"النسبية، وهي نظريات فيزيائية واسعة النطاق شكلها الفيزيائي الألماني المولد ألبرت أينشتاين. من خلال نظرياته عن النسبية الخاصة (1905) والنسبية العامة (1915)، أطاح أينشتاين بالعديد من الافتراضات الكامنة وراء النظريات الفيزيائية السابقة، وأعاد تعريف المفاهيم الأساسية للمكان والزمان والمادة والطاقة والجاذبية في هذه العملية. إلى جانب ميكانيكا الكم، تعتبر النسبية مركزية في الفيزياء الحديثة. على وجه الخصوص، توفر النسبية الأساس لفهم العمليات الكونية وهندسة الكون نفسه. تقتصر "النسبية الخاصة" على الأشياء التي تتحرك فيما يتعلق بإطارات مرجعية بالقصور الذاتي - أي في حالة حركة موحدة فيما يتعلق ببعضها البعض بحيث لا يمكن للمراقب، من خلال التجارب الميكانيكية البحتة، تمييز أحدهما عن الآخر. بدءًا من سلوك الضوء (وجميع الإشعاعات الكهرومغناطيسية الأخرى) ، تستخلص نظرية النسبية الخاصة استنتاجات تتعارض مع التجربة اليومية ولكنها أكدتها التجارب تمامًا. كشفت النسبية الخاصة أن سرعة الضوء هي حد يمكن الاقتراب منه ولكن لا يمكن الوصول إليه بواسطة أي جسم مادي؛ إنه أصل أشهر معادلة في العلم، E = mc2 ؛ وقد أدى إلى نتائج محيرة أخرى ، مثل "المفارقة المزدوجة". "النسبية العامة" معنية بالجاذبية، وهي إحدى القوى الأساسية في الكون. (الآخرون هم الكهرومغناطيسية، والقوة القوية، والقوة الضعيفة.) تحدد الجاذبية السلوك العياني، وبالتالي تصف النسبية العامة الظواهر الفيزيائية واسعة النطاق مثل ديناميكيات الكواكب، وولادة وموت النجوم، والثقوب السوداء، وتطور الكون. لقد أثرت النسبية الخاصة والعامة بشكل عميق على العلوم الفيزيائية والوجود البشري، وبشكل كبير في تطبيقات الطاقة النووية والأسلحة النووية. بالإضافة إلى ذلك، فإن النسبية وإعادة التفكير في الفئات الأساسية للمكان والزمان قد وفرت أساسًا لبعض التفسيرات الفلسفية والاجتماعية والفنية التي أثرت على الثقافة البشرية بطرق مختلفة.
علم الكونيات قبل النسبية والكون الميكانيكي
غيرت النسبية المفهوم العلمي للكون ، والذي بدأ في محاولة لفهم السلوك الديناميكي للمادة. في عصر النهضة ، تجاوز عالم الفيزياء الإيطالي العظيم جاليليو جاليلي فلسفة أرسطو لتقديم دراسة حديثة للميكانيكا ، والتي تتطلب قياسات كمية للأجسام المتحركة في المكان والزمان. أدى عمله وعمل الآخرين إلى مفاهيم أساسية ، مثل السرعة ، وهي المسافة التي يقطعها الجسم في اتجاه معين لكل وحدة زمنية ؛ التسارع ، معدل تغير السرعة ؛ الكتلة ، كمية المادة في الجسم ؛ والقوة ، دفع أو شد الجسم.
حدثت الخطوة الرئيسية التالية في أواخر القرن السابع عشر، عندما صاغ العبقري البريطاني إسحاق نيوتن قوانينه الثلاثة الشهيرة للحركة، الأول والثاني منها لهما أهمية خاصة في النسبية. ينص قانون نيوتن الأول، المعروف باسم قانون القصور الذاتي، على أن الجسم الذي لا تتأثر به قوى خارجية لا يخضع لأي تسارع - إما أن يظل في حالة سكون أو يستمر في التحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة. ينص قانون نيوتن الثاني على أن القوة المطبقة على الجسم تغير سرعته من خلال إنتاج تسارع يتناسب مع القوة ويتناسب عكسًا مع كتلة الجسم. في بناء نظامه، حدد نيوتن أيضًا المكان والزمان، معتبرا أن كلاهما أمر مطلق لا يتأثر بأي شيء خارجي. فقد كتب أن الزمن "يتدفق بشكل متساوٍ" بينما يبقى المكان "دائمًا متشابهًا وثابتًا". أثبتت قوانين نيوتن أنها صالحة في كل تطبيق، كما هو الحال في حساب سلوك الأجسام الساقطة، ولكنها قدمت أيضًا إطارًا لقانون الجاذبية (المصطلح، المشتق من اللاتينية gravis ، أو "الثقيل" ، كان مستخدمًا منذ في الأقل في القرن السادس عشر). بدءًا من الملاحظة (ربما الأسطورية) لسقوط التفاحة ثم النظر إلى القمر وهو يدور حول الأرض، خلص نيوتن إلى أن قوة غير مرئية تعمل بين الشمس وكواكبها. لقد صاغ تعبيرًا رياضيًا بسيطًا نسبيًا لقوة الجاذبية؛ تنص على أن كل كائن في الكون يجذب كل كائن آخر بقوة تعمل في الفضاء الفارغ والتي تختلف باختلاف كتل الأشياء والمسافة بينها. كان قانون الجاذبية ناجحًا ببراعة في شرح الآلية الكامنة وراء قوانين كبلر لحركة الكواكب، والتي صاغها عالم الفلك الألماني يوهانس كيبلر في بداية القرن السابع عشر. بدت ميكانيكا نيوتن وقانون الجاذبية، جنبًا إلى جنب مع افتراضاته حول طبيعة المكان والزمان، ناجحة تمامًا في شرح ديناميكيات الكون، من الحركة على الأرض إلى الأحداث الكونية.
الضوء والأثير
ومع ذلك، فإن هذا النجاح في تفسير الظواهر الطبيعية جاء للاختبار من اتجاه غير متوقع - سلوك الضوء، الذي حيرت طبيعته غير الملموسة الفلاسفة والعلماء لعدة قرون. في عام 1865 أظهر الفيزيائي الأسكتلندي جيمس كلارك ماكسويل أن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية ذات مكونات كهربائية ومغناطيسية متذبذبة. توقعت معادلات ماكسويل أن تنتقل الموجات الكهرومغناطيسية عبر الفضاء الفارغ بسرعة تقارب 3 × 108 مترًا في الثانية (186000 ميل في الثانية) - أي وفقًا لسرعة الضوء المقاسة. سرعان ما أكدت التجارب الطبيعة الكهرومغناطيسية للضوء وأثبتت سرعته كمعامل أساسي للكون. لقد أجابت نتيجة ماكسويل الرائعة على أسئلة طويلة الأمد حول الضوء، لكنها أثارت قضية أساسية أخرى: إذا كان الضوء عبارة عن موجة متحركة، فما الوسيط الذي يدعمها؟ تتكون موجات المحيط والموجات الصوتية من حركة تذبذبية تدريجية لجزيئات الماء وغازات الغلاف الجوي، على التوالي. ولكن ما الذي يهتز ليصنع موجة ضوئية متحركة؟ أو بعبارة أخرى، كيف تنتقل الطاقة المجسدة في الضوء من نقطة إلى أخرى؟
بالنسبة لماكسويل وعلماء آخرين في ذلك الوقت، كانت الإجابة هي أن الضوء ينتقل في وسط افتراضي يسمى الأثير. من المفترض أن هذا الوسط تغلغل في كل الفضاء دون إعاقة حركة الكواكب والنجوم. ومع ذلك، كان يجب أن يكون أكثر صلابة من الفولاذ حتى تتمكن موجات الضوء من التحرك من خلاله بسرعة عالية، بنفس الطريقة التي يدعم بها وتر الغيتار المشدود الاهتزازات الميكانيكية السريعة. على الرغم من هذا التناقض، بدت فكرة الأثير أساسية - حتى نفتها تجربة نهائية. في عام 1887، الفيزيائي الأمريكي الألماني المولد أ. قام ميشيلسون والكيميائي الأمريكي إدوارد مورلي بإجراء قياسات دقيقة للغاية لتحديد كيفية تأثير حركة الأرض عبر الأثير على سرعة الضوء المقاسة. في الميكانيكا الكلاسيكية، تضيف حركة الأرض أو تطرح من السرعة المقاسة لموجات الضوء، تمامًا كما تضيف سرعة السفينة أو تطرح من سرعة موجات المحيط كما تقاس من السفينة. لكن تجربة ميشيلسون مورلي كانت لها نتيجة غير متوقعة، حيث ظلت سرعة الضوء المقاسة كما هي بغض النظر عن حركة الأرض. قد يعني هذا فقط أن الأثير ليس له معنى وأن سلوك الضوء لا يمكن تفسيره بالفيزياء الكلاسيكية. ظهر التفسير، بدلاً من ذلك، من نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين.
النسبية الخاصة: تجارب وخواطر لأينشتاين
انتقد علماء مثل الفيزيائي النمساوي إرنست ماخ وعالم الرياضيات الفرنسي هنري بوانكاريه الميكانيكا الكلاسيكية أو فكروا في سلوك الضوء ومعنى الأثير قبل أينشتاين. قدمت جهودهم خلفية لنهج أينشتاين الفريد لفهم الكون، والذي أطلق عليه في لغته الألمانية الأصلية تجربة جيدة، أو "تجربة فكرية".
وصف أينشتاين كيف أنه في سن السادسة عشرة شاهد نفسه في عين عقله وهو يركب على موجة ضوئية ويحدق في موجة ضوئية أخرى تتحرك موازية له. وفقًا للفيزياء الكلاسيكية، كان يجب على أينشتاين أن يرى الموجة الضوئية الثانية تتحرك بسرعة نسبية صفر. ومع ذلك، عرف أينشتاين أن معادلات ماكسويل الكهرومغناطيسية تتطلب تمامًا أن يتحرك الضوء دائمًا بسرعة 3 × 108 مترًا في الثانية في الفراغ. لا شيء في النظرية يسمح لموجة ضوئية أن تكون سرعتها صفرًا. ظهرت مشكلة أخرى أيضًا: إذا رأى مراقب ثابت أن سرعة الضوء تبلغ 3 × 108 مترًا في الثانية، في حين يرى المراقب الذي يتحرك بسرعة الضوء أن سرعة الضوء تساوي صفرًا، فهذا يعني أن قوانين الكهرومغناطيسية تعتمد على المراقب. لكن في الميكانيكا الكلاسيكية، تنطبق نفس القوانين على جميع المراقبين، ولم ير أينشتاين أي سبب يجعل القوانين الكهرومغناطيسية لا تكون عامة على قدم المساواة. إن ثبات سرعة الضوء وعالمية قوانين الفيزياء لجميع المراقبين هما حجر الزاوية في النسبية الخاصة.
نقاط البداية والمسلمات
في تطوير النسبية الخاصة، بدأ أينشتاين بقبول ما أظهرت التجربة وتفكيره أنه السلوك الحقيقي للضوء، حتى عندما يتعارض هذا مع الفيزياء الكلاسيكية أو التصورات المعتادة عن العالم. حقيقة أن سرعة الضوء هي نفسها لجميع المراقبين لا يمكن تفسيرها بالمصطلحات العادية. إذا أطلق راكب في قطار يتحرك بسرعة 100 كم في الساعة سهمًا في اتجاه حركة القطار بسرعة 200 كم في الساعة، فإن مراقب جانب المسار سيقيس سرعة السهم كمجموع السرعتين، أو 300 كم في الساعة. في القياس، إذا كان القطار يتحرك بسرعة الضوء وكان أحد الركاب يضيء ليزرًا في نفس الاتجاه، فإن الفطرة السليمة تشير إلى أن مراقب جانب المسار يجب أن يرى الضوء يتحرك بمجموع السرعتين، أو ضعف سرعة الضوء (6 × 108 متر في الثانية).
في حين أن قانون إضافة السرعات هذا صالح في الميكانيكا الكلاسيكية، أظهرت تجربة ميشيلسون مورلي أن الضوء لا يطيع هذا القانون. هذا يتعارض مع الفطرة السليمة. يعني ذلك، على سبيل المثال، أن كلاً من القطار الذي يتحرك بسرعة الضوء وشعاع الضوء المنبعث من القطار يصلان إلى نقطة أبعد على طول المسار في نفس اللحظة. ومع ذلك، جعل أينشتاين ثبات سرعة الضوء لجميع المراقبين افتراضًا لنظريته الجديدة. كمسلمة ثانية، طلب أن يكون لقوانين الفيزياء نفس الشكل لجميع المراقبين. ثم وسع أينشتاين من فرضياته إلى استنتاجاتهم المنطقية لتشكيل النسبية الخاصة.
عواقب المسلمات: المكان والزمان النسبيان
من أجل جعل سرعة الضوء ثابتة، استبدل أينشتاين المكان والزمان المطلقين بتعريفات جديدة تعتمد على حالة حركة المراقب. شرح أينشتاين نهجه من خلال النظر في اثنين من المراقبين وقطار. يقف مراقب بجانب مسار مستقيم؛ الآخر يركب قطارًا يتحرك بسرعة ثابتة على طول المسار. كل ينظر إلى العالم بالنسبة لمحيطه. يقيس المراقب الثابت المسافة من علامة مسجلة على المسار ويقيس الوقت بساعته ؛ يقيس راكب القطار المسافة من علامة منقوشة على عربة السكة الحديد الخاصة به ويقيس الوقت بساعته الخاصة ، إذا كان الوقت يتدفق بنفس الطريقة لكلا المراقبين ، كما يعتقد نيوتن ، فسيتم التوفيق بين الإطارين المرجعيين من خلال العلاقة: x ′ = x - vt هنا x هي المسافة إلى حدث معين يحدث على طول المسار ، كما تم قياسه بواسطة المراقب الثابت ؛ x ′ هي المسافة إلى نفس الحدث كما تم قياسها بواسطة المراقب المتحرك ؛ v هي سرعة القطار - أي سرعة مراقب واحد بالنسبة للآخر ؛ و t هو الوقت الذي يحدث فيه الحدث ، وهو نفس الشيء لكلا المراقبين. على سبيل المثال، افترض أن القطار يتحرك بسرعة 40 كم في الساعة. بعد ساعة واحدة من انطلاقه، يصطدم البرق بشجرة تبعد 60 كم عن نقطة انطلاق القطار. يقيس الراصد الثابت x 60 كم و t كساعة واحدة. يقيس المراقب المتحرك أيضًا t على أنها ساعة واحدة، وبالتالي، وفقًا لمعادلة نيوتن، يقيس x ′ كـ 20 كم. يبدو هذا التحليل واضحًا، لكن أينشتاين رأى دقة مخفية في افتراضاته الأساسية - على وجه الخصوص، قضية التزامن. لا يلاحظ الشخصان في الواقع صاعقة البرق في نفس الوقت. حتى عند سرعة الضوء، تستغرق صورة الضربة وقتًا للوصول إلى كل مراقب، وبما أن كل منها على مسافة مختلفة من الحدث، تختلف أوقات السفر. بالنظر إلى هذه الرؤية إلى أبعد من ذلك، افترض أن الصواعق تضرب شجرتين، إحداهما 60 كم قبل الراصد الثابت والأخرى خلفها 60 كم، تمامًا كما يمر المراقب المتحرك بالمراقب الثابت. تنتقل كل صورة بنفس المسافة إلى الراصد الثابت، ولذا فهو بالتأكيد يرى الأحداث في وقت واحد. مع ذلك، فإن حركة المراقب المتحرك تجعله أقرب إلى حدث واحد من الآخر، وبالتالي يرى الأحداث في أوقات مختلفة. استنتج أينشتاين أن التزامن نسبي. قد لا تكون الأحداث المتزامنة لأحد المراقبين خاصة بمراقب آخر. قاده هذا إلى فكرة غير بديهية مفادها أن الوقت يتدفق بشكل مختلف وفقًا لحالة الحركة وإلى استنتاج مفاده أن المسافة هي أيضًا نسبي. في المثال، يمكن لراكب القطار والمراقب الثابت أن يمد كل منهما شريط قياس من الخلف إلى مقدمة عربة السكك الحديدية لمعرفة طوله. يجب وضع طرفي الشريط في موضعهما في نفس اللحظة - أي في نفس الوقت - للحصول على قيمة حقيقية. ومع ذلك، نظرًا لاختلاف معنى المتزامن بالنسبة للمراقبين، فإنهما يقيسان أطوالًا مختلفة، وقد قاد هذا التفكير أينشتاين إلى معادلات جديدة للزمان والمكان، تسمى تحولات لورنتز ، على اسم الفيزيائي الهولندي هندريك لورنتز ، الذي اقترحها لأول مرة. هم: تحويل لورنتز حيث t ′ هو الوقت كما تم قياسه بواسطة المراقب المتحرك و c هي سرعة الضوء. من هذه المعادلات، اشتق أينشتاين علاقة جديدة تحل محل القانون الكلاسيكي لإضافة السرعات، إضافة سرعة أينشتاين، حيث u و u ′ هما سرعة أي جسم متحرك كما يراه كل مراقب و v مرة أخرى سرعة مراقب واحد بالنسبة إلى آخر. تضمن هذه العلاقة الافتراض الأول لآينشتاين (أن سرعة الضوء ثابتة لجميع المراقبين). في حالة شعاع المصباح المسقط من قطار يتحرك بسرعة الضوء، يقيس مراقب في القطار سرعة الشعاع مثل ج. وفقًا للمعادلة أعلاه، يفعل مراقب المسار أيضًا، بدلاً من القيمة 2 ج التي تتوقعها الفيزياء الكلاسيكية. لجعل سرعة الضوء ثابتة، تتطلب النظرية أن يتغير المكان والزمان في جسم متحرك، وفقًا لسرعته، كما يراها مراقب خارجي. يصبح الجسم أقصر على طول اتجاه حركته؛ أي، عقودها الطويلة. تصبح الفترات الزمنية أطول، مما يعني أن الوقت يمر ببطء أكثر في الجسم المتحرك؛ وهذا يعني أن الوقت يتسع. في مثال القطار، يقيس الشخص المجاور للمسار طولًا أقصر للقطار وفترة زمنية أطول للساعات في القطار مما يفعله راكب القطار. العلاقات التي تصف هذه التغييرات هي نسبية طول الوقت L0 و T0 ، تسمى الطول المناسب والوقت المناسب ، على التوالي ، هي القيم التي يقاسها مراقب على الجسم المتحرك ، و L و T هي الكميات المقابلة كما تم قياسها بواسطة ثابت مراقب. وتصبح التأثيرات النسبية كبيرة عند سرعات قريبة من سرعة الضوء، على الرغم من أنه من الجدير بالذكر مرة أخرى أنها تظهر فقط عندما ينظر المراقب إلى جسم متحرك. لا يرى أبدًا أي تغييرات في المكان أو الزمان ضمن إطاره المرجعي (سواء في قطار أو مركبة فضائية) ، حتى عند سرعة الضوء. لا تظهر هذه التأثيرات في الحياة العادية، لأن العامل v2 / c2 دقيق حتى في أعلى السرعات التي وصل إليها البشر، بحيث تصبح معادلات أينشتاين تقريبًا نفس المعادلات الكلاسيكية.
الكتلة النسبية وحد السرعة الكونية
للحصول على المزيد من النتائج، جمع أينشتاين إعادة تعريفه للزمان والمكان مع مبدأين فيزيائيين قويين: الحفاظ على الطاقة والحفاظ على الكتلة، والتي تنص على أن المبلغ الإجمالي لكل منهما يظل ثابتًا في نظام مغلق. صالحة لجميع المراقبين في النظرية الجديدة، واستخدمهم لاشتقاق المعاني النسبية للكتلة والطاقة.
إحدى النتائج هي أن كتلة الجسم تزداد مع زيادة سرعتها. يقيس مراقب على جسم متحرك، مثل مركبة فضائية، ما يسمى كتلة الراحة m0 ، بينما يقيس مراقب ثابت كتلته m ككتلة نسبية أكبر من m0. في الواقع، مع اقتراب سرعة المركبة الفضائية من سرعة الضوء، تقترب الكتلة م من اللانهاية. ومع ذلك، مع زيادة كتلة الجسم، تزداد الطاقة اللازمة لمواصلة تسريع الجسم؛ وبالتالي، فإن تسريع الجسم المادي إلى سرعة الضوء يتطلب طاقة غير محدودة. لهذا السبب، لا يمكن لأي جسم مادي أن يصل إلى سرعة الضوء، وهي السرعة القصوى للكون. (يمكن للضوء نفسه بلوغ هذه السرعة لأن الكتلة المتبقية للفوتون، الجسيم الكمومي للضوء، تساوي صفرًا). E = mc2. لقد أظهرت معالجة أينشتاين للكتلة أن الكتلة النسبية المتزايدة تأتي من طاقة حركة الجسم - أي طاقته الحركية E - مقسومة على c2. هذا هو أصل المعادلة الشهيرة E = mc2 ، والتي تعبر عن حقيقة أن الكتلة والطاقة هما نفس الكيان المادي ويمكن تغييرهما إلى بعضهما البعض.
مفارقة التوأم
تجعل الطبيعة غير البديهية لأفكار أينشتاين من الصعب استيعابها وتؤدي إلى مواقف تبدو غير مفهومة. إحدى الحالات المعروفة هي مفارقة التوأم، وهي ظاهرة شاذة في كيفية وصف النسبية الخاصة للوقت، لنفترض أن إحدى الشقيقتين المتماثلتين تطير إلى الفضاء بسرعة الضوء تقريبًا. وفقًا للنسبية، يمر الوقت على مركبتها الفضائية بشكل أبطأ منه على الأرض. لذلك، عندما تعود إلى الأرض، ستكون أصغر من أختها الملتزمة بالأرض. لكن في النسبية، ما يراه المراقب على أنه يحدث للواحد الثاني، يراه الثاني على أنه يحدث للأول. بالنسبة للأخت الفضائية، يتحرك الوقت على الأرض بشكل أبطأ منه في مركبتها الفضائية؛ عندما تعود، أختها الملتزمة بالأرض هي الأصغر منها. كيف يمكن أن يكون التوأم الذي يسافر إلى الفضاء أصغر وأكبر من أختها الملتزمة بالأرض؟ الجواب هو أن التناقض واضح فقط، لأن الموقف لا يعالج بشكل مناسب من خلال النسبية الخاصة. للعودة إلى الأرض، يجب على المركبة الفضائية أن تغير اتجاهها، الأمر الذي ينتهك حالة الحركة المستقيمة الثابتة المركزية للنسبية الخاصة. تتطلب المعالجة الكاملة النسبية العامة، والتي تظهر أنه سيكون هناك تغيير غير متماثل في الوقت بين الأختين. وبالتالي، فإن "المفارقة" لا تلقي بظلال من الشك على الكيفية التي تصف بها النسبية الخاصة الزمن، وهو ما أكدته العديد من التجارب.
الزمكان رباعي الأبعاد
النسبية الخاصة أقل تحديدًا من الفيزياء الكلاسيكية من حيث أن المسافة D والفاصل الزمني T بين حدثين يعتمدان على المراقب. لاحظ أينشتاين، مع ذلك، أن توليفة معينة من D و T ، الكمية D2 - c2T2 ، لها نفس القيمة لجميع المراقبين. ان المصطلح cT في هذه الكمية الثابتة يرفع الوقت إلى نوع من التكافؤ الرياضي مع الفضاء. لاحظ الفيزيائي الألماني هيرمان مينكوفسكي أن الكون يشبه بنية رباعية الأبعاد مع إحداثيات x و y و z و ct تمثل الطول والعرض والارتفاع والوقت على التوالي. ومن ثم، يمكن وصف الكون بأنه سلسلة متصلة من الزمكان رباعية الأبعاد، وهو مفهوم مركزي في النسبية العامة.
دليل تجريبي على النسبية الخاصة
نظرًا لأن التغييرات النسبية صغيرة عند السرعات النموذجية للأجسام العيانية، فقد اعتمد تأكيد النسبية الخاصة على فحص الأجسام دون الذرية بسرعات عالية أو قياس التغيرات الصغيرة بواسطة أجهزة حساسة. على سبيل المثال، تم وضع ساعات فائقة الدقة على مجموعة متنوعة من الطائرات التجارية التي تطير بسرعة مليون جزء من سرعة الضوء. بعد يومين من الطيران المستمر، اختلف الوقت الذي تظهره الساعات المحمولة جواً بأجزاء من ميكرو ثانية عن تلك التي تظهرها ساعة متزامنة متبقية على الأرض، كما هو متوقع.وتظهر تأثيرات أكبر مع تحرك الجسيمات الأولية بسرعات قريبة من سرعة الضوء. تضمنت إحدى هذه التجارب الميونات ، وهي جسيمات أولية تم إنشاؤها بواسطة الأشعة الكونية في الغلاف الجوي للأرض على ارتفاع حوالي 9 كم (30000 قدم). عند 99.8٪ من سرعة الضوء، يجب أن تصل الميونات إلى مستوى سطح البحر في 31 ميكروثانية، لكن القياسات أظهرت أن الأمر يستغرق 2 ميكروثانية فقط. والسبب هو أنه بالنسبة للميونات المتحركة، فإن مسافة 9 كيلومترات تقلصت إلى 0.58 كيلومتر (1900 قدم). وبالمثل، تم تأكيد زيادة الكتلة النسبية في القياسات على الجسيمات الأولية سريعة الحركة، حيث يكون التغيير كبيرًا (انظر أدناه مسرعات الجسيمات). لا تترك نتائج البحث أي شك في أن النسبية الخاصة تصف الكون بشكل صحيح، على الرغم من صعوبة قبول النظرية على المستوى الحشوي. تأتي بعض الأفكار من تعليق أينشتاين القائل بأن السرعة المحدودة للضوء في النسبية تلعب دور السرعة اللانهائية. عند السرعة اللانهائية، يجتاز الضوء أي مسافة في وقت صفر. وبالمثل، وفقًا للمعادلات النسبية، فإن المراقب الذي يركب موجة ضوئية سيرى الأطوال تتقلص إلى الصفر وتتوقف الساعات عن التكتك عندما يقترب الكون منه بسرعة الضوء. على نحو فعال، تستبدل النسبية حدًا لانهائيًا للسرعة بقيمة محدودة تبلغ 3 × 108 مترًا في الثانية.
النسبية العامة
جذور النسبية العامة
نظرًا لأن قانون الجاذبية الذي وضعه إسحاق نيوتن خدم جيدًا في تفسير سلوك النظام الشمسي، فإن السؤال الذي يطرح نفسه هو سبب ضرورة تطوير نظرية جديدة للجاذبية. الجواب هو أن نظرية نيوتن تنتهك النسبية الخاصة، لأنها تتطلب "فعلًا على مسافة" غير محدد من خلاله أي جسمين - مثل الشمس والأرض - يسحبان بعضهما البعض على الفور، بغض النظر عن المسافة بينهما. ومع ذلك، فإن الاستجابة اللحظية تتطلب تفاعل الجاذبية للانتشار بسرعة لا نهائية، والتي تمنعها النسبية الخاصة. من الناحية العملية، هذه ليست مشكلة كبيرة لوصف نظامنا الشمسي، لأن قانون نيوتن يعطي إجابات صحيحة للأجسام التي تتحرك ببطء مقارنة بالضوء. ومع ذلك، نظرًا لأنه لا يمكن التوفيق بين نظرية نيوتن من الناحية المفاهيمية والنسبية الخاصة، فقد تحول أينشتاين إلى تطوير النسبية العامة كطريقة جديدة لفهم الجاذبية.
مبدأ التكافؤ
من أجل البدء في بناء نظريته، استوعب أينشتاين البصيرة التي جاءت إليه في عام 1907. كما أوضح في محاضرة في عام 1922: كنت جالسًا على كرسي في مكتب براءات الاختراع الخاص بي في برن. فجأة خطرت لي فكرة: إذا سقط الرجل بحرية، فلن يشعر بثقله. لقد دهشت. تركت هذه التجربة الفكرية البسيطة انطباعًا عميقًا عني. قادني هذا إلى نظرية الجاذبية. لقد كان أينشتاين يلمح إلى حقيقة غريبة معروفة في زمن نيوتن: بغض النظر عن كتلة الجسم، فإنه يسقط نحو الأرض بنفس التسارع (متجاهلًا مقاومة الهواء) البالغ 9.8 أمتار في الثانية المربعة. أوضح نيوتن ذلك بافتراض نوعين من الكتلة: الكتلة بالقصور الذاتي، والتي تقاوم الحركة وتدخل في قوانينه العامة للحركة، والكتلة الثقالية، التي تدخل في معادلته لقوة الجاذبية. لقد أظهر أنه إذا كانت الكتلتان متساويتين، فإن كل الأجسام ستسقط بنفس تسارع الجاذبية. لكن أينشتاين أدرك شيئًا أكثر عمقًا. يشعر الشخص الذي يقف في المصعد بكابل مكسور بانعدام الوزن لأن العلبة تسقط بحرية نحو الأرض. والسبب هو أن كلاهما هو والمصعد يتسارعان للأسفل بنفس المعدل وبالتالي يسقطان بنفس السرعة تمامًا؛ ومن ثم، فبدلاً من النظر إلى محيطه خارج المصعد، لا يمكنه تحديد أنه يتم جره إلى أسفل. في الواقع، لا توجد تجربة يمكنه إجراؤها داخل مصعد هبوط مختوم لتحديد أنه داخل مجال جاذبية. إذا أطلق كرة من يده، فسوف تسقط بنفس المعدل، وتبقى ببساطة حيث أطلقها. وإذا كان سيرى الكرة وهي تغرق في اتجاه الأرض، فلن يتمكن من معرفة ما إذا كان ذلك بسبب أنه كان مستريحًا داخل مجال جاذبية يسحب الكرة لأسفل أو لأن كابلًا كان يجر المصعد لأعلى بحيث ارتفعت أرضية الكرة باتجاه كرة.
عبّر أينشتاين عن هذه الأفكار في مبدأ التكافؤ البسيط المخادع، وهو أساس النسبية العامة: على نطاق محلي - بمعنى داخل نظام معين، دون النظر إلى أنظمة أخرى - من المستحيل التمييز بين التأثيرات الفيزيائية بسبب الجاذبية وتلك. بسبب التسارع. في هذه الحالة، تابع تجربة آينشتاين الفكرية، يجب أن يتأثر الضوء بالجاذبية. تخيل أن المصعد به حفرة مملة مباشرة من خلال جدارين متقابلين. عندما يكون المصعد في حالة راحة، ينتقل شعاع من الضوء يدخل إلى ثقب واحد في خط مستقيم موازٍ للأرض ويخرج عبر الفتحة الأخرى. ولكن إذا تم تسريع المصعد لأعلى، في الوقت الذي يصل فيه الشعاع إلى الفتحة الثانية، تكون الفتحة قد تحركت ولم تعد تتماشى مع الشعاع. عندما يرى الراكب أن الضوء يخطئ الثقب الثاني، يستنتج أن الشعاع قد اتبع مسارًا منحنيًا (في الواقع، قطع مكافئ). إذا كان شعاع الضوء منحنيًا في نظام متسارع، فوفقًا لمبدأ التكافؤ، يجب أيضًا أن ينحني الضوء عن طريق الجاذبية، بما يتعارض مع التوقعات اليومية بأن الضوء سوف ينتقل في خط مستقيم (ما لم يمر من وسط إلى آخر). إذا كان مساره منحنيًا بفعل الجاذبية، فهذا يعني أن "الخط المستقيم" له معنى مختلف بالقرب من جسم ثقالي ضخم مثل النجم عما هو عليه في الفضاء الفارغ. كان هذا تلميحًا إلى أنه يجب التعامل مع الجاذبية كظاهرة هندسية.
الزمكان المنحني والجاذبية الهندسية
السمة الفريدة لوجهة نظر أينشتاين للجاذبية هي طبيعتها الهندسية. (انظر أيضًا الهندسة: العالم الحقيقي). بينما اعتقد نيوتن أن الجاذبية كانت قوة، أظهر أينشتاين أن الجاذبية تنشأ من شكل الزمكان. في حين أنه من الصعب تصور ذلك، إلا أن هناك تشبيهًا يوفر بعض البصيرة - على الرغم من أنه مجرد دليل، وليس بيانًا نهائيًا للنظرية. يبدأ القياس بالنظر إلى الزمكان على أنه صفيحة مطاطية يمكن تشويهها. في أي منطقة بعيدة عن الأجسام الكونية الضخمة مثل النجوم، يكون الزمكان غير منحني - أي أن الصفيحة المطاطية مسطحة تمامًا. إذا كان على المرء أن يسبر الزمكان في تلك المنطقة عن طريق إرسال شعاع من الضوء أو جسم اختبار، فإن كل من الشعاع والجسم سوف ينتقلان في خطوط مستقيمة تمامًا، مثل رخام طفل يتدحرج عبر الصفيحة المطاطية. ومع ذلك، فإن الوجود لجسم ضخم منحنيات الزمكان، كما لو تم وضع كرة البولينج على الصفيحة المطاطية لتكوين اكتئاب يشبه الكوب. في هذا القياس، يتم وضع قطعة من الرخام بالقرب من المنخفض تتدحرج إلى أسفل المنحدر نحو كرة البولينج كما لو تم سحبها بقوة. بالإضافة إلى ذلك، إذا تم دفع الكرة جانبًا، فإنها ستصف مدارًا حول كرة البولينج، كما لو أن السحب الثابت تجاه الكرة يؤدي إلى تأرجح الرخام في مسار مغلق. بهذه الطريقة، فإن انحناء الزمكان بالقرب من نجم يحدد أقصر المسارات الطبيعية، أو الجيوديسيا - مثل أقصر مسار بين أي نقطتين على الأرض ليس خطًا مستقيمًا، والذي لا يمكن بناؤه على هذا السطح المنحني، ولكن قوس من طريق دائرة كبيرة. في نظرية أينشتاين، تحدد الجيوديسيا في الزمكان انحراف الضوء ومدارات الكواكب. وكما قال الفيزيائي الأمريكي جون ويلر ، فإن المادة تخبر الزمكان كيف ينحني ، والزمكان يخبر المادة كيف تتحرك.
رياضيات النسبية العامة
يساعد تشبيه الصفائح المطاطية في تصور الزمكان، لكن أينشتاين نفسه طور نظرية كمية كاملة تصف الزمكان من خلال رياضيات مجردة للغاية. يتم التعبير عن النسبية العامة في مجموعة من المعادلات التفاضلية المترابطة التي تحدد كيف يعتمد شكل الزمان والمكان على كمية المادة (أو، على نحو مكافئ، الطاقة) في المنطقة. يمكن أن ينتج عن حل ما يسمى بالمعادلات الميدانية إجابات لحالات مادية مختلفة، بما في ذلك سلوك الأجسام الفردية والكون بأسره.
الحلول الكونية
أدرك أينشتاين على الفور أن معادلات المجال يمكن أن تصف الكون بأكمله. في عام 1917 قام بتعديل النسخة الأصلية من معادلاته بإضافة ما أسماه "المصطلح الكوني". يمثل هذا قوة عملت على جعل الكون يتمدد، وبالتالي مواجهة الجاذبية، والتي تميل إلى جعل الكون ينكمش. كانت النتيجة كونًا ساكنًا، وفقًا لأفضل معرفة في ذلك الوقت، ولكن في عام 1922، أظهر عالم الرياضيات السوفيتي ألكسندر ألكساندروفيتش فريدمان أن معادلات المجال تتنبأ بكون ديناميكي، يمكن أن يتمدد إلى الأبد أو يمر عبر دورات من التوسع المتناوب والانكماش. اتفق أينشتاين مع هذه النتيجة وتخلي عن المصطلح الكوني. أكدت الأعمال اللاحقة، ولا سيما القياسات الرائدة التي أجراها عالم الفلك الأمريكي إدوين هابل، وتطوير نموذج الانفجار العظيم، مفهوم الكون المتوسع.
الثقوب السوداء
في عام 1916، استخدم عالم الفلك الألماني كارل شوارزشيلد معادلات المجال لحساب تأثير الجاذبية لجسم كروي واحد مثل النجم. إذا لم تكن الكتلة كبيرة جدًا ولا عالية التركيز، فسيكون الحساب الناتج هو نفسه الذي قدمته نظرية الجاذبية لنيوتن. وبالتالي، فإن نظرية نيوتن ليست خاطئة. بدلاً من ذلك، فإنه يشكل تقريبًا صحيحًا للنسبية العامة في ظل ظروف معينة. وصف شوارزشيلد أيضًا تأثيرًا جديدًا. إذا تم تركيز الكتلة في حجم صغير متلاشي - تفرد - ستصبح الجاذبية قوية جدًا بحيث لا يمكن لأي شيء يتم سحبه في المنطقة المحيطة أن يتركه. حتى الضوء لا يستطيع الهروب. في تشبيه الصفيحة المطاطية، يبدو الأمر كما لو أن جسمًا هائلًا صغيرًا يخلق انخفاضًا شديد الانحدار بحيث لا يستطيع أي شيء الهروب منه. واعترافا بأن هذا التشوه الشديد للزمكان سيكون غير مرئي - لأنه سيمتص الضوء ولن ينبعث منه أي شيء - أطلق عليه اسم الثقب الأسود. من الناحية الكمية، تحدد نتيجة شوارزشيلد الكرة التي تتمحور حول التفرد والتي يعتمد نصف قطرها على كثافة الكتلة المغلقة. الأحداث داخل الكرة معزولة إلى الأبد عن بقية الكون؛ لهذا السبب، يسمى نصف قطر شفارتزشيلد بأفق الحدث.
الثقوب السوداء والثقوب الدودية
لا توجد تقنية بشرية يمكنها ضغط المادة بشكل كافٍ لصنع ثقوب سوداء، لكنها تحدث كخطوات نهائية في دورة حياة النجوم. بعد ملايين أو بلايين السنين، يستخدم النجم كل الهيدروجين والعناصر الأخرى التي تنتج الطاقة من خلال الاندماج النووي. مع احتواء فرنه النووي، لم يعد النجم يحتفظ بضغط داخلي للتوسع، وتُترك الجاذبية دون معارضة لسحب الداخل وضغط النجم. بالنسبة للنجوم التي تزيد عن كتلة معينة، سينتج عن هذا الانهيار الثقالي ثقبًا أسود يحتوي على عدة أضعاف كتلة الشمس. في حالات أخرى، يمكن لانهيار الجاذبية لسحب الغبار الضخمة أن يخلق ثقوبًا سوداء هائلة تحتوي على ملايين أو مليارات من الكتل الشمسية، وقد وجد علماء الفيزياء الفلكية العديد من الأجسام الكونية التي تحتوي على مثل هذا التركيز الكثيف للكتلة في حجم صغير. تتضمن هذه الثقوب السوداء واحدًا في مركز مجرة درب التبانة وبعض النجوم الثنائية التي تصدر أشعة سينية أثناء دورانها حول بعضها البعض. تم تصوير إحداها، في مركز المجرة م 87 ، بشكل مباشر. لقد أدت نظرية الثقوب السوداء إلى كيان آخر متوقع، وهو ثقب دودي. هذا حل معادلات المجال الذي يشبه نفقًا بين ثقبين أسودين أو نقاط أخرى في الزمكان. مثل هذا النفق سيوفر اختصارًا بين نقاط نهايته. في القياس، ضع في اعتبارك نملة تمشي عبر ورقة مسطحة من النقطة A إلى النقطة B. إذا كانت الورقة منحنية من خلال البعد الثالث، بحيث يتداخل A و B ، يمكن للنملة أن تتحرك مباشرة من نقطة إلى أخرى ، وبالتالي تجنب رحلة طويلة. إن إمكانية تقصير المسافات الهائلة بين النجوم تجعل الثقوب الدودية جذابة للسفر عبر الفضاء. نظرًا لأن النفق يربط لحظات زمنية بالإضافة إلى مواقع في الفضاء، فقد قيل أيضًا أن الثقب الدودي سيسمح بالسفر إلى الماضي. ومع ذلك، فإن الثقوب الدودية غير مستقرة في جوهرها. بينما تم اقتراح مخططات تثبيت غريبة، لا يوجد حتى الآن دليل على أن هذه يمكن أن تعمل أو أن الثقوب الدودية موجودة بالفعل.
دليل تجريبي للنسبية العامة
بعد وقت قصير من نشر نظرية النسبية العامة في عام 1915، اعتبر عالم الفلك الإنجليزي آرثر إدينجتون توقع أينشتاين أن أشعة الضوء تنحني بالقرب من جسم ضخم، وأدرك أنه يمكن التحقق من ذلك من خلال مقارنة مواقع النجوم بعناية في صور الشمس التي تم التقاطها خلال كسوف شمسي مع صور لنفس المنطقة من الفضاء تم التقاطها عندما كانت الشمس في جزء مختلف من السماء. تأخرت عملية التحقق بسبب الحرب العالمية الأولى، ولكن في عام 1919 ، أتيحت فرصة ممتازة لكسوف شمسي طويل بشكل خاص ، بالقرب من مجموعة نجوم الهايدز اللامعة ، والتي كانت مرئية من شمال البرازيل إلى الساحل الأفريقي. قاد إدينجتون رحلة استكشافية إلى برينسيبي ، وهي جزيرة قبالة الساحل الأفريقي ، وقاد أندرو كروملين من مرصد غرينتش الملكي رحلة استكشافية ثانية إلى سوبرال بالبرازيل. بعد مقارنة الصور من البعثتين بعناية مع صور مرجعية للهايدز ، أعلن إدينجتون أن ضوء النجوم قد انحرف بنحو 1.75 ثانية من القوس ، كما تنبأت النسبية العامة. (ينتج عن نفس التأثير عدسة الجاذبية، حيث يقوم جسم كوني ضخم بتركيز الضوء من جسم آخر خلفه لإنتاج صورة مشوهة أو مكبرة. وقد أعطى الاكتشاف الفلكي لعدسات الجاذبية في عام 1979 دعمًا إضافيًا للنسبية العامة). جاء المزيد من الأدلة من كوكب عطارد. في القرن التاسع عشر، وجد أن عطارد لا يعود إلى نفس المكان بالضبط في كل مرة يكمل فيها مداره الإهليلجي. وبدلاً من ذلك، فإن القطع الناقص يدور ببطء في الفضاء، بحيث يتحرك الحضيض - نقطة الاقتراب الأقرب للشمس - في كل مدار إلى زاوية مختلفة قليلاً. لم يستطع قانون الجاذبية لنيوتن تفسير هذا التحول في الحضيض الشمسي، لكن النسبية العامة أعطت المدار الصحيح، وهناك توقع آخر مؤكد للنسبية العامة وهو أن الوقت يتسع في مجال الجاذبية، مما يعني أن الساعات تعمل بشكل أبطأ كلما اقتربت من الكتلة التي تنتج الحقل. تم قياس هذا بشكل مباشر وأيضًا من خلال انزياح الجاذبية الأحمر للضوء. يؤدي تمدد الوقت إلى اهتزاز الضوء بتردد أقل داخل مجال الجاذبية؛ وهكذا، فإن الضوء يتجه نحو طول موجي أطول - أي نحو الأحمر. لقد تحققت قياسات أخرى من مبدأ التكافؤ من خلال إظهار أن كتلة القصور الذاتي وكتلة الجاذبية متماثلتان تمامًا. إن التنبؤ الأكثر لفتًا للنسبية العامة هو التنبؤ بموجات الجاذبية. تحدث الموجات الكهرومغناطيسية بسبب الشحنات الكهربائية المتسارعة ويتم اكتشافها عند وضع شحنات أخرى في الحركة. وبالمثل، فإن موجات الجاذبية يمكن أن تسببها الكتل المتحركة ويتم اكتشافها عندما تبدأ الحركة في الكتل الأخرى. ومع ذلك، فإن الجاذبية ضعيفة جدًا مقارنة بالكهرومغناطيسية. فقط حدث كوني ضخم، مثل اصطدام نجمين، يمكن أن يولد موجات ثقالية يمكن اكتشافها. بدأت الجهود لاستشعار موجات الجاذبية في الستينيات، وتم اكتشاف هذه الموجات لأول مرة في عام 2015 عندما لاحظ ليجو وجود ثقبين أسودين على بعد 1.3 مليون سنة ضوئية يتصاعدان في بعضهما البعض.
تطبيقات الأفكار النسبية
على الرغم من أن التأثيرات النسبية لا تذكر في الحياة العادية، إلا أن الأفكار النسبية تظهر في مجموعة من المجالات من العلوم الأساسية إلى التكنولوجيا المدنية والعسكرية.
الجسيمات الأولية
العلاقة E = mc2 ضرورية في دراسة الجسيمات دون الذرية. إنها تحدد الطاقة المطلوبة لتكوين الجسيمات أو لتحويل نوع إلى آخر والطاقة التي يتم إطلاقها عند إبادة الجسيم. على سبيل المثال، يمكن أن يتصادم فوتونان، كل منهما من الطاقة E ، لتكوين جسيمين ، كل منهما كتلته m = E / c2. تُعد عملية الإنتاج الزوجي هذه خطوة واحدة في التطور المبكر للكون، كما هو موضح في نموذج الانفجار الأعظم.
مسرعات الجسيمات
تأتي معرفة الجسيمات الأولية بشكل أساسي من مسرعات الجسيمات. ترفع هذه الآلات الجسيمات دون الذرية، عادة الإلكترونات أو البروتونات، إلى سرعة الضوء تقريبًا. عندما تصطدم هذه الرصاصات النشطة بأهداف محددة، فإنها توضح كيفية تفاعل الجسيمات دون الذرية وغالبًا ما تنتج أنواعًا جديدة من الجسيمات الأولية. ولا يمكن تصميم مسرعات الجسيمات بشكل صحيح بدون النسبية الخاصة. في النوع الذي يسمى السنكروترون الإلكتروني، على سبيل المثال، تكتسب الإلكترونات الطاقة أثناء عبورها لمجرى دائري ضخم. فعند سرعة الضوء بالكاد تكون كتلتها أكبر بآلاف المرات من كتلة سكونها. نتيجة لذلك، يجب أن يكون المجال المغناطيسي المستخدم لعقد الإلكترونات في مدارات دائرية أقوى بآلاف المرات مما لو لم تتغير الكتلة.
الانشطار والاندماج: القنابل والعمليات النجمية
يتم إطلاق الطاقة في نوعين من العمليات النووية. في حالة الانشطار النووي، تنقسم نواة ثقيلة، مثل اليورانيوم، إلى نواتين أخف وزنًا؛ في الاندماج النووي، تتحد نواتان خفيفتان في نواة أثقل. في كل عملية، تكون الكتلة النهائية الكلية أقل من كتلة البداية. يظهر الفرق كطاقة وفقًا للعلاقة E = Δmc2 ، حيث Δm هو عجز الكتلة. يستخدم الانشطار في القنابل الذرية وفي المفاعلات التي تنتج الطاقة للتطبيقات المدنية والعسكرية. اندماج الهيدروجين في الهيليوم هو مصدر الطاقة في النجوم ويوفر قوة القنبلة الهيدروجينية. الجهود جارية الآن لتطوير اندماج الهيدروجين يمكن التحكم فيه كمصدر طاقة نظيف ووفير.
نظام تحديد المواقع العالمي
يعتمد نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) على المبادئ النسبية. يحدد مستقبل GPS موقعه على سطح الأرض من خلال معالجة إشارات الراديو من أربعة أقمار صناعية أو أكثر. تُحسب المسافة إلى كل قمر صناعي على أنها نتاج سرعة الضوء والفاصل الزمني بين إرسال واستقبال الإشارة. ومع ذلك، فإن مجال الجاذبية الأرضية وحركة الأقمار الصناعية يسببان تأثيرات تمدد الوقت، كما أن لدوران الأرض آثار نسبية. ومن ثم، فإن تقنية GPS تتضمن تصحيحات نسبية تمكن من حساب المواضع في حدود عدة سنتيمترات.
علم الكونيات
علم الكونيات، وهو دراسة بنية الكون وأصله، مرتبط ارتباطًا وثيقًا بالجاذبية، التي تحدد السلوك العياني لكل مادة. لعبت النسبية العامة دورًا في علم الكونيات منذ الحسابات المبكرة لأينشتاين وفريدمان. منذ ذلك الحين، قدمت النظرية إطارًا لاستيعاب نتائج الرصد، مثل اكتشاف هابل للكون المتوسع في عام 1929 ، وكذلك نموذج الانفجار الأعظم ، وهو التفسير المقبول عمومًا لأصل الكون.
تعتمد أحدث الحلول لمعادلات المجال الخاصة بأينشتاين على معلمات محددة تميز مصير وشكل الكون. أحدهما ثابت هابل، الذي يحدد مدى سرعة تمدد الكون؛ والآخر هو كثافة المادة في الكون التي تحدد قوة الجاذبية. تحت كثافة حرجة معينة، ستكون الجاذبية ضعيفة بما يكفي لتمدد الكون إلى الأبد، وبالتالي فإن الفضاء سيكون غير محدود. وفوق هذه القيمة، ستكون الجاذبية قوية بما يكفي لجعل الكون يتقلص إلى حجمه الأصلي بعد فترة محدودة من التوسع، وهي عملية تسمى "الانكماش الكبير". في هذه الحالة، سيكون الفضاء محدودًا أو مقيدًا مثل سطح الكرة. تركز الجهود الحالية في علم الكون القائم على الملاحظة على قياس أدق القيم الممكنة لثابت هابل والكثافة الحرجة.
النسبية ونظرية الكم والنظريات الموحدة
توصف النسبية العامة السلوك الكوني على نطاق واسع. تم وصف السلوك على المستوى دون الذري بواسطة ميكانيكا الكم، والتي بدأت مع عمل الفيزيائي الألماني ماكس بلانك في عام 1900 وتعالج الطاقة والكميات الفيزيائية الأخرى في وحدات منفصلة تسمى الكميات. كان الهدف المركزي للفيزياء هو الجمع بين نظرية النسبية ونظرية الكم في "نظرية كل شيء" شاملة تصف جميع الظواهر الفيزيائية. تشرح نظرية الكم الكهرومغناطيسية والقوى القوية والضعيفة، لكن لم يتم التوصل إلى وصف كمي لقوة الجاذبية الأساسية المتبقية. بعد أن طور أينشتاين النسبية، سعى دون جدوى إلى ما يسمى بنظرية المجال الموحد مع هندسة الزمكان التي من شأنها أن تشمل جميع القوى الأساسية. حاول منظرين آخرين دمج النسبية العامة مع نظرية الكم، لكن النهجين يعاملان القوى بطرق مختلفة اختلافًا جذريًا. في نظرية الكم، تنشأ القوى من تبادل جسيمات أولية معينة، وليس من شكل الزمكان. علاوة على ذلك، يُعتقد أن التأثيرات الكمومية تسبب تشويهًا خطيرًا للزمكان على نطاق صغير للغاية يسمى طول بلانك، وهو أصغر بكثير من حجم الجسيمات الأولية. يشير هذا إلى أنه لا يمكن فهم الجاذبية الكمية دون معالجة الزمكان بمقاييس غير مسبوقة، وعلى الرغم من أن العلاقة بين النسبية العامة وميكانيكا الكم لا تزال بعيدة المنال، فقد تم إحراز بعض التقدم نحو نظرية موحدة بالكامل. في الستينيات، قدمت النظرية الكهروضعيفة توحيدًا جزئيًا، وأظهرت أساسًا مشتركًا للكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة داخل نظرية الكم. تشير الأبحاث الحديثة إلى أن نظرية الأوتار الفائقة، التي يتم فيها تمثيل الجسيمات الأولية ليس كنقاط رياضية ولكن كأوتار صغيرة للغاية تهتز في 10 أبعاد أو أكثر، تُظهر وعدًا بدعم التوحيد الكامل، بما في ذلك الجاذبية. ومع ذلك، حتى يتم تأكيدها بالنتائج التجريبية، ستظل نظرية الأوتار الفائقة فرضية غير مختبرة.
الأثر الفكري والثقافي للنسبية
ردود الفعل في الثقافة العامة
لم يقتصر تأثير النسبية على العلم. ظهرت النسبية الخاصة على الساحة في بداية القرن العشرين، وأصبحت النسبية العامة معروفة على نطاق واسع بعد الحرب العالمية الأولى - في العصور التي أصبح فيها مفهوم "الحداثة" محددًا في الفن والأدب. بالإضافة إلى ذلك، تلقى تأكيد النسبية العامة الذي قدمه كسوف الشمس عام 1919 دعاية واسعة. حصل أينشتاين على جائزة نوبل للفيزياء عام 1921 (التي مُنحت لعمله حول طبيعة الفوتون للضوء)، بالإضافة إلى التصور الشائع بأن النسبية معقدة للغاية لدرجة أن قلة من الناس يمكن أن يفهموها، سرعان ما حول أينشتاين ونظرياته إلى أيقونات ثقافية. تم تطبيقها على نطاق واسع - وسوء تطبيقها - فور ظهورها. فسر بعض المفكرين النظرية على أنها تعني ببساطة أن كل الأشياء نسبية، واستخدموا هذا المفهوم في مجالات بعيدة عن الفيزياء. على سبيل المثال، كتب الفيلسوف وكاتب المقالات الإسباني خوسيه أورتيجا وجاسيت في الموضوع الحديث (1923)، تعتبر نظرية أينشتاين دليلاً رائعًا على التعدد المتناغم لجميع وجهات النظر الممكنة. إذا امتدت الفكرة إلى الأخلاق والجماليات، فسنصل إلى تجربة التاريخ والحياة بطريقة جديدة. كما تم الاستيلاء على الجانب الثوري لفكر أينشتاين، من قبل الناقد الفني الأمريكي توماس كرافن ، الذي قارن في عام 1921 الفاصل بين الفن الكلاسيكي والفن الحديث مع الانفصال بين الأفكار النيوتونية والأينشتاينية حول المكان والزمان. لقد رأى البعض علاقات محددة بين النسبية والفن ناشئة عن فكرة استمرارية الزمكان رباعية الأبعاد. في القرن التاسع عشر، أدت التطورات في الهندسة إلى الاهتمام الشعبي بالبعد المكاني الرابع، الذي تم تخيله بطريقة ما في زوايا قائمة على الأبعاد الثلاثة العادية للطول والعرض والارتفاع. كان كتاب إدوين أبوت أرض مستوية (1884) أول عرض شعبي لهذه الأفكار. تحدثت الأعمال الخيالية الأخرى التي تلت ذلك عن البعد الرابع كحلبة منفصلة عن الوجود العادي. ان الكون رباعي الأبعاد لأينشتاين، مع ثلاثة أبعاد مكانية وواحد من الزمن، يختلف من الناحية المفاهيمية عن أربعة أبعاد مكانية. لكن النوعين من العالم رباعي الأبعاد اختلطتا في تفسير الفن الجديد للقرن العشرين. أصبحت الأعمال التكعيبية المبكرة التي قام بها بابلو بيكاسو والتي صورت في نفس الوقت جميع جوانب موضوعاتها مرتبطة بفكرة الأبعاد الأعلى في الفضاء، والتي حاول بعض الكتاب ربطها بالنسبية. في عام 1949، على سبيل المثال، كتب مؤرخ الفن بول لابورت أن "المصطلح التصويري الجديد الذي أنشأه التكعيبية يتم شرحه بشكل مرضٍ للغاية من خلال تطبيق مفهوم استمرارية الزمكان". رفض أينشتاين هذا الرأي على وجه التحديد، قائلاً: "هذه" اللغة "الفنية الجديدة ليس لها أي شيء مشترك مع نظرية النسبية". ومع ذلك، اكتشف بعض الفنانين صراحة أفكار أينشتاين. في الاتحاد السوفياتي الجديد في عشرينيات القرن الماضي، على سبيل المثال، الشاعر والرسام فلاديمير ماياكوفسكي ، مؤسس الحركة الفنية المسماة "المستقبل الروسي" ، أو التفوق ، استعان بخبير لشرح النسبية له. انعكس الاهتمام العام المنتشر بالنسبية في عدد الكتب المكتوبة لتوضيح الموضوع لغير الخبراء. ظهر عرض أينشتاين الشهير للنسبية الخاصة والعامة على الفور تقريبًا، في عام 1916، وظهرت مقالته عن الزمكان في الطبعة الثالثة عشر من الموسوعة البريطانية في عام 1926. علماء آخرون، مثل عالم الرياضيات الروسي ألكسندر فريدمان والفلكي البريطاني آرثر إدينجتون ، كتب كتبا شهيرة عن الموضوعات في عشرينيات القرن الماضي. استمرت هذه الكتب في الظهور بعد عقود. عندما تم الإعلان عن النسبية لأول مرة، كان الجمهور عادةً مندهشًا من تعقيدها، وهي استجابة مبررة للرياضيات المعقدة للنسبية العامة. لكن الطبيعة المجردة وغير الحسية للنظرية ولدت أيضًا ردود فعل ضد انتهاكها الواضح للفطرة السليمة. تضمنت ردود الفعل هذه مسحة سياسية. في بعض الأوساط، كان من غير الديمقراطي تقديم أو دعم نظرية لا يمكن أن يفهمها الشخص العادي على الفور. في الاستخدام المعاصر، قبلت الثقافة العامة أفكار النسبية - استحالة السفر بشكل أسرع من الضوء، E = mc2 ، تمدد الوقت والمفارقة المزدوجة ، الكون المتوسع ، والثقوب السوداء والثقوب الدودية - إلى النقطة التي هم فيها يتم التعرف عليها على الفور في وسائل الإعلام وتوفر أجهزة حبكة لأعمال الخيال العلمي. اكتسبت بعض هذه الأفكار معنى يتجاوز أفكارها العلمية البحتة. في عالم الأعمال، على سبيل المثال، يمكن أن يعني "الثقب الأسود" استنزاف مالي غير قابل للاسترداد.
اعتبارات فلسفية
في عام 1925 اقترح الفيلسوف البريطاني برتراند راسل في كتابه أبجديات النسبية أن عمل أينشتاين سيؤدي إلى مفاهيم فلسفية جديدة. كان للنسبية بالفعل تأثير كبير على الفلسفة، حيث ألقت الضوء على بعض القضايا التي تعود إلى الإغريق القدماء. تعود فكرة الأثير، التي تم استحضارها في أواخر القرن التاسع عشر لنقل موجات الضوء، إلى أرسطو. قسّم العالم إلى الأرض والهواء والنار والماء، مع الأثير كعنصر خامس يمثل الكرة السماوية النقية. قضت تجربة ميكلسون مورلي والنسبية على آخر بقايا هذه الفكرة. لقد غيرت النسبية أيضًا معنى الهندسة حيث تم تطويرها في عناصر إقليدس (حوالي 300 قبل الميلاد). اعتمد نظام إقليدس على البديهية "الخط المستقيم هو أقصر مسافة بين نقطتين"، من بين أمور أخرى بدت صحيحة بشكل واضح. لعبت الخطوط المستقيمة أيضًا دورًا خاصًا في بصريات إقليدس باعتبارها المسارات التي تتبعها أشعة الضوء. بالنسبة للفلاسفة مثل الألماني إيمانويل كانط، تمثل بديهية الخط المستقيم لإقليدس مستوى عميقًا من الحقيقة. لكن النسبية العامة تجعل من الممكن علميًا فحص الفضاء مثل أي كمية مادية أخرى - أي التحقق من مقدمات إقليدس. من المعروف الآن أن الزمكان منحني بالقرب من النجوم. لا توجد خطوط مستقيمة هناك، ويتبع الضوء الجيوديسيا المنحنية. مثل قانون الجاذبية لنيوتن، تصف هندسة إقليدس الواقع بشكل صحيح في ظل ظروف معينة، لكن البديهيات ليست أساسية وكونية تمامًا، لأن الكون يتضمن أيضًا أشكال هندسية غير إقليدية. بالنظر إلى اتساعها العلمي، وإعادة صياغة وجهة نظر الناس للواقع، وقدرتها على وصف الكون بأكمله، وتأثيره خارج العلم، فإن نسبية أينشتاين تعد من أهم النظريات العلمية وتأثيرها".
بقلم سيدني بيركويتز، المصدر: الموسوعة البريطانية، الرابط:
كاتب فلسفي
علم الكونيات قبل النسبية والكون الميكانيكي
غيرت النسبية المفهوم العلمي للكون ، والذي بدأ في محاولة لفهم السلوك الديناميكي للمادة. في عصر النهضة ، تجاوز عالم الفيزياء الإيطالي العظيم جاليليو جاليلي فلسفة أرسطو لتقديم دراسة حديثة للميكانيكا ، والتي تتطلب قياسات كمية للأجسام المتحركة في المكان والزمان. أدى عمله وعمل الآخرين إلى مفاهيم أساسية ، مثل السرعة ، وهي المسافة التي يقطعها الجسم في اتجاه معين لكل وحدة زمنية ؛ التسارع ، معدل تغير السرعة ؛ الكتلة ، كمية المادة في الجسم ؛ والقوة ، دفع أو شد الجسم.
حدثت الخطوة الرئيسية التالية في أواخر القرن السابع عشر، عندما صاغ العبقري البريطاني إسحاق نيوتن قوانينه الثلاثة الشهيرة للحركة، الأول والثاني منها لهما أهمية خاصة في النسبية. ينص قانون نيوتن الأول، المعروف باسم قانون القصور الذاتي، على أن الجسم الذي لا تتأثر به قوى خارجية لا يخضع لأي تسارع - إما أن يظل في حالة سكون أو يستمر في التحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة. ينص قانون نيوتن الثاني على أن القوة المطبقة على الجسم تغير سرعته من خلال إنتاج تسارع يتناسب مع القوة ويتناسب عكسًا مع كتلة الجسم. في بناء نظامه، حدد نيوتن أيضًا المكان والزمان، معتبرا أن كلاهما أمر مطلق لا يتأثر بأي شيء خارجي. فقد كتب أن الزمن "يتدفق بشكل متساوٍ" بينما يبقى المكان "دائمًا متشابهًا وثابتًا". أثبتت قوانين نيوتن أنها صالحة في كل تطبيق، كما هو الحال في حساب سلوك الأجسام الساقطة، ولكنها قدمت أيضًا إطارًا لقانون الجاذبية (المصطلح، المشتق من اللاتينية gravis ، أو "الثقيل" ، كان مستخدمًا منذ في الأقل في القرن السادس عشر). بدءًا من الملاحظة (ربما الأسطورية) لسقوط التفاحة ثم النظر إلى القمر وهو يدور حول الأرض، خلص نيوتن إلى أن قوة غير مرئية تعمل بين الشمس وكواكبها. لقد صاغ تعبيرًا رياضيًا بسيطًا نسبيًا لقوة الجاذبية؛ تنص على أن كل كائن في الكون يجذب كل كائن آخر بقوة تعمل في الفضاء الفارغ والتي تختلف باختلاف كتل الأشياء والمسافة بينها. كان قانون الجاذبية ناجحًا ببراعة في شرح الآلية الكامنة وراء قوانين كبلر لحركة الكواكب، والتي صاغها عالم الفلك الألماني يوهانس كيبلر في بداية القرن السابع عشر. بدت ميكانيكا نيوتن وقانون الجاذبية، جنبًا إلى جنب مع افتراضاته حول طبيعة المكان والزمان، ناجحة تمامًا في شرح ديناميكيات الكون، من الحركة على الأرض إلى الأحداث الكونية.
الضوء والأثير
ومع ذلك، فإن هذا النجاح في تفسير الظواهر الطبيعية جاء للاختبار من اتجاه غير متوقع - سلوك الضوء، الذي حيرت طبيعته غير الملموسة الفلاسفة والعلماء لعدة قرون. في عام 1865 أظهر الفيزيائي الأسكتلندي جيمس كلارك ماكسويل أن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية ذات مكونات كهربائية ومغناطيسية متذبذبة. توقعت معادلات ماكسويل أن تنتقل الموجات الكهرومغناطيسية عبر الفضاء الفارغ بسرعة تقارب 3 × 108 مترًا في الثانية (186000 ميل في الثانية) - أي وفقًا لسرعة الضوء المقاسة. سرعان ما أكدت التجارب الطبيعة الكهرومغناطيسية للضوء وأثبتت سرعته كمعامل أساسي للكون. لقد أجابت نتيجة ماكسويل الرائعة على أسئلة طويلة الأمد حول الضوء، لكنها أثارت قضية أساسية أخرى: إذا كان الضوء عبارة عن موجة متحركة، فما الوسيط الذي يدعمها؟ تتكون موجات المحيط والموجات الصوتية من حركة تذبذبية تدريجية لجزيئات الماء وغازات الغلاف الجوي، على التوالي. ولكن ما الذي يهتز ليصنع موجة ضوئية متحركة؟ أو بعبارة أخرى، كيف تنتقل الطاقة المجسدة في الضوء من نقطة إلى أخرى؟
بالنسبة لماكسويل وعلماء آخرين في ذلك الوقت، كانت الإجابة هي أن الضوء ينتقل في وسط افتراضي يسمى الأثير. من المفترض أن هذا الوسط تغلغل في كل الفضاء دون إعاقة حركة الكواكب والنجوم. ومع ذلك، كان يجب أن يكون أكثر صلابة من الفولاذ حتى تتمكن موجات الضوء من التحرك من خلاله بسرعة عالية، بنفس الطريقة التي يدعم بها وتر الغيتار المشدود الاهتزازات الميكانيكية السريعة. على الرغم من هذا التناقض، بدت فكرة الأثير أساسية - حتى نفتها تجربة نهائية. في عام 1887، الفيزيائي الأمريكي الألماني المولد أ. قام ميشيلسون والكيميائي الأمريكي إدوارد مورلي بإجراء قياسات دقيقة للغاية لتحديد كيفية تأثير حركة الأرض عبر الأثير على سرعة الضوء المقاسة. في الميكانيكا الكلاسيكية، تضيف حركة الأرض أو تطرح من السرعة المقاسة لموجات الضوء، تمامًا كما تضيف سرعة السفينة أو تطرح من سرعة موجات المحيط كما تقاس من السفينة. لكن تجربة ميشيلسون مورلي كانت لها نتيجة غير متوقعة، حيث ظلت سرعة الضوء المقاسة كما هي بغض النظر عن حركة الأرض. قد يعني هذا فقط أن الأثير ليس له معنى وأن سلوك الضوء لا يمكن تفسيره بالفيزياء الكلاسيكية. ظهر التفسير، بدلاً من ذلك، من نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين.
النسبية الخاصة: تجارب وخواطر لأينشتاين
انتقد علماء مثل الفيزيائي النمساوي إرنست ماخ وعالم الرياضيات الفرنسي هنري بوانكاريه الميكانيكا الكلاسيكية أو فكروا في سلوك الضوء ومعنى الأثير قبل أينشتاين. قدمت جهودهم خلفية لنهج أينشتاين الفريد لفهم الكون، والذي أطلق عليه في لغته الألمانية الأصلية تجربة جيدة، أو "تجربة فكرية".
وصف أينشتاين كيف أنه في سن السادسة عشرة شاهد نفسه في عين عقله وهو يركب على موجة ضوئية ويحدق في موجة ضوئية أخرى تتحرك موازية له. وفقًا للفيزياء الكلاسيكية، كان يجب على أينشتاين أن يرى الموجة الضوئية الثانية تتحرك بسرعة نسبية صفر. ومع ذلك، عرف أينشتاين أن معادلات ماكسويل الكهرومغناطيسية تتطلب تمامًا أن يتحرك الضوء دائمًا بسرعة 3 × 108 مترًا في الثانية في الفراغ. لا شيء في النظرية يسمح لموجة ضوئية أن تكون سرعتها صفرًا. ظهرت مشكلة أخرى أيضًا: إذا رأى مراقب ثابت أن سرعة الضوء تبلغ 3 × 108 مترًا في الثانية، في حين يرى المراقب الذي يتحرك بسرعة الضوء أن سرعة الضوء تساوي صفرًا، فهذا يعني أن قوانين الكهرومغناطيسية تعتمد على المراقب. لكن في الميكانيكا الكلاسيكية، تنطبق نفس القوانين على جميع المراقبين، ولم ير أينشتاين أي سبب يجعل القوانين الكهرومغناطيسية لا تكون عامة على قدم المساواة. إن ثبات سرعة الضوء وعالمية قوانين الفيزياء لجميع المراقبين هما حجر الزاوية في النسبية الخاصة.
نقاط البداية والمسلمات
في تطوير النسبية الخاصة، بدأ أينشتاين بقبول ما أظهرت التجربة وتفكيره أنه السلوك الحقيقي للضوء، حتى عندما يتعارض هذا مع الفيزياء الكلاسيكية أو التصورات المعتادة عن العالم. حقيقة أن سرعة الضوء هي نفسها لجميع المراقبين لا يمكن تفسيرها بالمصطلحات العادية. إذا أطلق راكب في قطار يتحرك بسرعة 100 كم في الساعة سهمًا في اتجاه حركة القطار بسرعة 200 كم في الساعة، فإن مراقب جانب المسار سيقيس سرعة السهم كمجموع السرعتين، أو 300 كم في الساعة. في القياس، إذا كان القطار يتحرك بسرعة الضوء وكان أحد الركاب يضيء ليزرًا في نفس الاتجاه، فإن الفطرة السليمة تشير إلى أن مراقب جانب المسار يجب أن يرى الضوء يتحرك بمجموع السرعتين، أو ضعف سرعة الضوء (6 × 108 متر في الثانية).
في حين أن قانون إضافة السرعات هذا صالح في الميكانيكا الكلاسيكية، أظهرت تجربة ميشيلسون مورلي أن الضوء لا يطيع هذا القانون. هذا يتعارض مع الفطرة السليمة. يعني ذلك، على سبيل المثال، أن كلاً من القطار الذي يتحرك بسرعة الضوء وشعاع الضوء المنبعث من القطار يصلان إلى نقطة أبعد على طول المسار في نفس اللحظة. ومع ذلك، جعل أينشتاين ثبات سرعة الضوء لجميع المراقبين افتراضًا لنظريته الجديدة. كمسلمة ثانية، طلب أن يكون لقوانين الفيزياء نفس الشكل لجميع المراقبين. ثم وسع أينشتاين من فرضياته إلى استنتاجاتهم المنطقية لتشكيل النسبية الخاصة.
عواقب المسلمات: المكان والزمان النسبيان
من أجل جعل سرعة الضوء ثابتة، استبدل أينشتاين المكان والزمان المطلقين بتعريفات جديدة تعتمد على حالة حركة المراقب. شرح أينشتاين نهجه من خلال النظر في اثنين من المراقبين وقطار. يقف مراقب بجانب مسار مستقيم؛ الآخر يركب قطارًا يتحرك بسرعة ثابتة على طول المسار. كل ينظر إلى العالم بالنسبة لمحيطه. يقيس المراقب الثابت المسافة من علامة مسجلة على المسار ويقيس الوقت بساعته ؛ يقيس راكب القطار المسافة من علامة منقوشة على عربة السكة الحديد الخاصة به ويقيس الوقت بساعته الخاصة ، إذا كان الوقت يتدفق بنفس الطريقة لكلا المراقبين ، كما يعتقد نيوتن ، فسيتم التوفيق بين الإطارين المرجعيين من خلال العلاقة: x ′ = x - vt هنا x هي المسافة إلى حدث معين يحدث على طول المسار ، كما تم قياسه بواسطة المراقب الثابت ؛ x ′ هي المسافة إلى نفس الحدث كما تم قياسها بواسطة المراقب المتحرك ؛ v هي سرعة القطار - أي سرعة مراقب واحد بالنسبة للآخر ؛ و t هو الوقت الذي يحدث فيه الحدث ، وهو نفس الشيء لكلا المراقبين. على سبيل المثال، افترض أن القطار يتحرك بسرعة 40 كم في الساعة. بعد ساعة واحدة من انطلاقه، يصطدم البرق بشجرة تبعد 60 كم عن نقطة انطلاق القطار. يقيس الراصد الثابت x 60 كم و t كساعة واحدة. يقيس المراقب المتحرك أيضًا t على أنها ساعة واحدة، وبالتالي، وفقًا لمعادلة نيوتن، يقيس x ′ كـ 20 كم. يبدو هذا التحليل واضحًا، لكن أينشتاين رأى دقة مخفية في افتراضاته الأساسية - على وجه الخصوص، قضية التزامن. لا يلاحظ الشخصان في الواقع صاعقة البرق في نفس الوقت. حتى عند سرعة الضوء، تستغرق صورة الضربة وقتًا للوصول إلى كل مراقب، وبما أن كل منها على مسافة مختلفة من الحدث، تختلف أوقات السفر. بالنظر إلى هذه الرؤية إلى أبعد من ذلك، افترض أن الصواعق تضرب شجرتين، إحداهما 60 كم قبل الراصد الثابت والأخرى خلفها 60 كم، تمامًا كما يمر المراقب المتحرك بالمراقب الثابت. تنتقل كل صورة بنفس المسافة إلى الراصد الثابت، ولذا فهو بالتأكيد يرى الأحداث في وقت واحد. مع ذلك، فإن حركة المراقب المتحرك تجعله أقرب إلى حدث واحد من الآخر، وبالتالي يرى الأحداث في أوقات مختلفة. استنتج أينشتاين أن التزامن نسبي. قد لا تكون الأحداث المتزامنة لأحد المراقبين خاصة بمراقب آخر. قاده هذا إلى فكرة غير بديهية مفادها أن الوقت يتدفق بشكل مختلف وفقًا لحالة الحركة وإلى استنتاج مفاده أن المسافة هي أيضًا نسبي. في المثال، يمكن لراكب القطار والمراقب الثابت أن يمد كل منهما شريط قياس من الخلف إلى مقدمة عربة السكك الحديدية لمعرفة طوله. يجب وضع طرفي الشريط في موضعهما في نفس اللحظة - أي في نفس الوقت - للحصول على قيمة حقيقية. ومع ذلك، نظرًا لاختلاف معنى المتزامن بالنسبة للمراقبين، فإنهما يقيسان أطوالًا مختلفة، وقد قاد هذا التفكير أينشتاين إلى معادلات جديدة للزمان والمكان، تسمى تحولات لورنتز ، على اسم الفيزيائي الهولندي هندريك لورنتز ، الذي اقترحها لأول مرة. هم: تحويل لورنتز حيث t ′ هو الوقت كما تم قياسه بواسطة المراقب المتحرك و c هي سرعة الضوء. من هذه المعادلات، اشتق أينشتاين علاقة جديدة تحل محل القانون الكلاسيكي لإضافة السرعات، إضافة سرعة أينشتاين، حيث u و u ′ هما سرعة أي جسم متحرك كما يراه كل مراقب و v مرة أخرى سرعة مراقب واحد بالنسبة إلى آخر. تضمن هذه العلاقة الافتراض الأول لآينشتاين (أن سرعة الضوء ثابتة لجميع المراقبين). في حالة شعاع المصباح المسقط من قطار يتحرك بسرعة الضوء، يقيس مراقب في القطار سرعة الشعاع مثل ج. وفقًا للمعادلة أعلاه، يفعل مراقب المسار أيضًا، بدلاً من القيمة 2 ج التي تتوقعها الفيزياء الكلاسيكية. لجعل سرعة الضوء ثابتة، تتطلب النظرية أن يتغير المكان والزمان في جسم متحرك، وفقًا لسرعته، كما يراها مراقب خارجي. يصبح الجسم أقصر على طول اتجاه حركته؛ أي، عقودها الطويلة. تصبح الفترات الزمنية أطول، مما يعني أن الوقت يمر ببطء أكثر في الجسم المتحرك؛ وهذا يعني أن الوقت يتسع. في مثال القطار، يقيس الشخص المجاور للمسار طولًا أقصر للقطار وفترة زمنية أطول للساعات في القطار مما يفعله راكب القطار. العلاقات التي تصف هذه التغييرات هي نسبية طول الوقت L0 و T0 ، تسمى الطول المناسب والوقت المناسب ، على التوالي ، هي القيم التي يقاسها مراقب على الجسم المتحرك ، و L و T هي الكميات المقابلة كما تم قياسها بواسطة ثابت مراقب. وتصبح التأثيرات النسبية كبيرة عند سرعات قريبة من سرعة الضوء، على الرغم من أنه من الجدير بالذكر مرة أخرى أنها تظهر فقط عندما ينظر المراقب إلى جسم متحرك. لا يرى أبدًا أي تغييرات في المكان أو الزمان ضمن إطاره المرجعي (سواء في قطار أو مركبة فضائية) ، حتى عند سرعة الضوء. لا تظهر هذه التأثيرات في الحياة العادية، لأن العامل v2 / c2 دقيق حتى في أعلى السرعات التي وصل إليها البشر، بحيث تصبح معادلات أينشتاين تقريبًا نفس المعادلات الكلاسيكية.
الكتلة النسبية وحد السرعة الكونية
للحصول على المزيد من النتائج، جمع أينشتاين إعادة تعريفه للزمان والمكان مع مبدأين فيزيائيين قويين: الحفاظ على الطاقة والحفاظ على الكتلة، والتي تنص على أن المبلغ الإجمالي لكل منهما يظل ثابتًا في نظام مغلق. صالحة لجميع المراقبين في النظرية الجديدة، واستخدمهم لاشتقاق المعاني النسبية للكتلة والطاقة.
إحدى النتائج هي أن كتلة الجسم تزداد مع زيادة سرعتها. يقيس مراقب على جسم متحرك، مثل مركبة فضائية، ما يسمى كتلة الراحة m0 ، بينما يقيس مراقب ثابت كتلته m ككتلة نسبية أكبر من m0. في الواقع، مع اقتراب سرعة المركبة الفضائية من سرعة الضوء، تقترب الكتلة م من اللانهاية. ومع ذلك، مع زيادة كتلة الجسم، تزداد الطاقة اللازمة لمواصلة تسريع الجسم؛ وبالتالي، فإن تسريع الجسم المادي إلى سرعة الضوء يتطلب طاقة غير محدودة. لهذا السبب، لا يمكن لأي جسم مادي أن يصل إلى سرعة الضوء، وهي السرعة القصوى للكون. (يمكن للضوء نفسه بلوغ هذه السرعة لأن الكتلة المتبقية للفوتون، الجسيم الكمومي للضوء، تساوي صفرًا). E = mc2. لقد أظهرت معالجة أينشتاين للكتلة أن الكتلة النسبية المتزايدة تأتي من طاقة حركة الجسم - أي طاقته الحركية E - مقسومة على c2. هذا هو أصل المعادلة الشهيرة E = mc2 ، والتي تعبر عن حقيقة أن الكتلة والطاقة هما نفس الكيان المادي ويمكن تغييرهما إلى بعضهما البعض.
مفارقة التوأم
تجعل الطبيعة غير البديهية لأفكار أينشتاين من الصعب استيعابها وتؤدي إلى مواقف تبدو غير مفهومة. إحدى الحالات المعروفة هي مفارقة التوأم، وهي ظاهرة شاذة في كيفية وصف النسبية الخاصة للوقت، لنفترض أن إحدى الشقيقتين المتماثلتين تطير إلى الفضاء بسرعة الضوء تقريبًا. وفقًا للنسبية، يمر الوقت على مركبتها الفضائية بشكل أبطأ منه على الأرض. لذلك، عندما تعود إلى الأرض، ستكون أصغر من أختها الملتزمة بالأرض. لكن في النسبية، ما يراه المراقب على أنه يحدث للواحد الثاني، يراه الثاني على أنه يحدث للأول. بالنسبة للأخت الفضائية، يتحرك الوقت على الأرض بشكل أبطأ منه في مركبتها الفضائية؛ عندما تعود، أختها الملتزمة بالأرض هي الأصغر منها. كيف يمكن أن يكون التوأم الذي يسافر إلى الفضاء أصغر وأكبر من أختها الملتزمة بالأرض؟ الجواب هو أن التناقض واضح فقط، لأن الموقف لا يعالج بشكل مناسب من خلال النسبية الخاصة. للعودة إلى الأرض، يجب على المركبة الفضائية أن تغير اتجاهها، الأمر الذي ينتهك حالة الحركة المستقيمة الثابتة المركزية للنسبية الخاصة. تتطلب المعالجة الكاملة النسبية العامة، والتي تظهر أنه سيكون هناك تغيير غير متماثل في الوقت بين الأختين. وبالتالي، فإن "المفارقة" لا تلقي بظلال من الشك على الكيفية التي تصف بها النسبية الخاصة الزمن، وهو ما أكدته العديد من التجارب.
الزمكان رباعي الأبعاد
النسبية الخاصة أقل تحديدًا من الفيزياء الكلاسيكية من حيث أن المسافة D والفاصل الزمني T بين حدثين يعتمدان على المراقب. لاحظ أينشتاين، مع ذلك، أن توليفة معينة من D و T ، الكمية D2 - c2T2 ، لها نفس القيمة لجميع المراقبين. ان المصطلح cT في هذه الكمية الثابتة يرفع الوقت إلى نوع من التكافؤ الرياضي مع الفضاء. لاحظ الفيزيائي الألماني هيرمان مينكوفسكي أن الكون يشبه بنية رباعية الأبعاد مع إحداثيات x و y و z و ct تمثل الطول والعرض والارتفاع والوقت على التوالي. ومن ثم، يمكن وصف الكون بأنه سلسلة متصلة من الزمكان رباعية الأبعاد، وهو مفهوم مركزي في النسبية العامة.
دليل تجريبي على النسبية الخاصة
نظرًا لأن التغييرات النسبية صغيرة عند السرعات النموذجية للأجسام العيانية، فقد اعتمد تأكيد النسبية الخاصة على فحص الأجسام دون الذرية بسرعات عالية أو قياس التغيرات الصغيرة بواسطة أجهزة حساسة. على سبيل المثال، تم وضع ساعات فائقة الدقة على مجموعة متنوعة من الطائرات التجارية التي تطير بسرعة مليون جزء من سرعة الضوء. بعد يومين من الطيران المستمر، اختلف الوقت الذي تظهره الساعات المحمولة جواً بأجزاء من ميكرو ثانية عن تلك التي تظهرها ساعة متزامنة متبقية على الأرض، كما هو متوقع.وتظهر تأثيرات أكبر مع تحرك الجسيمات الأولية بسرعات قريبة من سرعة الضوء. تضمنت إحدى هذه التجارب الميونات ، وهي جسيمات أولية تم إنشاؤها بواسطة الأشعة الكونية في الغلاف الجوي للأرض على ارتفاع حوالي 9 كم (30000 قدم). عند 99.8٪ من سرعة الضوء، يجب أن تصل الميونات إلى مستوى سطح البحر في 31 ميكروثانية، لكن القياسات أظهرت أن الأمر يستغرق 2 ميكروثانية فقط. والسبب هو أنه بالنسبة للميونات المتحركة، فإن مسافة 9 كيلومترات تقلصت إلى 0.58 كيلومتر (1900 قدم). وبالمثل، تم تأكيد زيادة الكتلة النسبية في القياسات على الجسيمات الأولية سريعة الحركة، حيث يكون التغيير كبيرًا (انظر أدناه مسرعات الجسيمات). لا تترك نتائج البحث أي شك في أن النسبية الخاصة تصف الكون بشكل صحيح، على الرغم من صعوبة قبول النظرية على المستوى الحشوي. تأتي بعض الأفكار من تعليق أينشتاين القائل بأن السرعة المحدودة للضوء في النسبية تلعب دور السرعة اللانهائية. عند السرعة اللانهائية، يجتاز الضوء أي مسافة في وقت صفر. وبالمثل، وفقًا للمعادلات النسبية، فإن المراقب الذي يركب موجة ضوئية سيرى الأطوال تتقلص إلى الصفر وتتوقف الساعات عن التكتك عندما يقترب الكون منه بسرعة الضوء. على نحو فعال، تستبدل النسبية حدًا لانهائيًا للسرعة بقيمة محدودة تبلغ 3 × 108 مترًا في الثانية.
النسبية العامة
جذور النسبية العامة
نظرًا لأن قانون الجاذبية الذي وضعه إسحاق نيوتن خدم جيدًا في تفسير سلوك النظام الشمسي، فإن السؤال الذي يطرح نفسه هو سبب ضرورة تطوير نظرية جديدة للجاذبية. الجواب هو أن نظرية نيوتن تنتهك النسبية الخاصة، لأنها تتطلب "فعلًا على مسافة" غير محدد من خلاله أي جسمين - مثل الشمس والأرض - يسحبان بعضهما البعض على الفور، بغض النظر عن المسافة بينهما. ومع ذلك، فإن الاستجابة اللحظية تتطلب تفاعل الجاذبية للانتشار بسرعة لا نهائية، والتي تمنعها النسبية الخاصة. من الناحية العملية، هذه ليست مشكلة كبيرة لوصف نظامنا الشمسي، لأن قانون نيوتن يعطي إجابات صحيحة للأجسام التي تتحرك ببطء مقارنة بالضوء. ومع ذلك، نظرًا لأنه لا يمكن التوفيق بين نظرية نيوتن من الناحية المفاهيمية والنسبية الخاصة، فقد تحول أينشتاين إلى تطوير النسبية العامة كطريقة جديدة لفهم الجاذبية.
مبدأ التكافؤ
من أجل البدء في بناء نظريته، استوعب أينشتاين البصيرة التي جاءت إليه في عام 1907. كما أوضح في محاضرة في عام 1922: كنت جالسًا على كرسي في مكتب براءات الاختراع الخاص بي في برن. فجأة خطرت لي فكرة: إذا سقط الرجل بحرية، فلن يشعر بثقله. لقد دهشت. تركت هذه التجربة الفكرية البسيطة انطباعًا عميقًا عني. قادني هذا إلى نظرية الجاذبية. لقد كان أينشتاين يلمح إلى حقيقة غريبة معروفة في زمن نيوتن: بغض النظر عن كتلة الجسم، فإنه يسقط نحو الأرض بنفس التسارع (متجاهلًا مقاومة الهواء) البالغ 9.8 أمتار في الثانية المربعة. أوضح نيوتن ذلك بافتراض نوعين من الكتلة: الكتلة بالقصور الذاتي، والتي تقاوم الحركة وتدخل في قوانينه العامة للحركة، والكتلة الثقالية، التي تدخل في معادلته لقوة الجاذبية. لقد أظهر أنه إذا كانت الكتلتان متساويتين، فإن كل الأجسام ستسقط بنفس تسارع الجاذبية. لكن أينشتاين أدرك شيئًا أكثر عمقًا. يشعر الشخص الذي يقف في المصعد بكابل مكسور بانعدام الوزن لأن العلبة تسقط بحرية نحو الأرض. والسبب هو أن كلاهما هو والمصعد يتسارعان للأسفل بنفس المعدل وبالتالي يسقطان بنفس السرعة تمامًا؛ ومن ثم، فبدلاً من النظر إلى محيطه خارج المصعد، لا يمكنه تحديد أنه يتم جره إلى أسفل. في الواقع، لا توجد تجربة يمكنه إجراؤها داخل مصعد هبوط مختوم لتحديد أنه داخل مجال جاذبية. إذا أطلق كرة من يده، فسوف تسقط بنفس المعدل، وتبقى ببساطة حيث أطلقها. وإذا كان سيرى الكرة وهي تغرق في اتجاه الأرض، فلن يتمكن من معرفة ما إذا كان ذلك بسبب أنه كان مستريحًا داخل مجال جاذبية يسحب الكرة لأسفل أو لأن كابلًا كان يجر المصعد لأعلى بحيث ارتفعت أرضية الكرة باتجاه كرة.
عبّر أينشتاين عن هذه الأفكار في مبدأ التكافؤ البسيط المخادع، وهو أساس النسبية العامة: على نطاق محلي - بمعنى داخل نظام معين، دون النظر إلى أنظمة أخرى - من المستحيل التمييز بين التأثيرات الفيزيائية بسبب الجاذبية وتلك. بسبب التسارع. في هذه الحالة، تابع تجربة آينشتاين الفكرية، يجب أن يتأثر الضوء بالجاذبية. تخيل أن المصعد به حفرة مملة مباشرة من خلال جدارين متقابلين. عندما يكون المصعد في حالة راحة، ينتقل شعاع من الضوء يدخل إلى ثقب واحد في خط مستقيم موازٍ للأرض ويخرج عبر الفتحة الأخرى. ولكن إذا تم تسريع المصعد لأعلى، في الوقت الذي يصل فيه الشعاع إلى الفتحة الثانية، تكون الفتحة قد تحركت ولم تعد تتماشى مع الشعاع. عندما يرى الراكب أن الضوء يخطئ الثقب الثاني، يستنتج أن الشعاع قد اتبع مسارًا منحنيًا (في الواقع، قطع مكافئ). إذا كان شعاع الضوء منحنيًا في نظام متسارع، فوفقًا لمبدأ التكافؤ، يجب أيضًا أن ينحني الضوء عن طريق الجاذبية، بما يتعارض مع التوقعات اليومية بأن الضوء سوف ينتقل في خط مستقيم (ما لم يمر من وسط إلى آخر). إذا كان مساره منحنيًا بفعل الجاذبية، فهذا يعني أن "الخط المستقيم" له معنى مختلف بالقرب من جسم ثقالي ضخم مثل النجم عما هو عليه في الفضاء الفارغ. كان هذا تلميحًا إلى أنه يجب التعامل مع الجاذبية كظاهرة هندسية.
الزمكان المنحني والجاذبية الهندسية
السمة الفريدة لوجهة نظر أينشتاين للجاذبية هي طبيعتها الهندسية. (انظر أيضًا الهندسة: العالم الحقيقي). بينما اعتقد نيوتن أن الجاذبية كانت قوة، أظهر أينشتاين أن الجاذبية تنشأ من شكل الزمكان. في حين أنه من الصعب تصور ذلك، إلا أن هناك تشبيهًا يوفر بعض البصيرة - على الرغم من أنه مجرد دليل، وليس بيانًا نهائيًا للنظرية. يبدأ القياس بالنظر إلى الزمكان على أنه صفيحة مطاطية يمكن تشويهها. في أي منطقة بعيدة عن الأجسام الكونية الضخمة مثل النجوم، يكون الزمكان غير منحني - أي أن الصفيحة المطاطية مسطحة تمامًا. إذا كان على المرء أن يسبر الزمكان في تلك المنطقة عن طريق إرسال شعاع من الضوء أو جسم اختبار، فإن كل من الشعاع والجسم سوف ينتقلان في خطوط مستقيمة تمامًا، مثل رخام طفل يتدحرج عبر الصفيحة المطاطية. ومع ذلك، فإن الوجود لجسم ضخم منحنيات الزمكان، كما لو تم وضع كرة البولينج على الصفيحة المطاطية لتكوين اكتئاب يشبه الكوب. في هذا القياس، يتم وضع قطعة من الرخام بالقرب من المنخفض تتدحرج إلى أسفل المنحدر نحو كرة البولينج كما لو تم سحبها بقوة. بالإضافة إلى ذلك، إذا تم دفع الكرة جانبًا، فإنها ستصف مدارًا حول كرة البولينج، كما لو أن السحب الثابت تجاه الكرة يؤدي إلى تأرجح الرخام في مسار مغلق. بهذه الطريقة، فإن انحناء الزمكان بالقرب من نجم يحدد أقصر المسارات الطبيعية، أو الجيوديسيا - مثل أقصر مسار بين أي نقطتين على الأرض ليس خطًا مستقيمًا، والذي لا يمكن بناؤه على هذا السطح المنحني، ولكن قوس من طريق دائرة كبيرة. في نظرية أينشتاين، تحدد الجيوديسيا في الزمكان انحراف الضوء ومدارات الكواكب. وكما قال الفيزيائي الأمريكي جون ويلر ، فإن المادة تخبر الزمكان كيف ينحني ، والزمكان يخبر المادة كيف تتحرك.
رياضيات النسبية العامة
يساعد تشبيه الصفائح المطاطية في تصور الزمكان، لكن أينشتاين نفسه طور نظرية كمية كاملة تصف الزمكان من خلال رياضيات مجردة للغاية. يتم التعبير عن النسبية العامة في مجموعة من المعادلات التفاضلية المترابطة التي تحدد كيف يعتمد شكل الزمان والمكان على كمية المادة (أو، على نحو مكافئ، الطاقة) في المنطقة. يمكن أن ينتج عن حل ما يسمى بالمعادلات الميدانية إجابات لحالات مادية مختلفة، بما في ذلك سلوك الأجسام الفردية والكون بأسره.
الحلول الكونية
أدرك أينشتاين على الفور أن معادلات المجال يمكن أن تصف الكون بأكمله. في عام 1917 قام بتعديل النسخة الأصلية من معادلاته بإضافة ما أسماه "المصطلح الكوني". يمثل هذا قوة عملت على جعل الكون يتمدد، وبالتالي مواجهة الجاذبية، والتي تميل إلى جعل الكون ينكمش. كانت النتيجة كونًا ساكنًا، وفقًا لأفضل معرفة في ذلك الوقت، ولكن في عام 1922، أظهر عالم الرياضيات السوفيتي ألكسندر ألكساندروفيتش فريدمان أن معادلات المجال تتنبأ بكون ديناميكي، يمكن أن يتمدد إلى الأبد أو يمر عبر دورات من التوسع المتناوب والانكماش. اتفق أينشتاين مع هذه النتيجة وتخلي عن المصطلح الكوني. أكدت الأعمال اللاحقة، ولا سيما القياسات الرائدة التي أجراها عالم الفلك الأمريكي إدوين هابل، وتطوير نموذج الانفجار العظيم، مفهوم الكون المتوسع.
الثقوب السوداء
في عام 1916، استخدم عالم الفلك الألماني كارل شوارزشيلد معادلات المجال لحساب تأثير الجاذبية لجسم كروي واحد مثل النجم. إذا لم تكن الكتلة كبيرة جدًا ولا عالية التركيز، فسيكون الحساب الناتج هو نفسه الذي قدمته نظرية الجاذبية لنيوتن. وبالتالي، فإن نظرية نيوتن ليست خاطئة. بدلاً من ذلك، فإنه يشكل تقريبًا صحيحًا للنسبية العامة في ظل ظروف معينة. وصف شوارزشيلد أيضًا تأثيرًا جديدًا. إذا تم تركيز الكتلة في حجم صغير متلاشي - تفرد - ستصبح الجاذبية قوية جدًا بحيث لا يمكن لأي شيء يتم سحبه في المنطقة المحيطة أن يتركه. حتى الضوء لا يستطيع الهروب. في تشبيه الصفيحة المطاطية، يبدو الأمر كما لو أن جسمًا هائلًا صغيرًا يخلق انخفاضًا شديد الانحدار بحيث لا يستطيع أي شيء الهروب منه. واعترافا بأن هذا التشوه الشديد للزمكان سيكون غير مرئي - لأنه سيمتص الضوء ولن ينبعث منه أي شيء - أطلق عليه اسم الثقب الأسود. من الناحية الكمية، تحدد نتيجة شوارزشيلد الكرة التي تتمحور حول التفرد والتي يعتمد نصف قطرها على كثافة الكتلة المغلقة. الأحداث داخل الكرة معزولة إلى الأبد عن بقية الكون؛ لهذا السبب، يسمى نصف قطر شفارتزشيلد بأفق الحدث.
الثقوب السوداء والثقوب الدودية
لا توجد تقنية بشرية يمكنها ضغط المادة بشكل كافٍ لصنع ثقوب سوداء، لكنها تحدث كخطوات نهائية في دورة حياة النجوم. بعد ملايين أو بلايين السنين، يستخدم النجم كل الهيدروجين والعناصر الأخرى التي تنتج الطاقة من خلال الاندماج النووي. مع احتواء فرنه النووي، لم يعد النجم يحتفظ بضغط داخلي للتوسع، وتُترك الجاذبية دون معارضة لسحب الداخل وضغط النجم. بالنسبة للنجوم التي تزيد عن كتلة معينة، سينتج عن هذا الانهيار الثقالي ثقبًا أسود يحتوي على عدة أضعاف كتلة الشمس. في حالات أخرى، يمكن لانهيار الجاذبية لسحب الغبار الضخمة أن يخلق ثقوبًا سوداء هائلة تحتوي على ملايين أو مليارات من الكتل الشمسية، وقد وجد علماء الفيزياء الفلكية العديد من الأجسام الكونية التي تحتوي على مثل هذا التركيز الكثيف للكتلة في حجم صغير. تتضمن هذه الثقوب السوداء واحدًا في مركز مجرة درب التبانة وبعض النجوم الثنائية التي تصدر أشعة سينية أثناء دورانها حول بعضها البعض. تم تصوير إحداها، في مركز المجرة م 87 ، بشكل مباشر. لقد أدت نظرية الثقوب السوداء إلى كيان آخر متوقع، وهو ثقب دودي. هذا حل معادلات المجال الذي يشبه نفقًا بين ثقبين أسودين أو نقاط أخرى في الزمكان. مثل هذا النفق سيوفر اختصارًا بين نقاط نهايته. في القياس، ضع في اعتبارك نملة تمشي عبر ورقة مسطحة من النقطة A إلى النقطة B. إذا كانت الورقة منحنية من خلال البعد الثالث، بحيث يتداخل A و B ، يمكن للنملة أن تتحرك مباشرة من نقطة إلى أخرى ، وبالتالي تجنب رحلة طويلة. إن إمكانية تقصير المسافات الهائلة بين النجوم تجعل الثقوب الدودية جذابة للسفر عبر الفضاء. نظرًا لأن النفق يربط لحظات زمنية بالإضافة إلى مواقع في الفضاء، فقد قيل أيضًا أن الثقب الدودي سيسمح بالسفر إلى الماضي. ومع ذلك، فإن الثقوب الدودية غير مستقرة في جوهرها. بينما تم اقتراح مخططات تثبيت غريبة، لا يوجد حتى الآن دليل على أن هذه يمكن أن تعمل أو أن الثقوب الدودية موجودة بالفعل.
دليل تجريبي للنسبية العامة
بعد وقت قصير من نشر نظرية النسبية العامة في عام 1915، اعتبر عالم الفلك الإنجليزي آرثر إدينجتون توقع أينشتاين أن أشعة الضوء تنحني بالقرب من جسم ضخم، وأدرك أنه يمكن التحقق من ذلك من خلال مقارنة مواقع النجوم بعناية في صور الشمس التي تم التقاطها خلال كسوف شمسي مع صور لنفس المنطقة من الفضاء تم التقاطها عندما كانت الشمس في جزء مختلف من السماء. تأخرت عملية التحقق بسبب الحرب العالمية الأولى، ولكن في عام 1919 ، أتيحت فرصة ممتازة لكسوف شمسي طويل بشكل خاص ، بالقرب من مجموعة نجوم الهايدز اللامعة ، والتي كانت مرئية من شمال البرازيل إلى الساحل الأفريقي. قاد إدينجتون رحلة استكشافية إلى برينسيبي ، وهي جزيرة قبالة الساحل الأفريقي ، وقاد أندرو كروملين من مرصد غرينتش الملكي رحلة استكشافية ثانية إلى سوبرال بالبرازيل. بعد مقارنة الصور من البعثتين بعناية مع صور مرجعية للهايدز ، أعلن إدينجتون أن ضوء النجوم قد انحرف بنحو 1.75 ثانية من القوس ، كما تنبأت النسبية العامة. (ينتج عن نفس التأثير عدسة الجاذبية، حيث يقوم جسم كوني ضخم بتركيز الضوء من جسم آخر خلفه لإنتاج صورة مشوهة أو مكبرة. وقد أعطى الاكتشاف الفلكي لعدسات الجاذبية في عام 1979 دعمًا إضافيًا للنسبية العامة). جاء المزيد من الأدلة من كوكب عطارد. في القرن التاسع عشر، وجد أن عطارد لا يعود إلى نفس المكان بالضبط في كل مرة يكمل فيها مداره الإهليلجي. وبدلاً من ذلك، فإن القطع الناقص يدور ببطء في الفضاء، بحيث يتحرك الحضيض - نقطة الاقتراب الأقرب للشمس - في كل مدار إلى زاوية مختلفة قليلاً. لم يستطع قانون الجاذبية لنيوتن تفسير هذا التحول في الحضيض الشمسي، لكن النسبية العامة أعطت المدار الصحيح، وهناك توقع آخر مؤكد للنسبية العامة وهو أن الوقت يتسع في مجال الجاذبية، مما يعني أن الساعات تعمل بشكل أبطأ كلما اقتربت من الكتلة التي تنتج الحقل. تم قياس هذا بشكل مباشر وأيضًا من خلال انزياح الجاذبية الأحمر للضوء. يؤدي تمدد الوقت إلى اهتزاز الضوء بتردد أقل داخل مجال الجاذبية؛ وهكذا، فإن الضوء يتجه نحو طول موجي أطول - أي نحو الأحمر. لقد تحققت قياسات أخرى من مبدأ التكافؤ من خلال إظهار أن كتلة القصور الذاتي وكتلة الجاذبية متماثلتان تمامًا. إن التنبؤ الأكثر لفتًا للنسبية العامة هو التنبؤ بموجات الجاذبية. تحدث الموجات الكهرومغناطيسية بسبب الشحنات الكهربائية المتسارعة ويتم اكتشافها عند وضع شحنات أخرى في الحركة. وبالمثل، فإن موجات الجاذبية يمكن أن تسببها الكتل المتحركة ويتم اكتشافها عندما تبدأ الحركة في الكتل الأخرى. ومع ذلك، فإن الجاذبية ضعيفة جدًا مقارنة بالكهرومغناطيسية. فقط حدث كوني ضخم، مثل اصطدام نجمين، يمكن أن يولد موجات ثقالية يمكن اكتشافها. بدأت الجهود لاستشعار موجات الجاذبية في الستينيات، وتم اكتشاف هذه الموجات لأول مرة في عام 2015 عندما لاحظ ليجو وجود ثقبين أسودين على بعد 1.3 مليون سنة ضوئية يتصاعدان في بعضهما البعض.
تطبيقات الأفكار النسبية
على الرغم من أن التأثيرات النسبية لا تذكر في الحياة العادية، إلا أن الأفكار النسبية تظهر في مجموعة من المجالات من العلوم الأساسية إلى التكنولوجيا المدنية والعسكرية.
الجسيمات الأولية
العلاقة E = mc2 ضرورية في دراسة الجسيمات دون الذرية. إنها تحدد الطاقة المطلوبة لتكوين الجسيمات أو لتحويل نوع إلى آخر والطاقة التي يتم إطلاقها عند إبادة الجسيم. على سبيل المثال، يمكن أن يتصادم فوتونان، كل منهما من الطاقة E ، لتكوين جسيمين ، كل منهما كتلته m = E / c2. تُعد عملية الإنتاج الزوجي هذه خطوة واحدة في التطور المبكر للكون، كما هو موضح في نموذج الانفجار الأعظم.
مسرعات الجسيمات
تأتي معرفة الجسيمات الأولية بشكل أساسي من مسرعات الجسيمات. ترفع هذه الآلات الجسيمات دون الذرية، عادة الإلكترونات أو البروتونات، إلى سرعة الضوء تقريبًا. عندما تصطدم هذه الرصاصات النشطة بأهداف محددة، فإنها توضح كيفية تفاعل الجسيمات دون الذرية وغالبًا ما تنتج أنواعًا جديدة من الجسيمات الأولية. ولا يمكن تصميم مسرعات الجسيمات بشكل صحيح بدون النسبية الخاصة. في النوع الذي يسمى السنكروترون الإلكتروني، على سبيل المثال، تكتسب الإلكترونات الطاقة أثناء عبورها لمجرى دائري ضخم. فعند سرعة الضوء بالكاد تكون كتلتها أكبر بآلاف المرات من كتلة سكونها. نتيجة لذلك، يجب أن يكون المجال المغناطيسي المستخدم لعقد الإلكترونات في مدارات دائرية أقوى بآلاف المرات مما لو لم تتغير الكتلة.
الانشطار والاندماج: القنابل والعمليات النجمية
يتم إطلاق الطاقة في نوعين من العمليات النووية. في حالة الانشطار النووي، تنقسم نواة ثقيلة، مثل اليورانيوم، إلى نواتين أخف وزنًا؛ في الاندماج النووي، تتحد نواتان خفيفتان في نواة أثقل. في كل عملية، تكون الكتلة النهائية الكلية أقل من كتلة البداية. يظهر الفرق كطاقة وفقًا للعلاقة E = Δmc2 ، حيث Δm هو عجز الكتلة. يستخدم الانشطار في القنابل الذرية وفي المفاعلات التي تنتج الطاقة للتطبيقات المدنية والعسكرية. اندماج الهيدروجين في الهيليوم هو مصدر الطاقة في النجوم ويوفر قوة القنبلة الهيدروجينية. الجهود جارية الآن لتطوير اندماج الهيدروجين يمكن التحكم فيه كمصدر طاقة نظيف ووفير.
نظام تحديد المواقع العالمي
يعتمد نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) على المبادئ النسبية. يحدد مستقبل GPS موقعه على سطح الأرض من خلال معالجة إشارات الراديو من أربعة أقمار صناعية أو أكثر. تُحسب المسافة إلى كل قمر صناعي على أنها نتاج سرعة الضوء والفاصل الزمني بين إرسال واستقبال الإشارة. ومع ذلك، فإن مجال الجاذبية الأرضية وحركة الأقمار الصناعية يسببان تأثيرات تمدد الوقت، كما أن لدوران الأرض آثار نسبية. ومن ثم، فإن تقنية GPS تتضمن تصحيحات نسبية تمكن من حساب المواضع في حدود عدة سنتيمترات.
علم الكونيات
علم الكونيات، وهو دراسة بنية الكون وأصله، مرتبط ارتباطًا وثيقًا بالجاذبية، التي تحدد السلوك العياني لكل مادة. لعبت النسبية العامة دورًا في علم الكونيات منذ الحسابات المبكرة لأينشتاين وفريدمان. منذ ذلك الحين، قدمت النظرية إطارًا لاستيعاب نتائج الرصد، مثل اكتشاف هابل للكون المتوسع في عام 1929 ، وكذلك نموذج الانفجار الأعظم ، وهو التفسير المقبول عمومًا لأصل الكون.
تعتمد أحدث الحلول لمعادلات المجال الخاصة بأينشتاين على معلمات محددة تميز مصير وشكل الكون. أحدهما ثابت هابل، الذي يحدد مدى سرعة تمدد الكون؛ والآخر هو كثافة المادة في الكون التي تحدد قوة الجاذبية. تحت كثافة حرجة معينة، ستكون الجاذبية ضعيفة بما يكفي لتمدد الكون إلى الأبد، وبالتالي فإن الفضاء سيكون غير محدود. وفوق هذه القيمة، ستكون الجاذبية قوية بما يكفي لجعل الكون يتقلص إلى حجمه الأصلي بعد فترة محدودة من التوسع، وهي عملية تسمى "الانكماش الكبير". في هذه الحالة، سيكون الفضاء محدودًا أو مقيدًا مثل سطح الكرة. تركز الجهود الحالية في علم الكون القائم على الملاحظة على قياس أدق القيم الممكنة لثابت هابل والكثافة الحرجة.
النسبية ونظرية الكم والنظريات الموحدة
توصف النسبية العامة السلوك الكوني على نطاق واسع. تم وصف السلوك على المستوى دون الذري بواسطة ميكانيكا الكم، والتي بدأت مع عمل الفيزيائي الألماني ماكس بلانك في عام 1900 وتعالج الطاقة والكميات الفيزيائية الأخرى في وحدات منفصلة تسمى الكميات. كان الهدف المركزي للفيزياء هو الجمع بين نظرية النسبية ونظرية الكم في "نظرية كل شيء" شاملة تصف جميع الظواهر الفيزيائية. تشرح نظرية الكم الكهرومغناطيسية والقوى القوية والضعيفة، لكن لم يتم التوصل إلى وصف كمي لقوة الجاذبية الأساسية المتبقية. بعد أن طور أينشتاين النسبية، سعى دون جدوى إلى ما يسمى بنظرية المجال الموحد مع هندسة الزمكان التي من شأنها أن تشمل جميع القوى الأساسية. حاول منظرين آخرين دمج النسبية العامة مع نظرية الكم، لكن النهجين يعاملان القوى بطرق مختلفة اختلافًا جذريًا. في نظرية الكم، تنشأ القوى من تبادل جسيمات أولية معينة، وليس من شكل الزمكان. علاوة على ذلك، يُعتقد أن التأثيرات الكمومية تسبب تشويهًا خطيرًا للزمكان على نطاق صغير للغاية يسمى طول بلانك، وهو أصغر بكثير من حجم الجسيمات الأولية. يشير هذا إلى أنه لا يمكن فهم الجاذبية الكمية دون معالجة الزمكان بمقاييس غير مسبوقة، وعلى الرغم من أن العلاقة بين النسبية العامة وميكانيكا الكم لا تزال بعيدة المنال، فقد تم إحراز بعض التقدم نحو نظرية موحدة بالكامل. في الستينيات، قدمت النظرية الكهروضعيفة توحيدًا جزئيًا، وأظهرت أساسًا مشتركًا للكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة داخل نظرية الكم. تشير الأبحاث الحديثة إلى أن نظرية الأوتار الفائقة، التي يتم فيها تمثيل الجسيمات الأولية ليس كنقاط رياضية ولكن كأوتار صغيرة للغاية تهتز في 10 أبعاد أو أكثر، تُظهر وعدًا بدعم التوحيد الكامل، بما في ذلك الجاذبية. ومع ذلك، حتى يتم تأكيدها بالنتائج التجريبية، ستظل نظرية الأوتار الفائقة فرضية غير مختبرة.
الأثر الفكري والثقافي للنسبية
ردود الفعل في الثقافة العامة
لم يقتصر تأثير النسبية على العلم. ظهرت النسبية الخاصة على الساحة في بداية القرن العشرين، وأصبحت النسبية العامة معروفة على نطاق واسع بعد الحرب العالمية الأولى - في العصور التي أصبح فيها مفهوم "الحداثة" محددًا في الفن والأدب. بالإضافة إلى ذلك، تلقى تأكيد النسبية العامة الذي قدمه كسوف الشمس عام 1919 دعاية واسعة. حصل أينشتاين على جائزة نوبل للفيزياء عام 1921 (التي مُنحت لعمله حول طبيعة الفوتون للضوء)، بالإضافة إلى التصور الشائع بأن النسبية معقدة للغاية لدرجة أن قلة من الناس يمكن أن يفهموها، سرعان ما حول أينشتاين ونظرياته إلى أيقونات ثقافية. تم تطبيقها على نطاق واسع - وسوء تطبيقها - فور ظهورها. فسر بعض المفكرين النظرية على أنها تعني ببساطة أن كل الأشياء نسبية، واستخدموا هذا المفهوم في مجالات بعيدة عن الفيزياء. على سبيل المثال، كتب الفيلسوف وكاتب المقالات الإسباني خوسيه أورتيجا وجاسيت في الموضوع الحديث (1923)، تعتبر نظرية أينشتاين دليلاً رائعًا على التعدد المتناغم لجميع وجهات النظر الممكنة. إذا امتدت الفكرة إلى الأخلاق والجماليات، فسنصل إلى تجربة التاريخ والحياة بطريقة جديدة. كما تم الاستيلاء على الجانب الثوري لفكر أينشتاين، من قبل الناقد الفني الأمريكي توماس كرافن ، الذي قارن في عام 1921 الفاصل بين الفن الكلاسيكي والفن الحديث مع الانفصال بين الأفكار النيوتونية والأينشتاينية حول المكان والزمان. لقد رأى البعض علاقات محددة بين النسبية والفن ناشئة عن فكرة استمرارية الزمكان رباعية الأبعاد. في القرن التاسع عشر، أدت التطورات في الهندسة إلى الاهتمام الشعبي بالبعد المكاني الرابع، الذي تم تخيله بطريقة ما في زوايا قائمة على الأبعاد الثلاثة العادية للطول والعرض والارتفاع. كان كتاب إدوين أبوت أرض مستوية (1884) أول عرض شعبي لهذه الأفكار. تحدثت الأعمال الخيالية الأخرى التي تلت ذلك عن البعد الرابع كحلبة منفصلة عن الوجود العادي. ان الكون رباعي الأبعاد لأينشتاين، مع ثلاثة أبعاد مكانية وواحد من الزمن، يختلف من الناحية المفاهيمية عن أربعة أبعاد مكانية. لكن النوعين من العالم رباعي الأبعاد اختلطتا في تفسير الفن الجديد للقرن العشرين. أصبحت الأعمال التكعيبية المبكرة التي قام بها بابلو بيكاسو والتي صورت في نفس الوقت جميع جوانب موضوعاتها مرتبطة بفكرة الأبعاد الأعلى في الفضاء، والتي حاول بعض الكتاب ربطها بالنسبية. في عام 1949، على سبيل المثال، كتب مؤرخ الفن بول لابورت أن "المصطلح التصويري الجديد الذي أنشأه التكعيبية يتم شرحه بشكل مرضٍ للغاية من خلال تطبيق مفهوم استمرارية الزمكان". رفض أينشتاين هذا الرأي على وجه التحديد، قائلاً: "هذه" اللغة "الفنية الجديدة ليس لها أي شيء مشترك مع نظرية النسبية". ومع ذلك، اكتشف بعض الفنانين صراحة أفكار أينشتاين. في الاتحاد السوفياتي الجديد في عشرينيات القرن الماضي، على سبيل المثال، الشاعر والرسام فلاديمير ماياكوفسكي ، مؤسس الحركة الفنية المسماة "المستقبل الروسي" ، أو التفوق ، استعان بخبير لشرح النسبية له. انعكس الاهتمام العام المنتشر بالنسبية في عدد الكتب المكتوبة لتوضيح الموضوع لغير الخبراء. ظهر عرض أينشتاين الشهير للنسبية الخاصة والعامة على الفور تقريبًا، في عام 1916، وظهرت مقالته عن الزمكان في الطبعة الثالثة عشر من الموسوعة البريطانية في عام 1926. علماء آخرون، مثل عالم الرياضيات الروسي ألكسندر فريدمان والفلكي البريطاني آرثر إدينجتون ، كتب كتبا شهيرة عن الموضوعات في عشرينيات القرن الماضي. استمرت هذه الكتب في الظهور بعد عقود. عندما تم الإعلان عن النسبية لأول مرة، كان الجمهور عادةً مندهشًا من تعقيدها، وهي استجابة مبررة للرياضيات المعقدة للنسبية العامة. لكن الطبيعة المجردة وغير الحسية للنظرية ولدت أيضًا ردود فعل ضد انتهاكها الواضح للفطرة السليمة. تضمنت ردود الفعل هذه مسحة سياسية. في بعض الأوساط، كان من غير الديمقراطي تقديم أو دعم نظرية لا يمكن أن يفهمها الشخص العادي على الفور. في الاستخدام المعاصر، قبلت الثقافة العامة أفكار النسبية - استحالة السفر بشكل أسرع من الضوء، E = mc2 ، تمدد الوقت والمفارقة المزدوجة ، الكون المتوسع ، والثقوب السوداء والثقوب الدودية - إلى النقطة التي هم فيها يتم التعرف عليها على الفور في وسائل الإعلام وتوفر أجهزة حبكة لأعمال الخيال العلمي. اكتسبت بعض هذه الأفكار معنى يتجاوز أفكارها العلمية البحتة. في عالم الأعمال، على سبيل المثال، يمكن أن يعني "الثقب الأسود" استنزاف مالي غير قابل للاسترداد.
اعتبارات فلسفية
في عام 1925 اقترح الفيلسوف البريطاني برتراند راسل في كتابه أبجديات النسبية أن عمل أينشتاين سيؤدي إلى مفاهيم فلسفية جديدة. كان للنسبية بالفعل تأثير كبير على الفلسفة، حيث ألقت الضوء على بعض القضايا التي تعود إلى الإغريق القدماء. تعود فكرة الأثير، التي تم استحضارها في أواخر القرن التاسع عشر لنقل موجات الضوء، إلى أرسطو. قسّم العالم إلى الأرض والهواء والنار والماء، مع الأثير كعنصر خامس يمثل الكرة السماوية النقية. قضت تجربة ميكلسون مورلي والنسبية على آخر بقايا هذه الفكرة. لقد غيرت النسبية أيضًا معنى الهندسة حيث تم تطويرها في عناصر إقليدس (حوالي 300 قبل الميلاد). اعتمد نظام إقليدس على البديهية "الخط المستقيم هو أقصر مسافة بين نقطتين"، من بين أمور أخرى بدت صحيحة بشكل واضح. لعبت الخطوط المستقيمة أيضًا دورًا خاصًا في بصريات إقليدس باعتبارها المسارات التي تتبعها أشعة الضوء. بالنسبة للفلاسفة مثل الألماني إيمانويل كانط، تمثل بديهية الخط المستقيم لإقليدس مستوى عميقًا من الحقيقة. لكن النسبية العامة تجعل من الممكن علميًا فحص الفضاء مثل أي كمية مادية أخرى - أي التحقق من مقدمات إقليدس. من المعروف الآن أن الزمكان منحني بالقرب من النجوم. لا توجد خطوط مستقيمة هناك، ويتبع الضوء الجيوديسيا المنحنية. مثل قانون الجاذبية لنيوتن، تصف هندسة إقليدس الواقع بشكل صحيح في ظل ظروف معينة، لكن البديهيات ليست أساسية وكونية تمامًا، لأن الكون يتضمن أيضًا أشكال هندسية غير إقليدية. بالنظر إلى اتساعها العلمي، وإعادة صياغة وجهة نظر الناس للواقع، وقدرتها على وصف الكون بأكمله، وتأثيره خارج العلم، فإن نسبية أينشتاين تعد من أهم النظريات العلمية وتأثيرها".
بقلم سيدني بيركويتز، المصدر: الموسوعة البريطانية، الرابط:
Relativity - Philosophical considerations
Relativity - Relativity - Philosophical considerations: In 1925 the British philosopher Bertrand Russell, in his ABC of Relativity, suggested that Einstein’s work would lead to new philosophical concepts. Relativity has indeed had a great effect on philosophy, illuminating some issues that go...
www.britannica.com
كاتب فلسفي
