مبادئ النظرية النسبية
في عام 1905، نشر ألبرت أينشتاين نظرية النسبية الخاصة، التي تفسر كيفية تحرك الأشياء بين الإطارات المرجعية المختلفة باستخدام مفهوم القصور الذاتي، أي أن الأجسام التي تتحرك بسرعات ثابتة بالنسبة لبعضها البعض ستظهر بشكل مختلف بالنسبة للراصد.
شرح النظرية النسبية لأينشتاين
أوضح آينشتاين أنه عندما يتحرك كيانان بسرعة ثابتة كالحركة النسبية بين الكائنين ، بدلاً من الاستناد إلى الأثير كإطار مرجعي مطلق يحدد ما يجري. إذا كنت أنت وبعض رواد الفضاء ، كهرمان ، تتحرك في سفن فضائية مختلفة وترغب في مقارنة ملاحظاتك ، فكل ما يهم هو مدى سرعة تحركك أنت وعنبر مع بعضهما البعض.
تشمل النسبية الخاصة فقط الحالة الخاصة (وبالتالي الاسم) عندما تكون الحركة متجانسة. الحركة التي يتم شرحها تنطبق فقط عندما تتحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة. عندما تتسارع أو تنحني – أو تقوم بأي تغيير في طبيعة الحركة بأي شكل من الأشكال – تتوقف النسبية الخاصة عن التطبيق. هنا يأتي دور النسبية العامة لآينشتاين، حيث يمكنها تفسير الحالة العامة لأي نوع من الحركة
مبادئ نظرية أينشتاين
اعتمدت نظرية أينشتاين على مبدأين أساسيين:
مبدأ النسبية
قوانين الفيزياء لا تتغير حتى في المواد المتحركة في إطارات الحركة النسبية (السرعة الثابتة).
مبدأ سرعة الضوء
سرعة الضوء هي نفسها بالنسبة لجميع المراقبين، بغض النظر عن حركتهم بالنسبة لمصدر الضوء. ويستخدم الفيزيائيون الرمز c للإشارة إلى هذه السرعة
تكمن عبقرية اكتشافات آينشتاين في أنه تركز على التجارب وافترض أن النتائج الناتجة عنها هي الصحيحة، وهذا يختلف عما كان يفعله العلماء الآخرون في مجال الفيزياء،حيث كانوا يفترضون أن النظرية الحالية هي الصحيحة وأن أي تجربة تخالفها هي التي فشلت، بدلاً من النظر إلى التجارب بشكل مستقل وتشكيل النظرية بناءً عليها.
في نهاية القرن التاسع عشر، كان الفيزيائيون يبحثون عن الشيء الغامض المعروف بالإيثر – وهو الوسيلة التي اعتقدوا أنها تؤدي دورا في تدفق موجات الضوء. يسبب هذا الاعتقاد الفوضى في الأمور، وفقا لآراء آينشتاين، من خلال إدخال وسيلة تؤدي إلى قوانين فيزيائية معينة للعمل بطريقة مختلفة اعتمادا على حركة المراقب بالنسبة للإيثر. قام آينشتاين بإزالة الإيثر بالكامل وافترض أن قوانين الفيزياء، بما في ذلك سرعة الضوء، تعمل بنفس الطريقة بغض النظر عن حركتها – كما أظهرت التجارب والرياضيات
توحيد الفضاء والوقت
نظرية أينشتاين للنسبية الخاصة تربط بين الفضاء والزمن، وتصف الكون باستخدام ثلاثة أبعاد فضائية (للأعلى / للأسفل، لليسار / لليمين، للأمام / للخلف) وأبعاد زمنية، فيما يعرف بفضاء الزمكان المستمر.
إذا تحركت بسرعة كافية في الفضاء، فإن الملاحظات التي تقوم بها حول المكان والزمان قد تختلف إلى حد ما عن ملاحظات الأشخاص الذين يتحركون بسرعات مختلفة.
يمكنك فهم هذا بنفسك من خلال تجربة التفكير الموضحة في هذا الشكل، حيث تتخيل نفسك على متن سفينة فضائية وتمسك بليزر يطلق شعاعًا من الضوء مباشرةً، ويصطدم بمرآة موضوعة على السقف، ثم يعود الشعاع للأسفل ويصطدم بجهاز الكشف.
ومع ذلك ، فإن سفينة الفضاء تسير بسرعة ثابتة تبلغ نصف سرعة الضوء (0.5c ، كما يكتب الفيزيائيون). وفقًا لأينشتاين ، لا يحدث هذا فرقًا لك – لا يمكنك حتى أن تخبرك أنك تتحرك. ومع ذلك ، إذا كان رائد الفضاء Amber يتجسس عليك ، كما في الجزء السفلي من هذا الرقم ، فستكون هذه قصة مختلفة.
سيرى العنبر شعاعك من الضوء يتحرك لأعلى على طول مسار مائل ، ويضرب المرآة ، ثم يسير لأسفل على طول مسار مائل قبل أن يصطدم بالكاشف. بمعنى آخر ، سترى أنت و Amber مسارات مختلفة للضوء ، والأهم من ذلك ، أن هذه المسارات ليست متساوية الطول. هذا يعني أن الوقت الذي تستغرقه الحزمة للانتقال من الليزر إلى المرآة إلى الكاشف يجب أن يكون مختلفًا أيضًا بالنسبة لك وللعنبر بحيث يتفق كلا منكما على سرعة الضوء.
تسمى هذه الظاهرة بتمدد الزمن، حيث يبدو أن الوقت الذي تتحرك فيه السفينة بسرعة شديدة أبطأ من الوقت الحقيقي.
بشكل غريب، يوضح هذا المثال (والعديد من الأمثلة الأخرى) أن الزمان والمكان مترابطان بشكل وثيق في نظرية النسبية لآينشتاين. عند تطبيق معادلات تحويل لورنتز، تعمل هذه المعادلات بشكل صحيح حتى يتم الحفاظ على سرعة الضوء ثابتة بالنسبة لكل من المراقبين.
توحيد الكتلة والطاقة
تعود أشهر أعمال آينشتاين إلى عام 1905، وهو عام حافل بالنسبة له، حيث قام بتطبيق أفكار ورقة النسبية الخاصة به لاكتشاف المعادلة E = mc2 التي تصف العلاقة بين الكتلة (م) والطاقة (E).
باختصار ، وجد أينشتاين أنه مع اقتراب جسم ما من سرعة الضوء ، زادت كتلة الجسم. الكائن يذهب بشكل أسرع ، لكنه يصبح أيضا أثقل. إذا كانت قادرة فعلاً على التحرك عند c ، فإن كتلة الجسم وطاقته ستكونان بلا حدود. يصعب تسريع جسم أثقل ، لذلك من المستحيل أن يصل الجسيم فعليًا بسرعة c.