النظريات الأساسية في الفيزياء : النسبية الخاصة(الجزء الأول) 1 Relativité restreinte1
- الفيزياء
-
النظريات الأساسية في الفيزياء : النسبية الخاصة1
تقديم: محمد الغنفري
صفحة: الباحثون المغاربة
نظرية النسبية هي بنية رياضية أكثر عمومية من تلك التي تأسست عليها الميكانيكا
الكلاسيكية، وتصف حركة الأجسام بسرعات تقارب سرعة الضوء، أو أنظمة ذات
كُتلٍ هائلة، وتشتمل على شقين هما نظرية النسبية الخاصة ونظرية النسبية العامة .
اقترح نظرية النسبية الخاصة الفيزيائي الألماني ألبرت أينشتاين، سنة 1905، في
ورقة بحثية شهيرة بعنوان "حول الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة" بناء
على المساهمات الهامة لهندريك لورنتس وهنري بوانكاريه. ويتطرق هذا المقال
إلى أن نظرية النسبية الخاصة تجد حلا لعدم الإتساق بين معادلات ماكسويل
والميكانيكا الكلاسيكية. وتقوم النظرية على مسلمتين هما؛ (1) أن القوانين
الفيزيائية لا تتغير بتغير الإطار المرجعي العطالي للنظم ، أي انه لا يمكننا تمييز
الحركة المستقيمة بسرعة ثابتة (ندعوها حركة منتظمة) عن السكون فالظواهر
والقوانين التي سيرصدها ويستنتجها شخصين يتحركان بالنسبة لبعضهما بحركة
منتظمة هي نفسها. (2) وأن سرعة الضوء في الفراغ هي مقدار ثابت وغير متصل
بحركة مصدر الضوء أو بالمشاهد أي أن سرعة الضوء هي أكبر سرعة يمكن
الوصول اليها. وبحسب الفرضية الأولى فهي نفسها بالنسبة للجميع سواء كانوا
ثابتين بالنسبة لبعضهم أم متحركين بحركة منتظمة . الدمج بين هاتين المسلمتين
يقود إلى افتراض علاقة بين أمرين منفصلين في الميكانيكا الكلاسيكية، وهما
المكان والزمان ويجمع بينهما في بنية تسمى الزمكان .
إحدى التدعيات الهامة للنسبية الخاصة، والتي تبدو مخالفة للبديهة وإن
كانت
أثبتتها عدة تجارب، هي انعدام مكان أو زمان مطلق، أي منفصل عن الإطار
المرجعي للمشاهد (ومن هنا يأتي مصطلح النسبية). وهذا يعني أن الكتلة والأبعاد
والزمن تتغير بتغير سرعة الجسم، وذلك ملائمةً لثبات سرعة الضوء. قد تكون هذه
الظواهر غير محسوسة بمجال السرعات في حياتنا اليومية وتبقى بذلك قوانين
نيوتن سارية، ولكنها تصير ذات تأثير لا يستهان به عندما ترتفع السرعة وتقارب
سرعة الضوء .
ومن أهم النتائج الأخرى مبدئ التكافئ بين المادة والطاقة، وهو أمر تعبر عنه بشكل
بليغ أحد أشهر المعادلات الفيزيائية:
E = m c 2
حيث E هي الطاقة، و m هي الكتلة، و c هي سرعة الضوء في الفراغ (2 فوق
سرعة الضوء تعني أن الطاقة تتناسب طرديًا مع مربع هذه السرعة). بعبارة أخرى
تُنبئنا هذه الصيغة الرياضية أن لكل جسم ذي كتلةٍ طاقةٌ مرتبطة به، والعكس
بالعكس.
لذلك رأى اينشتاين أنه يجب أن تكون سرعة الضوء في الخلاء مستقلة عن حركة
المنبع الضوئي وهذا يعني ثبات سرعة الضوء وهذه السرعة أصبحت ثابت كوني
ولكن لم تستند إليه قوانين نيوتن ومن ثبات سرعة الضوء اتجه اينشتاين إلى
تحليل مفهومي المكان والزمان المطلقين، وكان عليه أن يبرهن بأن تواقت حادثين
منفصلين في مكان ليس له معنى مطلق بل يتعلق بحركة المراقب وكي نثبت هذه
الفكرة نحتاج إلى شرح تجربه وهي تحتاج إلى خيال وتركيز.
تقديم: محمد الغنفري
صفحة: الباحثون المغاربة
نظرية النسبية هي بنية رياضية أكثر عمومية من تلك التي تأسست عليها الميكانيكا
الكلاسيكية، وتصف حركة الأجسام بسرعات تقارب سرعة الضوء، أو أنظمة ذات
كُتلٍ هائلة، وتشتمل على شقين هما نظرية النسبية الخاصة ونظرية النسبية العامة .
اقترح نظرية النسبية الخاصة الفيزيائي الألماني ألبرت أينشتاين، سنة 1905، في
ورقة بحثية شهيرة بعنوان "حول الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة" بناء
على المساهمات الهامة لهندريك لورنتس وهنري بوانكاريه. ويتطرق هذا المقال
إلى أن نظرية النسبية الخاصة تجد حلا لعدم الإتساق بين معادلات ماكسويل
والميكانيكا الكلاسيكية. وتقوم النظرية على مسلمتين هما؛ (1) أن القوانين
الفيزيائية لا تتغير بتغير الإطار المرجعي العطالي للنظم ، أي انه لا يمكننا تمييز
الحركة المستقيمة بسرعة ثابتة (ندعوها حركة منتظمة) عن السكون فالظواهر
والقوانين التي سيرصدها ويستنتجها شخصين يتحركان بالنسبة لبعضهما بحركة
منتظمة هي نفسها. (2) وأن سرعة الضوء في الفراغ هي مقدار ثابت وغير متصل
بحركة مصدر الضوء أو بالمشاهد أي أن سرعة الضوء هي أكبر سرعة يمكن
الوصول اليها. وبحسب الفرضية الأولى فهي نفسها بالنسبة للجميع سواء كانوا
ثابتين بالنسبة لبعضهم أم متحركين بحركة منتظمة . الدمج بين هاتين المسلمتين
يقود إلى افتراض علاقة بين أمرين منفصلين في الميكانيكا الكلاسيكية، وهما
المكان والزمان ويجمع بينهما في بنية تسمى الزمكان .
أثبتتها عدة تجارب، هي انعدام مكان أو زمان مطلق، أي منفصل عن الإطار
المرجعي للمشاهد (ومن هنا يأتي مصطلح النسبية). وهذا يعني أن الكتلة والأبعاد
والزمن تتغير بتغير سرعة الجسم، وذلك ملائمةً لثبات سرعة الضوء. قد تكون هذه
الظواهر غير محسوسة بمجال السرعات في حياتنا اليومية وتبقى بذلك قوانين
نيوتن سارية، ولكنها تصير ذات تأثير لا يستهان به عندما ترتفع السرعة وتقارب
سرعة الضوء .
ومن أهم النتائج الأخرى مبدئ التكافئ بين المادة والطاقة، وهو أمر تعبر عنه بشكل
بليغ أحد أشهر المعادلات الفيزيائية:
سرعة الضوء تعني أن الطاقة تتناسب طرديًا مع مربع هذه السرعة). بعبارة أخرى
تُنبئنا هذه الصيغة الرياضية أن لكل جسم ذي كتلةٍ طاقةٌ مرتبطة به، والعكس
بالعكس.
لم تأخذ فرضية فتزجيرالد- لورنتز في التقلص مأخذ الجد
وبقيت كذلك إلى أن فسرها
ألبرت أينشتاين عندما أعلن عن
ظهور النسبية الخاصة، ولم يطور أينشتاين نظرية
كي يبحث
عن تفسير لهذه التجربة لأنه لم يكن يعلم بها وكان
منغمسا في نظرية
ميكسول الكهرومغناطيسيه وكي نفهم
طبيعة هذه النظرية دعونا نراقب قطار مثلا
ثم نحاول من
مراقبتنا له تحديد حركتنا، أننا مهما تأنينا في
مراقبتها فلن نكتشف
أننا على سطح كوكب متحرك أو ساكن
لإن سلوكنا لا يدل على أي شي ولا يختلف
الأمر إذا كنا
في مركبة أو قطار أو طائره تتحرك بسرعة ثابتة إذ لن
نتمكن من
اكتشاف حركتنا المنتظمة (بسرعة ثابتة وفي خط
مستقيم) والسبب هو استقلال
قوانين نيوتن في الحركة عن
حركة المراقب المنتظمة أي لا يمكن أن تتغير هذه
القوانين عندما ينتقل المراقب من مرجع إلى مرجع أخر
يتحركان بانتظام وقد نقل
اينشتاين هذه الفكرة إلى
الضوء واقنع نفسه بان الضوء اقدر من قوانين الميكانيكا
على كشف حركتنا المنتظمة وهذا يعني انه لايمكن
لمعادلات مكاسويل التي تصف
انتشار الضوء علاقة بحركة
الراصد لأنها لو كانت متعلقة بحركة الراصد لأمكن
للمعادلات أن تفيدنا في تعين حركة الشيء المطلق وكذلك
تجربة ميكلسون
ومورلي.
لذلك رأى اينشتاين أنه يجب أن تكون سرعة الضوء في الخلاء مستقلة عن حركة
المنبع الضوئي وهذا يعني ثبات سرعة الضوء وهذه السرعة أصبحت ثابت كوني
ولكن لم تستند إليه قوانين نيوتن ومن ثبات سرعة الضوء اتجه اينشتاين إلى
تحليل مفهومي المكان والزمان المطلقين، وكان عليه أن يبرهن بأن تواقت حادثين
منفصلين في مكان ليس له معنى مطلق بل يتعلق بحركة المراقب وكي نثبت هذه
الفكرة نحتاج إلى شرح تجربه وهي تحتاج إلى خيال وتركيز.
في الجزء القادم من النسبية الخاصة سيتم التطرق لقصة القطار و علاقته بالنسبية الخاصة.
المصدر: ويكيبيديا و الموسوعة العربية
كتاب الموجز في تاريخ الزمن
