علماء نوبل_ألبرت أينشتاين 2

ظهور النظرية النسبية الخاصة


في النصف الثاني من القرن 19 قدم جيمس كلارك ماكسويل ( 1831 - 1879 ) نظرية متكاملة عن الظواهر الكهرطيسية. لم تحوي هذه النظرية على متغيرات ميكانيكية كما في قانون التحريض الكهرطيسي:

كان من الواضح أنه لا يأخذ بعين الاعتبار أية فكرة عن جسيمات مرافقة
لهذه الأمواج و قد بيّن ماكسويل في هذه النظرية أن الضوء عبارة عن أمواج
كهرومغناطيسية.
جميع الظواهر الموجية
المعروفة آنذاك كانت عبارة عن تموج لوسط معين ( الأمواج على سطح الماء,
الأمواج الصوتية...). لذلك اعتقد الفيزيائيون أن الضوء يجب أن يكون تموج
لوسط ما أطلقوا عليه اسم الأثير, و كان على هذا الأثير أن يملأ الكون
بأكمله ليؤمن توصيل ضوء النجوم البعيدة, و أن يكون سهل الاجتياز ( و إلا
لكبح حركة الأرض حول الشمس ), و على الضوء أن ينتشر به بسرعة c .
حاول العديد من الفيزيائيين ومن ضمنهم ماكسويل وضع نموذج ميكانيكي للأثير لكن النجاح لم يحالفهم في ذلك و مع الوقت ساد الاعتقاد بعدم قدرة الميكانيك على تفسير الظواهر الكهرومغناطيسية.
وبذلك تكون جملة المقارنة الجاليلية
(نسبة لجاليليو)المرتبطة بالأثير متميزة عن باقي جمل المقارنة الجاليلية. و كان بالإمكان
إذا استنتاج سرعة كل جملة مقارنة جاليلية بالنسبة إلى الأثير عن طريق
القيام بتجارب انتشار الضوء و لما كان انطبق مبدأ النسبية الميكانيكي على
انتشار الضوء.
في الواقع عندما تتحرك الأرض باتجاه ما بالنسبة للأثير و بسرعة v و
نرسل من الأرض إشارة ضوئية بنفس الاتجاه ستكون سرعة الإشارة بالنسبة
للأثير c و بالنسبة للأرض c-v . أما إذا أرسلت الإشارة بالاتجاه المعاكس
فستكون سرعتها بالنسبة للأرض c+v . و لما كانت الأرض تتحرك حول الشمس
بسرعة 30 كم. ثا-1 على مسار دائري تقريبا توقع الفيزيائيون بأن الأرض
تتحرك بسرعة مماثلة تقريبا بالنسبة للأثير.
في نهاية القرن 19 أجريت تجارب عديدة لقياس التغيرات في سرعة الضوء
بالنسبة للأرض و التي سببها حركة الأرض بالنسبة للأثير.لكن جميع النتائج
جاءت سلبية حيث انتشر الضوء في جميع الاتجاهات بالنسبة للأرض بسرعة
متساوية c . و كانت هذه النتيجة هي جوهر تجربة مايكلسون و مورلي .
تم إثبات هذه النتيجة في يومنا هذا عن طريق عمل نظام التوقيت الدولي
الذي يعتمد على الساعة الذرية و كذلك عن طريق التجارب التي أجريت في
الفيزياء النووية و فيزياء الجزيئات الأساسية. تدل سرعة الضوء الثابتة على
تعذر التميز بين جمل المقارنة الجاليلية حتى باستخدام تجارب انتشار الضوء.
ظهرت عدة فرضيات في نهاية القرن 19 تحاول تفسير النتائج التي توصلت إليها
التجارب حول ثبات سرعة انتشار الضوء لكن جميعها عجزت عن تعميق فهمنا لهذه
الحقيقة.
وضع اينشتاين عام 1905 المبدأين التاليين ليكونا أساس النظرية النسبية الخاصة و التي دعيت بالخاصة لأنها خاصة بجمل المقارنة الغاليلية: مبدأ النسبية و مبدأ ثبات سرعة الضوء.

• مبدأ النسبية Relativity Principle: لا توجد خصوصية أو اختلافات في القوانبن الطبيعية بين مختلف الجمل العطالية
  (النظم المتحركة حركة منتظمة مثل سقوط حر لأسفل علي كوكب متحرك مثل الارض Inertial frame of reference). فكل ملاحظ في أي جملة عطالية يجب أن يكون على توافق مع مراقب في جملة
  عطالية أخرى بشأن توصيف الواقع الفيزيائي . (تأخذ قوانين الفيزياء التعبير
  الرياضي نفسه في جميع جمل المقارنة الخارجية الغاليليةأي جميع جمل
  المقارنة الغاليلية متساوية فيزيائيا.) لا توجد جملة مقارنة مطلقة(أي ان بالاختصار كل شئ نسبي ولا وجود للمطلق فإذا كنت تركب طائرة فسيكون الكرسي الذي امامك أو تحتك ثابت بالنسبة لك لكنه متحرك بالنسبة للمراقب من سطح الارض) لذا لا
  يمكن عن طريق أية تجربة فيزيائية ( ميكانيكية, بصرية...) تجرى ضمن جملة
  المقارنة تحديد إذا ما كانت هذه الجملة ساكنة بالنسبة لجملة أخرى أو تتحرك
  بحركة مستقيمة منتظمة . حيث تم توسيع هذا المبدأ ليشمل كل الأحداث
  الفيزيائية.
  

• ثبات سرعة الضوء : سرعة الضوء بالنسبة لجميع المراقبين العطاليين
  inertial observers واحدة ( س ) و في جميع الاتجاهات و لا تعتمد على سرعة
  الجسم المصدر للضوء . إن سرعة انتشار الضوء في الفراغ هي السرعة الحدية
  العظمى و لها القيمة نفسها في جميع جمل المقارنة الغاليلية. بغض النظر عن
  سرعة المنبع و جهة انتشار الضوء و حركة كل من المنبع و المراقب(صحيح حتي الان لكن شخصيا اعتقد انه لو أخطأت هذه النظرية فسوف يكون الخطاء في هذه الفرضية وحتي الان ظهرت ابحاث من نوع تعجيل الضوء تخالف هذا المبدأ).
  

عند جمع هذين الفرضين يمكننا الاستنتاح أن الضوء لا يحتاج إلى وسط ( أثير ) ينتقل فيه كما تنص نظرية نيوتن ، فهو لا يرتبط بجملة مرجعية (نظام مرجعي) reference system .
و بما أن هذه النظرية تهمل تأثيرات الجاذبية(الضوء ينحني عند جذبه بواسطة ثقب اسود في الفضاء) فيجب ان ننتبه إلى تطبيقها
فقط عندما تكون التاثيرات الثقالية مهملة و ضئيلة والا حصلنا على نتائج
خاطئة .

نتائج النظرية

• الفاصل الزمني بين حدثين متغير من مراقب إلى آخر لكنه يعتمد على السرع النسبية لأنظمة المرجعية للمراقبين.
  
• نسبية التزامن : يمكن لحدثين متزامنين ، يحدثان في نفس الوقت
  في مكانين منفصلين ضمن نظام مرجعي ، أن يكونا غير متزامنين متعاقبين
  بالنسبة لمراقب في نظام مرجعي أخر.
  
• نسبية القياس : يمكن لعملية القياس التي يجريها مراقبين في نظامين مرجعيين reference system مختلفتين أن تعطي نتائج و قياسات مختلفة
  لنفس الشئ المقاس.
  
• نسبية الزمن و مفارقة التوأمين twins paradox : اذا سافر أحد
  توأمين في مركبة فضائية بسرعة تقارب سرعة الضوء ، فسيكتشف بعد عودته للأرض
  بعد خمس سنوات على ساعته ، مرور خمسين عاما على توقيت الارض و سيجد أن
  أخاه قد كبر خمسين عاما في حين لم يزد عمره هو سوى خمس سنين ... مما يعني
  أن الزمن يتباطأ بتزايد سرعة النظام المرجعي التي يتم القياس بها.
  

رفضت النسبية فكرة المرجع المطلق absolute reference التي تتوافق مع
فكرة مكان متجانس مملوء بمادة تدعي الأثير ينتقل عبرها موجات الضوء ، لقد
نسفت النسبية هذه الفكرة من جذورها استنادا إلى تجربة ميكلسون ومورلي
التي بينت ثبات سرعة الضوء و قامت باستبدالها بمبدأ النسبية الذي ينص على
ثبات قوانين الفيزياء ( و ليس الفضاء ) بالنسبة لكافة الأنظمة ذات السرعات
الثابتة ( أنظمة العطالية inertial systems) . يمكن ببساطة التحويل بين الجمل المرجعية المتحركة بالنسبة لبعضها عن طريق مجموعة قوانين تدعى : تحويلات لورينتز .
و كما قامت النسبية بتوحيد الزمان مع المكان في فضاء واحد رباعي
الأبعاد ، قامت بتبيان العلاقة بين الكتلة Mass, و العزم Momentum, و
الطاقة Energy على انها تظاهرات لشئ واحد و فتحت الباب نحو تحويل هذه
الظواهر إلى بعضها البعض و عوضا عن الحديث عن انحفاظ المادة Matter أو
الطاقة أو العزم يمكننا الحديث عن انحفاظ مجموع هذه القيم ضمن الجمل
المعزولة ..

يتبع