نظريات الفيزياء الحديثة

نظريات الفيزياء الحديثة والنسبية الخاصة ونشأة الفيزياء الحديثة وما هي الفيزياء الحديثة، هذا ما سوف نتعرف عليه فيما يلي.

نظريات الفيزياء الحديثة

-نظرية الاحتمالات الكمية ومشكلة القياس
يمكن التعرف على فيزياء الكم الرياضية من خلال معادلة شرودنجر وهي تساعد على وصف احتمالية وجود جسيم في نقطة معينة، وتعتبر هذه الاحتمالية أمر رئيسي بالنسبة لحسابات أي نظام كمي وعند إيجاد القياسات بعدها سيتم الوصول إلى نتيجة معينة دون غيرها.
ولكن مشكلة القياس معناها أنه عند القيام بعمل قياس لنظام كمي تنتقل الدالة الموجية من التراكب superposition (والتراكب هو التواجد في حالتين أو موقعين في نفس الوقت) إلى حالة واحدة ولا تقدم نظرية الكم تفسير لهذا الأمر كما أن عملية القياس ذاتها ينتج عنها تغيير في التيجة بشكل عام. وتعتبر من أهم التجارب التي تمت لإثبات هذه النظرية تجربة قطة شرودنجر الشهيرة.
-قانون نيوتن للحركة
توجد للعالم إسحاق نيوتن الكثير من النظريات المعروفة، فقد قدم لنا حوالي ثلاثة قوانين للحركة تعتبر بسيطة وسهلة جدًا، ولكنها رغم ذلك تعتبر إحدى أساسيات قيام الفيزياء الحديثة، والقانون الأول ينص على أن الجسم المتحرك يستمر في حركته طالما لم تؤثر عليه قوة خارجية.
والقانون الثاني يوضح العلاقة بين كتلة الجسم وسرعته وفقًا للعلاقة الآتية: F = m × a كما تمثل F محصلة القوى وتقاس بوحدة النيوتن وM هي كتلة الجسم وa هي عجلة الجسم أي معدل زيادة أو تباطؤ سرعة الجسم.
أما القانون الثالث هو يعتبر الأكثر استخدامًا ومشهور كثيرًا ونصه كالتالي: لكل فعل رد فعل مساو له في المقدار ومضاد له في الاتجاه، وهذا القانون يعني أن التأثير بأي قوة على أي جسم معين فإن هذا الجسم سيؤثر بنفس القوة في الاتجاه المضاد له.
-نظرية الانفجار العظيم
نظرية الانفجار العظيم من النظريات التياهتمت بتفسير تمدد الكون واتساعه، فهي تهتم بتوضيح كيف أصبح الكون ضخم ومتسع بشكل كبير وكيف ما زال مستمر كذلك إلى الآن وتفترض هذه النظرية أن الكون بدأ من نقطة صغيرة للغاية وعالية الكثافة يوجد بداخلها كل المادة التي توجد في العالم ثم بدأت في التمدد على مدار مليارات السنين السابقة.
فعندما قام أينشتاين بتقديم النظرية النسبية العامة قد توقع احتمالية تمدد واتساع الكون، وقد شاهد العالم Georges Lemaitre حينها أن هذا معناه أن الكون قد بدأ من نقطة واحدة صغيرة للغاية وبعدها بوقت قد اكتشف Edwin Hubble بداخل المجرات البعيدة إنزياحًا أو تدرجًا في اللون الأحمر.
وهذا الأمر يدل على أن هذه المجرات كانت قريبة من كوكب الأرض ولكنها قد ابتعدت عنها وهذا الأمر واقعي قد أثبته بعد ذلك اكتشاف خلفية إشعاعات المايكروويف الكونية في سنة 1965 والتي أكدت أن فرضيات العلماء السابقة كانت صحيحة.
-قانون الجذب العام لنيوتن
منذ 300عام اقترح العالم نيوتن نظريته وهي أن أي جسمين مهما كانت كتلتهما يؤثر كل منهما بقوة جذب على الآخر، ولكي نقوم بتحديد القوة ابتكر هذا القانون المعروف [F = G × [(m1m2)/r²].حيث أن F هي قوة الجذب بين الجسمين.
أما M1 وM2 فهي كتلة الجسم الأول والثاني، وr هو المسافة بين هذين الجسمين، أما G فهو ثابت الجاذبية وهذا القانون يعد من اهم القوانين التي تتيح لنا حساب قوة الجذب بين أي جسمين متواجدين في هذا الكون مهما كانت حجم الكتلة أو المسافة بينهما.
-نظرية الوعي الكمي
عند محاولة العلماء حل مشكلة القياس measurement problem قدتعرض القائمون على ذلك لمشكلة الوعي، وعلى الرغم من أن البعض قد حاول تجنب هذه المشكلة لكن كان يوجد علاقة بين اختيار إجراء تجربة بطريقة واعية ونتيجة هذه التجربة.
وكان بعض القائمون بالنظرية يعتقدون أن الفيزياء الحالية لا يمكنها أن توضح أو تفسر بشكل دقيق معنى الوعي وتوضيح الترابط الغريب بين الوعي والكم الذي لا ندركه إلى الآن. فإن نظرنا إلى الوعي الكمي سوف نجد أنه مجموعة من التخمينات العلمية التي تحاول تفسير الوعي البشري الموجه.
ومن الجدير بالذكر أن محاولة تفسير الوعي البشري من وجهة نظر علماء فيزياء الكم لن يتم التوصل لها بشكل دقيق حتى الآن ولا توجد أدلة كافية في هذا المجال.وتعتبر من أشهر الأمثلة التي توضح معنى الوعي الكمي هو محاولة تشبيه الوعي البشري أو تشبيه الوعي الكمي بالحاسب الكمي.
وفي الحقيقة فهو يعتبر على عكس الحواسيب التقليدية لا يعتمد فقط على الصفر والواحد (النظام الرقمي الثنائي) ولكنه يضيف لها قيمة ثالثة وهي حالة مركبة من الحالتين السابق ذكرهم أي صفر وواحد معًا وهذا الأمر يزيد من سرعة وقدرة الحاسب بطريقة يمكن التعرف عليها وتوقعها وبالفعل قد تم تصميم نماذج أولية لهذا الحاسوب.
ومن الجدير بالذكر أيضًا أن الفيزياء التقليدية لا يمكنها تفسير كيفية عمل الوعي البشري ولكن إن نظرنا إلى فيزياء الكم ومبدأ التراكب أو التواجد في حالات كثيرة بذات الوقت ومبدأ التشابك الذي تم توضيحه فيما سبق واللامركزية فيمكننا من خلالها التعرف على هذا الأمر.

نشأة الفيزياء الحديثة

-في نهاية القرن التاسع عشر الميلادي كان علم الفيزياء قد تطور تطورًا عظيمًا من الناحية النظرية. فمن جهة، كانت هناك قوانين نيوتن في علم الميكانيكا والتي مكنتنا من تفسير حركة الأجسام ووصفها، ومن جهةٍ أخرى كانت هناك معادلات ماكسويل التي تمثل أساس الكهرباء والمغناطيسية.
-كان العلماء في ذلك الحين على قناعة تامة بأنهم توصلوا إلى تفسير كل شيء، وأن منطق نيوتن من حيث الحركة ومنطق ماكسويل من حيث الشحنات هو المنطق المناسب لفهم كل ما يدور وكل ما يحدث من ظواهر فيما يُعرف بالفيزياء الكلاسيكية.
-سرعان ما تبدَّل الأمر حين ظهرت العديد من الظواهر عجزت الكلاسيكية عن تفسيرها لتعلن عن ميلاد الفيزياء الحديثة والتي غيرت نظرتنا تجاه الكثير من الظواهر.

ما هي الفيزياء الحديثة

يشير مصطلح الفيزياء الحديثة إلى مبادئ ما بعد فيزياء نيوتن و ما بِها من توابع و قوانين، و هو يشمل (ميكانيكا الكمّ/نسبية آينشتاين)، و بدءًا بالنسبية الخاصة كتطوُّرٍ لرؤية الفيزيائيين الجدد أصحاب التجارب التي ناهضت فرضية الأثير، نبدأ حكاية الفيزياء الحديثة.
*الاثير؛ هي نظرية تنص على حتمية وجود وسط ناقل او ناشِر للطيف الضوئي.
وتتضمن الفيزياء الحديثة, النسبية التي طورها آينشتاين عن جاليليو وعمّمها، و أظهرَ من خلالها أنّ الكل في حركة دائمة نِسبة للآخر، ولا يوجد نظام في حالة ثبات مطلق او ذا بعدٍ مطلق، والنسبية تقوم بتفسير الظواهر والأجسام في الكون التي تتصرف بسرعات عالية، ومن مبادئ النسبية أنّ سرعة الضوء ثابتة في الفضاء لجميع الراصدين مهما كان اتجاه اطلاقها حيث ناهضت هذه الفكرة بالتجارب فرضية الأثير بشكل كامل.

النسبية الخاصة

-توصل آينشتاين في عام 1905 إلى نظرية النسبية الخاصة ، والتي تُفيد بأن سرعة الضوء ثابتة ، ولم تتغير بدوران الأرض حول الشمس ، جاءت هذه النظرية مُفاجئة تمامًا لعلماء الفيزياء ؛ فالمعتقدات الغالبة أن سرعة أغلب الأشياء تعتمد على اتجاه الجسم الذي تتم مراقبته ، ومن أهم الأمثلة على هذه المعتقدات أنه في حالة قيادة السيارة في الاتجاه المعاكس لمسار القطار فستبدو السرعة كبيرة مقارنة بقيادة السيارة في نفس اتجاه القطار .
-كما أفاد أن سرعة الضوء التي سيتم قياسها لأي جسم تتم مراقبته ستصل إلى 186 ألف ميل في الثانية ، وذلك باختلاف سرعة الجسم ، أو اتجاهه .
-الأمر الذي أدى إلى ظهور الكثير من التساؤلات ، ومنها أنه إذا كان الشخص بداخل سفينة فضائية تسير بسرعة الضوء ، وقام بتشغيل المصابيح الأمامية للسفينة ؛ فهل سيحدث شيء ؟
والإجابة على هذا التساؤل تتمثل في أن إضاءة المصابيح الأمامية لسفينة الفضاء هو أمر طبيعي للشخص الموجود داخل السفينة ، أما بالنسبة للشخص الموجود خارج السفينة فلن يرى مصابيح السفينة مضاءة ؛ وذلك لأنه الضوء يخرج ، ولكنه يسير بنفس سرعة السفينة الفضائية .
-وهذه الرؤى المتناقضة نشأت بسبب اختلاف الأحكام ، والعوامل التي تُحدد الزمان والمكان ليست ثابتة لدى جميع المراقبين ؛ فإذا كانت سرعة الضوء ثابتة فإن الزمان والمكان لا يُمكن أن يكونا مطلقين ، وإنما يكونا ذاتيين .
-ومن الأمثلة على ذلك إذا ظهرت سفينة فضائية طولها 100 قدم ، وكانت تسير بنسبة 99.99 % من سرعة الضوء ؛ فإن السفينة ستظهر فارقة بقدم واحدة بالنسبة للمراقب الثابت ، أما بالنسبة للأشخاص -الموجودين داخل السفينة ؛ فستظهر السفينة بطولها الطبيعي .
من الغريب أن الوقت يمر ببطء كلما كان الضوء أسرع ؛ فإذا بى طفل على الأرض ، ووضعت توأمه على مركبة فضائية تتجه إلى أحد النجوم البعيدة ؛ فعند عودة المركبة الفضائية سيكون الطفل أصغر من توأمه الذي بقي في الأرض .
-هذا بالإضافة إلى أن كتلة الجسم تعتمد على السرعة ؛ فكلما تحرك الجسم بصورة سريعة ، كلما ازداد حجمه ؛ ولهذا لا يُمكن لأي سفينة فضاء أن تسير بسرعة الضوء بنسبة 100 % ؛ وذلك لأن كتلتها سوف تزداد إلى ما لا نهاية .