النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين

نظرية النسبية البرت اينشتاين أو ما يدعى
أختصارا النسبية، وهو مصطلح يشير لأثنتين من أهم النظريات الفيزيائية في العصر
الحديث أسهم بهما بشكل خاص الفيزيائي ألبرت أينشتاين، إضافة لهنري بوانكاريه الذي
يعتبر أحد واضعي النسبية الخاصة .





مصطلح نسبية من وضع ماكس بلانك عام 1908م،
ليؤكد على كيفية استخدام النسبية الخاصة لمبدأ النسبية (في ذلك الحين لم يكن
للنسبية العامة وجود بعد).





* نظرية
النسبية الخاصة


* نظرية
النسبية العامة





اولا النظرية النسبية الخاصة :


ظهرت النسبية الخاصة عام 1905 م على يد البرت اينشتاين
كبديل عن نظرية نيوتن في الزمان والمكان لتحل بشكل خاص مشاكل النظرية القديمة فيما
يتعلق بالأمواج الكهرطيسية عامة, والضوء خاصة. وهي تدعى خاصة لأنها تعالج حالة
افتراضية خاصة تهمل فيها تأثيرات الثقل التي ستتناولها فيما بعد النظرية العامة،
العمل الذي قام به أيضا أينشتين عام 1915.


في النصف الثاني من القرن 19 قدم جيمس كلارك ماكسويل (1831
- 1879) نظرية متكاملة عن الظواهر الكهرطيسية. لم تحوي هذه النظرية على متغيرات
ميكانيكية كما في قانون التحريض الكهرطيسي:





كان من الواضح أنه لا يأخذ بعين الاعتبار
أية فكرة عن جسيمات مرافقة لهذه الأمواج وقد بيّن ماكسويل في هذه النظرية أن الضوء
عبارة عن أمواج كهرومغناطيسية.





جميع الظواهر الموجية المعروفة آنذاك
كانت عبارة عن تموج لوسط معين (الأمواج على سطح الماء, الأمواج الصوتية...). لذلك
اعتقد الفيزيائيون أن الضوء يجب أن يكون تموجا لوسط ما أطلقوا عليه اسم الأثير, وكان
على هذا الأثير أن يملأ الكون بأكمله ليؤمن توصيل ضوء النجوم البعيدة, وأن يكون
سهل الاجتياز (وإلا لكبح حركة الأرض حول الشمس), وعلى الضوء أن ينتشر به بسرعة c.





حاول العديد من الفيزيائيين ومن ضمنهم
ماكسويل وضع نموذج ميكانيكي للأثير لكن النجاح لم يحالفهم في ذلك ،و مع الوقت ساد
الاعتقاد بعدم قدرة ميكانيكا نيوتن (علم حركة الأجسام) على تفسير الظواهر الكهرطيسية.





وبذلك تكون جملة المقارنة الغاليلية
المرتبطة بالأثير متميزة عن باقي جمل المقارنة الغاليلية. وكان بالإمكان إذا
استنتاج سرعة كل جملة مقارنة غاليلية بالنسبة إلى الأثير عن طريق القيام بتجارب
انتشار الضوء، وما كان ان طـُبق آنذاك مبدأ النسبية الميكانيكي على انتشار الضوء.





في الواقع عندما تتحرك الأرض في اتجاه ما
بالنسبة للأثير وبسرعة v، ونرسل من الأرض إشارة ضوئية في نفس الاتجاه فستكون سرعة الإشارة
بالنسبة للأثير c وبالنسبة للأرض c-v. أما إذا أ ُُُُرسلت الإشارة بالاتجاه المعاكس فستكون سرعتها
بالنسبة للأرض c+v. ولما كانت الأرض تتحرك حول الشمس
بسرعة 30 كيلومتر
في الثانية على مسار دائري تقريبا، توقع الفيزيائيون بأن الأرض تتحرك بسرعة مماثلة
تقريبا بالنسبة للأثير.





في نهاية القرن 19 أجريت تجارب عديدة
لقياس التغيرات في سرعة الضوء بالنسبة للأرض والمعتقد أن تسببها حركة الأرض
بالنسبة للأثير. لكن جميع النتائج جاءت سلبية حيث انتشر الضوء في جميع الاتجاهات
بالنسبة للأرض بسرعة متساوية c. وكانت هذه النتيجة هي جوهر تجربة مايكلسون ومورلي.





تم إثبات هذه النتيجة في يومنا هذا عن
طريق عمل نظام التوقيت الدولي الذي يعتمد على الساعة الذرية وكذلك عن طريق التجارب
التي أجريت في الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات الأولية. تدل سرعة الضوء الثابتة
على تعذر التميز بين جمل المقارنة الغاليلية حتى باستخدام تجارب انتشار الضوء. ظهرت
عدة فرضيات في نهاية القرن 19 تحاول تفسير النتائج التي توصلت إليها التجارب حول
ثبات سرعة انتشار الضوء لكن جميعها عجزت عن تعميق فهمنا لهذه الحقيقة.





وضع اينشتاين عام 1905 المبدأين التاليين
ليكونا أساس النظرية النسبية الخاصة والتي دعيت بالخاصة لأنها خاصة بجمل المقارنة
الغاليلية: مبدأ النسبية و مبدأ ثبات سرعة الضوء. []





فرضيات
النسبية الخاصة





* مبدأ
النسبية Relativity Principle: لا توجد خصوصية
أو اختلافات في القوانين الطبيعية بين مختلف الجمل العطالية. فكل ملاحظ في أي جملة
عطالية يجب أن يكون على توافق مع مراقب في جملة عطالية أخرى بشأن وصف الواقع
الفيزيائي. (تأخذ قوانين الفيزياء التعبير الرياضي نفسه في جميع جمل المقارنة
الخارجية الغاليلية، أي أن جميع جمل المقارنة الغاليلية متساوية فيزيائيا.) ولا
توجد جملة مقارنة مطلقة (أي لايوجد نظام في حالة الثبات المطلق). لذا لا يمكن عن
طريق أية تجربة فيزيائية (ميكانيكية, بصرية...) تجرى ضمن جملة المقارنة تحديد إذا
ما كانت هذه الجملة ساكنة بالنسبة لجملة أخرى أو تتحرك بحركة مستقيمة منتظمة. وتم
توسيع هذا المبدأ ليشمل كل الأحداث الفيزيائية.





* ثبات
سرعة الضوء : سرعة الضوء بالنسبة لجميع المراقبين العطاليين inertial observers واحدة (س) وفي جميع الاتجاهات ولا تعتمد على سرعة الجسم المصدر
للضوء. إن سرعة انتشار الضوء في الفراغ هي السرعة الحدية العظمى ولها القيمة نفسها
في جميع جمل المقارنة الغاليلية. بغض النظر عن سرعة المنبع وجهة انتشار الضوء
وحركة كل من المنبع والمراقب.[2]





عند جمع هذين الفرضين يمكننا الاستنتاج
أن الضوء لا يحتاج إلى وسط (أثير) ينتقل فيه كما تنص نظرية نيوتن، فهو لا يرتبط
بجملة مرجعية (نظام مرجعي) reference
system.





و بما أن هذه النظرية تهمل تأثيرات
الجاذبية فيجب أن ننتبه إلى تطبيقها فقط عندما تكون تاثيرات الثقل مهملة وضئيلة
وإلا حصلنا على نتائج خاطئة


نتائج
النظرية





* الفاصل
الزمني بين حدثين متغير من مراقب إلى آخر لكنه يعتمد على السرع النسبية للجمل
المرجعية للمراقبين.


* نسبية
التزامن : يمكن لحدثين متزامنين، يحدثان في نفس الوقت في مكانين منفصلين ضمن جملة
مرجعية، أن يكونا غير متزامنين متعاقبين بالنسبة لمراقب في جملة مرجعية أخرى.


* نسبية
القياس : يمكن لعملية القياس التي يجريها مراقبين في جملتين مرجعيتين
reference system مختلفتين أن تعطي نتائج وقياسات مختلفة
لنفس الشئ المقاس.


* نسبية
الزمن ومفارقة التوأمين twins paradox : من
نتائج النظرية النسبية الخاصة أن الزمن ليس مطلقا وإنما يعتريه الانكماش باقتراب
سرعة مكانه من سرعة الضوء. وبناء على ذلك على سبيل المثال :إذا سافر أحد توأمين في
مركبة فضائية بسرعة تقارب سرعة الضوء، فسيكتشف بعد عودته للأرض بعد خمس سنوات بحسب
توقيت ساعته، مرور خمسين عاما على توقيت الأرض. أي أنه سيجد أخاه قد كبر خمسين
عاما، في حين لم يزد عمره هو سوى خمس سنين... هذه الظاهرة العجيبة هي نتيجة لتباطؤ
الزمن بتزايد سرعة مركبة الفضاء (الجملة المرجعية) التي يتم القياس فيها.





رفضت النسبية فكرة المرجع المطلق absolute reference التي تتوافق مع فكرة مكان متجانس مملوء بمادة تدعي الأثير ينتقل عبرها
موجات الضوء، لقد نسفت النسبية هذه الفكرة من جذورها استنادا إلى تجربة ميكلسون
ومورلي التي بينت ثبات سرعة الضوء وقامت باستبدالها بمبدأ النسبية الذي ينص على
ثبات قوانين الفيزياء (و ليس الفضاء) بالنسبة لكافة الجمل ذات السرع الثابتة (الأنظمة
العطالية inertial systems). يمكن ببساطة التحويل
بين الأنظمة المرجعية المتحركة بالنسبة لبعضها عن طريق مجموعة قوانين تدعى : تحويلات
لورينتز.





و كما قامت النسبية بتوحيد الزمان مع
المكان في فضاء واحد رباعي الأبعاد، قامت بتبيان العلاقة بين الكتلة Mass, والعزم
Momentum, والطاقة Energy على انها ظواهر لشئ واحد، وفتحت الباب نحو تحويل هذه الظواهر
إلى بعضها البعض وعوضا عن الحديث عن انحفاظ المادة Matter أو الطاقة أو العزم يمكننا الحديث عن انحفاظ مجموع هذه القيم
ضمن الجمل المعزولة. [3][4].





سرعة الضوء هي السرعة
القصوى





بين اينشتاين في النظرية النسبية الخاصة
أن المبدأ السابق من حيث إضافة السرعات لا تسري على الضوء . أي لا يسري القول : سرعة
+ سرعة = ضعف السرعة . فإذا أطلقنا مثلا عيارا ناريا من قطار يتحرك في نفس اتجاه
حركة القطار ، فإننا نجمع السرعتين ونحصل على محصلة سرعة الطلقة وهي مجموع
السرعتين ، وهذا ما يقيسه الواقف على رصيف المحطة . أما بالنسبة للضوء فتبقى سرعته
ثابتة ،وهي 299.792
كيلومتر في الثانية - وذلك بصرف النظر عما كان مصدر الضوء
متحركا أو ثابتا لا يتحرك . وهذه السرعة تشكل حدا أقصى للسرعات ولا يمكن لأي
جسيمأن يتخطى تلك السرعة ، وهذا ينطبق أيضا علينا. [3][4]








وزيادة على تلك الحقيقة ، فقد بينت
حسابات أينشتاين أن كتلة جسم متحرك تزيد بزيادة سرعته . ولكننا لا نستطيع قياس
الزيادة في كتلته بسبب صغر السرعة التي يتحرك بها عادة . أما إذا وصلت سرعة الجسم
إلى نصف سرعة الضوء مثلا ، فتكون الزيادة في كتلة الجسم ملحوظة . وتتزايد كتلته كلما
اقتربت سرعته من سرعة الضوء . بذلك نحتاج لطاقة أعلى وأعلى من أجل أن نقوم بتسريع
جسيم إلى قرب سرعة الضوء ، لأن كتلته تزداد مع كل زيادة في سرعته . والخلاصة أنه
لا يمكن لأي جسم الحركة بسرعة الضوء - مهما كان صغيرا أو كبيرا ، ناهيك عن أن
يتعداها.








ملحوظة : يتحرك شعاع الضوء بسرعة 299.792 كيلومتر في
الثانية وينطبق ذلك أيضا على كل الأشعة الكهرومغناطيسية التي هي من صفات الضوء . وهذا
معناه أن موجات الراديو بسرعتها هذه تدور حول الكرة الأرضية 7 مرات في الثانية
الواحدة.





و بالرغم من ان هذا ليس كافيا لاثبات
النظرية النسبية فقط ولكنها لمحة عنها ولم احن ان أطيل في النظرية النسبة الخاصة
لان العامة اشمل و شارحة اكثر و هذا يرجع الى فريق العمل الجبار الذي افاد العالم
و هو العالم البرت اينشتين ومجموعته هذا العبقري الذي انجبتة الدنيا للعلم فانا
اعتبرة من العباقرة الأفذاذ في علم الفيزياء

معلومات مميزه من عضوه مميزه
مرسى ليكى كتير على هادى المعلومات
ارجو تقبل مرورى
سلااااام