عالمية السقوط الحر : تم اختبار عالمية السقوط الحر ، التي أسسها أينشتاين كمبدأ تكافؤ ، بدقة كبيرة. ومع ذلك ، فإنه لا يزال موضوع التجارب: إن الخروج عن هذا المبدأ من شأنه أن يشير إلى ظهور فيزياء جديدة ، تتجاوز النسبية العامة.
كانت عالمية السقوط الحر للأجسام في الفراغ أحد المبادئ الأساسية للفيزياء منذ غاليليو. في كتابه الأخير ، الخطابات المتعلقة بعلمين جديدين ، يناقش جاليليو بإسهاب حقيقة أن جميع الأجسام ستسقط في نفس الحركة في مجال جاذبية الأرض ، على الأقل إلى الحد الذي تكون فيه مقاومة الهواء للحركة. سيكون لها تأثير ضئيل. بوسائل وقته ، من الواضح أنه لا يستطيع تحقيق التجربة المثالية للسقوط الحر في الفراغ. لكنه يناقش بعناية تأثيرات مقاومة الهواء لاستنتاج السلوكيات المقابلة لهذه التجربة المثالية. ويقترح طرقًا لتقليل هذه التأثيرات باستخدام البندول المتأرجح. إنه بذلك يوضح المبدأ من خلال التجربة بدقة يمكن للمرء أن يقدر ، من كتاباته ، أنه أفضل من جزء في المئة. منذ ما يقرب من 300 عام ، تم إجراء اختبارات هذا المبدأ بنفس التقنية التي تم تنفيذها بوسائل محسنة ، وبالتالي الدقة. يقوم نيوتن ، الذي يعلق أيضًا أهمية كبيرة على هذا المبدأ ، بإجراء تجارب لاختبار صلاحيته.
جدول المحتويات
في بداية العشرون عشرفي القرن الماضي
في بداية العشرون عشرفي القرن الماضي ، أعطى ألبرت أينشتاين مكانة أكثر أهمية لمبدأ عالمية السقوط الحر: فهو يعممه في مبدأ التكافؤ الذي يعد حجر الزاوية في نظريته النسبية في الجاذبية ، النسبية العامة. يحدد مبدأ التكافؤ خاصيتين مختلفتين من الناحية المفاهيمية ، القصور الذاتي والجاذبية. بداهة ، قد لا تكون هذه الخصائص متطابقة لجميع الأجسام المادية. تقيس الكتلة الخاملة أو بالقصور الذاتي الجهد المبذول لتغيير حالة حركة الجسم: كلما زادت هذه الكتلة ، زادت صعوبة تغيير سرعة الجسم. الكتلة الجادة أو الجاذبية .
إقرأ أيضا:الحد من تلوث الهواءمن جانبها ، تقيس اقتران الجسم بمجال الجاذبية: كلما زادت هذه الكتلة ، زادت قوة الجذب تجاه الأرض على سبيل المثال ، أنه مهم. ثم تؤدي المساواة بين الجماهير الخاملة والجدية إلى خضوع كل الأجسام لنفس التسارع ، وهو ما يشكل ظاهرة عالمية السقوط الحر. من الواضح أن هذه الخاصية خاصة بالجاذبية. فهي صحيحة عندما يلعب دور القصور الذاتي والجاذبية فقط ، وليس عندما تتدخل قوى أخرى ، كهربائية أو مغناطيسية على سبيل المثال.
عالمية السقوط الحر : سباق من أجل الدقة
منذ تجارب الهنغارية إيتفوس وراند في أوائل س س عشر قرن من الزمان، وقد تم اختبار مبدأ التكافؤ مع أساليب جديدة وأكبر من أي وقت مضى الدقة. تؤكد عدة تقنيات اليوم صحة هذا المبدأ على مستوى من الدقة بترتيب جزء واحد إلى 10 12 . على الرغم من هذا الإنجاز الرائع ، يستمر السباق لتحسين الدقة من خلال مشاريع التجارب الفضائية. مشروع المجهر ، على سبيل المثال ، الذي اقترحته فرق فرنسية واختاره CNES لرحلة في السنوات القادمة ، سيظل يكتسب ثلاثة أوامر من .حيث الحجم لتحقيق دقة أفضل من جزء لـ 10 15(انظر الاطار في الصفحة 37). يهدف مشروع الأقمار الصناعية الأكثر طموحًا ، المسمى الخطوة ، إلى الحصول على دقة أعلى بمقدار مرتين أو ثلاث مرات من خلال استخدام تقنيات التبريد . وهو أكثر دقة وأكثر تكلفة في التنفيذ. لماذا يستمر هذا السباق في حين أن الدقة غير العادية لاختبارات مبدأ التكافؤ. هي بالفعل واحدة من أفضل النتائج التي تم الحصول عليها في تجربة الفيزياء الأساسية؟
تكمن الإجابة على هذا السؤال في القوى الجديدة
تكمن الإجابة على هذا السؤال في القوى الجديدة التي تنبأت بها نماذج التوحيد للتفاعلات الأساسية التي طورها علماء الفيزياء النظرية اليوم. هذه القوى الجديدة ، التي تضاف إلى تلك المعروفة بالفعل والتي تتوافق أيضًا مع وجود جسيمات جديدة ، ستؤدي إلى انحرافات عن النظرية الحالية في قياسات دقيقة للقوة. بالمقابل ، فإن وجودهم ينتهك مبدأ التكافؤ ، لأن القوى ستعتمد على التركيب الفيزيائي والكيميائي للأجسام. وبالتالي ، فإن تأكيد المبدأ سيحد من اختيار النماذج النظرية المختلفة لتوحيد التفاعلات الأساسية ، في حين أن إثبات انتهاك مبدأ التكافؤ يشير إلى وجود
الهدف من هذه المقالة هو تقديم مشاكل مثل هذه التجارب من خلال تاريخ اختبار عالمية السقوط الحر. هذه القصة هي توضيح مباشر لتطور المفاهيم العلمية. كما أنه يرتبط ارتباطًا وثيقًا بتحسين دقة التجارب ، من خلال استخدام تقنيات متطورة بشكل متزايد ، وفي نفس الوقت ، ظهور أفكار جديدة. دعنا نتبع بعض هذه الأفكار ، من جاليليو ونيوتن إلى يومنا هذا.
عالمية السقوط الحر : سقوط الجثث
لنبدأ بالطبع بتجربة سقوط الجثث . التي نوقشت باستفاضة في اليوم الأول من الخطابات المتعلقة بعلمين جديدين حيث تسمح لغاليليو بإبراز بعض الاختلافات الجوهرية بين الفيزياء الأرسطية القديمة وفيزياءه الجديدة. هذا الموقف الخاص المرتبط بميلاد الفيزياء الحديثة . ثم إدانة الكنيسة لغاليليو ، أكسب هذه التجربة المكانة المميزة لأشهر تجربة في تاريخ الفيزياء. تم انتقاد هذا النظام الأساسي . على وجه الخصوص من قبل عالم المعرفة الفرنسي بيير دوهيم وألكسندر كويري ، اللذان جعلا منه نموذجًا أصليًا لتجربة فكرية لم يتم إجراؤها مطلقًا ، ناهيك عن تجربة خيالية … في الواقع ، ناقش جاليليو بالتفصيل الصعوبات التي واجهتها هذه التجربة بطريقة تظهر معرفة جيدة بالمشكلات الحقيقية التي واجهتها هذه التجربة. حتى أنه اقترح وأدرك لنفسه وسائل لحل هذه المشاكل ، لكي ينجح في التحقق من صحة مبدأ عالمية السقوط الحر بالتجربة.
دعونا أولاً نعرض المشكلة بحوار الخطابات الشهير:
[سالفياتي] أشك في أن أرسطو قد تحقق .من الناحية التجريبية مما إذا كان صحيحًا أن حجرين ، أحدهما أثقل بعشر مرات من الآخر ويتم إسقاطهما في نفس الوقت من ارتفاع مائة ذراع ، على سبيل المثال ، لهما سرعات مختلفة عن أن الأكبر يلامس الأرض بالفعل بينما الآخر لم ينزل حتى عشر أذرع . [Simplicio] ومع ذلك يمكننا أن نرى من كلماته أن لديه الخبرة … [ساجريدو] لكنني من جربتها . يا لورد سيمبليسيو ، أؤكد لك أن كرة مدفعية تزن مائة أو مائتي رطل أو أكثر ، لن تسبقها حتى كف ، عند لمس الأرض ، كرة بندقية لا يتجاوز وزنها نصف رطل ،
كما سيلخص نيوتن: جميع أنواع .الأجسام الثقيلة تنزل نحو الأرض من ارتفاعات متساوية في أوقات متساوية (مع الأخذ في الاعتبار عدم المساواة في التأخير الذي حدث نتيجة مقاومة الهواء ).
عالمية السقوط الحر : يعبر جاليليو عن ذلك بطريقة واضحة تمامًا
يعبر جاليليو عن ذلك بطريقة واضحة .تمامًا من خلال فم سالفياتي.: نقترح معرفة ما يمكن أن يحدث للهواتف المحمولة ذات الوزن المختلف تمامًا في بيئة تكون مقاومتها صفرًا … وإذا وجدنا ذلك ، في الواقع ، دوافع متغيرة محددة الأوزان لها سرعات مختلفة أقل فأقل اعتمادًا .على ما إذا كانت الوسيطات سهلة الاختراق أكثر فأكثر ، وهذا في النهاية في أكثر الوسط ضعيفًا على الرغم من أنه ليس فارغًا ، وبالنسبة للأوزان غير المتكافئة للغاية. فإن الاختلاف في السرعات صغير جدًا وغير حساس تقريبًا . لذلك سنكون قادرين على الاعتراف ، على ما يبدو لي ، باحتمالية عالية جدًا ، أن السرعات في الفراغ ستكون متساوية.
يقارن صراحة حالات جسمين من طبيعتين مختلفتين ، على سبيل المثال كرة الرصاص والمثانة المنتفخة بالهواء: إذًا ، يلاحظ أنه إذا كان الهواء يوفر مقاومة كبيرة جدًا للحظة الطفيفة [الزخم بالمصطلحات الحديثة] للمثانة ، فهو كذلك فقط في مقابل وزن الصدارة بشكل ضعيف ، وأنا على يقين من أن الميزة الناتجة عن القضاء التام عليها ستكون مهمة جدًا للمثانة ، ولكنها صغيرة جدًا بالنسبة إلى الرصاص ، بحيث تصبح سرعاتها متساوية …
وأخيراً يقترح ما نسميه في الوقت الحاضر قانون مقياس. لوصف تأثيرات مقاومة الهواء: إذا أخذنا جسمين متساويين ، متطابقين في المادة والشكل (ووفرت بالتالي سرعات متساوية بشكل لا جدال فيه) . وهذا يقلل من وزن واحد بنفس نسبة سطحه . (بدون تغيير تشابه شكله) ، لن يتبع ذلك أي انخفاض في السرعة …
هذا الفهم الكمي للأجسام الساقطة
هذا الفهم الكمي للأجسام الساقطة تؤكده المعادلات التي نعرف كيف نكتبها اليوم. بالنسبة لمعظم تجارب السقوط الحر لمادة صلبة في الهواء ، فإن قوة المقاومة تتناسب بشكل فعال مع مساحة الكرة. وبالتالي ، فإن الحد الأقصى للسرعة الذي يمكن أن تصل إليه الكرة بعد فترة .سقوط طويلة جدًا يعتمد على حاصل الكتلة على السطح. هذا هو بالضبط حجة جاليليو الذي ، مع ذلك ، لم يكن لديه القوانين التي نعرفها اليوم لمقاومة الهواء. يُظهر هذا بطريقة مقنعة بشكل كاف أنه كان لديه بالضرورة خبرة ملموسة في السلوكيات المختلفة التي لوحظت في الحركات الحقيقية للسقوط في الهواء ، سواء أدرك أم لا
فقط في نهاية س س ال سقوط قرن من التجارب في الفراغ تحققت في ظروف مواتية لدراسة محددة. تُجرى أحدث التجارب في أبراج السقوط الحر التي تُفرغ من هوائها ، حيث تكون مقاومة الغاز المتبقي أقل بكثير مما هي عليه في الغلاف الجوي. بالإضافة إلى ذلك .
تستخدم هذه التجارب أنظمة مع تعويض السحب مما يقلل بشكل كبير من تأثير مقاومة الوسط المتبقي
من خلال الجمع بين التقنيتين ، تم مؤخرًا قياس عالمية السقوط الحر في الفراغ بدقة جيدة جدًا بترتيب جزء واحد في 10 12 .
عالمية السقوط الحر : تماثل توقيت البندولات
كانت الدقة التي يمكن تحقيقها في زمن جاليليو ضعيفة ، وبالتالي لا يمكن أن تؤدي إلى تأكيد تجريبي حقيقي لمبدأ عالمية السقوط الحر. يُظهر نص الخطب أن غاليليو كان مدركًا لهذه الصعوبة:التجربة التي تتكون من أخذ جهازي متحركين بأوزان مختلفة قدر الإمكان.
وإطلاقهما من ارتفاع معين لملاحظة ما إذا كانت سرعتهما متساوية ، تمثل بعض الصعوبات ؛ لأنه إذا كان الارتفاع مهمًا ، فإن البيئة التي يجب على الجسم ، عند سقوطها ، أن يفتحها ويدفعها جانبًا بحركته ، ستعيق اللحظة الضعيفة للأخف حركة أكثر بكثير من القوة الكبيرة للأثقل ، وعلى مسافة طويلة وهكذا سيبقى الجسم الخفيف في الخلف ؛ من ناحية أخرى ، إذا كان الارتفاع قصيرًا ، فإننا نشك في وجود أي اختلاف ، أو إذا كان موجودًا ، فسيكون غير محسوس.
لاختبار صحة مبدأ عالمية السقوط الحر ، يُقاد غاليليو بعد ذلك إلى تطوير طرق بديلة:
لذلك اعتقدت أنه يمكننا تكرار نزول قصير عدة مرات وفي نفس الوقت تجميع عدد كبير بما يكفي من هاتين الفترتين الزمنيتين اللتين يتم إدخالهما بين وصول الجسم البطي.
والجسم الخفيف ، بحيث يشكلان معًا وقتًا ليس فقط يمكن ملاحظته ، ولكن يمكن ملاحظته بسهولة. من ناحية أخرى ، لكي تكون الحركات بطيئة قدر الإمكان حيث تقل مقاومة البيئة من تأثير الجاذبية وحدها ، فكرت في خفض الأجهزة المحمولة على طول مستوى مائل …
عالمية السقوط الحر : من خلال تجارب السقوط على مستوى مائل
من خلال تجارب السقوط على مستوى مائل ، تمكن جاليليو من دراسة قوانين الحركة المتسارعة بانتظام بالتفصيل. وهي معروفة ليس فقط لأنه ينقلها في الخطب .
ولكن أيضًا من المنشورات التي وصف فيها تجاربه ونتائجها لا يتوقف جاليليو عند هذا الحد ويقترح طريقة الاختبار التي سيتم استخدامها لمدة 300 عام قادمة:وللمزيد من الدفع ، ما زلت أرغب في التخلص من الاحتكاك الذي قد يولد اتصالًا .
بالهواتف المحمولة على المستوى المائل. في النهاية ، أخذت كرتين ، واحدة من الرصاص والأخرى من الفلين ، هذه واحدة على الأقل أثقل بمئة مرة من هذه . ثم ربطت كل منهما بقطعتين رفيعتين جدًا ، بطول أربع أو خمس أذرع: تحريكهما بعيدًا عن الوضع العمودي . قمت بتحريرهم في نفس الوقت ، وهذه ، متبعةًا لمحيط الدوائر التي لها نفس الأسلاك لأنصاف الأقطار ، تجاوزت العمودي لترتفع من الجانب الآخر بنفس الطريقة: مائة جيدة قادمة وأظهرت لي الأشياء التي أنجزتها الكرات نفسها بوضوح أنه بين فترة الجسم الثقيل وفترة الجسم الخفيف ،
دعونا نلخص الابتكارات الرائعة .الواردة في هذه الأسطر القليلة: أولاً وقبل كل شيء ، تحدث الحركة ببطء أكثر على مستوى مائل أو مع البندولات وتصبح مقارنات الوقت أسهل .؛ عندها تكون السرعة أقل وبالتالي تكون مقاومة الهواء مشكلة أقل بكثير. تسمح هذه ا.لابتكارات لجاليليو بأن يثبت بالتجربة صحة مبدأ عالمية السقوط الحر في الفراغ ، وهو أحد المبادئ الأساسية للفيزياء الجديدة التي يقوم ببنائها . وهذا بمستوى دقة أفضل من جزء في المائة ، ربما ألف ، بشروطه الخاصة.
