كيفية تفسير المعادلة الأكثر شهرة في العلم

ومع تطور الفيزياء النووية أصبحت الصيغة رمزا للمخاطر الكامنة في العصر الحديث

أميت هاجر

E = mc2

كانت آخر ورقة بحثية نشرها أينشتاين في عام 1905 عبارة عن ورقة بحثية قصيرة حول أحد المشتقات المثيرة للاهتمام في النسبية الخاصة، والتي صاغها لأول مرة قبل ثلاثة أشهر. وتضمنت المقالة معادلة، وإن كانت قصيرة، أصبحت على مر السنين أيقونة ثقافية. E=mc2، كتب أينشتاين للتعبير عن الاستنتاج المستمد من النظرية النسبية بشأن "التوازي" بين كتلة الجسم والطاقة مخزنة فيها، لكن مع تطور الفيزياء النووية أصبحت العلامة رمزا للمخاطر الكامنة في العصر الحديث.

في المقالة الأخيرة من "عام العجائب"، يحلل أينشتاين كيف يمكن لراصدين، أحدهما ساكن بالنسبة لجسم له كتلة والآخر يتحرك بسرعة ثابتة بالنسبة لذلك الجسم، أن يصفا الظاهرة البريئة لانبعاث الضوء من خلال ذلك هدف. وبما أن قوانين الفيزياء، وفقًا لمبدأ النسبية، هي نفسها سواء كنا في حالة راحة أو نتحرك بسرعة ثابتة، فإن قانون حفظ الطاقة ينطبق على هذين الوصفين. بمعنى آخر، يجب أن يتفق الراصدان على أن الطاقة الإجمالية للنظام الفيزيائي المعني (والتي هي في هذه الحالة مجموع طاقة الإشعاع الضوئي والطاقة الحركية للجسم) تظل كما هي قبل الانبعاث وبعده من الضوء.

وفقًا لتجربة أينشتاين الفكرية، فإن الراصد الذي يصف الجسم بأنه ينبعث منه الضوء سيكتشف، بعد الانبعاث، انخفاضًا في الطاقة الحركية للجسم (وهذا كتعويض عن "إضافة" طاقة الإشعاع الضوئي إلى النظام). . الطاقة الحركية هي نتاج الكتلة مضروبة في نصف مربع السرعة، وبالتالي يمكن تفسير الانخفاض في الطاقة الحركية إما على أنه تغير في السرعة أو كتغير في الكتلة. ومع ذلك، وفقًا لمبدأ النسبية، فإن الجسم "يتحرك" فقط بالنسبة للراصد، ويمكن وصف وصف موازٍ ومطابق فيزيائيًا للراصد السلبي، وهو وصف لا يتحرك فيه الكائن على الإطلاق (أي، وصف تكون فيه سرعته صفرًا).

إذا كان التغير في الطاقة الحركية لا يمكن أن يكون نتيجة لتغير في السرعة، لأنه يتغير اعتمادًا على وجهة النظر المختارة (ويمكن حتى استبعادها)، فيجب أن يكون نتيجة لتغير في الكتلة، كما استنتج أينشتاين. وفقًا لأينشتاين، من الواضح أن كتلة الجسم هي مقياس لمحتواه من الطاقة، ويمكن صياغة المعادلة التي تربط الاثنين على النحو التالي: E=mc2 (في المقالة الأصلية، كتب أينشتاين صيغة أكثر تعقيدًا، والتعبير الشهير هو في الواقع تبسيط تلك الصيغة).

مع ولادة الفيزياء النووية واكتشاف عمليتي الانشطار والاندماج، تحول الوضع الذي ناقشه أينشتاين من تجربة فكرية إلى مجال بحث وتطبيق مثمر، وحظيت معادلة أينشتاين بتفسير حرفي شكلت نتائجه البعيدة المدى إلى حد كبير تاريخ القرن العشرين. اليوم، عندما يكون من الممكن في كل معجل جسيمات ملاحظة "تحويل" جزيئات المادة إلى طاقة، والعكس صحيح، أصبح الادعاء بأن "الطاقة شكل من أشكال الكتلة" أمرًا شائعًا، ويمكن العثور عليه في المؤلفات العلمية الشعبية و حتى في الكتب المدرسية.

על פי פרשנות אחת, שלה היה שותף איינשטיין ב-1905, המאמר האחרון של “שנת הפלא” מספק “שער חליפין” להמרה בין אנרגיה למאסה, ובכך טוען שמאסה ואנרגיה הן בעצם שתי פנים לאותו “דבר”, כפי שקרח ואדים הם בעצם צורה של ماء. تفسير آخر أعمق، والذي اقترحه أينشتاين بعد ذلك بقليل، هو القول أنه باتباع النظرية النسبية، هناك قانون آخر للصورة النيوتونية للعالم - قانون الحفاظ على الكتلة، والذي بموجبه كتلة الجسم، وهو مقياس مقاومته للقوى المؤثرة عليه، يظل دائمًا ثابتًا - تمت إزالته من الرف. إذا كانت الطبيعة، كما أظهر أينشتاين، "تعوض" التغير في الكتلة بمساعدة التغير في الطاقة، فإن الكمية الفيزيائية التي تظل ثابتة في العمليات الفيزيائية ليست الكتلة وحدها أو الطاقة وحدها، بل "لحام" كليهما. إلى حجم جديد: الكتلة-الطاقة.

ومن ثم، فإن أفضل طريقة لتفسير الصيغة الأكثر شهرة في تاريخ العلم هي ببساطة القول إنه وفقا للنظرية النسبية، فإن الكميات الفيزيائية التي كنا نعاملها حتى الآن على أنها كميات موضوعية ومطلقة، مثل الكتلة والطاقة أو المسافة و الوقت، ليست في الواقع مثل هذا. الكميات الموضوعية "الحقيقية" وفقًا للنسبية الخاصة هي الكميات التي تظل دون تغيير في الانتقال من وجهة نظر إلى أخرى، ومن وصف لنظام فيزيائي إلى آخر. وفقًا للنظرية النسبية، فإن الكتلة أو الطاقة ليست كميات مطلقة ولكنها كميات نسبية تعتمد على الوصف: في تجربة أينشتاين الفكرية، على سبيل المثال، سيفكر الراصدان - أحدهما في حالة سكون والآخر في حركة ثابتة - بكمية مختلفة الكتلة "تتحول" إلى طاقة. في المقابل، فإن الكمية المطلقة، التي تظل دون تغيير بغض النظر عن وجهة نظرنا، هي طاقة الكتلة، أو بشكل أكثر دقة طاقة الزخم (الزخم هو الكتلة مضروبة في السرعة).

إن التمييز بين أن الطاقة ليست "شكلاً من أشكال الكتلة" (كما أن الجليد، على سبيل المثال، هو شكل من أشكال الماء) هو تمييز حاسم يميل الكثير من الناس الطيبين إلى نسيانه. ويميز هذا النسيان جزءًا كبيرًا من التفسيرات التي تلقتها النظرية النسبية خلال القرن العشرين. في تاريخ العلم، هناك عدد غير قليل من الحالات المعروفة التي أصبحت فيها النظرية الفيزيائية نقطة جذب للأساطير والفرضيات التي لا أساس لها من الصحة. على سبيل المثال، ألهم القانون الثاني للديناميكا الحرارية أسطورة موت الكون التي سادت في منتصف القرن التاسع عشر، وقدمت ميكانيكا الكم (ولا تزال توفر) الإلهام لعشرات المناقشات العلمية الزائفة حول العلاقة بين الجسم والكائنات الحية. العقل أو عن التكافؤ بين فلسفات الشرق الأقصى والفيزياء الحديثة.

النسبية تفوق كل هذه. أحدثت اكتشافات أينشتاين في "عام العجب" وفي السنوات التي تلته إثارة كبيرة، وهذا ما دفع الفلاسفة والمفكرين إلى تقديم النظريتين النسبيتين (الخاصة والعامة، اللتين صيغتا بعد حوالي عقد من الزمان) كدعم لأي أيديولوجية تقريبًا التي يمكن التفكير فيها. الحقيقة هي أن المغزى من النظرية النسبية هو أن المفاهيم والفئات التي كانت تعتبر منفصلة حتى أينشتاين، مثل المكان والزمان، أو الزخم والطاقة، أو المكان والزمان والمادة، تم دمجها معًا في قطعة واحدة. لا تشير النظريات النسبية إلى أن أنظمة الإحداثيات أو حتى الهندسة هي مجرد اتفاقيات عشوائية؛ لا يعني ضمنيًا أن الزمن هو "البعد الرابع" بأي معنى ليس تافهًا أو بديهيًا (أي بمعنى لا يكون فيه الزمن مجرد محور آخر بالإضافة إلى محاور الفضاء الثلاثة)؛ وهذا لا يعني بالتأكيد أن كل شيء نسبي.

غدا: النسبية العامة

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~127739489~~~94&SiteName=hayadan