دنیای نیوتن – بخش چهارم

بیگ بنگ: قانون سوم نیوتن: بیشتر دانش آموزان این قانون را به این شکل از بر کرده اند، هر عملی را عکس العملی است مساوی ولی در خلاف جهت آن. بیان علمی قانون سوم نیوتن در واقع اصل بقای اندازه حرکت است. برخلاف دیگر اصول نیوتن که توسط نسبیت مردود شناخته شد، قانون سوم، همچون اصل پایستگی انرژی یکه تازی می کند. اندازه حرکت یا مومنتوم از حاصل ضرب جرم در سرعت بدست می آید و همانطور که گفته شد یک کمیت برداری است.

7
در زندگی روزمره تجربه های زیادی در ارتباط با اصل مومنتوم یا قانون عمل و عکس العمل به چشم می خورد. شما به دیوار مشت می زنید. همان نیرو از سمت دیوار به مشت شما وارد می شود. هنگامی که با تفنگ تیر اندازی می کنید، قنداق تفنگ ضربه ای به عقب پرتاب می کند که از لحاظ مومنتوم با اندازه حرکت گلوله برابر است. برای سلاح های گرم، اگر قنداق با شانه فاصله داشته باشد، این ضربه می تواند منجر به آسیب جدی در شانه شود! یک بادکنک با پس دادن هوا به سمت جلو حرکت می کند. یک موشک یا سفینه نیز با خروج گاز از عقب به سمت جلو پیش می رود. بهترین جا برای مشاهده اصل مومنتوم، میز اسنوکر است. برخی ضربه های ویژه، به صورت شفافی این قانون را به نمایش می گذارد. البته در تمامی ضربه ها، بقای اندازه حرکت به قوت خود باقی است، اما در ضربه های پیچ دار نمی توان به سادگی آن را تشخیص داد، چون در این حالت بقای اندازه حرکت زاویه ای پا به میدان می گذارد! بقای تکانه زاویه ای باعث می شود یک فرفره در تعادل کامل به چرخش خود ادامه داده و سقوط نکند. به همین دلیل شما می توانید بر روی یک دوچرخه در حال حرکت تعادل خود را حفظ کرده و حتی مانور دهید.

آیا می توانید به صورت مفهومی و نیز با معادلات ریاضی ، قانون عمل و عکس العمل را به بقای اندازه حرکت مرتبط کنید؟ قانون بقای اندازه حرکت حتی در سطح اتمی و زیر اتمی کارایی خود را حفظ می کند. یکی از مثالهای جالب در این زمینه برخورد یک الکترون با پوزیترون از روبرو (پس از اتمام رقص پیچشی) است. در این حالت به خاطر جرم و سرعت یکسان این دو ذره ، اندازه حرکت کل صفر است. اگر از این برخورد نابود کننده تنها یک یا سه فوتون آزاد شود و یا دو فوتون حاصل شود ، اما جهت حرکت آنها کاملا مخالف هم نباشد، کلک اصل مومنتوم در این سطح کنده است! در کمال تعجب پس از این برخورد، دقیقا دو فوتون آزاد می شود که دقیقا در خلاف جهت همدیگر حرکت می کنند. یعنی اکنون نیز اندازه حرکت کل صفر است! راستی به نظر شما فوتونها نیز اندازه حرکت دارند؟ چرا؟

اگر فکر می کنید که قانون سوم نیوتن کاملا شفاف است و نیاز به تکرار ندارد، به این پرسش پاسخ دهید : کالسکه ای به اسب بسته شده است. صاحب کالسکه با شلاق خود به اسب فرمان حرکت می دهد. اسب به کالسکه نیرو وارد می کند، همان نیرو و در جهت خلاف از سمت کالسکه به اسب وارد می شود. این یعنی که نه اسب می تواند کالسکه را به جلو بکشد و نه کالسکه می تواند اسب را به عقب بکشد. پس چرا سرانجام اسب، کالسکه را همراه خود می کشد؟!

سنگی از ارتفاع سقوط می کند و هر لحظه بر سرعت و اندازه حرکت آن افزوده می شود. پس از برخورد با زمین، سرعت و در نتیجه اندازه حرکت سنگ به صفر می رسد. آیا اصل مومنتوم خدشه دار می شود؟ در این حالت ما دچار فریب چشمی می شویم. در واقع همان نیروی گرانشی که زمین به سنگ اعمال می کند، سنگ نیز در خلاف جهت به زمین وارد می کند. بنابراین در زمان سقوط سنگ به سمت پایین، در واقع کره زمین نیز در حال سقوط به سمت سنگ است، اما به خاطر جرم خیلی زیاد، سرعت آن بسیار ناچیز و غیر قابل تشخیص است. در این حالت مومنتوم سنگ و زمین برابر ، اما جهت مخالفی دارند. یعنی مومنتوم کل صفر است. در لحظه برخورد، هم سنگ و هم زمین سرعتشان صفر می شود. یعنی در این حالت نیز مومنتوم کل صفر است.

9فرض کنید شما بر روی یک صندلی نشسته اید و کتابی را از روی میز به سمت خود می کشید. نیرویی که شما به کتاب وارد می کنید، کتاب نیز در خلاف جهت به شما اعمال می کند. پس چرا فقط کتاب به سمت شما کشیده میشود و شما ساکن هستید؟ این بار نیز ما فریب چشمانمان را خورده ایم! هنگامیکه دو جسم بر یکدیگر نیرو اعمال می کنند، جسم سنگین تر سرعت کمتری خواهد داشت و اگر خیلی سنگین باشد، عملا ساکن دیده می شود. هنگامیکه شما روی صندلی نشسته اید، نیروی اصطکاک شما را به صندلی و صندلی را به کره زمین می چسباند. بنابراین زمانی که کتاب را به سمت خود می کشید، شما نیز همراه با کره زمین به سمت کتاب رانده می شوید، اما قابل مشاهده نیست. اکنون با این توضیحات حتما می توانید پاسخ مسئله اسب و کالسکه را بدهید.

دو شخص هم زور و هم وزن را در نظر بگیرید که بدون سلاح مشغول ستیز با یکدیگرند. هر ضربه و نیرویی که یکی بر دیگری وارد کند، در خلاف جهت بر خودش اعمال می شود. بنابراین منطقا هر دو باید به یک اندازه آسیب ببینند. آیا همینطور است؟ البته معمولا اینگونه نیست، چون تمام نقاط اعضای بدن آدمی یکسان نیست. یعنی برخی نواحی سخت تر و برخی دیگر آسیب پذیرتر است. بنابراین شخصی که بتواند با بخشهای سخت تر بدن خود، ضربات بیشتری به نقاط آسیب پذیرتر حریف وارد نماید، پیروز میدان خواهد بود. اگر تمام اعضای بدن انسانها به یک اندازه آسیب پذیر بود، آنگاه همیشه در اینگونه دعواهای فیزیکی، هر دو نفر به یک اندازه آسیب می دیدند و البته دیگر ستیز معنا نداشت!

8برای تعمیم نظریه نیوتن چه فرضهایی را باید بپذیریم؟
– استانداردهای طول و جرم در طول زمان تغییری نمی کند.
– فضا کشسان نبوده و میله استاندارد طول مستقل از فضا عمل می کند! (تفسیر آن چیست؟)
– تناوبهای زمانی استاندارد زمان با یکدیگر برابر بوده و این خاصیت خود را در تمام نقاط فضا حفظ می کند. (آیا راهی وجود دارد که نشان دهد یک ثانیه با ثانیه بعدی برابر است یا اینکه این برابری تنها یک فرض است؟)
– زمان و جرم مطلق هستند. (شرح این جمله دقیقا چیست؟)
– فضا از هندسه اقلیدسی پیروی کرده و نور در فضا، کوتاهترین فاصله یا خط مستقیم را طی می کند.
– حواس ما هنگام اندازه گیریها مستقل از زمان و مکان است! (منظور چیست؟)
– اصل بقای اندازه حرکت در تمام جهان صادق است. و … (چه فرضهای دیگری به ذهنتان می رسد؟)

نکته مهم این است که برخلاف تصور، هیچکدام از موارد یاد شده بدیهی نیستند و تنها فرضهایی هستند که برای پیشبرد نظریه باید در نظر گرفته شوند. به عبارت دیگر در هر محدوده ای که این فرضها درست باشند، می توان از نظریه نیوتن استفاده کرد. حتما می دانید که مثلا در سرعتهای نزدیک به نور، بیشتر این فرضها کارایی خود را از دست می دهند و اکنون به ناچار باید از نظریه نسبیت استفاده نمود. کدامیک از فرضهای بالا در نظریه نسبیت به چالش کشیده می شوند؟

ادامه دارد »»»
نویسنده : احمد مصدر / سایت علمی بیگ بنگ
منابع :
• فیزیک پایه ، دیوید هالیدی و رابرت رزنیک، ترجمه مهدی گلشنی و ناصر مقبلی، مرکز نشر دانشگاهی
• فیزیک برای سرگرمی ، پرلمان یاکوف ، ترجمه احسان قوام زاده

image_pdfimage_print
(10 نفر , میانگین : 4٫80 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=22859
احمد مصدر

احمد مصدر

نویسنده این مطلب : احمد مصدر ، فوق ليسانس شيمي. علاقمند به علوم مختلف از جمله فيزيك و فلسفه علم می باشد و به عنوان نویسنده در وب سایت بیگ بنگ فعالیت می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

۳ پاسخ‌ها

  1. آرش گفت:

    «آیا راهی وجود دارد که نشان دهد یک ثانیه با ثانیه بعدی برابر است یا اینکه این برابری تنها یک فرض است؟»

    تا اینجا می دانیم فقط درسیستم های لخت و در خلا مطلق می توان ادعا کرد که یک ثانیه با ثانیه بعد دقیقن برابر است که گمان نمی کنم چنین مکانی در کیهان وجود داشته باشد.
    یادآوری:
    ۱) سیستمی لخت است که حرکت شتابدار نداشته باشد وقتی ماده در جایی وجود داشته باشد یعنی دستکم جرم در نتیجه نیروی گرانش وجود دارد و هرجا نیروی گرانش و جرم وجود داشته باشد یعنی حرکت شتابدار وجود دارد => سرعت سیستم تغییر می کند پس مطابق نسبیت، زمان متغیر خواهد بود.
    ۲) سرعت نور با تغییر غلظت محیط تغییر می کند حد نهایی c، سرعت نور در خلا مطلق است.

    * گذشته از موارد بالا مطابق قانون دوم ترمودینامیک، زمانی یک مشاهده (اندازه گیری) انجام می شود آنتروپی سیستم افزایش پیدا می کند پس با هر اندازه گیری، هر سیستم دیگر سیستم قبل نخواهد بود پس نمی توان ادعا کرد که یک ثانیه با ثانیه بعد دقیقن برابر است.

    ** در مورد قانون سوم ترمودینامیک جرات اظهار نظر ندارم!

  2. Masdar Masdar گفت:

    به نکات ظریفی اشاره کردی دوست عزیز. البته پرسش بیشتر جنبه فلسفی داشت. بدین معنی که هرگاه شما تصمیم بگیرید از برابری تناوبهای زمانی اطمینان حاصل کنید، به ناچار به یک رفرنس دیگر رجوع می کنید. اما برابری تناوبهای زمانی رفرنس جدید خود زیر سئوال است. در نهایت هیچ راهی و رفرنسی وجود ندارد که با قاطعیت گفته شود که فاصله زمانی یک ثانیه با ثانیه بعدی برابر است! البته از طریق تکرار پذیری، ما دقت زمانی رفرنسهای مختلف را می توانیم به دست آوریم و دقیق تر ها را انتخاب کنیم.

  3. مــهــدی گفت:

    ما در هیچ جای کیهان نمی توانیم ادعا کنیم که یک ثانیه با یک ثانیه برابر است!
    اما آیا این موضوع برای زمان پلانک هم درست خواهد بود؟زمان نسبی تا زمانی منطقی است که به صورت پیوسته وجود داشته باشد نه به صورت کوانتومی!

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *