النسبية الخاصة لألبرت أينشتاين.

[محمد محمود بدر]

والأن لو أن شعاعاً من الإثنين حدث وأن كان يسير بإتجاه رياح الأثير (أو بإتجاه معاكس لرياح الأثير) ، فإنه سيكون أسرع (أو أبطأ) من السرعة c.






رسم تخطيطي توضيحي لجهاز مايكلسون ومورلي.


وسنستطيع كشف ذلك. لأننا إذا أخذنا مثالاً واحداً لحالة واحدة على سبيل المثال ، عندما يتم إعادة دمج الشعاعين مرةً أخرى في المنظار كاشف الضوء ، فإن الضوء الذي كان يتحرك مع إتجاه رياح الأثير سيكون أسرع من السرعة c ، وسيصل للمنظار كاشف الضوء أولاً ، وسوف يتداخل مع الشُعَاع الثاني - الذي كان لا يتحرك مع إتجاه رياح الأثير - وبالتالي يتحرك بسرعة أبطأ من السرعة c ، والذي سيصل للمنظار كاشف الضوء متأخراً.

والعكس صحيح أيضاً. إذاً في الحالتين ، سيحدث نمط للتداخل ، بنَّاءً أو هدَّامَاً ، ويعتمد على أي شعاع منهما سيدخل المنظار كاشف الضوء أولاً. هذا سيحدث لأن الشعاعين أصبحا خارج المسار بسبب الفرق في سرعة الضوء.

لقد تم القيام بتجربة مايكلسون ومورلي في خلال ربيع وصيف عام ١٨٨٧م بواسطة العالمان ألبرت مايكلسون و إدوارد مورلي ، وقد تم نشر النتائج في صيف نفس العام.

لقد قامت التجربة بمقارنة سرعة الضوء في إتجاهات عموديه متعددة ، فلقد قامت بمقارنة سرعة الضوء في إتجاه حركة الأرض ، وقامت بمقارنة سرعة الضوء في إتجاه عمودي على إتجاه حركة الأرض ، وقامت بمقارنة سرعة الضوء في إتجاه معاكس لإتجاه حركة الأرض.

كل هذه المحاولات تمت لسبب واحد فقط ، وهو محاولة الكشف عن فرق بسيط في قيمة سرعة الضوء في الإتجاهات المختلفة لإثبات وجود الأثير.

النتائج كانت مخيبة للآمال ، لأنهم لم يجدوا أي دليل على الإطلاق للفكرة المنحازة عن الحركة النسبية والتي كانوا يبحثون عنها والنزعة والرغبة الشديدة الكامنة بداخلهم لإكتشافها. بغض النظر عن أي طريق سلكه شعاع الضوء أثناء التجربة ، فإن الضوء على ما يبدوا كان يتحرك بنفس السرعة بالضبط. وقد تم نشر هذه النتائج في صيف عام ١٨٨٧م.

النتائج كلها كانت سلبية. لا يوجد قيم مختلفة لسرعة الضوء ، وهذا يعني أنه لا يوجد أثير.





نمط خطوط تداخل الضوء كالذي نتج عن تجربة مايكلسون ومورلي بإستخدام الضوء الأبيض. وكما تم تكوينها هنا يلاحظ عدم وجود أي تغير في نمط التداخل من جرَّاء أي تداخل هدَّام أو بنَّاء.

بعد كل هذا التفكير والإستعداد والتجهيز ، أصبحت التجربة تُعرف بأنها أشهر التجارب فشلاً في التاريخ. فبدلاً من أن تثبت وجود الأثير وتقدم رؤية عن خصائصه ، فقد ذكر مقال مايكلسون ومورلي في المجلة الامريكية للعلوم (American Journal of Science) "بأن جميع القياسات كانت سلبية".

سيتطلب الأمر حوالي ٢٠ عاماً أخريات (بالإضافة للعمل الذي قام به ألبرت أينشتاين) لكي يهجر ويتخلص العلماء من العقبات المفاهيمية الخاصة بنموذج الأثير العقيم كلياً وتبني النموذج الحالي والذي يقول أن الضوء يملك خاصية ثنائية ، موجية وجزيئية ، ويتحرك بسرعة ثابتة عبر الفضاء الفارغ بالنسبة للا شئ !!

لقد نال مايكلسون جائزة نوبل في عام ١٩٠٧م ، ليصبح أول أمريكي ينال جائزة نوبل في الفيزياء. ولكن مورلي لم يحصل على الجائزة لأنه كانت لديه أفكار ثانية وشكوك حول التجربة ، وقد فكر في أنه يستطيع بناء جهازاً أفضل وأكثر حساسيةً من الأول يستطيع الكشف عن الفرق في سرعة الضوء وبالتالي إثبات وجود الأثير.

هذا يعطيك فكرة جيدة عن مدى تعمق جذور الفيزياء النيوتونية في قواعد الفيزياء والفكر العام في ذلك الوقت في بداية القرن العشرين !!
وإستمرت التجارب بلا هوادة ، في عام ١٩٢١م ، ١٩٢٣م ، ١٩٢٤م ، ١٩٢٥م ، ١٩٢٦م ، ١٩٢٧م ، ١٩٢٩م ، ١٩٣٠م !!

وفي كل تجربة منفردة من هذه التجارب كانت النتائج متساوية كما هي ، لا يوجد فرق في سرعة الضوء ، وبالتالي لا يوجد أثير.

وكان هذا بعد أن نشر ألبرت أينشتاين نظريته عن النسبية الخاصة سنة ١٩٠٥م.

سيتم التكملة في الجزء الخامس

[محمد محمود بدر]

بـــعـــد الــعــاصــفــة.

إنه الآن العام ١٩٠٥م ، والفيزيائيون محتارون جداً ، ولعقود طويلة ، من النتيجة الفارغة لتجربة مايكلسون ومورلي.
لماذا لم يكن هناك تغير في نمط خطوط تداخل الضوء ؟
لماذا لم يستطيعوا إكتشاف حركة الأرض بالنسبة للأثير ؟
الفيزيائيون مترددون بل ممانعون ونافرون وكارهون وغير مستعدين للتخلي عن فكرة الأثير هذه.
وذلك لأسباب ستكون واضحة جداً بعد قليل.
قد تعتقد بأنك تستطيع ترك الفكرة والتخلي عنها ، ولكن إنتظر قليلاً.

ألـــبـــرت أيــنــشــتــايــن.





ألبرت أينشتاين في عام ١٨٨٢م (في عمر ٣ سنوات).

دعونا نبدأ هنا بالقليل من اللمسات التاريخية عن أينشتاين والعام ١٩٠٥م ، وكيف كان يبدو.

إن الواحد يسمع الكثير عن أينشتاين. فالواحد يسمع ، على سبيل المثال ، أنه كان في واقع الأمر مملاً في طفولته. هذا غير صحيح.

ولكنه ، في المدرسة ، كان ثورياً. إنه ببساطة لم يستطع التأقلم مع النظام الصارم للمدارس الألمانية في ذلك العصر. لقد أراد إن يدرس ويعمل من تلقاء نفسه وبإرادته ، وقد قاده ذلك إلى العديد من المشاكل طوال فترة حياته المهنية الأكاديمية. إذاً أينشتاين كان ثورياً ولكنه لم يكن مملاً. ولقد لوحظ ذكاؤه مع أنه لم يعمل جيداً ويحصل على درجات عالية في جميع المواد الدراسية. على وجه الخصوص لم يعمل جيداً في بعض مواد الرياضيات. وقد حزن كثيراً أحد أساتذته ، ويدعى هيرمان مينكوفسكي ، من جراء ذلك. ومع ذلك ، أصبح مينكوفسكي بعد ذلك مترجماً وشارحاً أساسياً للنسبية ومصطلحاتها الرياضية.


هناك أيضاً إشاعة مشهورة بأن أينشتاين تحدث متأخراً في العمر. وهذا في الغالب صحيح جداً. لقد قال أينشتاين بنفسه إنه لم يتحدث إلا بعد أن تم ٣ سنوات. وربما تحدثه متأخراً له علاقة بنوعية العقل الذي يستطيع تصور الأفكار التجريدية بسهولة بالمقارنة بعقولنا.
لقد كان أينشتاين شخصاً مثيراً للإهتمام ، على الرغم من أنه نشر ورقته عن النسبية الخاصة سنة ١٩٠٥م وكتبها في غضون ستة أسابيع فقط ، بعد ما حصل على مفتاح الفكرة الرئيسية ، فقد كان يفكر في هذه المشكلة منذ أعوام وأعوام طويلة ، منذ عشر سنوات في الحقيقة ، عندما كان في السادسة عشرة من العمر.





ألبرت أينشتاين في عام ١٨٩٣م (في عمر ١٤ سنة).



يتبع

[محمد محمود بدر]

في هذا العمر المبكر سأل أينشتاين نفسه السؤال التالي : "كيف سيبدو شكل موجة الضوء إذا ركضت بجانبها بسرعة الضوء ؟" في الواقع هذا سؤال مثير للإهتمام فعلاً. وقد يكون بعضكم تسائل نفس السؤال. ولكن لماذا هذا سؤالٌ مثيرٌ للإهتمام ؟ إنه سؤال مثير للإهتمام بشكل خاص لأنه إذا كنت تؤمن بنظرية ماكسويل للكهرومغناطيسية فأنت تعلم أن هذه النظرية تتنبأ بوجود الموجات الكهرومغناطيسية والتي تشمل موجات الضوء ، وأن موجات الضوء تتحرك بالسرعة c. ولكن بما أنك تؤمن أيضاً بنموذج الأثير ، فإنك ببساطة ستقول : "أنا في هذه الحالة لست موجوداً في إطار الأثير المرجعي ، ولذلك أنا لا أتوقع أن تكون معادلات ماكسويل صحيحة. أنا لا أعتقد بأن قوانين الكهرومغناطيسية ستعمل في هذا الإطار المرجعي. إذاً لو ركضت بجانب موجة ضوئية بسرعة الضوء ، فسوف أشاهد هيكل أو بنية تشبه الموجة الضوئية - حقل مجال مغناطيسي وكهربائي متعامدان على بعضهما في تكوين معين لموجة الضوء - ولكنها لا تتحرك بالنسبة إليَّ.

لقد إحتار أينشتاين من هذا وقد كان قلقاً بشأن هذا السؤال ، "كيف سيكون شكل الضوء لو ركضت بجانبه بسرعة الضوء ؟"
شيئٌ آخر حير أينشتاين وأقلقه أتى من الحلاقة !!
تخيل أينشتاين نفسه جالساً هناك ينظر إلى مرآة صغيرة للحلاقة وتسائل ، "ماذا لو بدأت أركض ممسكاً بيدي مرآة صغيرة للحلاقة أمامي ؟





ألبرت أينشتاين في عام ١٨٩٥م (في عمر ١٦ سنة).

المشي العادي. مع الإستمرا في الحلاقة. لا توجد مشكلة.
البدء في الركض. مع الإستمرا في الحلاقة. لا توجد مشكلة.
الركض بسرعة كبيرة. مع الإستمرا في الحلاقة. لا توجد مشكلة.
ماذا لو ركضت بسرعة الضوء ؟ ماذا سيحدث ؟ إن الضوء المنبعث من وجهي لن يستطيع أن يلحق بالمرآة ، وذلك لأن المرآة تسير مبتعدة عني بسرعة الضوء. ولذلك عندما أصل إلى سرعة الضوء ، فإن الضوء المنبعث من وجهي - والذي كان من المفروض أن ينعكس من المرآة - لن يصل إلى المرآة أبداً. وستعتم المرآة فجأة ، ولن أستطيع أن أرى وجهي.

هذه هي بعض الأشياء التي تأملها أينشتاين بعمق شديد قبل عام ١٩٠٥م.

١٩٠٥م ، ســنــة المــعــجــزات لأيــنــشــتــايــن.








عندما وصل لعام ١٩٠٥م ، كان أينشتاين ما يزال رجلاً شاباً ، وأصبح أباً شاباً أيضاً. لقد كان في السادسة والعشرين من العمر ، أي أربع سنوات بعد سن التخرج من الكلية. ولقد كان يعمل في وظيفة كاتب براءات الإختراع بمكتب براءات الإختراع السويسري. وفي الحقيقة لقد إستمتع أينشتاين بهذه الوظيفة جداً ، وذلك لأنه كان يعمل مع الأجهزة التكنولوجية والإختراعات ، وقد كان ذلك في غاية الإثارة بالنسبة إليه. بالإضافة إلى ذلك فقد كان عنده الكثير من الوقت الإضافي للعمل على أفكاره الخاصة في الفيزياء بما فيها النظرية النسبية.

ولكن لماذا أصبح كاتب براءات إختراع بدلاً من أن يكون أستاذاً جامعياً في الفيزياء ؟

السبب - صدق أو لا تصدق - هو أنه الوحيد من زملاءه من دفعته في كلية الدراسات العليا الذي لم يُوصى به لدرجة الأستاذية عند تخرجه !! لقد واجه صعوبات جمة ليجد لنفسه وظيفة أو منصباً أكاديمياً !!
ونقولها مرةً أخرى ، ليس لأنه كان قليل الذكاء ، بل لأنه كان يمشي على إيقاعه الخاص. لأنه كان ثورياً. لأنه كان يصعب العمل معه ضمن الإطار المؤسسي الجامعي. ببساطة هو لم يتم التوصية عليه من أي أحد ليصبح أستاذاً جامعياً. ولقد مرت فترة قبل أن يحقق درجة الأستاذية. وبمجرد أن إشتهرت نظريته عن النسبية وترسخت ، لم تصبح لديه أية مشاكل في ذلك.

إن العام ١٩٠٥ هو فعلاً عام المعجزات لأينشتاين ، فلقد كتب ونشر خمس أوراق علمية أو أبحاث علمية ، أربع أوراق أو أبحاث هامة جداً ، ثلاث منها كان لها تأثير هام وقوي في تطور الفيزياء في المستقبل. واحدة منهم ، وهي التي سوف نتحدث عنها في هذه المقالة ، هي الورقة التي قدم فيها للعالم نظرية النسبية الخاصة.

الورقة الهامة الثانية كانت عن موضوع الحركة البراونيه ، وهي تصرف الجزيئات الصغيرة جداً - (مثل فتات التراب الصغير أو البكتيريا الصغيرة أو حبيبات اللقاح) - والتي قد تشاهدها من خلال المجهر (الميكروسكوب) وهي تتحرك وتصطدم عشوائياً بسبب الحركة الإهتزازية للجزيئات المخفية التي تكون محلولاً سائلاً مثل الماء على سبيل المثال. وهذه هي الورقة التي أقنعت المتبقين القلائل المشككين في حقيقية وجود الذرات ، ذلك لأنه في عام ١٩٠٥م كان مايزال هناك بعض المشككين القلائل والذين كانوا لا يعتقدون بأن الذرات موجودة أي لا يؤمنون بحقيقة الذرات.

الورقة الهامة الثالثة كانت عن تفسيره لنتائج تجربة ما كانت تُعرف بظاهرة التأثير الكهروضوئي أو بالإنجليزية (The Photoelectric Effect). لقد أعطى تفسيراً يتماشى مع فكرة ميكانيكا الكم أو الفيزياء الكمية الجديدة ، والتي كانت ما تزال في مهدها في ذلك الوقت. ويعتبر أينشتاين ثاني شخص يقدم فكرة الكم للعالم بعد تقديم ماكس بلانك لها لأول مرة سنة ١٩٠٠م. ولكنه كان الأول الذي يطبقها على طبيعة الضوء.

وهذه الورقة الثالثة عن تفسيره لظاهرة التأثير الكهروضوئي ، هي التي أكسبته جائزة نوبل في الفيزياء سنة ١٩٢١م.

وفي آخر سنة ١٩٠٥م ، سنة المعجزات هذه ، نشر أينشتاين ورقته العلمية التي شرح وقدم فيها للعالم بذور الفكرة التي كانت وراء أشهر معادلة في الفيزياء "الطاقة = الكتلة x مربع سرعة الضوء" أو "E = mc2".

عــن الــديــنــامــيــكــا الــكــهــربــائــيــة للأجـــســـام الــمــتــحــركــة.


يتبع

[محمد محمود بدر]

عــن الــديــنــامــيــكــا الــكــهــربــائــيــة للأجـــســـام الــمــتــحــركــة.




إذاً ، ماذا قال أينشتاين عن موضوعاتنا عن مشكلة الأثير ؟ لقد نشر ورقة علمية ، ولم يكن يُطلق عليها عنوان النظرية النسبية الخاصة ، بل أطلق أينشتاين عليها عنوان "عن الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة". ونحن نريد التأكيد على هذا العنوان ، وذلك لأننا ناقشنا وقلنا من قبل عندما قدمنا لكم موضوع الكهرومغناطسية في المقال الثالث ، إن الكهرومغناطيسية كانت حاسمة في فهم تطور النظرية النسبية.

هذا الآن واضحٌ جداً من قراءة هذا العنوان فقط "عن الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة."

النسبية فعلاً هي ثمرة نمت من الكهرومغناطسية. وأنت الآن تعلم لماذا. هذا لأن الكهرومغناطيسية أثارت التساؤلات حول سرعة الضوء ، بالنسبة لماذا يسير الضوء بالسرعة "c" ؟
في أي إطار مرجعي تكون قوانين الكهرومغناطيسية صالحة وتعمل ؟
هذه الأسئلة تمت الإجابة عليها للميكانيكا ، لعلم دراسة الحركة.






ألبرت أينشتاين في مكتبه في جامعة برلين عام ١٩٢٠م (في عمر ٤١ سنة).

والآن أصبحت هذه الأسئلة ترجونا وتتوسل إلينا للإجابة عليها بالنسبة للكهرومغناطيسية. وبدأنا نبحث عن هذه الإجابة. وتوصلنا إلى بعض المنطق الذي وجهنا وأخبرنا بأن الإجابة في الغالب يجب أن تكون : أن هناك حركة ما بالنسبة للأثير. ثم أجرينا تجربة مايكلسون ومورلي ووجدنا أنه لا توجد إجابة على السؤال.

أيــنــشــتــايــن يــأتــي للإنـــقـــاذ والــنــجــدة.

نحن مازلنا مع هذا السؤال ، في أي إطار مرجعي تكون قوانين الكهرومغناطيسية صالحة ؟ وورقة أينشتاين العلمية ، والتي هي ثمرة الكهرومغناطسية التي نمت منها ، والتي سُميت "عن الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة" عندها الإجابة.

أينشتاين الذي فكر كيف يجب أن يكون عليه العالم وقال : "أعتقد أن العالم يجب أن يكون بسيطاً ، أعتقد أن العالم يجب أن يتصرف بهذه الطريقة" ، أينشتاين قد لا يكون فكر حتى في تجربة مايكلسون ومورلي. أينشتاين قد يكون فكر ، بدلاً من ذلك ، أن العالم يجب أن يكون بهذه الطريقة. عالمٌ أكثر بساطة من العالم الذي نراه. وهذه هي النظرية التي تصف ذلك.

إذاً ماذا فعل أينشتاين ؟ في الواقع ، في الأساس وبمنتهى البساطة ، أعلن أن الأثير هو من نسج الخيال ، غير حقيقي ، لا أثير بعد الآن. وأكَّد ، بدلاً من ذلك ، مبدأ النسبية ، نفس مبدأ النسبية التي تحدث عنها جاليليو مرةً أخرى ، للفيزياء كلها وليس فقط للميكانيكا. في هذا المعنى ، فإن النسبية تعتبر خطوة محافظة عميقة. ما كان يُعرف لمئات السنين ، مبدأ النسبية الجاليلية ، إن قوانين الميكانيكا لا تعتمد على حالة الحركة الخاصة بك ما دامت الحركة منتظمة ثابتة لا تتغير. أينشتاين ببساطة أعاد تأكيد أن النسبية حقيقية وصحيحة لكل الفيزياء (الميكانيكا ، الكهرومغناطيسية ، الديناميكا الحرارية ، وما إلى ذلك وهلم جرا ...). الأمر بهذه البساطة.

ولقد قدمنا لك هذه الفكرة في مقالنا الأول عن النسبية من خلال فرن المايكرويف ومبارة التنس. مباراة التنس تمثل الحركة أو الميكانيكا (تجربة فيزيائية في الميكانيكا) ، وفرن المايكرويف يمثل الكهرومغناطيسية (تجربة فيزيائية في الكهرومغناطيسية) ، وتسخين المياه نفسه يمثل الديناميكا الحرارية (تجربة فيزيائية في الديناميكا الحرارية).

دعنا نلقي نظرة على هذه الجملة او هذا التصريح مرةً أخرى. إنه تصريح هام جداً. إنها النسبية الخاصة. إنها ببساطة التصريح بأن قوانين الفيزياء هي نفسها لكل المراقبين الذين يتحركون في حركة منتظمة ، وهذا كل شئ.

هذه هي النظرية النسبية الخاصة. لأنه هذا هو كل شئ يمكن أن يقال عنها. قوانين الفيزياء ، كل قوانين الفيزياء لكل فروع الفيزياء ، هي نفسها لكل شخص في حركة منتظمة ثابتة. أي إطار مرجعي في حالة حركة منتظمة ثابتة هو مكان جيد على قدم المساواة للقيام بالفيزياء. نقطة. وهذا كل شئ.


الــمُــسَــلَّــمَــات الــخــاصــة بــالــنــســبــيــة.



يتبع

.

[محمد محمود بدر]

الــمُــسَــلَّــمَــات الــخــاصــة بــالــنــســبــيــة.









الصورة الرسمية لأينشتاين في عام ١٩٢١م بعد فوزه بجائزة نوبل في الفيزياء.



نحن نريد أن نقول تعليقين على هذه الجملة أو هذا التصريح.
تعليقنا الأول :

قبل كل شئ ، أينشتاين لم يصيغ ويكتب هذا التصريح بهذه البساطة. كان لديه ما أسماه إثنين من المُسَلَّمَات.
إحدى المُسَلَّمَات كانت كالتالي : إن قوانين الفيزياء هي نفسها لجميع المراقبين.

المُسَلَّمَة الثانية كانت : إن سرعة الضوء مستقلة ولا تعتمد على سرعة مصدره. أينشتاين أكد هذا كمُسَلَّمَة ثانية. لماذا ؟ لأنه أراد أن يقول بأن كل الأطر المرجعية التي تكون في حركة منتظمة هي أماكن متساوية للقيام بالفيزياء ، وهذا يشمل التجارب في الكهرومغناطسية وقياسات سرعة الضوء. لا يوجد إطار مرجعي مفضل. لا توجد حالة حركة مفضلة. لا مكاناً مفضلاً ، ولا حالة حركة لها أفضلية ، طالما بقيت الحركة منتظمة.


مــا هــو الــخــاص حـــول الــنــســبــيــة الــخــاصــة ؟






ألبرت أينشتاين في عام ١٩٢١م بعد فوزه بجائزة نوبل في الفيزياء (في عمر ٤٢ سنة).


تعليقنا الثاني :

وهذا يصل بنا إلى النقطة الثانية التي نريد التعليق عليها بخصوص النسبية الخاصة. أنت عندما تسمع كلمة "خاصة" ، فقد تفكر أن هذه تعني شيئاً أنيقاً أو خارقاً. إن كلمة "خاصة" لا تعني هنا ، في هذا السياق ، تلك المعاني أبداً. "خاصة" تعني أن هذه نظرية متخصصة.

إنها تُطبق على حالات خاصة محدودة. إنها تُطبق في حالة الحركة المنتظمة الثابتة فقط. في سياق النظرية النسبية الخاصة ، فإن الحركة غير المنتظمة غير الثابتة لا تحسب. قوانين الفيزياء ليست هي نفسها ، على الأقل في نموذج النسبية الخاصة ، في أي أُطر مرجعية تتحرك بحركة غير منتظمة ، كالتي تتسارع ، والتي تتباطأ ، والتي تغير من سرعتها ، والتي تدور ، مثل الطائرات التي تطير خلال المطبات الهوائية ، والسفن التي تبحر في البحار العاصفة.





مؤتمر سولفاي العلمي عام ١٩٢٧م في بروكسل ، بلجيكا ، إجتماع لأفضل العلماء في العالم ، أينشتاين موجود في منتصف الصورة.
هناك نظرية عامة للنسبية والتي تعمم تصريح النسبية الخاصة هذا لكل الحركات سواء كانت منتظمة أو غير منتظمة. والتي تلغي بند "في حركة منتظمة". ولكنها نظرية أكثر صعوبة.


عــبــقــريــة أيــنــشــتــايــن.



يتبع

[محمد محمود بدر]

عــبــقــريــة أيــنــشــتــايــن.






والآن ، نحن أكَّدنا من قبل أن نسبية أينشتاين هي تصريح محافظ جداً لأنها أكَّدت لكل الفيزياء ، وخصوصا للكهرومغناطيسية ، ما كان بالفعل صحيحاً ومعروفاً لفيزياء الحركة ولقوانين نيوتن وللفيزياء الكلاسيكية التي كانت معروفة قبل الكهرومغناطسية.

أينشتاين أعاد تأكيد النسبية وقال "ما كان يعرفه جاليليو بالفعل هو الآن صحيح لكل الفيزياء." ولكن النسبية هي ليست فقط محافظة ، إنها جذرية أيضاً. وهي جذرية لأنها تفعل أشياء غريبة جداً لمفاهيمنا عن الفضاء والزمن.

دعونا نصل إلى تلك الأشياء الآن.

لماذا ، بعد كل شئ ، إحتجنا إلى عبقرية أينشتاين من أجل التوصل للنسبية الخاصة ؟ ها هي النظرية ، مجرد تصريح بسيط ، إن قوانين الفيزياء هي نفسها لكل المراقبين الذين يتحركون في حركة منتظمة. لماذا كان الوصول لهذا في غاية الصعوبة ؟ في الحقيقة ، لقد عانى أينشتاين وإرتبك وتحير بخصوصها لمدة ١٠ سنوات. وصدق أو لا تصدق ، قبل إتمام كتابة الورقة العلمية التي تتحدث عن النسبية الخاصة بستة أسابيع تقريباً ، قال أينشتاين : "أنا حصلت فجأة على الإجابة ، المفتاح للمشكلة هو الزمن". إستطاع أينشتاين أن يتخلى عن مفهوم المنطق الحسي الدارج للزمن وتقبل بدلاً من ذلك شيئاً غريباً جداً ومختلفاً تماماً عن الطريقة التي يتصرف بها الزمن. ومن ثم ، وبعد ذلك ، إستطاع بسهولة أن يكتب النظرية النسبية الخاصة. وذهب كل شيء الى الأمام من هناك.


لــمــاذا تــطــلــب الأمـــر إلــى مــثــل أيــنــشــتــايــن لــفــعــل ذلــك ؟

لكي نرى لماذا تطلب الأمر إلى مثل أينشتاين لفعل ذلك ، دعونا نأخذ القليل من المنطق من هذه الجملة أو هذا التصريح. وسنبدأ بما فعله أينشتاين كالتالي :
الخطوة الأولى :

تمام ، هذه هي النظرية النسبية الخاصة ، تصريح أينشتاين لعام ١٩٠٥م : إن قوانين الفيزياء هي نفسها لكل المراقبين الذين يتحركون في حركة منتظمة ثابتة.

الخطوة الثانية :

هذا يشمل الكهرومغناطيسية. لأول مرة في التاريخ ، يُدخل أينشتاين الكهرومغناطيسية تحت مبدأ النسبية نفسه الذي يحكم الميكانيكا بالفعل.

هذا هو السبب الذي جعلنا نكتب مقالاً كاملاً عن الكهرومغناطيسية وتحدثنا عن معادلات ماكسويل لأننا أردنا لك أن ترى أنها أدت حتماً إلى التنبؤ بالموجات الكهرومغناطسية ، وأن هذه الموجات الكهرومغناطسية تتحرك بسرعة ثابتة (أسميناها "c") قابلة للقياس وتبلغ ٣٠٠,٠٠٠ كيلومتر في الثانية ، وهذا مشمول في التنبؤ.

الخطوة الثالثة :

في أي إطار مرجعي تكون فيه قوانين الكهرومغناطسية صالحة ؟

هذا هو السؤال الذي كنّا نسأله خلال مقالين كاملين. والآن عندنا إجابة أينشتاين.
وهي إجابة بسيطة جداً.

تعتبر قوانين الكهرومغناطيسية صالحة لكل مراقب في حالة سرعة منتظمة ، أو في أي إطار مرجعي في حالة سرعة منتظمة.
مرةً أخرى ، ما يعنيه هذا هو أن كل تنبؤات النظرية الكهرمغناطيسية صالحة في أي إطار مرجعي يتحرك بسرعة منتظمة ثابتة ، بما فيها التنبؤ بأن الموجات الكهرومغناطيسية تتحرك بسرعة الضوء c.
وأيضاً ، ما يعنيه هذا هو الإجابة على سؤالنا الثاني المرادف والموازي : بالنسبة لماذا يتحرك الضوء بالسرعة c ؟ إجابة أينشتاين لهذا السؤال هي : "أنه يجب أن يتحرك بسرعة الضوء c بالنسبة لأي إطار مرجعي يتحرك بسرعة منتظمة ثابتة.

إســتــنــتــاج أيــنــشــتــايــن.

إلى الآن الأمور جيدة. هذا هو نتيجة مباشرة لإيماننا بحقيقة أن قوانين الفيزياء هي نفسها لكل الأطر المرجعية التي تتحرك بسرعة منتظمة ثابتة. كل قوانين الفيزياء ، كل قوانين الفيزياء ، بما فيها ، كما أضاف أينشتاين ، قوانين الكهرومغناطيسية ، مع تنبؤاتها بأن هناك موجات كهرومغناطيسية والتي تشمل موجات الضوء والتي تتحرك بسرعة الضوء c. هذه التنبؤات يجب أن تكون صحيحة في جميع الأطر المرجعية التي تتحرك بسرعة منتظمة ثابته. ولذلك فإن أي شخص يتحرك بسرعة منتظمة ثابتة سوف يقيس سرعة نفس الضوء ، وسوف يحصل على الإجابة c.

والآن هنا ، ستصبح المسألة صعبة الفهم عليك - حتى لو تحرك الأشخاص بالنسبة لبعضهم البعض. ونحن نعتقد بأن هذا كان صعباً على أينشتاين نفسه أيضاً. ونحن نعتقد أن هذا صعبٌ على أي واحد منّا ، داخلياً ، أن يقبل هذا. ولكن هذا يجب أن يكون حقيقياً طالما قبلنا مبدأ النسبية ، إذاً لا بد أن يكون هذا حقيقياً أن كل المراقبين ، ما داموا يتحركون في سرعة منتظمة ثابتة ، سيقيسون نفس القيمة لسرعة الضوء حتى لو كانوا يتحركون بالنسبة لبعضهم البعض.








صورة إلتُقطت لألبرت أينشتاين في عام ١٩٣٥م في جامعة برينستون بالولايات المتحدة الأمريكية (في عمر ٥٢).


تــجــربــة أيــنــشــتــايــن الــفــكــريــة.



يتبع

[محمد محمود بدر]

تــجــربــة أيــنــشــتــايــن الــفــكــريــة.




والآن نريد أن نعطي مثالاً من خلال ، ما أسماه أينشتاين ، التجربة الفكرية

في هذه التجربة الفكرية سوف نقوم بمحاولة قياس سرعة الضوء في أُطر مرجعية مختلفة. وسوف نقوم بقياس هذه السرعة بأخذ بعض أجهزة القياس البسيطة جداً. سوف نأخذ مسطرة بطول متر واحد ، مسطرة طولها بالضبط متر واحد. وسوف نأخذ ساعة مثالية دقيقة للغاية والتي تستطيع قياس فترات زمنية متناهية في الصغر بدقة عالية. وما سوف نفعله هو أننا سنلاحظ عندما يصل الضوء إلى الطرف الأمامي من المسطرة وعندما يصل الضوء بعدها إلى الطرف الخلفي من المسطرة. وسوف نقوم بقياس الفترة الزمنية اللازمة لذلك بواسطة ساعة القياس. ثم سنأخذ المعادلة الرياضية ، السرعة تساوي المسافة مقسومة على الزمن. ونظراً لأننا نعرف المسافة (وهي واحد متر) ، ونستطيع قياس الفترة الزمنية بواسطة الساعة ، إذاً من هذا ، وبإستخدام المعادلة ، نستطيع حساب سرعة الضوء.
الإطار المرجعي للأرض.

الآن تخيل نفسك واقفاً على الأرض وأن هناك إشارة ضوئية تشع الضوء أمامك. أنت ستأخذ مسطرة المتر. وتحملها للأعلى أمامك. وسوف تلاحظ عندما يمر الضوء عند الطرف الأمامي من المسطرة. وسوف تلاحظ عندما يمر الضوء عند الطرف الخلفي من المسطرة. وسوف تقيس الفترة الزمنية لهذا المرور. وسوف تقوم بحساب السرعة التي تساوي المسافة مقسومة على الزمن. وسوف تحصل على الإجابة لقيمة سرعة الضوء. وهذه الإجابة هي ٣٠٠,٠٠٠ كيلومتر في الثانية.

الإطار المرجعي للسيارة.

والآن صديقك سيمر بجانبك راكباً سيارة تسير بسرعة ٧٠ كيلومتراً في الساعة. وهو مجهز بنفس مسطرة المتر بالضبط ونفس ساعة القياس بالضبط. هو سيأخذ مسطرة المتر. ويحملها للأعلى أمامه. وسوف يلاحظ عندما يمر الضوء عند الطرف الأمامي من المسطرة. وسوف يلاحظ عندما يمر الضوء عند الطرف الخلفي من المسطرة. وسوف يقيس الفترة الزمنية لهذا المرور. وسوف يقوم بحساب السرعة التي تساوي المسافة مقسومة على الزمن. وسوف يحصل على الإجابة لقيمة سرعة الضوء. هو يسير الآن بالنسبة لك بسرعة ٧٠ كيلومتراً في الساعة. وعلى حسب ما ينص عليه مبدأ النسبية ، هو سوف يقيس بالضبط سرعة الضوء نفسها التي قستها أنت. وهذه الإجابة هي ٣٠٠,٠٠٠ كيلومتر في الثانية. وليست ٣٠٠,٠٠٠ كيلومتر في الثانية زائداً ٧٠ كيلومتراً في الساعة.

وسوف نحصل بالضبط على نفس القيمة لسرعة الضوء. بالضبط. مع أنه يسير بالنسبة إليك بسرعة ٧٠ كيلومتراً في الساعة. كيف يمكن لهذا أن يكون ؟

الإطار المرجعي للطائرة.

الأسوأ ، هناك صديق آخر في طائرة نفاثة ، وهو مجهز بمسطرة المتر نفسها بالضبط وساعة القياس نفسها بالضبط. هو الآن يسير بسرعة ٩٠٠ كيلومتر في الساعة بالنسبة لك. هو يسير بسرعة منتظمة. وبالتالي فإن قوانين الفيزياء صالحة لكل منكما بالتساوي. وبالتالي هو سوف يقيس نفس السرعة للضوء كالتي قستها أنت على الأرض. بالضبط ٣٠٠,٠٠٠ كيلومتر في الثانية. الإجابة نفسها. الضوء نفسه ، أيضاً.

الإطار المرجعي لمركبة الفضاء السريعة جداً.






ألبرت أينشتاين في عام ١٩٤٧م (في عمر ٦٨ سنة).

لنجعل الأمور أكثر سوءً ، هناك صديق آخر في مركبة فضاء سريعة جداً ، وهو الآن يسير بسرعة تساوي نصف سرعة الضوء بالنسبة لك. وهو مجهز بمسطرة المتر نفسها بالضبط ونفس ساعة القياس نفسها بالضبط. هل سوف يقيس قيمة لسرعة الضوء تساوي واحد ونصف القيمة التي قستها أنت على الأرض ؟ كلام فارغ ، بالطبع لا. هو يسير بسرعة منتظمة. وبالتالي فإن قوانين الفيزياء صالحة لكل منكما بالتساوي. وبالتالي هو سوف يقيس سرعة الضوء نفسها كالتي قستها أنت على الأرض. بالضبط ٣٠٠,٠٠٠ كيلومتر في الثانية. الإجابة نفسها.

الإطار المرجعي لمركبة الفضاء الفائقة السرعة.

لنجعل الأمور في مُنتهى السوء ، هناك صديق آخر في مركبة فضاء فائقة السرعة ، وهو الآن يسير بسرعة تساوي سرعة الضوء بالنسبة لك !! وهو مجهز بمسطرة المتر نفسها بالضبط ونفس ساعة القياس بالضبط. هل سوف يقيس قيمة لسرعة الضوء تساوي ضعف القيمة التي قستها أنت على الأرض ؟ كلام فارغ ، بالطبع لا. هو يسير بسرعة منتظمة. وبالتالي فإن قوانين الفيزياء صالحة لكل منكما بالتساوي. وبالتالي هو سوف يقيس نفس السرعة للضوء كالتي قستها أنت على الأرض. بالضبط ٣٠٠,٠٠٠ كيلومتر في الثانية. نفس الإجابة.

جميع المراقبين سوف يحصلون على النتيجة نفسها بالضبط ، القيمة نفسها بالضبط ، لسرعة الضوء.




لــحــظــة أيــنــشــتــايــن الأكـــثـــر روعـــة.



يتبع

[محمد محمود بدر]

لــحــظــة أيــنــشــتــايــن الأكـــثـــر روعـــة.









أحدى صور أينشتاين الأخيرة قبل وفاته في عام ١٩٥٥م (في عمر ٧٦ سنة).

إحتار أينشتاين وتعجب ثم كتب :
"كيف يكون هذا ممكناً ؟ لا بد أن يكون شيئٌ عجيبٌ مضحكٌ قد حدث للساعات والمساطر داخل السيارة ، والطائرة ، ومركبة الفضاء !!"
ثم أدرك أينشتاين :
"ولكن أنت لا يحق لك ولا يكون مبرراً لك أن تقول آه هناك شئٌ غريبٌ مضحكٌ قد حدث لجميع أجهزة القياس داخل السيارة ، والطائرة ، ومركبة الفضاء بسبب أنها تتحرك. كلا لا يوجد شئ مميز خاص بالنسبة للإطار المرجعي لك أو للسيارة أو للطائرة أو لسفينة الفضاء."
ثم ، وهو في قمة دهشته ، أدرك أينشتاين أنه لا بد من أن هناك شئ عجيبٌ غريبٌ مضحكٌ قد حدث ، ليس للساعات والمساطر ، بل للفضاء والزمن نفسهما !!

وهذا هو ما سوف نكتشفه في مقالاتنا القليلة القادمة.





خبر وفاة أينشتاين في عام ١٩٥٥م ( عن عمر ٧٦ سنة) تتصدر عناوين الأخبار في الجرائد في جميع أنحاء العالم.







مكتب ألبرت أينشتاين في جامعة برينستون بعد وفاته في عام ١٩٥٥م عن عمر ٧٦ سنة.


سوف يتم التكملة في الجزء السادس.

[محمد محمود بدر]

مــلــخــص مــخــتــصــر جـــداً.

ما نعرفه حتى هذه اللحظة هو الأتي :

إن قوانين كل الفيزياء هي نفسها لكل المراقبين في كل الأطر المرجعية المتحركة في حركة منتظمة.

هذا هو بيان أو مقولة النسبية الخاصة والتي كنّا نكررها مرات ومرات ومرات. ولكن حقيقة ماذا تعني هذه الجملة من الناحية الفيزيائية والرياضية ؟

إن معنى أن قوانين الحركة ، والميكانيكا ، والكهرومغناطيسية ، أو كل الفيزياء على وجه العموم هي نفسها لا تتغير لكل شخص يتحرك في حركة منتظمة ، إن معنى هذه الجملة ، هو أنك ستحصل على النتائج نفسها بإستخدام القوانين نفسها بدون تغير في صيغة القوانين الرياضية ، فأنت لن تضطر إلى إستخدام قانون أخر بحيث تستخدم عمليات رياضية حسابية مختلفة لكي تحسب نفس القيم الفيزيائية.

إذاً كل المتغيرات ، إن وجدت ، والتي قد تحدث بسبب الحركة المنتظمة ، لا تؤثر في القانون الفيزيائي.

سنعطي مثالين بسيطين ليقربا الفكرة المراد شرحها.

على سبيل المثال ، الجاذبية على المشتري أكبر من الجاذبية على الأرض وبالتالي سيكون وزنك على المشتري أكبر من وزنك على الأرض مع أن كتلتك لم تتغير فهي واحدة في الحالتين. الكتلة ، والتي تُعَرَّف في الفيزياء على أنها مقدار ما يحتويه الجسم من مادة ، لم تتغير ، وبالتالي كتلتك هي كتلتك على الأرض أو على المشتري. الطريقة التي تحسب بها وزنك على الأرض هي الطريقة نفسها التي تحسب بها وزنك على المشتري ، وهي بضرب الكتلة في تسارع الجاذبية الأرضية على الأرض ، وبضرب الكتلة في تسارع الجاذبية المشترية على المشتري. وهذا هو القانون الفيزيائي الذي لم يتغير. مع أن وزنك تغير.

مثال أخر.

غليان الماء عند سطح البحر وغليان الماء فوق قمة جبل إفرست.
القانون الفيزيائي هنا هو قانون الغازات العام وقانون التبادل الحراري وهما لم يتغيرا. عملية الغليان واحدة وميكانيكية التبخر واحدة وتسببها الحرارة التي تسخن جزيئات الماء والتي تبدأ بالإبتعاد عن بعضها وتتطاير مقاومة الضغط الجوي عليها. وبالتالي كلما يزداد الضغط الجوي عند مستويات سطح البحر مثلاً ، سيحتاج الماء إلى حرارة أكثر ليتغلب على الضغط العالي لكي يغلي عند ١٠٠ درجة مئوية. وعلى سطح قمة إفرست ، سيحتاج الماء إلى حرارة أقل لكي يتغلب على الضغط الأقل فيغلي عند ٧١ درجة مئوية.

أما الميكانيكية الخاصة بالغليان أو بالتبادل الحراري لم تتغير لأن القانون الفيزيائي لم يتغير وهو قانون الغازات العام وقانون التبادل الحراري.

إذاً الظروف الفيزيائية مهما تغيرت لا تؤثر على صيغة القانون الفيزيائي.

القيم الرقمية للضغط ودرجة الحرارة والحجم ستتغير مع الإرتفاع ، ولكن هذه القيم الرقمية ستوضع في صيغة القانون نفسها ، وسيتم الحساب بالعمليات الرياضية نفسها (بالضرب والقسمة والجمع والطرح) كما ينص القانون بصيغته الرياضية. فأنت لن تضطر إلى إستخدام قانون أخر بحيث تستخدم عمليات رياضية مختلفة لكي تحسب نفس القيم.

هذا بالضبط ما فهمه أينشتاين بوضوح ، وقد حاول تطبيق ما فهمه على الكهرومغناطيسية وتنبؤاتها بوجود الموجات الكهرومغناطيسية ، وتنبؤاتها بأن هذه الموجات تسير بسرعة الضوء ، السرعة التي أسميناها "c".

المشكلة الوحيدة التي واجهها هي كيفية إستخدام نفس القانون الفيزيائي في جميع الأطر المرجعية ذات الحركة المنتظمة والحصول على القيمة نفسها لسرعة الضوء !!

والحل الوحيد لحل هذه المشكلة هي فهم أن هناك شيئاً قد حدث للزمن نفسه. الزمن ليس كمية مطلقة. يجب أن يقل الزمن - (يتباطأ) - مع زيادة السرعة ، من أجل الحصول على نفس قيمة سرعة الضوء في كل مرة يتم قياسها ، حتى لو كان المراقبون يتحركون بنصف سرعة الضوء بالنسبة لبعضهم البعض.

هذا بالضبط يعادل أن تقول ، في مثالنا الأول السابق ، إننا سوف نحصل على نفس قيمة وزنك على الأرض وعلى المشتري ، والذي يجب أن يعني أن شيئاً يجب أن يحدث لكتلة جسدك. في هذه الحالة ، إن كتلتك يجب أن تقل بالضبط بالقيمة التي ستجعل وزنك على المشتري يساوي وزنك على الأرض على الرغم من جاذبية المشتري القوية جداً.

هذا أيضاً بالضبط يعادل أن تقول ، في مثالنا الثاني السابق ، أننا سوف نحصل على نفس قيمة درجة حرارة غليان الماء عند سطح البحر وعلى قمة جبل إفرست ، والذي يجب أن يعني أن شيئاً يجب أن يحدث للضغط الجوي على قمة جبل إفرست. في هذه الحالة ، الضغط الجوي يجب أن يزداد بالضبط بالقيمة المساوية للضغط الجوي عند سطح البحر من أجل منع الماء من الغليان عند درجة الحرارة المنخفضة (٧١ درجة مئوية) وجعلها تغلي بالضبط عند درجة حرارة مستويات سطح البحر (١٠٠ درجة مئوية).


والآن فليبدأ المرح !!


يتبع

[محمد محمود بدر]

والآن فليبدأ المرح !!





مـــن أيـــن أتـــى حِـــسـُّــنــَـا الـــدارج الــعــام الــمــألــوف ؟

نحن نعلم الآن حقيقة أن تكون حركتك بالنسبة لي أو بالنسبة لأي مراقب أخر في حالة حركة منتظمة لا تمثل أي فارق على الإطلاق. لماذا ؟ لأننا إتفقنا على أن قوانين الفيزياء هي نفسها لا تتغير في جميع الأطر المرجعية المتحركة بسرعة منتظمة. وأن أحد التبعيات لقوانين الفيزياء هذه تحتم وجود موجات كهرومغناطيسية ووجود هذه الموجات يحتم تحركها بسرعة الضوء "c". وما الضوء إلا موجة كهرومغناطيسية ، وبالتالي ، كلنا يجب أن نحصل على نفس قيمة سرعة الضوء.

ولكن كيف يعقل هذا ؟ كيف يعقل أنك حتى لو تحركت بالنسبة لي بنصف سرعة الضوء ، وقمنا سوياً بقياس سرعة شعاع الضوء الأتي إلينا من مصدر ما ، سوف نحصل سوياً على نفس الإجابة بنفس القيمة لسرعة الضوء على الرغم من كونك تمر بجانبي بسرعة كبيرة جداً مثل هذه ؟
هذا ينافي كل شئ نعرفه من حسنا الدارج العام المألوف لدينا. كيف يعقل هذا ؟

في الحقيقة ، الأمر يبدو سخيفاً جداً ومنافياً للعقل ، لسبب واحد فقط ، لأنه ينافي حسنا الدارج العام !!

لقد قضينا وأمضينا أوقاتنا كلها في الأساس ونحن نزحف حولنا بسرعات نسبية بطيئة جداً. إن أسرع سرعة إختبرتها أنت ونحن ومعظم الناس هي ٩٠٠ كيلومتراً في الساعة في طائرة الركاب النَفَّاثَة. من الممكن أن يكون القليل منكم جداً تعدى سرعة الصوت ووصل إلى ٢١٨٠ كيلومتراً في الساعة في طائرة الركاب الفرنسية - البريطانية المسماة الكونكورد ، أو وصل إلى سرعة ٣٠٠٠ كيلومتراً في الساعة في طائرة حربية مقاتلة مثل طائرات إف ١٥ المعدلة أو ميج ٣١. إن أسرع وأكبر سرعة إختبرها الإنسان بالنسبة للأرض هي ٣٩,٦٠٠ كيلومتر في الساعة في مركبة الفضاء أبوللو ١٠ خلال عودتها إلى الأرض في مايو عام ١٩٦٩م.

إذاً نحن فعلاً تقريباً لا توجد لدينا أي خبرة على الإطلاق بالتحرك بسرعات عالية جداً بالنسبة لأي شئ قد يبدو مهماً في حياتنا اليومية. نحن نملك خبرة أقليمية محدودة ضيقة الأفق جداً في مجال النشاطات المُحتملة المنتشرة في هذا الكون ، بما فيها الحركة بسرعات عالية جداً بالنسبة للأشياء المهمة لك ولحياتك اليومية.

والآن وقبل أن نسترسل ، يجب وضع ملاحظة بين قوسين. أنت في الحقيقة تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء بالنسبة لأشياء كثيرة. ولكنها مجرد أشياء ليست بالضرورة مهمة ولا تلعب دوراً في حياتك.
على سبيل المثال ، هناك بعض المجرات البعيدة جداً والتي تبتعد عنَّا بسرعة كبيرة جداً تصل أحياناً إلى٨٠٪‏ من سرعة الضوء بسبب تمدد الكون وتوسعه. بالنسبة لهذه المجرات ، أنت أيضاً تتحرك مبتعداً عنها بسرعة ٨٠٪‏ من سرعة الضوء. هذه المجرات لا تلعب دوراً كبيراً في حياتك. أنت بالكاد تعلم بوجودهم. ولكن إذا كنت فلكياً متخصصاً من الذين يدرسون هذه المجرات بالتفصيل ، سيتوجب عليك الأخذ في الإعتبار النظرية النسبية الخاصة وستكون النسبية أكثر بداهة بالنسبة إليك.

هناك مثال آخر ، أنت تتحرك تقريباً بسرعة الضوء بالنسبة للأشعة الكونية والتي تأتي بإتجاه الأرض بسرعات تصل إلى ٩٩,٩٩٩٪‏ من سرعة الضوء قادمة من أنحاء الكون. بالنسبة لهذه الأشعة الكونية أنت تتحرك باتجاهها بسرعة ٩٩,٩٩٩٪‏ من سرعة الضوء هذه الأشعة الكونية لا تلعب دوراً كبيراً في حياتك. أنت بالكاد تعلم بوجودهم. ولكن إذا كنت فيزيائياً متخصصاً من الذين يدرسون هذه الأشعة بالتفصيل ، سيتوجب عليك الأخذ في الإعتبار النظرية النسبية الخاصة وستكون النسبية أكثر بداهة بالنسبة إليك.

هناك مثال أخير ، عندما تكون جالساً وتشاهد التلفزيون ، فإن الإلكترونات التي ترسم الصورة على شاشة التلفزيون ، تأتي إليك من خلف أنبوب التلفزيون باتجاهك بسرعة ٣٠٪‏ من سرعة الضوء. بالنسبة لهذه الإلكترونات أنت تتحرك باتجاهها بسرعة ٣٠٪‏ من سرعة الضوء. هذه ليست سرعة كبيرة جداً بالنسبة للضوء ، ولكنها سرعة كبيرة جداً ومؤثرة بالنسبة إلينا. إنها لا تؤثر عليك أو تخطر على بالك لأنك لا تفكر في هذه الإلكترونات أثناء مشاهدتك للتلفزيون ، أو لا تعلم حتى بوجودها. ولكن بالنسبة للمهندس الذي صمم التلفزيون وصمم أنبوب صورة التلفزيون ، بالتأكيد سيتوجب عليه الأخذ في الإعتبار النظرية النسبية الخاصة وإلا ستكون صورة التلفزيون غير واضحة ومهتزة.

بالنسبة لهذا المهندس ستكون النسبية أكثر بداهة بالنسبة إليه.
إذاً هناك أشخاص في هذا العالم بالنسبة إليهم تعتبر الحركة بسرعة تقارب سرعة الضوء هامة جداً. فكما قلنا من قبل ، عالم الفلك أو الفيزياء الفلكية الذي يدرس هذه المجرات البعيدة جداً عنَّا بالتأكيد سيتوجب عليه الأخذ في الإعتبار النظرية النسبية الخاصة ، وستكون النسبية أكثر بداهة بالنسبة إليه. المهندس الذي صمم التلفزيون وصمم أنبوب صورة التلفزيون بالتأكيد سيتوجب عليه الأخذ في الإعتبار النظرية النسبية الخاصة ، وستكون النسبية أكثر بداهة بالنسبة إليه. عالم الفيزياء المتخصص في دراسة الأشعة الكونية بالتأكيد سيتوجب عليه الأخذ في الإعتبار النظرية النسبية الخاصة ، وستكون النسبية أكثر بداهة بالنسبة إليه.

والآن يجب أن نسأل السؤال ، من أين أتى حِسُّنَا الدارج العام المألوف لدينا ؟
ومن أين أتى حِسُّنَا بالفضاء ؟
ومن أين أتى حِسُّنَا بالزمن ؟

فكر الآن كيف تطورت لدينا مفاهيم الفضاء والزمن. في البداية عندما كنت طفلاً صغيراً تحبو على الأرض في أنحاء الغرفة ، لقد بدأت تتعلم وتطور حس ماذا يعني الفضاء الذي حولك ، ماذا يعني أن تصل من مكان إلى مكان آخر.

بعد ذلك عندما كنت طفلاً كبيراً وكنت تجلس في السيارة في رحلة طويلة مع عائلتك ، ومرت ساعات وبدأت تسأل والدك : هل وصلنا بعد ؟ بابا متى نصل ؟ كم من الوقت متبقي ؟ لقد بدأت تتعلم وتطور حس ماذا يعني الزمن. وهذا الحس الخاص بالفضاء والزمن الذي بدأت تحس به وتطوره كان أتياً من هذه الخبرة الإقليمية المحدودة جداً ضيقة الأفق جداً الأتية من الزحف ببطء شديد جداً على هذه الأرض ، كما ذكرنا من قبل. ونحن نذكر كلمة الزحف هنا لكي نعني أننا نتحرك ببطء شديد جداً بالنسبة لسرعة الضوء. حتى ٢٠٠٠ و ٣٠٠٠ و ٣٩,٦٠٠ كيلومتر في الساعة ، يعتبر أبطأ بكثير ، بكثير ، بكثير من سرعة الضوء.

نحن نزحف هنا على الأرض ، وهذه هي خبرتنا المحدودة.
نحن نؤكد لك أننا لو نشأنا ، ونحن في إستطاعتنا أن نتحرك بسرعة ٩٠٪‏ من سرعة الضوء ، فإن النسبية كانت ستكون بديهية بالنسبة لنا. ولما كنّا نحتاج إلى قراءة كل هذه المقالات التي كتبناها عن النسبية الخاصة. ولن يكون هناك أي إحتياج لأي شخص للذهاب للجامعة لتعلم النظرية النسبية أبداً. وكانت ستصبح شيئاً حدسياً بالنسبة لنا. وكانت ستصبح هي الحس الدارج العام المألوف لدينا. لو كنّا مخلوقات فضائية تعيش في الفضاء وتتحرك بين النجوم بسرعة تقارب سرعة الضوء طوال الوقت في كل لحظة ، إذاً مرةً أخرى ، كانت النسبية ستصبح شيئاً حدسياً بالنسبة لنا. وكانت ستصبح هي الحس الدارج العام المألوف لدينا. السبب الوحيد في أن النسبية لا تعتبر هي الحس الدارج العام لنا ولا تعتبر بديهية لنا هو أنها ليست في تجاربنا وخبراتنا اليومية.

ولكي نستطيع تقدير النسبية حق تقديرها ، ولكي نستطيع تقدير مدى غناء الكون الذي يكون فيه مبدأ النسبية يعمل وفعال ، سيكون علينا الطلب منك أن توقف العمل بالحس الدارج العام. أنه شئ يصعب جداً فعله. ولذلك فإننا لن نطلب منك التخلي عن هذا الحس الدارج العام كليةً ، على الرغم من أننا سنطلب منك توسيعه وزيادة مداركه وتقبل المزيد من الإحتمالات.

هـــل حِـــسـُّــنــَـا الـــدارج الــعــام المــألـــوف خــطــأ ؟
كـــلا لـــيـــس خــطــأً ، ولــكــن ....


يتبع

[محمد محمود بدر]

هـــل حِـــسـُّــنــَـا الـــدارج الــعــام المــألـــوف خــطــأ ؟
كـــلا لـــيـــس خــطــأً ، ولــكــن ....





والآن دعنا نقول بمنتهى الوضوح ، الحس الدارج العام ليس خطأ. لو كان خطأ ، لما تعلمنا كيف نقذف كرة التنس ضد الجاذبية الأرضية ، أو كيف نقود السيارة ، أو فعل العديد من مئات التجارب الفيزيائية الأخرى والتي نقوم بها هنا على الأرض طوال الوقت ونقوم بها بمنتهى النجاح. إن الحس الدارج العام ليس خطأ ، إنه محدود.

فيزياء نيوتن ، إذا أردت ، هي فيزياء الحس الدارج العام. لقد بُنيت في الأصل من البداية على حسنا الدارج العام لمفاهيم الفضاء والزمن. ولكن هذه المفاهيم ثبت بأنها محدودة. لقد أخبرتنا النسبية بذلك ، ومثالنا من المقال السابق عن صديقك الذي يمر بجانبك راكباً مركبة فضاء تسير بسرعة نصف سرعة الضوء ومع ذلك كلاكما قاس السرعة نفسها لذلك الضوء ، هذا المثال يقول لنا أن حسنا الدارج العام لمفاهيم الفضاء والزمن ببساطة يجب أن يكون خطأ. فقط الجزء المتعلق بالفضاء والزمن يجب أن يكون خطأ.

ولكن عندما تكون السرعة النسبية التي نتعامل بها في حياتنا اليومية صغيرة بالنسبة لسرعة الضوء "c" ، عندها تكون مفاهيمنا التي تعتمد على حسنا الدارج العام جيدة بما يكفي. لن تكون رائعة متكاملة ، ولكنها ستكون جيدة بما يكفي. عند هذه السرعات البطيئة ، كل التأثيرات النسبية ستكون صغيرة جداً لدرجة أنها في الأساس يمكن تجاهلها تماماً في حياتنا اليومية. حتى لو كنت تتحرك بطائرة نفاثة بسرعة ٩٠٠ كيلومتر في الساعة ، أو بطائرة فوق صوتية بسرعة ٢٠٠٠ أو ٣٠٠٠ كيلومتر في الساعة ، أو حتى لو كنت في سفينة فضاء تسير بسرعة ٤٠,٠٠٠ كيلومتر في الساعة ، هذه التأثيرات النسبية ستكون صغيرة جداً جداً جداً. ومع ذلك يمكن قياسها ، وهناك بعض الحالات التي تكون فيها التأثيرات النسبية - (حتى عند نوع السرعات البطيئة التي نستخدمها في رحلات الفضاء أو حتى رحلات الطائرات التجارية في حياتنا اليومية) - قابلة للقياس. أحد أهم هذه الحالات هي أقمار تحديد المواقع أو (الجي بي إس) GPS ، والتي سوف نتحدث عنها لاحقاً في مقالاتنا القادمة.

ولكن لمعظم الوقت ولكل الناس تقريباً هذ التأثيرات النسبية يمكن إهمالها وتجاهلها تماماً.

إذاً لا شئ خطأ في حسنا الدارج العام. إنه فقط محدود للغاية وخاصةً عندما نطبقه على مفاهيم الفضاء والزمن. في الحقيقة ، من الناحية الرياضية ، لو أخذت معادلات النسبية وقمت بتخفيض قيم السرعات لسرعات أقل بكثير من سرعة الضوء "c" ، فإن معادلات النسبية الرياضية ستتحول إلى معادلات الفيزياء الكلاسيكية العادية الرياضية والتي كنّا نعرفها ونستخدمها قبل النسبية.

إذاً الحس الدارج العام ليس خطأ. إنه محدود فقط. والذي سوف نفعله هنا هو أننا سنطلب منك أن توسع مداركك وتوسع حسك الدارج العام. كذلك سنطلب منك أن تراقب لغتك ، وذلك لأنه من السهل جداً ان تقول جملة تنافي وتعارض روح مبدأ النسبية. وما يعنيه هذا أنك عندما تصف ما يحدث للفضاء وما يحدث للزمن كن حذراً جداً وتجنب الجمل التي قد توحي أن هناك إطاراً مرجعياً مفضلاً أو حالة حركة مفضلة. لماذا ؟ لأنه لا يوجد إطار مرجعي مفضل ولا يوجد حالة حركة مفضلة في النسبية.

الخطأ في مثل هذه الجمل أنها توحي بالإحساس بأن أحدهم يتحرك والأخر لا يتحرك. وكما ذكرنا في مقالنا السابق في شرحنا لتجربة أينشتاين الفكرية ، أن أحدهم ، في الغالب الشخص الواقف على الأرض سيكون له الحق في التأكيد على أنه في حالة ثبات ، وأن هناك أشياء غريبة ومضحكة تحدث للساعات ولعصي الأمتار وللفضاء وللزمن للأشخاص الذين يتحركون. هذا كلام فارغ غير صحيح.

ولذلك لا تعتقد بأن أشياء غريبة ومضحكة تحدث للساعات ولعصي الأمتار أو للفضاء والزمن لأن الأشياء تتحرك. إن الجملة "لأن الأشياء تتحرك" هي جملة خاطئة. إنه من المسموح لك أن تقول ، أنا أتحرك بالنسبة إليك. أو أن تلك الساعة تتحرك بالنسبة لهذه الساعة التي أنظر إليها. ولكن من غير المسموح أن تقول أن تلك الساعة تتحرك وأن هذه الساعة لا تتحرك ، ولذلك تحدث أشياء غريبة ومضحكة لتلك الساعة. هذا ينافي مباشرةً روح مبدأ النسبية والتي تنص على أن كل الأطر المرجعية المتحركة بسرعة منتظمة هي أماكن متساوية للقيام بالفيزياء.

وهذا يعني أن أي ساعة تتحرك بسرعة منتظمة تقيس الوقت بدقة كأي ساعة أخرى تتحرك بسرعة منتظمة. إنها بالضبط بالدقة نفسها. إن الساعات لا تصبح غير دقيقة "لأنها تتحرك". من المرجح أن ما يحدث ، وفي الحقيقة ، هو ما يحدث ، أن الساعات المختلفة المتحركة بالنسبة لبعضها البعض تقيس أزمنة مختلفة. ولكن لا توجد ساعة منهم تستطيع القول ، أنا التي تقيس الوقت الصحيح وإن جميعكم تقيسون الوقت الخطأ لأنكم "تتحركون". وذلك لأنه لا يوجد أحد له الحق في القول ، أنا أتحرك.

لذلك هي نظرية نسبية. إنها تقول إن الحركات النسبية فقط هي التي تهم. لقد سبق وقلنا ذلك مع مبدأ النسبية الجاليلية. الحركة النسبية فقط هي التي تهم. الجمل التي تتحدث عن السرعة المطلقة لا معنى لها على الإطلاق. لقد أصبح هذا في علم الميكانيكا منذ زمن. وأصبح ذلك في كل الفيزياء أيضاً مع النسبية الخاصة لألبرت أينشتاين. إذاً كل شخص في حركة منتظمة هو في حركة جيدة للقيام بالفيزياء.
بالمناسبة ، تجنب هذه الكلمة ، قد ترغب في قول " ولكن أليست هي في الحقيقة في حالة ثبات ؟". تجنب قول كلمة - "في الحقيقة"

- في النسبية الخاصة. إنها كلمة خطيرة جداً. وذلك لأن كلمة في الحقيقة تُلَمِح إلى أن هناك حالة خاصة ، أو إطار مرجعي خاص يكون فيه الأشياء على حقيقتها ، تكون فيه الأشياء صحيحة ، مثل الوقت في الحقيقة ذلك الوقت ، أو أن الأطوال في الحقيقة هذه الأطوال ، أو أن هذه الحادثة حدثت في الحقيقة قبل أو بعد هذه الحادثة. إن إستخدامك لكلمة في الحقيقة يؤكد على وجود خصوصية في إطار مرجعي معين على الأطر المرجعية الأخرى. ولذلك دعنا نتجنب ذلك.
الـــحـــدث.

سوف نتحدث بكثرة في المقالات القليلة القادمة على فكرة "الأحداث". نحن نريد الآن توضيح ما هو "الحدث" وذلك لتصبح الفكرة غاية في الوضوح لأن تلك الفكرة ستكون أساسية في فهمنا للنسبية الخاصة.

الحدث هو شيئ يُحَدد بواسطة معرفة مكانه وزمانه ، على سبيل المثال تاريخ ميلادك هو حدث ، فقد حدث في مكان محدد وزمان محدد. ذكرك للمكان فقط ، كقولك القاهرة أو نيويورك ، على سبيل المثال ، ليس كافياً لتحديد ميلادك. كذلك أن تعطي تاريخاً ، ١٩٦٥م أو ١٩٨٠م ليس كافياً لتحديد ميلادك. ولكن قولك القاهرة عام ١٩٦٥م ، أو نيويورك عام ١٩٨٠م ، هذا يحدد الحدث. إذاً الحدث هو مكان وزمان. إن الأحداث هي الأشياء الأساسية في النسبية. ولذلك سنتكلم كثيراً عن الأحداث في النسبية.


الــحــس الدارج غـــيـــر الـــعـــام وغـــيــر المــألـــوف لدينا : تــمـــدد الـــزمـــن.


يتبع

[محمد محمود بدر]

الــحــس الدارج غـــيـــر الـــعـــام وغـــيــر المــألـــوف لدينا : تــمـــدد الـــزمـــن.


يتبع


والآن دعنا نتقدم خطوة جريئة للأمام لنرى ماذا يحدث حقيقةً للفضاء والزمن في النسبية الخاصة. وسوف نبدأ بالزمن.

والأن لإنهاء هذا الجزء من المقال ، نريد أن نقول شيئاً واحداً ، مرةً أخرى ، لكل واحدٍ منكم جالس هناك يقرأ هذه الكلمات ويقول في نفسه "يا إلهي ، هذه اللحظة التي كنت أنتظرها ، هذا ليس شيئاً سيمكنني فهمه."

نقول لك : أنه شيء سيمكنك فهمه. إن هدفنا الإحترافي كله هو أن نجعل العلوم والفيزياء وخاصة الفلك شيئاً مفهوماً للشخص العادي. ستحتاج لأن تكون ذكياً. ستحتاج أن تكون متفتح العقل. ولكنك لن تحتاج لأن يكون عندك أية معلومات عن العلوم أو الرياضيات لكي تفهم ما سنقوم بوصفه لك. وبالتالي إذا كنت شخصاً عادياً ، غير عالمٍ ، متشوقاً للعلوم ، أبق معنا وسوف تفهم هذه النظرية.

تـــجـــربــة ســـاعــة الــضــوء الــفــكــريــة.

ما سوف نقوم به الآن هو إعطاؤك مثالاً على مايبدو أنه مصطنع إلى حدٍ ما ، سيشرح لك ماذا يحدث بالضبط للزمن بسبب كون مبدأ النسبية صحيحاً وحقيقياً.

سوف نقوم بتخيل جهازاً يسمى الساعة الضوئية أو ساعة الضوء. الساعة الضوئية عبارة عن صندوق مستطيل رأسي. في النهاية السفلية للصندوق يوجد مصدر للضوء. وفي النهاية العلوية للصندوق توجد مرآة. نحن سوف نقوم بتخيل نبضة ضوئية من الضوء مثل الفلاش تترك مصدر الضوء في الأسفل. وتتحرك باتجاه الأعلى للمرآة. وتنعكس من المرآة. وتعود مرة أخرى إلى الأسفل. وسوف نهتم نحن بالفترة الزمنية بين حدثين إثنين. وهذان الحدثان هما مغادرة النبضة الضوئية من مصدر الضوء في أسفل الصندوق ، وعودة النبضة الضوئية مرة ثانية إلى مصدر الضوء بعد إنعكاسها بواسطة المرآة.

والآن لكي نكون واضحين جداً ، هذا الجهاز هو ساعة ، وتلك هي الدقات الأساسية للساعة.

الدقة الأولى ولتكن "تيك" عندما يتحرك الضوء إلى الأعلى ، والدقة الثانية ولتكن "توك" عندما يعود الضوء للأسفل. الساعة الضوئية تقوم بهذا بشكل دوري مستمر "تيك - توك ، تيك - توك ، تيك - توك....." ، ولكننا سوف نركز فقط على دورة واحدة فقط للساعة ، فقط "تيك - توك" واحدة للساعة الضوئية. نبضة ضوئية واحدة صادرة تنعكس من المرآة وتعود إلى مصدر الضوء مرة أخرى.

هذان هما الحدثان.

مرة أخرى ، الحدثان هما : النبضة الضوئية تترك مصدر الضوء ، النبضة الضوئية تعود إلى مصدر الضوء. ونحن نريد معرفة ما هي الفترة الزمنية بين هذين الحدثين الإثنين. وعملية قياس الفترة الزمنية ستتم من إطارين مرجعيين مختلفين.

والآن تخيل الصورة الأتية ، الإطار المرجعي الأول في حالة ثبات بالنسبة للساعة الضوئية. معنى ذلك أننا في إطار مرجعي تكون فيه الساعة الضوئية في حالة ثبات بالنسبة إلينا.
إذاً في هذا الإطار المرجعي ، إليكم ما سوف يحدث.

أولاً ، الضوء سوف يترك المصدر. سوف يتحرك للأعلى وسيصطدم بالمرآة.

ثانياً ، الضوء سوف ينعكس بواسطة المرآة ويعود مرة أخرى للمصدر.

هذا هو كل ما سوف يحدث. وسوف يقطع الضوء مسافة كلية تساوي ضعف طول الصندوق. وهذا هو كل ما نحتاج معرفته الآن.

سنقول مرة أخرى ، ما هو طول طريق الضوء الذي سوف يقطعه ؟ الضوء سيترك المصدر ، سيتحرك باتجاه الأعلى للمرآة ، سينعكس عن المرآة ، سيعود مرة أخرى للمصدر ، ونحن نعلم طول هذه المسافة. الضوء قطع ضعف طول الصندوق. لا توجد مشكلة.

والآن لو كنت في حالة ثبات بالنسبة للساعة الضوئية ومر بجانبك صديق لك راكباً قطاراً سريعاً باتجاه يسارك ، إذاً بالنسبة لصديقك الساعة الضوئية ستكون في الحقيقة تتحرك باتجاه اليمين. إذاً هل الساعة الضوئية ثابتة أم لا ؟ هي ثابتة في إطار مرجعي وغير ثابتة في الإطار المرجعي الأخر. وهذا هو النحو الذي هي عليه الحالة. وهذا الوضع مقبول ولا بأس به.

والآن دعنا ننظر إلى الإطار المرجعي الثاني ونرى ماذا سيحدث. سوف ننظر إلى الوضع نفسه. الساعة الضوئية ، إنبعاث الضوء (هذا هو الحدث الأول) ، إنعكاس الضوء عن المرآة وعودته مرة ثانية للمصدر (هذا هو الحدث الثاني). سوف ننظر إلى تسلسل الأحداث هذا ، سوف ننظر الآن إلى هذين الحدثين من إطار مرجعي تكون فيه الساعة الضوئية متحركة.

إذاً ها نحن الآن ببساطة في إطار مرجعي مختلف ، في حالة حركة مختلفة صحيحة متساوية لإجراء تجارب الفيزياء. إنه إطار مرجعي والذي صادف أنه يتحرك لليسار بالنسبة للإطار المرجعي الأول الذي ناقشناه (الإطار الذي كانت فيه الساعة ثابتة). وبالتالي في هذا الإطار المرجعي الجديد ستكون الساعة الضوئية تتحرك باتجاه اليمين.
إذاً ماذا سيحدث ؟

النبضة الضوئية ستترك مصدر الضوء وستتحرك مباشرةً باتجاه الأعلى للمرآة. ولكن في هذا الإطار المرجعي المتحرك - بالنسبة لصديقك داخل القطار (من وجهة نظر صديقك) - مباشرةً باتجاه المرآة يعني التحرك بشكل قطري بزاوية ناحية اليمين. وفي الوقت الذي تصطدم النبضة الضوئية فيه بالمرآة ، ستكون المرآة في موقع مختلف. بالطبع النبضة الضوئية ستصطدم بمنتصف المرآة. الأشياء الفيزيائية نفسها يحب أن تحدث. في الإطار المرجعي الأول الذي تكون فيه الساعة ثابتة بالنسبة إليك (من وجهة نظرك) ، النبضة الضوئية تركت المصدر وإصطدمت بمنتصف المرآة وعادت مرة ثانية للمصدر. هذا أيضاً يجب أن يحدث في الإطار المرجعي الأخر الذي تتحرك فيه الساعة الضوئية بالنسبة لصديقك (من وجهة نظر صديقك). لا يوجد خلاف على ما يحدث ، لا يوجد خلاف على هذه المسألة. إنها مسألة شرح أو وصف للفترة الزمنية المنقضية بين ما يحدث. وهكذا.

إذاً ها نحن الآن وصلنا إلى منتصف هذه العملية. النبضة الضوئية إصطدمت بالمرآة العلوية. هي الآن في عملية الإنعكاس عنها. إنها تعود مرة أخرى بشكل قطري بزاوية باتجاه اليمين. وفي الوقت الذي تعود فيه للمصدر سيكون المصدر في موقع مختلف. هذان هما وصفان مختلفان لنفس تسلسل الأحداث بالضبط من وجهتي نظر مختلفتان. إطاران مرجعيان مختلفان.

هنا هي النقطة الحاسمة. في الإطار المرجعي الثاني ، (الإطار المرجعي الذي تكون فيه الساعة الضوئية تتحرك بالنسبة لصديقك) ، ومن وجهة نظر صديقك ، الطريق الذي يقطعه الضوء أطول. لماذا أطول ؟ إنه أطول لأن الضوء يتحرك بشكل قطري بزاوية لكي يصل للمرآة ، ثم ينعكس ، ثم يعود أيضاً للمصدر بشكل قطري بزاوية. إنه طريق أطول. لاحظ أنه مازال هناك الصعود والهبوط بطول صندوق الساعة الضوئية ، ولكن بالإضافة إلى ذلك هناك مكون أو عنصر أو محصلة من حركته في الإتجاه الذي يسير فيه صندوق الساعة الضوئية. ولا داعي للقول بان كل هذا من وجهة نظر صديقك.

في الفيزياء الكلاسيكية ، في فيزياء الموضة القديمة قبل فيزياء النسبية ، كنّا سنقول ، آها هذا لا بأس به وذلك لأن الضوء في هذه الحالة يتحرك بسرعة أكبر قليلاً في الإطار المرجعي المتحرك وذلك لأن السرعة الناتجة من حركة صندوق الساعة الضوئية ستضاف إليه.
ولكن الآن نحن نؤمن بمبدأ النسبية. مبدأ النسبية الذي يقول بأن قوانين الفيزياء هي نفسها لكل المراقبين في الحركة الثابتة المنتظمة ، كل قوانين الفيزياء ، بما فيها قوانين الكهرومغناطسية ، بما فيها تنبؤاتها بأن هناك موجات كهرومغناطيسية ، بما فيها تنبؤاتها بأن هناك موجات ضوئية ، بما فيها التنبؤ بأن هذه الموجات الكهرومغناطيسية بما فيها موجات الضوء تتحرك بسرعة الضوء "c".

إذاً ماذا يجب أن يكون عليه الحال ؟

يتبع

[محمد محمود بدر]

إذاً ماذا يجب أن يكون عليه الحال ؟

يتبع


ما يجب أن يكون عليه الحال هو أن سرعة الضوء يجب أن تكون هي نفسها في كلا الإطارين المرجعيين. ومع ذلك ، في أحد الإطارين المرجعيين ، يتحرك الضوء مسافة أطول من المسافة التي يقطعها في الإطار المرجعي الأخر. هنا الوقت الذي تأتي فيه النسبية. تأتي النسبية هنا لتأكد لنا بأن الضوء يتحرك بالسرعة نفسها في كلا هذين الإطارين المرجعيين. هذا هو ما سوف يجلب لنا كل المتاعب مع الزمن. هذا هو ما جلب لنا المتاعب أيضاً في تجربة قياس سرعة شعاع الضوء من إشارة المرور في المقال الخامس السابق ، وهو التأكيد على أن جميع المراقبين يجب أن يحصلوا على نفس السرعة للضوء.

والآن نعود لتجربة الساعة الضوئية ، المراقبان في كلا الإطارين المرجعيين سوف يقيسان نفس سرعة الضوء. ولكن في الإطار المرجعي الأول ، الإطار المرجعي الذي هو في حالة ثبات بالنسبة للساعة الضوئية ، فإن طول المسار الضوئي أقصر (ببساطة باتجاه الأعلى وباتجاه الأسفل بشكل رأسي عمودي). ونستطيع أن نجزم في الإطار المرجعي الأول بأن المسار أقصر ، ولكننا وبمبدأ النسبية عندنا سرعة الضوء نفسها ، وبالتالي ، سيأخذ الضوء وقتاً أقصر وبالتالي الفترة الزمنية بين الحدثين ستكون أقصر.

في الإطار المرجعي الثاني ، الإطار المرجعي الذي هو في حالة حركة بالنسبة للساعة الضوئية ، فإن طول المسار الضوئي أطول (أيضاً سيكون باتجاه الأعلى وباتجاه الأسفل ولكن بزاوية بشكل قطري). ونستطيع أن نجزم في الإطار المرجعي الثاني بأن المسار أطول ، ولكننا وبمبدأ النسبية عندنا نفس سرعة الضوء ، وبالتالي ، سيأخذ الضوء وقتاً أطول وبالتالي الفترة الزمنية بين الحدثين ستكون أطول.
وهذا ببساطة ما يجب أن يكون عليه الحال. لو أنت قبلت مبدأ النسبية - مبدأ النسبية البسيط الذي يقول أن قوانين الفيزياء بما فيها الكهرومغناطيسية وتنبؤاتها عن الضوء هي نفسها في جميع الأطر المرجعية التي تتحرك بحركة منتظمة ثابتة - إذاً هذا الإستنتاج وهذه النتيجة يجب أن تأتي : الفترة الزمنية بين هذين الحدثين مختلفة في كلا الإطارين المرجعيين.

إتـــســـاع الـــزمـــن أو تـــمـــدد الـــزمـــن.

ما نفعله الآن هنا هو إكتشاف شيئاً ، ليس عن الساعة الضوئية ، وليس حتى عن الضوء ، ولكن شيئاً عن الزمن. الظاهرة التي إكتشفناها هنا تسمى إتساع الزمن أو تمدد الزمن. الزمن يختلف في الأطر المرجعية المختلفة. الساعات لا تقيس الزمن نفسه عندما تتحرك بالنسبة لبعضها البعض. الساعات مازالت ساعات دقيقة للغاية وجيدة جداً. لا يوجد عيب أو شيئ خطأ في الساعات الضوئية عندما تتحرك. هي الساعة نفسها. إنها فقط يُنظر إليها من إطار مرجعي مختلف. إنها لا تقيس زمناً خاطئاً "لأنها تتحرك". إنها تقيس زمناً جيداً جداً ودقيقاً للغاية في كلا الإطارين المرجعيين. إنها فقط تقيس أزمنة مختلفة.

ظاهرة تمدد الزمن ليست عن الضوء ، وليست عن الساعات الضوئية ، إنها عن الزمن نفسه. قياس الزمن ببساطة مختلف بالنسبة للمراقبين المختلفين في الحركة النسبية. الفترة الزمنية بين حدثين ليست كمية مطلقة. إنها شيئٌ يعتمد على وجهة نظرك. نحن مضطرون للتخلي عن فكرة الزمن المطلق ، وقريباً جداً ، فكرة الفضاء المطلق ، لو قبلنا مبدأ النسبية البسيط الذي يقول إن قوانين الفيزياء هي نفسها لكل المراقبين في الحركة المنتظمة الثابتة.

مـــلاحـــظـــة هــــامـــة.

عندما تقرأ كتباً عن النسبية فإنك ستقرأ غالباً عن شرح ظاهرة تمدد الزمن بأن "الساعات المتحركة تتحرك أو تعمل ببطء". هناك شئٌ خطأ في هذه الجملة. إنها ببساطة ليست جملة نسباوية صحيحة إن صح التعبير. خذ وقتاً وفكر في هذه الجملة : الساعات المتحركة تتحرك أو تعمل ببطء. لماذا هذه الجملة ليست جملة نسباوية صحيحة ؟ في الحقيقة ، إنها توحي بأن هناك شيئاً خاصاً في الحركة ، شيئاً خاص في السرعة ، بأن هناك شخصاً لا يتحرك ، بالنسبة له ، ستكون الساعات صحيحة ولن تتحرك أو تعمل ببطء ، وأن هناك شخصٌ أخر ، بالنسبة له ، ولأنه يتحرك ، ستكون الساعات غير صحيحة وتتحرك أو تعمل ببطء. كلام فارغ. لا يستطيع أحد القول ، أنا أتحرك وأنت لا تتحرك ، أو أنت تتحرك وأنا لا أتحرك. هذا هو بيت القصيد من النسبية. إذاً جملة "الساعات المتحركة تتحرك أو تعمل ببطء" هي جملة سخيفة لا معنى لها ، ومع ذلك فإنها تستخدم بكثرة في كتب الفيزياء وكتب النسبية المكتوبة لغير العلماء لوصف ظاهرة تمدد الزمن هذه.
هناك مشكلة أخيرة بالنسبة لفكرة "الساعات المتحركة تتحرك أو تعمل ببطء" أنه قد تجعلك تعتقد بأنك داخل سفينة فضاء تتحرك مسرعةً بجانب الأرض بسرعة عالية جداً وبداخلها ساعة. وأن الساعة تتحرك وتعمل ببطء. ولذلك قد تتخيل بأنه ، وفي إطارك المرجعي ، كل شئ سيبدو لك يتحرك ببطء. ستشاهد عقارب ساعتك تتحرك ببطء ، وأنت تتحرك ببطء أيضاً كما لو كنت تتحرك بالحركة البطيئة كما في الأفلام ، وضربات قلبك ستتباطأ ، وتقدمك في العمر سيتباطأ. كلام فارغ. كل شئ يجب أن يكون عادياً جداً في هذا الإطار المرجعي كما في أي إطار مرجعي آخر. إذا لم يكن كل شئ عادياً في هذا الإطار المرجعي ، فإن الفيزياء ستكون مختلفة في هذا الإطار المرجعي أيضاً. وإن بيت القصيد من النسبية هو أن القوانين التي تحكم الحقيقة الفيزيائية في الكون لا تعتمد على حالة الحركة بالنسبة إليك. بل هي نفسها لكل المراقبين في الحركة المنتظمة الثابتة.

لذلك كل شئ في سياق سفينة الفضاء تلك ، في إطارك المرجعي ، كل شئ ، عقارب ساعتك ، حركتك داخل سفينة الفضاء ، ضربات قلبك ، تقدمك في العمر ، كل هذا سيكون بشكل عادي تماماً. الزمن بالنسبة إليك سيكون ربما مختلفاً عن الزمن هنا في الأرض - وسوف نتطرق لهذا بالتفصيل في المقال القادم - ولكن كل شئ سيكون عادياً تماماً.

كـــلـــمـــة أخـــيـــرة عـــن تـــمـــدد الـــزمـــن.


يتبع

[محمد محمود بدر]

كـــلـــمـــة أخـــيـــرة عـــن تـــمـــدد الـــزمـــن.


يتبع


لهؤلاء القرّاء الأعزاء الذين يهتمون بالشرح العلمي الأعمق لما قمنا بتبسيطه أعلاه ، هذا هو الشرح العلمي غير المبسط. لاحظ أن ما سوف تقرؤه في الأسفل هو بالضبط نفس ما قمنا بتبسيطه أعلاه.
إذاً ، في الحقيقة ، ماذا يقول لنا تمدد الزمن فعلاً ؟

دعنا نشرح ماذا يقول.

إنه لا يقول إن الساعات المتحركة تتحرك أو تعمل ببطء. بدلاً من ذلك إنه يقول شيئاً أكثر تعقيداً بقليل. إنه يقول شيئاً كهذا :
"الزمن بين حدثين إثنين يكون أقل عندما تقيسه بواسطة ساعة واحدة مفردة والتي تكون حاضرة عند كلا الحدثين ، بدلاً من الحالة التي عندما يُقاس بواسطة ساعتين مختلفتين موضوعتين عند الحدثين كليهما".

على سبيل المثال ، لو كان عندنا ساعتان (ب١) و (ب٢) موضوعتان في مكانين مختلفين. وكان عندنا ساعة (أ) تتحرك بالنسبة لكلا الساعتين (ب١) و (ب٢). لاحظ أن الساعة (أ) هي ساعة ، حالتها الحركية ، تُعرف بأنها ستكون حاضرة عند موقع الساعة (ب١) وبعد قليل ستكون حاضرة عند موقع الساعة (ب٢). والآن ، الحدثان اللذان نحن مهتمون بهما هما ظهور الساعة (أ) مع الساعة (ب١) ، وبعد ذلك ظهور الساعة (أ) مع الساعة (ب٢). بتعبير آخر ، الحدث الأول سيكون عندما تمر الساعة (أ) بالساعة (ب١) ، والحدث الثاني سيكون عندما تمر الساعة (أ) بالساعة (ب٢). إذاً هذا يعني أن الساعة (أ) ستكون حاضرة عند حدث تطابق موقع الساعة (أ) مع الساعة (ب١). وأن الساعة (أ) ستكون حاضرة عند حدث تطابق موقع الساعة (أ) مع الساعة (ب٢). ولن تكون الساعة (ب١) أو الساعة (ب٢) حاضرتين عند كلا هذين الحدثين.

إذاً ماذا تقول لنا ظاهرة تمدد الزمن ؟

هذه الظاهرة تقول لنا إن الزمن المنقضي بين هذين الحدثين الإثنين والمسجل بواسطة الساعة (أ) التي هي حاضرة عند الحدثين الإثنين سيكون أقصر من الزمن المنقضي المسجل بواسطة الساعتين الأخريين (ب١ و ب٢) واللتين ليستا حاضرتين عند كلا هذين الحدثين. وهذا هو الشئ الأهم الحاسم. إنه يتطلب ساعتين في أحد الإطارين المرجعيين ، وساعة واحدة في الإطار المرجعي الأخر للقيام بهذا القياس لتحديد الفترة الزمنية بين هذين الحدثين الإثنين.

ويتركنا هذا مع إستنتاج ونتيجة واحدة مفادها أن الزمن ببساطة ليس كمية مطلقة.

الفترة الزمنية بين حدثين إثنين هي شئ نسبي.

إنها تعتمد على إطارك المرجعي.








الصورة التي على اليسار هي صورة مبسطة جداً للساعة الضوئية في إطار مرجعي ثابت بالنسبة لنا.

في الإطار المرجعي الأول ، الإطار المرجعي الذي هو في حالة ثبات بالنسبة للساعة الضوئية ، فإن طول المسار الضوئي أقصر (ببساطة باتجاه الأعلى وباتجاه الأسفل بشكل رأسي عمودي). ونستطيع أن نجزم في الإطار المرجعي الأول بأن المسار أقصر ، ولكننا وبمبدأ النسبية عندنا سرعة الضوء نفسها ، وبالتالي ، سيأخذ الضوء وقتاً أقصر وبالتالي الفترة الزمنية بين الحدثين ستكون أقصر.

الصورة التي على اليمين هي صورة مبسطة جداً للساعة الضوئية في إطار مرجعي متحرك لليمين بالنسبة لنا.

في الإطار المرجعي الثاني ، الإطار المرجعي الذي هو في حالة حركة بالنسبة للساعة الضوئية ، فإن طول المسار الضوئي أطول (أيضاً سيكون باتجاه الأعلى وباتجاه الأسفل ولكن بزاوية بشكل قطري). ونستطيع أن نجزم في الإطار المرجعي الثاني بأن المسار أطول ، ولكننا وبمبدأ النسبية عندنا نفس سرعة الضوء ، وبالتالي ، سيأخذ الضوء وقتاً أطول وبالتالي الفترة الزمنية بين الحدثين ستكون أطول.




سيتم التكملة في الجزء السابع.