ألبرت أينشتاين.. و النظرية النسبية الخاصة والعامة

النظرية النسبية الخاصة والعامة.. ألبرت أينشتاين صاحب النظرية النسبية الخاصة والنظرية النسبية العامة، حيث استطاع من خلالها أن يفسر الظواهر الفيزيائية العلمية التي فشلت النظريات الفيزيائية الكلاسيكية أن تجد تفسيرًا لها.

النسبية الخاصة حلت مشكلة الأمواج الضوئية حيث خالفت نظرية نيوتن في المكان والزمان، والعامة حلت مشكلة قوانين نيوتن للجاذبية.

النظرية النسبية

إن النظرية النسبية الخاصة هي الحل الأكثر دقة لوصف الحركة بأية سرعة كانت طالما كان تأثير قوى الجاذبية صغيرًا نسبيًا، مع ذلك تبقى نظرية نيوتن صحيحة في وصف الحركات ذات السرعات الصغيرة مقارنة بسرعة الضوء.

النظرية النسبية .. لقد اقترح اينشتاين هذه النظرية في السادس والعشرين من شهر أيلول في العام 1905 تحت عنوان (الالكترو ديناميكا للأجسام المتحركة Electro dynamics of moving objects) حيث تناول من خلالها مفهوم (المكان The place والزمان The time والطاقة The energy والكتلة The mass). في عالم الفيزياء هناك مصطلح هو (مبدأ النسبية) أو (مبدأ غاليلو غاليلي (Galileo Galilei وينص على أن “القوانين الطبيعية يجب أن تبدو لجميع المراقبين بنفس الصفات” بشرط أن لا توجد حركة ما مقيدة تميز مراقب عن آخر.

ومبدأ النسبية هذا له أهمية كبرى في دراسة الفيزياء الكلاسيكية (قوانين نيوتن للحركة)، أمّا النظرية النسبية الخاصة عند آينشتاين تطبق على الحركة المستقيمة المنتظمة ومن ثمّ يمكن أن تعمم تحت إطار النظرية النسبية العامة.

النظرية النسبية (The theory of relativity) هي أشهر النظريات في الفيزياء الحديثة، وهما في الواقع نظريتان الأولى هي (النظرية النسبية الخاصة (Special Relativity Theory والثانية هي (النظرية النسبية العامة (General relativity كلاهما قام (اينشتاين  (Einstein بنشرهما في عامي (1905 – 1906) على التوالي.

استطاعت النسبية الخاصة أن تجيب عن صعوبات خواص الأمواج الضوئية من خلال تفسير نتاج تجربة العالمان الأمريكيان الكيميائي (إدوارد مورلي Edward Morley) والفيزيائي (ألبرت ميكلسون (Albert Mickelson التي أجرياها لاختبار انتشار الضوء، حيث بينت أن الأمواج الضوئية (Optical waves) لا تحتاج إلى وسط لتنقل فيه على عكس الأمواج العادية الأخرى مثل الأمواج الصوتية (Sound waves) التي تحتاج إلى وسط لانتقالها فيه مثل الماء أو الهواء أو المعدن.

وناقضت مبدأ السرعة النسبية حيث يجب أن سرعة أضواء السيارة التي تسير بسرعة قدرها (99%) من سرعة الضوء، يجب أن تكون ضعفي سرعة الضوء في (الخلاء (Free، حيث أن نظرية النسبية لأينشتاين قد خالفت استنتاجات العالم اسحق نيوتن (Isaac Newton) بشكل كامل.

مفهوم الزمان والمكان  أو الزمكان(Spacetime)  والنظرية النسبية

الزمكان هو الزمان المكاني أو باختصار (الزمكان) وهو حصيلة مزج لمفهومي المكان والزمان في الفضاء ذو الأبعاد الأربعة، الأبعاد الثلاثية المعروفة (الطول والعرض والارتفاع Legh, Width, Heigh) بالإضافة إلى البعد الزمني (Time) ممثلًا للبعد الرابع في الفضاء الكوني.

وقد كان الاعتقاد سائدًا حتى بدايات القرن الماضي (القرن العشرين) بأن هندسة افضاء قائمة على الأبعاد الثلاثة المعروفة تلك، لكن أينشتاين وبواسطة النظرية النسبية استطاع أن يبرهن أن القوانين الفيزيائية غير متغيرة في جميع الاطر الغير متسارعة أي الجمل ذات القصور الذاتي (العطالة)، وأن سرعة الضوء في الفضاء (الخلاء (Free هي ثابتة بالنسبة لجميع المراقبين، وأن سرعة الضوء في الخلاء تساوي (299,792,458 m S-1) متر في الثانية، وبما أن الإفتراض يقول بأن سرعة الضوء ثابتة فذلك يؤدي لنتيجتين اثنتين وهما:

الأولى تباطؤ الزمن (Time slows down)

التباطؤ بحسب القانون

حيث (دلتا t) هي فرق الزمن في حالة السكون.

     (دلتا t, ) هي فرق الزمن النسبي.

الثانية تقلص الأطوال (Shrinking lengths)

حيث (L) هو طول الجسم في الحالة الساكنة.

(L,) الطول الظاهري للمراقب.

  (v) هي السرعة النسبية بين الجسم المتحرك والمراقب.

(c) هي سرعة الضوء النسبية.

(غاما) هو ثابت معامل لورنتز ويساوي:

علاقة الطاقة بالكتلة والسرعة

إن نتيجة ضرب الكتلة (m) في القيمة المربعة لسرعة الضوء (C) تساوي الطاقة (E) أي أن:

E = m c2

تمثل هذه المعادلة إحدى أهم نتائج النسبية الخاصة حيث ساهمت المعادلة في اكتشاف الطاقة النووية (Nuclear energy).

النظرية النسبية بين الثنائية

إن النظرية النسبية تعتبر تمثيلًا لأكثر من نظرية فيزيائية في الواقع حيث يوجد لها عدة تفاسير منها:

• إن النظرية النسبية الخاصة يمكن أن تطبق على (الجسيمات الأولية (Elementary particles بينما يمكن تطبيق النظرية النسبية العامة على في الفيزياء الفلكية.
• تم قبول النظرية النسبية الخاصة من قبل المجتمع الفيزيائي في العام 1920 وكانت أكثر من ضرورية لدراسة العلوم الجديدة مثل (الفيزياء الذرية Atomic physics، والفيزياء النووية Nuclear energy, وفيزياء ميكانيكا الكم (Quantum mechanics.
• وكانت رياضيات النسبية العامة تبدو من الصعوبة بمكان مما أدى لعدم فهم النظرية لكثير من الناس، حتى جاء العام 1960 حيث وجدت تطبيقات رياضية حديثة جعلت العمليات الحسابية الخاصة بالنسبية العامة أكثر بساطة.

النظرية النسبية العامة ومبدأ التكافؤ

لقد عمل أينشتاين على تطوير هذه النظرية عام 1907 وطبقًا لهذه النظرية فإن الاستقطاب الجاذبي بين كتلتين ناتج عن انبعاج في النسيج الزمكاني وكانت النسبية العامة هي أساس الفيزياء الحدثة وأساس فهمنا لحقيقة (الثقوب السوداء (Black holes في الفضاء الكوني والاستقطاب الجذبوي من القوة بحيث أن الضوء لا يمكنه الهروب منه.

الموجات الثقالية (The Cultural Waves)

الموجات الثقالية هي عبارة حركات موجية تؤدي للإنحناء (الزمكاني)، قادرة على نقل الطاقة على هيئة (إشعاع جذبوي)، وفي أول رصد للموجات الثقالية في الكون تم على أثرها رصد مجموعة مكونة من نجمين نيوترونيين (Neutron Star) دائران حول بعضهما، وتم رصد التضاؤل في زمن دورانهما الذي تم تفسيره بإشعاع الموجات الثقالية، وتم أيضًا تأكيد تنبؤات أينشتاين عندما رصد الباحثون في مرصد (ليغو (Lego) وقام بنشر صور لرصد الموجات الثقالية التي تم رصدها من الأرض في عام 2015، أي بعد مائة عام من توقعات أينشتاين من خلال نظرية النسبية العامة.

الثقوب الدودية (Dismal holes)

عمل أينشتاين مع العالم (ناثان روزين (Nathan Rosen على دراسة وجود الثقب الدودي والذي يسمى (جسر أينشتاين روزن) وذلك كحل لمعادلات الجال الجذبوي نتيجة معادلات النظرية النسبية العامة، لتكوين الجزيئات الأولية (Primary Particles) وتشكلت من هذه الحلول (مصفوفة شوارز شيلد Showers Shild (Matrix، لتشكيل الجسر بين رقعتين.

الأحداث السابقة والأحداث اللاحقة

إذا كلان لدينا قطار في المحطة ويوجد باخله راكب (مراقب) وفي المحطة راكب ينتظر القطار (مراقب) خارجي، وكانت أبواب القطار فيها خلل ما، والراكب في القطار يرى بأن الباب الأمامي يفتح بمدة قدرها (15)  ثانية بينما الراكب المنتظر سيرى الباب يفتح بمدة (25) ثاني ذلك حسب نسبية التزامن، بمعنى أنه يمكن في أحد المختبرات أن يرى حدثًا سابق لغيره ومراقب آخر في مختبر آخر يراه لاحقًا لغيره، وبالتالي فإن نسبية الأسبقية والتلاحق لاب لها من حدود ذلك أنه لا يمكن أن يولد الإبن قبل والدته.

إذا راقب أحد الأشخاص الشمس بمنظار بقعة ضوء على الشمس فإنه يراها بعد ثمانية دقائق، أي أن الرؤية تحدث بعد انجاز العمل، أي لاحقًا لظهوره على الشمس، يبين مبدأ النسبية ملاحظة علاقات زمنية ثلاثة للحدث هي سابقة ولاحقة وليست سابق وليست لاحقة، وهي تعتمد على مكان المختبر الذي نراقب منه الحدث.

الظاهرة أو الفعل الكهروضوئي (Photovoltaic act)

الفعل الكهرضوئي أو الظاهرة الكهرضوئية عبارة عن إصدار الالكترونات من الأجسام السائلة أو الصلبة أو الغازية عن امتصاص الطاقة الضوئية، لقد استطاع أينشتاين البرهان على هذه الظاهرة وبشكل واضح من تأثير النظرية النسبية العامة مما أهله لنيل (جائزة نوبل) عن تفسير هذه الظاهرة الكهروضوئية في العام 1921.

الخصائص الفيزيائية للفوتون (Photon)

إن الفوتون هو جزء من تركيب الذرة ولا يمتلك كتلة ما، ومعدوم الشحنة الكهربائية، ولا يتلاشى في الفضاء (الخلاء (Free والعلاقة بين زخك حركة الفوتون والطاقة تعطى بالمعادلة:

E = P C

حيث E الطاقة، P شعاع زخم الحركة،  C سرعة الضوء، علمًا أن النظرية النسبية كانت هي السبب بتطور هذه العلوم الفيزيائية الحديثة.

من هو أينشتاين (Albert Einstein)

هو ألبرت أينشتاين  (Albert Einstein) عالم فيزيائي يهودي من أصل ألماني، إلّا أنه تخلى عن الجنسية الألمانية فيما بعد، ولد في الرابع عشر من شهر آذار لعام 1879، وتوفي في الثامن عشر من شهر نيسان من العام 1955، ودفن في (المتحف الوطني لعلوم الصحة والطب (Natonal Museum of Health and Medicine Science.

نال درجة الدكتوراة من (جامعو زيورخ (University of Zurich، غادر ألمانيا على خلفيته اليهودية إلى الولايات المتحدة الأمريكية بعد أن وصل (أدولف هتلر (Adolf Hhtler إلى السلطة في ألمانيا وحصل على الجنسية الأمريكية بعدها.

أوصى بأن تبدأ الولايات المتحدة الأمريكية بالعمل على مشروع (القنابل الذرية (AtomicBombs على غرار ما تفعله ألمانيا النازية، نجح ألبرت أينشتاين بإقناع الرئيس الأمريكي (فرانكلين ديلانو روزفلت (Franklin Delano Roosevelt بتبني فكرة العمل على بناء القنابل النووية، حيث كان قد فشل العالم المجري (ليو زيلارد (Leo Zillard في ذلك.

مع ذلك لم يشارك ألبرت أينشتاين في هذا المشروع وهو لا يعتبر نفسه أبو (القنبلة النووية)، إنما كان دوره ثانويًا في ذلك.

حقائق غير معروفة عن أينشتاين

هناك العديد من الأمر الغير معرفة عن أينشتاين أو أنها كنت معلومات مغلوطة منها:

• هل تعلن أن أينشتاين قد عانى من التأخر في النطق وهو صغير واستمر في التلعثم في الكلام حتى سن السابعة من عمره، وذلك كان سبب بإصابته (بمتلازمة اسبرجر (Asperger syndrome.
• لقد كان أينشتاين بارعًا في الرياضيات والفيزياء:

من المعلومات المغلوطة عن أينشتاين أنه فشل في اختبار الرياضيات عند دخول الجامعة ولكن ذلك غير صحيح، فشل في دخول الجامعة لأنه كان ضعيفًا في اللغة الفرنسية والبيولوجيا والكيمياء، وأظهر نبوغًا في دراسة الرياضيات حيث أتقن (التكامل والتفاضل (Intergration and Differentiation وهو في سن الثانية عشرة فقط من عمره.

• نتيجة الاضطرابات الداخلية التي عانت منها ألمانيا بعد انتهاء الحرب العالمية الثانية قام عدد من الطلاب الألمان باحتجاز رئيس الجامعة مع عدد من الأساتذة، مما دعا كل من أينشتاين والعالم الألماني (ماكس بورن (Max Born بالمفاوضات مع الطلاب الخاطفين لإطلاق سراح الرهائن وهذا ما حصل بالفعل.
• عل تعلم أن أينشتاين لم يحصل على جائزة نوبل في الفيزياء عن نظرية النسبية الخاصة أو العامة، وإنما حصل على الجائزة من أجل تفسيره للفعل الكهرضوئي، وهي إصدار الأجسام للألكترونات نتيجة تعرضها للضوء.
• تمت سرقة مخ أينشتاين بعد موته واحتفظ به الطبيب العالم (توماس هارفي Thomas Harvey) من دون إذن من عائلته وذلك لدراسته لاحقًا لاكتشاف سر ذكائه، حيث دفن أينشتاين بدون رأس.

الخاتمة

 كان ذلك مقالًا عن ألبرت أينشتاين والنظرية السبية الخاصة والعامة وكيف اكتشفت وكيف تمت الاستفادة منها في العلوم الفيزيائية الحديثة والفيزياء النووية بشكل خاص، نعم إنه مقال علمي ثقافي بدرجة امتياز لما فيه من معلومات قيمة قد تكون معروفة من قبل البعض وغير معروفة للبعض الآخر.

فالاطلاع على هذا المقال من الأمور الممتعة حقًا والمفيدة بشكل كبير للجميع، فمن المهم أن يكون للشخص معرفة شيء عن كل شيء  المعرفة الموسوعية، بالمقابل يحب أن يكون لديه معرفة بكل شيء عن شيء ما المعرفة التخصصية.