تشتهر نظرية النسبية لألبرت أينشتاين بالتنبؤ ببعض الظواهر الغريبة حقًا ولكنها حقيقية، مثل شيخوخة رواد الفضاء بشكل أبطأ من الناس على الأرض والأجسام الصلبة التي تغير أشكالها بسرعات عالية.
النظرية النسبية
النسبية هي نظريات فيزيائية واسعة النطاق شكلها الفيزيائي البرت اينشتاين من خلال نظرياته عن النسبية الخاصة والنسبية العامة، حيث أطاح أينشتاين بالعديد من الافتراضات الكامنة للنظريات الفيزيائية السابقة وأعاد تعريف المفاهيم الأساسية للفضاء والزمان والمادة والطاقة والجاذبية، إلى جانب ميكانيكا الكم تعتبر النسبية مركزية في الفيزياء الحديثة، حيث توفر النسبية الأساس لفهم العمليات الكونية وهندسة الكون نفسه.
تفسير النظرية النسبية
تنص النظرية النسبية الخاصة على أن قوانين الفيزياء في الكون مساوية لجسم أو مراقب ثابت أو غير متحرك؛ في الفراغ تكون سرعة الضوء ثابتة ومستقلة عن أي مراقب. قدم أينشتاين إطارًا جديدًا لجميع الفيزياء واقترح مفاهيم جديدة للمكان والزمان.
تطبيقات النظرية النسبية
- نظام تحديد المواقع العالمي: الذي يحدد الوقت والمكان بالنسبة للموقع المطلوب وذلك باستخدام أقمار صناعية، ويمتاز هذا النظام بالدقة العالية.
- المغنطيسيات الكهربائية: تعمل المغناطيسات الكهربائية عن طريق النسبية؛ عندما يتدفق التيار المستمر عبر سلك واحد، تكون المادة الموصلة محايدة كهربائياً بدون صافي شحنة موجبة أو سالبة، ولو وضع سلكًا متطابقًا آخر بجوار الأول، بافتراض أن التيارات تتحرك وبنفس القوة في نفس الاتجاه، فإن الإلكترونات في السلك الأول ترى الإلكترونات في السلك الثاني بلا حراك، لكن من منظور الإلكترونات، يبدو أن البروتونات في كلا السلكين تتحرك.
ونظرًا لانكماش الطول النسبي يبدو أنها متقاربة بشكل أكبر، لذلك هناك شحنة موجبة لكل طول سلك أكثر من الشحنة السالبة، ونظرًا لأن الشحنات المتشابهة تتنافر فإن السلكين يتنافران أيضًا؛ وإذا تم عكس أحد التيارات في أحد الأسلاك سوف يحصل التأثير المعاكس وسوف تنجذب مما يصنع مغناطيسًا كهربائيًا رائعا.
- الزئبق: الزئبق مثل الذهب ذرة ثقيلة جدا، حيث يتم الاحتفاظ بالإلكترونات بالقرب من النواة، وبالتالي يكون لها سرعة وكتلة أكبر مما هو متوقع، وهذا يعني أن الروابط بين الذرية ضعيفة بما يكفي لأن يكون لدى عطارد نقطة انصهار منخفضة عن المعادن الأخرى وبالتالي توجد في حالة سائلة على الأرض.
- التلفاز القديم: تحتوي أجهزة التلفزيون القديمة على قطعة من التكنولوجيا تسمى أنبوب أشعة الكاثود، تعمل هذه عن طريق إطلاق الإلكترونات على سطح الفوسفور باستخدام مغناطيس كبير، كل إلكترون يساوي بكسل مضاء على الشاشة، تنتقل هذه الإلكترونات بحوالي ثلاثين بالمائة من سرعة الضوء ويجب تعويض التأثيرات النسبية عند تصميم أشكال المغناطيس.
- الضوء: اقترح العالم إسحاق نيوتن أن هناك إطار راحة مطلقة في الكون، فإذا كان هذا صحيحًا، فلن يكون هناك ضوء على الإطلاق؛ وقد أوضح العالم أندرو مور أنه لن تكون المغناطيسية موجودة فحسب بل لن يكون الضوء موجودًا أيضًا، لأن النسبية تتطلب أن تتحرك التغيرات في المجال الكهرومغناطيسي بسرعة محدودة بدلاً من أن تتحرك بشكل فوري.
إذا لم تفرض النسبية هذا المطلب، سيتم توصيل التغييرات في المجالات الكهربائية على الفور بدلاً من ذلك من خلال الموجات الكهرومغناطيسية، وسيكون كل من المغناطيسية والضوء غير ضروريين.
- الطاقة النووية والشمس: من محطات الطاقة النووية إلى نجمنا المحلي الشمس، يصف قانون حفظ الطاقة ظاهرة ترابط الكتلة والطاقة وقابليتهما للتحويل إلى بعضهما البعض؛ لأنه بدون هذا لن يكون لدينا طاقة نووية والأهم من ذلك لن يكون لدينا ضوء الشمس.
- لون الذهب الأصفر: إن معظم المعادن لامعة لأن الإلكترونات في الذرات تقفز من مستويات طاقة مختلفة، أو مدارات يتم امتصاص بعض الفوتونات التي تصطدم بالمعدن وإعادة إرسالها، وإن كان ذلك بطول موجي أطول، ومع ذلك ينعكس معظم الضوء المرئي.
إن الذهب ثقيل، لذلك تتحرك الإلكترونات الداخلية بسرعة كافية لزيادة الكتلة النسبية وتقلص الطول بشكل كبير، نتيجة لذلك، تدور الإلكترونات حول النواة في مسارات أقصر بزخم أكبر، تحمل الإلكترونات الموجودة في المدارات الداخلية طاقة أقرب إلى طاقة الإلكترونات الخارجية، كما أن الأطوال الموجية التي يتم امتصاصها وانعكاسها تكون أطول.
تعني الأطوال الموجية الأطول للضوء أنه يتم امتصاص بعض الضوء المرئي الذي ينعكس عادةً، ويكون هذا الضوء في الطرف الأزرق من الطيف. الضوء الأبيض هو مزيج ألوان قوس قزح، ولكن في حالة الذهب عندما يمتص الضوء ويعاد انبعاثه عادة ما تكون الأطوال الموجية أطول.
وهذا يعني أن مزيج موجات الضوء الذي نراه يميل إلى أن يكون لونه أزرق وبنفسجي أقل، نظرًا لأن الضوء الأصفر والبرتقالي والأحمر هي أطوال موجية أطول من الضوء الأزرق، لذلك فإن الذهب يبدو مصفرًا.
أهمية النظرية النسبية
إن معادلات المجال التي تصف النسبية العامة أعطت إجابات لحالات فيزيائية مختلفة، مثل ديناميت الكواكب وولادة وموت النجوم والثقوب السوداء وتطور الكون؛ تم التحقق من النسبية العامة تجريبياً من خلال ملاحظات عدسات الجاذبية ومدار كوكب عطارد واتساع الوقت في مجال الجاذبية الأرضية، وموجات الجاذبية من اندماج الثقوب السوداء.
النظرية النسبية والجاذبية
أدرك اينشتاين في وقت مبكر أن شعاع الضوء الذي يمر بالقرب من جسم ضخم مثل الشمس سينحرف عن مساره، وسيؤدي هذا الانحراف إلى تغيير الموقع الظاهري لمصدر الضوء مثل نجم بعيد، يمكن تصوير مثل هذا التحول وقياسه خلال كسوف الشمس؛ وهذا يدل على أن الجاذبية تعمل على انحراف الضوء.
النظرية النسبية وتمدد الزمن
أحد الآثار العديدة لعمل النسبية الخاصة لأينشتاين هو أن الوقت يتحرك بالنسبة إلى المراقب، إذ يتعرض الجسم المتحرك لتمدد الوقت، مما يعني أنه عندما يتحرك الجسم بسرعة كبيرة فإنه يمر بمرور الوقت بشكل أبطأ مما هو عليه عندما يكون في حالة راحة؛ إذ أن شيخوخة رواد الفضاء تظهر بشكل أبطأ من الناس على الأرض والأجسام الصلبة التي تغير أشكالها بسرعات عالية.
وساعدت أيضا النظرية النسبية على فهم وشرح قانون حفظ الطاقة، وعلى فهم أن الأحداث تحدث في قفزات أو قفزات كمية لها نتائج احتمالية وليست محددة وذلك من خلال علاقة النسبية الخاصة في ميكانيكا الكم.
لقد أثرت النظرية النسبية بشكل عميق على العلوم الفيزيائية والوجود البشري، وبشكل أكثر دراماتيكية في تطبيقات الطاقة النووية والأسلحة لنووية، بالإضافة إلى ذلك، فإن النسبية وإعادة التفكير في الفئات الأساسية للمكان والزمان قد وفرت أساسًا لبعض التفسيرات الفلسفية والاجتماعية والفنية التي أثرت على الثقافة البشرية بطرق مختلفة.
