[فيديو] جولة في عالم الفيزياء: كل ما يجب ان تتذكره
هل سبق أن تساءلت كيف يعمل الكون من حولنا؟
كيف تتحرك الكواكب في الفضاء؟
لماذا تطفو السفن على الماء؟
كيف يمكن لموجات الراديو أن تحمل الصوت عبر مئات الأميال؟
الفيزياء هي المفتاح لفهم هذه الألغاز وأكثر. في هذا الفيديو، سنأخذكم في جولة فيزيائية نستعرض فيها أكثر الأفكار إثارة في الفيزياء، من قوانين الحركة والجاذبية لنيوتن إلى أسرار النسبية وميكانيكا الكم التي اكتشفها أينشتاين وشرودنجر.
سواء كنت عاشقًا للعلم أو مجرد فضولي يتطلع لفهم العالم بشكل أفضل، فإن هذه الرحلة عبر أساسيات الفيزياء ستضيء لك الطريق لفهم الكون بأسره.
على الرغم من أنه من المستحيل تعلم الفيزياء في مقطع فيديو، الا ان هناك معلومات أساسية في الفيزياء ذات صلة بحياتك اليومية سوف تساعدك على فهم الكثير من الأشياء حولنا.
علم الفيزياء هو الأساس الذي تقوم عليه جميع العلوم التطبيقية مثل البيولوجيا، والكيمياء، والطب، والجيولوجيا، والأرصاد الجوية، والهندسة بكل تخصصاتها.
في هذا الفيديو لا أريد أن أقدم لك معلومات يمكنك العثور عليها بسهولة في الويكيبيديا. سأشرح لك ما أعتقد أنه أهم المفاهيم التي تستحق المعرفة.
هناك خمس مجالات واسعة من الفيزياء أعتقد أنه يجب أن تعرف القليل عنها:
- الميكانيكا الكلاسيكية،
- الطاقة والديناميكا الحرارية،
- الكهرومغناطيسية،
- النسبية،
- ميكانيكا الكم.
الميكانيكا الكلاسيكية ربما تكون هي الأكثر صلة بتجربتك اليومية. هنا علينا أن نقدم مؤسس الميكانيكا الكلاسيكية، وهو العالم إسحاق نيوتن، ربما هو أعظم عالم في كل العصور. نيوتن قدم الكثير للفيزياء ولكن هنا سوف أركز على امرين يستحقان التذكر. الأول يتجسد في قانون نيوتن الثاني وقانون الجاذبية،
ينص قانون نيوتن الثاني على ان القوة تساوي الكتلة مضروبة في التسارع.
هذه المعادلة برغم بساطتها الا ان لها تطبيقات عديدة.
فالقوة في الفيزياء الكلاسيكية تعني الدفع أو السحب.
اما الكتلة هي مقياس للقصور الذاتي، والذي يعني بشكل اخر هو مدى عدم رغبة الجسم في تغيير حركته.
والتسارع هو مقدار سرعة تغيير سرعتك او بمعنى اخر معدل تغير السرعة بالنسبة للزمن.
إذا طبقت قوة على كتلة ثابتة، فإن معادلة نيوتن تخبرنا بمدى التسارع الذي ستحصل عليه هذه الكتلة. ومعرفة التسارع، يمكنك توقع أين سيكون الجسم في وقت معين ومكان معين. لذا مع هذه الصيغة البسيطة، يمكنني التوقع بالضبط مكان سقوط كرة السلة وأين ستذهب.
إذا عرفت جميع القوى المؤثرة عليها، بما في ذلك احتكاك الهواء، الذي هو أيضًا قوة، يمكنني التوقع بالضبط ما إذا كانت ستدخل الكرة في السلة أم لا.
يمكن استخدام قانون نيوتن ايضا في تحديد مقدار الدعم الذي ستحتاجه لبناء جسر وكذلك حساب قوة دفع الصاروخ.
إنها معادلة هامة للغاية.
القوة ليست شيئًا ماديًا.
إنها مقياس للتفاعل. فمثلا جسمك لا يمتلك قوة. بل لديه كتلة.
وزنك هو القوة التي يؤثر بها جسمك على الأرض. من الناحية العملية انت لا تزن 80 كيلوجرامًا لأن هذه هي كتلتك. يجب أن تقول إنك تزن 784 نيوتن، وهو كتلتك مضروبة في تسارع الجاذبية على الأرض والتي تساوي 9.8 متر في الثانية تربيع. لإعطائك فكرة عن هذا المقياس، فان واحد نيوتن من القوة يعادل القوة التي ستشعر بها على راحة يدك إذا كنت تحمل تفاحة صغيرة.
المعادلة الهامة الثانية أيضًا من نيوتن هي قانون الجاذبية او قانون الجذب العام. هذا القانون يسمح لنا بتحديد حركة الأجرام السماوية، مثل القمر الذي يدور حول الأرض أو الكواكب التي تدور حول النجوم. يقول أن قوة الجاذبية بين جسمين هي حاصل ضرب كتلهما مقسومًا على مربع المسافة بينهما مضروبة في ثابت يسمى ثابت الجاذبية لنيوتن او ثابت الجذب العام.
يخبرك بأن الجاذبية تتناقص بسرعة عندما تبتعد الأجسام عن بعضها البعض لأن الجاذبية تتناسب عكسيا مع مربع المسافة. كان هذا اكتشافًا كبيرًا عندما صاغه نيوتن لأنه شرح رياضيًا حركة جميع الأجرام السماوية. لا يزال يعمل جيدًا حتى يومنا هذا، وهو الأساس الذي قامت عليه الأقمار الصناعية.
نأتي الان إلى موضع الطاقة ان الأفكار حول الطاقة ظهرت بعد مئة عام من نيوتن. الطاقة ليست كمية متجهة مثل القوة. الطاقة ليس لها اتجاه، انها مقدار فقط. الشغل مرتبط بشكل وثيق بالطاقة. له نفس الوحدة وهي الجول، والذي جاء تعريفه من الشغل الذي يساوي القوة في المسافة، فعندما تؤثر قوة مقدارها واحد نيوتن لتحريك جسم مسافة متر تكون قد بذلك جول من الطاقة. إذا رفعت تفاحة صغيرة مترًا واحدًا، فإن ذلك يتطلب منك بذل واحد جول من الطاقة أو الشغل. الطاقة هي مقياس لكمية الشغل الذي يمكنك القيام به.
الشغل هو ببساطة تحويل الطاقة من شكل إلى آخر.
الطاقة لمعظم الأجسام تتكون من الطاقة الحركية بالإضافة إلى طاقة الوضع.
الطاقة الحركية هي طاقة الحركة. يتم التعبير عنها كـ نصف الكتلة في مربع السرعة. كلما كانت الكتلة أكبر وكلما كانت السرعة أكبر، كانت الطاقة أكبر. السرعة تحدث فرقًا أكبر في الطاقة من الكتلة لانها تتناسب مع مربع السرعة.
إذا كنت تحمل هاتفك وسقط منك على الارض، فمن المحتمل أن يتضرر. ولكن من أين أتت الطاقة التي تسببت في الضرر؟ الهاتف كان لديه ما يسمى بطاقة وضع عندما كنت تحمله بالقرب من أذنك. تم تحويل طاقة الوضع إلى طاقة حركة أثناء سقوطه. يتم التعبير عن طاقة الوضع بـ الكتلة في تسارع الجاذبية في الارتفاع. وهذه ما هي الا طريقة أخرى للتعبير عن القوة في المسافة أو الشغل.
يتم تحويل طاقة الوضع هذه إلى شغل أو قوة تتسبب في كسر شاشة الجوال عندما يصطدم بالأرض. لذلك الطاقة الكلية لجسم هي الطاقة الحركية بالإضافة إلى طاقة الوضع. يمكن أن تأخذ طاقة الوضع أشكالًا عديدة. الوقود على سبيل المثال يحتوي على طاقة كيميائية. الشيء الاهم الذي يجب أن تتذكره عن الطاقة هو أنها دائمًا محفوظة. لا تفنى ولا تستحدث كل ما يحدث هو انها تتحول من شكل إلى اخر.
الآن يأخذنا الحديث عن الطاقة بشكل طبيعي إلى الديناميكا الحرارية، وهي دراسة الشغل والحرارة والطاقة في النظام. المفهوم الاساسي الذي يستحق ان تتذكره هو انسياب الحرارة. عرفنا الطاقة بأنها كمية الشغل الذي يمكنك القيام به، ولكن هناك شكل آخر من الطاقة وهو الطاقة الحرارية. إ
ذا كانت السيارة تتحرك وضغطت على الفرامل، فإن الطاقة الحركية للسيارة تصبح صفرًا.
أين ذهبت تلك الطاقة؟ لم تذهب إلى طاقة وضع ولم تختزن في أي مكان في السيارة. هل اختفت؟ لا. تم تحويلها إلى طاقة حرارية نتيجة للاحتكاك بين عجلات السيارة مع الشارع. المقصود بالحرارة هي تدفق الطاقة الحرارية من جسم إلى آخر.
الطاقة الحرارية الناتجة من الفرامل تعمل على زيادة طاقة حركة جزيئات الهواء. ينتج عن ذلك زيادة في درجة حرارة الهواء المحيط. هذا هو المكان الذي تنتهي فيه الطاقة الحركية لسيارتك بعد التوقف.
درجة حرارة النظام تعبر عن متوسط الطاقة الحركية للذرات في النظام. اما الطاقة الحرارية هي كمية الطاقة الحركية الكلية للذرات في النظام.
مفهوم آخر في الديناميكا الحرارية هو الإنتروبي. والإنتروبي هي مقياس للفوضى، وبدقة أكثر الانتروبي هو مقياس للمعلومات المطلوبة لوصف الحالات الدقيقة للنظام. قانون الديناميكا الحرارية الثاني ينص على أن الانتروبي لنظام معزول لا يمكن أن تنقص أبدًا.
الكون يسير بشكل لا مفر منه نحو زيادة الإنتروبي أو الفوضى.
بشكل عملي، يخبرنا هذا القانون أن بعض الطاقة تكون أكثر فائدة للقيام بشغل من الأخرى. الطاقة عند إنتروبيا أقل تقوم بشغل أكثر من الطاقة عند إنتروبي أعلى.
على سبيل المثال، الطاقة المخزنة في البنزين أكثر فائدة للقيام بشغل من الطاقة الحرارية التي تتبدد من فرامل سيارتك. الطاقة المنظمة أكثر فائدة من الطاقة الأقل تنظيما. الحرارة والعادم من السيارة لن يعيدوا ترتيب أنفسهم ليصبحوا البنزين. لكن يمكن تحويل البنزين إلى حرارة وعادم.
من المهم تذكر كلمة نظام معزول. إذا وضعت كوبًا من الماء في الفريزر، فسوف تنخفض الإنتروبيا، ولكن داخل الفريزر ليس نظامًا معزولًا لأن الفريزر يستخدم الطاقة من الكهرباء لتبريد الداخل. وهذا يزيد من انتروبي الغرفة عن طريق تسخين الغرفة أكثر من تبريد ما بداخل الثلاجة.
يجب ان تتذكر هذه الحقيقة الهامة وهي ان اتجاه الانتروبي يكون دائما في اتجاه واحد تماما مثل احساسنا بالزمن المتحرك في اتجاه وكما لا يمكننا العودة إلى الماضي فان الانتروبي دائما تتجه إلى الزيادة.
ولفهم الانتروبي أكثر سوف اضع في صندوق الوصف رابط لمحاضرة تشرح مفهوم الانتربي بشكل مفصل.
لننتقل الآن إلى الكهرومغناطيسية.
الكهرومغناطيسية هي دراسة التفاعل بين الجسيمات المشحونة كهربائياً. ان المفاهيم الأساسية للكهرومغناطيسية تجسدها معادلات ماكسويل. أي شيء له ما يسمى بالشحنة. نحن لا نعرف ما هي كينونة الشحنة. إنها مجرد خاصية لأنواع معينة من المادة مثل الإلكترونات والبروتونات.
إذا كان للجسم الكبير شحنة سالبة، فهذا يعني أن لديه إلكترونات أكثر من البروتونات. المفهوم الأول الذي أريدك أن تفهمه هو أنه إذا كان لديك جسم ثابت يمتلك شحنة، فإنه سيؤثر فقط على الشحنات الأخرى. وإذا كان لديك مغناطيس ثابت، فإنه سيؤثر فقط على المغناطيسات الأخرى. لن يؤثر على الشحنات.
لكن إذا كان لديك شحنة متحركة، فإنها ستؤثر على المغناطيس. وإذا كان لديك مغناطيس متحرك، فإنه سيؤثر على الشحنة. هذا هو ما تتحدث عنه هذه المعادلات الأربعة لماكسويل.
المعادلة الأولى تخبرنا أنه إذا كان لديك شحنة كهربائية، فسيكون هناك مجال كهربائي ينبعث منها.
المعادلة الثانية هي في الأساس نفس المفهوم بالنسبة للمغناطيس أي انه إذا كان لديك مغناطيس فان له مجالا مغناطيسيا، الا أن المغناطيس سيكون لديه دائمًا عدد من خطوط المجال التي تخرج بقدر ما تدخل. طريقة أخرى لقول إن المغناطيس سيكون له دائمًا قطبان، قطب شمالي وقطب جنوبي. لا يمكن أن يكون قطبًا واحدًا. يمكنك تقسيم المغناطيس، لكنه سيشكل دائمًا مغناطيسًا جديدًا بقطبين شمالي وجنوبي.
المعادلة الثالثة تقول إنه إذا حركت مغناطيسًا، فان سيولد مجالًا كهربائيًا. وهذا هو مبدأ توليد الكهرباء بواسطة المغناطيسات المتحركة.
المعادلة الرابعة تقول إن الشحنة المتحركة أو المجال الكهربائي المتحرك يولد مجالًا مغناطيسيًا.
لاحظ هنا الثوابت إبسيلونوت وميونوت، وهما النفاذية والسماحية للفراغ. هذان الثابتان يحددان سرعة الضوء لأنهما يقيسان مقاومة الفضاء لتغير المجالات الكهربائية والمغناطيسية.
هذا يقودنا إلى ألبرت أينشتاين ونظريته النسبية، التي أدخلت ثورة في الفيزياء. ومن المثير للاهتمام أن عنوان ورقته العلمية في عام 1905 عن النسبية الخاصة كانت بعنوان “الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة”. هذا يخبرنا بارتباط النظرية النسبية بأفكار ماكسويل.
اعتقد أينشتاين أنه إذا كانت سرعة الضوء تتحدد بالثابتين، ميونوت وإبسيلونوت، فإن سرعة الضوء ثابتة أيضًا، ولا تتغير في أي إطار مرجعي. كانت هذه واحدة من فرضيات النسبية الخاصة. اما الفرضية الثانية هي أن قوانين الفيزياء هي نفسها لجميع المراقبين. وهاتين الفرضيتين لهما العديد من النتائج الهامة.
افترض على سبيل المثال أنك ثابت بجوار قطار يتحرك بنصف سرعة الضوء، وتقوم بتشغيل مصباح يدوي في نفس اتجاه القطار المتحرك. افترض أن شخصًا آخر على القطار يشغل مصباحًا مماثلًا في نفس اللحظة. إذا رأيت شعاع الضوء على القطار، فقد تعتقد أنه يجب أن يتحرك بسرعة تساوي مرة ونصف سرعة الضوء، لكنه لا يفعل ذلك. بل يتحرك بالضبط بسرعة تساوي مرة واحدة سرعة الضوء. هل هذا يعني أن الرجل الجالس في القطار يرى سرعة الضوء المنبعثة من مصباحك تتحرك بنصف سرعة الضوء؟ الاجابة لا،
والسبب يكمن في مبدأ النسبية.
هو أيضًا يرى شعاع الضوء من مصباحه يسير بالضبط بسرعة تساوي مرة واحدة سرعة الضوء. يبدو أن هذا تناقض. كيف يمكن التوفيق بين هاتين الملاحظتين؟
ما أظهره أينشتاين هو أن الطريقة الوحيدة لحدوث ذلك هي إذا تباطأ الزمن للشخص في القطار من وجهة نظر الشخص الثابت. كانت هذه الفكرة الثورية التي أطلقها أينشتاين على البشرية والتي ثبتت مع مرور الوقت انها صحيحة. وان قياس الزمن ليس ثابتا بل نسبيا.
لاحقًا، أظهر أينشتاين بنظريته عن النسبية العامة، أنه لن يكون هناك طريقة لمعرفة إذا كنت في إطار مرجعي متسارع أو ساكنا على الأرض. فعلى سبيل المثال، إذا كنت في مركبة فضائية تتحرك بنفس تسارع الجاذبية الارضية، وقمت بتشغيل مصباح يدوي عموديًا على اتجاه التسارع، فإن الضوء سيبدو وكأنه ينحني لأن المركبة الفضائية ترتفع بسرعة أكبر. هذا يعني أنه إذا كنت في أي مكان على الأرض واقفًا ثابتًا وقمت بنفس التجربة، سيبدو شعاع الضوء وكأنه ينحني لأن التسارع بسبب الجاذبية هو 9.8 متر في الثانية المربعة. ولكن نظرًا لأن الضوء يأخذ دائمًا أقصر مسار بين أي نقطتين، فإن هذا يعني أن الزمكان نفسه يجب أن ينحني لكي يأخذ الضوء هذا المسار. المسار المنحني هو أقصر مسار، تمامًا كما أن أقصر المسارات على سطح الأرض هي منحنية.
أجد أنه من المفارقات أن أينشتاين، على الرغم من كونه واحدًا من مؤسسي ميكانيكا الكم لأنه أظهر أن الضوء يأتي في حزم من الطاقة تسمى كوانتا، والتي نسميها الآن فوتونات، إلا أنه بقي مقاومًا بشكل كبير للتداعيات الرئيسية لميكانيكا الكم، وهي التي تمتلك طبيعة احتمالية وغير حتمية للجسيمات الكمومية. هناك العديد من المعادلات في ميكانيكا الكم، ولكن من وجهة نظري هناك ثلاثة مبادئ هي الأكثر أهمية للتذكر، وهي معبر عنها في ثلاث معادلات.
المعادلة الأولى وضعها العالم ماكس بلانك، الذي يعتبر مؤسس علم ميكانيكا الكم. تقول إن الطاقة ليست مستمرة، بل هي مكممة. يمكن امتصاص أو انبعاث الطاقة بواسطة المواد في صورة حزم طاقة محددة، ومقدار الطاقة يساوي تردد الإشعاع في ثابت بلانك. باستخدام هذا المفهوم، أظهر أينشتاين لاحقًا أن الفوتون يمتلك خاصية مزدوجة فهو موجة وجسيم.
المعادلة الثانية في ميكانيكا الكم عبر عنها هيزنبيرج في مبدأ الشك او عدم اليقين. وهي تقول إنه لا يمكنك معرفة الموقع الدقيق للجسيم وزخمه في نفس الوقت، هذا يعني أنه إذا كنت تعرف بالضبط أين هو الجسيم، فإنك لا تعرف سرعته. وإذا كنت تعرف بالضبط سرعته، فإنه ليس لديك أي فكرة عن مكانه. هناك شك اوعدم يقين جوهري مرتبط بالجسيمات الذرية.
اما المعادلة الثالثة فهي معادلة شرودنجر. في الأساس تقول إنه قبل القياس، تكون الأنظمة الكمومية في حالات متراكبة. هذا يعني أن خصائصها لا يمكن التعبير عنها إلا في شكل دالة موجية. دالة موجية مبسطة بشكل بدائي هي مجموعة من الاحتمالات. لذا على سبيل المثال، في ذرة الهيدروجين، لا يمكنك معرفة مكان الإلكترون مسبقًا. كل ما يمكنك معرفته هو احتمال المكان الذي قد تجده فيه إذا قمت بقياسه. قبل القياس، تكون كل الأنظمة الكمومية سحبًا ثلاثية الأبعاد أو موجات من الاحتمالات. الإلكترون موجود في كل مكان في وقت واحد. إنه ليس هنا أو هناك. إنه هنا وهناك. هذا ليس عيبا في أجهزة القياس لدينا. انما هذا هو الواقع. وهذا هو السبب في أن الأنظمة الكمومية تتصرف بغرابة في تجربة الشق المزدوج.
النظام الكمومي يمكن أن يكون جسيمًا أوليًا مثل الإلكترون أو حتى ذرات وجزيئات معزولة بما فيه الكفاية. والمقصود بانها معزولة أي أنها لم تتفاعل مع شيء يمكن أن يؤدي إلى انهيار دالتها الموجية. هذا هو الواقع غير الحتمي الذي واجه أينشتاين صعوبة في قبوله، وفي الحقيقة لا يزال الكثير من الناس اليوم يواجهون صعوبة في قبوله.
هذا هو ملخص سريع لأهم الأفكار في الفيزياء. تذكر أن الفيزياء هي دراسة الطبيعة في أبسط صورها. فهم هذه الأفكار يمكن أن يعطينا نظرة أعمق في كيف يعمل العالم من حولنا.
وفي الختام نجد أن الفيزياء ليست مجرد علم، بل هي لغة الطبيعة التي تكشف عن جمال وتناسق الكون.
نأمل أن تكون قد استمتعت بهذه الجولة وأن تكون قد اكتسبت نظرة أعمق في عالم الفيزياء. تذكر أن العلم هو رحلة مستمرة، ودائمًا ما يوجد المزيد لاكتشافه وتعلمه. شكراً لانضمامك إلينا، وحتى نلتقي في جولة علمية جديدة نستودعكم الله والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته.
