الكتلة والطاقة Mass and Energy
الكتلة لها تعريفين مهمين، فالتعريف الأول عام ويستخدم في كل الأحوال ويعرفه الجميع على ان الكتلة هي ما يحتويه الجسم من مادة (أي مقدار ما يحتويه الجسم من جسيمات ذرية مثل البروتونات والالكترونات والنيوترونات). وإذا ما قمنا بضرب الكتلة في عجلة الجاذبية الأرضية نحصل على كمية فيزيائية تعرف بالوزن weight. فعندما نتناول الكثير من الأطعمة على سبيل المثال فان وزننا يزداد وفي الواقع كتلة الجسم هي التي ازدادت، ويجب ان ننتبه لان الكتلة لا تعتمد على مكان وجودها في الفراغ فمثلا كتلة الجسم على الأرض هي نفسها كتلته على القمر أو على المشتري أو حتى في الفراغ والذي يتغير هنا هو الوزن، لان الوزن هو مقدار تأثير الجاذبية على الكتلة ولان الجاذبية تتغير فان الوزن يتغير ولكن الكتلة تبقى ثابتة.
أما التعريف الثاني للكتلة هو مقدار القوة اللازمة لجعل الجسم يتسارع. والكتلة تعتمد على حركة الأجسام بالنسبة لبعضها البعض كما أثبتت ذلك النظرية النسبية الخاصة. حيث وضحت النظرية النسبية ان كتلة الجسم تزداد كلما زادت سرعته، وبالتأكيد هذا أمر غريب ان تزداد الكتلة بزيادة سرعتها والأمر الأخر الذي أضافته لنا النظرية النسبية ان الكتلة هي صورة من صور الطاقة بمعنى انه يمكن ان نحول الكتلة إلى طاقة وان تتحول الطاقة إلى كتلة. ولقد كان لمبدأ تكافئ الكتلة والطاقة الفضل في اكتشاف الطاقة النووية واستخداماتها المتعددة.
في هذه المرحلة من الموضوع سوف يبدو التعريف الجديد للكتلة صعب بعض الشيء ولكن سوف يتم توضيحه فيما بعد أثناء شرح نتائج النظرية النسبية والمطلوب هنا ان نتذكر ان هناك علاقة بين الكتلة والطاقة.
الطاقة Energy
تعرف الطاقة بأنها مقياس لقدرة نظام معين على بذل شغل work. وتوجد الطاقة في أشكال مختلفة مثل طاقة الوضع potential energy أو طاقة حركة kinetic energy أو غيرها. وكما نعلم فان الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من عدم ولكن تتحول من شكل لأخر مثل ان تتحول الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية ا وان تتحول الطاقة النووية إلى طاقة كهربية وهكذا بحيث تكون دائما طاقة النظام محفوظة.
الضوء Light
الضوء هو شكل من أشكال الطاقة ويوجد الضوء في حالتين أحيانا يكون للضوء خواص تشبه خواص الجسيمات وأحيانا أخرى يكون للضوء خواص الأمواج فمثلا عندما ندرس ظاهرة الانعكاس أو الانكسار للضوء نتعامل مع الضوء على انه جسيمات مادية ولكن عندما ندرس حيود وتشتت الضوء فإننا في هذه الحالة نتعامل مع الضوء على انه موجات. ولهذا فان الضوء خاصية مزدوجة تعرف باسم duality. ويجب الانتباه هنا إلى ان هذا السلوك المزدوج للضوء لا يعني ان نجد ان الضوء يتصرف كجسيمات وأمواج في نفس الوقت ويكون للضوء سلوك محدد حسب الظاهرة التي ندرسها بحيث تطغى الخصائص الموجية على الخصائص الجسمية في ظاهرة الحيود بينما تطغى الخواص الجسيمية على الخواص الموجية في ظاهرة الانعكاس. ولهذا فإننا نطلق على الضوء بالأمواج الكهرومغناطيسية electromagnetic radiation إذا كنا الضوء يتصرف كانه موجة ونطلق على الضوء فوتونات photons عندما يسلك الضوء سلوك الجسيمات. بمعنى ان الفوتونات هي أشعة كهرومغناطيسية والأشعة الكهرومغناطيسية هي فوتونات.
الفوتون
الفوتون هو الضوء الذي نراه عندما تصدر الذرة طاقة. ففي النموذج الذري الالكترونات تدور في مدارات محددة حول النواة المكونة من بروتونات ونيوترونات. ولهذه المدارات طاقات محددة فعندما ينتقل الإلكترون من مدار مرتفع إلى مدار منخفض فانه يفقط طاقة تصدر على شكل فوتون يحمل فرق الطاقة بين المدارين وعندما ينتقل الإلكترون من مدار منخفض إلى مدار مرتفع فانه يمتص طاقة تساوي بالضبط فرق الطاقة بين المدارين وقد تكون هذه الطاقة التي يمتصها هي فوتون وفي هذه الحالة نقول ان الذرة أصبحت مثارة لان الإلكترون اكتسب طاقة مكنته من الانتقال من مداره حول النواة إلى مدار ابعد. ولكن حالة الإثارة تلك لا تدوم طويلا فما يلبث ان يعود الإلكترون إلى مداره الأصلي مطلقا الطاقة التي اكتسبها في صورة فوتون وتتكرر هذه العملية طالما توفرت مصدر طاقة لإثارة الالكترونات (وبهذا نحصل على الضوء في أنابيب الفلوريسنت).
ومن هنا نستنتج ان الفوتونات ناتجة عن إثارة الذرة.
الموجة الكهرومغناطيسية
أما الموجة الكهرومغناطيسية فهي أيضا صورة من صور الطاقة الناتجة عن الحركة الاهتزازية للشحنة. فينتج عن هذه الحركة مجالاً كهربياً ومجالاً مغناطيسياً متردد، ومن هنا جاءت تسمية هذه الأمواج بالأمواج الكهرومغناطيسية، وكلا من المجال الكهربي والمغناطيسي متعامدين على بعضهما البعض. تردد المجال الكهربي يحدد تردد الضوء frequency والذي يعتبر احد الخواص المميزة للضوء فالترددات التي نراها هي التي تقع في المدى بين الأحمر والأزرق والترددات التي تقع خارج هذا النطاق لا نراها بالعين المجردة مثل أمواج الميكروويف أو أمواج الراديو أو أشعة اكس. ولكما زادت تردد الأشعة الكهرومغناطيسية زادت طاقته. فمثلا طاقة أشعة اكس كبيرة ولذلك تستطيع هذه الأشعة اختراق أجسامنا.
لهذا نلاحظ ان الضوء ينتشر على مدى واسع نسميه الطيف والجزء المرئي منه صغير جدا بالنسبة لكل الطيف وعندما نطلق كلمة ضوء فإننا نقصد الطيف المرئي من كامل الطيف الكهرومغناطيسي.
خصائص الضوء Characteristics of Light
عندما ينتقل الضوء في الفراغ فانه يعترضه في بعض الأحيان مواد مختلفة، منها ما تجعله ينعكس reflection مثل سطح المرآة ومنها ما يجعله ينحرف عن مساره عندما ينتقل الضوء من وسط مادي إلى وسط أخر مختلف في الكثافة الضوئية ونسمى هذا الانحراف بالانكسار refraction، وإذا كان الضوء يحتوي على ترددات مختلفة مثل الضوء الأبيض فان كل تردد ينحرف بزاوية مختلفة مما ينتج عنه تحلل الضوء إلى ألوان مختلفة نسميها ألوان الطيف، وهذه الظاهرة نعرفها باسم ظاهرة قوس قزح rainbow. ويمكن ان نفصل الضوء الأبيض إلى ألوان الطيف باستخدام منشور prism كما في الشكل التالي:
ولفهم ما يحدث في ظاهرة الانكسار دعنا نفترض موجات الضوء التي تعبر المنشور الزجاجي فلاحظ هنا ان الضوء ينحرف عن مساره عندما يعبر الحد الفاصل بين المنشور والهواء ويعود السبب في ذلك إلى اختلاف سرعة الضوء في الفراغ عنه في الزجاج فالجزء من الموجة الذي عبر الزجاج سرعته تقل بينما الجزء المتبقي من الموجة لا تزال سرعته كما هي وهذا يسبب انحراف الضوء (الانكسار) وعندما ينفذ الضوء من الجانب الأخر للمنشور فانه يحدث نفس الشيء. فينكسر الضوء مرة أخرى.
الخلاصة
هذه بعض المعلومات المتعلقة بالضوء والآن سوف نبدأ في شرح بعض المفاهيم الأساسية عن سرعة الضوء والتي هي نفسها سرعة الأمواج الكهرومغناطيسية ويمكن ان نطلق على سرعة الضوء مصطلح سرعة المعلومات، لأننا لا نستطيع ان نعرف ان حدث ما قد حدث إلا إذا وصلت الضوء المنعكس عن الحدث لنا لنبصره بأعيننا فمثلا لو سقط كتاب على الأرض فإننا نعرف ان الكتاب سقط على الأرض بانتقال الضوء من الكتاب إلى أعيننا وبالتالي ندرك ان حدث سقوط الكتاب قد حدث، كذلك عند حدوث البرق نعلم بان الضوء صدر عن تفريغ كهربي في السحابة وفي نفس الوقت صدر صوت هائل ولكن لان سرعة الضوء اكبر بكثير من سرعة الصوت فنرى الضوء أولا ونعرف بحدوث البرق ثم نسمع الصوت بعد ذلك.
إذا أي حدث ينتقل لنا بسرعة الضوء والتي تبلغ 300,000 كيلومتر في الثانية ولا يمكن ان تكون أسرع من ذلك لان سرعة الضوء هي السرعة القصوى. فمثلا لو تخيلنا قطار طويل جدا بدأ في الحركة فان لا يمكن ان تتحرك العربة الأولى والعربة الأخيرة في نفس الوقت لان الضوء القادم من العربة الأخيرة يستغرق وقت أطول من العربة الأمامية القريبة منا ولهذا ندرك ان العربة الأولى تحركت وبعد عدها تحركت العربة الأخيرة. لاحظ هنا ان الحدث هنا هو حركة العربة الأولى والحدث الثاني هو حركة العربة الأخيرة.
الكتلة لها تعريفين مهمين، فالتعريف الأول عام ويستخدم في كل الأحوال ويعرفه الجميع على ان الكتلة هي ما يحتويه الجسم من مادة (أي مقدار ما يحتويه الجسم من جسيمات ذرية مثل البروتونات والالكترونات والنيوترونات). وإذا ما قمنا بضرب الكتلة في عجلة الجاذبية الأرضية نحصل على كمية فيزيائية تعرف بالوزن weight. فعندما نتناول الكثير من الأطعمة على سبيل المثال فان وزننا يزداد وفي الواقع كتلة الجسم هي التي ازدادت، ويجب ان ننتبه لان الكتلة لا تعتمد على مكان وجودها في الفراغ فمثلا كتلة الجسم على الأرض هي نفسها كتلته على القمر أو على المشتري أو حتى في الفراغ والذي يتغير هنا هو الوزن، لان الوزن هو مقدار تأثير الجاذبية على الكتلة ولان الجاذبية تتغير فان الوزن يتغير ولكن الكتلة تبقى ثابتة.
أما التعريف الثاني للكتلة هو مقدار القوة اللازمة لجعل الجسم يتسارع. والكتلة تعتمد على حركة الأجسام بالنسبة لبعضها البعض كما أثبتت ذلك النظرية النسبية الخاصة. حيث وضحت النظرية النسبية ان كتلة الجسم تزداد كلما زادت سرعته، وبالتأكيد هذا أمر غريب ان تزداد الكتلة بزيادة سرعتها والأمر الأخر الذي أضافته لنا النظرية النسبية ان الكتلة هي صورة من صور الطاقة بمعنى انه يمكن ان نحول الكتلة إلى طاقة وان تتحول الطاقة إلى كتلة. ولقد كان لمبدأ تكافئ الكتلة والطاقة الفضل في اكتشاف الطاقة النووية واستخداماتها المتعددة.
في هذه المرحلة من الموضوع سوف يبدو التعريف الجديد للكتلة صعب بعض الشيء ولكن سوف يتم توضيحه فيما بعد أثناء شرح نتائج النظرية النسبية والمطلوب هنا ان نتذكر ان هناك علاقة بين الكتلة والطاقة.
الطاقة Energy
تعرف الطاقة بأنها مقياس لقدرة نظام معين على بذل شغل work. وتوجد الطاقة في أشكال مختلفة مثل طاقة الوضع potential energy أو طاقة حركة kinetic energy أو غيرها. وكما نعلم فان الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من عدم ولكن تتحول من شكل لأخر مثل ان تتحول الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية ا وان تتحول الطاقة النووية إلى طاقة كهربية وهكذا بحيث تكون دائما طاقة النظام محفوظة.
الضوء Light
الضوء هو شكل من أشكال الطاقة ويوجد الضوء في حالتين أحيانا يكون للضوء خواص تشبه خواص الجسيمات وأحيانا أخرى يكون للضوء خواص الأمواج فمثلا عندما ندرس ظاهرة الانعكاس أو الانكسار للضوء نتعامل مع الضوء على انه جسيمات مادية ولكن عندما ندرس حيود وتشتت الضوء فإننا في هذه الحالة نتعامل مع الضوء على انه موجات. ولهذا فان الضوء خاصية مزدوجة تعرف باسم duality. ويجب الانتباه هنا إلى ان هذا السلوك المزدوج للضوء لا يعني ان نجد ان الضوء يتصرف كجسيمات وأمواج في نفس الوقت ويكون للضوء سلوك محدد حسب الظاهرة التي ندرسها بحيث تطغى الخصائص الموجية على الخصائص الجسمية في ظاهرة الحيود بينما تطغى الخواص الجسيمية على الخواص الموجية في ظاهرة الانعكاس. ولهذا فإننا نطلق على الضوء بالأمواج الكهرومغناطيسية electromagnetic radiation إذا كنا الضوء يتصرف كانه موجة ونطلق على الضوء فوتونات photons عندما يسلك الضوء سلوك الجسيمات. بمعنى ان الفوتونات هي أشعة كهرومغناطيسية والأشعة الكهرومغناطيسية هي فوتونات.
الفوتون
الفوتون هو الضوء الذي نراه عندما تصدر الذرة طاقة. ففي النموذج الذري الالكترونات تدور في مدارات محددة حول النواة المكونة من بروتونات ونيوترونات. ولهذه المدارات طاقات محددة فعندما ينتقل الإلكترون من مدار مرتفع إلى مدار منخفض فانه يفقط طاقة تصدر على شكل فوتون يحمل فرق الطاقة بين المدارين وعندما ينتقل الإلكترون من مدار منخفض إلى مدار مرتفع فانه يمتص طاقة تساوي بالضبط فرق الطاقة بين المدارين وقد تكون هذه الطاقة التي يمتصها هي فوتون وفي هذه الحالة نقول ان الذرة أصبحت مثارة لان الإلكترون اكتسب طاقة مكنته من الانتقال من مداره حول النواة إلى مدار ابعد. ولكن حالة الإثارة تلك لا تدوم طويلا فما يلبث ان يعود الإلكترون إلى مداره الأصلي مطلقا الطاقة التي اكتسبها في صورة فوتون وتتكرر هذه العملية طالما توفرت مصدر طاقة لإثارة الالكترونات (وبهذا نحصل على الضوء في أنابيب الفلوريسنت).
ومن هنا نستنتج ان الفوتونات ناتجة عن إثارة الذرة.
الموجة الكهرومغناطيسية
أما الموجة الكهرومغناطيسية فهي أيضا صورة من صور الطاقة الناتجة عن الحركة الاهتزازية للشحنة. فينتج عن هذه الحركة مجالاً كهربياً ومجالاً مغناطيسياً متردد، ومن هنا جاءت تسمية هذه الأمواج بالأمواج الكهرومغناطيسية، وكلا من المجال الكهربي والمغناطيسي متعامدين على بعضهما البعض. تردد المجال الكهربي يحدد تردد الضوء frequency والذي يعتبر احد الخواص المميزة للضوء فالترددات التي نراها هي التي تقع في المدى بين الأحمر والأزرق والترددات التي تقع خارج هذا النطاق لا نراها بالعين المجردة مثل أمواج الميكروويف أو أمواج الراديو أو أشعة اكس. ولكما زادت تردد الأشعة الكهرومغناطيسية زادت طاقته. فمثلا طاقة أشعة اكس كبيرة ولذلك تستطيع هذه الأشعة اختراق أجسامنا.
لهذا نلاحظ ان الضوء ينتشر على مدى واسع نسميه الطيف والجزء المرئي منه صغير جدا بالنسبة لكل الطيف وعندما نطلق كلمة ضوء فإننا نقصد الطيف المرئي من كامل الطيف الكهرومغناطيسي.
خصائص الضوء Characteristics of Light
عندما ينتقل الضوء في الفراغ فانه يعترضه في بعض الأحيان مواد مختلفة، منها ما تجعله ينعكس reflection مثل سطح المرآة ومنها ما يجعله ينحرف عن مساره عندما ينتقل الضوء من وسط مادي إلى وسط أخر مختلف في الكثافة الضوئية ونسمى هذا الانحراف بالانكسار refraction، وإذا كان الضوء يحتوي على ترددات مختلفة مثل الضوء الأبيض فان كل تردد ينحرف بزاوية مختلفة مما ينتج عنه تحلل الضوء إلى ألوان مختلفة نسميها ألوان الطيف، وهذه الظاهرة نعرفها باسم ظاهرة قوس قزح rainbow. ويمكن ان نفصل الضوء الأبيض إلى ألوان الطيف باستخدام منشور prism كما في الشكل التالي:
ولفهم ما يحدث في ظاهرة الانكسار دعنا نفترض موجات الضوء التي تعبر المنشور الزجاجي فلاحظ هنا ان الضوء ينحرف عن مساره عندما يعبر الحد الفاصل بين المنشور والهواء ويعود السبب في ذلك إلى اختلاف سرعة الضوء في الفراغ عنه في الزجاج فالجزء من الموجة الذي عبر الزجاج سرعته تقل بينما الجزء المتبقي من الموجة لا تزال سرعته كما هي وهذا يسبب انحراف الضوء (الانكسار) وعندما ينفذ الضوء من الجانب الأخر للمنشور فانه يحدث نفس الشيء. فينكسر الضوء مرة أخرى.
الخلاصة
هذه بعض المعلومات المتعلقة بالضوء والآن سوف نبدأ في شرح بعض المفاهيم الأساسية عن سرعة الضوء والتي هي نفسها سرعة الأمواج الكهرومغناطيسية ويمكن ان نطلق على سرعة الضوء مصطلح سرعة المعلومات، لأننا لا نستطيع ان نعرف ان حدث ما قد حدث إلا إذا وصلت الضوء المنعكس عن الحدث لنا لنبصره بأعيننا فمثلا لو سقط كتاب على الأرض فإننا نعرف ان الكتاب سقط على الأرض بانتقال الضوء من الكتاب إلى أعيننا وبالتالي ندرك ان حدث سقوط الكتاب قد حدث، كذلك عند حدوث البرق نعلم بان الضوء صدر عن تفريغ كهربي في السحابة وفي نفس الوقت صدر صوت هائل ولكن لان سرعة الضوء اكبر بكثير من سرعة الصوت فنرى الضوء أولا ونعرف بحدوث البرق ثم نسمع الصوت بعد ذلك.
إذا أي حدث ينتقل لنا بسرعة الضوء والتي تبلغ 300,000 كيلومتر في الثانية ولا يمكن ان تكون أسرع من ذلك لان سرعة الضوء هي السرعة القصوى. فمثلا لو تخيلنا قطار طويل جدا بدأ في الحركة فان لا يمكن ان تتحرك العربة الأولى والعربة الأخيرة في نفس الوقت لان الضوء القادم من العربة الأخيرة يستغرق وقت أطول من العربة الأمامية القريبة منا ولهذا ندرك ان العربة الأولى تحركت وبعد عدها تحركت العربة الأخيرة. لاحظ هنا ان الحدث هنا هو حركة العربة الأولى والحدث الثاني هو حركة العربة الأخيرة.