هل الكتلة أم الطاقة تزداد بالقرب من سرعة الضوء؟ 🚀
من أكثر أسرار الكون إثارةً، ما يحدث عندما تقترب من سرعة الضوء. تتغير المفاهيم المُعتادة للحركة، وكأن قوانين الطبيعة تُعيد ترتيب أوراقها. إذا كنت على قطارٍ يسير بسرعة 30 مترًا في الثانية (تقريبًا 67 ميلًا في الساعة)، وألقيت كرةً بسرعة 30 مترًا في الثانية، سيُلاحظ مُراقِبٌ على الأرض أن الكرة تسير بسرعة 60 مترًا في الثانية. لكن لو كان القطار يتحرك بنسبة 60% من سرعة الضوء، ورميت الكرة بنفس النسبة، لن تصل سرعة الكرة المُلاحظ عليها إلى 120% من سرعة الضوء، بل ستكون أقل من ذلك. هنا تكمن مُعقّدة النسبية الخاصة. 🤔
ما الذي يتغير أيضًا؟ تبدو المسافات مُنكمشة، وتتمدد الفترات الزمنية، وتزداد طاقة الجسيمات المتحركة. هل تتغير الكتلة أيضًا؟ 🤔 سؤالٌ طرحه جيري كوفمان، والذي أثار فضولنا، مع طلبٍ واضح لفهم هذه الظاهرة. 🧐
معادلة أينشتاين الشهيرة، E = mc²، تُشير إلى علاقة وثيقة بين الطاقة والكتلة. لكن، هل تزداد الكتلة عندما تقترب المادة من سرعة الضوء؟ إليك إجابة مُفصّلة.
كما يُظهر مثال من برنامج Mythbusters الشهير، إذا أطلقت كرة من سيارة تتحرك بنفس السرعة، فستبدو كأنها تسقط رأسًا على عقب. سرعة الكرة وسرعة السيارة تلغيان بعضهما البعض. تظهر الفيزياء حلولاً مختلفة في الزمن، ولكن الحقيقة تتطلب حلًا واحدًا فقط.
لكي نفهم هذا، علينا أن نتذكر مبدأ النسبية. قوانين الفيزياء مُتّسقة لجميع المراقبين في حركة مستقيمة (غير مُتسارعة). ما هي القوانين التي تُطيع النسبية؟ تلك التي لا تتغير عند حركة المراقب.
- قانون الجاذبية
- قوانين القوى الكهرومغناطيسية والقوى النووية
- ثوابت فيزيائية أساسية: ثابت بلانك (h)، ثابت الجاذبية العالمي (G)، سرعة الضوء في الفراغ (c)
- طاقة الكتلة السكونية (E في E = mc²) لأي جسيم.
ولكن، هناك اختلافات. المسافات تنكمش، الزمن يتمدد، لكن الطاقة، كيف نفهمها؟
تذكر أن سرعة الضوء هي ثابتة، لا تتغير، وهذا يؤدي إلى تغير في مفاهيمنا للمسافات والزمن. المسافات تتقلص، والزمن يتمدد، اعتمادًا على حالة الحركة المُقارَنة. يُعبر عن هذا التغير بعامل لورنتز (γ).
هذه التغيرات تُخبرنا أن الكميات الفيزيائية الأخرى تتغير أيضًا، مثل الطاقة الحركية. ولكن، كيف تتغير الطاقة الحركية مع زيادة السرعة؟ الطاقة لا تمثل فقط طاقة الكتلة السكونية، بل الطاقة الكلية. تُعطينا معادلة أكثر دقة الصفة الكاملة للطاقة: E = √(m²c⁴ + p²c²)
حيث p هو الزخم، والذي يتغير أيضًا في النسبية الخاصة.
الزخم لا يُساوي mv كما في الفيزياء الكلاسيكية، بل p = mγv، هنا γ هو عامل لورنتز.
دعونا نعود إلى السؤال الأصلي: ما الذي يزداد عندما تتحرك المادة بسرعةٍ عالية؟ الكتلة أم الطاقة؟
في الحقيقة، الكتلة لا تتغير. الكتلة السكونية تبقى ثابتة، ولا تتغير. الطاقة هي التي تتغير، وفقًا لمعادلة الطاقة الكلية. كلّما زادت سرعة الجسيم، زادت طاقته الكلية. لذلك، الطاقة هي التي تتغير، وليس الكتلة.
في النهاية، تُوضح النظرية النسبية الخاصة أن الكتلة السكونية ثابتة، وتُظهر العلاقة بين الطاقة والكتلة السكونية، وطاقة الحركة، وسرعة الضوء. 💫
المصدر: اقرأ المقال بالكامل