قوانین حرکت نیوتن عبارت است از سه قانون فیزیکی که بنیان مکانیک کلاسیک را شکل می‌دهند. این قوانین ارتباط مابین نیروهای وارد آمده بر یک جسم و حرکت آن را به دست می‌دهد. این قوانین را می‌توان بدین صورت خلاصه کرد:

قانون اول: در یک دستگاه مرجع جسمی که تحت تأثیر یک نیروی خارجی نباشد یا ساکن است، یا با سرعت ثابت در حال حرکت است.

قانون دوم: شتاب یک جسم برابر است با مجموع نیروهای وارده بر جسم تقسیم بر جرم آن. فرمولی که از این قانون برمی‌آید ( ) به معادله بنیادین مکانیک کلاسیک، معروف است. اصول این معادله به این است که شتاب جسمی که تحت تأثیر نیرویی ایجاد شده، متناسب و در جهت حرکت آن است.

قانون سوم: هر گاه جسمی به جسم دیگر نیرو وارد کند، جسم دوم نیرویی با همان اندازه و در جهت مخالف به جسم اول وارد می‌کند.

این قوانین نخستین بار در کتاب اصول ریاضی فلسفه طبیعی نیوتن در سال ۱۶۸۷ مطرح شدند.

قوانین نیوتون

قانون اول

فیلسوفان کهن بر این باور بودند که اجسام در حالت طبیعی ساکن هستند و برای اینکه یک جسم با سرعت یکنواخت به حرکت خود ادامه دهد، باید پیوسته نیرویی بر آن وارد شود در غیراین صورت به حالت «طبیعی» خود برمی‌گردد و ساکن می‌شود. اما نیوتن با بهره‌گیری از پژوهش‌های گالیله به این پندار درست رسید که اگر جسمی با سرعت یکنواخت به حرکت درآید و نیرویی بیرونی به آن وارد نشود تا ابد با شتاب صفر به حرکت خود ادامه خواهد داد. این ویژگی را نیوتن در نخستین قانون حرکت خود چنین بیان می‌کند:

اگر برآیند نیروهای وارد بر یک جسم صفر باشد، اگر جسم در حالت سکون باشد تا ابد ساکن می‌ماند، و اگر جسم در حال حرکت (با سرعت ثابت) باشد تا ابد با همان سرعت و در همان جهت به حرکتش ادامه می‌دهد. به این قانون، قانون لختی یا اینرسی – Inertia- هم می‌گویند.

قانون دوم

این قانون حدود ۳۵۰ سال پیش (۱۶۸۸ میلادی) در کتاب اصول ریاضی فلسفه طبیعی توسط نیوتن منتشر شد. این قانون به رابطه بین نیروهای وارد آمده به یک جسم و شتاب همان جسم می‌پردازد.که در آن شتاب مشتق مرتبه اول سرعت است . (مشتق شتاب جرک است)

 

بنا بر قانون اول نیوتن اگر بر جسمی نیرو وارد نشود جسم یا ساکن می‌ماند یا حرکت یکنواخت بر خط راست خواهد داشت. نتیجه آشکار قانون اول این است که اگر بر جسم نیرو وارد شود جسم ساکن نمی‌ماند و حرکت یکنواخت بر خط راست نیز نخواهد داشت، در این صورت وارد کردن نیرو بر جسم به آن شتاب می‌دهد. قانون دوم نیوتن در واقع رابطه شتاب با نیرویی که بر آن وارد می‌شود را بیان می‌کند. شتاب جسمی به جرم m که نیروی F بر آن وارد می‌شود هم جهت و متناسب با نیروی وارد بر آن است و با جرم جسم نسبت عکس دارد. این بیان را می‌توان به صورت زیر نوشت:

 

F برآیند نیروهایی است که به علت اثر اجسام دیگر روی جسم مورد نظر وارد می‌شود. a شتاب آن و m جرم جسم است. یکای نیرو در SI نیوتون (N) که از رابطهٔ بالا تعریف می‌شود. در رابطه جرم بر حسب کیلوگرم(kg)است؛ بنابراین واحد اندازه‌گیری شتاب می‌شود (N/KG).

دستگاه‌های غیر لخت

این‌گونه دستگاه‌ها بر این اصل پایدارند که هیچ چیز در کره زمین در جای خود ثابت نمی‌باشد، به این دلیل که کرهٔ زمین دارای حرکت وضعی و انتقالی و… در فضا می‌باشد. این‌گونه دستگاه‌ها تکیه گاه یا همان مرجع حرکت جسم (زمین) را به صورت گردان برای ما ایجاد می‌کنند. از این‌گونه دستگاه‌ها در طراحی‌ها و آزمایش‌هایی استفاده می‌شود که لازم است تحت شرایط واقعی انجام شوند مانند:پرتاب موشک‌ها و ماهواره‌ها از زمین به فضا.

قانون سوم

سومین قانون حرکت نیوتون به این صورت بیان می‌شود که “هر عملی را عکس‌العملی است؛ مساوی آن و در جهت خلاف آن .. این قانون به قانون کنش و واکنش هم معروف می‌باشد.

یعنی که هرگاه جسمی به جسمی دیگر نیرو وارد کند جسم دوم نیز نیرویی به همان بزرگی ولی در خلاف جهت بر جسم اوّل وارد می‌کند.

باید توجّه داشت که این دو نیرو به دو جسم مختلف وارد می‌گردند و نباید آن‌ها را با هم برآیندگیری کرد. مثلاً هنگامی که شخصی بر دیوار نیرو وارد می‌کند دیوار نیز بر شخص نیرو وارد می‌کند اندازه این دو نیرو باهم برابر می‌باشد ولی نیروی اوّل به دیوار وارد می‌شود و نیروی دوم به شخص.

قانون سوم نیوتن معمولاً به دو شکل بیان می‌شود: شکل ضعیف و شکل قوی. در شکل ضعیف تنها به این اکتفا می‌شود که نیروی واکنش قرینه نیروی کنش است یعنی (شاخص‌های پایین معرف آن است که نیرو از جسم ۱ به جسم ۲ وارد می‌شود یا برعکس). اما در شکل قوی علاوه بر این فرض می‌شود که این نیروها در امتداد خط واصل میان دو ذره می‌باشند یعنی  .

قانون سوم همیشه در طبیعت صادق نیست مثلاً در مورد نیروهای الکترومغناطیسی وقتی که اجسام مؤثر برهم از یکدیگر بسیار دور باشند یا به تندی شتابدار شوند یا در مورد هر نیرویی که با سرعتهای معمولی از یک جسم به جسم دیگر منتقل شود، صدق نمی‌کند. خوشبختانه در مکانیک کلاسیک از بسط‌های قانون سوم استفاده کمی می‌شود و مشکلات آن تأثیر چندانی در مکانیک کلاسیک ندارند.

مغلطه‌ای از قانون سوم نیوتن

بی دقتی در استفاده از قانون کنش و واکنش و مسئله تناقض: فرض کنید که اسبی کالسکه‌ای را می‌کشد طبق قانون سوم نیوتن کالسکه نیز با همان نیرو اسب را در جهت مخالف می‌کشد، پس اسب نمی‌تواند کالسکه را به حرکت درآورد؟ اشکال این استدلال به این صورت است: اگر می‌خواهیم بدانیم که آیا اسب می‌تواند حرکت کند یا نه، باید نیروهای وارد بر اسب را در نظر بگیریم. نیرویی که بر کالسکه وارد می‌شود هیچ ربطی به این مسئله ندارد.

اسب به این دلیل می‌تواند حرکت کند که نیرویی که با پاهایش وارد می‌کند بزرگتر از نیرویی است که کالسکه با آن اسب را به طرف عقب می‌کشد و کالسکه به این دلیل به حرکت در می‌آید که نیرویی که اسب با آن کالسکه را به طرف جلو می‌کشد بزرگتر از نیروهای اصطکاکی است که کالسکه را به طرف عقب می‌کشند. برای اینکه بدانیم یک جسم حرکت می‌کند باید نیروهای وارد بر آن را بررسی کنیم.

منابع

Engneering mechanics , dynamics, J.L.meriam and L.G.kraige,p6

در روز ۲۹ می ۱۹۱۹ ، یک خورشید گرفتگی مفهوم ذهنی ما از جاذبه را برای همیشه تغییر داد، قوانین فیزیک را بازنویسی کرد و یک مرد ۴۰ ساله با موهای در هم ریخته را به یک چهره سرشناس جهانی تبدیل نمود. آن روز، روز خوبی برای «آلبرت اینشتین» بود.

eclipse positive

خورشید گرفتگی سال ۱۹۱۹ برفراز آمریکای جنوبی و آفریقا مدرک مستقیم و محکمی را برای نظریه جاذبه اینشتین فراهم آورد. او در سال ۱۹۱۵ پیشنهاد داد که گرانش یک نیروی فرضی نیست که از میان فضا عمل کند، بلکه یک ویژگی از ماهیت فضا و زمان است. گرانش عبارتست از پیچیدگی و انحنای بافت کیهان.

نظریه نسبیت عام اینشتین توسط یک فیزیکدان بنام جِی جِی تامسون بعنوان “یکی از بزرگترین دستاوردهای ذهنی بشر” مورد ستایش قرار گرفت. این نظریه توسط شواهد بسیار زیادی از جمله تشخیص امواج گرانشی، و نیز اولین تصویر از یک سیاهچاله که در سال جاری بدست آمد، مورد تایید قرار گرفته است. اینشتین یک کد رمز اساسی از جهان را شکست. و با این حال: یک چیز درست به نظر نمی آید!

اگر چه به نظر می رسد اینشتین حرف آخر را در مورد چگونگی شکل‌گیری جهان بیان نمود، اما بر اساس تحقیقات بیشتر در عمق فضا و نیز کارکرد درونی اتم‌ها، مکان‌هایی یافت شدند که نظریۀ وی در آنها صدق نمی کرد و شکست خورد.  برای مثال، در داخل یک سیاهچاله، معادلات اینشتین پیشنهاد می کنند که ماده و انرژی به قدری فشرده می شوند که به تراکم بی‌نهایت می رسند. اما این به چه معناست؟ محققان معتقدند این حالت نشان می دهد که آنها به یک نظریه‏ بهتر نیاز دارند.

امیل موتولا، فیزیکدان ِ نظری در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس می گوید: «به محض آنکه اعداد به بی‌نهایت می رسند شما دیگر نمی توانید چیزی را فراتر از آن نقطه محاسبه کنید. شما تمام کنترل را از دست داده‌اید.  این به آن معنی نیست که طبیعت نمی تواند آن کار را انجام دهد، بلکه بسیار مشکوک است.»

Star Positions

همین حالت زمانی اتفاق می افتد که کیهانشناسان فیلم انبساط جهان را برای ۱۳ میلیارد سال به عقب برده و به نقطه آغازین زمان و فضا برسند، جایی که به آن بیگ بنگ گفته می شود. نظریه اینشتین کارآیی‌اش را از دست می دهد. متاسفانه – دست کم در میان فیزیکدانان نظری- نسبیت عام توضیح نمی دهد که چگونه گرانش در کوچکترین مقیاس‌ها، یعنی قلمرو ذرات زیر اتمی کار می کند.

ماده تاریک هرگز به طور مستقیم دیده نشده، اما وجود آن از طریق اثرات گرانشی‌اش قابل استنتاج است، مانند حرکت ستارگان در کهکشان‌ها. لی اسمولین، نظریه‌پرداز در مؤسسه پِریمیتِر، می گوید: «تصور می شود که یک نوع اصلاح نیروی گرانشی است که توسط اینشتین پیش‌بینی نشده بود.»

انرژی تاریک، نیز یکی از رمز و رازهای کیهان است که سرعت انبساط جهان را شتاب می دهد. این شتاب ِ به ظاهر ضد گرانشی در اواخر دهه ۱۹۹۰ کشف شد و قویاً موید آن است که جهان برای همیشه گسترش خواهد یافت. پس چرا این اتفاق می افتد؟ گابریلا گونزالس، استاد اخترفیزیک دانشگاه ایالتی لوییزیانا می گوید: «ما نمی دانیم، به همین دلیل است که آن را “انرژی تاریک” می نامیم. به نظرم اسرار زیادی وجود دارند که امیدوارم راه حل آنها را در طول زندگی‌ام ببینم. همۀ این چیزها به نظریه‌هایی نیاز دارند که بتوانند با آزمایشات تایید شوند. آنها به نظریه‌هایی نیاز دارند که بتوانند پیش‌بینی کنند.»

اینشتین در سال ۱۹۰۵ با مجموعه‌ای از مقالات شگفت‌آور که مفاهیم کلاسیک درباره زمان و فضا را از بین می بردند به شهرت رسید. اما بزرگترین دستاوردش یک دهه بعد، در سال ۱۹۱۵ و هنگامی که معادلات حاکم بر گرانش را شرح داد، حاصل شد. او یکی از ویژگی‌های اساسی کیهان را، تنها با استفاده از قدرت ذهنش، کشف کرد. اما آیا حقیقت داشت؟ چه اتفاقی می افتاد اگر معادلات او تنها سرگرمی‌های ریاضی بودند؟ چیزهایی که تنها بر روی کاغذ جذاب بودند، اما با واقعیات فیزیکی منطبق نمی شدند!

EinsteinsEclipse

اینشتین یک آزمایش تجربی را پیشنهاد کرد. یک خورشید گرفتگی جلوی نور خورشید را می گیرد و دانشمندان می توانند نور ستاره‌هایی که از نزدیک خورشید عبور می کنند را مطالعه نمایند. نظریۀ او پیش‌بینی می کرد که میدان گرانشی خورشید نور ِ ستاره‌‌ها را به مقدار مشخصی نسبت به مکانی که تحت نظریه‌های کلاسیک گرانش باید قرار گیرد، خم می کند.

آرتور ادینگتون، اخترشناس بریتانیایی، افرادی را جهت مشاهده خورشید گرفتگی از دو نقطه، یکی در برزیل و دیگری در جزیره پرنسیپ در نزدیکی ساحل آفریقا، هدایت کرد. هنگامی که اخترشناس سلطنتی، سِر فرانک دایسون، نتایج خود را در ماه نوامبر همان سال اعلام کرد، روزنامه‌ها موضوع را تیتر اول خود کردند و اینشتین در سراسر سیاره معروف شد.

از زمان اقلیدس و ارسطو، به فضا و زمان بعنوان یک مرحله منفعل برای حوادث جهان نگاه شده که تحت تأثیر آمد و رفت سیارات و ستارگان قرار نگرفته است. اما اینشتین گفت که چنین نبوده است: «فضا و زمان تحت تأثیر ماده بوده و حتی نور باید از هندسه فضای منحنی اطاعت کند.»

Eddington plate
این عکس، یکی از نخستین عکس هایی است که از خورشید گرفتگی سال ۱۹۱۹ ثبت شده است.

جهان مدرن وابسته به پذیرش این حقیقت ِ کیهانی است. مسیرهای فضاپیماها باید نسبیت عام را در محاسبات خود در نظر گیرند. همینطور جی پی اس، و همینطور هدف‌گیری‌های نظامی. همچنین نظریه اینشتین مفاهیم شگفت‌آور کیهانی از جمله سیاهچاله‌ها را هستند. شاید به روزترین تایید برای نظریه‌های اینشتین امواج گرانشی حاصل از برخورد سیاهچاله‌ها است. اینشتین وجود امواج گرانشی را پیش‌بینی کرده بود؛ یک قرن بعد، دانشمندان آنها را یافتند.

شگفتی‌های جهان پایان نیافته، و فیزیکدانان ِ نظری به کار خود ادامه می دهند. پرسش‌ها در گذر زمان آسان‌تر نمی شوند. هنگامی که از موتولا دربارۀ آنچه که دقیقاً در ابتدای جهان اتفاق افتاده سوال شد، او پاسخ داد: «گاهی اوقات شما باید بگویید که نمی دانید.»

منبع: sciencealert.com

پادهیدروژن(Antihydrogen) پادماده‌ای است که در مقابل هیدروژن قرار می‌گیرد. از آنجایی که اتم هیدروژن شامل یک پروتون و یک الکترون است. پادهیدروژن شامل پادپروتون و پوزیترون است. دانشمندان امیدوارند تا با مطالعه روی پادهیدروژن پاسخی بر مسئله عدم تقارن باریون بیابند که چرا ماده در کیهان از پادماده بیشتر است.

matter v antimatter

در سال ۱۹۲۸، فیزیکدان پل دیراک پیشنهاد داد که هر ذره از ماده باید یک همتای پادماده نیز داشته باشد. اما مدت کوتاهی پس از بیگ‌بنگ، بیشتر ِ پادماده ناپدید شد و بخش کوچکی از ماده باقی ماند که جهانی که امروزه در آن زندگی می‌کنیم را تشکیل داده است. اتفاقی که تعادل پادماده را برهم زد یکی از بزرگترین معماها در فیزیک است.

اخترشناسان به دنبال پادماده در فضا هستند، اما پیدا کردن آن بر روی زمین سخت است. بنابراین، برای مطالعۀ آن، فیزیکدانان باید خودشان آن را بسازنند. و از آنجاییکه پادماده در اثر برخورد با ماده‌ معمولی در یک تشعشع نابود می‌شود، ذخیره‌سازی آن کار چالش‌برانگیزی است.

ساخت پادهیدروژن

هیدروژن با یک پروتون و یک الکترون ساده‌ترین اتم موجود است و یکی از سیستم‌های فیزیک مدرن است که به دقیق‌ترین حالت ممکن بررسی شده و به بهترین نحو درک شده است. از این رو، مقایسه هیدروژن و پادهیدروژن یکی از بهترین روش‌ها برای اجرای آزمایشات بسیار دقیق تقارن ماده/پادماده است. ماده و پادماده وقتی با هم برخورد کنند فورا نابود می شوند، بنابراین جدا از ساخت پادهیدروژن، یکی از چالش‌های کلیدی برای فیزیکدانان حفظ پاد اتم‌ها به دور از ماده معمولی است.

antimatter

فیزیکدانان پیش‌بینی می کنند که طیف‌های هیدروژن و پادهیدروژن یکسان هستند، بنابراین یک اختلاف جزئی بین آنها فورا پنجره‌ای را به سوی فیزیک مدرن می گشاید و می تواند به حل اسرار پادماده کمک کند. همتای پادماده برای ساده‌ترین اتم، یعنی هیدروژن، یک اتم پادهیدروژن طبیعی است که از یک پوزیترون باردار مثبت که به دور یک پادپروتون باردار منفی می‌چرخد، تشکیل شده است. در سال ۱۹۹۵، دانشمندان در سرن اعلام کردند که با موفقیت توانسته‌اند اولین اتم‌های پادهیدروژن را در حلقۀ پادپروتون کم‌انرژی(LEAR) بسازند. محققان به پادپروتون‌های درون LEAR اجازه دادند تا با اتم‌های یک عنصر سنگین برخورد کنند.

هر پادپروتونی که به اندازۀ کافی از نزدیکی هسته‌های اتمی سنگین عبور کند می‌تواند یک جفت الکترون-پوزیترون بسازد. در کسر کوچکی از موارد، پادپروتون به پوزیترون متصل می‌شود تا یک اتم پادهیدروژن بسازد. پادذرات به شدت پرانرژی بودند؛ هر یک از آنها تقریبأ با سرعت نور در یک مسیر ۱۰ متری حرکت کرده و پس از حدود چهل میلیونم ثانیه با ذرات معمولی برخورد کرد. در حالیکه ساخت پادهیدروژن دستاورد بزرگی بود، اتم‌ها بسیار پرانرژی – بسیار «داغ» – بودند و به راحتی قابل مطالعه نبودند. لازم به ذکر است برای ساخت هر گرم پاد هیدروژن به ۶۲٫۵ تریلیون دلار، هزینه نیاز است. سرن قادر است در هر دقیقه ۱۰۷ پادپروتون تولید کند. اگر فرض شود همه پادپروتون‌ها به پادهیدروژن تبدیل شود ۱۰۰ میلیارد سال طول می‌کشد تا ۱ گرم یا ۱ مول پادهیدروژن تولید کند.

برای درک اتم‌های پادماده، فیزیکدانان سرن به زمان بیشتری برای تعامل با این اتم‌ها نیاز داشتند. بنابراین، تکنیک‌هایی برای به دام انداختن پادهیدروژن برای مدت‌ طولانی‌تری را توسعه دادند. کاهش‌دهنده شتاب که در دهه ۹۰ در سرن توسعه پیدا کرد، پادپروتون‌هایی آهسته‌تر و کم‌انرژی‌تری را برای آزمایشات پادماده مثل ATHENA، ATRAP و ALPHA ارائه داد.

mirrorدر این آزمایشات، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی، پادپروتون‌ها را از پوزیترون‌ها در یک خلأ تقریبأ کامل دور نگه می‌دارند؛ این خلأ آنها را از مادۀ معمولی دور نگه می‌دارد. پادپروتون‌ها از میان یک گاز الکترون متراکم عبور می‌کنند که آنها را بیشتر کُند می‌کند. وقتی انرژی به اندازۀ کافی کم باشد، فیزیکدانان ALPHA از پتانسیل الکتریکی برای انداختنِ پادپروتون‌ها در یک ابر پوزیترون که درون خلأ معلق شده استفاده می‌کنند. دو نوع پادذرۀ باردار در اتم‌های پادهیدروژن کم‌انرژی ترکیب می‌شوند.

از آنجاییکه اتم‌های پادهیدروژن فاقد بار الکتریکی هستند، میدان الکتریکی دیگر نمی‌تواند آنها را سر جایشان قرار دهد. بنابراین، در عوض دو مغناطیس ابررسانا یک میدان مغناطیسی قوی تولید می‌کنند که از خواص مغناطیسی پادهیدروژن استفاده می‌کنند. اگر اتم‌های پادهیدروژن به اندازۀ کافی انرژی کمی داشته باشند، می‌توانند در این «بطری» مغناطیسی برای مدت‌های طولانی باقی بمانند.

در حال حاضر، تنها راه برای دانستن این مسئله که آیا پادماده واقعأ گیر افتاده، این است که اجازه دهیم با مادۀ معمولی نابود شود. وقتی مغناطیس‌ها خاموش شوند، اتم‌های پادهیدروژن فرار می‌کنند و با سرعت با گوشه‌های تله نابود می‌شوند. ردیاب‌های سیلیکونی شعله‌ انرژی را برمی‌دارند تا پوزیترون پادماده را دقیقأ مشخص کنند. فقط در آن صورت است که فیزیکدانان می‌توانند مطمئن شوند که پادهیدروژن را گیر انداخته‌اند.

larhc

گیرانداختن پادماده در سرن

در ژوئن سال ۲۰۱۱، ALPHA گزارش داد که در گیرانداختن اتم‌های پادماده برای بیش از مدت ۱۶ دقیقه موفق شده‌ است. در مقیاس طول عمر اتمی، این یک مدت بسیار طولانی است – به اندازه‌ای طولانی است که می‌توان خواص آنها را با جزئیات مطالعه کرد. با مقایسه دقیق هیدروژن و پادهیدروژن، چند گروه آزمایشی امیدوارند که بتوانند خواص پادهیدروژن را مطالعه کنند و ببینند که آیا همان خطوط طیفیِ هیدروژن را دارا است. یک گروه به نام AEGIS حتی سعی می‎کند ثابت شتاب گرانشی(g) را اندازه‌گیری کند، همانطور که اتم‌های پادهیدروژن تجربه کردند.

هرچه این آزمایشات به مدت طولانی‌تری بتوانند پادهیدروژن را گیر بیندازند، دقیق‌تر می‌توانند آن را اندازه‌گیری کنند و فیزیکدانان می‌توانند به درک دقیق‌تر پادماده نزدیکتر شوند. یک تسهیلات جدید به نام ELENA تمام آزمایشاتی که بر روی کاهش‌دهنده شتاب پادپروتون کار می‌کنند را قادر می‌سازد تا به پرتوهای پادپروتون کم‌انرژی‌تر و فراوان‌تر دست پیدا کنند و تولید پادهیدروژن در مقادیر زیاد را آسان‌تر کنند.

منابع: Antihydrogen , home.cern