القصور الذاتي

يشير البروفيسور جون هـ. لينارد إلى أن كتاب "موزي" - المستند إلى نص صيني من فترة الممالك المتحاربة (475-221 قبل الميلاد) - قدّم أول وصف للقصور الذاتي. ^{[ 9 ]} قبل عصر النهضة الأوروبية ، كانت نظرية أرسطو (384-322 قبل الميلاد) هي النظرية السائدة للحركة في الفلسفة الغربية . على سطح الأرض، غالبًا ما تُحجب خاصية القصور الذاتي للأجسام المادية بفعل الجاذبية وتأثيرات الاحتكاك ومقاومة الهواء ، وكلاهما يميل إلى تقليل سرعة الأجسام المتحركة (عادةً إلى حد السكون). دفع هذا الفيلسوف أرسطو إلى الاعتقاد بأن الأجسام لا تتحرك إلا طالما تُطبّق عليها قوة. ^{[ 10 ] [ 11 ]} قال أرسطو إن جميع الأجسام المتحركة (على الأرض) تتوقف في النهاية ما لم تستمر قوة خارجية في تحريكها. ^{[ 12 ]} فسر أرسطو استمرار حركة المقذوفات، بعد انفصالها عن قاذفها، على أنه فعل (غير مُفسَّر في حد ذاته) للوسط المحيط الذي يستمر في تحريك المقذوف. ^{[ 13 ]}

على الرغم من قبول مفهوم أرسطو للحركة ^{[ 14 ]} على نطاق واسع، فقد خضع هذا المفهوم للنقاش من قبل فلاسفة بارزين على مدى ألفي عام تقريبًا . فعلى سبيل المثال، ذكر لوكريتيوس (مقتديًا على الأرجح بإبيقور ) أن "الحالة الافتراضية" للمادة هي الحركة، لا السكون. ^{[ 15 ]} وفي القرن السادس، انتقد يوحنا فيلوبونوس التناقض بين مناقشة أرسطو للمقذوفات، حيث يحافظ الوسط المحيط على حركتها، ومناقشته للفراغ، حيث يعيق الوسط حركة الجسم. واقترح فيلوبونوس أن الحركة لا تُحافظ عليها بفعل الوسط المحيط، بل بخاصية تُمنح للجسم عند تحريكه. ورغم أن هذا لم يكن المفهوم الحديث للقصور الذاتي، إذ لا تزال هناك حاجة إلى قوة تُبقي الجسم متحركًا، إلا أنه شكّل خطوة أساسية في هذا الاتجاه. ^{[ 16 ] [ 17 ]} لاقى هذا الرأي معارضة شديدة من ابن رشد والعديد من الفلاسفة المدرسيين الذين أيدوا أرسطو. ومع ذلك، لم يمر هذا الرأي دون معارضة في العالم الإسلامي ، حيث كان لفيلوبونوس العديد من المؤيدين الذين طوروا أفكاره.

في القرن الحادي عشر، زعم العالم الفارسي الموسوعي ابن سينا ​​أن المقذوف في الفراغ لن يتوقف ما لم تؤثر عليه قوة خارجية. ^{[ 18 ]}

في القرن الرابع عشر، رفض جان بوريدان فكرة أن خاصية توليد الحركة، التي أطلق عليها اسم "الدافع" ، تتلاشى تلقائيًا. كان موقف بوريدان أن الجسم المتحرك سيتوقف بفعل مقاومة الهواء ووزن الجسم اللذين يعارضان دافعه. ^{[ 19 ]} كما أكد بوريدان أن الدافع يزداد مع السرعة؛ لذا، كانت فكرته الأولية عن الدافع مشابهة في نواحٍ عديدة للمفهوم الحديث للزخم. على الرغم من أوجه التشابه الواضحة مع الأفكار الحديثة عن القصور الذاتي، رأى بوريدان نظريته مجرد تعديل على فلسفة أرسطو الأساسية، محافظًا على العديد من الآراء المشائية الأخرى ، بما في ذلك الاعتقاد بوجود فرق جوهري بين الجسم المتحرك والجسم الساكن. كما اعتقد بوريدان أن الدافع قد يكون خطيًا أو دائريًا، مما يجعل الأجسام (مثل الأجرام السماوية) تتحرك في مسار دائري. تابع تلميذ بوريدان، ألبرت الساكسوني (1316-1390)، وفريق "حاسبو أكسفورد" ، نظرية بوريدان، حيث أجروا تجارب عديدة زادت من تقويض النموذج الأرسطي. ثم قام نيكول أورسم بتطوير عملهم، وكان رائدًا في استخدام الرسوم البيانية لتوضيح قوانين الحركة.

قبل وقت قصير من نظرية غاليليو عن القصور الذاتي، قام جيامباتيستا بينيديتي بتعديل نظرية الدفع المتنامية لتشمل الحركة الخطية فقط:

^{[ 20 ]} أي جزء من المادة الجسدية يتحرك من تلقاء نفسه عندما يتعرض لقوة دافعة خارجية، يكون لديه ميل طبيعي للتحرك في مسار مستقيم، وليس منحنيًا.

يستشهد بينيديتي بحركة الصخرة في المقلاع كمثال على الحركة الخطية المتأصلة للأجسام، والتي تُجبر على الحركة الدائرية.

بحسب مؤرخ العلوم تشارلز كولستون جيليسبي ، فإن مفهوم القصور الذاتي "دخل العلم كنتيجة فيزيائية لهندسة ديكارت للفضاء والمادة، بالإضافة إلى ثبات الله". ^{[ 21 ]} وكان إسحاق بيكمان أول فيزيائي ينفصل تماماً عن نموذج أرسطو للحركة في عام 1614. ^{[ 22 ]}

استُخدم مصطلح "القصور الذاتي" لأول مرة من قِبل يوهانس كيبلر في كتابه "مختصر علم الفلك الكوبرنيكي " ^{[ 23 ]} (الذي نُشر في ثلاثة أجزاء بين عامي 1617 و1621). مع ذلك، لم يكن معنى مصطلح كيبلر، الذي اشتقّه من الكلمة اللاتينية التي تعني "الخمول" أو "الكسل"، مطابقًا تمامًا لتفسيره الحديث. فقد عرّف كيبلر القصور الذاتي من حيث مقاومة الحركة فقط، مستندًا مرة أخرى إلى الافتراض البديهي بأن السكون حالة طبيعية لا تحتاج إلى تفسير. ولم يُطبّق مصطلح "القصور الذاتي" على هذين المفهومين بالشكل الذي نعرفه اليوم إلا بعد أن وحّد غاليليو ونيوتن مفهومي السكون والحركة في مبدأ واحد. ^{[ 24 ]}

ينص مبدأ القصور الذاتي، كما صاغه أرسطو لوصف "الحركات في الفراغ"، ^{[ 25 ]} على أن الجسم المادي يميل إلى مقاومة أي تغيير في حركته. وقد أصبح تقسيم أرسطو للحركة إلى دنيوية وسماوية إشكاليًا بشكل متزايد في ضوء استنتاجات نيكولاس كوبرنيكوس في القرن السادس عشر، الذي جادل بأن الأرض ليست ساكنة أبدًا، بل هي في الواقع في حركة دائمة حول الشمس. ^{[ 26 ]}

أدرك غاليليو ، في تطويره اللاحق لنموذج كوبرنيكوس ، هذه المشاكل المتعلقة بالطبيعة المقبولة آنذاك للحركة، ونتيجة لذلك، قام جزئياً على الأقل، بإعادة صياغة وصف أرسطو للحركة في الفراغ كمبدأ فيزيائي أساسي:

سيستمر الجسم المتحرك على سطح مستوٍ في نفس الاتجاه وبسرعة ثابتة ما لم يتعرض لاضطراب.

يكتب غاليليو أنه "إذا أُزيلت جميع العوائق الخارجية، فإن جسمًا ثقيلًا على سطح كروي متمركز حول الأرض سيحافظ على حالته؛ فإذا وُضع في حركة نحو الغرب (على سبيل المثال)، فسيحافظ على تلك الحركة." ^{[ 27 ]} هذا المفهوم، الذي يُطلق عليه مؤرخو العلوم اسم "القصور الذاتي الدائري" أو "القصور الذاتي الدائري الأفقي"، هو مقدمة لمفهوم نيوتن عن القصور الذاتي المستقيم، ولكنه يختلف عنه. ^{[ 28 ] [ 29 ]} بالنسبة لغاليليو، تكون الحركة " أفقية " إذا لم تحمل الجسم المتحرك نحو مركز الأرض أو بعيدًا عنه، وبالنسبة له، "السفينة، على سبيل المثال، إذا تلقت دفعة ما عبر البحر الهادئ، فستتحرك باستمرار حول كوكبنا دون أن تتوقف أبدًا." ^{[ 30 ] [ 31 ]} استنتج غاليليو لاحقًا (في عام 1632) أنه بناءً على هذه الفرضية الأولية للقصور الذاتي، يستحيل التمييز بين جسم متحرك وآخر ساكن دون وجود مرجع خارجي للمقارنة به. ^{[ 32 ]} أصبحت هذه الملاحظة في نهاية المطاف الأساس الذي استند إليه ألبرت أينشتاين لتطوير نظرية النسبية الخاصة .

سيتم لاحقًا صقل مفاهيم القصور الذاتي في كتابات غاليليو وتعديلها وتدوينها من قبل إسحاق نيوتن كأول قوانينه للحركة (نُشرت لأول مرة في كتاب نيوتن، Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ، عام 1687):

كل جسم يبقى على حالته من السكون، أو من الحركة المنتظمة في خط مستقيم، ما لم يُجبر على تغيير تلك الحالة بقوى مؤثرة عليه. ^{[ 33 ]}

على الرغم من تعريف نيوتن لمفهوم القصور الذاتي في قوانينه للحركة، إلا أنه لم يستخدم مصطلح "القصور الذاتي" صراحةً. في الواقع، كان ينظر إلى هذه الظواهر في الأصل على أنها ناتجة عن "قوى كامنة" في المادة تقاوم أي تسارع. وانطلاقًا من هذا المنظور، وبالاستناد إلى كبلر، تصور نيوتن "القصور الذاتي" على أنه "القوة الكامنة في الجسم التي تقاوم تغيرات الحركة"، وبالتالي عرّف "القصور الذاتي" بأنه سبب الظاهرة ، وليس الظاهرة نفسها.

مع ذلك، كانت أفكار نيوتن الأصلية حول "قوة المقاومة الذاتية" إشكالية في نهاية المطاف لأسباب عديدة، ولذا لم يعد معظم الفيزيائيين يفكرون بهذه المصطلحات. ولأنه لم يتم قبول أي آلية بديلة بسهولة، ولأنه من المقبول عمومًا الآن أنه قد لا توجد آلية بديلة يمكننا معرفتها، فقد أصبح مصطلح "القصور الذاتي" يعني ببساطة الظاهرة نفسها، وليس أي آلية كامنة. وهكذا، في نهاية المطاف، أصبح "القصور الذاتي" في الفيزياء الكلاسيكية الحديثة اسمًا لنفس الظاهرة التي وصفها قانون نيوتن الأول للحركة، ويُعتبر المفهومان الآن متكافئين.

استندت نظرية النسبية الخاصة لألبرت أينشتاين ، كما طرحها في بحثه عام 1905 بعنوان " في الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة "، إلى فهم الأطر المرجعية العطالية الذي طوره غاليليو وهيغنز ونيوتن. ورغم أن هذه النظرية الثورية قد غيرت بشكل كبير معنى العديد من المفاهيم النيوتونية كالكتلة والطاقة والمسافة ، إلا أن مفهوم أينشتاين للقصور الذاتي ظل في البداية دون تغيير عن معناه الأصلي عند نيوتن. ومع ذلك، فقد أدى ذلك إلى قيد متأصل في النسبية الخاصة: إذ لا يمكن تطبيق مبدأ النسبية إلا على الأطر المرجعية العطالية. ولمعالجة هذا القيد، طور أينشتاين نظريته النسبية العامة ("أسس النظرية النسبية العامة"، 1916)، والتي قدمت نظرية تشمل الأطر المرجعية غير العطالية (المتسارعة). ^{[ 34 ]}

في النسبية العامة، اكتسب مفهوم الحركة بالقصور الذاتي معنىً أوسع. فبحسب النسبية العامة، تُعرَّف الحركة بالقصور الذاتي بأنها أي حركة لجسم لا تتأثر بقوى كهربائية أو مغناطيسية أو غيرها، وإنما تخضع فقط لتأثير الكتل الجاذبية. ^{[ 35 ] [ 36 ]} ومن الناحية الفيزيائية، هذا هو بالضبط ما يشير إليه مقياس التسارع ثلاثي المحاور السليم عندما لا يرصد أي تسارع فعلي .