الفيزياء الكلاسيكية
الفيزياء بشكلٍ عام تحاول تفسير كافة الظواهر الطبيعية التي نشاهدها في حيتنا اليومية، لكن الأمر ليس بتلك السهولة؛ فالفيزياء الكلاسيكية ومن ضمنها ميكانيكا نيوتن تقوم بتفسير العديد من الظواهر التي نتعرض لها كل يوم، فتفسر السرعة والتسارع ، وتربط بينهما، بالإضافة للسقوط الحر، والحركة الدورانية، والقوة، وغيرها من الظواهر، لكن الظواهر التي تفسرها الفيزياء الكلاسيكية هي ليست كل الظواهر الموجودة في الطبيعة، وبشكلٍ عام فإن ميكانيكا نيوتن والفيزياء الكلاسيكية تتوقف عن العمل عند الحديث عن سرعات عالية جداً (سرعات تقترب من سرعة الضوء)، والبديل يكون النظريتين النسبيتين الخاصة والعامة، وتفشل أيضاً في تفسير الظواهر الطبيعية في العالم الذري ودون الذري، والبديل يكون ميكانيكا الكم . لتوضيح الأمور أكثر وتوضيح عجز ميكانيكا نيوتن يجب أولاً توضيح بعض الجوانب المهمة فيها.
قوانين نيوتن في الحركة
في هذا الجزء من المقال سوف يتم توضيح قوانين نيوتن الثلاثة بالإضافة إلى قانون الجذب العام. وضع نيوتن ثلاثة قوانين مشهورة جداً وأساسية في دراسة الفيزياء تُعرف بقوانين نيوتن في الحركة، وتعتبر هذه القوانين الثلاثة القاعدة الأساسية للميكانيكا الكلاسيكية. أمّا الفكرة العامة لهذه القوانين فهي وصف الأجسام والقوى التي تؤثر فيها، وطريقة استجابة الأجسام لهذه القوة من ناحية حركتها.
قانون نيوتن الأول
نصه هو: (الجسم الساكن يبقى ساكناً، والجسم المتحرك يبقى متحركاً ما لم تؤثر به قوة محصلة ما)، وهو المعروف بقانون القصور الذاتي للأجسام. وهذا القانون هو ليس إلا وصفاً لعجز الجسم عن التحرك إن كان ساكناً، أو عجزه عن التوقف إن كان متحركاً.
قانون نيوتن الثاني
نصه هو: (إذا أثّرنا في جسم بقوة ما أدت إلى تغير حالته الحركية، فإن هذه القوة تكون مساويةً لمقدار التغيّر الحاصل في الزخم نسبةً إلى الزمن). هذا القانون يوضح لنا أن أي جسم يقع تحت تأثير قوة فإنه سوف يكتسب تسارعاً يتناسب مع هذه القوة، والعكس بالعكس.
قانون نيوتن الثالث
نصه هو: (إذا أثر جسمان بقوة متبادلة على بعضهما البعض، فإن هذه القوة ستكون متساوية في المقدار، ومتعاكسة في الاتجاه). هذا القانون هو المعروف بقانون الفعل ورد الفعل، وهو يخبرنا بأنّه لا وجود لقوة منفردة معزولة بشكل كامل وأن القوة تأتي على شكل أزواج من الفعل ورد الفعل. من الجدير بالذكر أيضاً أنه كما يُخبرنا نص القانون، فإنّ قوة رد الفعل تكون مساوية لقوة الفعل ومعاكسة لها في الاتجاه، ويتم التعبير عن هذا الاتجاه المعاكس رياضياً بإشارةٍ سالبة.
قانون الجذب العام
في عام 1687م نشر نيوتن عمله المتعلق بالجاذبية بعد الحادثة التي مرت به (وهي سقوط التفاحة أمام نيوتن بعدما عاد لمسقط رأسه إثر تفشي الطاعون في كامبردج)، وبعد دراسته للبيانات التي تم جمعها منذ القدم حول دوران القمر حول الأرض وبيانات عن حركة الكواكب، لم يتمكن أحدٌ قبله من حل لغز حركة هذه الكواكب والقمر، إلا أن نيوتن أتى بالحل. وبالاستعانة بالقانون الأول والثاني للنيوتن تمكن إسحاق نيوتن من استنتاج أن هذه القوة التي تسحب القمر نحو الأرض وتبقيه في مداره هي القوة نفسها الموجودة بين الشمس والكواكب والتي تبقيها في مداراتها حول الشمس، وهي القوة نفسها التي سحبت التفاحة للأسف بدل من أن تتركها تعوم وترتفع للأعلى، وأن القمر لا يسقط كما تسقط التفاحة بسبب المسافة الكبيرة بينه وبين مركز وأن القمر أيضاً يخضع للقصور الذاتي فيستمر بمحاولة التحرك بخطٍ مستقيم إلا أن قوة الجاذبية تمنعه وتحرفه عن المسار المستقيم ليتحرك بشكلٍ دائري.
قانون الجذب العام لنيوتن هو الذي نُشر في تلك السنة وكان بعد عملٍ دؤوب من نيوتن، ولم يكن في لمحة عين. ونص هذا القانون هو: (كل جسم في الكون يجذب كل الأجسام الأخرى بقوة تتناسب طردياً مع حاصل ضرب كتلتيهما وعكسياً مع مربع المسافة بينهما). هذا القانون الذي يُعرف بقانون الجذب العام غالباً ما يُطلق عليه (قانون التربيع العكسي لنيوتن) لأن القوة فيه تتناسب بشكل عكسي مع مربع المسافة بين الجسمين. يمكن كتابة هذا القانون رياضياً كالآتي:
- ق= (ج ك1ك2)/ف، حيث إن:
- ق: هي القوة.
- ج: هو ثابت الجذب العام الذي قيمته 6.673×10 نيوتن.م/كغ.
- ك: هي كتلة الجسم الأول.
- ك2: هي كتلة الجسم الثاني.
- ف: هي المسافة بين الجسمين.
أين تفشل الميكانيكا النيوتنية
تفشل ميكانيكا نيوتن عن الحديث عن إطارين مرجعيين مختلفين واحد منهما يتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء ، هنا لا تعود تنفع قوانين نيوتن لأن الزمن سوف يختلف في كل واحدة من هذه الأطر المرجعية، بالإضافة للمسافة وغيرها من المعلومات الفيزيائية، وهنا تأتي النظرية النسبية الخاصة وتعالج هذه المشكلة عن طريق تحويلات لورانتز (بالإنجليزية: Lorentz Transformations)، ومن الجدير بالذكر أنه لا يمكن تطبيق ميكانيكا نيوتن في مثل هذه الحالات، لكن في الظواهر التي نراها كل يوم يمكن تطبيق النظرية النسبية الخاصة أو ميكانيكا نيوتن، ويمكن التفكير بميكانيكا نيوتن على أنها حالة خاصة من النظرية النسبية ويمكن تطبيقها عند السرعات المنخفضة جداً. كما أن قانون الجذب العام يمكن أن يُعتبر أيضاً كأنه حالة خاصة من النسبية العامة.
من جهةٍ أخرى فإن ميكانيكا نيوتن تفشل في تفسير الظواهر في العالم الذري ودون الذري؛ فعلى سبيل المثال لو كان لدينا جسم يتحرك بحركةٍ ما، فإنه وباستخدام ميكانيكا نيوتن يمكن التنبؤ بموقعه وزخمه (سرعته) في المستقبل أو في الماضي، لكن لو كان لدينا جسيم مثل الإلكترون فإنه لا يمكننا معرفة زخمه وسرعته في الوقت نفسه، الأمر الذي يعيق تنبؤنا بسلوكه في الماضي أو المستقبل، كما أنه يمكن أن يسلك سلوك الجسيمات أو الموجات، وهذا الشيء غير ممكن لو كان الذي يتحرك سيارة، ومن هنا تظهر الحاجة لميكانيكا الكم لتفسير هذه الظواهر التي تعجز ميكانيكا نيوتن والميكانيكا الكلاسيكية عن تفسيرها.
