الفيزياء ✨🇮🇶

General relativity for babies

الدكتور محمد باسل الطائي يوضح البعد الفيزيائي في قول الله تعالى: ‏{أَلَمْ تَرَ إِلَىٰ رَبِّكَ كَيْفَ مَدَّ الظِّلَّ وَلَوْ شَاءَ لَجَعَلَهُ سَاكِنًا ثُمَّ جَعَلْنَا الشَّمْسَ عَلَيْهِ دَلِيلا}

الدكتور محمد باسل الطائي يوضح البعد الفيزيائي في قول الله تعالى: {أَلَمْ تَرَ إِلَىٰ رَبِّكَ كَيْفَ مَدَّ الظِّلَّ وَلَوْ شَاءَ لَجَعَلَهُ سَاكِنًا ثُمَّ جَعَلْنَا الشَّمْسَ عَلَيْهِ دَلِيلا}

رائد الفضاء سلطان النيادي: بغداد ليلاً من الفضاء.. بغداد دجلة والفرات.. بغداد الحضارة والتاريخ.. موطن بيت الحكمة التي جمعت العلماء ونشرت العلم للعالم..📚 لولا بغداد لما وصلت البشرية إلى التقدم والازدهار الذي نعيشه اليوم ..🇮🇶♥️

تخيل ثقبًا يمتدُّ عبْر محور دوَران الكرة الأرضية من أحد القُطبَين إلى القطب الآخر. لو قُدِّرَ لك السقوط داخل هذا الثُّقب، كم ستَستغرِق حتى تَصِل إلى الجهة المقابلة، وإذا لم تجد مَهربًا بطريقة أو أخرى، ما الذي سيَحدُث لك؟ هل ستكون الأمور مختلفة بأيِّ حالٍ من الأحوال إذا كان الثُّقب يمرُّ عبْر الكرة الأرضية من موضعٍ آخر؟ اقتُرحت نسخة أقصر من هذا النفق للتنقُّل عبْر المناطق التي تتَّسِم بالكثافة المرورية، كما هي الحال بين مدينة نيويورك وواشنطن العاصمة. كان مِن المُقرَّر حفْر نفَقٍ مُباشِر بين المدينتَين ووضع مسارٍ للسكك الحديدية. وعندما يَنطلِق قطار على طرف مسار السكة الحديدية، فإنه لا يكاد يَستلزِم أيَّ طاقةٍ من المُحرِّك ليَصل إلى الطرف المقابل من المسار. ما الذي يَدفعه، وكم تَستغرِق الرحلة؟ في رواية «من القطب إلى القطب»، وهي مِن أوائل روايات الخيال العلمي للروائي جورج جريفيث، حاول ثلاثة أشخاص القيام برحلة عبْر الكرة الأرضية من خلال حفرة طبيعية (خيالية بالطبع) تمتدُّ بين القُطبَين الشمالي والجنوبي. وابتداءً من عند القطب الجنوبي، هبطَت كبسولتهم أولًا نحوَ مركز الأرض بينما أبطأتها بالونات تَمتلِئ بالهليوم أو الهيدروجين. وحسب سَير أحداث القصة، صارت قوة الجاذبية الواقعة على المُسافرين كبيرة على نحو مُفزِع أثناء اقترابهم من مركز الأرض، وعند المركز تحديدًا، تَختفي قوَّة الجاذبية بشكلٍ مؤقَّت. ثم جاء الصعود نحوَ القطب الشمالي أبطأ ممَّا هو مُتوقَّع، واستخدموا البالونات مرةً أخرى ليَرتفِعُوا؛ إلَّا أن حسابات العالم الموجود على متْن الكبسولة كشفَت عن أنَّ الكبسولة لن تصِلَ إلَّا لارتفاع مُعيَّن وحسْب وسيكون هناك توقُّف تدريجي، مما يَتسبَّب في وضع الركاب في حالة حصار، وحتى التخلُّص من الماكينات الثقيلة يَفشل في تخفيف الحمل بالدرجة الكافية. ومِن فرْط شعوره باليأس، انحنى العالم بنفسه عبْر كوَّة سُفلية، وتشبَّث بيدَيه لفترةٍ وجيزة، ثم سقَط بعيدًا عن الكبسولة. وكان فقْد كُتلته كافيًا لجعل الكبسولة تصل إلى نهاية النَّفق حيث فرَّ الراكبان الآخران. (عادةً ما يُضحِّي العلماء بأنفسهم لصالح الآخرين.) هل القصة منطقية؟ الجواب: هَبْ أنك سقطتَ داخل ممرٍّ يَربط مباشرة بين القُطبَين. جمِّد الصورة بعد أن تسقط لمسافة نصف قُطرٍ مُعيَّنة من المركز. تخيَّل كرة لها نصف القُطر نفسه ومركزها هو مركز الأرض. الكتلة الموجودة داخل الكرة تَسحبُك ولكن الكتلة خارجها لا تفعل؛ لأنه في مقابل السَّحب إلى الخارج من الجزء الخارجي لجانب الأرض، يُوجَد سحب داخلي مُماثِل من الجزء الخارجي الآخر للجِهة المقابلة من الأرض. الآن، واصِل السقوط. بينما تَقترِب من المركز، يقلُّ نصف القُطر الخاص بمَوقِعك وحجم الكُتلة المُتبقِّية والمحصورة في الكرة؛ ومِن ثَمَّ تقلُّ أيضًا قوة الجاذبية الواقعة عليك. وعندما تمرُّ عبْر المركز، تُساوي الجاذبية صفرًا بشكل مؤقَّت. والصعود عبْر باقي المَمرِّ هو عكس الهبوط. وبافتراض تَوافُر الظروف المِثالية، مثل غياب مقاومة الهواء والمسافة المُتساوية بين الصعود والهبوط والفكرة الإعجازية المُتمثِّلة في قدرتك على تحمُّل الحرارة والظروف الفتَّاكة الأخرى الموجودة في مركز الأرض، ستتوقَّف عند وصولك إلى الفتحة الموجودة عند نهاية طريق الصعود. ويُقَدَّر الوقت المُستغرق لقطع الممرِّ كاملًا ﺑ ٤٢ دقيقة تقريبًا. (وتفترض هذه النتيجة أنَّ كثافة الأرض مُتجانسة. وإذا كان اللبُّ أكثر كثافةً من باقي الأرض، يكون الوقت أقل بمقدار عدَّة دقائق.) وإذا لم تجِد مَخرجًا، فلسوف تقطع الممرَّ ذهابًا وإيابًا إلى الأبد. ولو كان الممرُّ موجودًا في مكانٍ آخر، فلا بدَّ أن يكون مائلًا لو أردتَ تفادي التصادم بجانبَي الممر. تتمثَّل المشكلة في أنك تبدأ الهبوط بسرعة الدوران التي تحظى بها الأرض عند فتحة الممر. وبينما تسقط نحوَ المركز، تمرُّ على أجزاء ذات سرعة دوران أقل وستَصطدِم بجانب الممر. يكون الممر الرابط بين مدينتَين أقربَ إلى مركز الأرض عند المنتصف. سيهبط القطار في النصف الأول من مسار السكك الحديدية ثم يَصعد النصف الثاني. ولن تكون هناك حاجة إلى طاقة إضافية إلَّا من أجل التغلُّب على الاحتكاك ومقاومة الهواء. ستَستغرِق الرحلة ٤٢ دقيقة، كما هي الحال مع الممر الرابط بين القُطبَين.

براين غرين امكانية سفر عبر الزمن

‏في مثل هذا اليوم 14 مايو 1973 تم إطلاق محطة الفضاء الأمريكية "سكايلاب" Skylab وهي أول محطة فضائية كبيرة تم إطلاقها بواسطة الولايات المتحدة الأمريكية. بعد إنهاء مهمتها في فبراير 1974 بقيت في المدار لبضعة أشهر إضافية قبل أن تعود للأرض في 11 يوليو 1979.

ولا يمكننا بعدُ أن نعطي تفسيرا لذلك، وحتى العلاقة بين الإنتروبيا وسهم الزمن ما زالت موضع تساؤل، والواقع أن ما أعطتنا إياه الفيزياء من إجابات عن الزمن كانت دائما أقل بكثير جدا من الأسئلة، فنحن لا نعرف كيف نشأ؟ وهل أصلا نشأ مع الانفجار العظيم؟ وهل هو أصلا شيء موضوعي مثل المادة التي نراها حولنا أم أنه مجرد وهم، أو قل طريقة للكون كي يرتب الأحداث؟ أو هو ربما كما قال الفيزيائي الأمريكي “جون أرتشيبالد ويلر” ذات مرة: الزمن هو طريقة الطبيعة لمنع كل أحداث الكون من أن تحدث في نفس اللحظة، والمكان هو طريقتها لمنع كل تلك الأحداث من أن تحدث لي.

فيزياء النشأة.. تساؤلات فائضة وإجابات مجحفة يفترض فريق من العلماء أن الإنتروبيا قبل نشأة الكون كانت كبيرة جدا، بحيث أن الاحتمال الوحيد الممكن كان أن تنخفض الإنتروبيا إلى حد يصنع الانفجار العظيم. ويفترض فريق آخر أنه في خلفية كوننا هذا يوجد كون آخر يسير الزمن فيه بالعكس بالنسبة لنا، وكذلك الإنتروبيا، وبالنسبة لسكانه فإن كل شيء طبيعي، لكنهم إن رأونا يوما ما فسيظنون أننا نسير في الزمن بالعكس، وكأن كلا منا هو صورة في المرآة للآخر.

وأفضل النظريات لدى العلماء الآن تقول إن الكون كله قد بدأ بانفجار عظيم، تسبّب في ظهور كل ما نعرفه الآن من المجرات، وما تحتويه من نجوم وكواكب وسحب غبارية، بما في ذلك الأرض ومحتوياتها من الجبال والمحيطات والبشر، وكل ذلك كان جزءا من نقطة واحدة في غاية الصغر والكثافة والحرارة إلى حد لا يمكن تصوره قبل حوالي 13.8 مليار سنة، ولسبب ما تمددت تلك النقطة مع الزمن لتصنع الفضاء نفسه الذي نعرفه، وفيه ظهر كل شيء آخر. لكن ذلك أيضا يطرح سؤالا مهما على لسان الفيزيائي الأمريكي الحاصل على جائزة نوبل “ريتشارد فاينمان” في الجزء الأول من سلسلة محاضراته الشهيرة، حينما يقول: لسبب ما، كان الكون في وقت ما بحالة من الإنتروبيا المنخفضة (يقصد الانفجار العظيم)، ومن تلك النقطة أخذت الإنتروبيا في الارتفاع، ونحن لا نعرف هذا السبب، وإنما لدينا بعض التخمينات بشأنه، لكن لا يمكن فهم سهم الزمن بشكل كامل، إلا حينما ننتقل من مرحلة التخمين إلى الفهم العلمي. وإلى الآن لم يستطع العلماء الإجابة عن هذا السؤال، لماذا بدأ الكون بحالة استثنائية، بل متفردة من الانتظام أصلا؟ ما الذي حدث قبل نشأته ليسمح بحدوث تلك الحالة؟

وفي هذه الحالة، فإن الزمن يُضطر للاتجاه إلى الأمام، كي تترتب الأحداث في الكون بطريقة تتماشى مع ارتفاع الإنتروبيا، وحين ترى مشهدين، في أحدهما نقطة حبر تنتشر في الماء، وفي الثاني ماء أزرق ينسحب منه الحبر بالتدريج ليصنع نقطة، فإنك ستتأكد تماما أن المشهد الأول طبيعي والثاني معكوس، هذا لأن عقلك تعلم مع الوقت كيف يرى ازدياد الإنتروبيا على أنها تقدم الزمن للأمام. وفي الواقع فإن دماغك ذاته هو جزء من تلك العملية، فحينما يحدث تغير ما في محيطك، كأن تمر مثلا بالسيارة على صخرة كبيرة دون أن تدري، مما يدفعك للتخبط على مقعدك بشكل عنيف، فإن ذلك الموقف ينطبع في الخلايا العصبية الموجودة في دماغك، صانعا ما تعرفه باسم “الذكريات” التي تميز ذلك الحدث في الماضي، على أنه كان عبارة عن علاقة نشأت بينك وبين السيارة وبين تلك الصخرة، تلك الذكريات هي معلومات جديدة أضيفت إلى دماغك الذي أصبح أيضا في حالة إنتروبية أعلى، وبالتالي فإنك أيضا ستدرك أن الزمن يمضي للأمام مع ارتفاع الإنتروبيا. الانفجار العظيم.. نقطة الصفر التي تمددت منها الإنتروبيا ما ذكرناه في مثال السيارة يقودنا إلى نقطة هامة، فإذا كانت الإنتروبيا في ازدياد دائم، فإن ذلك يعني أنها كانت يوما ما قبل 50 سنة مثلا في حالة أقل، وكانت أقل من تلك الحالة السابقة قبل 100 سنة أخرى، وإذا قررنا السفر في الزمن للخلف فسنجد نقطة واحدة كانت الإنتروبيا فيها أقل ما يمكن، أي كان الانتظام أعلى ما يمكن، هذه النقطة هي الانفجار العظيم نفسه.

رحلة السيارة.. سنة كونية تجبر الزمن على السير للأمام كما أسلفنا، يقول القانون الثاني للديناميكا الحرارية إن الإنتروبيا تزداد دائما، يعني ذلك أنه حينما تنكسر بيضة فإن جزيئاتها تتوزع في مساحة أكبر، ولن ترى تلك الأجزاء تتجمع لبناء بيضة مرة أخرى، وحينما تنفجر قنبلة فإن الأمر ذاته يحدث، وحينما ينكسر كوب من الزجاج فإنه يتفتت إلى قطع أصغر، لكنك لن ترى قط شظايا صغيرة من الزجاج تلتصق شيئا فشيئا لتصنع كوبا كاملا. ويعيدنا ذلك مرة أخرى إلى رحلتك بالسيارة من المنزل إلى العمل، فحينما تُدير سيارتك يحترق البنزين ليدير الموتور الذي يحرك العجلات، ثم يخرج العادم من السيارة للسماء، وتحتكّ التروس مولدة طاقة في صورة صوت المحركات وحرارة تنتشر في جوانب السيارة، لذلك تمتلك سيارتك ماء للتبريد. ولكن جزءا من هذه الحرارة ينتشر إلى الفضاء المحيط بالسيارة، وتتحرك السيارة فتحتك بالأرض وتتفاعل مع الرصيف، وتترك جزءا من مطاط إطاراتها على الرصيف، يمكنك تدوير كل ذلك للأمام، لكن لا يمكنك جمع كل تلك الطاقة المفقودة مرة أخرى لإعادتها إلى الخلف، إلى حالة كانت الإنتروبيا فيها أقل.

والآن دعنا نلقي نقطة حبر أزرق كثيف في حوض ماء زجاجي، ولنفترض أننا نريد حساب عدد الاحتمالات الممكنة لموضع جزيء ما من الحبر اسمه “س”، فمتى ستكون الاحتمالات أكبر؟ أهو في لحظة وصول نقطة الحبر للماء في الحوض، أم بعد خمس دقائق حين ينتشر الحبر في كل الحوض، فيصبح لون الماء أزرق؟ الإجابة هي الحالة الأولى بالطبع، لأن الجزيء ما زال ضمن نقطة الحبر وقُطرها أقل من نصف سنتيمتر مثلا، لكن بينما ينتشر الحبر في الكوب تدريجيا فإن موضع الجزيء “س” يمكن أن يكون ضمن مساحة أكبر.

حبر أزرق كثيف في حوض ماء زجاجي.. قياس الاحتمالات قد نقول إن الإنتروبيا ارتفعت مع الزمن، ولكن دعنا نتعمق قليلا في فهم الأمر، ولنعرّف الإنتروبيا بأنها مقياس لعدد الاحتمالات الممكنة لحالات منظومة مُغلقة، ولفهم الفكرة دعنا نفترض أن هناك كتابا مكونا من 200 صفحة، ولتحقيق أفضل ترتيب لها، فهناك احتمال واحد فقط، وهو ترتيبها بالشكل الطبيعي (1-2-3، إلخ)، لكن هناك عدد كبير جدا من الاحتمالات الأخرى الفوضوية، أي غير المنتظمة، وهنا نقول إن الإنتروبيا أقل في الحالة المنتظمة وأعلى في الحالة الفوضوية.