذه المسافة الطويلة ؟؟
سؤال قوى فعلا و لكن كما يمكنك أن تخمن هناك
حتما رد قوى و تفسير ممتاز سنذكره بعد قليل .

مفارقة
التوائم

الأن سنذكر واحدة من أهم التجارب النظرية التى أيضا
ستختبر ظاهرة تمدد الزمن .
تخيل أن لدينا توأمين هما أحمد و محمد ،
محمد شخص مغامر يحب السفر للفضاء و قرر أن يذهب فى رحلة فضائية فى خط
مستقيم ثم يلف و يعود للأرض مرة أخرى . ودع الأخوين أحدهما الأخر و هما فى
نفس السن بالضبط . انطلق محمد على متن الصاروخ . الأن عند عودته ماذا سيرى
كلاهما ؟

أحمد ثابت على الأرض و بذلك يرى زمن محمد يتباطأ و بينما
تمر سنين كثيرة على أحمد فهو يرى أن محمد لم يكبر كثيرا و بذلك فسيستنتج
ببساطة أنه عند العودة سيكون محمد شابا بينما هو نفسه سيكون قد أصبح عجوزا و
لا يوجد اعتراض فعلا على كلامه .

و لكن محمد ثابت فى مناط اسناده و
يرى أحمد (فى الأرض) يذهب مبتعدا عنه و بذلك فإنه سيرى زمن أحمد يتباطأ
فالنسبية لا تفضل أى شخص على الأخر فالكل على حق طالما أن مناط اسناده
قصوريا . إذن ماذا سيحدث حقا عند العودة من سيصبح كلامه صحيحا .
هنا
علينا أن ننتبه إلى شيء ما . محمد عليه أن يبطئ صاروخه فى نهاية الطريق ثم
يلتف و يتسارع مرة أخرى فى اتجاه الأرض حسنا فمحمد سوف يغير سرعته و اتجاهه
و بذلك فمناطه ليس قصوريا أبدا و لا يحق له أن يستخدم النسبية الخاصة
للتنبؤ بما سيراه و بذلك فإنه عند العودة سيكون محمد شابا بينما يكون أحمد
عجوزا .
لنتحاشى هذا التغير فى السرعة دعونا نقل أن محمد سيغير اتجاهه
فى الأن بلا تباطؤ أو تسارع أى أنه سيعكس اتجاهه فى لا زمن (مستحيل نظريا و
عمليا) فى هذه الحالة فإنه سيحدث الأتى .
أثناء رحلة الذهاب سيرى محمد
زمن الأرض يسير ببطء
أثناء القفز من مناط إسناد قصورى إلى أخر سوف يرى
زمن الأرض يقفز قفزة هائلة للأمام
أثناء العودة سيرى زمن الأرض يسير
ببطء و لكن بسبب القفزة التى قفزها زمن الأرض عندما كان يغير اتجاهه فإنه
سيجد أخيه أحمد أكبر منه سنا .
السبب فى قفزة الزمن ببساطة هو قفزة محمد
من مناط إسناد إلى أخر مما أدى إلى تغير النقطة التى يتزامن معها محمد
(نسبية التزامن ) . لو لم تفهم سبب القفزة جيدا فلا تحزن و لا تحاول فهمها
كثيرا فإن فهمها سيصبح سهلا جدا بعد شرح رسوم الزمكان فى الحلقات القادمة .

إنكماش الطول

سنأتى الأن لنتيجة أخرى و هى أن
طول الأشياء ليس ثابتا بالنسبة لكل المناطات و المشاهدين ، لماذا؟
فى
الواقع لكى نعرف لماذا و قبل أن أبدأ فى سرد الحسابات لنسأل أنفسنا سؤالا و
هو : كيف نقيس الطول ؟

تعلمنا فى السابق كيف نصف الأحداث باحداثيات
المكان و الزمان . لو كان لدينا قطارا يتحرك مبتعدا عنا على محور السينات
فنحن نقيس طوله بتحديد موقع المقدمة و موقع المؤخرة ثم نطرحهم من بعضهم و
نصل لطول القطار (لو المقدمة عند س = 5 و المؤخرة عند س=2 يصبح طول القطار 3
وحدات ) . إذن يبدو أننا يجب أن نعرف موقع المقدمة و المؤخرة فى [b]نفس
الوقت أى أننا لن نقيس موقع المؤخرة ثم ننتظر حتى
يبتعد القطار ثم نقيس موقع المقدمة ثم نطرحهم و نحصل على طول القطار . و
لكن هل لاحظ أحدكم المشكلة ؟ المشكلة هى أن كلمة (فى نفس الوقت ) لا معنى
لها أى أن المشاهدين المختلفين سيروا مقاسات مختلفة.

الان لنقوم
بتعريف الطول التام ، المشاهد الذى يقيس طول الجسم التام هو المشاهد الساكن
بالنسبة للجسم
(تذكر تعريف الزمن التام) فى أغلب الأحيان المشاهد الذى
يقيس الزمن التام لا يقيس الطول التام و هذا ليس دائما .

لنقل أن
هناك مشاهد ساكن على الأرض يقيس المسافة بين نجمين ساكنان بالنسبة للأرض . و
هناك مشاهد يركب صاروخا و يسير من النجم الأول باتجاه النجم الثانى .
السرعة النسبية بين المسافر و الساكن هى V كلاهما يتفق عليها . الزمن
اللازم للصاروخ لكى يذهب من النجم الأول للثانى بالنسبة للأرض هى المسافة
(التامة ) بين النجمين مقسومة على السرعة النسبية V .
التقاء المسافر
بالنجم الأول و الثانى يحدثان فى نفس النقطة (عند الصاروخ) بالنسبة للمسافر
و بذلك فهو يقيس الزمن التام بين الحدثين و بسبب ظاهرة تمدد الزمن فإن
الزمن الذى يقيسه الساكن (عدد ثوانى أكثر) يرتبط بالزمن التام الذى يقيسه
المتحرك بالعلاقة السابق ذكرها . و على هذا سيرى المسافر أن طول المسافة L
كالآتى

تكبير
الصورة تصغير
الصورة
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

هكذا نرى أن الجسم ينكمش طوله
عندما يتحرك بالنسبة للمشاهد فقد انكمشت المسافة بين النجمين بالنسبة
للمسافر لأن المسافة تتحرك بالنسبة له .
دعونا نعود إلى تجربة الميونات
الأن فالميون كان يقيس الزمن التام لحياته بينما الأرض تقيس المسافة
التامة بين الحدثين . من الواضح أن هناك تفسير جيد للميون . فقد كان سؤالنا
هو كيف سيفسر الميون قطعه لهذه المسافة الكبيرة التى قاسها الأرضيون رغم
أنه مازال يرى زمن حياته كما هو . فى الواقع فإنه نتيجة انكماش الطول فإنه
لن يرى الطول الذى قاسه الأرضيون بل سيراه أقصر ، نعم سيراه كما توقعه
بالضبط و لا شيء غريب يحدث .

تذكروا دائما أن تمدد الزمن و انكماش
الطول هى ظواهر متابدلة . لا يوجد مشاهد أفضل من الأخر. قد يؤدى هذا إلى
عرقلتكم قليلا و لكننا سنوضحه جيدا فى الحلقات القادمة

القطار و النفق

أحد التجارب التى تثار دائما
حول انكماش الطول هى تجربة القطار و النفق ذو البابين

تخيل أن
قطارا طوله 10 أمتار و نفق طوله 9 أمتار . يسير القطار بسرعة 0.6 c . لدى
النفق باب فى المقدمة و باب فى المؤخرة . يوجد مشاهد ساكن بالنسبة للنفق
يستطيع بضغطة زر أن يغلق بابى النفق و يفتحهما معا .
هذا الساكن يرى
القطار ينكمش طوله بحيث يصبح 8 متر . و بذلك فسيقوم بعمل شيئ طريف فعندما
يدخل القطار بالكامل داخل النفق سيقوم بغلق البابين و فتحهما فورا و بذلك
يكون قد أمسك بالقطار لحظيا داخل النفق (القطار لم يتوقف طبعا) . يمكنه فعل
ذلك فالقطار طوله 8 متر بينما النفق طوله 9 متر .
ما رأيك هل هذا ممكن ؟
تصور
، إن هذا ممكن حقا . أتخيل الأن سماع صيحاتكم تهتفون " ما هذا ماذا عن
مناط القطار ، إنه سيرى النفق أقصر" . هذا صحيح فالقطار يرى طوله كما هو 10
متر بينما يرى طول النفق و قد أصبح 7.1 متر. كيف سيصبح بأكمله داخل النفق ؟

فى الواقع هو لن يصبح بأكمله داخل النفق أبدا و لكن اللعبة هنا هى
نسبية التزامن فلقد غفلتم أن البابين متزامنان فى المناط الساكن فقط بينما
فى مناط القطار فإن الباب الأمامى سيغلق و يفتح ثم يغلق الباب الخلفى و
يفتح بعده . أى عند دخول القطار النفق و عندما يقترب من المقدمة سيرى الباب
الأمامى يغلق ثم يفتح فتخرج مقدمة القطار من النفق ثم عندما تدخل مؤخرة
القطار النفق سيغلق الباب الخلفى ثم يفتح بعد ذلك . (شرح مختلف و لكن نفس
النتيجة ) الساكن يمكنه فعلها بينما لا يتحطم القطار كلاهما يتفق على ذلك .

هكذا
انتهينا من سرد أهم نتائج النسبية الخاصة و لكن ما زال هناك أشياء عديدة
سنتطرق إليها المرات القادمة إن شاء الله

الحلقة السابعة
الزمكان فى النسبية
الخاصة
(نظرة عامة)

فى الواقع
فى النسبية لم يعد الزمان منفصلا عن المكان أبدا بل أصبح الزمان هو البعد
الرابع بعد أبعاد المكان الثلاثة . و بذلك فقد أصبح تصورنا للكون الذى نعيش
فيه هو أنه متصل رباعى الأبعاد يسمى الزمكان .

علينا أولا أن نعرف
أنه عندما نرسم الزمكان و نتعامل معه هندسيا فإننا لن نرسمه رباعى الأبعاد –
حتى فى أرقى الجامعات لا تتوافر صبورة رباعية الأبعاد – بل أنه اقصى ما
يمكننا رسمه هو زمكان يتكون من بعدين مكانيين و بعد زمانى . فى الواقع من
أجل التبسيط فسنتعامل مع عالم يتكون من بعد مكانى واحد و بعد زمانى . بينما
تكون الأحداث فيه على شكل نقاط لكل منها إحداثيين واحد مكانى و الأخر
زمانى .

حسنا و هكذا سيكون الخط العرضى هو x بينما الخط الطولى هو C
t و هذه القيمة هى الزمن مضروب فى ثابت و هو سرعة الضوء هنا أما عن لماذا
لم نجعله الزمن فقط و ضربناه فى سرعة الضوء فلا داعى للخوض فى هذا الموضوع
الأن على العموم المهم فى الرسم البيانى هو مقياس الرسم و طالما ضربنا
الأرقام كلها فى نفس الرقم الثابت فهذا لا يضر بصحة الرسم

خط السير

الأن لكل كائن أو نقطة فى هذا العالم
خط سير او world line هذا الخط يحدد سيرها فى الزمكان . فمثلا المشاهد
الثابت فى مكانه سيكون خط سيره موازيا للخط الطولى أى أنه يسير فى الزمن
فقط بلا تحركه فى المكان ( لا تنسى أن كل مشاهد ثابت فى مناط اسناده ) الأن
لو أنه هناك مشاهد بدأ يتحرك مبتعدا عن المشاهد الثابت فى اتجاه اليمين
فكيف سيكون خط سيره فى مناط اسناد الثابت ؟ و ماذا لو تحرك فى اتجاه اليسار
؟ سيكون كما فى الرسم

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

الخط الأحمر يوضح خط سير المشاهد
المتحرك لليمين ، و الأزرق يوضح خط سير المشاهد المتجه لليسار بينما الأسود
الطولى هو خط سير المشاهد الثابت . لو لاحظتم ذلك فإنه كلما زادت سرعة
الجسم كلما قطع مسافة أطول فى زمن أقل مما يعنى أن خط سيره سينحرف مبتعدا
أكثر عن الخط الطولى حتى يصل الأمر إلى سرعة الضوء .
فالخط الأصفر يوضح
خط سير سرعة الضوء الذي يصنع زاوية 45 درجة مع الخط الطولى . تذكر أنه لا
يمكن لجسم ما تجاوز سرعة الضوء أبدا أو حتى الوصول إليها . الخط الأحمر على
اليمين هو خط سير مشاهد أخر أو جسم أخر انطلق بنفس سرعة المشاهد المسافر
لليمين و فى نفس اتجاهه لكنه ابتدأ من نقطة بعيدة فى المكان . و بما أن له
نفس السرعة فإنه ببساطة موازى للخط الأحمر الأول

بهذا نكون انتهينا
من الخط الأول المهم و هو خط السير. تذكر أن كل مشاهد ثابت فى مناط اسناده و
حتى الأن نحن لم نقدم شكل مناط اسناد المشاهد المتحرك الذى نرسمه .

البعد المكانى

الأن لكى تكتمل الصورة لا بد من
تعريف الخط العرضى الذى نرسمه متعامدا على الإحداثى الزمنى . ببساطة هذا
الخط هو الإحداثى المكانى أو مقياس المسافة . فى النفس الوقت يوجد وظيفة
أخرى هامة لهذا الخط و هو أن جميع النقاط التى تقع على نفس الخط العرضى
تحدث فى نفس الزمن أى متزامنة . يتضح الأن أنه لا بد أن يكون هناك خط عرضى
مختلف فى مناطات الاسناد المختلفة و إلا فقدنا نسبية التزامن و هى النتيجة
الأساسية للنسية الخاصة .

الأن و بدون اثباتات رياضية أو ما شابه
فإن الخط العرضى للمشاهد المتحرك فى اتجاه اليمين أو فى اتجاه اليسار يتم
رسمه كالأتى

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

واضح أن الخط العرضى ينحرف عن الخط
العرضى للمشاهد الثابت بزاوية مساوية تماما للتى ينحرف بها الخط الطولى
للمشاهد المتحرك عن الخط الطولى للمشاهد الساكن . و هكذا نكون قد رسمنا
الزمكان بطريقة لا بأس بها واضح أنه بالنسبة للضوء ينطبق الخطين على بعضهما
.

من الرسم السابق يتضح لنا أول شيئ يقدمه رسم الزمكان و هو أنه
يعطى تخيلا جيدا عن ثبات سرعة الضوء فواضح أن النسبة ما بين الزاوية التى
يصنعها خط سير الضوء مع الخط العرضى و الزاوية التى يصنعها مع الخط الطولى
ثابتة لكل المشاهدين.
و الآن لنستعرض بعض الأشياء التى يساعد رسم
الزمكان فى فهمها

تفسير الزمكان لانكماش الطول

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

هذا الرسم يوضح ببساطة تأثير نسبية
التزامن على قياس الطول كما شرحنا سابقا .

تفسير
الزمكان لتمدد الزمن

الآن سنأتى إلى واحدة من أهم النقاط
الا و هى تمدد الزمن الذى وعدت بشرحه مرة أخرى فى صور جديدة .
و لنبدأ
كلامنا بتجربة نظرية

لنقل أنك تسير بسرعة عالية منتظمة و عندما
مررت بجانبى بدأ كلانا فى تشغيل ساعته . اعتبر أن سرعتك كانت تحدث تباطؤا
فى الزمن بمقدار معين ألا و هو النصف أى أننى سأرى ساعتك دائما تقرأ نصف
الوقت الذى تقرأه ساعتى .
هب أنه يمكننا أن نرى ساعات بعضنا البعض بأى
وسيلة . الأن بعدما مرت ساعة على ساعتى (ساعتى تقرأ 60:00 ) سوف أنظر إلى
ساعتك فلا بد و تبعا للنسبية أن أراها تقرأ 30:00 و لكن عندما تقرأ ساعتك
هذه القرأة ستنظر أنت على ساعتى فمن المفروض تبعا للنسبية أن ترى ساعتى
تقرأ 15:00 ، تعارض!!. السؤال هو عندما تقرأ ساعتك 30:00 فهل تقرأ ساعتى
60:00 كما أقول أنا أم تقرأ 15:00 كما تقول أنت ؟ ما هى قراءة ساعتى فعلا
؟!
ها قد ظهرنا بتحديا جيدا للنسبية و إذا فشلت فى تفسيره فستسقط
النسبية فورا . لا بد انك تعتقد بوجود طريقة ما هنا للخروج من هذه الورطة .
فعلا هناك شرح منطقى جدا و هو أنه لا يوجد أى تعارض فعندما تقول ساعتك 30
دقيقة فإن ساعتى تقول 60 فى مناطى بينما تقول 15 فى مناطك . اللعبة هى
نسبية التزامن ففى مناطى يتزامن حدث قول ساعتك 30 دقيقة مع حدث قول ساعتى
60 دقيقة بينما فى مناطك فإن الحدث متزامن مع قول ساعتى
15 دقيقة . و
دعونا نتأمل هذا الرسم الجيد فعلا .

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

هل رأيتم كيف يكون تمدد الزمن متبادلا . لعلكم
لاحظتم شيئا غير مرضى فى الرسم . عندما قارن المشاهد الساكن قراءات الساعات
فى المرة الولى رسم خطا عرضيا ليعرف ما هى قراءة ساعة المسافر الآن فى
مناطه . و لكنه وجدها أقل منه . الشيئ غير المرضى هو أن طول الخط الطولى
للمسافر من الأصل حتى هذه النقطة أطول من طول الخط الطولى للساكن (لأنه خط
مائل) فكيف يكون قيمة وقت المسافر أقل إذن . حسنا إنها إضافة منكوفسكى
الجبارة هى التى جعلت من الخط المتعرج أطول من الخط المستقيم عكس ما تعودنا
دائما . أما ما هى هذه الإضافة فسنتكلم عنها لاحقا بعد شرح تحويلات لورنتز
.

مفارقة التوائم فى الزمكان

بالطبع
تمدد الزمن كما قلنا هو أعقد النقط من حيث التخيل . و ما زال هناك الكثير
من التجارب النظرية لشرح هذه الظاهرة جيدا . و لكن لنعد إلى مفارقة التوائم
فى
مفارقة التوائم ، لماذا يظل الأخ المسافر شابا بينما يشيب الأرضى ، ألا
ينبغى أن يحدث العكس من
وجهة نظر المسافر ؟؟؟؟ مع العلم ان النسبية لا
تفضل أى مشاهد على الأخر
الإجابة على هذا السؤال بسيطة جدا و لا تشكل
أى تعارض للنسبية.
عندما ينطلق أحد الأخوين و ليكن أ و يبقى ب على الأرض
. طوال رحلة أ ، سيرى ب أن وقت أ يسير ببطء و أنه عندما يعود سيكون أ أكثر
شبابا .
من وجهة نظر أ ، ب هو الذى يتحرك و بذلك يجب أن يكون ب أكثر
شبابا عند العودة.
سنرى أن وجهة نظر ب هى التى ستحدث و ذلك لانه لكى
يعود أ عليه أن يغير سرعته ليتباطأ ثم يلتف ثم يتسارع مرة أخرى و بذلك هو
خارج حسابات النسبية الخاصة لأن مناط إسناده ليس قصورى .
و لكن دعنا
نتفادى هذه النقطة و نقول أن أ قفز فجأة من سرعته (س) إلى (-س) بلا تباطؤ
أو تسارع.
فى هذه الحالة لا يمكن ل أ ان يدعى أنه مازال ساكنا لأنه سيجد
الأشياء معه فى السفينة تغيرت حالتها كما تفرمل السيارة فجأة.
سيرى أ
فى هذه اللحظة زمن الأرض يقفز قفزة كبيرة و هذا بسبب أن فى مناط إسناد أ
القديم كانت نقطة التفافه متزامنة مع نقطة ما حيث أخوه مازال شابا و لكن فى
مناط إسناده الجديد تتزامن نقطة التفافه مع نقطة ما حيث أخوه عجوز. و هذا
راجع لنسبية التزامن.
و كلما التف على بعد أكبر كانت القفزة فى زمن
الأرض أكبر و بذلك مهما تباطأ زمن الأرض بالنسبة لـ أ فى رحلة الذهاب و
العودة فإن القفزة فى زمن الأرض كافية لتحقيق تنبؤ النسبية الخاصة.

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة][right]
__________________
___________

موسوعه فيزيائيه

موسوعه فيزيائيه

مواضيع مماثلة

مواضيع مماثلة