النظرية النسبية لالبرت انشتاين

النظرية النسبية لالبرت انشتاين



النسبية أو النظرية النسبية (بالإنجليزية: the theory of relativity)، من أشهر نظريات الفيزياء الحديثة، تم تطويرها من قبل ألبرت أينشتاين في بدايات القرن العشرين. توجد نظريتان للنسبية، الأولى هي النسبية الخاصة والثانية هي النسبية العامة، كلاهما تعتمدان على مبدأ النسبية الذي وضعه جاليليو جاليلي في عام 1636م .

مصطلح "theory of relativity" أو "نظرية نسبية" تم استناده من تعبير "relative theory" ( بالألمانية: Relativtheorie ) واستخدم من قبل ماكس بلانك عام 1906، بلانك الذي أكد على أن النظرية استخدمت مبدأ النسبية. في قسم النقاش على نفس الورقة ألفريد بوخر استخدم للمرة الأولى تعبير theory of relativity (بالألمانيةRelativitätstheorie) 


النظرية النسبية غيّرت الكثير من المفاهيم بما يتعلق بالمصطلحات الاساسية في الفيزياء: المكان والزمان والكتلة والطاقة. حيث احدثت نقلة نوعية في الفيزياء النظرية والفلك في القرن العشرين. عند نشرها لأول مرة، عدلت الأسس النظرية لميكانيكا نيوتن التي كانت قائمة منذ 200 عام.

لقد قامت نظرية النسبية بتحويل مفهوم الحركة لنيوتن، حيث نصت أن كل الحركة نسبية. ومفهوم الزمن تغير من كونه مطلق ويسير إلى الأمام دائماً، إلى كونه نسبي وجعله بُعْدْ رابع يدمج مع الأبعاد الثلاثة المكانية. وجعلت الزمان والمكان شيئاً موحداً بعد أن كان يتم التعامل معهما كشيئين مختلفين. وجعلت مفهوم الزمن يتوقف على سرعة الأجسام، وأصبح تقلص وتمدد الزمن مفهوماً أساسياً لفهم الكون. وبذلك تغيرت كل الفيزياء الكلاسيكية حسب مفهوم نيوتن.

وأدت مفاهيم النظرية النسبية إلى ظهور علوم جديدة كلياً مثل: الفيزياء الفلكية وعلم الكون. بالإضافة لإستخدامها في تطبيقات حياتية كنظام الملاحة العالمي GPS.

النظرية النسبية الخاصة
النسبية الخاصة التي نشرها أينشتاين عام 1905م، جاءت للإجابة على صعوبات في خواص سرعة الضوء. نتائج تجربة ميكلسون ومورلي، التي تم فيها فحص انتشار الضوء في اتجاهات مختلفة، ناقضت قانون السرعة النسبية. حيث قانون السرعة النسبية يعتبر أنه لو كانت سيارة تسير بسرعة 99% من سرعة الضوء، فعلى أضواء السيارة أن تكون سرعتها ضعف سرعة الضوء.

تفسير النظرية النسبية لهذا التناقض بأن سرعة الضوء ثابتة بلا علاقة بالسرعة النسبية. يرمز لسرعة الضوء بالحرف C (سرعة الضوء بالفراغ وقيمتها هو 299,792,458 متر في الثانية).

هذا الافتراض بأن سرعة الضوء ثابتة، يظهر فرضيتان أساسيتان، بموجبهما يتم قياس سرعة الجسم المتحرك:

1. تباطؤ الزمن

حيث
   فرق الزمن النسبي.
  فرق الزمن عند السكون.

ما معنى الإبطاء الزمني؟

بينت النظرية النسبية الخاصة أن الإبطاء الزمني يتبع معامل لورينتز . ولنفرض أن أحمد قد ركب صاروخ يسير بسرعة v (بالنسبة للأرض ) ومع ساعة ، وترك أخاه على الأرض ومعه ساعة من نفس الماركة . فعندما يقوم أحمد بقياس الزمن على ساعته ويمر عليه فترة  ويقوم أخاه هاشم بقياس نفس الفترة فيحصل على الفترة الزمنية  ، نجد أن الفترتين مختلفتين ,ويتزايد اختلافهما بتزايد اقتراب سرعة الصاروخ من سرعة الضوء (في حياتنا اليومية لا نلاحظ تلك الفروق حيث أن سرعة تحركاتنا بطيئة جدا بمقارنتها بسرعة الضوء التي تبلغ 300.000كيلومتر في الثانية) . والنسبة بين سريان الزمن على الصاروخ ومسيرته على الأرض تعتمد على معامل لورينتز كما تبين المعادلة أعلاه التي تعتمد على مربع النسبة v/c .

بحسب مربع النسبة v/c نجد أن ساعة أحمد تبين مرور 50 دقيقة عنده في الوقت الذي تسجل فيه ساعة أخيه على الأرض مرور ، مثلا 60 دقيقة .

فكلما اقتربت v من c كلما اقترب الكسر v/c من 1 ، وكلما اقترب الجزء  من الصفر . بالتالي تزداد القيمة  . وقد تحققنا من ذلك خلال تجارب كثيرة على طائرات و أقمار صناعية على تلك الإختلا فات التي يمكن حسابها بواسطة معامل لورينتز .

أي الأخين أكبر ؟

نفترض أن أحمد عمره 31 سنة وعمر أخيه هشام 30 سنة . ونفترض أن أحمد ركب مركبة فضائية وقام بسفرية استغرقت وفق ساعته على الصاروخ سنتين فأصبح سنه 33 سنة ، في نفس الوقت قد يمر على هشام على الأرض 5 سنوات فيصبح سنه 35 سنة . فعلا يمكن أن يحدث ذلك وأكثر عندما يتحرك أحمد بسرعة مقاربة من سرعة الضوء ويظل هشام على الأرض.

• اعترض بعض العلماء على تلك النتيجة وقت صياغة أينشتاين للنظرية النسبية وقالوا أنه بالنسبة إلى راصد خارج الأرض ، على المريخ مثلا يشاهد المركبة الفضائية تخرج من الأرض وتؤدي رحلتها ثم تعود إلى الأرض . فرد عليهم أينشتاين أن ظروف المركبة الفضائية وظروف الأرض تختلفان ، إذ أن مركبة الفضاء (وأحمد عليها) هما الذان عانا عمليات التعجيل والكبح .

الولد وأبوه

نفترض أن الأب رائد فضاء بدأ رحلته بالصاروخ وعمره 40 سنة وكان ابنه مولودا عمره سنة واحدة ، ثم مر على الوالد في الصاروخ مدة أربعة سنوات حتى عودته إلى الأرض . قد تعادل الأربعة سنوات على الصاروخ السريع أربعين سنة على الأرض (تصل قيمة  = 10 عندما تكون سرعة الأب 993و0 من سرعة الضوء) . فيصبح سن الأب عند عودته 44 سنة ويجد ابنه في سن 41 سنة . بل إذا زادت سرعة الصاروخ أكثر من ذلك فقد يعود الأب إلى الأرض في سن 44 سنة ويجد أبنه في سن 50 سنة !! والمهم هو استمرار طيران الأب بسرعة مقاربة من سرعة الضوء.

2. تقلص الأطوال


حيث

L هو طول الجسم في حالة السكون.
L' هو الطول الظاهر للراصد.
 هي السرعة النسبية بين الراصد والجسم المتحرك.
 هي سرعة الضوء.

ما معنى تقلص الطول ؟

تنص النظرية النسبية على أن الأطوال تقصر "في اتجاه الحركة" وذلك عندما يقوم مشاهد خارج النظام بقياسها . وعلى سبيل المثال إذا افترضنا قطارا يسير بسرعة v مقاربة من سرعة الضوء c وبه راكب يقوم بقياسه ونفترض أن الطول الذي يحصل عليه داخل القطار L . ونفترض مشاهد واقف على رصيف المحطة يقوم هو أيضا بقياس القطار الذي يمرق أمامه بالسرعة v فهو يحصل على الطول L' . العلاقة بين الطولين يحددها معامل لورينتز الذي يعتمد على مربع النسبة بين سرعة القطار وسرعة الضوء  طبقا للعلاقة أعلاه .

أي أن المشاهد الواقف على المحطة يقيس القطار المارق من أمامه بالطول L' بينما يقيسه راكب القطار (ويتحرك بنفس سرعة القطار) بالطول L ، وهذا ما تعنيه "النسبية" ، اي نسبية قياس طول القطار بالنسبة لمشاهدين أحدهما يتحرك مع القطار ويقيسه والآخر يشاهده من المحطة ، تختلف النتيجتان.

وكما تحدث نسبية قياس الأطوال وعلى الأخص عندما تقترب سرعة النظام المتحرك بسرعة مقاربة من سرعة الضوء فتصبح ملحوظة كذلك يكون قياس الزمن نسبي بالنسبة لشخص يتحرك مع الصاروخ وآخر واقف على منصة الإقلاع (انظر أسفله).
بحيث ان  (جاما) هو رمز معامل لورنتز ويساوي:


أو


   مقسوم السرعة النسبية على سرعة الضوء,
v السرعة النسبية
c هي سرعة الضوء الساقط.
النظرية بين الثنائية
نظرية النسبية كانت تمثيلاً لأكثر من نظرية فيزيائية جديدة. يوجد بعض التفسيرات لهذا.

3- تزايد الكتلة

تتزايد كتلة الأجسام كلما اقتربت سرعتها من سرعة الضوء البالغة 300.000 كيلومتر في الثانية. وفعلا عينت تلك الزيادة في المختبرات حيث تعجل جسيمات مثل البروتون في معجل مع قياس كتلتها ، وقياس زيادة كتلتها بزيادة سرعاتها . هذه هي احدى نتائج النظرية النسبية الخاصةلأينشتاين التي صاغها عام 1905 . والعلاقة الخاصة بتزايد الكتلة بزيادة سرعة الجسم تقول أن :

حيث

m' الكتلة النسبية أو كتلة الجسيم المتحرك ،

m كتلة السكون .

ينتج من تلك العلاقة أن جسما لا يمكن من الوجهة العملية أن تبلغ سرعته سرعة الضوء ، إذ أن تسريع الجسم يحتاج إلى طاقة وكلما زادت كتلة الجسم احتاج لتسريعه طاقة أكبر ، وزيادة سرعته تزيد من كتلته فبالتالي يحتاج إلى طاقة أكبر فأكبر لتسريعه أكثر حتى تصبح الطاقة اللآزمة لتسريعه لا نهائية ، أي لا يمكن تحضيرها عمليا.

أولًا : النسبية الخاصة نشرت في عام 1905 والصورة العامة للنسبية نشرت في عام 1906.

ثانيًا : النسبية الخاصة تطبق على الجسيمات الأولية وتفاعلاتها، في حين تطبق نظرية النسبية العامة على العالم الكوني والفيزياء الفلكية، بما في ذلك علم الفلك 

ثالثًا : النسبية الخاصة تم قبولها في المجتمع الفيزيائى في عام 1920. هذه النظرية أصبحت سريعًا أداة ضرورية وهامة للمنظرين وللتجريبيين في المجالات الجديدة : الفيزياء الذرية والفيزياء النووية وميكانيكا الكم. وفي المقابل ، النسبية العامة لم تبدُ ذات أهمية كبيرة. لقد ظهر أن هناك القليل من الانطباق للتجريبيين لأن معظم التطبيقات كانت للجداول الفلكية. لقد بدت محدودة لعمل تصحيحات طفيفة فقط لتنبؤات نظرية الجاذبية لنيوتن. وكانت آثارها غير واضحة حتى عام 1930.

أخيرًا : رياضيات النسبية العامة كانت تبدو معقدة صعبة الفهم. بناء على ذلك ، كان يعتقد أن عددًا قليلًا من الناس في العالم في هذا الوقت يمكنهم فهم النظرية بالتفصيل ، ثم في حوالى عام 1960 حدث شيء حاسم في عودة الاهتمام الذي أدى إلى جعل النسبية العامة هي مركز الفيزياء والنسبية. تقنيات رياضية جديدة مطبقه لدراسة النسبية العامة بسطت العمليات الحسابية بشكل كبير. ومن هذا ، تم عزل ملحوظة المفاهيم الفيزيائية من التعقيد الرياضى. وأيضًا ، اكتشاف الظواهر الفلكية الغريبة التي كانت ذات صله بشكل حاسم بالنسبية العامة ، ساعدت على تحفيز تلك العودة. الظواهر الفلكية تضمنت أشباه النجوم والنجوم النابضة واكتشاف مرشحين أول ثقب أسود.

مصادر
ماهي نظرية النسبية - لانداو ورومر - دار مير - موسكو - 1974 م.
النسبية بين نيوتن وأنشتاين - تأليف د. طالب ناهي الخفاجي - 1978 م.
آينشتين والنظرية النسبية - د. محمد عبد الرحمن مرحبا - دارالقلم - بيروت - الطبعة الثامنة - شباط - 1981 م.
مراجع