● آخبـــآر news ● التحديات التي تواجه نظرية النسبية الخاصة و معادلة الطاقة

تعتبر
معادلة الطاقة E=m c^2 من أشهر المعادلات في العصر الحديث . المعادلة
هي نتاج مباشر لنظرية النسبية الخاصة ، و لكن ماذا تعني هذه المعادلة ؟ و
كيف تمكن من إيجادها العالم " البرت آينشتاين " ( Albert Einstein )؟.
بكل
اختصار يمكن القول بأن المعادلة هي وصف لعلاقة تربط بين الطاقة ( Energy
) و الكتلة ( Mass ) . استخدم آينشتاين تجربة فكرية رائعة للوصول إلى
هذه المعادلة .
أولآً و
قبل كل شيئ يجب علينا أن نضع في الإعتبار جسيم الضوء ( particle of light
) الذي يعرف أيضاً بالفوتون (photon) ، و كلمة فوتون هي كلمة " إغريقية و
تعني الضوء ، و قد استخدمت كمصطلح لجسيم الضوء في بداية القرن العشرين. أحد
خصائص الفوتون المثيرة للإهتمام هي أن للفوتون كمية حركة ( momentum ) ،
و لم يثبت حتى الآن أن له كتلة ، و هذا ما توصل إليه " جيمس كلرك ماكسويل
" ( James clerk Maxwell ) عام 1850. نعلم أن كمية الحركة تتكون من
مركبتين أساسيتين هما : الكتلة و السرعة المتجهه ( velocity ) ، و السؤال
هو كيف يكون للفوتون كمية حركة و ليس له كتلة حتى الآن ؟ و رؤية آينشتاين
الثاقبة في هذا هو أن طاقة الفوتون يجب أن تكافئ مقدار الكتلة ، و
بالتالي ترتبط بكمية الحركة .
كانت
فكرة تجربة آينشتاين على النحو التالي : أولاً تخيل أن هناك صندوق يسبح في
فضاء شاسع ، و داخل هذا الصندوق فوتون منبعث و يتحرك من إتجاه اليمين نحو
اليسار . و بما أن النظام يجب أن يكون محفوظاً ، فإن الصندوق سوف يرتد إلى
اليسار كالفوتون المنبعث . و بعد مرور قدر من الزمن ، يصطدم الفوتون بأوجه
الصندوق ، الشيئ الذي يتسبب في نقل كمية حركته إلى الصندوق . و بما أن
النظام محفوظ ، فإن أثر الإصطدام سوف يتسبب في توقف الحركة . لسوء الحظ ،
لا توجد قوة خارجية تأثر على نظام الحركة ، مركز الكتلة يجب أن يظل في نفس
المكان دون تغيير ، و لكن كيف تمت حركة الصندوق ؟ و كيف أن حركة الصندوق
توافقت مع مركز كتلة النظام الذي ظل ثابتاً ؟ .
حل
آينشتاين هذا التناقض بأنه فرض وجود كتلة تكافئ طاقة حركة الفوتون .
بمعنى آخر ، إن طاقة الفوتون يجب أن تكافئ كتلة متحركة من اليسار إلى
اليمين في الصندوق ، و علاوة على ذلك ، إن الكتلة يجب أن تكون كبيرة بما
فيه الكفاية بحيث أن مركز نظام حركة الكتلة يظل ثابتاً .
و
الآن دعنا نفكر عن ماذا تعني هذه المعادلة ؟ . المعادلة تقول أن الكتلة
يمكن تحويلها إلى طاقة . و لكن ما مقدار الطاقة ؟ حسناً ، نفترض أن هناك
كليوجرام من مادة .، لتحويل هذه الكتلة إلى طاقة بحتة سوف نحصل على (
1 kg.c^2) جول من الطاقة . الآن تذكر أن : c^2= (8.99)(10^16)m^2s^2 ،
و بالتالي فإن كل الطاقة تكافئ 21.48 ميغا طن (megatons ) من الإنفجار .
هذا مقدار كبير جداً للطاقة ، و الجول ليس أكبر وحدة لقياس الطاقة (
magatons = 10^16jouls) .. سوف ينتج واحد جول من الطاقة عندما تسقط
كتاباً على الأرض . إلا أن مقدار طاقة في 30جرام من ذرات الهيدروجين تكافئ
حرق مئات الآلاف من جالونات البنزين . إذا اعتبرنا كل الطاقة في كيلوجرام
كامل من الماء ( ذرتين هايدروجين و ذرة أوكسجين ) ، فإن إجمالي الطاقة
تكافئ ما يقارب 10مليون جالون بنزين .
عملياً
أنه ليس من الممكن تحويل كل الكتلة لطاقة . مع ذلك فإن هذه المعادلة تقود
مباشرة لتطوير الطاقة النووية و احتمال الانفجار النووي هو النتائج
الملموسة لنظرية النسبية .
تجربة CERN
التحدي
الكبير الذي يواجه معادلة الطاقة هو إعلان وكالة الفضاء الأوربية ( CERN )
عن تجربتها المثيرة في نهاية العام الماضي . ذكرت الوكالة أن جزيئ
النيوترينو ( neutrino ) أسرع من الضوء . و النيوترينو هو جسيم أولي لا
يحمل شحنة كهربائية ، و ينتقل تقريباً بسرعة الضوء ، و يمر من خلال المادة
العادية بدون تفاعل . و قال العلماء الذين أجروا التجربة أن
النيوترينو قد سبق الضوء بمقدار 60 نانو ثانية ( 60ns ) . و تعتبر هذه
النتيجة تهديداً لأحد الأركان الأساسية في الفيزياء الحديثة و هي نظرية
النسبية الخاصة ، و معادلة الطاقة التي هي نتاج مباشر من نظرية النسبية
التي بنيت على أساس أن الضوء أسرع ما في الكون . قال آينشتاين بنفسه : ''
إذا كانت تجربة مايكلسون و مورلي ( ( Michelson-Morley Experiment MMX) )
غير صحيحة ، فإن النسبية غير صحيحة '' . و كان هدف MMX هو قياس سرعة
الأرض ، و أنهم توصلوا إلى أن سرعة الضوء سرعة ثابتة على عكس توقعهما ،
وعلى خلاف قاعدة جمع السرعة لـــ "جاليليو" v=v1+v2 ، و كانت نتيجة MMX
بمثابة نسف للميكانيكا التقليدية كما تريد أن تفعله (CERN ) بالفيزياء
الحديثة .
كثير من
العلماء لا يؤمنون بأن النيوترينو يمكن أن يتحرك خلال الأثير ( aether or
ether ) بسرعة تفوق سرعة الضوء. حركة الأرض V خلال الأثير تتسبب في أن
قياس سرعة الضوء في إتجاه واحد يتغير إلى c+/-v حيث أن c هي سرعة الضوء
خلال الفراغ المطلق ( vacuum ) . و مع ذلك و بتبني ساعة آينشتاين للتزامن
سوف لا يستطيع العلماء القياس بشكل صحيح سرعة الضوء في إتجاه واحد بالنسبة
للأرض و هي تتحرك خلال الأثير . و بشكل مشابهه استخدم علماء (CERN ) ساعة
آينشتاين للتزامن لحساب التوقيت في العديد من الكابلات المتصلة التي تمر من
خلالها إشارات الساعة التي تتسبب في أن يكون التوقيت منحاز لإعطاء سرعة
تماثل سرعة الضوء c ، و أن فرق الزمن 60 nS إنما هو توقيت خطأ في النظام ، و
قد اعترفت ( CERN ) بأن فرق التوقيت هو خطأ توقيت محتمل بسبب وجود خلل في
التوصيل . و قد ذكروا أيضاً بأنهم سوف يقوموا بتأكيد النتيجة و ذلك بإعادة
التجربة تحت ظروف أفضل ، إلا أن ذلك ليس طريقة صحيحة لقياس سرعة جزيئ في
إتجاه واحد يتحرك بسرعة تكون قريبة من سرعة الضوء . و نحن في انتظار
نتيجة إعادة تجربة سيرن بمختبر " فيرمي لاب " ( Fermilab )
بالولايات المتحدة .
طاقم الساعة الذرية في الفضاء ACES
التحدي
الثاني لنظرية النسبية هو ما تقوم به وكالة الفضاء الأوربية ( ESA ) من
إنتاج " طاقم الساعة الذرية في الفضاء" ( ACES ) . و قد ذكرت ( ESA )
أن الهدف هو إنتاج جيل جديد من الساعات الذرية التي تعمل في بيئة جاذبية
متناهية الصغر من محطة الفضاء الدولية ( SSI ) . بمقارنة ساعة ( ACES )
بالساعات الأرضية في جميع انحاء العالم ، سوف يتم إجراء الاختبارات الدقيقة
لنظرية النسبية الخاصة و العامة بشيئ لم يسبق له مثيل .
سوف
تفشل نظرية النسبية إذا اكتشفت الساعات الأرضية و الفضائية عن تغيرات في
سرعة إتجاه واحد من إشارات الموجة الصغيرة (microwave ) المستخدمة
للمقارنة بين الساعات . سوف يقاس سرعة الضوء بــ c+v و c-v و ، و ليس بــ
c كما افتكر آينشتاين ، و التغير في السرعة هو بسبب حركة دوران الأض خلال
الأثير .