قوانين هامة في الفيزياء

لدى العلماء العديد من الأدوات المتاحة لتمكنهم من محاولة وصف كيف يعمل كل من الكون والطبيعة.

فغالبًا ما يصل العلماء إلى قوانين ونظريات, ولكن أولا علينا أن نعرف الفرق بين كل من النظرية العلمية والقانون العلمي.

القانون العلمى يعبر عن علاقة رياضية مثل E = mc²:، هذه العلاقة مبنية على أدلة تجريبية وهى تمثل حقيقة عامة مؤكدة فى حال توافر الشروط ففي القانون السابق c تمثل سرعة الضوء فى الفراغ.

أما النظرية العلمية عادة ما تسعى إلى توليف مجموعة من الأدلة أو الملاحظات عن ظاهرة معينة, فهى تكون عبارة عن عبارة توضيحية خاضعة للتجريب لتشرح لنا كيف تتصرف الطبيعة, ولا يمكنك بالضرورة أن تختصر النظرية العلمية فى معادلة ولكنها تقدم شيئا أساسيا حول عمل الطبيعة.

فيعتمد كل من النظرية العلمية والقانون العلمى على العناصر الأساسية للمنهج العلمى كوضع الفرضية والبحث عن أدلة تجريبية وتقديم النتائج، وفي النهاية على العلماء إعادة تكرار النتائج حتى يكون كل من النظرية والقانون مؤكد بشكل أكبر ليحصل على قبول لدى الوسط العلمي.

في هذا المقال سنتعرف على 10 نظريات وقوانين علمية التي يمكنك من خلالها زيادة مخزونك المعرفي، ستبدأ رحلتنا بفرقعة، ومن ثم سننتقل إلى القوانين الأساسية للكون وقبلها نظرة عن تطوره وأخيرا سنخوض في عالم الفيزياء الكمية.

1. “مبدأ عدم اليقين” لهازنبرغ:

نظرية أينشتاين الأشمل عن النسبية أخبرتنا المزيد عن كيفية عمل الكون وساعدتنا على وضع أساسيات فيزياء الكم، ولكنها أيضا قدمت المزيد من الارتباك حول العلوم النظرية.

في 1927، قاد الشعور بأن قوانين الكون في بعض السياقات مرنة إلى كشف رائد للعالم الألماني فرنر هايزنبرغ – مبدأ “عدم اليقين”.

أدرك هايزنبرغ أنه من المستحيل الجمع بدقة بين معرفة خاصيتين من خصائص الجزيء، بمعنى آخر يمكنك أن تعرف مكان الإلكترون بدرجة كبيرة من اليقين، ولكن ليس الزخم الخاص به، والعكس بالعكس.

لاحقا، قام نيلز بوهر بكشف يساعد على فهم مبدأ هايزنبرغ، بوهر وجد أن الإلكترون يمتلك خصائص جزيء وموجة معا، وهو المبدأ المعروف بـ”ثنائية الموجة-الجزيء”، والذي صار حجر الزاوية للفيزياء الكمومية، بالتالي حين نقيس مكان إلكترون، فإننا نعامله كجزيء موجود في نقطة محددة في الفراغ، وله طول موجي غير محدد، أما عندما نقيس زخمه فإننا نعامله كموجة، أي أنه يمكننا معرفة قيمة طولها الموجي، ولكن ليس موقعها.

2. نظرية النسبية العامة:

لألبرت أينشتاين تظل كشفا مهمة وأساسيا لأنها غيرت تماما كيفية رؤيتنا للكون، الاكتشاف الرائد لأينشتاين كان القول بأن المكان والزمان ليسا مطلقين وأن الجاذبية ليست ببساطة قوة تعمل على جسم أو كتلة، بل إن الجاذبية المرتبطة بأي كتلة تقوم بإحناء المكان والزمان (الزمكان) نفسه، حولها.

لفهم ذلك، تخيل إنك تسير عبر الكرة الأرضية في خط مستقيم متجها إلى الشرق، وأنك بدأت في مكان ما في نصف الكرة الأرضية الشمالي، بعد فترة لو قام أحدهم بتحديد موقعك على خريطة، فإنك فعليا ستكون شرق، وأيضا جنوب مكانك الذي بدأت منه، ذلك لأن الأرض منحنية، ولكي تسير إلى الشرق مباشرة عليك أن تأخذ في الاعتبار شكل الأرض وتوجه نفسك إلى الشمال قليلًا (فكر في الفرق بين ورقة مسطحة وكرة مجسمة)، الفضاء يعمل بذات الطريقة.

على سبيل المثال؛ بالنسبة لراكبي مكوك يدور حول الأرض، سيبدو وكأنهم يسيرون في خط مستقيم عبر الفضاء، ولكن في الواقع فإن الزمكان حولهم سيكون منحنيا بفعل جاذبية الأرض (كما هو الحال مع أي جسم كبير له جاذبية عالية، مثل كوكب أو ثقب أسود)، مما سيؤدي بهم إلى التحرك أماما ومع ذلك يبدو وكأنهم يدورون حول الأرض.

نظرية أينشتاين كان لها تأثيرات هائلة على مستقبل فيزياء الفضاء وعلم الكونيات، فقد فسرت شذوذا حسابيا بسيطا ولكن غير متوقع في مدار عطارد، وأظهرت كيف أن ضوء النجوم ينحني ووضعت الأساس النظري للثقوب السوداء.

3. التطور والانتقاء الطبيعي:

بعد أن أوضحنا أهم المبادئ الأساسية عن نشوء الكون وكيف يمكن للفيزياء أن تؤثر في حياتنا اليومية، دعونا ننتقل إلى الشكل البشري وكيف وصلنا إلى ما نحن عليه.

حسب تقدير أغلبية العلماء، فإن كل الحياة على الأرض لها سلف مشترك، ولكن لإنتاج التنوع الهائل بين جميع الكائنات الحية، كان يجب على أفراد معينين أن يتطوروا إلى أنواع مستقلة، في الأساس حصل هذا التنوع عبر التطور، أي عبر التناسل مع التعديل، جماعات الكائنات طورت سمات مختلفة، عبر آليات كالطفرات.

ثم إن أصحاب السمات المفيدة للبقاء(مثل ضفدعة بنية اللون مما سمح لها بالتخفي وسط مستنقع) تم اختيارهم بواسطة الطبيعة للبقاء؛ من هنا جاء المصطلح “الانتقاء الطبيعي”، أساس الاكتشاف الرائد الذي قام به داروين في القرن 19: أن التطور عبر الانتقاء الطبيعي هو المسئول عن ذلك التنوع الكبير للكائنات على الأرض.

4. مبدأ الطفو لأرخميدس:

بعد ما اكتشف مبدأ الطفو، يحكى أن العالم الإغريقي أرخميدس هتف قائلا “يوريكا!” (وجدتها)، ثم جرى عاريا وسط مدينة سيراكيوز.

تحكي القصة أن أرخميدش قام بكشفه الهائل حينما لاحظ أن المياه ترتفع حين كان يخطو إلى حوض الاستحمام، حسب مبدأ الطفو لأرخميدس، فإن القوة التي تعمل على دفع جسم غاطس (كليا أو جزئيا) إلى الأعلى (تدفعه للطفو) تساوي وزن السائل الذي يزيحه الجسم، ذلك المبدأ له تطبيقات واسعة للغاية وهو ضروري لحساب الكثافة، ومهم في تصميم الغواصات والحاويات المائية الأخرى.

5. قوانين الديناميكية الحرارية:

الفيزيائي والروائي الإنجليزي سي. بي. سنو قال مرة أن الإنسان العادي لو لم يعرف القانون الثاني للديناميكا الحرارية مثله كالعالم الذي لم يقرأ شكسبير أبدا، مقولة سنو المشهورة اليوم قصد بها أن يؤكد على أهمية الديناميكا الحرارية وضرورة تعلمها حتى بالنسبة لغير العلماء.

الديناميكا الحرارية هي دراسة كيفية عمل الطاقة في نظام، سواء كان محرك أو مركز الأرض، يمكن تبسيطها إلى عدة قوانين أساسية، والتي لخصها سنو ببراعة كالآتي: لا يمكنك أن تربح، لا يمكنك أن تتعادل، لا يمكنك أن تخرج من اللعبة.

دعونا نشرحها قليلا، بقوله “لا يمكنك الربح” فإن ما قصده سنو هو، بما أن المادة والطاقة محفوظتان، فلا يمكنك الحصول على أيّ منهما دون التخلي عن الآخر)وهي معادلة أينشتاين الشهيرة E=mc² الطاقة تساوي الكتلة مضروبة في مربع سرعة الضوء(، وتعني أيضا أنه لكي يعمل المحرك وينتج شغلا، فيجب أن تمده بالحرارة، وذلك على الرغم من أنه- وباستثناء نظام كامل الإغلاق- فإنه لا مفر من أن بعض الحرارة ستضيع إلى العالم الخارجي.

العبارة الثانية- لا يمكنك التعادل- تعني أنه بسبب الزيادة المستمرة للإنتروبي، فلا يمكنك أن تعود إلى نفس وضعية الطاقة، الطاقة المركزة في مكان واحد ستنساب دوما إلى الأماكن ذات التركيز الأقل.

أخيرا، القانون الثالث- لا يمكنك ترك اللعبة- يشير إلى الصفر المطلق، أي أقل درجة حرارة ممكنة نظريا، والتي تقاس بصفر كيلفن (أو سالب 273.15 درجة مئوية، وسالي 459.67 فهرنهايت)، حين يصل النظام إلى صفر مطلق، فإن الجزيئات تتوقف تماما عن الحركة، مما يعني عدم وجود طاقة حركية، والإنتروبي تصل إلى أخفض قيمة ممكنة، ولكن في العالم الحقيقي، فإنه حتى في الخلاء الفضائي من المستحيل الوصول إلى صفر مطلق- يمكنك الاقتراب منه كثيرًا.

6. قوانين نيوتن للحركة:

طالما أننا نتحدث عن واحد من أعظم العلماء في التاريخ، دعونا ننتقل إلى قوانين نيوتن الأخرى الشهيرة، إن قوانينه الثلاثة للحركة تشكل معا عنصرا أساسيا في الفيزياء الحديثة، ومثل العديد من القوانين العلمية الأخرى، فإنها تتميز بالأناقة في بساطتها.

أول قانون من الثلاثة ينص على أن الجسيم المتحرك يظل متحركا، إلا لو أثرت عليه قوة خارجية، بالنسبة لكرة تتدحرج على الأرض، فإن تلك القوة الخارجية ستكون الاحتكاك بين الكرة والأرض، أو قد تكون الطفل الذي يركل الكرة إلى اتجاه آخر.

القانون الثاني يعقد صلة بين كتلة الجسم (m) وعجلة تسارعه (a)، في شكل المعادلة F = m × a. حيث (F) تمثل القوة مقاسة بوحدة النيوتن.

وهي أيضًا قوة موجهة بمعنى أن لها عنصر اتجاه، بسبب التسارع فإن الكرة المتدحرجة على الأرض لها سهم توجه معين في اتجاه حركتها، ويتم الأخذ به في الحسبان حين نحسب قوتها.

القانون الثالث واضح وينبغي أن يكون مألوفا لك: لكل فعل هناك رد فعل مساوي له في القوة ومضاد له في الاتجاه، هذا يعني أنه لكل قوة تعمل على جسم أو سطح، فإن الجسم يدفعها بقوة مساوية.

7. قانون هابل للتوسع الكوني:

دعنا نتوقف للحظة عند ادوين هابل؛ في صخب عشرينات القرن الماضى بعد احباط كبير، يظهر لنا هابل المعروف بأدائه الرائد فى البحث الفلكي, هابل لم يثبت فقط وجود مجرات أخرى غير مجرتنا درب التبانة بل إنه اكتشف ايضا أن تلك المجرات تبتعد عن مجرتنا بحركة سماها هو بالتراجع.

ولتحديد سرعة المجرة قدم لنا هابل ما يعرف بقانون هابل الذى ينص على أن السرعة = h * المسافة وh هنا تمثل ثابت هابل الذى يحسب من معدل تمدد الكون والمسافة مجرة والأخرى التى نريد مقارنتها معها ( فمثلا مجرة اندروميدا تسير بسرعة 120 كم فى الثانية نحو مجرتنا درب التبانة).

وعند حساب ثابت هابل أعطانا العديد من النتائج مع مرور الزمن ولكن القيمة المقبولة الآن هى 70 كم / ثانية, والأهمية الكبرى لقانون هابل تنبع من تقديمه طريقة موجزة لحساب سرعة المجرات التي تتجه نحو مجرتنا فهذا القانون المتفق عليه يخبرنا أن الكون يحتوي على العديد من المجرات التي يمتد أثرها من الانفجار العظيم.

8. الانفجار العظيم:

إذا كنت تريد أن تعرف نظرية علمية فاجعلها تلك التي تشرح كيف وصل الكون إلى حالته الحالية, المبنية على البحث المقدم من كل من ادوين هابل وجورجيس لامتري والبرت اينشتاين بالإضافة إلى آخرين.

من مسلمات نظرية الانفجار العظيم أن الكون نشأ منذ حوالى 14 مليار عام يصاحبه حدث توسعي هائل (يبدأ بالتضخم), فكل مادة الكون كانت متمركزة فى نقطة متفردة حتى وصلت إلى شكلها الحالي.

ولقد حصلت تلك النظرية على دعم من المجتمع العلمي، وخاصة بعد أن اكتشف كل من ارنو بينزيس و روبيرت ويلسون إشعاع الخلفية الميكرونى عام 1965 عندما وجدوا ضجيج كوني لم يتبدد مع الزمن بالتعاون مع الباحث روبرت ديك, فكل منهم أثبت فرضية روبرت الذى قال أن الانفجار العظيم قد تخلف عنه إشعاع على مستوى منخفض.

9. قانون كيبلر لحركة الكواكب:

لقرون عديدة مضت تعارك الفلكيين فيما بينهم وبين كهنة الدين حول موضوع مدارات الكواكب وخاصة دورانهم حول الشمس, ففي القرن ال 16 وضع كوبرينكوس مفهومه المثير للجدل حول مركزية الشمس في النظام الشمسي, وأن الكواكب تدور حول الشمس وليس الأرض, ولكن الموضوع قد أثار اهتمام كيبلر لكي يطور النموذج الموضوع من تايكو برا وآخرين حول وضع أساس علمي لحركة الكواكب.

وقد وضع كيبلر ثلاثة قوانين لوصف حركة الكواكب ودورانها حول الشمس, القانون الأول الذى غالبا ما يدعى بقانون المدارات وهو يوضح بإيجاز دوران الارض حول الشمس، القانون الثانى يسمى بقانون المسافات وهو يحسب المسافة المقطوعة بين الكوكب والشمس بمعنى أنه لو قمت بحساب المسافة على مدار 30 يوما بين الأرض والشمس ستجدها كما هي لم تتغير.

القانون الثالث يسمى بقانون الفترات الزمنية وهو يمكننا من وضع علاقة واضحة بين الفترة التي يحتاجها الكوكب للدوران فى مداره وبعده عن الشمس، وبفضل هذا القانون استطعنا أن نحدد بأن الكوكب القريب نسبيا من الشمس مثل عطارد يأخذ فترة أقل للدوران من كوكب بعيد نسبيا من الشمس مثل نبتون.

10. قانون الجذب العام:

ربما نعتبره أمرًا مفروغا منه الآن، ولكن منذ أكثر من 300 سنة قدم السير إسحاق نيوتن فكرة ثورية: أن أي جسمين، بغض النظر عن كتلتيهما، يبذلان قوة جاذبية على بعضهما البعض، هذا القانون يتم عرضه بمعادلة يقابلها الكثير من طلاب المدرسة الثانوية في حصص الفيزياء، وتسير كالآتي: F = G × [(m1m2)/r²].

F هي قوة الجذب بين الجسمين، مقاسة بوحدة النيوتن. m1 و m2 هما كتلتا الجسمين، بينما r هي المسافة بينهما، G هي ثابت الجاذبية، وهو رقم يحسب اليوم على أنه 6.672 × 10-11 N m² kg-2.

فائدة قانون الجذب العام أنه يسمح لنا بحساب شدة الجذب بين أي جسمين، تلك المقدرة مفيدة خاصة حين يقوم العلماء، مثلا، بالتخطيط لوضع قمر صناعي في مدار معين، أو رسم خريطة لمسار القمر.

  • إعداد: مادونا خالد
  • تدقيق: مرام سالم
  • تحرير: تسنيم المنجّد
  • المصدر