نظريات الفيزياء الحديثة والنسبية الخاصة ونشأة الفيزياء الحديثة وما هي الفيزياء الحديثة. وهذا ما سنتعرف عليه فيما يلي.
نظريات الفيزياء الحديثة
نظرية الاحتمالات الكمومية ومشكلة القياس
يمكن التعرف على فيزياء الكم الرياضية من خلال معادلة شرودنغر، التي تساعد في وصف احتمالية وجود جسيم ما في نقطة معينة. ويعتبر هذا الاحتمال أمرا أساسيا في حسابات أي نظام كمي، وعندما يتم العثور على قياسات بعد ذلك، سيتم التوصل إلى نتيجة معينة دون أخرى.
لكن مشكلة القياس تعني أنه عند إجراء قياس لنظام كمي، تتحرك الدالة الموجية من التراكب (والتراكب هو التواجد في حالتين أو موقعين في نفس الوقت) إلى حالة واحدة، ولا تقدم نظرية الكم تفسيرا لهذا الأمر، وعملية القياس نفسها تؤدي إلى تغيير في التاج بشكل ما. عام. ومن أهم التجارب التي أجريت لإثبات هذه النظرية هي تجربة قطة شرودنغر الشهيرة.
– قانون نيوتن للحركة
للعالم إسحاق نيوتن العديد من النظريات المعروفة. وقد قدم لنا حوالي ثلاثة قوانين للحركة تعتبر بسيطة وسهلة للغاية، إلا أنها مع ذلك تعتبر من أساسيات الفيزياء الحديثة. ينص القانون الأول على أن الجسم المتحرك يستمر في حركته ما لم تؤثر عليه قوة خارجية.
أما القانون الثاني فيشرح العلاقة بين كتلة الجسم وسرعته وفق العلاقة التالية: F = m × a. تمثل F أيضًا القوة المحصلة ويتم قياسها بالنيوتن. M هي كتلة الجسم وa هي تسارع الجسم، أي معدل زيادة أو تباطؤ سرعة الجسم.
أما القانون الثالث فهو الأكثر استعمالا وشهرة، ونصه كما يلي: لكل فعل رد فعل مساو له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه. ويعني هذا القانون أنه إذا تم تطبيق أي قوة على أي جسم محدد، فإن هذا الجسم سوف يتأثر بنفس القوة في الاتجاه المعاكس لها.
-نظرية الانفجار الكبير
نظرية الانفجار الكبير هي إحدى النظريات التي تهتم بتفسير تمدد الكون وتمدده. يهتم بشرح كيف أصبح الكون ضخمًا وتوسعًا وكيف يستمر في ذلك حتى الآن. وتفترض هذه النظرية أن الكون بدأ من نقطة صغيرة جداً وعالية الكثافة كانت موجودة فيها كل المادة الموجودة في العالم، ثم بدأ بالتوسع خلال مليارات السنين الماضية.
عندما قدم أينشتاين النظرية النسبية العامة، تنبأ بإمكانية توسع الكون وتوسعه، ورأى العالم جورج لوميتر وقتها أن هذا يعني أن الكون قد بدأ من نقطة واحدة صغيرة جدًا، وبعد ذلك بفترة إدوين هابل اكتشف داخل المجرات البعيدة تحولا أحمر أو تدرجا في اللون.
وهذا يدل على أن هذه المجرات كانت قريبة من كوكب الأرض، لكنها ابتعدت عنه. وهذه حقيقة تم إثباتها لاحقًا من خلال اكتشاف إشعاع الخلفية الكونية الميكرويفي عام 1965، وهو ما أكد صحة فرضيات العلماء السابقة.
– قانون نيوتن للجاذبية العامة
قبل 300 عام، طرح العالم نيوتن نظريته، وهي أن أي جسمين، بغض النظر عن كتلتهما، يؤثران على بعضهما قوة تجاذب، ومن أجل تحديد القوة اخترع هذا القانون المعروف. [F = G × [(m1m2)/r²]حيث F هي قوة الجذب بين الجسمين.
أما M1 وM2 فهما كتلتا الجسمين الأول والثاني، وr هي المسافة بين هذين الجسمين، بينما G هو ثابت الجاذبية، ويعتبر هذا القانون من أهم القوانين التي تتيح لنا حساب قوة الجذب بين أي جسمين موجودين في هذا الكون، بغض النظر عن حجم الكتلة أو المسافة بينهما.
نظرية الوعي الكمي
عندما يحاول العلماء حل مشكلة القياس فإن من يقومون بذلك قد يواجهون مشكلة الوعي، ورغم أن البعض حاول تجنب هذه المشكلة، إلا أن هناك علاقة بين اختيار إجراء التجربة بطريقة واعية ونتيجة هذه التجربة .
ورأى بعض المنظرين أن الفيزياء الحالية لا تستطيع تفسير أو شرح معنى الوعي بشكل دقيق وتفسير العلاقة الغريبة بين الوعي والكمية التي لم ندركها بعد. وإذا نظرنا إلى الوعي الكمي نجد أنه مجموعة من التأملات العلمية التي تحاول تفسير الوعي الإنساني الموجه.
ومن الجدير بالذكر أن محاولة تفسير الوعي البشري من وجهة نظر علماء فيزياء الكم لن تتحقق بشكل دقيق بعد ولا توجد أدلة كافية في هذا المجال. ومن أشهر الأمثلة التي تشرح معنى الوعي الكمي هي محاولة تشبيه الوعي البشري أو تشبيه الوعي الكمي بالحاسوب الكمي. .
وفي الواقع فهو يعتبر، على عكس أجهزة الكمبيوتر التقليدية، لا يعتمد فقط على الصفر والواحد (النظام الرقمي الثنائي)، بل يضيف إليه قيمة ثالثة، وهي حالة مركبة من الحالتين المذكورتين أعلاه، أي صفر وواحد معاً. وهذا يزيد من سرعة وقدرة جهاز الكمبيوتر بطريقة يمكن التعرف عليها والتنبؤ بها، وقد تم ذلك بالفعل. تصميم النماذج الأولية لهذا الكمبيوتر.
ومن الجدير بالذكر أيضًا أن الفيزياء التقليدية لا يمكنها تفسير كيفية عمل الوعي البشري، ولكن إذا نظرنا إلى فيزياء الكم ومبدأ التراكب أو التواجد في حالات عديدة في نفس الوقت ومبدأ التشابك الذي تم شرحه سابقًا واللامركزية، فيمكننا تعرف على هذا الأمر من خلاله.
أصول الفيزياء الحديثة
– في نهاية القرن التاسع عشر الميلادي، تطور علم الفيزياء بشكل كبير من الناحية النظرية. فمن ناحية كانت هناك قوانين نيوتن في الميكانيكا التي مكنتنا من شرح ووصف حركة الأجسام، ومن ناحية أخرى كانت هناك معادلات ماكسويل التي تمثل أساس الكهرباء والمغناطيسية.
كان العلماء في ذلك الوقت على قناعة تامة أنهم توصلوا إلى تفسير لكل شيء، وأن منطق نيوتن من حيث الحركة ومنطق ماكسويل من حيث الشحنات هو المنطق المناسب لفهم كل ما يجري وكل الظواهر التي حدثت فيما كانت تعرف بالفيزياء الكلاسيكية.
وسرعان ما تغير الأمر عندما ظهرت العديد من الظواهر التي عجز الكلاسيكيون عن تفسيرها، معلنة ميلاد الفيزياء الحديثة التي غيرت نظرتنا إلى العديد من الظواهر.
ما هي الفيزياء الحديثة؟
يشير مصطلح الفيزياء الحديثة إلى مبادئ فيزياء ما بعد النيوتونية ونتائجها وقوانينها. ويتضمن (ميكانيكا الكم/نسبية أينشتاين)، ونبدأ بالنسبية الخاصة كتطور لرؤية الفيزيائيين الجدد الذين أجروا تجارب عارضت فرضية الأثير، نبدأ قصة الفيزياء الحديثة.
*الأثير؛ إنها نظرية تنص على أنه يجب أن يكون هناك وسط ينقل أو ينشر طيف الضوء.
تشمل الفيزياء الحديثة النسبية التي طورها أينشتاين وعممها عن غاليليو، وأظهر من خلالها أن كل شيء في حركة مستمرة بالنسبة إلى الآخر، ولا يوجد نظام في حالة استقرار مطلق أو ذو بعد مطلق، والنسبية تفسر الظواهر والأجسام الموجودة في الكون تعمل بسرعات عالية، ومن المبادئ النسبية تنص على أن سرعة الضوء ثابتة في الفضاء بالنسبة لجميع الراصدين، بغض النظر عن الاتجاه الذي ينطلق فيه. وقد تناقضت التجارب تماما هذه الفكرة مع فرضية الأثير.
النسبية الخاصة
وفي عام 1905، توصل أينشتاين إلى النظرية النسبية الخاصة، التي تنص على أن سرعة الضوء ثابتة ولا تتغير مع دوران الأرض حول الشمس. جاءت هذه النظرية بمثابة مفاجأة كاملة للفيزيائيين. المعتقدات السائدة هي أن سرعة معظم الأشياء تعتمد على اتجاه الجسم الذي تتم ملاحظته. ومن أهم الأمثلة على هذه المعتقدات أنه إذا تم قيادة السيارة في الاتجاه المعاكس لمسار القطار فإن السرعة ستظهر كبيرة مقارنة بقيادة السيارة في نفس اتجاه القطار.
وذكر أيضًا أن سرعة الضوء التي سيتم قياسها لأي جسم يتم رصده ستصل إلى 186 ألف ميل في الثانية، وذلك حسب سرعة الجسم أو اتجاهه.
مما أدى إلى ظهور العديد من التساؤلات، منها أنه إذا كان الإنسان داخل مركبة فضائية يسير بسرعة الضوء، وقام بتشغيل المصابيح الأمامية للسفينة؛ هل سيحدث أي شيء؟
الجواب على هذا السؤال هو أن إضاءة المصابيح الأمامية لسفينة الفضاء أمر طبيعي بالنسبة للشخص الموجود داخل السفينة، أما بالنسبة للشخص خارج السفينة فلن يرى أضواء السفينة مضاءة؛ وذلك لأن الضوء يخرج، لكنه يتحرك بنفس سرعة سفينة الفضاء.
وهذه الرؤى المتناقضة نشأت بسبب اختلاف الأحكام، كما أن العوامل التي تحدد الزمان والمكان ليست ثابتة بين جميع المراقبين. إذا كانت سرعة الضوء ثابتة، فلا يمكن أن يكون الزمان والمكان مطلقين، بل ذاتيين.
مثال على ذلك هو ظهور مركبة فضائية طولها 100 قدم وكانت تسير بسرعة 99.99% من سرعة الضوء. ستظهر السفينة على بعد قدم واحدة للمراقب الثابت، أما الأشخاص الموجودين داخل السفينة؛ ستظهر السفينة بطولها الطبيعي.
ومن الغريب أن الوقت يمر ببطء أكثر كلما كان الضوء أسرع؛ إذا مات طفل على الأرض، يتم وضع توأمه على متن سفينة فضائية متجهة إلى أحد النجوم البعيدة. وعندما تعود المركبة الفضائية، سيكون الطفل أصغر من توأمه الذي بقي على الأرض.
– بالإضافة إلى ذلك فإن كتلة الجسم تعتمد على السرعة؛ كلما تحرك الجسم بشكل أسرع، زاد حجمه. ولهذا السبب لا يمكن لأي مركبة فضائية أن تسافر بسرعة 100% من سرعة الضوء. وذلك لأن كتلته ستزداد إلى ما لا نهاية.