نظرية ميكلسون مورلي

لقد بدأت قصة النسبية في عام 1881 بتجربة أسفرت عن نتائج مذهلة للغاية، وهي النتائج التي ساعدت في توجيه أينشتاين إلى نظريته، وكانت التجربة مستوحاة من اقتراح قدمه جيمس ماكسويل لتحديد حركة الأرض من خلال الأثير (الذي كان لا يزال يؤمن به في ذلك الوقت) عن طريق قياس سرعة الضوء في اتجاهين أحدهما موازٍ لحركة الأرض والآخر متعامد مع تلك الحركة.

نظرية ميكلسون مورلي

الإلكترونات المعنية هي الإلكترونات الخارجية لأيونات الكالسيوم المحفوظة في حاوية كهربائية تسمى مصيدة بول؛ في تجارب المعلومات الكمومية، تعمل مستويات طاقة أيونات الكالسيوم كأساس للبتات الكمية، أو الكيوبتات، حيث يمكن معالجة هذه الكيوبتات الذرية بأشعة الليزر لتستقر في تراكب من مستويين منفصلين في وقت واحد.

في المصيدة، يتعرض اثنان من الأيونات على بعد 16 ميكرون لمجال مغناطيسي ثابت، وفي عملية تسمى تأثير زيمان، يتسبب المجال المغناطيسي في انقسام المستويات الكمومية الداخلية للأيونات إلى مستويات فرعية متباعدة بدقة، حيث يتم تحديد هذه المستويات الفرعية بواسطة المكون z المحتمل للعزم المغناطيسي المسمى _mJ.

بالنسبة لأيون الكالسيوم، يكون الإلكترون الخارجي في حالة تسمى D _5/2، مما يعني أن الإلكترون في مدار D (يكون احتمال وجود الإلكترون في الفضاء أعلى على طول سطح على شكل دمبل) وأن إجمالي الزخم الزاوي للإلكترون (له قيمة 5/2 وحدات)، ويؤدي تشغيل مجال مغناطيسي إلى تقسيم ما كان مستوى طاقة كميًا واحدًا إلى ست حالات فرعية تم تحديدها بواسطة قوة القوة المغناطيسية للإلكترون على طول الاتجاه الذي يميزه المجال المغناطيسي الخارجي.

تجربة ميكلسون مورلي القديمة

فرضت تجربة بيركلي قيودًا صارمة على انتهاك تناظر لورنتز بنفس الطريقة التي فرضت بها التجربة التي أجراها ألبرت ميكيلسون مورلي، وفي عام 1887 استبعد وجود حقول “الأثير” الدقيقة، وفي تلك السنوات افترض العلماء أن موجات الضوء، ومثل كل الموجات المعروفة آنذاك، يجب أن تنتشر عبر وسط أساسي، حيث تتدحرج أمواج المحيط عبر الماء والموجات الصوتية هي موجات ضغط تتحرك عبر الهواء.

لإلقاء نظرة على حالة الأثير، كسر ميكلسون ومورلي نبضة من الضوء إلى جزأين، ثم اتخذوا مسارات متساوية ولكن متعامدة؛ انعكاسًا من المرايا، تم تجميع هذه النبضات لتشكيل نمط تداخل، إذ أن الجهاز (الركوب على الأرض حول مداره) الذي يتحرك عبر الأثير الثابت المفترض سيفرض مسارًا مختلفًا قليلاً للحزمتين، سيؤدي هذا بدوره إلى تغيير نمط التداخل، مما يبشر بالأثير.

تجربة بيركلي تفعل الشيء بالنسبة لموجات الإلكترون لجهاز يدور حول الأرض في ثورته اليومية، ووفقًا لنظرية المجال الحديثة، يمكن اعتبار جميع الجسيمات بما في ذلك الذرات والمكونات الخاصة بالذرات مثل الإلكترونات مجالات، وتغيرات في احتمالية وجود الطاقة الكمومية في أماكن وأزمنة مختلفة، وقد يكون لثبات لورنتز، من حيث المبدأ، مكانة مختلفة لكل مجال من الحقول المعروفة، حيث يمكن تفسير تجربة بيركلي على أنها اختبار لثبات لورنتز للإلكترونات أو للضوء.

الثابت الأساسي للطبيعة في تجربة ميكلسون مورلي

منذ عمل أينشتاين، تعتبر سرعة الضوء من الثوابت الأساسية للطبيعة، أهميتها أوسع بكثير من دورها في وصف خاصية الموجات الكهرومغناطيسية، وهي بمثابة السرعة المحددة الفردية في الكون، كونها حدًا أعلى لسرعة انتشار الإشارات وسرعات جميع جسيمات المواد، وفي معادلة النسبية الشهيرةE = m c ²، تعمل سرعة الضوء (ج) كثابت التناسب الذي يربط بين المفاهيم المتباينة سابقًا للكتلة (م) والطاقة (هـ).

فروض نظرية ميكلسون مورلي

• الفوتون:  عبارة عن تجميع مكون من اثني عشر وحدة شحن نقطية محتملة، وهناك ستة ثنائيات أقطاب تدور في شكل مستوٍ عمودي على خط السفر، وتوجد ثنائيات الأقطاب في مجموعات متداخلة من ثلاثة، تدور إحدى المجموعات في اتجاه عقارب الساعة، وتدور الأخرى عكس اتجاه عقارب الساعة.

• من خلال التراكب، يتم إلغاء الحقول المحتملة ويتم قياس الجهد المتبقي على أنه شكل موجة المجال الكهرومغناطيسي القياسي.

• الزمكان: يلتقط أثير الزمكان هذا الطاقة من مادة قياسية قريبة وتؤدي هذه الطاقة إلى تفاعل مع الفوتونات التي يمكن نمذجتها بالسماحية والنفاذية، إذ إن تدرج الطاقة في الأثير هو العمود الفقري للجاذبية.

• لذلك سرعة الفوتون متغيرة بالفعل اعتمادًا على السماحية المحلية ونفاذية أثير الزمكان.

• إن الفوتون ذاتي الدفع أو يبحر في الحقول المحتملة الخاصة به المنبعثة من ثلاثي الأقطاب متحد المحور، لذلك نحن نعلم الآن أن سرعة الفوتون في تجربة (Michelson-Morley) لا علاقة لها بسرعة أو اتجاه الجهاز الباعث وكل شيء له علاقة بكثافة طاقة أثير الزمكان المحلي.

خلاصة تجربة ميكلسون مورلي

• إن تجربة ميشيلسون مورلي تضع افتراضًا حول الطبيعة ثم تثبت أن الافتراض لا يمكن أن يكون صحيحًا، ومع ذلك، فإن الافتراض معيب ولا يمثل كيفية عمل الطبيعة في الواقع، لذلك فإن التجربة هي نقطة خلافية والتفسير القائل بعدم وجود الأثير خاطئ.

• من المثير للاهتمام أن هناك العديد من جوانب فيزياء عصر التي تشير إلى نوع من البنية للزمكان.

• تهدف الحقول الفرعية بأكملها مثل الجاذبية الكمية الحلقية ونظرية الأوتار وميكانيكا بوميان إلى اكتشاف هذا الهيكل.

بعض الجوانب المحددة لهذه النظريات التي تشير إلى نوع من الأثير:

• الفراغ الكمومي الذي يمكنه بحرية إنتاج أزواج من جسيمات المادة القياسية، يمتص بسهولة نواتج التفاعل  ويسهل تحويل جسيمات المادة القياسية من نوع إلى آخر.

• المادة المظلمة.

• الطاقة المظلمة.

• التضخم والتوسع في الزمكان.

• انحناء أينشتاين للزمكان

أيضًا، كما ذكر سابقًا، يشير العلم الحديث إلى أن الكون له هندسة مسطحة، مما يفتح الباب أمام فراغ إقليدي في الزمان والمكان باعتباره الوعاء الأساسي للكون، فإذا كان هذا صحيحًا، فيجب أن يكون هناك تراكب الأثير الذي يطبق الزمكان المتعرج لأينشتاين.

أهمية نظرية ميكلسون مورلي

أجرى الفيزيائيون أدق تجربة لميكلسون مورلي حتى الآن، مؤكدين أن سرعة الضوء هي نفسها في جميع الاتجاهات، إن التجربة، التي تتضمن تدوير تجويفين بصريين، أكثر دقة بنحو 10 مرات من التجارب السابقة ومئة مليون مرة أكثر دقة من قياس ميشيلسون ومورلي عام 1887.

يبدو أن قوانين الفيزياء هي نفسها لجميع العمليات التي تحدث في المختبرات التي تتحرك بسرعة ثابتة ولأي اتجاه، وهو مفهوم أساسي يُعرف باسم تناظر لورنتز؛ أخذت اسمها من الفيزيائي أنطون لورنتز، الذي كان يحاول شرح النتيجة الفارغة لتجربة ألبرت ميكلسون وإدوارد مورلي الشهيرة، ثم في عام 1905، استخدم ألبرت أينشتاين تناظر لورنتز كمسلمة لنظريته النسبية الخاصة.

صمد تناظر لورنتز حتى الآن أمام اختبارات الزمن، لكن في السنوات الأخيرة بدأ الفيزيائيون في التساؤل عما إذا كان بالفعل تناظرًا دقيقًا للطبيعة، يتم تحفيزهم في المقام الأول من خلال تطوير نظريات الجاذبية الكمومية للأوتار والحلقة، والتي تحاول جعل الجاذبية متوافقة مع فيزياء الكم وتسمح باحتمال أن تناظر لورنتز قد لا يصمد تمامًا.

من أجل تطوير هذه النظريات وغيرها، يحتاج الفيزيائيون إلى معرفة ما إذا كانت سرعة الضوء مختلفة في اتجاهات مختلفة؛ عالج مايكلسون ومورلي هذه المشكلة عن طريق تقسيم الضوء إلى شعاعين ينتقلان بزوايا قائمة مع بعضهما البعض، تنعكسان بواسطة المرايا ثم يعاد اتحادهما مع بعضهما البعض لإنتاج نمط، الذي تداخل يعتمد على أطوال مختلفة للمسارين، وقد يشير التغيير في هذا النمط أثناء تدوير مقياس التداخل إلى أن سرعة الضوء تختلف في اتجاهات مختلفة.

تم تكرار تجارب نوع ميشيلسون مورلي عدة مرات مع زيادة الحساسية بشكل مطرد، وتشمل هذه التجارب سلسلة كبيرة لإجراء، الاختبارات الأساسية للنسبية الخاصة.