النسبية الخاصة هي نظرية فيزيائية تستند إلى مبدأ النسبية لأينشتاين، والتي تنص على أن جميع قوانين الفيزياء بما في ذلك، على سبيل المثال الكهرومغناطيسية والبصريات والديناميكا الحرارية وما إلى ذلك؛ ويجب أن تكون صالحة على قدم المساواة في جميع إطارات القصور الذاتي، على افتراض آينشتاين الإضافي القائل بأن سرعة الضوء يجب أن تكون هي نفسها في جميع إطارات القصور الذاتي.
علاقة النسبية الخاصة مع الديناميكا الكهربائية
بدأت التكنولوجيا الكهرومغناطيسية باكتشاف فاراداي للتحريض في عام 1831، حيث كان إثباته أن المجال المغناطيسي المتغير يحرض على اظهار التيار الكهربائي في دائرة قريبة، حيث أنه ميكانيكيًا يمكن تحويل الطاقة إلى طاقة كهربائية، وقدمت الأساس لتوليد الطاقة الكهربائية؛ مما أدى مباشرة إلى اختراع الدينامو والمحرك الكهربائي، وأثبت اكتشاف فاراداي أيضًا أنه مهم لأنظمة الإضاءة والتدفئة.
الكهرباء المبكرة هيمنت على الصناعة مشكلة توليد الكهرباء على نطاق واسع، ففي غضون عام من اكتشاف فاراداي؛ حيث تم عرض مولد صغير يدويًا يدور فيه مغناطيس حول ملفات في باريس، وفي عام 1833 ظهر نموذج إنجليزي أظهر الترتيب الحديث لتدوير الملفات في مجال مغناطيس ثابت، وبحلول عام 1850 تم تصنيع المولدات تجارياً في العديد من البلدان.
تم استخدام المغناطيس الدائم لإنتاج المجال المغناطيسي في المولدات حتى أتم اكتشاف المولد الذاتي في عام 1866، يحتوي المولد الذاتي الإثارة على مجالات مغناطيسية أقوى لأنه يستخدم مغناطيسًا كهربائيًا مدعومًا من المولد نفسه، وسرعان ما وجد أن المجال المغناطيسي يكون أكثر فاعلية إذا كانت لفات الملف مضمنة في فتحات في المحرك الحديدي الدوار حيث تم اختراع المحرك المشقوق الذي لا يزال قيد الاستخدام حتى اليوم.
كيف ترتبط الكهرومغناطيسية بالنسبية الخاصة وعواقبها
تلعب نظرية النسبية الخاصة دورًا مهمًا في النظرية الحديثة للكهرومغناطيسية الكلاسيكية، حيث يعطي الصيغ لكيفية تغيير الأجسام الكهرومغناطيسية، ولا سيما المجالات الكهربائية والمغناطيسية، في ظل تحول لورنتز من إطار مرجعي بالقصور الذاتي إلى آخر.
الديناميكا الكهربائية النسبية للجسيمات المشحونة الكلاسيكية
- كان توحيد قوانين الكهرباء والمغناطيسية المعروفة آنذاك بواسطة جيمس ماكسويل في عام 1861 بمثابة تقدم كبير في المعرفة العلمية، حيث يؤدي حل التناقضات بين هذه النظرية والافتراضات الأساسية للفيزياء الكلاسيكية مثل الزمن العالمي والنسبية الجليلية مباشرة إلى تطوير النسبية الخاصة.
- كان أحد هذه التطورات هو تحليل طاقة وكتلة الجسيم المشحون المتحرك؛ حيث لاحظ العلماء مثل جوزيف طومسون أن حركة الجسيمات المشحونة يمكن أن تجعلها تبدو وكأنها ذات كتلة أكبر ونظر أوليفر هيفسايد في كيفية تشويه الحركة للمجال الكهربائي.
- أدت التحسينات الإضافية لهذه المفاهيم إلى نظرية الكتلة الكهرومغناطيسية لشرح التأثيرات الشبيهة بالزخم والطاقة الذاتية لجسيمات الشحن أثناء الحركة، حيث تمت مناقشة الشكل الدقيق الذي يجب أن تتخذه هذه المعادلات والآثار المترتبة عليها على نطاق واسع من قبل العلماء في أوائل القرن العشرين؛ بما في ذلك ألبرت أينشتاين.
- حلت نظريات ألبرت أينشتاين حول النسبية الخاصة ومعادلة الطاقة الكتلية محل الحاجة إلى تفسير ديناميكي كهربائي بحت للكتلة النسبية، جنبًا إلى جنب مع صعوبات توحيد الكتلة الكهرومغناطيسية مع النسبية الخاصة وعدم توافق الكتلة النسبية والنسبية العامة أدى إلى التخلي عن هذا المفهوم في الغالب.
- ومع ذلك غالبًا ما تُستخدم النظريات المتعلقة بالتشويه النسبي الملحوظ للمجالات الكهربائية بسبب الحركة لاشتقاق معادلات ماكسويل وتصور التأثيرات النسبية.
- على الرغم من الوقت المنقضى منذ تطوير النسبية الخاصة لا تزال الأسئلة العالقة تبرز داخل المجتمع العلمي فيما يتعلق باتساق الكهرومغناطيسية الكلاسيكية مع الحفاظ على الزخم؛ حيث أن أحد مصادر الخلاف هو صحة معادلة قوة لورنتز وكيف أو إذا كانت بحاجة إلى تعديل، وتم تحدي قانون قوة لورنتز في وقت مبكر من عام 1908 من قبل صيغة أينشتاين-لوب.
- تم اشتقاق هذه الصيغة للتأكد من أن كثافة القوة المغناطيسية من التيارات الكهربائية الثابتة تتنبأ بنظام لا يمارس أي قوة صافية على نفسه، ووجد علماء لاحقون مثل ويليام شوكلي حالات، حيث تتنبأ معادلة قوة لورنتز بعدم حفظ زخم النظام الكهرومغناطيسي.
- وتم تقديم مفهوم الزخم الخفي لحل هذا التناقض، ويبقى الجدل حول ما إذا كان ينبغي استخدام صيغة أينشتاين-لوب أو قوة لورنتز ذات الزخم الخفي دون حل، ونظرًا لأن الرياضيات التي تقوم عليها هذه النظريات موثقة جيدًا ومحللة جيدًا، فقد تكون هناك حاجة إلى فيزياء جديدة لحل النقاش.
