دور النظرية النسبية في تثبيت سرعة الضوء

2015 علوم القرن الـ21 الطاقة والمادة

براون بير

k

سرعة الضوء النظرية النسبية الفيزياء

تنتج عن عمليات الانشطار والانصهار النووية كمية هائلة من الطاقة – في الغالب حرارة – نظراً لأن مجموع كتل نواتج التفاعل أقل بقليل من مجموع كتل العناصر الداخلة فيها.

تظهر الكتلة «المفقودة »– الفرق بين مجموع الكتل – كطاقة. تنبأ الفيزيائي الألماني الأصل ألبرت آينشتين عام 1905 بالعلاقة التبادلية بين الكتلة والطاقة في نظريته المعروفة بالنظرية النسبية الخاصة.

ثبات سرعة الضوء

جوهر النظرية النسبية الخاصة ثبات قيمة سرعة الضوء في الفراغ، حتى وإن كان مصدر الضوء في حركة بالنسبة للراصد.

على سبيل المثال، إذا أطلق الضوء من على متن طائرة محلقة فإن الضوء ينتشر بسرعة واحدة ثابتة بغض النظر عن سرعة الطائرة. تقارب سرعة الضوء في الفراغ حوالي 186.000 ميل في الثانية (300.000 كم/ثانية)، ويرمز لها برمز c.

تحدث أشياء غريبة عند تحرك أي شيء بسرعات عالية. فبالنسبة لراصد ساكن على الأرض، مثلاً، يجد أن طول سفينة فضائية تسير بسرعة تساوي نصف سرعة الضوء، يجد هذا الراصد أن طول السفينة يتقلص مقارنة بطولها وهي ساكنة على سطح الأرض (بحوالي 13%) وأن كتلتها زادت (بالنسبة نفسها).

وتقابل الزيادة النسبية في الكتلة الطاقة التي توفرت للسفينة في عملية تعجيلها. برهن آينشتين أن لكل كتلة طاقة مكافئة وتساوي حاصل ضرب الكتلة في مربع سرعة الضوء في الفراغ. ويعبر عن هذا المفهوم رياضياتياً بالعلاقة:

تبنى آينشتين وقبل مبدأ أن الضوء ينتقل بين نقطتين باتخاذه أقصر مسافة بينهما: لكنه عندما اقترح اعتبار الزمن بُعداً رابعاً استخلص من ذلك أن الأجرام ذات الكتل الكبيرة جداً تشوش شكل الزمكان (الأبعاد المكانية والزمانية الأربعة) بسبب تأثيرها الجذبي. وحيثما يكون الزمكان منحنياً يتبع الضوء مساراً منحياً أيضاً – ويكون هذا المسار هو الأقصر بين نقطتين في نسيج الزمكان.