ما هي النسبية؟

مفهوم النسبية:

اشتهر ألبرت أينشتاين بالعديد من الأشياء، لكن أعظم أفكاره هي نظرية النسبية، لقد غيرت فهمنا للمكان والزمان إلى الأبد، وبعبارة مختصرة، فإن فكرة أن قوانين الفيزياء هي نفسها في كل مكان، فنحن هنا على الأرض نطيع نفس قوانين الضوء والجاذبية مثل أي شخص في زاوية بعيدة من الكون.
طرق يمكنك من خلالها رؤية نظرية النسبية لأينشتاين في الحياة الواقعية تعني عالمية الفيزياء أن التاريخ إقليمي، سيرى المشاهدون المختلفون توقيت الأحداث وتباعدها بشكل مختلف، حيث أنه وخلال مليون سنة قد يكون مجرد طرفة عين لشخص يطير في صاروخ عالي السرعة أو يسقط في ثقب أسود.

أنواع النسبية:

تنقسم نظرية أينشتاين إلى النسبية الخاصة والعامة، جاءت النسبية الخاصة في المقام الأول وهي تستند إلى ثبات سرعة الضوء للجميع، قد يبدو هذا بسيطًا بما فيه الكفاية، لكن له عواقب بعيدة المدى، حيث توصل أينشتاين إلى هذا الاستنتاج في عام 1905 بعد أن أظهرت الأدلة التجريبية أن سرعة الضوء لم تتغير مع تأرجح الأرض حول الشمس.
كانت هذه النتيجة مفاجئة لعلماء الفيزياء لأن سرعة معظم الأشياء الأخرى تعتمد على الاتجاه الذي يتحرك فيه الراصد، فإذا كنا نقود سيارة بجانب مسار سكة حديد، فإن القطار القادم سيبدو أنه يتحرك أسرع بكثير مما لو استدرنا واتبعناه في نفس الاتجاه.
قال أينشتاين أن جميع المراقبين سيقيسون سرعة الضوء لتكون 186 ألف ميل في الثانية، بغض النظر عن السرعة والاتجاه الذي يتحركون فيه، دفعت هذه المقولة الممثل الكوميدي ستيفن رايت إلى التساؤل: “إذا كنت في مركبة فضائية تسير بسرعة الضوء، وقمت بتشغيل المصابيح الأمامية ، فهل يحدث أي شيء؟”.

الجواب هو أن المصابيح الأمامية مضاءة بشكل طبيعي، ولكن فقط من منظور شخص ما داخل سفينة الفضاء، بالنسبة لشخص يقف في الخارج ويراقب السفينة وهي تطير، لا يبدو أن المصابيح الأمامية مضاءة: يخرج الضوء ولكنه يسافر بنفس سرعة سفينة الفضاء.

تنشأ هذه الإصدارات المتناقضة لأن المساطر والساعات – الأشياء التي تحدد الزمان والمكان – ليست هي نفسها بالنسبة لمراقبين مختلفين. إذا كانت سرعة الضوء ستبقى ثابتة كما قال أينشتاين ، فلا يمكن أن يكون الزمان والمكان مطلقين يجب أن تكون ذاتية.
على سبيل المثال، ستظهر سفينة الفضاء التي يبلغ طولها 100 قدم والتي تسافر بسرعة 99.99٪ من الضوء بطول قدم واحد لمراقب ثابت، لكنها ستبقى بطولها الطبيعي لمن هم على متنها.
وربما يكون الأمر أكثر غرابة، فالوقت يمر بشكل أبطأ وكلما تمضي أسرع، إذا ركبت توأم في سفينة الفضاء السريعة إلى نجم بعيد ثم عادت، فستكون أصغر من أختها التي بقيت على الأرض.

تعتمد الكتلة أيضًا على السرعة، فكلما تحرك الجسم بشكل أسرع، زادت كتلته، وفي الواقع، لا يمكن لأي مركبة فضائية أن تصل إلى 100٪ من سرعة الضوء لأن كتلتها ستنمو إلى ما لا نهاية.
غالبًا ما يتم التعبير عن هذه العلاقة بين الكتلة والسرعة كعلاقة بين الكتلة والطاقة: E = mc ^ 2 ، حيث E هي الطاقة ، m كتلة و c هي سرعة الضوء.

النسبية العامة:

النسبية العامة لم ينته أينشتاين من إزعاج فهمنا للزمان والمكان، ومضى في تعميم نظريته من خلال تضمين التسارع ووجد أن هذا يشوه شكل الزمان والمكان.

للالتزام بالمثال أعلاه: تخيل أن سفينة الفضاء تتسارع بإطلاق قواديسها، سوف يلتصق أولئك الموجودون على متن السفينة بالأرض تمامًا كما لو كانوا على الأرض، حيث ادعى أينشتاين أن القوة التي نسميها الجاذبية لا يمكن تمييزها عن كونها في سفينة متسارعة.
لم يكن هذا في حد ذاته ثوريًا ، ولكن عندما عمل أينشتاين على الرياضيات المعقدة (استغرقه 10 سنوات)، اكتشف أن الزمان والمكان منحنيان بالقرب من جسم هائل، وهذا الانحناء هو ما نختبره كقوة الجاذبية.
من الصعب تصور الهندسة المنحنية للنسبية العامة، ولكن إذا فكر المرء في الزمكان كنوع من القماش، فإن الجسم الضخم يمد النسيج المحيط به بحيث لا يتبع أي شيء يمر بالقرب منه خطًا مستقيمًا.
تتنبأ معادلات النسبية العامة بعدد من الظواهر التي تم تأكيد العديد منها:

• انحناء الضوء حول الأجسام الضخمة (عدسة الجاذبية).
  
• تطور بطيء في مدار كوكب عطارد (مقدمة الحضيض).
  
• إطار سحب الزمكان حول الأجسام الدوارة.
  
• إضعاف الضوء المتسرب من الجاذبية (انزياح الجاذبية إلى الأحمر).
  
• موجات الجاذبية (تموجات في نسيج الزمكان) التي تسببها الاصطدامات الكونية.
  
• وجود ثقوب سوداء تحبس كل شيء بما في ذلك الضوء.
  

أهمية النظرية:

النظرية النسبية غيّرت الكثير من المفاهيم بما يتعلق بالمصطلحات الأساسية في الفيزياء: المكان والزمان والكتلة والطاقة، حيث أحدثت نقلة نوعية في الفيزياء النظرية وعلم الفلك في القرن العشرين، عند نشرها لأول مرة، عدلت الأسس النظرية لميكانيكا نيوتن التي كانت قائمة منذ 200 عام.

لقد قامت نظرية النسبية بتحويل مفهوم الحركة لنيوتن، حيث نصت أن كل الحركة نسبية، ومفهوم الزمن تغير من كونه مطلق، إلى كونه نسبي وجعله بُعد رابع يدمج مع الأبعاد الثلاثة المكانية فيما يعرف بالزمان.
وجعلت الزمان والمكان شيئاً موحداً بعد أن كان يتم التعامل معهما كشيئين مختلفين، كما جعلت مفهوم الزمن يتوقف على سرعة الأجسام وشدة الجاذبية التي يتحرك فيها الجسم، وأصبح تقلص وتمدد الزمن مفهومًا أساسيًا لفهم الكون، وبذلك تغيرت كل الفيزياء الكلاسيكية حسب مفهوم نيوتن.
وأدت مفاهيم النظرية النسبية إلى ظهور علوم جديدة كليًا مثل: الفيزياء الفلكية وعلم الكون، بالإضافة لاستخدامها في تطبيقات حياتية كنظام الملاحة العالمي GPS.

النسبية الخاصة:

النسبية الخاصة التي نشرها أينشتاين عام 1905، جاءت للإجابة على صعوبات في خواص سرعة الضوء، إذ أن نتائج تجربة ميكلسون ومورلي، التي تم فيها فحص انتشار الضوء في اتجاهات مختلفة، ناقضت قانون السرعة النسبية، حيث قانون السرعة النسبية يعتبر أنه لو كانت سيارة تسير بسرعة 99% من سرعة الضوء، فعلى أضواء السيارة أن تكون سرعتها ضعف سرعة الضوء تقريبًا.
تفسر النظرية النسبية هذا التناقض بأن سرعة الضوء ثابتة بلا علاقة بالسرعة النسبية، وتساوي سرعة الضوء في الفراغ الثابت c (سرعة الضوء بالفراغ وقيمتها هو 299,792,458 متر في الثانية).
هذا الافتراض بأن سرعة الضوء ثابتة، يظهر فرضيتان أساسيتان، بموجبهما يتم قياس سرعة الجسم المتحرك:

• تباطؤ الزمن:

فرق الزمن النسبي.
فرق الزمن عند السكون.

• تقلص الأطوال: L ′ = L/ γ = L sqr1 − v 2 / c 2

حيث L هو طول الجسم في حالة السكون، L’ هو الطول الظاهر للراصد، v هي السرعة النسبية بين الراصد والجسم المتحرك c هي سرعة الضوء، بحيث أن γ(جاما) هو رمز معامل لورنتز.