1522- #أساسيات_الفيزياء-الحلقة الخامسة : ما الذي تعنيه المعادلة E = mc²؟

ما الذي تعنيه المعادلة E = mc²؟
تخبرنا المعادلة أن الطاقة والكتلة هما نفس الشيء, وكم من الطاقة محتوى في كتلة معينة أو العكس, بعبارات أخرى, الكتلة هي في الواقع طاقة معبأة بإحكام, كون الطاقة والكتلة هي فعلا نفس الشيء هو إدعاء إستثنائي للغاية ويبدو أنه يعارض قانونين وضعها العلماء قبل اينشتاين.

1- قانون حفظ الكتلة:
كما قد رأينا, الكتلة يمكن إعتبارها على أنها كمية المادة في جسم ما, قانون حفظ الطاقة ينص على أن الكتلة محفوظة دائما, هذا مهما فعلنا للمادة في نظام مغلق سنحصل دائما على نفس المقدار من المواد في النهاية, على سبيل المثال, إذا ما أحرقنا جذعا, يصبح الحطب أخف مع إستخدام الوقود فيه, ومع ذلك, إذا ما جمعنا معا الرماد + كل جزيئات الدخان الضئيلة +بخار الماء المنبعث وقمنا بوزن كل ذلك سنجد أن كتلتها مساوية بالظبط لكتلة الجذع الذي أحرقناه.

الكتلة هي كتلة فحسب, أو هكذا تبدو, وفي حين أنه يمكن التعديل عليها كيميائيا, كمثل الحرق, فإن المقدار الكلي في أي نظام يبقى نفسه.

2- قانون حفظ الطاقة:
لكن وماذا بشأن الطاقة المحررة في حرق الجذع ؟ الطاقة المحررة في عملية الحرق هي “طاقة كيميائية” أي كسر وإعادة تشكيل الروابط الكيميائية بين الذرة والجزيء, إحراق الحطب يحرر الطاقة الكيميائية المحجوزة بداخله, لم تشكل طاقة خلال العملية ولم تدمر أيا منها, لقد كان مجرد تغير من نوع من الطاقة “طاقة كيميائية” إلى أنواع أخرى من الطاقة “حرارة وضوء”, بعبارات أخرى المقدار الكلي للطاقة, كمثل المقدار الكلي للكتلة بقي نفسه.

*بعد العديد من التجارب, خصوصا بواسطة العالم الذي على إسمه سميت وحدة الطاقة, جيمس بريسكوت جول (1818-1889م), تم إثبات أن المقدار الكلي للطاقة في نظام مغلق يبقى دائما نفسه, هذا يعرف بقانون حفظ الطاقة.

ما وضحه آينشتاين بواسطة معادلته المشهورة الأن كان أن الكتلة والطاقة هما في الواقع نفس الشيء, بالتالي تحويل أحدهما إلى الأخر لا ينتهك أي من قانوني الحفظ, كلا المقدارين محفوظ, بالرغم من أن حالة الكتلة/الطاقة قد تتغير, كل ذرة مادة يمكن التفكير فيها على أنها كرة صغيرة من الطاقة المعبأة بإحكام والتي يمكن تحريرها تحت ظروف معينة, وبالمثل يمكننا أخذ طاقة “كمثل جسيمات الضوء, تدعى فوتونات” وتحويلها إلى مادة, تم تحقيق هذا لأول مرة في ثلاثينيات القرن العشرين.
الصورة بالأسفل تظهر أول تجربة ناجحة والتي تم تحويل الطاقة فيها إلى مادة: الغرفة السحابية = اضمحلال الفوتون

الصورة تظهر مسارات جسيما مادة والذين “أُنشئا” بعد إبادة فوتون, أي “تداعى” في الغرفة السحابية,الفوتون عالي الطاقة ليس في المدى الظاهر وقد دخل الغرفة من أسفل الصورة

الغرفة السحابية: هي خزان محكم الإغلاق ممتلئ بغاز, غالبا مع مغناطيس في أحد جانبيه, عندما يعبر الخزان جسيم كمثل ذرة, إلكترون أو بروتون وهلم جرا, تصطدم مع بعض الجسيمات في الغاز لتنتج سحب صغيرة والتي تُعلِم مسارها, للجسيمات معتدلة الشحنة كمثل النيوترون المسار سيكون مستقيما, غير أنه, لأي جسيم ليس متعادل الشحنة فإن مساره سيكون منحني نحو أو بعيدا عن الجزء المغناطيسي في الجهاز.

شرح اينشتاين لمعادلته:
لابد أن اينشتاين أمضى قدرا كبيرا من حياته في شرح أكثر معادلاته شهرة, لحسن الحظ أن أحدهم سجل شرحها لها وبإمكانك سماعه بعباراته ذاتها على هذا الرابط

فستجد اينشتاين يتحدث عن معادلته E = mc² … التسجيل قديم وبإضافة لهجة اينشتاين, تجعل سماع الكلمات بشكل سليم صعبا أحيانا
هذا نص التسجيل:
“وجاءت من نظرية النسبية الخاصة أن الكتلة والطاقة كلاهما ليس إلا صورة مختلفة للأمر نفسه –تصور غير معتاد إلى حد ما للعقول المتوسطة- علاوة على ذلك, المعادلة E = mc², والتي وضعت فيها الطاقة مساوية للكتلة, مضروبة في تربيع سرعة الضوء, تبين أن مقدار ضئيل من الكتلة يمكن تحويله إلى مقدار كبير جدا من الطاقة والعكس صحيح, كانت الطاقة والكتلة في الواقع متكافئتين, وفقا للمعادلة سابقة الذكر[E = mc²], وتم إثبات هذا تجريبيا بواسطة كوكروفت و والتون في عام 1932م”