4. ميكانيكا الكون وعناصره الأوليّه

لحد الوقتي, حاولنا نبص على قد ما نقدر على تفاصيل الفتره الأولانيه في حياة الكون, وهي اللي بيسموها مرحلة التحولات الأوليه (Quantum Fluctuations) اللي كانت بتحصل على مستوى صغير جداً, واللي من خلاله اتخلقت الأجسام والقوات الأولانيه في الوجود, وهما النيترونات والبروتونات والإلكترونات بتوع نوايات الهيدروجين والهيليوم, وشوفنا إزاي القوه الكبيره والقوه الصغيره والقوه الكهرومغناطيسيه اشتلغو على الأجسام الصغيره أوي دي, كل ده في مرحله كان العالم فيها مضلم خالص ومافيهوش أي نور. لاكن شوفنا إزاي برضه بعد كده, الأجسام العجيبه دي اللي بتكون اكتر من 80% من الماده في الكون, واللي احنا مانعرفش عن طبيعتها حاجه لحد الوقتي, وهي الأجسام المضلّمه (Dark Matter), ابتدت تخلق في الكون قوه جديده مهمه جداً, وهي قوة الشد (الجاذبيه – Gravity). ومن اللحظه دي, بسبب القوة الجديده اللي جات في الكون دي, أخيراً النوايات الأولى بتاعت الهيدروجين والهيليوم ابتدت تاخد أشكال جديده, بلازما وغاز وعُفار, اتجمع كله مع بعضه بقوة الشد وعمل سحب ذريه كبيره جداً قد المجرات (Molecular Clouds), وفي قلب السحب دي, اتولدت النجوم الأولى, وبعدين شوفنا إزاي النجوم دي نورت الكون, وعملت جوه قلبها مصانع نوويه تنتج بيها مواد وعناصر جديده في الكون. وفي اللحظه دي, ضروري نحاول نفهم أكتر أيه هي قوة الشد بالظبط وعلاقتها أيه بالأجسام في الكون. عشان بعد كده, لما نبدأ نتكلم عن الشمس والكواكب والقمر, نكون فاهمين أكتر هما ليه بيتحركو بالطريقه دي

قوة الشد هي قوه أوليّه, كلمة أوليّه هنا معناها إنها موجوده من غير ما يكون في حاجه بتسبب وجودها, زي حاجات كتير أوي شوفناها في الكون لحد الوقتي, ومنها القوات الأوليّه التانيه (الكبيره والصغيره والكهرومغناطيسيه), وزي الجسيمات اللي طلع منها نوايات الهيدروجين والهيليوم. وغير كده, وجود المساحه والمسافهمابين جسم والتاني, والطريقه اللي القوات الأوليّه بتأثر على الأجسام في المساحات والمسافات دي, كل دي عناصر أوليّه للكون. وغير كده فيه كمان الزمن“, أو الوقت اللي القوات والأجسام بتأثر على بعض فيه, الزمن هو كمان عنصر أولي للكون. والحراره, وإزاي إنها ممكن تعلى وممكن توطى, كل صور الطاقه عموماً اللي في الكون هي كمان عناصر أوليّه للكون. العناصر الأوليّه دي كلها الإنسان مننا بيفهمها وبيحس بيها هو كمان بطريقه طبيعيه (حدسيه, Intuitive), من غير ما يفكر فيها. إحساسنا وتقديرنا للمسافه والمساحه والوقت والحراره, والتغييرات اللي بتحصل فيهم, بيبقى دايماً إحساس طبيعي وحدسي. ولكن دراسة وفهم فيزيا وطبيعة الكون بتحتاج مننا إننا نبص على الحاجات الطبيعيه الأوليّه دي بشكل مختلف, ونفكر كويس علاقتها بالحاجات اللي حوليها أيه. وعشان كده دراسة الفيزيا عموماً, وفيزيا الكون خصوصاً, بتعتبر من أصعب مجالات التعلم والدراسه؛ عشان بتحتاج من المتعلم أو حتى العالِم, إنو يغصب على نفسه يبص على كل حاجه بنظره تحليليه لأعلى درجه ممكنه, وفي بعض الأوقات بنلاقي صعوبه حتى عشان نفهم معلومه كونيه عويصه, عشان المعلومه دي بتوصف ظاهره بعيده أوي عن إحساسنا وفهمنا الطبيعي للحياه على الأرض, وبتطلب مننا إننا نتخلى عن الإحساس الطبيعي (الحدسي) خالص ونحاول نستوعب عالم وطبيعه فيزيائيه عمر عقلنا ما شافها أو جربها أو حس بيها

قوة الشد في الفضاء بتخلي أي جسم يلف حولين نفسه ويدور, ويتكور ويجمع المواد اللي فيه دايماً في قلب الجسم, بالظبط كده زي ما شوفنا إزاي السحب الذريه بتتأسر بقوة الشد وأجزاء كبيره منها بتتكور وتتركز وتعمل النجوم. والقاعده دي بتمشي مش بس على الأجسام الجامده (الصلبه), لكن كمان على الغاز. النجوم مسلاً اللي هي عباره عن تجمع غاز وبلازما, هي كمان بتدور حولين نفسها. بس الجسم المكوّر اللي من الغاز ممكن حِتَت منه تدور أسرع من حتت تانيه, لكن الجسم الجامد بيدور كله على بعضه طبعاً بنفس السرعه. بالرغم من إن قوة الشد هي قوه أوليه, علماء كتير حاولو يكتشفو على الأقل هي ممكن تكون ابتديت منين, أو نشأتها مرتبطه بأيه, وده لحد الوقتي بيعتبر سؤال مفتوح. الملاحظه هي إن الكون كله على بعضه ممكن يكون بيلف ويدور, وده معناه إن وضع اللف والدوران ده كان موجود من لحظة الانفجار الكبير, وإن ممكن قوة الشد تكون نتيجهلحالة اللف والدوران الأصليه اللي ابتدى بيه الانفجار الكبير نفسه

وبالطريقه دي, كل الأجسام اللي في الكون, بحكم إن ليها كتله, بيبقى فيه حولين منها حاجه بيسموها العلماء منطقة الشد” (Gravitational Field). منطقة الشد دي هي مساحة محدده حولين الجسم, لما أي جسم تاني يخش فيها, يقوم يتشد للجسم الأولاني ويتأسر بقوة الشد بتاعتو. كل ما كان تركيز كتلة الجسم في المركز كبير, كل ما كانت منطقة الشد بتاعته اوسع وتأثيره على الأجسام التانيه أقوى. خلي بالكم إن قوة التركيزحاجه, ومساحة الجسم حاجه تانيه: يعني مسلاً ممكن جسم يكون كبيرجداً بس الكتله اللي جواه قليله ومش متركزه بقوه, وده هايكون عندو مجال شد أقل من جسم تاني ممكن يكون أصغر بكتير, بس الكتله اللي جواه متركزه بقوه عاليه أوي

العالم الانجليزي العظيم إسحاق نيوتن” (1642 – 1727) كان العالم الأول اللي وصل للقواعد الأساسيه بخصوص موضوع قوة الشد بالنسبة للأجسام المكوّره في الكون, وهو اللي شرح لأول مره إزاي إن الأجسام اللي بتخش في مناطق شد بعض, الأتنين بيشدو بعض (عشان الإتنين عندهم كتله والإتنين عندهم منطقة شد). من الحكاية دي نيوتن قدر يطلع بمعادله مهمه جداً, وهي المعادلة المشهوره:ـ

معادلة نيوتن اللي بتوصف طريقة عمل قوة الشد

معادلة نيوتن اللي بتوصف طريقة عمل قوة الشد

المعادله دي بتوضح إزاي إن قوة الشد مابين جسمين (FG) بتساوي كتلة الجسم الأولاني (m1) مضروب في كتلة الجسم التاني (m2) على المسافة ما بينهم (r). وعشان كده لما الأجسام بتقرب من بعض أكتر, المسافه مابينهم (r) بتبقى أصغر وقوة الشد بتزيد! وبكده, كل ما الأجسام تقرب من بعض أكتر, كل ما هايشدو بعض بدرجه أكبر. نيوتن كمان كان هو اللي طلع معادله تانيه مهمه اتكلمنا عنها من شويه, وهي g = m/r2, اللي بتوضح إزاي إن قوة شد جسم معين, بتساوي كتلة الجسم على قـُطر الجسم (القـُطر يعني طول الخط المستقيم مابين ابعد نقطتين في الجسم المكوّر), وبكده فعلاً, لما الكتله اللي في الجسم تكون أكبر, ومساحة الجسم أصغر, يبقى فعلاً حسب المعادله دي قوة الشد بتاعته هاتكون أكبر

صوره للعالم العظيم إسحاق نيوتن. سبب عظمته هو إنو ألف مجموعه من الكتب كان ليها تأثير قوي جداً على العلم بعد كده, وخصوصاً الكتب اللي على قواعد قوة الشد وقوانين وميكانيكا حركة الأجسام
صوره للعالم العظيم إسحاق نيوتن. سبب عظمته هو إنو ألف مجموعه من الكتب كان ليها تأثير قوي جداً على العلم بعد كده, وخصوصاً الكتب اللي على قواعد قوة الشد وقوانين وميكانيكا حركة الأجسام

 وهنا مهم إننا نعرف إن الأجسام في الفضاء نادر لما تشد بعضها في خطوط مستقيمه. الأجسام من دول (كواكب أو نجوم مسلاً), بيبقو ماشيين في سِكه أو خطوط سير معينه وليهم مناطق الشد بتاعتهم محوطاهم. لحد ما يدخلو في مناطق شد بعض. في الحاله دي على طول خط سير كل جسم بيحيد عن السكه الأصليه وكل جسم يميل للجسم التاني. ومن هنا بيبدأ يحصل اللف, يعني إزاي الأجسام في الفضاء بتلف حولين بعض. (اللف غير الدوران, الدوران هو إن الجسم يدور حولين نفسه. اللف هو إن الجسم يدور حولين جسم تاني أو نقطة ارتكاز خارج منه

بحسب قوة شد كل جسم وحسب معادلة نيوتن, ممكن الأجسام تفضل تلف حولين بعض في دواير ومع كل لفه المسافه مابينهم تفضل تقل وتقل لحد ما في الآخر يدخلو في بعض وقوة الشد تخليهم جسم واحد. بس في حالات تانيه, الأجسام ممكن تفضل تلف حولين بعض من غير ما يدخلو جوا بعض

طيب الحكايه دي بتحصل إزاي؟

واحده من أهم القواعد الفيزيائيه اللي نيوتن اكتشفها, هي قاعدة النَطر (أو بالعربي القصور الذاتي, وبالانجليزي Inertia), ودي بتقول إن اي جسم في حالة سبات, طبيعي إنو يفضل سابت ولا يتحركش إلا لما قوه خارجيه تزقه من مطرحه. وكمان لما يكون جسم بيتحرك بسرعه معينه وفي اتجاه معين, الطبيعي بتاعه إنو يفضل منطور بنفس السرعه ونفس الاتجاه على طول في خط مستقيم طالما مافيش قوه خارجه بتغير سرعته أو اتجاهه. طبعاً احنا ما بنحسش بالقاعده دي على الأرض عشان قوة الشد بتاعة الأرض بتشد كل حاجه لتحت باستمرار. كلمة تحتدي معناها جسم الأرض, اللي هو جسم ليه قوة شد زي كل الأجسام في الكون. بس في الفضاء الوضع مختلف, والأجسام ممكن تسافر مسافات بعيده أوي أوي بقوة النَطر من غير ما يكون في أي جسم تاني بيشدها ويتشد ليها.

مسال لقوة النَطر: العربيه وقفت فجأه عشان قصادها حاجز. بس المكعب اللي فوقيها "الطبيعي بتاعه" إنو يتنطر, يعني يفضل ماشي بنفس السرعه ونفس الاتجاه طالما مافيش حاجز توقفه. في الحاله دي المكعب هايقع على الأرض في الآخر عشان الأرض ليها قوة شد. بس في الفضاء الأجسام ممكن تسافر مسافات بعيده أوي بقوة النَطر دي من غير ما تقابل قوة شد من أجسام تانيه تأسر عليها

مسال لقوة النَطر: العربيه وقفت فجأه عشان قصادها حاجز. بس المكعب اللي فوقيها “الطبيعي بتاعه” إنو يتنطر, يعني يفضل ماشي بنفس السرعه ونفس الاتجاه طالما مافيش حاجز توقفه. في الحاله دي المكعب هايقع على الأرض في الآخر عشان الأرض ليها قوة شد. بس في الفضاء الأجسام ممكن تسافر مسافات بعيده أوي بقوة النَطر دي من غير ما تقابل قوة شد من أجسام تانيه تأسر عليها

قوة النَطر دي هي اللي بتخلي الأجسام تلف حولين بعض من غير ما يدخلو في بعض ابداً. يعني ببساطه قوة النَطر بتفضل تزق الجسم في خط مستقيم زي ما كان ماشي في الأول, وكل مره الجسم يدور حولين نفسه يقوم يدي لنفسه زقه في الخط المستقيم ده (Centrifugal force), بس قوة الشد اللي جايه من جسم تاني بتفضل تشد الجسم الأولاني وتخليه يميل نحيتها (Centripetal force). يقوم الجسمين يفضلو يمشو مابين مسارهم الأصلي الأولاني (المستقيم) ومابين مسارهم التاني (عشان دخلو في مجال شد بعض). ولا هما بيبعدو خالص ولا بيقربو أوي من بعض, ويفضلو يلفو حولين بعض على طول. نظام الشد ده إسمه نظام الإجواز (Binary system). عشان فيه جوز أجسام بيلفو حولين بعض. وفيه في الكون نجوم كتير جداً وكواكب كمان, بتلف حولين بعض بنظام الإجواز

نظام الاجواز

نظام الاجواز

لكن فيه حاله تانيه من اللف في الكون, بيبقى فيه جسم واحد هو اللي بيلف حولين جسم تاني, بنفس القواعد اللي شرحناها دلوقتي, يعني بالعلاقه مابين قوة النطر بتاعة الجسم اللي بيلف وقوة الشد بتاعة الجسم التاني. الدايره اللي فيها جسمين بيلفو حولين بعض, أو جسم معين بيلف حولين جسم تاني, إسمها المدار” Orbit

المدار التابع

المدار التابع

فيديو: نظام الاجواز:ـ

فيديوهات بتوضح إزاي الخط المستقيم الاصلي بتاع حركة اي جسم ماشي بقوة النـَطر, بيتأثر بالأجسام التانيه

آخر حاجه لازم نعرفها عشان نبقى فهمنا قوة الشد خالص, هي حاجه إسمها سرعة الهروب” escape velocity. ودي هي السرعه اللي لازم جسم معين يتحرك بيها عشان يهربمن منطقة شد جسم تاني. نيوتن عمل مسال سهل جداً عشان يشرح بيه أيه هي سرعة الهروب

مدفع نيوتن

مدفع نيوتن

نيوتن قال, تخيل مسلاً إن انت عندك مدفع بيضرب كور في الهوا بقوات مختلفه (شوف الرسمه اللي بيشرح المسال ده فوق). المدفع ضرب أول كوره (A) قامت الكوره طارت شويه وبعدين وقعت لتحت بقوة شد الأرض. راح المدفع ضارب كوره تانيه (B) بقوه أكتر شويه قامت الكوره طارت بسرعه أكبر ومسافه أكبر بس وقعت برضه بقوة شد الأرض ليها. قام بعد كده ضارب كوره تالته (C) بقوه أكبر, وهنا هانشوف في الرسمه إزاي الكوره دي طارت بسرعه كافيه تخليها بدل ما تقع على الأرض تاني, تلف حولين الأرض في مدار. طاب ليه وإزاي ده حصل؟ عشان المره دي الكوره اتضربت بقوه كفايه تخليها تحافظ على نطرتهابالنسبه لقوة شد الأرض. إنما قوة النَطر بتاعت الكور اللي اتضربت قبل كده كانت اضعف من قوة شد الأرض وعشان كده كانو بيقعو في الآخر. طيب, بعد كده المدفع ضرب كوره كمان بقوه أكبر (D), قامت الكوره عملت مدار برضه حولين الأرض, بس مسافتو أبعد من اللي قبل كده. بعد كده, الكوره الأخيره اللي ضربها المدفع طارت وبعدت عن الأرض خالص (E), وده عشان الكوره دي اتضربت بقوه كفايه تخليها تهربمن منطقة شد الأرض خالص, يعني وصلت لـ أو عدت سرعة الهروب المطلوبه عشان تسيب منطقة شد الأرض خالص

فيديو بيشرح مدفع نيوتن وطريقة الحكم في (لعبة) مدفع نيوتن:ـ

في المسال ده, لو شيلنا الأرض وحطينا جسم تاني قوة الشد بتاعته أكبر, كان المدفع لازم يضرب الكور أقوى كمان عشان يوصل لسرعة الهروب من منطقة شد الجسم ده

طبعاً ده مسال خيالي. والمسال الخيالي يفرق عن المسال التجريبيفإنو مش حقيقي ومحصلش فعلاً ومانقدرش نستخدم أدوات قياس عشان نتأكد منه. بس بالرغم من كده المعلومات اللي فيه كلها صحيحه جداً ومافيهاش أي أخطاء, لأن نيوتن قدر يوصل لها بالعقل والمنطق والمقارنه. ودلوقتي, نظريات نيوتن في سرعة الهروب هي نفسها اللي بنستخدمها لما نيجي نبعت مركبة فضائيه أو ستالايت صناعي في الفضاء. مسلاً, عشان مركبة فضاء تطلع تروح القمر, أو تطير في أي حته تانيه في المجموعه الشمسيه اللي هانشرحها كمان شويه, لازم تطلع بره منطقة شد الأرض, وده معناه إنها لازم تندفع بقوه كفايه تخليها تحقق سرعة الهروب. بس عشان نوفر البنزيماللي المركبه الفضائيه بتستهلكها, الأول بننطرها بأقل قوه ممكنه تخليها تلف حولين الأرض في مدار, زي (C) كده في المسال بتاع المدفع, وبعد كده, بيبقى أسهل إن المركبه تزق نفسها شويه بقوة دفع صناعيه (زي ماتور العربيه كده) وتوصل لسرعة الهروب وهي في المدار بدل من وهي لسه على الأرض

كل الأجسام اللي بنشوفها في الكون بتتحرك حسب ميكانيكا وقواعد قوة الشد بأشكالها المختلفه. الكون كله على بعض هو نظام منطور” (Inertial system), زي بالظبط لما تمسك شوية بلي وتحدفهم مره واحده في الفضاء وبعدين كل بليه تتأسر بالنظام كله وتمشي حسب علاقتها بالبلي التاني بقواعد ميكانيكا الكون. الإنفجار الكبير كان هو لحظة النَطر الأوليّه, ومن أول مولد الأجسام ومولد قوة الشد في الكون, كل حاجه بتمشي حسب ميكانيكا قوة الشد اللي في الكون. وبسبب فهمنا لقواعد الميكانيكا دي, بنقدر نعرف حاجات كتير عن الأجسام اللي في الكون أول ما نعرف هي ماشيه إزاي وبسرعه قد أيه ورايحه على أنهي اتجاه

* * *

مابنقدرش نشوف أي حاجه في الكون إلا لو كانت بتطلع نور“, النور اللي طالع من أي مصدر طاقه هو عباره عن شعاع قوه كهرومغناطيسيه مالوش كتله, بس بيتأسر بقوة الشد. النور هو أسرع حاجه بتتحرك في الكون, بيتحرك بسرعة 300,000 كيلومتر في السانيه الواحده. وإكمنو مالوش كتله وبيتحرك بسرعه كبيره, النور دايماً بيقدر يحقق سرعة الهروب من منطقة شد أي جسم في الكون, وعشان كده بنقدر نشوف النجوم البعيده أوي من الأرض. ولكن فيه نوع واحد بس من الأجسام في الكون النور ما يقدرش يحقق سرعة الهروب منه؛ الجسم ده هو اللي العلماء بيسموه, الخرم الأسود!!ـ

—————————————————-

اللي قبله: 3. مولد النجوم

اللي بعده: 5. المجرات والخروم السودا

***

الفهرس

استفتاح

1. أيه هو الكون وإزاي بنشوفه

2. الانفجار الكبير, مولد الكون

3. مولد النجوم

4. ميكانيكا الكون وعناصره الأوليّه (انت هنا دلوقتي)

5. المجرات والخروم السودا

6. ختام الجزء الأول من الموسوعه

7. فِكره عن النظام الشمسي (الجزء التاني)

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s