ما هي أكثر التجارب الفيزيائية ذهولاً عبر التاريخ ؟
ما هي أكثر التجارب الفيزيائية ذهولاً عبر التاريخ ؟
ليست التجربة الأكثر إذهالاً في الفيزياء فحسب، بل والأكثر أهمية ونتائجها ثورية ومهمة في الفيزياء النظرية القديمة والحديثة، أنا اتحدث عن تجربة مايكلسون ومورلي ، وهي تجربة جاءت لحسم موضوع شائك جداً قد حدث بعد صياغة ماكسويل النظرية الكهرومغناطيسية في ستينيات القرن التاسع عشر، حسناً حتى يكون الأمر واضح بالنسبة لك دعني أعود في الزمن الى الوراء قليلاً، وتحديداً الى العام 1632م، على ما يبدو أنني عُدت كثيراً الى الوراء، في هذا العام قام غاليليو غاليلي بصياغة مبدأ النسبية العام، والذي ينص على أن "يجب على قوانين الفيزياء أن تبقى صامدة تحت تحويلات غاليليو"، على ما يبدو أن نص هذا المبدأ فيه نوع من الصرامة، فماذا يعني صمود قوانين الفيزياء تحت تحويلات غاليليو؟
حسناً دعني أخبرك بالأمر، نحن نقوم بدراسة الظواهر الفيزيائية من إطار مرجعي ربما يختلف في حالته الحركية عن الإطار المرجعي للراصد، وحتى تفهم مقصدي جيداً أمعن النظر في الصورة الآتية:
في هذه التجربة يقوم شخص على متن المركبة برمي كرة الى الأعلى بسرعة ما، فإنه من منظور الشخص الذي قام برمي الكرة سيرى أن الكرة ارتفعت وعادت اليه بخط مستقيم كما هو موضح في الجزء الايسر من الصورة، وبينما ستظهر التجربة بشكل أخر بالنسبة لمراقب خارجي يراقب التجربة، بحيث سيرى مسار الكرة هو عبارة عن قطع مكافئ، كما هو موضح على يمين الصورة؛ وذلك لأن الشخص الذي على الطريق يرى بأن المركبة تتحرك بالتالي سيأخذ بالحسبان مركبة سرعة المركبة، وبينما للشخص الموجود على متن المركبة فالمركبة بالنسبة له ساكنة (لكنه يشعر بحركتها نتيجة مقارنتها بالطريق أو بالاشياء التي من حوله)، هذه التجربة بإختصار قد توضح لك المقصود من الأمر، إذن وظيفة تحويل غاليليو هذا هو تحويل وصف الظواهر الفيزيائية ما بين المراجع المختلفة (على الأقل بالنسبة لك كغير مختص، ولو كنت مختصاً لما قلت لك هذا الكلام كله، بل لأخبرتك بأن قوانين الفيزياء يجب ان تبقى صامدة (Covariance) ولامتغيرة (Invariant) تحت تحويلات غاليليو)، ولكن يجب أن تعرف بأن تحويل غاليليو يخص المراجع التي تتحرك بسرعة ثابتة، أي دون تسارع، وتُعطى تحويلات غاليليو للموقع (في حال الحركة في بُعد واحد وليكن على (x)) كالآتي:
وللسرعة كالآتي:
وهذا ما يُعرف بقانون جمع السرعات لغاليليو، سأخبرك بشيء يدعك تفهم جوهر هذا القانون، إذا كنت تسير في مركبتك الخاصة على الطريق العام أنظر الى السيارة التي على المسرب المجاور لك، إياك أن تفعلها أذا كنت تقود السيارة، في لحظة من اللحظات وعندما تصبح سيارتك بمحاذاة السيارة التي تجاورك أي أن سيارتك والسيارة الاخرى تسيران بالسرعة نفسها، ستشعر وكأن السيارة واقفة بالنسبة لك، وفعلياً سترى هذا إن لم يكن شيء أخر لتقارن به حركة السيارة، هذه نبذة مختصرة عن قانون جمع السرعات، وتذكر بأن تحويلات غاليليو تعتبر الزمن مطلق.
حسناً أنت الان تملك خلفية جيدة عن تحويلات غاليليو، فكما اخبرتك بعد أن قام ماكسويل بتوحيد الكهرباء والمغناطيسية، فإنه يجب على تحويل غاليليو ان يحافظ على معادلة الموجة الكهرومغناطيسية أيضاً (أعذرني انا اتحدث بسذاجة الآن بالنسبة للمختصين)، والتي تكتب كالآتي:
لا تهرع أكمل معي فحسب، لكن توصلنا بأن تحويل غاليليو لا يحافظ على معادلة الموجة الكهرومغناطيسية، ولأن تحويل غاليليو يعمل جيداً للميكانيك، فكان الخيار الأنسب لعلماء الفيزياء هو إفتراض مرجع مفضل يصلح وصف تحويلات غاليليو للظواهر الكهرومغناطيسية، وهذا المرجع هو وسط إفتراضي يعم أرجاء الكون ومتواجد دائماً وتنتشر الموجات الكهرومغناطيسية من خلاله، وبعدها صمم مايكلسون تجربته الشهيرة:
ليس ليكشف عن هذا الوسط والذي يدعى بالأيثر بل لقياس السرعة النسبية للضوء بالنسبة للأرض، وهذا بسبب اليقين الداخلي لهؤلاء العلماء وتقديساً لميكانيك نيوتن، ولكن كانت النتائج سلبية بحيث انه لا وجود لذلك الوسط الإفتراضي، ولكنها أوضحت نتائج مهمة وأهمها بأن الموجات الكهرومغناطيسية (تسير في الفراغ)، وعلى نفس المنوال قام فريق ليغو عام 2016 بإثبات وجود موجات الجاذبية التي تنبأ فيها اينشتاين في النسبية العامة بحيث أن المقياس الذي أستخدم في مرصد ليغو بُني على نفس مبدأ تجربة مايكلسون ومورلي، ولهذا إعتبرتها من أهم التجارب في تاريخ الفيزياء.
ما هي أكثر التجارب الفيزيائية ذهولاً عبر التاريخ ؟
ليست التجربة الأكثر إذهالاً في الفيزياء فحسب، بل والأكثر أهمية ونتائجها ثورية ومهمة في الفيزياء النظرية القديمة والحديثة، أنا اتحدث عن تجربة مايكلسون ومورلي ، وهي تجربة جاءت لحسم موضوع شائك جداً قد حدث بعد صياغة ماكسويل النظرية الكهرومغناطيسية في ستينيات القرن التاسع عشر، حسناً حتى يكون الأمر واضح بالنسبة لك دعني أعود في الزمن الى الوراء قليلاً، وتحديداً الى العام 1632م، على ما يبدو أنني عُدت كثيراً الى الوراء، في هذا العام قام غاليليو غاليلي بصياغة مبدأ النسبية العام، والذي ينص على أن "يجب على قوانين الفيزياء أن تبقى صامدة تحت تحويلات غاليليو"، على ما يبدو أن نص هذا المبدأ فيه نوع من الصرامة، فماذا يعني صمود قوانين الفيزياء تحت تحويلات غاليليو؟
حسناً دعني أخبرك بالأمر، نحن نقوم بدراسة الظواهر الفيزيائية من إطار مرجعي ربما يختلف في حالته الحركية عن الإطار المرجعي للراصد، وحتى تفهم مقصدي جيداً أمعن النظر في الصورة الآتية:
في هذه التجربة يقوم شخص على متن المركبة برمي كرة الى الأعلى بسرعة ما، فإنه من منظور الشخص الذي قام برمي الكرة سيرى أن الكرة ارتفعت وعادت اليه بخط مستقيم كما هو موضح في الجزء الايسر من الصورة، وبينما ستظهر التجربة بشكل أخر بالنسبة لمراقب خارجي يراقب التجربة، بحيث سيرى مسار الكرة هو عبارة عن قطع مكافئ، كما هو موضح على يمين الصورة؛ وذلك لأن الشخص الذي على الطريق يرى بأن المركبة تتحرك بالتالي سيأخذ بالحسبان مركبة سرعة المركبة، وبينما للشخص الموجود على متن المركبة فالمركبة بالنسبة له ساكنة (لكنه يشعر بحركتها نتيجة مقارنتها بالطريق أو بالاشياء التي من حوله)، هذه التجربة بإختصار قد توضح لك المقصود من الأمر، إذن وظيفة تحويل غاليليو هذا هو تحويل وصف الظواهر الفيزيائية ما بين المراجع المختلفة (على الأقل بالنسبة لك كغير مختص، ولو كنت مختصاً لما قلت لك هذا الكلام كله، بل لأخبرتك بأن قوانين الفيزياء يجب ان تبقى صامدة (Covariance) ولامتغيرة (Invariant) تحت تحويلات غاليليو)، ولكن يجب أن تعرف بأن تحويل غاليليو يخص المراجع التي تتحرك بسرعة ثابتة، أي دون تسارع، وتُعطى تحويلات غاليليو للموقع (في حال الحركة في بُعد واحد وليكن على (x)) كالآتي:
وللسرعة كالآتي:
وهذا ما يُعرف بقانون جمع السرعات لغاليليو، سأخبرك بشيء يدعك تفهم جوهر هذا القانون، إذا كنت تسير في مركبتك الخاصة على الطريق العام أنظر الى السيارة التي على المسرب المجاور لك، إياك أن تفعلها أذا كنت تقود السيارة، في لحظة من اللحظات وعندما تصبح سيارتك بمحاذاة السيارة التي تجاورك أي أن سيارتك والسيارة الاخرى تسيران بالسرعة نفسها، ستشعر وكأن السيارة واقفة بالنسبة لك، وفعلياً سترى هذا إن لم يكن شيء أخر لتقارن به حركة السيارة، هذه نبذة مختصرة عن قانون جمع السرعات، وتذكر بأن تحويلات غاليليو تعتبر الزمن مطلق.
حسناً أنت الان تملك خلفية جيدة عن تحويلات غاليليو، فكما اخبرتك بعد أن قام ماكسويل بتوحيد الكهرباء والمغناطيسية، فإنه يجب على تحويل غاليليو ان يحافظ على معادلة الموجة الكهرومغناطيسية أيضاً (أعذرني انا اتحدث بسذاجة الآن بالنسبة للمختصين)، والتي تكتب كالآتي:
لا تهرع أكمل معي فحسب، لكن توصلنا بأن تحويل غاليليو لا يحافظ على معادلة الموجة الكهرومغناطيسية، ولأن تحويل غاليليو يعمل جيداً للميكانيك، فكان الخيار الأنسب لعلماء الفيزياء هو إفتراض مرجع مفضل يصلح وصف تحويلات غاليليو للظواهر الكهرومغناطيسية، وهذا المرجع هو وسط إفتراضي يعم أرجاء الكون ومتواجد دائماً وتنتشر الموجات الكهرومغناطيسية من خلاله، وبعدها صمم مايكلسون تجربته الشهيرة:
ليس ليكشف عن هذا الوسط والذي يدعى بالأيثر بل لقياس السرعة النسبية للضوء بالنسبة للأرض، وهذا بسبب اليقين الداخلي لهؤلاء العلماء وتقديساً لميكانيك نيوتن، ولكن كانت النتائج سلبية بحيث انه لا وجود لذلك الوسط الإفتراضي، ولكنها أوضحت نتائج مهمة وأهمها بأن الموجات الكهرومغناطيسية (تسير في الفراغ)، وعلى نفس المنوال قام فريق ليغو عام 2016 بإثبات وجود موجات الجاذبية التي تنبأ فيها اينشتاين في النسبية العامة بحيث أن المقياس الذي أستخدم في مرصد ليغو بُني على نفس مبدأ تجربة مايكلسون ومورلي، ولهذا إعتبرتها من أهم التجارب في تاريخ الفيزياء.
