النظرية النسبية الخاصة

ظهرت النسبية الخاصة عام 1905 م على يد ألبرت أينشتاين
كبديل عن نظرية نيوتن في الزمان والمكان لتحل بشكل خاص مشاكل النظرية
القديمة فيما يتعلق بالأمواج الكهرطيسية عامة, والضوء خاصة. وهي تدعى خاصة
لأنها تعالج حالة افتراضية خاصة تهمل فيها تأثيرات الثقالة التي ستتناولها
فيما بعد النظرية العامة.

في النصف الثاني من القرن 19 قدم جيمس كلارك ماكسويل ( 1831 - 1879 ) نظرية
متكاملة عن الظواهر الكهرطيسية. لم تحوي هذه النظرية على متغيرات
ميكانيكية كما في قانون التحريض الكهرطيسي:

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

كان من الواضح أنه لا يأخذ بعين الاعتبار أية فكرة عن جسيمات مرافقة لهذه
الأمواج و قد بيّن ماكسويل في هذه النظرية أن الضوء عبارة عن أمواج
كهرطيسية.

جميع الظواهر الموجية المعروفة آنذاك كانت عبارة عن تموج لوسط معين (
الأمواج على سطح الماء, الأمواج الصوتية...). لذلك اعتقد الفيزيائيون أن
الضوء يجب أن يكون تموج لوسط ما أطلقوا عليه اسم الأثير, و كان على هذا
الأثير أن يملأ الكون بأكمله ليؤمن توصيل ضوء النجوم البعيدة, و أن يكون
سهل الاجتياز ( و إلا لكبح حركة الأرض حول الشمس ), و على الضوء أن ينتشر
به بسرعة c .

حاول العديد من الفيزيائيين ومن ضمنهم ماكسويل وضع نموذج ميكانيكي للأثير
لكن النجاح لم يحالفهم في ذلك و مع الوقت ساد الاعتقاد بعدم قدرة الميكانيك
على تفسير الظواهر الكهرطيسية.

وبذلك تكون جملة المقارنة الغاليلية المرتبطة بالأثير متميزة عن باقي جمل
المقارنة الغاليلية. و كان بالإمكان إذا استنتاج سرعة كل جملة مقارنة
غاليلية بالنسبة إلى الأثير عن طريق القيام بتجارب انتشار الضوء و لما كان
انطبق مبدأ النسبية الميكانيكي على انتشار الضوء.

في الواقع عندما تتحرك الأرض باتجاه ما بالنسبة للأثير و بسرعة v و نرسل من
الأرض إشارة ضوئية بنفس الاتجاه ستكون سرعة الإشارة بالنسبة للأثير c و
بالنسبة للأرض c-v . أما إذا أرسلت الإشارة بالاتجاه المعاكس فستكون سرعتها
بالنسبة للأرض c+v . و لما كانت الأرض تتحرك حول الشمس بسرعة 30 كم. ثا-1
على مسار دائري تقريبا توقع الفيزيائيون بأن الأرض تتحرك بسرعة مماثلة
تقريبا بالنسبة للأثير.

في نهاية القرن 19 أجريت تجارب عديدة لقياس التغيرات في سرعة الضوء بالنسبة
للأرض و التي سببها حركة الأرض بالنسبة للأثير.لكن جميع النتائج جاءت
سلبية حيث انتشر الضوء في جميع الاتجاهات بالنسبة للأرض بسرعة متساوية c . و
كانت هذه النتيجة هي جوهر تجربة مايكلسون و مورلي .

تم إثبات هذه النتيجة في يومنا هذا عن طريق عمل نظام التوقيت الدولي الذي
يعتمد على الساعة الذرية و كذلك عن طريق التجارب التي أجريت في الفيزياء
النووية و فيزياء الجزيئات الأساسية. تدل سرعة الضوء الثابتة على تعذر
التميز بين جمل المقارنة الغاليلية حتى باستخدام تجارب انتشار الضوء. ظهرت
عدة فرضيات في نهاية القرن 19 تحاول تفسير النتائج التي توصلت إليها
التجارب حول ثبات سرعة انتشار الضوء لكن جميعها عجزت عن تعميق فهمنا لهذه
الحقيقة.

وضع اينشتاين عام 1905 المبدأين التاليين ليكونا أساس النظرية النسبية
الخاصة و التي دعيت بالخاصة لأنها خاصة بجمل المقارنة الغاليلية: مبدأ
النسبية و مبدأ ثبات سرعة الضوء.

فرضيات النسبية الخاصة

مبدأ النسبية Relativity Principle: لا توجد خصوصية أو اختلافات في
القوانبن الطبيعية بين مختلف الجمل العطالية . فكل ملاحظ في أي جملة عطالية
يجب أن يكون على توافق مع مراقب في جملة عطالية أخرى بشأن توصيف الواقع
الفيزيائي . (تأخذ قوانين الفيزياء التعبير الرياضي نفسه في جميع جمل
المقارنة الخارجية الغاليليةأي جميع جمل المقارنة الغاليلية متساوية
فيزيائيا.) لا توجد جملة مقارنة مطلقة لذا لا يمكن عن طريق أية تجربة
فيزيائية ( ميكانيكية, بصرية...) تجرى ضمن جملة المقارنة تحديد إذا ما كانت
هذه الجملة ساكنة بالنسبة لجملة أخرى أو تتحرك بحركة مستقيمة منتظمة . حيث
تم توسيع هذا المبدأ ليشمل كل الأحداث الفيزيائية.
ثبات سرعة الضوء : سرعة الضوء بالنسبة لجميع المراقبين العطاليين inertial
observers واحدة ( س ) و في جميع الاتجاهات و لا تعتمد على سرعة الجسم
المصدر للضوء . إن سرعة انتشار الضوء في الفراغ هي السرعة الحدية العظمى و
لها القيمة نفسها في جميع جمل المقارنة الغاليلية. بغض النظر عن سرعة
المنبع و جهة انتشار الضوء و حركة كل من المنبع و المراقب.
عند جمع هذين الفرضين يمكننا الاستنتاح أن الضوء لا يحتاج إلى وسط ( أثير )
ينتقل فيه كما تنص نظرية نيوتن ، فهو لا يرتبط بجملة مرجعية (نظام مرجعي)
reference system .

و بما أن هذه النظرية تهمل تأثيرات الجاذبية فيجب ان ننتبه إلى تطبيقها فقط
عندما تكون التاثيرات الثقالية مهملة و ضئيلة والا حصلنا على نتائج خاطئة .

نتائج النظرية
الفاصل الزمني بين حدثين متغير من مراقب إلى آخر لكنه يعتمد على السرع
النسبية للجمل المرجعية للمراقبين.
نسبية التزامن : يمكن لحدثين متزامنين ، يحدثان في نفس الوقت في مكانين
منفصلين ضمن جملة مرجعية ، أن يكونا غير متزامنين متعاقبين بالنسبة لمراقب
في جملة مرجعية أخرى.
نسبية القياس : يمكن لعملية القياس التي يجريها مراقبين في جملتين مرجعيتين
reference system مختلفتين أن تعطي نتائج و قياسات مختلفة لنفس الشئ
المقاس.
نسبية الزمن و مفارقة التوأمين twins paradox : اذا سافر أحد توأمين في
مركبة فضائية بسرعة تقارب سرعة الضوء ، فسيكتشف بعد عودته للأرض بعد خمس
سنوات على ساعته ، مرور خمسين عاما على توقيت الارض و سيجد أن أخاه قد كبر
خمسين عاما في حين لم يزد عمره هو سوى خمس سنين ... مما يعني أن الزمن
يتباطأ بتزايد سرعة الجملة المرجعية التي يتم القياس بها.
رفضت النسبية فكرة المرجع المطلق absolute reference التي تتوافق مع فكرة
مكان متجانس مملوء بمادة تدعي الأثير ينتقل عبرها موجات الضوء ، لقد نسفت
النسبية هذه الفكرة من جذورها استنادا إلى تجربة ميكلسون ومورلي التي بينت
ثبات سرعة الضوء و قامت باستبدالها بمبدأ النسبية الذي ينص على ثبات قوانين
الفيزياء ( و ليس الفضاء ) بالنسبة لكافة الجمل ذات السرع الثابتة (
الانظمة العطالية inertial systems) . يمكن ببساطة التحويل بين الانظمة
المرجعية المتحركة بالنسبة لبعضها عن طريق مجموعة قوانين تدعى : تحويلات
لورينتز .

و كما قامت النسبية بتوحيد الزمان مع المكان في فضاء واحد رباعي الأبعاد ،
قامت بتبيان العلاقة بين الكتلة Mass, و العزم Momentum, و الطاقة Energy
على انها تظاهرات لشئ واحد و فتحت الباب نحو تحويل هذه الظواهر إلى بعضها
البعض و عوضا عن الحديث عن انحفاظ المادة Matter أو الطاقة أو العزم يمكننا
الحديث عن انحفاظ مجموع هذه القيم ضمن الجمل المعزولة ..

ثورية النسبية
لقد كان لإعلان النظرية النسبية أثر عميق في تفكير الإنسان بشكل عام فقد
جاء على مرحلتين فكريتين ضخمتين واحدة تقود إلى الأخرى فكانت النسبية
الخاصة عام 1905 والنسبية العامة عام 1915 وقد أدت هذه النظرية النسبويه
إلى دمج ثلاث أبعاد مكانيه spatial dimensions مع بعد زمني time dimension
في فضاء رباعي الأبعاد ومتعدد الجوانب فأحدث ذلك تغيرا عظيما في الفلسفة
ناهيك عن التغيرات الفيزيائية .

كلنا يعلم تجربة ميكلسون ومورلي التي أحدثت اضطرابا كبير في الفيزياء فلكي
نستطيع أن نفهم النسبية نحتاج إلى فهم وجهة الخلاف في هذه التجربة . ولم
يطور أينشتاين نظرية كي يبحث عن تفسير لهذه التجربة لأنه لم يكن يعلم بها
وكان منغمسا في نظرية ماكسويل الكهرومغناطيسيه وكي نفهم طبيعة هذه النظرية
دعونا نراقب قطارا مثلا أو نقذ بعض الأشياء أو نتحرك ثم نحاول من مراقبتنا
للأشياء تحديد حركتنا أننا مهما تأنينا في مراقبتها فلن نكتشف أننا على سطح
كوكب متحرك أو ساكن لان 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 أقدر من قوانين الميكانيكا على كشف
حركتنا المنتظمة وهذا يعني أنه لا يمكن 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
ولذلك رأى اينشتاين أنه يجب أن تكون سرعة الضوء في الخلاء مستقلة عن حركة
المنبع الضوئي وهذا يعني ثبات سرعة الضوء :

وهذه السرعة أصبحت ثابتا كونيا ولكن لم تستند إليه قوانين نيوتن ومن ثبات
سرعة الضوء اتجه اينشتاين إلى تحليل مفهومي المكان والزمان المطلقين كان
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 . اقرأ نسبية التزامن

هذا الثابت -سرعة الضوء- يعتبر من أهم الثوابت الكونية التي تدخل في بناء
هذا الكون وأن القانون الذي لا يحتوي عليه لا يعتبر قانون كامل بل يحتاج
إلى أن يستكمل إلى أن يصبح صامد نسباويا ولم يكن اينشتاين أول من ادخل مبدأ
الصمود فقد أدخله نيوتن قبله على نظريته وكان مفيدا إلى حد بعيد ولنبدأ
بتعريف الحادث انطباق جسيم على نقطه في الفراغ (إليكترون مثلا أو فتون ) في
لحظه معينة فلكي نحدد حادثا معيناً يجب أن نعرف متى وأين وهذا يعني أن
يكون لدينا مرجع مقارنه (مجموعة إحداثيات ) وبما انه نريد موقعه فعلينا أن
نعطي ثلاث أعداد على المحاور التي يكونها الفراغ (س, ع, ص ) هذه الإحداثيات
المكانية وكي نحدد زمن وقوع الحادث نحتاج إلى إحداثي جديد زمني فيكون مسار
الجسيم منحنيا يصل بين هذه الحوادث وبما أن القانون لا يعالج حالة خاصة بل
يعالج الطبيعة نفسها فيجب أن يبقى نفسه لكل المراقبين وهذا هو مبدأ الصمود
وأكثر ما يميز النسبية أنها تظهر أنه لا المكان وحده مطلق ولا الزمان وحده
مطلق ولكن قولنا أن كلا من الزمان والمكان ليس مطلقا لا يعني أن النسبية
ليست نظرية الأشياء المطلقة بل أن الحقيقة المطلقة فيها أعلى مستوى مما في
فيزياء نيوتن لأنها تمزج المكان بالزمان في - زمكان - متشعب الجوانب ولكي
نوضح ذلك نلاحظ أولا أن كلا من المسافة بين حادثين والمدة الزمنية الفاصلة
بينهما هي نفسها وفقا لفيزياء نيوتن بالنسبة لجميع المراقبين - أي أن المدة
مطلقة والمسافة مطلقة - أما في النظرية النسبية فيجد أن المراقبون
المختلفون مسافات مختلفة وأزمنة مختلفة ومع ذلك تعلمنا النسبية أن مزيجا
معينا للمكان والزمان الفاصلين بين حادثين يكون واحدا بالنسبة إلى جميع
المراقبين وللحصول على مربع هذه الفاصلة الزمكانيه المطلقة بين الحادثين
نربع المسافة بين الحادثتين ونطرح منها حاصل ضرب سرعة الضوء في المدة
الزمنية بين الحادثين فنحصل على المقدار المطلق .

» النظرية النسبية العامّة
» ~¤¦¦§¦¦¤~الفتاوي الخاصة بذوي الإحتياجات الخاصة و المكفوفين ~¤¦¦§¦¦¤~
» النظرية الصينية عن التوحد
» تكوين النفط حـسب النظرية العضوية
» تكاليف التدهور البيئي وشحة الموارد الطبيعية بين النظرية وقابلية التطبيق في الدول العربية