نظرية النسبية

تتألف نظرية النسبية من نظريتين فيزيائيتين لألبرت أينشتاين : النسبية الخاصة والنسبية العامة ، اللتان طُرحتا ونُشرتا عامي 1905 و1915 على التوالي. ^{[ 1 ]} تنطبق النسبية الخاصة على جميع الظواهر الفيزيائية في غياب الجاذبية . أما النسبية العامة فتفسر قانون الجاذبية وعلاقته بقوى الطبيعة. ^{[ 2 ]} وهي تنطبق على المجال الكوني والفيزيائي الفلكي، بما في ذلك علم الفلك. ^{[ 3 ]}

أحدثت هذه النظرية ثورة في الفيزياء النظرية وعلم الفلك خلال القرن العشرين، متجاوزةً نظرية الميكانيكا التي وضعها إسحاق نيوتن قبل مئتي عام . ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} وقدّمت مفاهيم جديدة، منها الزمكان رباعي الأبعاد كوحدة متكاملة للمكان والزمان ، ونسبية التزامن ، وتمدد الزمن الحركي والجاذبي ، وانكماش الطول . وفي مجال الفيزياء، حسّنت النسبية علم الجسيمات الأولية وتفاعلاتها الأساسية، كما مهّدت الطريق للعصر النووي . وبفضل النسبية، تنبأت علوم الكونيات والفيزياء الفلكية بظواهر فلكية استثنائية ، مثل النجوم النيوترونية والثقوب السوداء وموجات الجاذبية . ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

نشر ألبرت أينشتاين نظرية النسبية الخاصة عام 1905، مستنداً إلى العديد من النتائج النظرية والاكتشافات التجريبية التي توصل إليها ألبرت أ. ميكلسون ، وهندريك لورنتز ، وهنري بوانكاريه، وغيرهم. وقد قام ماكس بلانك ، وهيرمان مينكوفسكي، وآخرون بأعمال لاحقة في هذا المجال.

قام أينشتاين بتطوير النسبية العامة بين عامي 1907 و 1915، مع مساهمات من العديد من العلماء الآخرين بعد عام 1915. تم نشر الشكل النهائي للنسبية العامة في عام 1916. ^{[ 3 ]}

استند مصطلح "نظرية النسبية" إلى عبارة "النظرية النسبية" ( بالألمانية : Relativtheorie ) التي استخدمها بلانك عام 1906، حيث أكد على كيفية استخدام النظرية لمبدأ النسبية . وفي قسم المناقشة من الورقة البحثية نفسها، استخدم ألفريد بوخرر لأول مرة عبارة "نظرية النسبية" ( بالألمانية : Relativitätstheorie ). ^{[ 6 ] [ 7 ]}

بحلول عشرينيات القرن العشرين، فهم مجتمع الفيزياء النسبية الخاصة وقبلها. ^{[ 8 ]} وسرعان ما أصبحت أداة مهمة وضرورية للمنظرين والتجريبيين في المجالات الجديدة للفيزياء الذرية والفيزياء النووية وميكانيكا الكم .

بالمقارنة، لم تكن النسبية العامة تبدو مفيدةً بنفس القدر، باستثناء إجراء تعديلات طفيفة على تنبؤات نظرية الجاذبية النيوتونية. ^{[ 3 ]} وبدا أنها لا توفر إمكانات كبيرة للاختبار التجريبي، إذ أن معظم فرضياتها كانت على نطاق فلكي. كما بدت رياضياتها صعبةً وغير مفهومة تمامًا إلا لقلة من الناس. حوالي عام 1960، أصبحت النسبية العامة محوريةً في الفيزياء وعلم الفلك. وقد ساهمت التقنيات الرياضية الجديدة المطبقة على النسبية العامة في تبسيط الحسابات وجعل مفاهيمها أكثر سهولةً في التصور. ومع اكتشاف ظواهر فلكية، مثل الكوازارات (1963)، وإشعاع الخلفية الميكروي عند 3 كلفن (1965)، والنجوم النابضة (1967)، وأولى المرشحين للثقوب السوداء (1981)، ^{[ 3 ]} فسرت النظرية خصائصها، وأكدت قياساتها صحة النظرية.

النسبية الخاصة هي نظرية تُعنى ببنية الزمكان . وقد طُرحت في ورقة أينشتاين البحثية عام 1905 بعنوان " في الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة " (للاطلاع على إسهامات العديد من الفيزيائيين والرياضيين الآخرين، انظر تاريخ النسبية الخاصة ). وتستند النسبية الخاصة إلى فرضيتين متناقضتين في الميكانيكا الكلاسيكية :

1. قوانين الفيزياء هي نفسها بالنسبة لجميع المراقبين في أي إطار مرجعي قصوري بالنسبة لبعضهم البعض ( مبدأ النسبية ).
2. سرعة الضوء في الفراغ هي نفسها بالنسبة لجميع المراقبين، بغض النظر عن حركتهم النسبية أو حركة مصدر الضوء .

تتفوق النظرية الناتجة على الميكانيكا الكلاسيكية في تفسير التجارب. فعلى سبيل المثال، تفسر الفرضية الثانية نتائج تجربة ميكلسون-مورلي . علاوة على ذلك، تنطوي النظرية على العديد من النتائج المفاجئة وغير البديهية، ومنها:

• نسبية التزامن : قد لا يكون حدثان متزامنان بالنسبة لمراقب واحد متزامنين بالنسبة لمراقب آخر إذا كان المراقبون في حركة نسبية.
• تمدد الزمن : تُقاس الساعات المتحركة على أنها تدق بشكل أبطأ من ساعة المراقب "الثابتة".
• انكماش الطول : يتم قياس الأجسام على أنها أقصر في الاتجاه الذي تتحرك فيه بالنسبة للمراقب.
• السرعة القصوى محدودة : لا يمكن لأي جسم مادي أو رسالة أو خط مجال أن يسافر أسرع من سرعة الضوء في الفراغ.
  • لا يمكن لتأثير الجاذبية أن ينتقل عبر الفضاء إلا بسرعة الضوء، وليس بشكل أسرع أو فوري.
• تكافؤ الكتلة والطاقة : E = mc ² ، الطاقة والكتلة متكافئتان وقابلتان للتحويل.
• الكتلة النسبية ، فكرة يستخدمها بعض الباحثين. ^{[ 9 ]}

السمة المميزة للنسبية الخاصة هي استبدال تحويلات غاليليو في الميكانيكا الكلاسيكية بتحويلات لورنتز . (انظر معادلات ماكسويل للكهرومغناطيسية ) .

النسبية العامة هي نظرية للجاذبية وضعها أينشتاين بين عامي 1907 و1915. بدأ تطوير النسبية العامة بمبدأ التكافؤ ، الذي ينص على أن حالتي الحركة المتسارعة والسكون في مجال جاذبية (على سبيل المثال، عند الوقوف على سطح الأرض) متطابقتان فيزيائيًا. ويترتب على ذلك أن السقوط الحر هو حركة قصورية : فالجسم في حالة سقوط حر يسقط لأن هذه هي الطريقة التي تتحرك بها الأجسام عندما لا تؤثر عليها أي قوة ، وليس بسبب قوة الجاذبية كما هو الحال في الميكانيكا الكلاسيكية . وهذا يتعارض مع الميكانيكا الكلاسيكية والنسبية الخاصة ، لأنه في هاتين النظريتين لا يمكن للأجسام المتحركة قصوريًا أن تتسارع بالنسبة لبعضها البعض، بينما تتسارع الأجسام في حالة السقوط الحر. ولحل هذه المعضلة، اقترح أينشتاين أولًا أن الزمكان منحني . ناقش أينشتاين فكرته مع عالم الرياضيات مارسيل غروسمان وخلصا إلى أنه يمكن صياغة النسبية العامة في سياق الهندسة الريمانية التي تم تطويرها في القرن التاسع عشر. ^{[ 10 ]} في عام 1915، وضع معادلات أينشتاين للمجال التي تربط انحناء الزمكان بالكتلة والطاقة وأي زخم داخله.

من نتائج النسبية العامة ما يلي:

• تمدد الزمن بفعل الجاذبية : تعمل الساعات بشكل أبطأ في الآبار الجاذبية العميقة. ^{[ 11 ]}
• التبادر : تتقدم المدارات بطريقة غير متوقعة في نظرية نيوتن للجاذبية. (وقد لوحظ ذلك في مدار عطارد وفي النجوم النابضة الثنائية ).
• انحراف الضوء : تنحني أشعة الضوء في وجود مجال الجاذبية.
• سحب الإطار : تقوم الكتل الدوارة "بسحب" الزمكان المحيط بها.
• توسع الكون : الكون يتوسع، ويمكن لبعض المكونات الموجودة داخل الكون أن تسرع من هذا التوسع .

من الناحية التقنية، تُعدّ النسبية العامة نظريةً للجاذبية، وتتمثل سمتها المميزة في استخدامها لمعادلات أينشتاين للمجال . حلول هذه المعادلات هي موترات مترية تُحدد طوبولوجيا الزمكان وكيفية حركة الأجسام بالقصور الذاتي.

أوضح أينشتاين أن نظرية النسبية تندرج ضمن فئة من الأطر العلمية تُعرف باسم "النظريات المبدئية"، وهي نظريات لا تنطلق من مفاهيم تخمينية أو آليات متخيلة، بل من حقائق تجريبية راسخة وانتظامات مُلاحَظة في الطبيعة. وخلافًا للنظريات البنائية، التي تسعى إلى بناء نماذج للظواهر انطلاقًا من عمليات أساسية مفترضة، فإن النظريات المبدئية، كالنسبية، تتبنى منهجًا تحليليًا: فهي تبدأ بمبادئ تم التحقق منها تجريبيًا، وتعمل استنتاجيًا للكشف عن النتائج والقيود المنطقية التي يجب أن تخضع لها أي عملية فيزيائية. ومن خلال مراقبة العمليات الطبيعية، نفهم خصائصها العامة، ونضع نماذج رياضية لوصف ما لاحظناه، وبوسائل تحليلية نستنتج الشروط اللازمة التي يجب استيفاؤها. ويجب أن يُلبي قياس الأحداث المنفصلة هذه الشروط، وأن يتوافق مع استنتاجات النظرية. ^{[ 2 ]}

اختبارات النسبية الخاصة

النسبية نظرية قابلة للتفنيد : فهي تقدم تنبؤات يمكن اختبارها تجريبياً. في حالة النسبية الخاصة، تشمل هذه التنبؤات مبدأ النسبية، وثبات سرعة الضوء، وتمدد الزمن. ^{[ 12 ]} وقد تأكدت تنبؤات النسبية الخاصة في العديد من الاختبارات منذ أن نشر أينشتاين بحثه عام 1905، إلا أن ثلاث تجارب أُجريت بين عامي 1881 و1938 كانت حاسمة في إثبات صحتها. هذه التجارب هي تجربة ميكلسون-مورلي ، وتجربة كينيدي-ثورندايك ، وتجربة آيفز-ستيلويل . استنتج أينشتاين تحويلات لورنتز من المبادئ الأساسية عام 1905، لكن هذه التجارب الثلاث سمحت باستنتاج هذه التحويلات من الأدلة التجريبية.

تصف معادلات ماكسويل - أساس الكهرومغناطيسية الكلاسيكية - الضوء كموجة تنتقل بسرعة مميزة. ويُعتقد اليوم أن الضوء لا يحتاج إلى وسط انتقال، لكن ماكسويل ومعاصريه كانوا مقتنعين بأن موجات الضوء تنتشر في وسط ما، على غرار انتشار الصوت في الهواء، وانتشار التموجات على سطح بركة ماء. وقد سُمي هذا الوسط الافتراضي بالأثير المضيء ، وهو في حالة سكون بالنسبة إلى "النجوم الثابتة" وتتحرك الأرض من خلاله. وقد استبعدت فرضية فرينل لسحب الأثير الجزئي قياس تأثيرات الرتبة الأولى (v/c)، وعلى الرغم من إمكانية رصد تأثيرات الرتبة الثانية (v² ^/ c² ⁾ من حيث المبدأ، إلا أن ماكسويل اعتقد أنها ضئيلة للغاية بحيث لا يمكن رصدها بالتقنيات المتاحة آنذاك. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

صُممت تجربة ميكلسون-مورلي للكشف عن التأثيرات الثانوية لـ"رياح الأثير" - أي حركة الأثير بالنسبة للأرض. وصمم ميكلسون جهازًا يُسمى مقياس تداخل ميكلسون لتحقيق هذا الهدف. كان الجهاز دقيقًا بما يكفي لرصد التأثيرات المتوقعة، لكنه لم يحصل على أي نتيجة عند إجراء التجربة الأولى عام 1881، ^{[ 15 ]} ومرة ​​أخرى عام 1887. ^{[ 16 ]} ورغم أن عدم رصد رياح الأثير كان مخيبًا للآمال، إلا أن النتائج لاقت قبولًا من المجتمع العلمي. ^{[ 14 ]} وفي محاولة لإنقاذ نموذج الأثير، وضع فيتزجيرالد ولورنتز، كلٌ على حدة، فرضيةً مخصصةً مفادها أن طول الأجسام المادية يتغير تبعًا لحركتها عبر الأثير. ^{[ 17 ]} وكان هذا هو أصل انكماش فيتزجيرالد-لورنتز ، ولم يكن لفرضيتهم أي أساس نظري. يُفسَّر عدم صحة نتيجة تجربة ميكلسون-مورلي بأن زمن انتقال الضوء ذهابًا وإيابًا متساوي الخواص (مستقل عن الاتجاه)، لكن هذه النتيجة وحدها لا تكفي لدحض نظرية الأثير أو لتأكيد تنبؤات النسبية الخاصة. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

على الرغم من أن تجربة ميكلسون-مورلي أظهرت أن سرعة الضوء متساوية في جميع الاتجاهات، إلا أنها لم تُشر إلى كيفية تغير مقدار السرعة (إن وُجد) في الأطر المرجعية العطالية المختلفة . صُممت تجربة كينيدي-ثورندايك لهذا الغرض، وأُجريت لأول مرة عام 1932 على يد روي كينيدي وإدوارد ثورندايك. ^{[ 20 ]} وقد حصلا على نتيجة سلبية، واستنتجا أنه "لا يوجد تأثير... إلا إذا كانت سرعة النظام الشمسي في الفضاء لا تتجاوز نصف سرعة الأرض في مدارها تقريبًا". ^{[ 19 ] [ 21 ]} واعتُبر هذا الاحتمال محض صدفة ولا يُقدم تفسيرًا مقبولًا، لذا استُنتج من النتيجة السلبية لتجربتهما أن زمن ذهاب وإياب الضوء هو نفسه في جميع الأطر المرجعية العطالية. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

أُجريت تجربة آيفز-ستيلويل لأول مرة عام 1938 على يد هربرت آيفز وجي آر ستيلويل ^{[ 22 ]} ، ثم بدقة أكبر عام 1941 ^{[ 23 ].} صُممت التجربة لاختبار تأثير دوبلر المستعرض - وهو انزياح الضوء نحو الأحمر من مصدر متحرك في اتجاه عمودي على سرعته - والذي تنبأ به أينشتاين عام 1905. تمثلت الاستراتيجية في مقارنة انزياحات دوبلر المرصودة بما تنبأت به النظرية الكلاسيكية، والبحث عن تصحيح عامل لورنتز . وقد رُصد هذا التصحيح، واستُنتج منه أن تردد الساعة الذرية المتحركة يتغير وفقًا للنسبية الخاصة ^{[ 18 ] [ 19 ] .} 

أُعيدت تلك التجارب الكلاسيكية مرات عديدة بدقة متزايدة. وتشمل التجارب الأخرى، على سبيل المثال، زيادة الطاقة النسبية والزخم عند السرعات العالية، والاختبار التجريبي لتمدد الزمن ، والبحث الحديث عن انتهاكات لورنتز .

بعيدًا عن كونها ذات أهمية نظرية فحسب، تُعدّ التأثيرات النسبية من الاعتبارات الهندسية العملية الهامة. فالقياسات القائمة على الأقمار الصناعية تتطلب مراعاة هذه التأثيرات، إذ يتحرك كل قمر صناعي بالنسبة لمستخدم على الأرض، وبالتالي يكون في إطار مرجعي مختلف وفقًا لنظرية النسبية. ويجب على أنظمة تحديد المواقع العالمية، مثل GPS و GLONASS و Galileo ، أن تأخذ في الحسبان جميع التأثيرات النسبية لكي تعمل بدقة، مثل تأثيرات مجال جاذبية الأرض. ^{[ 24 ]} وينطبق هذا أيضًا على قياس الزمن بدقة عالية. ^{[ 25 ]} ولن تعمل أجهزة متنوعة، من المجاهر الإلكترونية إلى مسرعات الجسيمات، إذا تم إغفال الاعتبارات النسبية. ^{[ 26 ]}

• النسبية الخاصة المزدوجة
• ثبات غاليليو
• قائمة الكتب الدراسية حول النسبية

• تعريف قاموس نظرية النسبية في ويكشنري
• وسائط متعلقة بنظرية النسبية على ويكيميديا ​​كومنز