الرئيسية » سؤال وجواب » كيف يمتلك الضوء كمية حركة (زخم) بدون ان يكون له كتلة؟ اليس هذا تناقض؟

كيف يمتلك الضوء كمية حركة (زخم) بدون ان يكون له كتلة؟ اليس هذا تناقض؟

كيف يمتلك الضوء كمية حركة (زخم) بدون ان يكون له كتلة؟ اليس هذا تناقض؟




هذا من الأسئلة الجيدة والمتكررة والتي تخطر على بال الكثير منا! في البداية ماذا تعني كلمة كمية حركة أو الزخم momentum؟ عرف نيوتن كمية الحركة بأنها كمية تساوي حاصل ضرب كتلة الجسم في سرعته. لقد كان هذا التعريف مفيدا للغاية لانه ادى إلى تنبؤات دقيقة لحركة الأجسام بالإضافة إلى أفكار جديدة مثل مبدأ الحفاظ على كمية الحركة. وبالتأكيد عزيزي القارئ لابد وانك ايضا تفكر في كمية الحركة على هذا النحو. حسنا لقد تقدمنا في هذا المجال منذ القرن السابع عشر وتم اكتشاف أشياء جديدة. على سبيل المثال تعريف نيوتن ليس دقيقا. لقد اكتشف اينشتاين تعريفا أدق لكمية الحركة حيث جاء في نظريته النسبية الخاصة بأن كمية الحركة تساوي جاما في كتلة السكون في السرعة. حيث ان جاما تعطى بالمعادلة التالية:

كيف يمتلك الضوء كمية حركة (زخم) بدون ان يكون له كتلة؟ اليس هذا تناقض؟




حيث أن v هي سرعة الجسم وc تمثل سرعة الضوء في الفراغ. الآن ما هو مقدار كمية الحركة لأي جسم حولنا على سبيل المثال كرة القدم او سيارة او القمر. تخيل ان c كمية ثابتة وهي تمثل رقم كبير جدا، و هذا يجعل الجاما لجميع الأشياء من حولنا تساوي 1. لكن يجب أن يوجد في المعادلة! لم يدرك نيوتن اهميته لكونه كان يتعامل مع الأجسام المادية التي تتحرك بس
رعات معتادة في حياتنا اليومية.

أما الحد الثاني في معادلة اينشتين لكمية الحركة هو كتلة السكون وهذا يعني أننا نقيس كتلة الجسم عندما يكون ثابتا بالنسبة لك. نيوتن لم يأخذ هذا الامر في الحسبان لأنه اعتمد على أن الكتلة هي الكتلة سواء ثابتة أو متحركة.




أما الحد الثالث في معادلة اينشتين لكمية الحركة فهو السرعة وهي نفس السرعة التي استخدمها نيوتن في معادلته.

نلاحظ ان اينشتين أدخل تحسينات على معادلة نيوتن الاول ادخال جاما حتى لو كل الأجسام من حولنا تتحرك تمتلك جاما تساوي صفر لان سرعتها أقل بكثير من سرعة الضوء، وكذلك أدخل مفهوم كتلة السكون والتي يجب ان تقاس عندما يكون الجسم في حالة سكون.

لاحظ أنه إذا كان الجسم يتحرك بسرعة الضوء فإن كمية الحركة له تصبح لا نهائية، لكن حسنا قد تقول لا يمكن لأي جسم ان يتحرك بسرعة الضوء لذلك دعنا نفترض انه يتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء ولتكن 99.9٪. تصبح جاما في هذه الحالة عدد كبير لكن ليس لا نهائي، ما نستنتجه هنا ان النسخة المحسنة من معادلة كمية الحركة التي أوجدها اينشتين تقول ان الأجسام التي تتحرك بسرعة كبيرة جدا تمتلك كمية حركة أكثر من التي تصورها نيوتن.

لنعود الآن لشيء يتحرك بسرعة الضوء. ولا يوجد الا الضوء نفسه! هل معنى ذلك ان الضوء يمتلك كمية حركة لانهائية؟ هذا ما يبدو هو الاستنتاج المنطقي هنا. لكن تمهل ماذا عن كتلة السكون للضوء؟ حسنا ما هي كتلة السكون للفوتون. بالتأكيد سوف تقول انها تساوي صفر وهذا صحيحا. لذلك التحسين الإضافي الذي قام به آينشتاين لمعادلة كمية الحركة لنيوتن هي ان كمية الحركة للضوء تساوي صفر على صفر أي كمية غير معرفة.

ان اي شيء ليس له كتلة (الضوء) فانه دائما يتحرك بسرعة الضوء. لكن لأن سرعة الضوء دائما هي سرعة الضوء بالنسبة لأي مراقب، فإنه لا توجد طريقة لهذه الأشياء (الضوء) التي ليس لها كتلة ان تكون ساكنة واي شيء يتحرك بسرعة الضوء لا يشعر بمرور الزمن. ما أقصده هنا ان الضوء والمادة شيئان مختلفان تماما والقوانين التي تحكمهما مختلفة أيضا.




ماذا الان؟

لقد تمكن اينشتين من ايجاد كمية حركة الضوء من خلال ااكتشاف العلاقة بين الطاقة التي يحملها جسم حر وكمية حركته وهي على النحو التالي:

كيف يمتلك الضوء كمية حركة (زخم) بدون ان يكون له كتلة؟ اليس هذا تناقض؟

حيث ان E تمثل الطاقة، وc هي سرعة الضوء وp  هي كمية الحركة والتي تساوي جاما في الكتلة في السرعة وm هي كتلة السكون.

وكما نعلم ان كتلة السكون للفوتون تساوي صفر اذا نحصل على شيء هام بخصوص الضوء من المعادلة السابقة وهي ان

E=pc

اذا الضوء يجب ان يمتلك كمية حركة وتساوي

p=E/c

توصلنا ببساطة لشيء مدهش وأبسط بكثير من كمية حركة كرة قدم بدون الجاما وبدون كتلة السكون. بمعنى إذا علمنا طاقة الضوء نقوم بتقسيمها على سرعة الضوء فنحصل على كمية الحركة له! كما نعلم ايضا ان فوتون الضوء يمتلك طاقة ثابت بلانك في تردده أو ثابت بلانك في سرعة الضوء مقسومة على الطول الموجي للضوء. لذلك فإن كمية الحركة لفوتون الضوء تعطى بالعلاقة

p=h/wavelength

لا يوجد تناقض عندما نقول ان الضوء يمتلك كمية حركة وفي نفس الوقت لا يمتلك كتلة سكون. في الحقيقة إذا كان هناك شيء له كتلة سكون تساوي صفر فإن هذا الشيء يجب ان تكون له كمية حركة وتساوي مقدار الطاقة مقسومة على سرعة الضوء.

في النهاية لقد اثبتت التجارب العملية ان الضوء له كمية حركة، وتجدر الاشارة هنا الى ان نيوتن حدد مقدار كمية الحركة بناء على الأشياء التي نتعامل معها في حياتنا اليومية وتتحرك بسرعات بطيئة بالمقارنة بسرعة الضوء.




تعليقات

تعليقات

عن الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر - غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي | ومركز الترجمة العلمي | وقناة الفيزياء التعليمي على اليوتيوب | ورئيس تحرير مجلة الفيزياء العصرية | Email skhazem@gmail.com

تفضل بزيارة صفحتي
تصفح كل مقالاتي

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.