النظرية النسبية 1

الحركة

هى أكثر المواضيع أهمية فى علم الفيزياء وفى علوم اخرى قديما وحديثا كما شغل بها فلاسفة عظام مثل براميندس وزينون الإيلى وارسطو وغيرهم من الفلاسفة كما شغلت الحركة المتكلمة المسلمين والعلماء الذين استطاعوا ان يوصفوها بواسطة معادلات رياضية ولعل خير ما نبدأ به كتعريف للحركة ما ذكره ارسطو عنها حين سأله احد تلاميذه ما هى الحركة حينها قام ارسطو وتحرك امام تلاميذه وقال ها هى الحركة فالحركة اكثر الاشياء الواضحة امام الانسان ورغم ذلك فيعرفها العلماء حديثا على انها : تغير فى موضع جسم بالنسبة لجسم اخر او موضع اخر مع مرور الزمن .

ويسمى الموضع او النقطة التى يتم قياس الحركة بالنسبة اليها بالاطار المرجعى لهذه الحركة فيختلف ملاحظتنا للحركة باختلاف الاطر المرجعية التى نقيس منها الحركة فمثلا لو ان هناك سيارتان  يسيران فى اتجاه ما ولكن بسرعات متفاوتة بالنسبة لبعضهم البعض ولكنها سرعة ثابتة لا تتغير .

فاذا نظر احدهم وليكن سائق السيارة ذات السرعة الاكبر للسيارة الاخرى سيجد انها تتحرك للخلف واذا نظر صاحب السيارة الابطأ للسيارة الاخرى سيجد انها تتحرك للامام ولكن بسرعة ابطأ من سرعتها الفعلية واذا راّهم مراقب خارجى سيجد انهم يسيران فى نفس الاتجاه بسرعات اكبر من السرعات التى يلاحظونها والسر فى ذلك اننا فى كل حالة من الحالات الثلاثة نقيس الحركة او السرعة بالنسبة لنقطة ما نعتبرها الاطار المرجعى للحركة التى نلاحظها .

القصور الذاتى

يعد هذا المبدأ من المبادىء ذات الاهمية الكبيرة والتى قامت عليها علم الفيزياء بشكله الحديث ونجد مبدأ القصور فى شكله الاولى فى الفلسفة حيث يقول ارسطو يبقى الجسم متحركا فقط وفقط اذا استمرت القوة التى تؤثر عليه واذا انعدمت القوة انعدمت الحركة وتوقف الجسم ولعل هذا تطبيق لمبدأ العليه عند ارسطو وجاء جاليليو ليحول هذه الاّراء الى القول بان الجسم يحتفظ بسرعته ثابتة او سرعة تساوى صفر فى غياب اى قوة خارجية تؤثر عليه ويعد هذا المفهوم هو الاساس لقانون القصور الذاتى عند نيوتن والذى ينص على : يبقى الجسم ساكن ساكنا والمتحرك متحركا ما لم تؤثر عليه قوة خارجية .

وبموجب هذا القانون يكون الجسم اى جسم قاصر ذاتيا على تحريك نفسه او وقوفها وتغير سرعته او اتجاهه ويكون بحاجة الى قوة خارجية لحدوث هذا التغير فى الحالة او ان الجسم الساكن او المتحرك بسرعة ثابتة فى خط مستقيم هو جسم لا يتعرض لاى قوة خارجية تجبره على تغيير حالته وحينها نقول ان الجسم فى حالة القصور الذاتى .

أما الأن ماذا يقصد بالأطر المرجعية القصورية او العطالية ؟

هو مختبر فيزيائى ساكن او متحرك فى خط مستقيم حركة منتظمة ويسود فيه القصور الذاتى وبما ان هذا الإطار يتم قياس الحركة بالنسبة اليه فيمكن القول انه عبارة عن محاور احداثيات تساعد على تعيين الحركة ولعل ما يميز الإطار القصورى عن غير القصورى أن الأخير يتحرك حركة غير منتظمة او متعاجلة او فى حركة دائرية .
وفى الفيزياء يعتبر الجسم جسم قصورى اذا لم تكن اى قوة خارية تؤثر عليه والغير قصورى هو الذى يتأثر بقوة فى الأطر او الانظمة الغير قصورية تتحرك الاجسام بعجلة بالرغم من غياب اى قوة تؤثر عليها وذلك بسبب العجلة التى يتحرك بها النظام او الإطار نفسه فبالنسبة للأرض مثلا يمكن ملاحظة حركة ظاهرية للشمس فى مسارات منحنية أى بعجلة هذا بالرغم من ان حركة الشمس هذه لا تتأثر باى قوة فهى بالنسبة للارض ثابتة بل (الأرض ) هى من تسير بتعاجل حول الشمس وحول نفسها .

وبالرغم هذا وباعتبارات اخرى يمكن اعتبار الأرض إطار مرجعى قصور فى كثير من القياسات ونلاحظ ان هذا لا يحدث فى الاطر المرجعية القصورية فاى تسارع يحدث فى الاجسام التى نرصد حركتها من نظام قصورى تكون بسبب قوة ما كما أن أى نظام يتحرك بسرعة ثابتة بالنسبة لنظام قصورى أخر هو نفسه يعتبر نظام قصورى ولو ان جسم ما يتحرك بعجلة صفرية بالنسبة لنظام قصورى ما تكون عجلته صفرية ايضا بالنسبة لأى نظام قصورى اخر.

مبادىء النسبية

كان العلماء منذ جاليليو ونيوتن حريصين وحذرين على صياغة قوانين الفزياء لكى لا تتغير بتغير الأنظمة القصورية المختلفة وهذا يعنى ان للكميات الفيزيائية المختلفة قيم مختلفة فى الأنظمة القصورية المختلفة ولكن هذا لا يعنى ان قوانين مثل قانون بقاء الكتلة والطاقة تختلف باختلاف الانظمة القصورية وهذا ما يعرف بمدأ النسبية والذى ينص على " تعد قوانين الفيزياء هى نفسها مهما اختلفت الانظمة القصورية " .

او بعبارة أخرى أن قوانين الفيزياء ينتابها التغيير فى الأنظمة الغير قصورية .

تناقض ظاهرى فى مبدأ النسبية

فى القرن ال19 استخدم ماكسويل القوانين الاساسية التى توصف المجال الكهرومغناطيسى ليبين أن الضوء يسير فى الفراغ بسرعة تساوى 300 مليون م / ث وبتطبيقها تبين ان الموجات الكهرومغناطيسية ومنها الضوء تسير بنفس السرعة غير معتمدة على حركة المصدر او المراقب ( مثلها مثل موجات الصوت لأنهما عبارة عن إهتزازات تنتقل فى الوسط ) .

وهذا ما كان يتناقض مع مبدأ النسبية عند جاليليو وللتوضيح نضرب المثال التالى :

لنفرض ان سيارة تسير بسرعة vg بالنسبة للارض لينطلق منها ضوء من الطرف الامامى بسرعة vl بالنسبة للسيارة لذلك تكون سرعة الضوء بالنسبة للارض على حسب نسبية جاليليو هى vg + vl

أى أنها تتعدى سرعة الضوء وهذا بالرغم أن معادلات ماكسويل تجزم ان سرعة الضوء تظل ثابتة وأنها بصفتها اهتزازت لا تعتمد على حركة المراقب او المصدر! .

فروض اينشتين

وأخيراً جاء اينشتين ليحل هذا التناقض ويفسر فى نظرياته ماذا نتج عن ثبات سرعة الضوء والتى بدت له ان الخلل ليس بها وبدأ فى نظرية النسبية الخاصة بفرضين اساسيين غيروا من مفهومنا للكون وهم :

اولا / أن قوانين الفيزياء لا تتغير فى كافة الأنظمة القصورية .

ثانيا / أن سرعة الضوء ثابتة فى الفراغ بالنسبة لكافة الانظمة القصورية وذلك بالرغم من حركة المصدر او حركة المراقب فالبنسبة للسيارة سرعة الضوء 300 مليون م / ث وبالنسبة للمراقب الذى يرى السيارة والضوء المنطلق منها يرى الضوء يسير بنفس السرعة ! .

الجدير بالذكر أن لورينتز قد سبق اينشتين فى معرفته أن الخلل ليس فى معادلات ماكسويل التى تفترض ثبات سرعة الضوء وأن الخلل فى فروض جاليليو التى تبدو أكثر منطقية ففرض أنه لكى يسير الضوء بنفس السرعة بالنسبة للمراقب الذى يقف على الأرض فإنه سيقيس أبعاد مختلفة عن الذى يقيسها مراقب السيارة او بعبارة اخرى أنه لكى تقل سرعة الضوء عن الزيادة المتوقعة بحسب جاليليو وتظل ثابته بالنسبة للمراقب الارضى فإن المسافة التى يسيرها الضوء ويقيسها هذا المراقب تقل او تنكمش عن المسافة التى يقيسها المراقب بالسيارة !

وحسب لورنتز نسبة الإنكماش فى المسافة المقاسة فيما يعرف بتحويلات لورنتز ولكنها بدت أنها مجرد معادلات أخترعت للحفاظ على معادلات ماكسويل التى تفترض ثبات سرعة الضوء.......


والان ماذا قدم اينشتين مع فرضياته التى تم توضيحهم منذ قليل ؟

استمد اينشتين من هذين الفرضين نتائج وجهت ضربات قاتلة للمفاهيم البديهية بالنسبة للفضاء والزمن ولكن لتخفيف حدة الاصطدام المباشر بهذه النتائج وجب علينا توضيح أن حدوسنا او ما نظنه انه شئ بديهى ومنطقى بالنسبة للعالم هى حدوث مستمدة من خبراتنا حول هذا العالم والتى بدورها تعتمد على شهودنا للسرعات البطيئة بالنسبة لسرعة الضوء ولكن لو قدر لنا مشاهدة نفس الظواهر التى نشاهدها يوميا ولكن بسرعات كبيرة تقترب من سرعة الضوء لن تبقى نتائج النسبية غريبة علينا على العموم وهذا ويجب معرفة أيضا أن العديد من التجارب قد أجريت بالفعل وأثبتت أن نتائج النظرية النسبية صحيحة .

نظرية النسبية الخاصة

تتعلق النسبية الخاصة بالأنظمة القصورية فقط وفى عام 1915 نشر اينشتين نظرية النسبية العامة التى تتعلق بالأنظمة غير القصورية وتأثير الجاذبية على ابعاد الزمان والمكان وفى هذا الصدد سنتناول الأطر المرجعية القصورية فقط .

اولا التزامن والمراقبون المثاليون

الفرض القائل ان سرعة الضوء ثابتة بالنسبة لكافة الانظمة القصورية يؤدى الى نتائج مذهلة ومنها ان المراقبون فى النظم القصورية المختلفة لن يتفقوا على ما اذا كان حدثين يحدثان فى مكانين مختلفين يحدثان معا فى نفس الوقت وهذا ما يعرف بالتزامن ....

فى فيزياء نيوتن الزمن مطلق وهذا يعنى ان المراقبين فى الانظمة القصورية المختلفة سيستخدمون نفس الساعة وسوف يقيسوا نفس الزمن وسوف يتفقوا على ان الحدثين يحدثان معا ام لا.

تعمل نسبية اينشتين بعيدا عن مفهوم الزمن المطلق فالزمن لا يسير بنفس الكيفية بالنسبة للمراقبين المختلفين يتم تحديد الحدث تحديدا تاما مكانيا وزمانيا باستخدام اربع محاور هم x , y , z , t . وليس ثلاث محاور x,y,z وذلك لأن الزمن وهو البعد الرابع لا يكون واحدا بالنسبة للمراقبين المختلفين وهذه المحاور تسمى إحدثيات الزمكان لمراقب ما .

ولكل مراقب إحداثياته التى تختلف كليا عن إحداثيات المراقبين الأخريين فمثلا لا يرى المسافر بالقطار الرصيف كما يراها من يقف على الرصيف نفسه فيرها المسافر اقل طولا وهذا يعنى ان الاحداثى x يختلف عند المسافر عن نفس الاحداثى بالنسبة للمراقبين على الرصيف  .

والان لنفرض مثالا اخر ..................... يستكمل