نجح أينشتاين في تبسيط الفيزياء التي أصبحت معقدة في بداية القرن العشرين
بقلم: نيتسان أعاشف، موقع نافذة للفيزياء
بعد مرور مائة عام على عام أينشتاين المذهل، لا يزال معظم الناس لا يفهمون بالضبط ما فعله. وهنا سنحاول توضيح الأمور.وفي 18 شهرًا، اخترع إسحاق نيوتن حساب التفاضل والتكامل (حساب التفاضل والتكامل)، وبنى نظرية في البصريات، وشرح كيفية عمل الجاذبية، واكتشف قوانين الحركة. ونتيجة لذلك، يُطلق على عام 1665 والأشهر الأولى من عام 1666 اسم سنوات نيوتن الرائعة. لقد كانت سلسلة مذهلة من الإنجازات التي لم يعتقد أحد أن أي شخص يمكن أن يضاهيها. ولكن قبل عام 1900، تم اكتشاف ظواهر لم تتمكن قوانين الفيزياء الكلاسيكية من تفسيرها. وكانت نظريات نيوتن وجيمس كلارك ماكسويل، التي واصلها في منتصف القرن التاسع عشر، في مأزق.
ثم في عام 1905، وجد كاتب براءات اختراع شاب يدعى ألبرت أينشتاين طريقة للمضي قدمًا. في 5 أوراق بحثية مذهلة أظهر أن الذرات موجودة (في ذلك الوقت كان الأمر لا يزال مثيرًا للجدل)، وقدم نظرية النسبية الخاصة ووضع نظرية الكم على الخريطة. لقد كان إنجازًا مختلفًا عن إنجاز نيوتن، لكن سنة أينشتاين المذهلة لم تكن أقل إدهاشًا. وعلى عكس نيوتن، لم يكن عليه أن يخترع رياضيات جديدة. لكن كان عليه أن يغير الأفكار الأساسية للمكان والزمان. وعلى عكس نيوتن الذي نشر نتائجه بعد 20 عاما (مهووسا بالسرية)، نشر أينشتاين أعماله واحدة تلو الأخرى، مثل طوفان من الأفكار.
بالنسبة لأينشتاين، كانت هذه مجرد البداية - فقد واصل إنشاء نظرية النسبية العامة وكان رائدًا في ميكانيكا الكم. فبينما توصل نيوتن إلى نظام واحد يفسر العالم، جاء أينشتاين بنظامين. ولسوء الحظ فإن اكتشافاته – النسبية ونظرية الكم – تتعارض مع بعضها البعض. وكلاهما لا يمكن أن يكونا على صواب في كل مكان، على الرغم من أن أقوالهما دقيقة بشكل ملحوظ في مجالهما، الكبير جدًا والصغير جدًا. وقد أمضى أينشتاين السنوات الأخيرة من حياته وهو يحاول التوفيق بين النظريتين وفشل. لكن في ذلك الوقت، لم يتمكن أي شخص آخر من حل المشكلات، وكان أينشتاين هو من رآها بوضوح أكبر.
عندما فاز أينشتاين بجائزة نوبل، عام 1921، كان ذلك عن أول بحث قدمه عام 1905، والذي يثبت وجود الفوتونات - جسيمات الضوء. حتى هذا العمل، كان الضوء يعتبر موجة، وهو ما يفسر أنماط التداخل عندما يمر الضوء عبر الشبكة. أما أينشتاين فقد انطلق من افتراض مختلف، مع الأخذ بعين الاعتبار تجربة "الجسم الأسود".
"الجسم الأسود" هو صندوق نظري مُسخن يصدر إشعاعًا كهرومغناطيسيًا (الضوء و"أشباهه" مثل الراديو والأشعة السينية) في جميع الترددات. كانت إحدى المشاكل الرئيسية في الفيزياء في نهاية القرن هو أنه كان من المفترض أن يزيد إشعاع الجسم الأسود إلى ما لا نهاية عند الترددات الأعلى، وهو أمر مستحيل فيزيائيا. قبل 5 سنوات، كان ماكس بلانك، عالم الفيزياء الألماني المحترم، يعتقد أن الجسم الأسود لا يمكن أن يصدر إشعاعات إلا بترددات غير مستمرة. والفجوات بين هذه الترددات هي القفزات الكمومية التي منها حصلت نظرية الكم على اسمها. إن تقسيم الإشعاع إلى أجزاء صغيرة ولكن قابلة للقياس بهذه الطريقة يحل مشكلة زيادة الترددات إلى ما لا نهاية.
توقف بلانك قبل وقت قصير من استنتاجه أن الضوء، المقسم إلى أجزاء صغيرة ولكن قابلة للقياس، يعني أنه يتكون من جسيمات وليس موجات. لكن أينشتاين توصل إلى ذلك بالضبط. علاوة على ذلك، استمر في توضيح كيف يفسر هذا الافتراض التأثير الكهروضوئي، وهو لغز فيزيائي آخر في ذلك الوقت.
يحدث التأثير الكهروضوئي عندما يكون هناك وميض من الضوء على موصل كهربائي. يزيح الضوء الإلكترونات من مدارها ويولد تيارًا. وكانت المفارقة هي أن شعاع الضوء الأقوى على الموصل لا يزيد الجهد الكهربائي، على الرغم من زيادة التيار. وبعبارة أخرى، أنتج الضوء المزيد من الإلكترونات، ولكن ليس إلكترونات أكثر نشاطا. لكن إذا قمنا بزيادة تردد الضوء، فإن الجهد الكهربائي سيزداد. أظهر أينشتاين أن هذه الظاهرة يمكن تفسيرها إذا كان الضوء يتكون من جسيمات (التي سُميت فيما بعد بالفوتونات)، والتي تتناسب طاقتها مع ترددها.
على الرغم من أن طلاب الفيزياء اليوم يتساءلون كيف مُنحت جائزة نوبل لأينشتاين لعمله الكمي وليس للنسبية، فالحقيقة هي أنه في ذلك الوقت، بما في ذلك أينشتاين، اعتقد الجميع أنها كانت النتيجة الأكثر إثارة للدهشة.
على الرغم من قبول فرضية أينشتاين في نهاية المطاف، إلا أنها كانت ذات أهمية لم يتوقعها هو نفسه. بحلول أواخر عشرينيات القرن العشرين، تطورت نظرية الكم بطريقة مرتجلة. وقد قام جيل شاب من علماء الفيزياء في عشرينيات وثلاثينيات القرن العشرين بتجميعها في نظام عالمي، يُعرف الآن باسم ميكانيكا الكم. وقد أظهر هذا أن الضوء ليس جسيمًا ولا موجة، بل كلاهما معًا في نفس الوقت. وبالمثل، فإن الأجسام التي كان يُعتقد سابقًا أنها جسيمات، مثل الإلكترونات، هي أيضًا موجات في نفس الوقت.
تبع ذلك نتيجتين. الأول، أن الحظ يلعب دورًا أساسيًا في التفاعل بين الجسيمات الأولية، وبالتالي أيضًا في الطريقة التي يعمل بها العالم. كانت الفيزياء حتى ذلك الوقت "حتمية"، ولم تكن هناك شكوك. لكن عدم اليقين هو جوهر ميكانيكا الكم. أحد الأمثلة على ذلك هو "مبدأ عدم اليقين" الذي وضعه فيرنر هايزنبرغ، والذي ينص على أنه من المستحيل قياس سرعة الجسم وموضعه بدقة. مثال آخر هو "قطة شرودنغر"، التي تقول أن القطة يمكن أن تكون حية وميتة في نفس الوقت لأن مصيرها يعتمد على الخاصية الكمومية لجسم ما، الذي لا يتم تحديد حالته حتى يتم قياسه.
والنتيجة الثانية هي أن العالم "غير محلي"، أي أن التفاعلات الكمية تحدث بشكل آني على مسافات طويلة. بالإضافة إلى ذلك، لا توجد آلية في ميكانيكا الكم تشرح كيفية "تواصل" الجسيم من أجل ضبط الخاصية الكمومية بهذه الطريقة. على سبيل المثال، إذا كان الجسيم يدور في اتجاه معين، فيجب أن يدور شريكه في الاتجاه الآخر. لكن الجسيم الأول ليس له اتجاه محدد حتى يتم قياسه (مرة أخرى، قطة شرودنغر)، لذلك لا يستطيع الجسيم الثاني "معرفة" أين يتجه حتى يتم إجراء قياس على الجسيم الأول؛ وبحلول هذا الوقت، يمكن أن يكون الجسيم الآخر على بعد ملايين الكيلومترات. أطلق عليها أينشتاين اسم "العمل المخيف عن بعد".
ولم يكن أينشتاين مرتاحًا لأي من النتيجتين. لذلك، فمنذ ذلك الوقت وحتى نهاية أيامه عام 1955 (الذي يوافق عام 2005 أيضًا الذكرى الخمسين لوفاة أينشتاين) عمل على إخراجها من الفيزياء. لكنه لم يكن يعتقد في سره أن ميكانيكا الكم خاطئة بشكل أساسي ولكنها غير مكتملة. وبالفعل كان أول من اقترح شرودنجر وهيسنبرج (الذي لم تكن سمعته قد ترسخت بعد) لجائزة نوبل.
أفضل تشبيه هو لدرجة الحرارة. درجة الحرارة غير موجودة حقا. عندما يقال عن شيء ما أنه ساخن أو بارد، فإن ما يتم وصفه حقًا هو متوسط سرعة جزيئات تلك المادة. إذا تحركت الجزيئات بشكل أسرع - يكون الجو حارا، وإذا تحركت بشكل أبطأ - يكون الجو باردا. درجة الحرارة ليست سوى مقتطف من المتوسط أعلاه. وبالمثل، يعتقد أينشتاين أن ميكانيكا الكم تصف متوسطًا إحصائيًا لظاهرة خفية حتمية.
في عام 1935، اقترح أينشتاين وشريكاه تجربة من شأنها اختبار الفكرة المذكورة أعلاه من خلال التحقق من الفعل عن بعد. ولكن فقط في عام 1982 تم إجراء التجربة. وعندما تم إجراء القياسات تبين أن أينشتاين كان مخطئا وليس نظرية الكم. العمل عن بعد يحدث حقا. لكن هذا دليل ممتاز على مساهمة أينشتاين في ميكانيكا الكم. ومن خلال محاولته المتكررة للعثور على ثغرات في النظرية، جعلها أقوى وأوضح.
قال أبراهام بيس، الفيزيائي الذي كتب سيرة أينشتاين الذاتية، إن هناك شيئان كان أينشتاين أفضل فيهما من أي شخص آخر: كان يعرف كيفية العثور على مبادئ الثبات وكيفية استخدام التقلبات الإحصائية. تلعب المبادئ الثابتة دورًا مهمًا في النظرية النسبية. وفي الواقع، أراد أينشتاين أن يطلق على النسبية اسم "نظرية الثوابت".
مفهوم اللامتغير هو الشيء الذي يظل ثابتًا بعد عدة تغييرات. تكون الدائرة ثابتة أثناء الدوران، حيث تبدو كما هي تمامًا بغض النظر عن مكان دورانها. من ناحية أخرى، يتم تثبيت المربع فقط تحت دوران 90 درجة (ومضاعفات 90 درجة). تحت أي زاوية أخرى - سيبدو المربع مختلفًا.
كانت رؤية أينشتاين هي أن سرعة الضوء ثابتة. ستبقى سرعة الضوء ثابتة بغض النظر عن سرعة الراصد. أضف إلى ذلك شرط جاليليو، وهو أن قوانين الفيزياء يجب أن تظهر كما هي طالما أن الراصد في حركة ثابتة، وتتبعها النظرية النسبية الخاصة. ولكن لماذا اعتقد أينشتاين أن سرعة الضوء ثابتة؟
بدأ كل شيء بتجربة مايكلسون-مورلي التي أجريت لأول مرة في عام 1887. وعلى الرغم من أن نيوتن شرح في القرن السابع عشر كيف يتصرف الضوء، إلا أنه لم يكن أحد يعرف مما يتكون حتى عام 17 عندما أظهر ماكسويل أنه يتكون من مجالات إلكترونات ومغناطيسات تتأرجح. أثار هذا السؤال على الفور - في أي شيء كانت الحقول تتأرجح؟ في ذلك الوقت، لم يكن أحد يستطيع أن يفهم أن الموجات لا يجب أن تكون اهتزازات في وسط معين. في المحيط كانت هناك أمواج في الماء، وتحركت أمواج صوتية في الهواء؛ يبدو غريبًا أن الأمواج يمكن أن تكون "مجرد وجود".
ولذلك، افترض العلماء وجود الأثير (الأثير) - وهي مادة غير قابلة للاكتشاف ينتقل من خلالها الضوء. ولكن إذا كان يدور حول الشمس، وبالتالي يتحرك عبر الفضاء، فيجب أن يتحرك أيضًا عبر الأثير. وكانت الفكرة هي أنه إذا قمنا بقياس سرعة الضوء في اتجاه الحركة وكذلك في الاتجاه العمودي على الحركة، فيمكننا الحصول على نتائج مختلفة. هذا بالضبط ما اعتقده مايكلسون وموراي. لكنهم وجدوا أن السرعتين متماثلتان تمامًا.
تفسير محتمل لنتائج التجربة المخيبة للآمال قدمه هنريش لورنتز (Henrich Lorentz)، عالم الفيزياء الهولندي، الذي توصل إلى التفسيرات الرياضية اللازمة للإجابة - هناك اختصار للنظام التجريبي في اتجاه الحركة من الأرض، فقط إلى الحد اللازم لكي تظهر السرعتان متماثلتين. ومع ذلك، لم يتمكن لورينز من تفسير كيفية حدوث هذا التقصير. وافترض أن السبب قد يكون القوى المؤثرة داخل الجزيئات.
ما أدركه أينشتاين، دون إضافة رياضيات جديدة، ولكن بطريقة جديدة تمامًا، هو أن هذا التفسير ببساطة غير صحيح. لقد تقلص الفضاء حقًا، وتباطأ الزمن حقًا. وهذا بالضبط ما قصده بيس عندما قال إن أينشتاين يعرف كيفية اختيار المتغيرات الثابتة. لقد اعتقد الجميع أن الزمن ثابت، لكنه ليس كذلك. لم يعتقد أحد أن سرعة الضوء ثابتة، لكنها كذلك.
أدى هذا التمييز في النهاية إلى تطوير النسبية العامة على يد أينشتاين. إحدى النتائج المترتبة على ثبات سرعة الضوء هي أنه لا يمكن لأي شيء أن يتحرك بشكل أسرع منها. وقد لاحظ أينشتاين هذا بالفعل في الورقة الأولى التي قدمها في عام 1905. وفي ذلك الوقت لم يكن قد رأى بعد المعنى الضمني الثاني، وهو أن الثابت يشير أيضًا إلى أن الكتلة والطاقة قابلتان للتبادل. يتم تعريف "سعر الصرف" باستخدام سرعة الضوء ويتم تمثيله
بالمعادلة الشهيرة: E=mc/2 حيث E هي الطاقة، وm هي الكتلة، وc هي سرعة الضوء. وهذه المعادلة التي ظهرت نتائجها في هيروشيما وناكازاكي عام 1945، خطرت بباله بعد أسابيع قليلة، ونشرت في وثيقة كتبت في نوفمبر 1905.
كان الحد الأقصى للسرعة مشكلة بالنسبة لنظرية نيوتن في الجاذبية، لأنه وفقًا لنيوتن، تتحرك الجاذبية بشكل فوري، وهو أمر مستحيل وفقًا لأينشتاين. وهذا ما جعل أينشتاين يفكر في ماهية الكتلة بالضبط.
وفي عام 1907، أدرك أن الشعور الذي يشعر به الإنسان عندما تسحبه قوة الجاذبية الأرضية هو نفس الشعور الطبيعي الذي يشعر به الإنسان في التسارع، على سبيل المثال عندما يتم دفعه على مقعده عندما تقلع طائرة. . ويرتبط هذان الإحساسان بكتلة الشخص نفسه، لكن الفيزياء الكلاسيكية افترضت أن هاتين الظاهرتين مختلفتان. ومع ذلك، استنتج أينشتاين أنه بما أن الجاذبية والتسارع يبدوان متماثلين، فهما متماثلان حقًا.
وقد أطلق على هذه النظرية اسم مبدأ التكافؤ. ولكن، على عكس النظرية النسبية الخاصة، التي طور لورنتز تفسيرات رياضية لها، لم يكن هناك في هذه الحالة تفسير رياضي يمكن الاعتماد عليه. استغرق هذا أينشتاين 9 سنوات أخرى، وبمساعدة صديقه عالم الرياضيات مارسيل غروسمان، تمكنوا من تطوير الرياضيات وراء النظرية النسبية العامة. من ذلك الطريق
طور أينشتاين مفهوم المكان والزمان.
الجزء الثاني من رأي بيس، بأن أينشتاين عالم إحصائي عظيم، يظهر في عمله الذي يميل إلى الضياع في فوضى النسبية والكم. أحد الأشياء التي قام بها أينشتاين في عام 1905 كان إثبات وجود الجزيئات (وبالتالي، بالتبسيط، أيضًا الذرات التي تتكون منها) واستنتاج حجمها. وهذا يتطلب استخدام الإحصائيات، بسبب العدد الكبير من الجزيئات.
واستنتج أحد أعماله حجم الجزيئات من لزوجة محلول السكر في الماء. لسنوات كانت دراسته الأكثر استشهادا. وتناولت ورقة ثانية مسألة الحركة البراونية - الحركة العشوائية للجزيئات الصغيرة، مثل الغبار أو حبوب اللقاح، في المحلول. وقد شوهدت هذه الحركة لسنوات تحت المجهر، لكن لم يتمكن أحد من تفسيرها. لقد أوضح أينشتاين في عمل قصير وجميل كيف أن الحركة تنتج عن اصطدام الجزيئات بالجزيئات، مما يثبت أن الجزيئات موجودة بالفعل.
كما استخدم أينشتاين الإحصائيات في عمله حول تعيين قيم منفصلة (غير مستمرة) للضوء والتأثير الكهروضوئي. كما استمر أيضًا في تطبيق الإحصاء على نظرية الكم، حتى قبل أن يتم تطويرها بالكامل على يد هايزنبرج وشرودنجر وأقرانهم. وفي عام 1922 حصل على وظيفة من ساتيندرا ناث بوز، وهو فيزيائي هندي لم يكن معروفًا في ذلك الوقت. طور بوز الإحصائيات المتعلقة بسلوك أعداد كبيرة من الفوتونات. وبما أن الفوتونات هي جسيمات متشابهة، ولا تتصادم مع بعضها البعض، فإن سلوكها لا يشبه أي شيء رآه أي شخص من قبل. أدرك أينشتاين أن بوز ارتكب عددًا صغيرًا من الأخطاء، لكنه أدرك أيضًا أن بعض الذرات، إذا تم تبريدها إلى ما يقرب من الصفر المطلق، ستظهر نفس سلوك الفوتونات. في الواقع، سوف يتصرفون مثل ذرة عملاقة واحدة.
بدت هذه النبوءة غريبة جدًا في ذلك الوقت، وفقط في عام 1995 تم تصنيع أول مكثف بوز-آينشتاين في المختبر. يعد فحص هذا التكثيف أحد أهم المجالات في الفيزياء التجريبية.
وهذا مجرد مثال آخر على تصور أينشتاين، عندما رأى أشياء لم يراها أحد في ذلك الوقت. وكما قال في عام 1932 "كان الهدف الحقيقي لبحثي دائمًا هو تبسيط وتوحيد نظام الفيزياء النظرية". لم يكن أينشتاين قادرًا على توحيد الفيزياء، ولكن على الرغم من أن هذا يبدو متناقضًا بالنسبة للشخص العادي، إلا أنه تمكن من تبسيطه. بمجرد أن يتعلم المرء اللغة الرياضية المعقدة اللازمة للتعبير عن أفكاره، تصبح نظريات أينشتاين هي الأبسط والأكثر وضوحًا في الفيزياء.
תגובה אחת
احببت!