كيف تؤثر السرعة على الزمان والمكان ضمن النظرية النسبية الخاصة ؟
بهذا السؤال بدأ البرت اينشتاين طريقه في عمل النظرية النسبية الخاصة محاولا وضع مفاهيم و تفسيرات واضحة لجملة من الظواهر و الفرضيات الغير مغهومة .
باختصار، النظرية النسبية الخاصة لألبرت أينشتاين هي تفسير لكيفية تأثير التغيير في سرعة الجسم على قياسات الوقت والمكان والكتلة، كبديل عن نظرية نيوتن في السرعة و التعجيل بالزمان والمكان لتحل بشكل خاص مشاكل النظرية القديمة فيما يتعلق بالأمواج الكهرومغناطيسية عموما، و الضوء خصوصا.
قبل أينشتاين ، فهم علماء الفلك (في غالب النظريات) الكون من منظور ثلاثة قوانين للحركة قدمها العالم الانكليزي إسحاق نيوتن عام 1686.
قوانين الحركة الثلاثة
(1) تظل الأجسام المتحركة (أو في حالة السكون) في حالة حركة (أو ثابتة) ما لم تفرض قوة خارجية التغيير.
(2) القوة تساوي التغير في الزخم لكل تغيير للوقت. وبالنسبة للكتلة الثابتة ، القوة تساوي الكتلة مضروبة في التسارع.
(3) لكل فعل رد فعل متساوٍ له بالمقدار ومعاكس له بالاتجاه .
لكن كانت هناك تصدعات في النظرية لعقود قبل وصول أينشتاين إلى المشهد ، وفقًا لموسوعة بريتانيكا. في عام 1865 ، أوضح الفيزيائي الاسكتلندي جيمس كليرك ماكسويل أن الضوء عبارة عن موجة تحتوي على مكونات كهربائية ومغناطيسية ، وحدد سرعة الضوء (186000 ميل في الثانية) او حوالي 299،792،458 مترًا في الثانية. افترض العلماء أن الضوء يجب أن ينتقل عبر بعض الوسائط التي أطلقوا عليها اسم الأثير.
بعد عشرين عامًا ، أثارت نتائج غير متوقعة في هذا الأمر بعض التساؤلات. اذ قام الفيزيائي ميكلسون والكيميائي إدوارد مورلي بحساب التأثير الناتج عن حركة الأرض من خلال “الأثير” على قياس سرعة الضوء ، اذ وجدوا أن سرعة الضوء هي نفسها بغض النظر عن حركة الأرض. أدى ذلك إلى مزيد من التأملات حول سلوك الضوء – وتعارضه مع الميكانيكا الكلاسيكية – من قبل الفيزيائي النمساوي إرنست ماخ.
بدأ آينشتاين بالتفكير في سلوك الضوء عندما كان يبلغ من العمر 16 عامًا فقط ، في عام 1895. أجرى تجربة فكرية ، كما قالت الموسوعة ( بريتانيكا ) ، حيث ركب على موجة ضوئية واحدة ونظر إلى موجة ضوئية أخرى تتحرك موازية له.
في هذه الحالة تفسر الفيزياء الكلاسيكية أن سرعة الموجة الضوئية التي كان ينظر إليها أينشتاين سيكون لها سرعة نسبية تساوي صفرًا ،و لكن، واقعا هذا يتعارض مع معادلات ماكسويل التي أظهرت أن الضوء دائمًا بنفس السرعة: 186000 ميل في الثانية. مشكلة أخرى تتعلق بالسرعة النسبية هي أنها ستظهر أن قوانين الكهرومغناطيسية تتغير اعتمادًا على وجهة نظرك كراصد ، والتي بدورها ايضا تتناقض أيضًا مع الفيزياء الكلاسيكية (التي تفسر إن قوانين الفيزياء هي نفسها ثابتة لا تتغير للجميع).
أدى ذلك إلى تأملات أينشتاين في نهاية المطاف حول النظرية النسبية الخاصة ، والتي اعطى بها المثال لشخص يقف بجانب قطار متحرك ، ويقارن الملاحظات مع شخص داخل القطار نفسه في رصد السرعة و حركة الاجسام حول و داخل القطار ( الجسم المتحرك ) .
واحدة من أشهر المعادلات في الرياضيات تأتي في هذا الاطار من اينشتاين من النظرية النسبية الخاصة. المعادلة – E = mc2 – تعني ان “الطاقة تساوي الكتلة مضروبة في مربع سرعة الضوء”. يظهر أن الطاقة (E) والكتلة (M) قابلة للتبادل ؛ او بتعبير اخر ، هما مجرد أشكال مختلفة من الشيء نفسه. إذا تم تحويل الكتلة بشكل كامل إلى طاقة ، فإنها تُظهر أيضًا مقدار الطاقة التي ستوجد داخل تلك الكتلة.
توضح هذه المعادلة أيضًا أن الكتلة تزداد مع زيادة السرعة ، مما يضع بشكل فعال حدًا للسرعة التي يمكن أن تتحرك بها الأشياء في الكون. ببساطة، سرعة الضوء (C) هي أسرع سرعة يمكن أن يتحرك بها الجسم في الفراغ ( الفضاء ). عندما يتحرك الجسم ، تزداد كتلته أيضًا.
و بالقرب من سرعة الضوء ، تكون الكتلة عالية جدًا بحيث تصل إلى ما لا نهاية، وتتطلب طاقة غير محدودة لتحريكها ، وبالتالي تحديد السرعة التي يمكن أن يتحرك بها الجسم. اذ ان السبب الوحيد الذي يجعل الضوء يتحرك بالسرعة العالية التي يتحرك بها هو أن الفوتونات ، الجسيمات الكمومية التي يتكون منها الضوء ، لها كتلة تساوي صفر 0 .
يأتي الاستنتاج الغريب الآخر لعمل أينشتاين من إدراك أن الوقت يتحرك بالنسبة إلى المراقب. يتعرض الجسم المتحرك لتمدد الوقت ، مما يعني أن الوقت يتحرك بشكل أبطأ عندما يتحرك ، مقارنة بالوقت الذي يكون فيه الشخص واقفاً. لذلك ، فإن الإنسان يتقدم في العمر بشكل أبطأ من الإنسان في حالة الراحة. لذا نعم ، عندما قضى رائد الفضاء سكوت كيلي ما يقرب من عام على متن محطة الفضاء الدولية في 2015-2016 ، كان شقيقه التوأم رائد الفضاء مارك كيلي قد تقدم في العمر أسرع قليلاً من سكوت.
يصبح هذا واضحًا للغاية عند السرعات التي تقترب من سرعة الضوء. تخيل شابًا يبلغ من العمر 15 عامًا يسافر بسرعة 99.5 % من سرعة الضوء لمدة خمس سنوات (من منظور رائد الفضاء). عندما يعود الشاب البالغ من العمر 15 عامًا إلى الأرض ، وفقًا لوكالة ناسا ، سيكون عمره 20 عامًا فقط. ومع ذلك ، سيكون زملاؤه في الصف 65 عامًا. وهكذا.
الأطر المرجعية والحركة النسبية :-
تقوم الأُطر المرجعية بدور بالغ الأهمية في النظرية النسبية الخاصة، ويُعتبر مصطلح الإطار المرجعي كما هو مستخدم هنا منظوراً رصدياً في الفراغ لا يتعرض لأي تغير في الحركة (تسارع)، من موقع يمكن قياسه على امتداد ثلاثة محاور فراغية، كما يمتلك الإطار المرجعي القدرة على تحديد قياسات زمن الحوادث باستخدام «ساعة» (أي جهاز مرجعي له دورية موحّدة).
شاهد ايضاً النظرية العامة النسبية لاينشتاين
علماً أن الحادثة هي حالة يمكن تعيين زمان ومكان وحيدين فريدين لها في الفراغ بالنسبة لإطار مرجعي: أي أنها «نقطة» في الزمكان، ونظراً لأن سرعة الضوء ثابتة في النسبية في كل إطار مرجعي، يمكن استخدام ومضات ضوئية لقياس المسافات بشكل لا لبس فيه، وإحالة أزمنة وقوع الحوادث للساعة، بيد أن الضوء يستغرق وقتاً للوصول للساعة بعد أن تتّضح الحادثة.
انشاء و ترجمة و تحرير :-
علي رضا
المصادر :-
