الإثنين 31 ديسمبر - 12:47 من طرف زائر
تكافؤ الكتلة والطاقة Mass - Energy equivalent
عرفنا
أن الكتلة هي مقدار ما في الجسم من مادة، وعرفنا أيضا أنها كمية ثابتة لا
تتأثر بحركة الجسم أو سكونه، ولكن أينشتاين الذي أثبت نسبية الزمان وأثبت
نسبية المكان استطاع أيضاً أن يثبت نسبية الكتلة واعتبرها متغيرة تتأثر
بحركة الجسم، فكلما ازدادت سرعة الجسم كلما ازدادت كتلته. حيث العلاقة بين
كتلة الجسم وسرعته تعطى بالمعادلة:
°m كتلة الجسم في حالة السكون
m كتلة الجسم وهو متحرك
c سرعة الضوء
v سرعة الجسم
ولم
تلبث المختبرات أن قدمت لنا التجارب الملموسة التي تثبت صحة هذه المعادلة،
فقد أثبتت التجارب أن القذائف المشعة التي تطلقها مادة اليورانيوم أو
الراديوم (وهي دقائق مادية متناهية في الصغر تنطلق بسرعة قريبة من سرعة
الضوء) تزداد كتلتها بما يتفق مع معادلة أينشتاين.
ثم خطا أينشتاين
خطوة أخرى في تفكيره النظري قائلاً: أنه مادام الجسم يكتسب مزيدا من الكتلة
حينما يكتسب مزيدا من الحركة، وبما أن الحركة شكل من أشكال الطاقة فمعنى
هذا أن الجسم حينما يكتسب طاقة يكتسب في نفس الوقت كتلة، أي أن الطاقة يمكن
أن تتحول إلى كتلة والكتلة يمكن أن تتحول إلى طاقة. وما لبث أن قدم
أينشتاين معادلته التاريخية الشهيرة التي تربط الكتلة والطاقة...
المعادلة التي صنعت القنبلة الذرية على أساسها...المعادلة
التي فسرت سر أزلية وقدم هذا الكون، والسر في أن العدد الهائل من النجوم
التي مضت عليها بلايين من السنين مازالت تشع نوراً وطاقة وحرارة دون أن
تفنى...المعادلة التي مكنت العلماء من الإجابة على السؤال الملح وهو من أين
تأتي الشمس بطاقتها التي لا تنضب؟...
المعادلة
التي فتحت الباب لأبحاث الفضاء وأصبح السفر في صواريخ هائلة تنطلق بسرعة
خارقة وتخرج من جاذبية الأرض ممكناً نتيجة اختراع صنوف جديدة من الوقود
الذري...
E = mc2
تنص
هذه المعادلة على أن مقداراً ضئيلاً جداً من الكتلة يعطي طاقة هائلة،
فالطاقة الناتجة من كتلة معينة تساوي حاصل ضرب هذه الكتلة في مربع سرعة
الضوء مما ينتج عنها كمية كبيرة من الطاقة، وهذا هو سر طاقة النجوم وعمرها
الطويل. فهي تخسر كمية قليلة جداً من مادتها لتعطي طاقة تمد بها الكون
بأكمله. ومن هذه المعادلة أيضاً أصبح من من الممكن حساب ومعرفة كمية المادة
اللازمة لنسف دولة وإفناء شعب بجرامات قليلة فقط من اليورانيوم والماء
الثقيل والكوبالت.
وأخيرا يجب القول أن النظرية النسبية تتعارض مع
المفاهيم والقوانين الكلاسيكية ولكن بشكل غير ملموس على مستوى الحياة
الواقعيه لذلك لانكاد نشعر بقوانين أينشتاين في حياتنا اليوميه لكن في
حالات خاصة تقف الفيزياء الكلاسيكيه مكتوفة الايدي وعاجزة بينما نرى
النسبيه وقتها تعطينا تفسيرات مقنعة جدا شيء أخر مهم أن النسبيه تُعمق
القوانين الكلاسيكيه لتجعلها أكثر شمولا، ولهذا فإنه يجب تحديد الظروف التي
يمكن فيها تطبيق المفاهيم النسبية أو المفاهيم الكلاسيكية....
نتصور
شخصاً في قطار يسير بسرعة عادية، وقرر أن يصحح الزمن حسب النظرية النسبية
خوفاً من أن تكون ساعته متأخرة عن ساعة المحطة، إننا سنضحك من هذا الشخص
لأن التصحيح المطلوب لا يعد جزءا متناهي في الصغر من الثانية، أقل بكثير من
هزة واحدة من القطار على ساعته. أما الكيميائي الذي يشك فيما إذا كانت
كمية الماء الذي يسخنها تبقى ثابتة الكتلة... يحتاج إلى من يفحص عقله، ولكن
الفيزيائي الذي لا يأخذ في عين الاعتبار تغير الكتلة في التحول النووي
سيطرد من عمله لعدم كفاءته!
لم يتغير أي قانون من قوانين الفيزياء التي اكتشفها العلماء قبل النظرية النسبية ولكن حدود صحة هذه القوانين أصبح الآن واضحة .....
ملاحظة مهمه ....
بتطبيق
قانون اينشتاين لتكافؤ الكتلة والطاقة قد يبعث على تساؤل في غاية الأهمية
ماذا لو كان لدينا 1 كيلو جرام من الفحم وقمنا بحرقه للتدفئة في فصل الشتاء
فإذا عوضنا في المعادلة فإن الطاقة الناتجة تعادل 90000000000000000 جول
وهي طاقة هائلة ولكن لا نكاد نشعر بالدفء .. 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. 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.
سؤال أخر ... هل النظرية النسبية صحيحة بصورة مطلقه ؟
الجواب
على هذا السؤال هو أن النظرية النسبية في وقتها فسرت عددا أكبر من الظواهر
التي فسرتها سابقاتها وتفسرها خيرا منها جميعاً وحسبها ذلك . فلقد سيطرت
الميكانيكا التقليدية التي وضع نواتها نيوتن زهاء قرنين من الزمن وحققت
انتصارات باهرة في الفيزياء وعلم الفلك وستظل دائما مآثر الفكر البشري
وأمجاده وما زالت تعلمان في المدارس والجامعات.
على الرغم من أن الفروض
التي قامت عليها غير صحيحة إلا أنها أعطت نتائج صحيحة قابلة للتطبيق عند
السرعات الضعيفة التي لا تقارن بسرعة الضوء. وما إن حلت النظرية النسبية
محل ميكانيكا نيوتن إذا بها تنطلق لتسيطر وتسود بين النظريات وتعد أعم
وأشمل من قوانين نيوتن التي قد تلتقي معها عند معالجة الأجسام المتحركة
بسرعات ضعيفة أي أن القوانين النسبية تؤول إلى القوانين الكلاسيكية عند
السرعات المحدودة التي لا تقارن بسرعة الضوء. ولكن ما أن تصبح السرعات
قريبة من سرعة الضوء فإن النظرية النسبية تتفوق تفوقاً لا مثيل له وتعد
الأفضل والأصلح في هذه الحالة. ولا بد أن النظريات التي ستعقبها ستكون أعم
منها وستنجح في النقاط التي قد تخفق فيها نظرية النسبية !!، ولن تسود هذه
النظرية حقبة طويلة الأمد كسابقاتها من النظريات، لأن العلم يقفز من عصر
لآخر وسيأتي يوم تزول فيه النسبية فالعلم لا يعرف نظرية نهائية فجميع
نظرياته موقوتة بعصورها، مرهونة بأوقاتها، وهذا من أهم عوامل تقدمه.
عرفنا
أن الكتلة هي مقدار ما في الجسم من مادة، وعرفنا أيضا أنها كمية ثابتة لا
تتأثر بحركة الجسم أو سكونه، ولكن أينشتاين الذي أثبت نسبية الزمان وأثبت
نسبية المكان استطاع أيضاً أن يثبت نسبية الكتلة واعتبرها متغيرة تتأثر
بحركة الجسم، فكلما ازدادت سرعة الجسم كلما ازدادت كتلته. حيث العلاقة بين
كتلة الجسم وسرعته تعطى بالمعادلة:
°m كتلة الجسم في حالة السكون
m كتلة الجسم وهو متحرك
c سرعة الضوء
v سرعة الجسم
ولم
تلبث المختبرات أن قدمت لنا التجارب الملموسة التي تثبت صحة هذه المعادلة،
فقد أثبتت التجارب أن القذائف المشعة التي تطلقها مادة اليورانيوم أو
الراديوم (وهي دقائق مادية متناهية في الصغر تنطلق بسرعة قريبة من سرعة
الضوء) تزداد كتلتها بما يتفق مع معادلة أينشتاين.
ثم خطا أينشتاين
خطوة أخرى في تفكيره النظري قائلاً: أنه مادام الجسم يكتسب مزيدا من الكتلة
حينما يكتسب مزيدا من الحركة، وبما أن الحركة شكل من أشكال الطاقة فمعنى
هذا أن الجسم حينما يكتسب طاقة يكتسب في نفس الوقت كتلة، أي أن الطاقة يمكن
أن تتحول إلى كتلة والكتلة يمكن أن تتحول إلى طاقة. وما لبث أن قدم
أينشتاين معادلته التاريخية الشهيرة التي تربط الكتلة والطاقة...
المعادلة التي صنعت القنبلة الذرية على أساسها...المعادلة
التي فسرت سر أزلية وقدم هذا الكون، والسر في أن العدد الهائل من النجوم
التي مضت عليها بلايين من السنين مازالت تشع نوراً وطاقة وحرارة دون أن
تفنى...المعادلة التي مكنت العلماء من الإجابة على السؤال الملح وهو من أين
تأتي الشمس بطاقتها التي لا تنضب؟...
المعادلة
التي فتحت الباب لأبحاث الفضاء وأصبح السفر في صواريخ هائلة تنطلق بسرعة
خارقة وتخرج من جاذبية الأرض ممكناً نتيجة اختراع صنوف جديدة من الوقود
الذري...
E = mc2
تنص
هذه المعادلة على أن مقداراً ضئيلاً جداً من الكتلة يعطي طاقة هائلة،
فالطاقة الناتجة من كتلة معينة تساوي حاصل ضرب هذه الكتلة في مربع سرعة
الضوء مما ينتج عنها كمية كبيرة من الطاقة، وهذا هو سر طاقة النجوم وعمرها
الطويل. فهي تخسر كمية قليلة جداً من مادتها لتعطي طاقة تمد بها الكون
بأكمله. ومن هذه المعادلة أيضاً أصبح من من الممكن حساب ومعرفة كمية المادة
اللازمة لنسف دولة وإفناء شعب بجرامات قليلة فقط من اليورانيوم والماء
الثقيل والكوبالت.
وأخيرا يجب القول أن النظرية النسبية تتعارض مع
المفاهيم والقوانين الكلاسيكية ولكن بشكل غير ملموس على مستوى الحياة
الواقعيه لذلك لانكاد نشعر بقوانين أينشتاين في حياتنا اليوميه لكن في
حالات خاصة تقف الفيزياء الكلاسيكيه مكتوفة الايدي وعاجزة بينما نرى
النسبيه وقتها تعطينا تفسيرات مقنعة جدا شيء أخر مهم أن النسبيه تُعمق
القوانين الكلاسيكيه لتجعلها أكثر شمولا، ولهذا فإنه يجب تحديد الظروف التي
يمكن فيها تطبيق المفاهيم النسبية أو المفاهيم الكلاسيكية....
نتصور
شخصاً في قطار يسير بسرعة عادية، وقرر أن يصحح الزمن حسب النظرية النسبية
خوفاً من أن تكون ساعته متأخرة عن ساعة المحطة، إننا سنضحك من هذا الشخص
لأن التصحيح المطلوب لا يعد جزءا متناهي في الصغر من الثانية، أقل بكثير من
هزة واحدة من القطار على ساعته. أما الكيميائي الذي يشك فيما إذا كانت
كمية الماء الذي يسخنها تبقى ثابتة الكتلة... يحتاج إلى من يفحص عقله، ولكن
الفيزيائي الذي لا يأخذ في عين الاعتبار تغير الكتلة في التحول النووي
سيطرد من عمله لعدم كفاءته!
لم يتغير أي قانون من قوانين الفيزياء التي اكتشفها العلماء قبل النظرية النسبية ولكن حدود صحة هذه القوانين أصبح الآن واضحة .....
ملاحظة مهمه ....
بتطبيق
قانون اينشتاين لتكافؤ الكتلة والطاقة قد يبعث على تساؤل في غاية الأهمية
ماذا لو كان لدينا 1 كيلو جرام من الفحم وقمنا بحرقه للتدفئة في فصل الشتاء
فإذا عوضنا في المعادلة فإن الطاقة الناتجة تعادل 90000000000000000 جول
وهي طاقة هائلة ولكن لا نكاد نشعر بالدفء .. 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. 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.
سؤال أخر ... هل النظرية النسبية صحيحة بصورة مطلقه ؟
الجواب
على هذا السؤال هو أن النظرية النسبية في وقتها فسرت عددا أكبر من الظواهر
التي فسرتها سابقاتها وتفسرها خيرا منها جميعاً وحسبها ذلك . فلقد سيطرت
الميكانيكا التقليدية التي وضع نواتها نيوتن زهاء قرنين من الزمن وحققت
انتصارات باهرة في الفيزياء وعلم الفلك وستظل دائما مآثر الفكر البشري
وأمجاده وما زالت تعلمان في المدارس والجامعات.
على الرغم من أن الفروض
التي قامت عليها غير صحيحة إلا أنها أعطت نتائج صحيحة قابلة للتطبيق عند
السرعات الضعيفة التي لا تقارن بسرعة الضوء. وما إن حلت النظرية النسبية
محل ميكانيكا نيوتن إذا بها تنطلق لتسيطر وتسود بين النظريات وتعد أعم
وأشمل من قوانين نيوتن التي قد تلتقي معها عند معالجة الأجسام المتحركة
بسرعات ضعيفة أي أن القوانين النسبية تؤول إلى القوانين الكلاسيكية عند
السرعات المحدودة التي لا تقارن بسرعة الضوء. ولكن ما أن تصبح السرعات
قريبة من سرعة الضوء فإن النظرية النسبية تتفوق تفوقاً لا مثيل له وتعد
الأفضل والأصلح في هذه الحالة. ولا بد أن النظريات التي ستعقبها ستكون أعم
منها وستنجح في النقاط التي قد تخفق فيها نظرية النسبية !!، ولن تسود هذه
النظرية حقبة طويلة الأمد كسابقاتها من النظريات، لأن العلم يقفز من عصر
لآخر وسيأتي يوم تزول فيه النسبية فالعلم لا يعرف نظرية نهائية فجميع
نظرياته موقوتة بعصورها، مرهونة بأوقاتها، وهذا من أهم عوامل تقدمه.
