ویرگول
ورودثبت نام
مهرک
مهرک
خواندن ۷ دقیقه·۱ سال پیش

فیزیک || اَصلِ ماخ

عکس از کتابخانهٔ شخصی
عکس از کتابخانهٔ شخصی
کودکی که بر چرخ‌وفلک سوار است و می‌چرخد، توسط ستاره‌های دور از مرکزِ چرخ‌وفلک به بیرون رانده می‌شود. اصل ماخ می‌گوید جِرمِ آن اَجرامِ دوردست بر اینرسیِ اجسام در اینجا اثر می‌گذارند. اجسام دور از طریق گرانش (جاذبه) بر حرکت اجسام دیگر اثر کرده و از طریق چرخش بر اجسام نزدیک اثر می‌گذارند. امّا چرا این اتّفاق می‌اُفتد؟ و چگونه می‌توان دریافت که جسمی حرکت می‌کند یا خیر؟

اگر در قطاری که در ایستگاه متوقّف است نشسته باشید و از پنجره مشاهده کنید که واگن کناری در حال دور شدن از شما است، به سختی می‌توان گفت که قطار شما در حال ترک ایستگاه است یا قطار دیگر به ایستگاه وارد شده است. آیا راهی وجود دارد که با اطمینان بتوان سنجید کدام قطار در حرکت است؟

«ارنست ماخ» فیلسوف و فیزیک‌دان اُتریشی در قرن نوزدهم با این سؤال دست‌وپنجه نرم کرد. او پا در جای پای «آیزاک نیوتن» گذاشت که بر خلاف «ماخ» معتقد بود فضا یک «برگردانِ مطلق» است.

«فضای نیوتنی» مانند کاغذ شطرنجی، از یک مجموعۀ درجه‌بندی شده تشکیل شده است و او همۀ حرکت‌ها را با توجه به خطوط آن صفحه رسم می‌کند. «ماخ» استدلال کرد که حرکت زمانی معنا دارد که نسبت به شیءِ دیگری، و نَه نسبت به خطوط، سنجیده شود. در حرکت بودن چه معنایی دارد اگر این حرکت نسبت به جسم دیگری نباشد؟

در این هنگام «ماخ» که تحت تأثیر ایده‌های پیشین «گوتفرید لایب‌نیتس»، همکار «نیوتن»، قرار داشت، پیش از «آلبرت اینشتین» بر این عقیده بود که تنها حرکت‌های نسبی مفهوم پیدا می‌کنند.

«ماخ» استدلال کرد که چون هر توپ، در فرانسه یا در استرالیا به یک گونۀ مُشابه رفتار می‌کند، خطوط فضا بی‌معنی هستند. تنها عاملی که ممکن است بر توپ تأثیر بگذارد گرانش (جاذبه) است.

نقش توپ روی کُرۀ ماه متفاوت است چون نیروی گرانشی که جِرم توپ را به سوی خود می‌کشد، در آنجا نسبت به زمین کمتر است. از آنجا که در جهان، هر جسمی اجسام دیگر را به سوی خود می‌کشد، هر جسمی حضور دیگر اجسام را از طریق یک کشش دو طرفه احساس می‌کند. بنابراین حرکت نهایتاً به توزیع مادّه یا جِرم آن بستگی دارد، و نَه به فضایی که در آن قرار گرفته است.

فضای مطلق، با توجّه به ماهیّت خودش، بدون ارجاع به هر جسم خارجی، همیشه هَمگِن و ثابت باقی می‌ماند.
(آیزاک نیوتن، 1687)

جِرم

جِرم دقیقاً چیست؟ مقدار مادّۀ تشکیل دهندۀ جسم است. جِرم یک قطعه فلز برابر با مجموع جِرم همۀ اَتم‌های سازندۀ آن است. جِرم با وزن تفاوت ظریفی دارد. وزن، مقدار نیروی گرانشی است که جسم را به پایین می‌کشد. یک فضانورد روی کُرۀ ماه نسبت به زمین وزن کمتری احساس می‌کند، چون نیروی گرانشی وارد شده از سوی ماه که جِرم کوچکتری دارد، کمتر است.

«اینشتین» نشان داد که جِرم و انرژی قابل تبدیل به یکدیگرند. طبق نظر او جِرم می‌تواند به انرژی خالص تبدیل شود. پس، جِرم در نهایت همان انرژی است.

اینرسی

اینرسی از کلمۀ لاتین «لازینِس» (Laziness) به معنی «تنبلی» گرفته شده است و بسیار شبیه جِرم است، با این تفاوت که میزان سختی اجسام در برابر جابه‌جایی بر اثر اِعمال نیرو را بیان می‌کند.

جسمی با اینرسی زیاد در برابر تغییر مقاومت می‌کند. حتّیٰ در فضای خارج از زمین نیز جسمی با جِرم بالا برای حرکت به نیروی زیادی نیاز دارد. یک شهاب‌سنگ بزرگ در برخورد با زمین در صورتی می‌تواند آن را منحرف کند که این برخورد بسیار شدید باشد. خواه این برخورد بزرگ توسط یک انفجار هسته‌ای ایجاد شود، یا نیروی کوچکتری باشد که طولانی مدّت وارد می‌شود. یک سفینۀ فضایی کوچکتر با اینرسی کمتر از شهاب‌سنگ، به آسانی می‌تواند با موتورهای جِت کوچک، تغییر مسیر (مانور) دهد.

گالیلئو گالیله ستاره‌شناس ایتالیایی در قرن نوزدهم «اصل اینرسی» را پیشنهاد می‌دهد:

اگر جسمی رها شود و هیچ نیرویی به آن وارد نشود، حالت حرکتش بدون تغییر می‌ماند.
اگر در حرکت است، به حرکت خود با سرعت ثابت و در همان جهت ادامه می‌دهد، و اگر ساکن است، در همان حالت ایستا باقی می‌ماند.
  • «نیوتن» با تصحیح این دیدگاه، نخستین قانون خود در مورد حرکت را بیان کرد.

سطل نیوتن

«نیوتن» گرانش را نیز به صورت قانون درآورد. او فهمید که اجسام به سوی هم جذب می‌شوند. افتادن سیب از درخت ناشی از جذب شدن آن توسط جِرم زمین است. به همین اندازه زمین هم به واسطۀ جِرم سیب جذب می‌شود. ولی ما به سختی می‌توانیم تغییر میکروسکوپی همۀ زمین را به سمت سیب اندازه بگیریم.

«نیوتن» ثابت کرد قدرت گرانش با افزایش فاصله به سرعت کاهش می‌یابد. بنابراین اگر ما از سطح زمین خیلی بالا برویم، نیروی گرانشی زمین نسبت به زمانی که روی سطح بودیم بسیار ضعیف‌تر می‌شود.

امّا با این وجود ما هنوز کشش باقی مانده از سوی زمین را حسّ می‌کنیم. اگر باز هم دورتر شویم، این نیرو باز هم کمتر می‌شود، ولی هنوز زمین می‌تواند بر حرکت ما تأثیر بگذارد. در حقیقت همۀ اجسام در جهان نیروی گرانش بسیار کوچکی دارند که می‌تواند اثر بسیار خفیفی بر حرکت ما داشته باشد.

«نیوتن» سعی کرد با فکر کردن به چرخش سطل آب، به رابطۀ بین اجسام و حرکت آنها پِی ببرد.

در ابتدا وقتی سطل می‌چرخد، آب درون آن ساکن است. سپس آب هم به آهستگی شروع به چرخیدن می‌کند. زمانی که مایع بر اثر چرخش سعی بر گریختن از دیواره‌های سطل دارد، سطل آب فرو می‌رود امّا بر اثر نیروی ناشی از دیواره‌ها، آب در سطل باقی می‌ماند. «نیوتن» استدلال می‌کند که چرخش آب تنها در صورتی که در «چارچوبِ مَرجعِ ثابتی از فضای مطلق» باشد، قابل درک است. در اینجا با نگاه کردن به سطل می‌توانیم بگوییم که سطل در حال چرخش است، چون می‌توانیم نیروهایی را ببینیم که موجب ایجاد تَقَعُّر در سطح آب شده‌اند.

سال‌ها بعد، «ماخ» بار دیگر این بحث را مورد بازبینی قرار داد:

  • اگر سطلِ پُر از آب، تنها جسم موجود در جهان باشد، چه می‌شود؟
  • چطور می‌توان فهمید که سطل در حال چرخیدن است؟
  • آیا به همان اندازه نمی‌توان گفت که آب نسبت به سطل در حال چرخیدن است؟

تنها راه برای یافتن درک صحیح از این موضوع این است که جسم دیگری (مثلاً دیوار یک اتاق یا حتّیٰ یک ستارۀ دور) را درون این جهان سطلی قرار دهیم. در این حالت، سطل به وضوح و روشنی نسبت به آن جسم خواهد چرخید.

امّا بدون «چارچوب فضای ثابت» و «ستاره‌های ثابت»، چه کسی می‌تواند بگوید سطل می‌چرخد یا آب درون آن؟ تماشای خورشید و ستارگان در قوس آسمان نیز مشابه همین آزمایش است. ستارگان در حال چرخش‌اند یا زمین؟ چگونه می‌توان فهمید؟

طبق «اصل ماخ»، حرکت زمانی معنا پیدا می‌کند که یک جسم خارجی به عنوان «مرجع» وجود داشته باشد. پس اینرسی به عنوان یک مفهوم، در یک جهان تک عضوی بی‌معنا است. بنابراین اگر جهان عاری از ستاره باشد، ما هرگز نخواهیم دانست که زمین در حال چرخش است. ستارگان به ما می‌گویند که ما نسبت به آنها در حال چرخش هستیم.

عقیده به حرکت نسبی در «اصل ماخ»، در برابر عقیده به حرکت مطلق، تا کنون الهام‌بخش فیزیک‌دانان بسیاری، به ویژه «اینشتین» (که خودش نام «اصل ماخ» را برگزید)، بوده است.

«اینشتین» بر این عقیده بود که «حرکت نسبی است» و بر این اساس تئوری «نسبیت خاص و عام» خود را بنا نهاد. او همچنین با استفاده از «اصل ماخ» به یکی از مسائل برجسته‌ای که در آن زمان وجود داشت پاسخ داد:

چرخش و شتاب باید نیروهای اضافی بسازند، امّا آنها کجا هستند؟ «اینشتین» نشان داد اگر در جهان همه چیز نسبت به زمین بچرخد، ما در واقع نیروی ضعیفی را تجربه خواهیم کرد که موجب خواهد شد سیّاره در مسیر خاصی تلوتلو بخورد.

ماهیّت فضا هزاران سال برای دانشمندان یک مُعمّا بود. فیزیک‌دانانِ ذرّاتِ جدید فکر می‌کنند فضا دیگ جوشانی است از ذرّاتِ بنیادی که پِی‌درپِی خلق و نابود می‌شوند و در نهایت جِرم و اینرسی و نیروها و حرکت همۀ اَجرام در آن می‌توانند صورت‌هایی از «سوپ کوانتومی خروشان» باشند.

عکس از کتاب نظریه‌های تاثیرگذار در علم فیزیک
عکس از کتاب نظریه‌های تاثیرگذار در علم فیزیک



«ارنست والدفرید یوزف وِنسِل ماخ» Ernst Waldfried Josef Wenzel Mach (1838 - 1916).
ارنست ماخ، فیزیک‌دان اُتریشی، برای کارهایش در زمینۀ «اُپتیک» (نورشناسی)، آکوستیک، فیزیولوژی دریافت حسّی، فلسفۀ علم، و بطور خاص در تحقیق پیرامون «سرعتِ فَرا صوت»، مشهور است.
ماخ در سال 1877 یک مقالۀ تأثیرگذار منتشر کرد. در این مقاله بیان می‌شود چگونه موشکی که تُندتر (سریع‌تر) از صوت حرکت می‌کند موجب ایجاد یک «موجِ ضربه» (شبیه به رَدّ یک کشتی در دریا) می‌شود. این همان «موج ضربه» در هوا است که باعث ایجاد انفجار صوتی بر اثر حرکت فَرا صوتِ هواپیما می‌شود.
نسبت سرعت موشک (یا هواپیمای جِت) به سرعت صوت، «عدد ماخ» نامیده می‌شود. مثلاً اگر عدد ماخ 2 باشد، به این معنا است که سرعت موشک 2 برابر سرعت صوت است.

منبع:

بیکر، جوآن، نظریه‌های تاثیرگذار در علم فیزیک، ترجمهٔ مائده فضلرعلیزاده و مهدی خاکیان قمی، چاپ دوم، انتشارات سبزان، تهران، ۱۳۹۵.


فَرازی از سخنان گُهربار امیرالمومنین علی علیه‌السّلام در نهج‌البلاغه

مَا اؐسْتَوْدَعَ اؐللّهُ اؐمْرَأً عَقْلاً إِلَّا اؐسْتَنْقَذَهُ بِهِ یَوْماً مٰا.
خدا خِرَد را نزد کسی به ودیعت ننهاد مگر که روزیْ او را بِدان نجات داد.
اصل ماخفیزیکحرکتعلمریاضی
نویسنده و آهنگساز. آثار منتشر شده: کتاب «سرگذشت خدا» (نمایشنامۀ فلسفی) و آلبوم موسیقی رثائیه (بداهه‌نوازی سه‌تار، یادوارۀ استاد محمدرضالطفی).
شاید از این پست‌ها خوشتان بیاید