الكثلة والطاقة في نسبية آينشتاين

سمير المجدوب

الحوار المتمدن-العدد: 4058 - 2013 / 4 / 10 - 06:14
المحور: العمل المشترك بين القوى اليسارية والعلمانية والديمقرطية
    

طـرح انتشـتاين فكرة الحركة النسبية باعتبارها مبدأ مهما في نظريته النسبية، وافترض أن قوانين الطبيعة ينبغي أن تكون متماثلة لكل المشاهدين الذين يتحركون بحرية. هذا الفرض يعتبر أساسا لنظرية النسبية، وقد أدى هذا الأخير إلى تدمير المطلقات التي كانت سائدة في القرن التاسع عشر: "السكون الذي يمثله الأثير، والزمان المطلق التي تقيسه الساعات كلها، مما يطرح الإشكالية التالية، هل كل شيء نسبي ؟ هل توجد قيم أخلاقية مطلقة؟ "
لقد صرح ستيفن هوكـينغ، أن نسبية انشتاين عن الزمان والحركة، آلت إلى نتائج، هي أن الزمـان مقدار متغير يتوقف على المجموعة التي يشتق بها، وأن كل زمن له مرجـع هو حركـة الجسـم وحركة المجموعة التي يستنبط منها أساس تقويمه الزمني. معنى ذلك أن الزمان يتغير بتغير حركة المرجع أي بحركة الجسم. فإذا تغيرت حركة الجسم، تغير بذلك زمنه، وبما أن الحد الأقصى لحركة الجسم هو سرعة الضوء، فإنه لا يمكن لأي جسم أن يتحرك بسرعة الضوء.

من هنا يمكن القول أن الطاقة التي يستخدمها الإنسان ليسرع من حركة أي جسم، سواء كان طائرة أو سفينة فضاء، تزيد من كتلة ذلك الجسم. وفي هذا الوضع سيكون من المستحيل تعجيل سرعة جسم إلى سرعة الضوء، لأن ذلك سيتطلب كمية لا متناهية من الطاقة، وبالتالي لن يستطيع الجسم تحمل سرعة الضوء خصوصا عندما نتحدث عن الإنسان، فالإنسان لا يتوفر على طاقة كتلك التي تكون مماثلة لسرعة الضوء، "علما بأن المعادلة التاليةmc ) = E ) التي صاغها آينشتاين، آلت إلى نتائج، وكان من بينها إدراك أنه إذا انشطرت نواة ذرة اليورانيوم إلى نواتين لمها كتلة إجمالية أقل هونا، فإن هذا سيطلق كمية هائلة من الطاقة عندما لاح في الأفق في 1939 أن هناك توقعا لنشوب حرب عالمية أخرى. "
يفهم من هذا القول أن المعادلة التي قدمها آينشتاين للعلاقة بين الكتلة والطاقة، كانت الأساس التي صنعت عليه القنبلة الذرية، وقد تم ذلك في سياق " مشروع مانهاتن". ( لقد استخدم الأمريكيون هذا السلاح لإنهاء الحـرب العالمية الثانية بإلقائها قنبلتين ذريتين على مدينتي هيروشيما وناكازاكي اليابانيتين، فشعر انشـتاين بالذنب، ويظهر ذلك في ترديده هذا القول " إن القوة بلا لحمة، لاقيمة لها " . ولعل إحساسه بالذنب هو ما جعله يندر لتسخير الطاقـة الذرية لخدمة السلم في العالم ).

"لقد اثبتت التجارب أن الـقدائف المشعة التي تطلقها مادة الراديو واليورانيوم (وهي دقائق مـادية متناهية في الصغر تنطلق بسرعة قريبة من سرعة الضوء، تزداد كتلتها مما يتفق مع حسابات آينشتاين)، وخطا انشتاين خطوة أخرى في تفكيره النظري قائلا: إنه مادام الجسم يكتسب مزيدا من الكتلة حينما يكتسـب مزيدا من الحركة، وبما أن الحركة شكل من أشكال الطاقة. فإن معنـى هذا أن الجسم حينما يكتسـب طاقة، يكتسب نفس الوقت كتلة، أي أن الطـاقة يمكن أن تتحول إلى كتلة والكتلة أن تتحول إلى طاقة. "
من العلوم أن الكتلة مقدار ثابت، إنها لا تتأثر بحركة الجسم أو بسكونه، فهي صفة جوهرية فـيه، ولكن انشتاين الذي قلب المطـلقات، أثبت أن الكتلة نسبية مثل الزمان والمكان، وأنـها مقدار متغير، تتغير بحـركة الجسم، فكلما ازدادت سـرعة الجســم كلما ازدادت كتلته، والملاحظ من ذلك أن هناك فروق في تظهر لنا في السرعة، حيث نجد السرع الصغيرة التي تفوتنا ولا يمكننا ملاحظتها، والسرع العالية التي تقترب من سرعة الضوء، فإذا كانت سرعة الجسم متماثلة مع سرعة الضوء ، فإن كتلته تصبح لانهائية، بالتالي حركته تصير لانهائية، وبالتالي ستتوقف،وهذه الفرضية مستحيلة ، كما أشرنا سابقا، لأنه لا يمكن لأي جسم أن يتحرك بسرعة الضوء.إذا عدنا إلى معادلة آينشتاين ، وأردنا أن نحسب كتلة الجسم، فسنجد أن الطاقة المحصل من كتلة معينة، تساوي حاصل ضرب هذه الكتلة بالجرام في مربع سرعة الضوء بالسنتيمتر ثانية، لكن إذا أردنا أن نحسب كمية الكتلة المتحصلة من تركيز قيمة الطاقة، فإن المعادلة تكون أن الكتلة تساوي الطاقة مقسومة على سرعة الضوء بالسنتيمتر ثانية.
"وأوغل آينشتاين في استنتاجاته الخاصة لنسبية الكتلة واستخرج منها كل ممكناتها، فوصل إلى نتيجة لا تقدر قيمتها، قال : لما كانت كتلة الجسم تتزايد بزيادة حركته، ولما كانت الحركة صورة من صور الطاقة ( طاقة حركية )، فالكتلة المتزايدة للجسم المتحركة هي إذن طاقته المتزايدة. وكلمة واحدة : الطاقة هي كتلة. "
إن الطرح العلمي للعلاقة بين للكتلة والطاقة، كان من بين النتائج المهمة للنسبية، وعلى هذا الأساس كانت قوانين النظرية النسبية، هي الأنمودج الأمثل على ما يمكن تحقيقه في تلك العلاقة بالنسبة لفزياء آينشتاين ويمكن عرضها في خمس قوانين :
- في القانون الأول للنسبية الخاصة تنكمش الأجسام في اتجاه حركتها، فعندما يتحرك الجسم في اتجاه طوله، فإن طول الجسم ينكمش، وهذا القانون يحدد مقدار انكماش الجسم بالنسبة لسرعته، أي كلما ازدادت سرعة الجسم كلما ازداد انكماشا ، حتى إذا قتربت السرعة من سرعة الضوء، وبالتالي سيستحيل تجاوز سرعة الجسم لسرعة الضوء.
- القانون التاني، ينص على أن كتلة الجسم، الجسم، تزداد بازدياد سرعته. فإذا وصـلت سرعتـه الجسم إلى سـرعة الـضوء، أصبحت كتلته لانهائية. لذلك كانت سرعة الضوء أقصى سرعة ممكنة، وبالتالي لا يمكن أن يتحرك أي شيء بسرعة الضوء، لأنه ينكمش حتى يتلاشى فتزداد كتلته حتى تصبح لانهائية.
لقد كانت الكتلة في الفزياء الكلاسيكية تابثة لاتتغير سواء أكانت ساكنة أم متحركة، لكن النسبية الآن تقول أن الكتلة مقدار متغير، أي أنها تتغير بالحركة فتزداد بازدياد السرعة، فمن العبث البحث عن هذا التغير في الكتلة، لأن الكتلة ضخمة والسرع بطيئة نسبيا. لذلك فالتغير في الكتلة سيكون ضئيلا للغاية.
إن السيارة التي تسير بسرعة 50 ميلا في الساعة ينكمش طولها، لكن بمقدار قطر نواة الذرة، وكذا الأمر بالنسبة للطائرة النفاثة التي تسير بسرعة 600 ميلا في الساعة، تنكمش بمقدار قطر الذرة كذلك، لكن "حينما ندرس جسيمات أشعة "بيتا" مثلا، أو جسيمات الذرة في دورنها حول النواة، فنحن إزاء كتل متناهية وتتحرك بسرعة يمكن مقارنتها بسرعة الضوء، لذلك فالتغير الناجم كبير.

لقد أمكن إخضاع قانوانين النسبية خصوصا عندما نتحدث ع القانون الأول والثاني للإختبار التجريبي، خصوصا بعد اختراع المعجل النووي الذي يستطيع الإسراع بحركة الجسم الذري، ففي سنة 1952 أعلن المختبر الوطني في بروكهافن أنه استطاع أن يسارع البروتون في نواة ذرة الهيدروجين، حتى وصلت سرعته 177 ميل في الثانية، أي حوالي 95 في المئة من سرعة الضوء. ونتيجة لذلك، فإن كتلة البروتون زادت ثلاثة أضعاف، وفي يونيو 1952 أعلن معهد التكنولوجيا في كاليفورنيا أنه استطاع أن يسارع بالإلكترون حتى وصل به إلى سرعة تقل عن سرعة الضوء بعشر ميل في الثانية أي 9999999. من سرعة الضوء فزادت كتلة الإلكترون حوالي 900 مرة. "
- أما القانون الثالث، فهو منغلق بمجموع السرع مثل حساب السرعة النسبية لجسمين يتحركان بالنسبة لبعضعها في اتجاه معاكس، فينص على أن حاصل مجموع السرعتين تحكمها معادلة تدخل في سرعة الضوء كثابت أساسي.
- والقانون الرابع، فينص على أن الطاقة = الكتلة ×مربع سرعة الضوء. وهذا القانون كان من أهم النتائج التي آلت إليه النظرية النسبية الخاصة. قبل هذا الطرح كان هذا القانون يفصل بين الكتلة والطاقة، أي مستقلين عن بعضهما، لكنهما أصبحا شيئا واحدا عن طريق النظرية النسبية.
- أما القانون الخامس، وفيه يتباطأ الزمن تبعا للسرعة، لذلك فو يختلف باختلاف السرعة ، وبهذا ينهار الزمن الموضوعي المطلق في الفيزياء الكلاسيكية الذي يتدفق بمعدل واحد بالنسبة للجميع من مطلق الماضي إلى مطلق المستقبل.

لا شك أن معادلة آينشتاين الممثلة في القانون الرابع، تجيبنا عن السؤال الذي غلغل في أذهان العلماء : هل للعالم قديم؟ وما السر في قدمه ؟
السر في أن ذلك العدد الكبير من النجوم، مضت علية آماد طويلة من ملايين السنين، ولازال مضيئا يشع حرارة ونورا، ولم تظهر عليه علامات القدم والفناء، ويفهم من ذلك، أن احتراق النجوم ليس كاحتراق الكبريت مثلا، لأن احتراق الكبريت يتم بطريقة كيميائية، ناتجة عن تفاعل عناصر الإحتراق، أي اتحاد الكبريت بالأوكسجين واتحاد الكربون بالأوكسجين. في حين أن احتراق النجوم والشمس هو احتراق فناء، إنه احتراق نووي بطيئ جدا، فالنجوم تفقد كل يوم شيئا قليلا جدا من مادتها، تلك المادة تملأ الفضاء بعدد كبير من الطاقة، وهذا هو سر عمر النجوم الأزلي.

إتخدت نظرية الكثلة والطاقة في نسبية آينشتاين، منحى خطيرا، فقد اقتحمت معادلته البسيطة، عالم الإنسان، فكانت بداية فتح رهيب في عالم الطاقة. يقول الأستاد محمد مصطفى في حديثه عن الكتلة : " لقد سلم آينشتاين مفاتيح جهنم للعلماء وللساسة المخبولين، وللمجانين من هواة الحروب، بهذه المعادلة البسيطة، وأصبح ممكنا بالحساب والأرقام معرفة كمية المادة اللازمة لنسف دولة وإفناء شعب، وهي في العادة قليل من جرامات اليورانيوم والماء الثقيل والكوبالت، أقل مما يملأ قبضة يد، وانفتح في نفس الوقت باب لبحوث الفضاء، وأصبح السفر في صواريخ هائلة تنطلق بسرعة هائلة خارقة وتخرج من جاذبية الأرض. ممكنا نتيجة اختراع صنوف جديدة من الوقود الذري. "

وظلت نظرية النسبية بعد ذلك تعطي كثيراً من الدلالات والتفسيرات على حركة أجرام الكون، وعلى حركة الجسيمات داخل الذرة، وعلى الربط بين ميكانيكا الكم والجاذبية، إلى جاء ستيفن هوكينغ ليكمل مشوار العالم آلبرت آينشتاين، لمعرفة المزيد من أسرار الكون. يعدّ ستيفن هوكينغ ثالث أكبر فيزيائي مرّ على الوجود بعد نيوتن وأينشتاين، وقد أنتجت عنه عشرات المقالات والكتب والأفلام؛ تعرّف به وبنظرياته كـالانفجار العظيم، أو الخبطة العشواء، ومقابر النجوم، والكون الفتي، وغيرها من الأعمال التي عمقت نظرة الإنسان إلى الكون. لقد بحث ستيفن هوكينغ بالطريقة الرياضية وعبر نظرية النسبية العامة لأينشتاين أثبت أن الثقوب السوداء أو النجوم المنهارة بالجاذبية هي حالة تفردية في الكون "أي أنها حدث له نقطة بداية في الزمن، أي أن النسبية العامة هي في ذاتها تتنبأ بأن المكان- الزمان يبدأ عند مفردة الإنفجار العظيم. طبَّق نظرية أينشتاين العامة الخاصة بالنسبية على مبادئ ميكانيكا الكم. وأوضح أن الثقوب السوداء لم تكن سوداء تماماً، ولكن يمكنها أن تسرب الإشعاع وتنفجر وتختفي في نهاية المطاف، وهو الكشف الذي ما زال يدوي في أوساط علم الفيزياء وعلم الكونيات، فحاول هوكينغ من خلال أن يشرح ما يعرفه عن حدود الكون في كتابه :( تاريخ موجز في الزمان) "من الانفجار العظيم إلى الثقوب السوداء" . من هنا سيكون حديثنا عن نظرية ستيفن هوكينغ " الإنفجار العظيم، التي تكون موضع تساءل : كيف أثبت ستيفن هوكينغ أن الثقوب السوداء ليست سوداء؟ وأنها حالة تفردية؟ بمعنى أخر، هل الكون يبدأ من نقطة الإنفجار العظيم ؟ وكيف انتقلنا من الإنفجار العظيم إلى الثقوب السوداء؟


________
المراجع

هوكينغ، ستيفن، الكون في قشرة جوز، ترجمة مطفى إبراهيم فهمي.

عدنان، ياسين، ألبرت آينشتاين، مجلة دبي الثقافية، العدد (8) يناير 2006.

مصطفى، محمد، آينشتاينوالنسبية، سلسلة جدران المعرفة.

الدكتور محمد عبد الرحمان مرحبا، آينشتاين ونظرية النسبية.

يمنى طريف الخولي، فلسفة العلم في القرن العشرين، ص195.

#سمير_المجدوب (هاشتاغ)      

---

اشترك في قناة ‫«الحوار المتمدن» على اليوتيوب
حوار مع الكاتب البحريني هشام عقيل حول الفكر الماركسي والتحديات التي يواجهها اليوم، اجرت الحوار: سوزان امين	حوار مع الكاتبة السودانية شادية عبد المنعم حول الصراع المسلح في السودان وتاثيراته على حياة الجماهير، اجرت الحوار: بيان بدل

كيف تدعم-ين الحوار المتمدن واليسار والعلمانية على الانترنت؟

تابعونا على:

الفيسبوك

التويتر

اليوتيوب

RSS

الانستغرام

لينكدإن

تيلكرام

بنترست

تمبلر

بلوكر

فليبورد

الموبايل

كيفية إشراك-إيصال مواضيعكم أو مواضيع تهمكم  إلى اكبر عدد ممكن من القراء والقارئات