مبدأ النسبية

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

في الفيزياء ، مبدأ النسبية هو فكرة أن قوانين الفيزياء يجب أن تظل ثابتة عبر الزمن ومن مكان لآخر. وقد طُبقت عدة مبادئ للنسبية بنجاح خلال تطور الفيزياء، ضمنيًا في الميكانيكا النيوتونية وصراحةً في النسبية الخاصة والنسبية العامة لألبرت أينشتاين .

فعلى سبيل المثال، في إطار النسبية الخاصة، تتخذ معادلات ماكسويل الشكل نفسه في جميع الأطر المرجعية العطالية . وفي إطار النسبية العامة، تتخذ معادلات ماكسويل أو معادلات أينشتاين للمجال الشكل نفسه في أي إطار مرجعي.

المفاهيم الأساسية

المبدأ هو فكرة تُعتبر صحيحة جوهريًا. في العلوم الفيزيائية، تؤدي المبادئ دورًا مشابهًا لدور البديهيات في المنطق والرياضيات، أو بشكل أعم، كأساس أو دليل لبناء النظريات. مبدأ النسبية في الفيزياء هو فكرة أن القوانين يجب أن تكون عالمية، ومتطابقة لجميع المراقبين. وهذا يُعرّف القانون الفيزيائي : فكل ما يراه المراقبون المختلفون بشكل مختلف ليس قانونًا فيزيائيًا، بل هو أمر ثانوي بالنسبة للمراقب. أما ما يبقى ثابتًا لدى مختلف المراقبين فهو مرشح لأن يكون قانونًا فيزيائيًا. يُعد هذا المبدأ مفيدًا للغاية في الديناميكا وعلم الحركة ، أي في وصف القوى وحركة الأجسام. يشير مصطلح "النسبي" في هذا السياق إلى أن القياسات دائمًا ما تكون نسبية للمراقب، بينما يوحي مصطلح "العالمي" بوجود قواعد تربط قياسات أي مراقب بقياسات أي مراقب آخر.

يسعى علم الفيزياء النظرية إلى وصف الملاحظات كنماذج . عادةً ما تكون هذه النماذج عبارة عن أنظمة معادلات تتنبأ بكيفية تغير البيانات المقاسة من لحظة إلى أخرى، اعتمادًا على صفر أو أكثر من المعاملات الحرة . ومن الأمثلة البسيطة على النماذج قانون غاليليو للأجسام الساقطة . تُعتبر القياسات التي يجريها راصد واحد نسبيةً إليه، وتستخدم أنظمة إحداثيات اختيارية يحددها الراصد.

يعتمد شكل النموذج بشكل كبير على نظام إحداثيات المراقب .

على سبيل المثال، إذا استخدم الراصد الإحداثيات الديكارتية ، فإن مسار الجسم الساقط يكون بسيطًا؛ أما إذا استخدم الراصد، على سبيل المثال، الإحداثيات الإهليلجية المتغيرة مع الزمن ، فإن قياسات المسار نفسه ستُوصَف بتعبير أكثر تعقيدًا. ولحسن الحظ، فإن القواعد الرياضية للتحويل بين أنظمة الإحداثيات متأصلة في تعريفاتها. وينطبق هذا على جميع الإحداثيات الممكنة، بما في ذلك تلك التي تتحرك حركة نسبية عشوائية.

لكن فكرة أن القوانين يجب أن تبدو متشابهة لجميع المراقبين في أي نظام إحداثيات تفرض تناظرًا على هذه القوانين. ووفقًا لنتيجة رياضية تُعرف بنظرية نوثر ، [ 1 ] [ 2 ] فإن أي تناظر مستمر سيؤدي أيضًا إلى وجود قانون حفظ مماثل . [ 3 ]

على سبيل المثال، إذا كان القانون نفسه ينطبق على المراقبين في أوقات مختلفة، فلا بد أن الطاقة محفوظة. وفي هذا السياق، تقدم مبادئ النسبية تنبؤات قابلة للاختبار حول كيفية تصرف الطبيعة.

تاريخ

تعود الأفكار الكامنة وراء مبدأ النسبية إلى عهد غاليليو. وبحلول منتصف القرن التاسع عشر، انتشرت الفكرة على نطاق واسع، لا سيما في سياق الكهرومغناطيسية، ولكن لم يتم صياغة المصطلح بشكل رسمي إلا في عام 1904 على يد بوانكاريه:

"يبدو أنه من المستحيل القيام بالحركة المطلقة باعتبارها قانونًا عامًا للطبيعة؛ إنها تسمية مبدأ النسبية." [ 4 ] [ 5 ]

استُخدمت صيغة من صيغ مبدأ النسبية في العديد من المجالات الرئيسية في الفيزياء، مع افتراضات مختلفة حول الثوابت. وعلى وجه الخصوص، صاغ أينشتاين هذا المبدأ لحالة الحركة المنتظمة، [ 6 ]

المبدأ الخاص للنسبية : إذا تم اختيار نظام إحداثيات K بحيث تنطبق القوانين الفيزيائية عليه في أبسط صورها، فإن نفس القوانين تنطبق على أي نظام إحداثيات آخر K' يتحرك في انتقال منتظم بالنسبة إلى K.

— ألبرت أينشتاين: أسس النظرية النسبية العامة ، الجزء أ، §1

وهذا يحدد إطارًا مرجعيًا قصوريًا .

يُستخدم مبدأ النسبية الخاص في كل من الميكانيكا النيوتونية ونظرية النسبية الخاصة . وقد كان تأثيره في الأخيرة قوياً لدرجة أن ماكس بلانك سمّى النظرية تيمناً بهذا المبدأ. [ 7 ]

في الحالة العامة، لا توجد قيود على الحركة النسبية لأنظمة الإحداثيات؛ ففي الفيزياء الكلاسيكية ، تُستخدم قوى افتراضية لوصف التسارع في أطر مرجعية غير قصورية. تُغني النسبية العامة عن الحاجة إلى هذه الابتكارات المخصصة، مع أنها لا تزال مفيدة للغاية في الظروف العادية.

في الميكانيكا النيوتونية

وصف غاليليو غاليلي مبدأ النسبية الخاص لأول مرة عام 1632 في اليوم الأول من حواره حول النظامين الرئيسيين للعالم ، مستخدماً استعارة سفينة غاليليو . إلا أنه لم يطلق اسماً على هذا المفهوم.

وضع نيوتن هذا التشبيه في شرحه (Scholium) بعد تعريفاته الواردة في كتابه "الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية" ( Principia ) [ 8 ] ، واستخدمه لتطوير قوانينه للحركة. أضافت الميكانيكا النيوتونية قوانين الحركة والجاذبية، بالإضافة إلى تأكيدات على المكان والزمان المطلقين، إلى هذا المبدأ. وعند صياغته في سياق هذه القوانين، ينص مبدأ النسبية الخاص على أن قوانين الميكانيكا ثابتة تحت تحويل غاليليو .

في الديناميكا الكهربائية لماكسويل

بالاقتران مع معادلات ماكسويل، يؤدي مبدأ النسبية إلى النسبية الخاصة . وجد ماكسويل أن سرعة الضوء المحسوبة من معادلاته تتطابق تمامًا مع القياسات التجريبية، وأدخل مصطلح النسبية إلى الفيزياء بمعناه الحديث؛ لكنه لم يواكب التطورات اللاحقة. [ 9 ] وفقًا للفهم السائد آنذاك، كانت الموجات تتطلب وسطًا ( الأثير المضيء ) لتنتشر، وكان للمراقب حركة مطلقة بالنسبة لهذا الوسط، وهو ما يتعارض مع مبدأ النسبية كما حدده هنري بوانكاريه . [ 10 ]

تم التفكير في فرضيات مثل انكماش الطول للحفاظ على المظاهر. اكتشف جوزيف لارمور وهندريك لورنتز أن معادلات ماكسويل ثابتة فقط تحت تغيير معين للمتغيرات، وهو تحويلات لورنتز .

في بحثهما المنشور عام ١٩٠٥ حول الديناميكا الكهربائية ، أوضح هنري بوانكاريه وألبرت أينشتاين أن مبدأ النسبية يظل صحيحًا تمامًا مع تحويلات لورنتز . رفع أينشتاين مبدأ النسبية (الخاص) إلى مُسلَّمة أساسية في النظرية، وربطه باستقلال سرعة الضوء (في الفراغ) عن حركة مصدره. ومن هذا اشتق تحويلات لورنتز. وقد فرض هذا الجمع إعادة النظر في المعاني الأساسية للفواصل الزمنية والمكانية، ولا سيما طبيعتها المطلقة.

لا يمكن تحديد ثبات سرعة الضوء لجميع المراقبين من مبدأ النسبية وحده، أو أي شيء آخر، ولكن يجب إثباته بالتجربة، كما هو الحال مع جميع القوانين الفيزيائية.

النسبية العامة وما بعدها

يلغي المبدأ العام للنسبية شرط الحركة المنتظمة. وينص على ما يلي: [ 11 ]

جميع أنظمة المرجعية متكافئة فيما يتعلق بصياغة القوانين الأساسية للفيزياء.

— سي. مولر، نظرية النسبية ، ص 220

أي أن القوانين الفيزيائية واحدة في جميع الأطر المرجعية، سواء كانت قصورية أو غير قصورية. وقد وجد أينشتاين ضرورة إضافة بديهيتين أخريين لبناء نظرية متسقة تشمل الجاذبية، وهما مبدأ التكافؤ ومبدأ الموضعية. تعني الموضعية أن القوانين لا تنطبق إلا ضمن نطاق ضيق من المكان والزمان، بحيث تكون التصحيحات ذات الرتبة العليا ضئيلة. أما مبدأ التكافؤ (بصيغة أو أخرى) فيسمح للزمكان بأن يكون له هندسة فريدة، وإلا لكان لكل جسيم هندسة خاصة به.

تاريخيًا، كانت الفيزياء في الأطر المرجعية غير العطالية تُعالج بتحويل إحداثيات ، أولًا إلى إطار مرجعي عطالي، ثم تُجرى الحسابات اللازمة فيه، ثم تُعاد إلى الإطار المرجعي غير العطالي. في معظم هذه الحالات، يمكن استخدام قوانين الفيزياء نفسها إذا أُضيفت قوى افتراضية معينة إلى المسألة؛ ومن الأمثلة على ذلك الإطار المرجعي الدوار بانتظام ، والذي يمكن اعتباره إطارًا مرجعيًا عطاليًا إذا أُضيفت إليه قوة طرد مركزي وقوة كوريوليس افتراضيتان .

لا يقتصر استخدام مبدأ النسبية على النسبية العامة فحسب. ففي الفيزياء النظرية الحديثة، يُستخدم ثبات لورنتز على نطاق واسع لضمان استقلالية معادلات الحركة عن الإطار المرجعي. ومن الأمثلة المعروفة التي يكون فيها هذا الثبات متأصلًا في صياغة النظرية: الديناميكا الكهربائية الكمومية ، والنموذج القياسي ، والديناميكا اللونية الكمومية ، ونظرية التفاعل الكهروضعيف .

مع ذلك، فإن مبدأ النسبية ليس ضرورياً بالضرورة في مجالات أخرى مثل الديناميكا الحرارية ، والميكانيكا الإحصائية ، ونظرية الحالة الصلبة . لكن قد يكون من الضروري إدراجه بدرجة ما عند دراسة الظروف القصوى.

انظر أيضاً

ملاحظات ومراجع

  1. ↑ كوران، ر.؛ هيلبرت، د. (1965). أساليب الفيزياء الرياضية . نيويورك: دار إنترساينس للنشر. ص  262 وما بعدها.
  2. ^ شوارزباخ، بيرترام إي. كوسمان شوارزباخ، إيفيت (2010). نظريات النويثر: قوانين الثبات والحفظ في القرن العشرين . سبرينغر. ص. 174. ردمك  978-0-387-87868-3.مقتطف من الصفحة 174
  3. ↑ [1]
  4. ^ بوانكاريه، ح (1904). "الحالة الحالية وحدث الفيزياء الرياضية". نشرة العلوم الرياضية . 28 (مؤتمر سانت لويس): 302.
  5. ↑ "يبدو أن استحالة إثبات الحركة المطلقة هي قانون عام من قوانين الطبيعة؛ والذي سأسميه مبدأ النسبية."
  6. ↑ أينشتاين، أ.؛ لورنتز، هـ. أ.؛ مينكوفسكي، هـ.؛ ويل، هـ. (1952) [1923]. أرنولد سومرفيلد (محرر). مبدأ النسبية: مجموعة من المذكرات الأصلية حول النظرية النسبية الخاصة والعامة . مينولا، نيويورك: منشورات دوفر. ص 111. ISBN  0-486-60081-5.{{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )
  7. ↑ وايستين، غالينا (2015). مسار أينشتاين إلى النظرية النسبية الخاصة . دار نشر كامبريدج سكولارز. ص 272. ISBN  978-1-4438-7889-0.مقتطف من الصفحة 272
  8. ^ نيوتن الأول (1726). Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (3 ed.). لندن. 
  9. ↑ إيفريت، سي دبليو إف. "جيمس كلارك ماكسويل: قوة في الفيزياء" . عالم الفيزياء . دار نشر IOP . تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 مارس 2026 .
  10. ↑
    مبدأ النسبية، الذي ينص على أن قوانين الظواهر الفيزيائية يجب أن تكون هي نفسها، سواء بالنسبة لمراقب ثابت، أو بالنسبة لمراقب يتحرك في حركة انتقالية منتظمة؛ بحيث لا نملك ولا يمكننا أن نملك أي وسيلة للتمييز بين ما إذا كنا نتحرك في مثل هذه الحركة أم لا.

    — هنري بوانكاريه، 1904

    بوانكاريه، هنري (1904-1906). "مبادئ الفيزياء الرياضية"  . مؤتمر الفنون والعلوم، المعرض العالمي، سانت لويس، 1904. المجلد  1. بوسطن ونيويورك: هوتون، ميفلين وشركاه. الصفحات 604-622 . 
  11. ↑ سي. مولر (1952). نظرية النسبية ( الطبعة الثانية). دلهي: مطبعة جامعة أكسفورد. ص 220. ISBN   0-19-560539-X.{{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )

للمزيد من القراءة

انظر إلى مراجع النسبية الخاصة ومراجع النسبية العامة .