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
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]
__________________