نبذة عن كاتب المقال بول ساتر:

عالم الفيزياء الفلكية في جامعة The Ohio State University، وكبير علماء مركز COSI Science Center، كما أنه مقدم المقاطع الصوتية في مدونة Ask A Spaceman و RealSpace، وهو مقدم سلسلة Space In Your Face على يوتيوب دعونا نلعب هذه اللعبة!

سرعة الضوء هي مجرد رقم، صحيح؟

إذا تمكنت من تعريف ماهية الوحدات (المتر، الثانية..إلخ)، تستطيع عندها أن تقول بأن الضوء مثلًا يقطع 300 مليون مترًا في الثانية، أو ما يعادل 670 مليون ميلًا في الساعة الآن، ماذا لو افترضنا بأن سرعة الضوء تساوي واحدًا، واحدًا فقط تسألون “واحد ماذا؟”فقط واحد! لا نتحدث عن وحدات هنا، لا عن ثوانِ ولا عن أميال ولا عن وحدات وقت أو طول.

في الحقيقة يمكننا أن نفعل ذلك لأن واحد هو رقم، ونحن اخترنا أن ندرس السرعة بعيدًا عن الوحدات طبقًا لهذه الفرضية، فإن الطائرة النفاثة ستكون بالغة البطء، حيث تكون سرعتها 0.000001، أو 0.0001 بالمائة من سرعة الضوء مع العلم أن مسباري هليوس Helios الفضائيين، والذين يعدان من أسرع الأشياء التي اخترعها الإنسان، جابا المنظومة الشمسية في سرعة تساوي 0.00025 من سرعة الضوء.

الآن، إذا عرّفنا سرعة الضوء على أنها الرقم 1، ثم تذكرنا أشهر معادلة في الفيزياء:

E=mc^2Energy :E : الطاقة.

Mass :m: الكتلة.

Constant speed of light :c: سرعة الضوء الثابتة.

بناء على ما افترضناه أعلاه، بأن سرعة الضوء تساوي 1، ستكون المعادلة E=m أي الطاقة تساوي الكتلة إذن الطاقة هي الكتلة، والكتلة هي الطاقة الآن ستسألون “كيف ذلك؟ وماذا عن الضوء؟ فالفوتونات ليس لها كتلة، ولكن لها طاقة.. وإلا فكيف تتغذى النباتات؟

صحيح، فالفوتونات ليس لها كتلة، ولكن لها قوة دفع، وهي التي تمكن الضوء – مثلًا – من الانتقال.

قوة الدفع هذه تأتي من ضغط الإشعاع، وقوة الدفع لها طاقة ولكن أين قوة الدفع في معادلة E=m؟ المعضلة في هذه المعادلة تكمن في الكتلة نحن ننظر إلى الكتلة على أنها شيء صلب وبسيط فلو حملنا حجر في يدنا، سندرك أن لهذا الحجر كتلة لو رمينا الحجر، سندرك أن لهذا الحجر كتلة وقوة دفع ولكن هذه ليست الكتلة التي نتحدث عنها في المعادلة أينشتاين عندما وضع المعادلة، قصد الكتلة النسبيةمصطلح “الكتلة النسبية” لم يعد متداولًا كثيرًا في يومنا هذا، لأنه يتسبب في بعض التشويش إذن ماذا كان يقصد أينشتاين تحديدًا؟

لو عدنا إلى النسبية الخاصة، نتذكر أننا لا يمكن أن نتحرك بسرعة الضوء، لأن الكتلة تزداد طرديًا مع ازدياد سرعة الحركة فإذا أردنا أن نتنقل بسرعة الضوء، ستصبح الكتلة مطلقة، وهذا ما سيعيق التحرك لنفترض أنني دفعتك بقوة استطعت بها أن تسافر بسرعة تساوي 0.9 من سرعة الضوء.

ثم التحقت بك ودفعتك مرة ثانية بنفس القوة لن تسافر هذه المرة بسرعة تساوي 1.8 من سرعة الضوء (أي ضعف السرعة الأولى).

لماذا؟ لأنك لا يمكن أن تتخطى سرعة الضوء وكلما قاربت سرعتك سرعة الضوء، كلما كان تأثير دفعي لك أقل مع أول دفعة، ستكون سرعتك 0.9 من سرعة الضوء، أما مع ثاني دفعة فستكون سرعتك 0.99، ثم مع ثالث دفعة ستكون سرعتك 0.999 وهكذا دواليك..

وكأنك تصبح أثقل مع كل دفعة هذا تمامًا ما تعنيه الكتلة الإضافية “تزداد صعوبة دفعك شيئًا فشيئًا”.

ما السبب؟ إنها الطاقة، ستبقى كتلتك على ما هي عليه، إنما ستكون سرعتك هائلة. وهذه السرعة لها طاقة مرتبطة بالطاقة الحركية.ويمكن أن ننظر إلى الطاقة الحركية على أنها الكتلة الإضافية.

بمعنى آخر، نستطيع أن نقول أن الطاقة هي الكتلة.

وبالعودة إلى الكتلة في المعادلة E=mعندما طرح الفيزيائيون هذه المعادلات، كانوا على علم بالحد الأقصى للسرعة الكونية، وبنتائجها البديهية، كازدياد صعوبة دفعك مع ازدياد سرعتك.

فخلصوا إلى مفهوم “الكتلة النسبية”، والذي يجمع بين كتلتك الطبيعية، والكتلة التي تكتسبها من الطاقة الحركية.

عندما نجزّئ الكتلة نحصل على:E^2= m^2 + p^2مع العلم أن P هي momentum أي قوة الدفع وسنحصل على نفس النتيجة في معادلة مختلفة هي:E^2= m^2c^4 + p^2c^2مع العلم أن c هي constant speed of light أي سرعة الضوء الثابتة.

الآن، نحن نعلم أن الفوتونات مثلًا لا تمتلك كتلة، ولكن لها قوة دفع، بالتالي سيكون لها طاقة.

من هنا، يمكننا أن نقول إن الكتلة هي نوع من الطاقة.

وزن فنجان القهوة الساخن، أعلى من وزن فنجان القهوة البارد وزن السفينة الفضائية التي تسير بسرعة، أعلى من وزن السفينة الفضائية التي تسير ببطء نواة الذرة باختصار، هي كتلة متراصة من الطاقة.

  • ترجمة : تيما طعان
  • تدقيق: ابراهيم صيام
  • تحرير: حسام صفاء
  • المصدر