MUDA, MWANGA & E=MC²

Mwanga na Spidi ya Mwanga ‘’C’’

Mwanga ni kitu cha muhimu sana kukifahamu kwa kuwa spidi ya mwanga ndiyo spidi ya muda. Mwanga huzalishwa baada ya mabadiliko ya kikemikali kutokea ndani ya atomu. Mwanga tunaouona ni sehemu ndogo tu ya mionzi ambayo tunaweza itazama na kuiona. Iko mionzi mingine mingi kama vile Gamma rays, X-rays, Radio waves, Infrared rays n.k. mionzi hii yote hatuwezi kuiona lakini haimaanishi ya kuwa haipo. Mionzi hii huzalishwa pale chembechembe za elektroni, zenye chaji hasi, au negative zinazoizunguka nyuklia Chanya, au positive, zinapoishiwa nguvu, au kutikiswa zikapoteza mzunguko wake. basi madhara yake ni kuwa badiliko hilo la kinishati hupelekea uzalishwaji wa nishati ya mwanga. Kumbuka ‘’Nishati haiwezi kupotea ila tu hubadilika’’ ‘’Law of conservation of Energy’’. Unapogonga vyuma cheche za moto hutokea na mwanga huzalishwa, hiyo inatokana na kuwa unazitikisa ‘’Disturb’’ elektroni ambazo zinanishati ya mvutano wa hasi na chanya ‘’electrostatic binding energy’’. na hivyo basi ile nishati haipotei, ila ina badilika kuwa nishati ya Joto na Mwanga. 

Wengi Hawajui Plasma 

Wengi hufundishwa ya kuwa kuna aina kuu tatu za vitu au matter. Yaani kimiminika ‘’liquid’’, yabisi ‘’solid’’ na Gas. ila cha ajabu ni kuwa aina kubwa Zaidi ya kitu ambayo ni ya nne ‘’fourth state of matter’’ inayoitwa ‘’Plasma’’ hawafundishwi. Na hii ndiyo ina asilimia 99% ya ulimwengu. Ulimwengu umejaa plasma, hebu tazama Nyota zote ikiwemo Jua n.k, zote ni plasma. Hizi ziko katika hali ambayo ni sawa na niseme, ukichemsha Barafu(yabisi) itakua Maji (kimiminika), ukichemsha Zaidi itakuwa mvuke (gesi). Ukichemsha Zaidi zile molekuli za maji yaani (hydrogen na oxygen) zitavunjika, ukiendelea zitafikia mpaka hali ya atomu tu. Ukiendelea Zaidi atomu nazo zitavunjika, na hapo utapata Plasma sasa. Na hiyo ndiyo hali ya Jua. Sasa basi ndani ya plasma kuna chembechembe zile ndogo Zaidi za nyutroni, na protoni. Ambazo hukaa katika namna ya Deuterium na Tritium. hizi chembechembe ndogo ndani ya plasma hufanya mabadiliko ya nyuklia ‘’Nuclear fusion’’ na kuzalisha Helium, Neutron, na Nishati ya Mwanga. Kwa hiyo mwanga wa jua ni matokeo ya mabadiliko haya yanayotokea ndani ya jua.

Spidi ya mwanga na muda 

Kuna uhusiano wa moja kwa moja wa spidi ya mwanga na muda. Wewe unaniona mimi kwa sababu mwanga unakuja kwangu unanigonga, na kisha unakuja katika mboni zako kama picha ya kitendo ninachokifanya. Sababu zinakuja picha nyingi kwa kipindi mfululizo, basi unaona matendo ninayoyafanya kama video. video ni picha zinazosogezwa fasta fasta (picha 24 kwa sekunde moja). Sasa basi, kumbe wewe kuona na kuhisi chochote kinachofanyika, unategemea kwanza mwanga uende na kisha uje kwako. Ikitokea mwanga umechelewa maana yake utaona lile tukio pia linachelewa, hata kama halichelewi!  

Hisia ya ‘’Sasa hivi’’ inatokana na kuwa mwanga umekufikia wakati tukio linapofanyika, na mwanga una spidi isiyobadilika. Albert Einstein alifanya kazi nzuri sana ya kuweka misingi hii kwa kushirikiana na kurejea pia kazi za wanafizikia wengine wakubwa kama Lorentz na Poincare. Vuta picha kuelewa hili, ukiwa katika Gari na gari lingine likawa likiwapita ‘’overtake’’, spidi ya gari linalowapita utaiona ikiwa ni ndogo sana, utaliona kama linaenda polepole kuwazidi. Lakini kwa mtu aliyesimama nje ya barabara ataliona hilo gari linalowapita linakwenda kwa kasi sana. Hapo spidi ya gari imeonekana kuwa ni tofauti kati ya wewe ulio ndani ya gari linalopitwa, na kwa yule mtazamaji aliye nje ya barabara. Kama wewe ungewasha saa ‘’stopwatch’’ gari hili lilipoanza kuku ‘’oveartake’’ na mwenzako aliyesimama nje ya barabara angewasha naye, ungegundua wewe umepima muda mrefu zaidi umetumika mpaka gari lilipokupita, lakini mwenzako wa nje atakuwa amepima muda mchache sana umetumika. Swali la msingi linakuja kwanini spidi itofautiane kati ya mazingira haya mawili ‘’reference frames’’?

Kwanza ifahamike kuwa, Unapoliona tukio linalotokea maana yake mwanga umeenda kukigonga hiko kitu, na umeakisi kukurudia. Kama hiko kitu kitakuwa kinaenda kwa spidi ndogo, maana yake mwanga utakiwahi fasta tu na wewe utakiona haraka (muda=mfupi). Kama hiko kitu kitakuwa kinaenda kwa spidi kubwa sana, mwanga utachelewa kukiwahi (muda=mrefu). Kama hiko kitu kinaenda kwa spidi ya mwaga, mwanga hautakiwahi milele (muda=hakuna). Hoja ya pili ni kuwa, ukirusha jiwe kuelekea mbele ukiwa kwenye gari linalotembea kwa kasi, hilo jiwe litaenda kwa kasi ya gari + kasi uliyolurusha, yaani litaenda kwa spidi kubwa zaidi. Kwa hiyo tulitegemea spidi ya mwanga unaowashwa kwenye gari la kasi sana iwe kubwa sana, ukilinganisha na spidi ya mwanga wa mtu aliyesimama, au anayerudi nyuma ya uelekeo wa mwanga wake. 

Lakini ajabu ni kuwa Spidi ya mwanga haibadiliki ‘’constant’’, yaani popote utakapouwasha utaenda kwa spidi ileile, mwanga ni tofauti kabisa na nishati zingine kama sauti inayotegemea chembechembe ili uweze kutembea. Hii inatupatia jawabu la kuwa, Muda utabakia sawasawa ilihali mtu ataenda uelekeo wowote ule, au atakuwa katika spidi yeyote ile, kasoro tu kwa mtu anayeenda kwa spidi ya mwanga jambo ambalo halijawahi fikiwa katika teknolojia yetu, na pia haliwezekani kifizikia, maana kwenda kwa spidi ya mwanga kutagharimu nishati isiyo na mwisho. muda unahusiana na uzito pia, kitu kizito hupindisha mazingira ya anga ‘’mass bend spacetime’’. Kama tulivyoona awali, uzito wowote hupindisha ile ‘’space fabrics’’, na hivyo basi, inafahamika kuwa mwanga huufuata huu mtelemko pia kama ambavyo vitu huvutwa katika gravitation. Na huu ndiyo msingi wa kushuhudia mwanga kuzunguka sayari kipindi cha Kupatwa kwa jua ‘’Ecclipse’’, inaitwa ‘’Gravitational lensing’’. Kadri unavyoenda mbali katika anga ‘’higher you move in space’’, ndivyo kadri unavyoenda polepole katika muda ‘’lesser you move in time’’.

Kwa kuhitimisha mfano unamwona ndege akiruka angani sasa hivi na unasema ndege yuko angani sasa hivi. Kama mwanga uliommulika huyo ndege na kisha uje katika macho yako ungepungua mwendo kwa kiasi kikubwa, na kwamba mpaka ukufikie ungetumia masaa 48, basi ndege yuleyule unayemwona ungemwona akiruka lakini siku mbili zijazo. kitu ambacho hakina uhalisia. Hapa cha muhimu ni kutambua umuhimu wa kutobadilika badilika kwa mwanga ni msingi wa ufanisi na uhakika wa muda. 

Je Spidi Ya Mwanga Inaweza Badilika?  

Ndiyo inaweza badilika. lakini sasa hicho sio kitu ambacho unaweza fundishwa, wala tangaziwa katika taarifa za umma. Na wengi hupenda kumnukuu mwanasayansi Einstein kuwa spidi ya mwanga haibadiliki au ‘’constant’’. hii ni kutokana na kuwa, kubadilika kwa mwanga hasa kwa kutokea kitu kinachoweza kwenda na spidi ya mwanga kunaweza leta changamoto kwenye baadhi ya nadharia zake ‘’Special Relativity’’. Hakuna uhakika wa kauli ya Einstein juu ya hizo tetesi. lakini pia hata angesema hana uwezo wowote juu ya sheria za asili wala hawezi badili matokeo. na ndiyo maana hatuwezi shindana na vipimo. Mfano zipo shahidi nyingi za kivipimo zinazoonesha ya kuwa spidi ya mwanga kipindi kadhaa zamani ilikuwa kubwa sana. Tutaona huko mbele. kuna baadhi ya miaka huko nyuma nitaiorodhesha baadaye spidi ya mwanga ilipungua. Na pia zipo tuhuma za kuwa vipimo vinapoonesha mabadiliko, hufosiwa majibu kuonekana ni matokeo ya kufeli kwa vifaa, au mbinu za upimaji. kiufupi hatuna uhakika.

E=MC² ‘’ uhusiano wa nishati na Vitu au Energy and Matter’’

Hii ni miongoni mwa milinganyo maarufu Zaidi kutokana na urahisi wake. Wengi hawatambui umaarufu wa mlinganyo huu katika Physics, sio hesabu yake, Bali ni maelezo yake. Ulishakwepo mlinganyo wa namna hii awali, wa Isaac newton. Lakini mlinganyo huu wa bwana Einstein ulikuwa na maana ya kuwa, Nishati inaweza badilika kuwa kitu ‘’matter’’. na kitu pia kinaweza kuwa nishati. Mlinganyo huu chini wa Einstein unaonyesha kuwa katika spidi zetu ndogo ndogo huwa hatuwezi gundua kuwa uzito wetu hubadilika kwa kadri tunavyoongeza spidi, na kuwa kama utatembea na spidi ya mwanga basi uzito wako utakuwa sifuri. 

M'=uzito wako ukikaa ‘’rest mass’’ M=uzito wako ukitembea ‘’moving mass’’. V=spidi yako, C=Spidi ya mwanga wa Jua.

Swali la changamoto kwa Einstein huwa itakuwaje kama kitu kitaenda na spidi kubwa zaidi ya mwanga? Yaani ‘’v>c’’, je tunaweza kuwa na squareroot ya namba hasi? Vuta picha ikiwa kuna Rocket inayotembea na spidi ya mwanga katika anga ‘’space’’, na ndani yake akawepo inzi mdogo. Na sasa inzi huyu akawa akiruka kuelekea mbele, je spidi yake haitakuwa kubwa zaidi ya spidi ya mwanga? Jibu la ajabu la Einstein ni kuwa Inzi huyu atakapokuwa tu katika hii rocket inayoenda na spidi ya mwanga atakuwa hana uzito (sifuri). Na hivyo hataweza kuruka kwenda mbele, maana ili uende mbele unahitaji kani, au Force ambayo kutokana na Newton inahitaji uzito ‘’F=ma’’. 

inaumuhimu gani hii?   

Hii itatusaidia kutambua ya kuwa penye nishati kubwa Zaidi pana uwezekano wa utokeaji wa kitu. kwa kuwa kitu na nishati vina uhusiano. Mfano mwepesi ni huu

E=Mc² Na Mabomu Ya Nyuklia

Mabomu ya nyuklia yanaonyesha namna ambavyo uzito ‘’mass’’ unaweza badilika kuwa nishati. Na kitu kinachoshangaza Zaidi ni kuwa, kama uzito ukibadilika kuwa nishati. basi uzito kidogo sana una nguvu za ajabu. Mfano Bomu la Nyuklia lililoitwa ‘’Little Boy’’ lililolipua mji ule mkubwa wa Japan wa Hiroshima lilitumia kilo moja tu ya uzito wa madini ya kilo 64 za Uranium. Hii iko hivi, Unapokuwa na madini mazito ‘’heavy elements’’ chukulia mfano uranium. Siku zote uzito wa madini hupimwa kwa kuchukua uzito wa chembechembe zake zinazoliunda ambazo ni Nyutroni na Protoni. Hivyo basi unaweza kuta madini haya yana uzito wa 235 a.m. u. ambao huo ni uzito unaotokana na jumla ya uzito wa nyutroni na protoni zake. lakini sasa, ukilipima dini lenyewe utalikuta lina uzito mdogo ukilinganisha na uliopaswa, Hii inaitwa ‘’mass defect’’. Hii ina maana gani? Hii ina maanisha ya kuwa katika uzito ambao ulipaswa kuwepo, kuna baadhi umebadilika kuunda nishati. Nishati hii ndiyo ambayo inalishikilia, inaitwa ‘’Binding energy’’. na hii ndiyo inapelekea lipungue uzito. Sasa basi madini haya ya nyuklia unapoyachochea kwa kuyagonganisha na nyutroni ambazo zinaenda kuvunja mpangilio wa chembechembe za ndani za nyuklia moja kwa moja, basi ile nishati iliyobadilika kutoka uzito, ili kulishikiza dini Inajiachia, na kusababisha mlipuko mkubwa sana. Na kadri madini haya yanapokuwa mengi, basi nyutroni zinazozalishwa zinaenda kugonga na madini mengine nayo yanazalisha mlipuko Zaidi, hii inaitwa ‘’chain reaction’’. Hata kwa mabomu aina nyingine kama Hydrogen Bombs. ambayo hayo hutumia ‘’Nuclear fusion’’, yaani kuunganisha madini madogo sana kunakopelekea kuzalisha nishati kubwa sana. hii ni kama mithili ya kinachofanyika katika jua, nilichokielezea awali. Kiufupi nataka tutambue ya kuwa uzito na nishati, ni vitu ambavyo vina uhusiano wa kujibadilisha kama alichosema bwana Einstein.

To be continued....