هل الارض ساكنة ؟؟

[المستور 0]

بسم الله الرحمن الرحيم

 

يتحدث هذا البحث عن تجربة مايكلسون مورلي واستنتاجاتها ومساهمتها في نشوء النظرية النسبية , كما يتناول موضوع الضوء والأثير عبر التاريخ , ومساهمة العلماء في ذلك , وهل نظرية الأثير لا تزال صحيحة ؟ أم إن التجارب قد أكدت غير ذلك , وما هي النظرية النسبية الخاصة التي جاء بها اينشتاين وما هي فرضياتها ونتائجها , وتصحيح العديد من ظواهر الفيزياء الفلكية .

 

كاتب البحث / مستور الاحمري

 

مقدمة :

 

خلق الله الكون بكل ما فيه من مواد صغيرة كالكوارك والإلكترون و مواد كبيرة كالمجرات والحشود المجرية وخلق الله الكائنات الحية وميز منها الإنسان حيث وهبه الله العقل ليتفكر ويتدبر في مخلوقات الله الأخرى ولتكون براهين جلية ودلال واضحة على وحدة خالقها الذي أبدع كل شيء خلقه فسبحانه ما أعظمه و ما أكرمه .

وقد تناوب على حمل راية العلم العديد من العلماء الذين كان لهم الفضل في تطور مسيرته وتوسيع آفاقه مما ساهم في حل بعض أسرار الكون وبزوغ أخرى , بعد أن أدركوا أن العلم ليس مقتصرا على عصر دون آخر أو عالم دون آخر بل هو ما تم استخلاصه على مر السنين , فمنهم من اعتمد على التجارب العملية وما ينتج عنها من إجابات قد تكون متوقعة وقد تكون غير متوقعه ليساهم آخرون في إعطاء التفسيرات لها . وقد يكون من اشهر الأحداث العلمية ونتائج التجارب الطبيعية تجربة مايكلسون مورلي والتي تأكد فيها للعلماء أن سرعة الضوء ثابتة بعد ما أعطى اينشتاين تفسير لنتيجتها السلبية بنظرية نجحت في توضيح غموض العديد من الظواهر الكونية والتثاقلية . ومن هنا كان من الضروري الرجوع للقصة من بدايتها .

 

الضوء والأثير عبر التاريخ :

 

تعامل الإنسان مع جميع أنواع المعرفة على أنها جوانب فلسفية , تستخدم فيها أسس المنطق العامة لتفسير ما يحيط بهم من ظواهر الطبيعة فكان فلاسفة الإغريق منذ 2500 سنة يتحدون الأساطير القديمة وتفسيرها للعالم إذ كانوا يتساءلون عن خلق العالم والكون فكانوا بذلك أول من بحث في العلوم الطبيعية , ويعتقد أن تالس هو البداية الحقيقية لظهور الفلسفة الإغريقية , حيث افترض أثير ( مادة بدائية مائية ) خلقت منها المواد الأخرى جميعا , وفي القرن الخامس قبل الميلاد خلص ديموقريطس أن الكون المادي مكون من جسيمات بالغة في الصغر لا يمكن تقسيمها تسمى ذرات والتي كانت مخالفة لنظرية أرسطو بسبب ما تحوي من فكرة ( الفراغ ) , الذي افترض أن الأثير يملئ السماء .

ثم في بداية القرن السابع عشر طرح جاليليو فكرة ان الحركة هي مفهوم نسبي , واعتقد أن الضوء يتحرك بصورة منتهية , لكنه أخطاء في قياس هذه السرعة وذلك بعدما اخذ معه قطعا من صخرة كانت في روما ( كانت هذه الصخرة تواصل في الظلمة بصيصها الضعيف بعد تعريضها لضوء الشمس ) واستنتج أن الضوء مكون من جسيمات ثم استنتج فقط أن سرعة الضوء يجب أن تكون كبيرة جدا .

وبالمقابل العالم الكبير إسحاق نيوتن الذي افترض وجود فضاء مطلق ساكن واعتقد أيضا أن الزمن مطلق وانه يجري بشكل منتظم في كل نقطة من المكان وذلك هو مبدأ النسبية الجاليلية , كما كان نيوتن أيضا يعتقد بوجود مادة الهيولي ( الأثير ) الغير مرئية التي تسبب القوة الطاردة المركزية . إذ أن أي جسم يتحرك في فضاء فارغ بدون قوى مؤثرة عليه سيواصل حركته في نفس الاتجاه وكان ذلك عام 1704م .

وكان الفلكي الدانمركي ( اوله رومر ) أول من برهن على أن للضوء سرعة محدودة , ففي عام 1675 لاحظ أن قمر المشتري ( ايوا ) انخسف قبل موعده بقليل عندما كان المشتري اقرب ما يكون إلى الأرض , فاستنتج أن الفرق ناجم عن الزمن الذي يستغرقه الضوء ليجتاز فرق المسافة .

وقد كان الفيزيائي الاسكتلندي جيمس ماكسويل عام 1864 م قد صاغ أربع معادلات تصف الكهرباء والمغناطيسية , وبهذه المعادلات تنتشر القوة الكهرومغناطيسية في الفضاء على شكل موجات متراكبة , وفكر ماكسويل أن الضوء نفسه يجب أن يكون موجات كهرومغناطيسية , ولتفسير هذه الظاهرة افترض ماكسويل أن الفضاء مملوء بالأثير المرن والغير مرئي معيدا للأذهان افتراض أرسطو عنها وكان ذلك في القرن التاسع عشر .

وافترض العلماء انه يملئ الفراغ الكوني , وكان للأثير خصائص منها انه يخترق جميع الأجسام والنجوم والكواكب التي تسبح فيه بحيث ينسحب خلف الأجسام الصلبة ؛ لأنه يجب أن يكون رقيقا وواسعا , وازدادت خصائص الأثير مع كل تجربة لا تتفق نتائجها العملية مع المتوقع من الأثير .

وبذلك اعتبر العلماء الأثير هو الشيء الثابت المطلق الذي ينقل الضوء من خلاله وان كل جسم متحرك فهو متحرك بالنسبة للأثير ( أي أن سرعة الأرض مثلا هي سرعتها بالنسبة للأثير والتي تساوي 30 كم / ث ) وسرعة الضوء هي سرعته بالنسبة للأثير .

 

تجربة مايكلسون مورلي :

 

في عام 1880 م أراد مايكلسون العالم الفيزيائي الأمريكي إثبات انتقال الأرض في الأثير مع ادوارد مورلي ولم يكن العلماء بحاجة إلى تجارب لإثبات فرضية وجود الأثير ولكن تجربة بسيطة تثبت وجود الأثير ستزيد من تثبيت أركان علم الفيزياء , وتوقعوا أن سرعة الضوء لن تكون هي نفسها بحسب ما إذا تم قياسها في الاتجاه نفسه لحركة الأرض أو في الاتجاه المعاكس . ويمثل مسار الأرض شعاع في احد اتجاهاتها ثم تخالفه في الاتجاه الآخر , وتوقع العلماء قياس اختلاف رتبه 30 كم/ث بمقارنة هاتين السرعتين من خلال جهاز مايكلسون الذي يتكون من الآتي :

1/ لوحان متماثلان من الزجاج ومائلان بزاوية 45 ْ

2/ مرآتان عاكستان فضيتان

3/ ومصدر ضوئي أحادي اللون

 

فكرة عمل جهاز مايكلسون

 

بعد خروج الشعاعين1 و 2 من نفس المصدر , فانهما يتداخلان ويكونان أهداب تداخل وهي عبارة عن مناطق مضيئة ومناطق مظلمة تتغير بتغير سرعة الضوء ويكون ذلك حسب فرق الطور النسبي , وتلك العلاقة في الطور تكون صحيحة في كلا الطولينالمرئيين للمسارين , وهي تعتمد على حركة الجهاز النسبية عبر الأثير .

 

 

ونرى أن الأرض تتحرك بسرعة نسبية u عبر الأثير , وخلال الجزء الأول من المسار A كما في الشكل ,والجهاز يتحرك في اتجاهات منتشرة , والعلاقة تعطى بالمعادلة v´ = v - u

وسرعة الضوء للشعاع A الموازي للأثير عند انتقاله باتجاه M2 تعطى بـ c – u والزمن الذي يستغرقه للانتقال من M1 إلى M2 يساوي L / ( c – u ) والزمن الأقل يكون عند رجوعه إلى M1 ويكون L / ( c + u )

ومن هنا يمكن حساب الزمن الكلي الذي يكون كالآتي :

T = ( L / c + u ) + ( L / c – u ) = 2Lc / c² - u² = ( 2L / c)/ 1- β²

حيث β هو رمز لـ β = u / c

وعند حسابنا الزمن الكلي T للمسار B العمودي على الأثير كما في الشكل يكون الفاصل الزمني T/2

ويلاحظ حركة المرآة M3 مسافة تساوي u T /2 إلى اليمين , وذلك يعطي الطول النهائي للمسار B وهو L = 2 √ L² + ( u T / 2)²

وإذا علمنا أن الضوء الذي يعبر خلال الأثير عند سرعة c فان الزمن يكون T = L /c

وبالتالي فان الناتج النهائي لـ T هو T = ( 2L / c ) / √ ( 1- β² )

الآن يكون الفرق الزمن بين هذين المسارين للحركة ولهذا الجهاز خلال الأثير يعطى بـ

ΔT = T - T = 2L / c [( 1/ 1- β²) – ( 1/ √ 1- β² )]

وتكون β = ( u / c )² ≈ 10

 

 

 

ثم إذا أدرنا الجهاز90ْ فان ادوار كل من المسار 1 و 2سوف تتغير , وبالتالي فان الاختلاف بين الزمنين يكون سالبا

والزمن الكلي سينزاح من نتيجة كل دورة , ولذلك تتضاعف قيمة المعادلة الأخيرة وتكون كالآتي :

ΔT = 2L β² / c

وفرق الطور المتناظر والمزاح بين الموجتين يكون :

2π ( ΔT / T ) = 2π c ΔT / λ = ( 4π L / λ )β²

حيث T هي الدورة , و λ هي الطول الموجي للموجة الضوئية , وتوقع العلماء عند هذا الدوران بالنسبة للأثير أن يحدث تغير في الأهداب المتكونة نتيجة التداخل بحيث تكون المضيئة مكان المظلمة .

 

جهاز مايكلسون ويظهر فيه الاهداب المظلمة والمضيئة .

 

ولتقليل الاهتزازات والاضطرابات الناتجة عن الحركة خلال الدوران , فان مايكلسون ومورلي ركبا الجهاز على سطح أحجار صخرية كبيرة موزونة بالزئبق وقاما أيضا بإضافة تحسينات للجهاز من خلال إتقان القياس عن طريق مرايا إضافية ساهمت في زيادة الطول L حيث أصبح يساوي 11 متر وبذلك يكون العامل β² يساوي 10 فقط :

4π L / λ = 44π / 5.5 × 10 = 2.5 × 10

 

وهي للضوء الأصفر الذي استخدم في التجربة , وفرق الطور الناتج عن تدوير زاوية الجهاز 90ْ أصبحت تساوي 2.5 راديان , وقد كانت النتيجة على غير المتوقع , فلم يحدث تغير في الأهداب كما كان متوقعا ونتيجة الإزاحة المقاسة دون تردد ( تداخل منتظم ) , وكانت الإزاحة المتوقعة 0.4 هدبه , والإزاحة الناتجة كانت اقل بعشرين جزء منها , وقد تكون اقل بأربعين جزء .

وقد أعيدت التجربة عدة مرات في مناطق مختلفة على الأرض وفي أوقات مختلفة ولكن لم يحدث التغير الذي توقعه العالمان مايكلسون ومورلي وكان ذلك عام 1902 م .

هذه النتيجة السلبية التي اختلفت نتائجها العملية مع النظرية صدمت العلماء في صحة نظرياتهم الكلاسيكية وتمسكهم بوجود الأثير .

 

اينشتاين والنظرية النسبية :

 

نشر ألبرت اينشتاين وهو في السادسة والعشرين من العمر ثلاث مقالات علمية بارزة , ظهرت كلها في مجلد واحد من مجلدات مجلة ألمانية علمية عام 1904 م .

عرضت المقالة الأولى تفسيره للمفعول الكهروضوئي مبرهنا على أن الضوء مؤلف من جسيمات , وشرحت المقالة الثانية الحركة العشوائية المجهرية للجسيمات المعلقة بالماء , أما المقالة الثالثة فوصفت النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين والتي قلبت الأفكار الشائعة عن الزمان والمكان رأسا على عقب , والتي بنت أسس جديدة في الفيزياء , ولان أفكار النسبية الخاصة التي تفسر ما يحدث عن اقتراب السرعات من سرعة الضوء كان من الصعب تقييمها , و كانت مقالته الأولى حول المفعول الكهروضوئي سببا لحصوله على جائزة نوبل للفيزياء عام 1921 م .

من خلال النظرية النسبية الخاصة حاول اينشتاين تفسير نتائج تجربة مايكلسون مورلي , وقد وضع اينشتاين فرضيتين لنظريته النسبية , فكانت الفرضية الأولى تتعلق بالأثير وكانت الثانية متعلقة بالضوء.

 

الفرضية الأولى :

توضح هذه الفرضية انه لا وجود للأثير وكان هذا مخالف لكافة العلماء في ذلك الوقت , ومعنى ذلك انه لا وجود للمكان أو الزمان المطلق , وبدلا عنها فان هنالك مكانا وزمانا نسبيا وسرعة نسبية. و تكمن صعوبة قبول النظرية الأولى التي تنفي وجود الأثير بسبب اعتماد العلماء السابقين في كل تجاربهم ونظرياتهم على وجود الأثير ونسب كل شيء إليه .

 

الفرضية الثانية :

أما الفرضية الثانية المتعلقة بالضوء فقد بينت أن سرعة الضوء ثابتة في الفراغ مهما تغير مكان المشاهد أو الراصد لسرعة الضوء ( أي أن سرعة الضوء في الفراغ مستقلة عن حركة المصدر الضوئي ) , والنتيجة النهائية للفرضيتين هي أن قياسات الزمن والمكان تتغير بالحركة .

 

تفسير التجربة وأهميتها :

 

كانت نتائج تجربة مايكلسون مورلي مخيبة , فلم يتم قياس أي تغير في سرعة الضوء , كما لو أن الأرض كانت ساكنة طوال الوقت في الأثير , ولكن النظرية النسبية لاينشتاين قد بينت أن نتائجها صحيحة تماما ولكن الخطاء كان في النظرة إلى الأثير وسرعة الضوء , وعلى ضوء هذه المعطيات فان النتيجة التي تم الحصول عليها لسرعة الضوء والتي لم تتغير تدل على أن سرعة الضوء ثابتة وهي كما حسبها مايكلسون تساوي 2.5 × 10 متر لكل ثانية وهي قريبة جدا لسرعة الضوء المقاسة حاليا والتي تساوي 299793 كم / ث .

وفي عام 1907م حصل مايكلسون على جائزة نوبل للفيزياء بسبب قياسه لسرعة الضوء بدقة عالية , فكانت هذه التجربة من أهم التجارب التي مرت على الفيزياء بسبب مساهمتها في إثبات النظرية النسبية فهي تعد احد الأدلة الدامغة على صحتها, وذلك بإلغائها فكرة الأثير وطرحها لفكرة سرعة الضوء الثابتة وكانت سرعة الضوء المكتشفة فيها هي سرعة مطلقة في أي مكان وزمان ولم يتمكن العلماء حتى الآن من اكتشاف أي سرعة أعلى منها , وأصبحت هذه السرعة من الثوابت الكونية , ويستخدمها الفلكيون لقياس المسافات بين النجوم والمجرات وما إلى ذلك , فوضعوا لها وحدات معينة كاليوم الضوئي والشهر الضوئي والسنة الضوئية وهي وحدات لقياس المسافة كما ذكر وليست لقياس الزمن .

 

الخاتمة :

 

إن الناظر إلى ما حققته البشرية من إنجازات علمية واكتشافات ليقف وقفة إجلال للعلماء الذين بذلوا وقتهم في البحث عن حقيقة الأشياء وملاحظة الطبيعة من حولهم من خلال الأسلوب العلمي الصحيح والمثابرة والصبر على تحقيق النتيجة , وتجربة مايكلسون وغيرها من التجارب والنظريات العلمية التي ساهمت في دفع العلم إلى الأمام تدعو دائما إلى مواصلة الطريق الذي بدأه الأقدمون , وتحث على التفكر والتدبر في خلق الله ليتحقق للإنسان خيري الدنيا والآخرة .

قال تعالى ﴿ إن في خلق السماوات و الأرض واختلاف الليل و النهار لآيات لأولي الألباب الذين يذكرون الله قياماً و قعوداً و على جنوبهم و يتفكرون في خلق السماوات والأرض ربنا ما خلقت هذا باطلا سبحانك فقنا عذاب النار ﴾ .

 

المراجع :

1- MODERN PHYSICS للمؤلف FRANK J. BLATT

2- البحث عن اللانهاية حل اسرار الكون تقديم ستيفن هوكنز

3- INTRODUCTION TO OPTICS للمؤلف FRANK L. PEDROTTI

4- محاضرات في النظرية النسبية للمؤلف احمد سعد الدين

5- الأسس الفيزيائية للنظرية النسبية الخاصة للمؤلف موسى ديب الخوري

[انور ال محمد 0]

أخي / مستور الأحمري

موضوع رائع حول تجربة في غاية الأهمية وهي تجربة مايكلسون-موري

وأهم فائدة يجب أن يستفيدها العلماء من ذلكأنه ( وفوق كل ذي علم عليم)

كما أشكر لك مشاركاتك الرائعة والمتواصلة في المنتدى والتي ساهمت وتساهم في اثرائه

 

[فيزيائي 0]

اخي بارك الله في علمك وجهدك ,,,,

[سعد الغامدي 0]

بسم الله الحمن الرحيم

نشكر الأخ الأحمري على جهوده المبذولة

وإلا الأمام

ويستحسن ان يدعم بحثه بأشكال هندسية

للتوضيح اكثر

أخوك الغامدي[

[سالم الجعيدي 0]

نعم

أنا أشكر أخي الأستاذ مستور كثير الشكر

وفي نفس الوقت أؤيد كلام الأستاذ سعد الغامدي

نحن نحتاج إلى رسومات هندسية توضيحية وليس تعبيراً ناشفاً هكذا

الرسومات بالنسبة للشرح كالإدام بالنسبة للخبز ،

لابد من إدام يامستور ، أين الإدام والسلطة

 

أخوك الجائع / سالم الجعيدي

[المستور 0]

بسم الله الرحمن الرحيم

 

اشكر الجميع على تعقيبهم واتمنى ان يكون في الاشكال الهندسية والصور التي اضفتها تلبية لرغبيتهم

, علما انني لم اضعها في البداية كي يتمكن الجميع من قرأة البحث بشكل سهل وميسر دون معادلات رياضية ( التي قد لا يحبذها البعض ) , واتمنى ان لا يكون الاخ سالم منهم

 

تحياتي

 

مستور الاحمري