الدوران المطلق

اقترح نيوتن أن شكل سطح الماء يدل على وجود أو عدم وجود دوران مطلق بالنسبة للفضاء المطلق : فالماء الدوار له سطح منحني، بينما الماء الساكن له سطح مستوٍ. ولأن سطح الماء الدوار مقعر، فإذا كان السطح الذي تراه مقعرًا، ولم يبدُ لك الماء وكأنه يدور، فأنت تدور معه.

تُعدّ قوة الطرد المركزي ضرورية لتفسير تقعر سطح الماء في إطار مرجعي يدور مع الماء، لأن الماء يبدو ساكنًا في هذا الإطار، وبالتالي يفترض أن يكون سطحه مستويًا. لذا، يحتاج المراقبون الذين ينظرون إلى الماء الساكن إلى قوة الطرد المركزي لتفسير سبب تقعر سطح الماء وعدم استوائه. تدفع قوة الطرد المركزي الماء نحو جوانب الدلو، حيث يتراكم ويزداد عمقًا. يتوقف التراكم عندما يتطلب أي صعود إضافي بذل شغل ضد الجاذبية يساوي الطاقة المكتسبة من قوة الطرد المركزي، والتي تكون أكبر عند نصف قطر أكبر.

إذا كنت بحاجة إلى قوة طرد مركزي لتفسير ما تراه، فأنت تدور. وكان استنتاج نيوتن أن الدوران مطلق. ^{[ 1 ]}

يرى مفكرون آخرون أن المنطق المحض يعني أن الدوران النسبي هو المفهوم الوحيد المنطقي. فعلى سبيل المثال، اقترح كل من الأسقف بيركلي وإرنست ماخ (وغيرهما) أن الدوران النسبي بالنسبة للنجوم الثابتة هو المهم، وأن دوران النجوم الثابتة بالنسبة لجسم ما له نفس تأثير دوران الجسم بالنسبة للنجوم الثابتة. ^{[ 2 ]} لا تحسم حجج نيوتن هذه المسألة؛ إلا أنه يمكن اعتبارها بمثابة إرساء لقوة الطرد المركزي كأساس لتعريف عملي لما نعنيه فعليًا بالدوران المطلق. ^{[ 3 ]}

اقترح نيوتن تجربة أخرى لقياس سرعة دوران الجسم: باستخدام قوة الشد في حبل يربط كرتين تدوران حول مركز كتلتهما. يشير وجود قوة شد غير صفرية في الحبل إلى دوران الكرتين، سواء اعتقد المراقب أنهما تدوران أم لا. هذه التجربة أبسط من تجربة الدلو من حيث المبدأ، لأنها لا تتطلب وجود الجاذبية.

إلى جانب الإجابة البسيطة بـ"نعم" أو "لا" على سؤال الدوران، يمكن حساب دوران الجسم نفسه. وللقيام بذلك، يُؤخذ معدل دوران الكرات المقاس ويُحسب الشد المناسب لهذا المعدل. ثم يُقارن الشد المحسوب بالشد المقاس. إذا تطابقت القيمتان، يكون الجسم في إطار مرجعي ثابت (غير دوار). أما إذا لم تتطابقا ، وللحصول على التطابق، يجب تضمين قوة الطرد المركزي في حساب الشد؛ على سبيل المثال، إذا بدت الكرات ثابتة، ولكن الشد غير صفري، فإن الشد بأكمله ناتج عن قوة الطرد المركزي. ومن قوة الطرد المركزي اللازمة، يمكن تحديد سرعة الدوران؛ على سبيل المثال، إذا كان الشد المحسوب أكبر من الشد المقاس، فإن الجسم يدور في الاتجاه المعاكس لدوران الكرات، وكلما زاد الفرق بينهما زادت سرعة الدوران.

يمثل الشد في السلك قوة الجذب المركزي اللازمة لاستمرار الدوران. ما يشعر به المراقب الدوار فعليًا هو قوة الجذب المركزي والتأثير الفيزيائي الناجم عن قصوره الذاتي. ويُشار إلى التأثير الناجم عن القصور الذاتي بقوة الطرد المركزي التفاعلية .

إن مسألة ما إذا كانت التأثيرات الناتجة عن القصور الذاتي تُعزى إلى قوة طرد مركزي وهمية أم لا هي مسألة اختيار.

أجرى الفيزيائي الفرنسي جورج ساغناك عام 1913 تجربة مشابهة لتجربة ميكلسون-مورلي ، والتي هدفت إلى رصد تأثيرات الدوران. وقد صمم ساغناك هذه التجربة لإثبات وجود الأثير المضيء الذي استبعدته نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين عام 1905 .

أظهرت تجربة ساغناك، وتجارب مماثلة لاحقة، أن جسماً ثابتاً على سطح الأرض يدور دورة كاملة مع كل دورة للأرض، عند استخدام النجوم كنقطة مرجعية ثابتة. وبذلك، استُنتج أن الدوران مطلق وليس نسبياً.

مبدأ ماخ هو الاسم الذي أطلقه أينشتاين على فرضية تُنسب غالباً إلى الفيزيائي والفيلسوف إرنست ماخ .

تتلخص الفكرة في أن الحركة المحلية لإطار مرجعي دوار تتحدد بتوزيع المادة على نطاق واسع في الكون. ينص مبدأ ماخ على وجود قانون فيزيائي يربط حركة النجوم البعيدة بالإطار المرجعي المحلي. فإذا رأيت جميع النجوم تدور حولك، يشير ماخ إلى وجود قانون فيزيائي يجعلك تشعر بقوة طاردة مركزية . غالبًا ما يُصاغ هذا المبدأ بصيغ مبهمة، مثل: " الكتلة في الخارج تؤثر على القصور الذاتي هنا".

كان المثال الذي تناوله أينشتاين هو الكرة المرنة الدوارة. ومثل كوكب دوار ينتفخ عند خط الاستواء، تتشوه الكرة الدوارة إلى شكل كروي مفلطح (مضغوط) تبعاً لدورانها.

في الميكانيكا الكلاسيكية، يتطلب تفسير هذا التشوه وجود أسباب خارجية في إطار مرجعي لا يدور فيه الجسم الكروي، ويمكن اعتبار هذه الأسباب الخارجية بمثابة "دوران مطلق" في الفيزياء الكلاسيكية والنسبية الخاصة. ^{[ 4 ]} أما في النسبية العامة ، فلا تُذكر أي أسباب خارجية. فالدوران نسبي إلى الخطوط الجيوديسية المحلية ، وبما أن هذه الخطوط تنقل المعلومات من النجوم البعيدة ، يبدو أن هناك دورانًا مطلقًا بالنسبة لهذه النجوم. ^{[ 5 ]}