دنیای نیوتن – بخش چهارم

3
1040

بیگ بنگ: قانون سوم نيوتن: بيشتر دانش آموزان اين قانون را به اين شكل از بر كرده اند، هر عملي را عكس العملي است مساوي ولي در خلاف جهت آن. بيان علمي قانون سوم نيوتن در واقع اصل بقاي اندازه حركت است. برخلاف ديگر اصول نيوتن كه توسط نسبيت مردود شناخته شد، قانون سوم، همچون اصل پايستگي انرژي يكه تازي مي كند. اندازه حركت يا مومنتوم از حاصل ضرب جرم در سرعت بدست مي آيد و همانطور كه گفته شد يك كميت برداري است.

7
در زندگي روزمره تجربه هاي زيادي در ارتباط با اصل مومنتوم يا قانون عمل و عكس العمل به چشم مي خورد. شما به ديوار مشت مي زنيد. همان نيرو از سمت ديوار به مشت شما وارد مي شود. هنگامي كه با تفنگ تير اندازي مي كنيد، قنداق تفنگ ضربه اي به عقب پرتاب مي كند كه از لحاظ مومنتوم با اندازه حركت گلوله برابر است. براي سلاح هاي گرم، اگر قنداق با شانه فاصله داشته باشد، اين ضربه مي تواند منجر به آسيب جدي در شانه شود! يك بادكنك با پس دادن هوا به سمت جلو حركت مي كند. يك موشك يا سفينه نيز با خروج گاز از عقب به سمت جلو پيش مي رود. بهترين جا براي مشاهده اصل مومنتوم، ميز اسنوكر است. برخي ضربه هاي ويژه، به صورت شفافي اين قانون را به نمايش مي گذارد. البته در تمامي ضربه ها، بقاي اندازه حركت به قوت خود باقي است، اما در ضربه هاي پيچ دار نمي توان به سادگي آن را تشخيص داد، چون در اين حالت بقاي اندازه حركت زاويه اي پا به ميدان مي گذارد! بقاي تكانه زاويه اي باعث مي شود يك فرفره در تعادل كامل به چرخش خود ادامه داده و سقوط نكند. به همين دليل شما مي توانيد بر روي يك دوچرخه در حال حركت تعادل خود را حفظ كرده و حتي مانور دهيد.

آيا مي توانيد به صورت مفهومي و نيز با معادلات رياضي ، قانون عمل و عكس العمل را به بقاي اندازه حركت مرتبط كنيد؟ قانون بقاي اندازه حركت حتي در سطح اتمي و زير اتمي كارايي خود را حفظ مي كند. يكي از مثالهاي جالب در اين زمينه برخورد يك الكترون با پوزيترون از روبرو (پس از اتمام رقص پيچشي) است. در اين حالت به خاطر جرم و سرعت يكسان اين دو ذره ، اندازه حركت كل صفر است. اگر از اين برخورد نابود كننده تنها يك يا سه فوتون آزاد شود و يا دو فوتون حاصل شود ، اما جهت حركت آنها كاملا مخالف هم نباشد، كلك اصل مومنتوم در اين سطح كنده است! در كمال تعجب پس از اين برخورد، دقيقا دو فوتون آزاد مي شود كه دقيقا در خلاف جهت همديگر حركت مي كنند. يعني اكنون نيز اندازه حركت كل صفر است! راستي به نظر شما فوتونها نيز اندازه حركت دارند؟ چرا؟

اگر فكر مي كنيد كه قانون سوم نيوتن كاملا شفاف است و نياز به تكرار ندارد، به اين پرسش پاسخ دهيد : كالسكه اي به اسب بسته شده است. صاحب كالسكه با شلاق خود به اسب فرمان حركت مي دهد. اسب به كالسكه نيرو وارد مي كند، همان نيرو و در جهت خلاف از سمت كالسكه به اسب وارد مي شود. اين يعني كه نه اسب مي تواند كالسكه را به جلو بكشد و نه كالسكه مي تواند اسب را به عقب بكشد. پس چرا سرانجام اسب، كالسكه را همراه خود مي كشد؟!

سنگي از ارتفاع سقوط مي كند و هر لحظه بر سرعت و اندازه حركت آن افزوده مي شود. پس از برخورد با زمين، سرعت و در نتيجه اندازه حركت سنگ به صفر مي رسد. آيا اصل مومنتوم خدشه دار مي شود؟ در اين حالت ما دچار فريب چشمي مي شويم. در واقع همان نيروي گرانشي كه زمين به سنگ اعمال مي كند، سنگ نيز در خلاف جهت به زمين وارد مي كند. بنابراين در زمان سقوط سنگ به سمت پايين، در واقع كره زمين نيز در حال سقوط به سمت سنگ است، اما به خاطر جرم خيلي زياد، سرعت آن بسيار ناچيز و غير قابل تشخيص است. در اين حالت مومنتوم سنگ و زمين برابر ، اما جهت مخالفي دارند. يعني مومنتوم كل صفر است. در لحظه برخورد، هم سنگ و هم زمين سرعتشان صفر مي شود. يعني در اين حالت نيز مومنتوم كل صفر است.

9فرض كنيد شما بر روي يك صندلي نشسته ايد و كتابي را از روي ميز به سمت خود مي كشيد. نيرويي كه شما به كتاب وارد مي كنيد، كتاب نيز در خلاف جهت به شما اعمال مي كند. پس چرا فقط كتاب به سمت شما كشيده ميشود و شما ساكن هستيد؟ اين بار نيز ما فريب چشمانمان را خورده ايم! هنگاميكه دو جسم بر يكديگر نيرو اعمال مي كنند، جسم سنگين تر سرعت كمتري خواهد داشت و اگر خيلي سنگين باشد، عملا ساكن ديده مي شود. هنگاميكه شما روي صندلي نشسته ايد، نيروي اصطكاك شما را به صندلي و صندلي را به كره زمين مي چسباند. بنابراين زماني كه كتاب را به سمت خود مي كشيد، شما نيز همراه با كره زمين به سمت كتاب رانده مي شويد، اما قابل مشاهده نيست. اكنون با اين توضيحات حتما مي توانيد پاسخ مسئله اسب و كالسكه را بدهيد.

دو شخص هم زور و هم وزن را در نظر بگيريد كه بدون سلاح مشغول ستيز با يكديگرند. هر ضربه و نيرويي كه يكي بر ديگري وارد كند، در خلاف جهت بر خودش اعمال مي شود. بنابراين منطقا هر دو بايد به يك اندازه آسيب ببينند. آيا همينطور است؟ البته معمولا اينگونه نيست، چون تمام نقاط اعضاي بدن آدمي يكسان نيست. يعني برخي نواحي سخت تر و برخي ديگر آسيب پذيرتر است. بنابراين شخصي كه بتواند با بخشهاي سخت تر بدن خود، ضربات بيشتري به نقاط آسيب پذيرتر حريف وارد نمايد، پيروز ميدان خواهد بود. اگر تمام اعضاي بدن انسانها به يك اندازه آسيب پذير بود، آنگاه هميشه در اينگونه دعواهاي فيزيكي، هر دو نفر به يك اندازه آسيب مي ديدند و البته ديگر ستيز معنا نداشت!

8براي تعميم نظريه نيوتن چه فرضهايي را بايد بپذيريم؟
– استانداردهاي طول و جرم در طول زمان تغييري نمي كند.
– فضا كشسان نبوده و ميله استاندارد طول مستقل از فضا عمل مي كند! (تفسير آن چيست؟)
– تناوبهاي زماني استاندارد زمان با يكديگر برابر بوده و اين خاصيت خود را در تمام نقاط فضا حفظ مي كند. (آيا راهي وجود دارد كه نشان دهد يك ثانيه با ثانيه بعدي برابر است يا اينكه اين برابري تنها يك فرض است؟)
– زمان و جرم مطلق هستند. (شرح اين جمله دقيقا چيست؟)
– فضا از هندسه اقليدسي پيروي كرده و نور در فضا، كوتاهترين فاصله يا خط مستقيم را طي مي كند.
– حواس ما هنگام اندازه گيريها مستقل از زمان و مكان است! (منظور چيست؟)
– اصل بقاي اندازه حركت در تمام جهان صادق است. و … (چه فرضهاي ديگري به ذهنتان مي رسد؟)

نكته مهم اين است كه برخلاف تصور، هيچكدام از موارد ياد شده بديهي نيستند و تنها فرضهايي هستند كه براي پيشبرد نظريه بايد در نظر گرفته شوند. به عبارت ديگر در هر محدوده اي كه اين فرضها درست باشند، مي توان از نظريه نيوتن استفاده كرد. حتما مي دانيد كه مثلا در سرعتهاي نزديك به نور، بيشتر اين فرضها كارايي خود را از دست مي دهند و اكنون به ناچار بايد از نظريه نسبيت استفاده نمود. كداميك از فرضهاي بالا در نظريه نسبيت به چالش كشيده مي 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



ارسال یک پاسخ

لطفا دیدگاه خود را وارد کنید!
لطفا نام خود را در اینجا وارد کنید

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.

3 دیدگاه‌ها

  1. 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!

  2. به نكات ظريفي اشاره كردي دوست عزيز. البته پرسش بيشتر جنبه فلسفي داشت. بدين معني كه هرگاه شما تصميم بگيريد از برابري تناوبهاي زماني اطمينان حاصل كنيد، به ناچار به يك رفرنس ديگر رجوع مي كنيد. اما برابري تناوبهاي زماني رفرنس جديد خود زير سئوال است. در نهايت هيچ راهي و رفرنسي وجود ندارد كه با قاطعيت گفته شود كه فاصله زماني يك ثانيه با ثانيه بعدي برابر است! البته از طريق تكرار پذيري، ما دقت زماني رفرنسهاي مختلف را مي توانيم به دست آوريم و دقيق تر ها را انتخاب كنيم.

  3. «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:
    1) 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.
    2) 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!