نظرية النسبية الخاصة ، التي نشرها أينشتاين عام 1905 وتعميمًا مهمًا لعدد من الفرضيات السابقة ، هي واحدة من أكثر الفرضيات رنانًا ونوقشت في الفيزياء.
في الواقع ، من الصعب تخيل أنه عندما يتحرك جسم ما بسرعة تقترب من سرعة الضوء ، تبدأ العمليات الفيزيائية في المضي قدمًا بطريقة غير معتادة تمامًا: يتناقص طوله ، وتزداد كتلته ، ويبطئ الوقت. مباشرة بعد النشر ، بدأت محاولات تشويه سمعة النظرية ، والتي استمرت حتى اليوم ، على الرغم من مرور أكثر من مائة عام. هذا ليس مفاجئًا ، لأن السؤال عن ماهية الوقت قد أثار قلق البشرية منذ فترة طويلة وجذب انتباه الجميع.
ما هي النسبية
جوهر ميكانيكا النسبية (إنها أيضًا النظرية الخاصة للنسبية ، المشار إليها فيما يلي باسم SRT) ويتم التعبير بوضوح عن اختلافها عن الميكانيكا الكلاسيكية من خلال الترجمة المباشرة لاسمها: النسبية اللاتينية تعني "نسبي". تفترض SRT حتمية تمدد الوقت لكائن ما أثناء تحركه بالنسبة إلى مراقب.
الفرقمن هذه النظرية ، التي اقترحها ألبرت أينشتاين ، من ميكانيكا نيوتن وتكمن في حقيقة أن جميع العمليات الجارية لا يمكن اعتبارها إلا مرتبطة ببعضها البعض أو لبعض المراقب الخارجي. قبل وصف ماهية تمدد الوقت النسبي ، من الضروري الخوض قليلاً في مسألة تكوين النظرية وتحديد سبب إمكانية صياغتها وحتى إلزامية على الإطلاق.
أصول النسبية
بحلول نهاية القرن التاسع عشر ، أدرك العلماء أن بعض البيانات التجريبية لا تتناسب مع صورة العالم بناءً على الميكانيكا الكلاسيكية.
أدت التناقضات الأساسية إلى محاولات دمج ميكانيكا نيوتن مع معادلات ماكسويل التي تصف حركة الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ والوسائط المستمرة. كان من المعروف بالفعل أن الضوء مجرد موجة ، ويجب النظر إليه في إطار الديناميكا الكهربية ، ولكن كان من الصعب للغاية الجدال مع الميكانيكا المرئية ، والأهم من ذلك ، التي تم اختبارها عبر الزمن.
لكن التناقض كان واضحا. افترض أن فانوسًا مثبتًا أمام قطار متحرك يضيء للأمام. وفقًا لنيوتن ، يجب أن تتزايد سرعات القطار والضوء القادم من الفانوس. معادلات ماكسويل في هذا الوضع الافتراضي "انكسرت" ببساطة. كانت هناك حاجة إلى نهج جديد تمامًا.
النسبية الخاصة
سيكون من الخطأ الاعتقاد بأن أينشتاين اخترع نظرية النسبية. في الواقع ، التفت إلى أعمال وفرضيات العلماء الذين عملوا قبله. ومع ذلك ، اقترب المؤلفالسؤال من ناحية أخرى وبدلاً من ميكانيكا نيوتن ، تم التعرف على معادلات ماكسويل على أنها "صحيحة مسبقًا".
بالإضافة إلى مبدأ النسبية الشهير (في الواقع ، صاغه جاليليو ، ومع ذلك ، في إطار الميكانيكا الكلاسيكية) ، قاد هذا النهج أينشتاين إلى بيان مثير للاهتمام: سرعة الضوء ثابتة في جميع إطارات المرجعي. وهذا الاستنتاج هو الذي يسمح لنا بالحديث عن إمكانية تغيير معايير الوقت عندما يتحرك الجسم.
ثبات سرعة الضوء
يبدو أن عبارة "سرعة الضوء ثابتة" ليست مفاجئة. لكن حاول أن تتخيل أنك تقف ثابتًا وتشاهد الضوء يتحرك بعيدًا عنك بسرعة ثابتة. أنت تتبع الشعاع ، لكنه يستمر في الابتعاد عنك بنفس السرعة تمامًا. علاوة على ذلك ، عند الدوران والتحليق في الاتجاه المعاكس للشعاع ، فلن تغير سرعة المسافة بينكما بأي شكل من الأشكال!
كيف هذا ممكن؟ هنا يبدأ الحديث عن التأثير النسبي لتمدد الوقت. مثير للاهتمام؟ ثم تابع القراءة!
تمدد زمني نسبي وفقًا لأينشتاين
عندما تقترب سرعة الجسم من سرعة الضوء ، يتم حساب الوقت الداخلي للكائن ليكون بطيئًا. إذا افترضنا أن الشخص يتحرك بالتوازي مع شعاع الشمس بنفس السرعة ، فسيتوقف الوقت بالنسبة له عن الركض على الإطلاق. هناك معادلة للتمدد الزمني النسبي ، تعكس علاقتها بسرعة الجسم.
ومع ذلك ، عند دراسة هذه المسألة ، يجب أن نتذكر أنه لا يمكن لأي جسم ذي كتلة أن يصل نظريًا إلى سرعة الضوء.
مفارقات متعلقة بالنظرية
النسبية الخاصة عمل علمي وليس من السهل فهمها. ومع ذلك ، فإن الاهتمام العام بمسألة الوقت المنتظم يؤدي إلى ظهور أفكار تبدو على المستوى اليومي أنها مفارقات غير قابلة للحل. على سبيل المثال ، يحير المثال التالي معظم الأشخاص الذين تم تقديمهم إلى SRT دون أي معرفة بالفيزياء.
هناك طائرتان ، إحداهما تطير بشكل مستقيم ، والثانية تقلع ، وبعد أن وصفت قوسًا بسرعة قريبة من سرعة الضوء ، تلحق بالطائرة الأولى. كما هو متوقع ، اتضح أن الوقت بالنسبة للجهاز الثاني (الذي طار بسرعة قريبة من الضوء) مر ببطء أكثر من الأول. ومع ذلك ، وفقًا لافتراض SRT ، تكون الأطر المرجعية لكلتا الطائرتين متساوية. هذا يعني أن الوقت يمكن أن يمر بشكل أبطأ لكل من هذا الجهاز والجهاز الآخر. يبدو أن هذا طريق مسدود. لكن …
حل المفارقات
في الواقع ، مصدر هذا النوع من التناقضات هو سوء فهم آلية النظرية. يمكن حل هذا التناقض باستخدام تجربة تخمينية معروفة.
لدينا سقيفة ذات بابين يشكلان ممرًا عبر وقطبًا أطول قليلاً من طول السقيفة. إذا قمنا بتمديد العمود من باب إلى باب ، فلن يتمكنوا من الإغلاق أو ببساطة سوف يكسرون عمودنا. إذا كان القطب يطير في الحظيرة ،سرعة قريبة من سرعة الضوء ، سينخفض طوله (تذكر: الجسم الذي يتحرك بسرعة الضوء سيكون طوله صفر) ، وفي الوقت الحالي داخل الحظيرة ، يمكننا إغلاق وفتح الأبواب دون كسر الدعائم لدينا.
من ناحية أخرى ، كما في المثال مع المستوى ، يجب أن تنخفض الحظيرة بالنسبة إلى العمود. تتكرر المفارقة ، ويبدو أنه لا يوجد مخرج - يتم تقليل طول كلا الجسمين بشكل متزامن. ومع ذلك ، تذكر أن كل شيء نسبي ، وقم بحل المشكلة بتغيير الوقت.
نسبية التبادلية
عندما تكون الحافة الأمامية للعمود بالداخل ، أمام الباب الأمامي ، يمكننا إغلاقها وفتحها ، وفي اللحظة التي يطير فيها العمود إلى داخل السقيفة تمامًا ، سنفعل الشيء نفسه مع الخلف باب. يبدو أننا لا نقوم بذلك في نفس الوقت ، وقد فشلت التجربة ، ولكن هنا يتبين الشيء الرئيسي: وفقًا للنظرية النسبية الخاصة ، تقع لحظات إغلاق كلا البابين في نفس النقطة على محور الوقت
يحدث هذا لأن الأحداث التي تحدث في وقت واحد في إطار مرجعي واحد لن تكون متزامنة في إطار آخر. يتجلى تمدد الزمن النسبي في العلاقة بين الأشياء ، ونعود إلى التعميم اليومي المطلق لنظرية أينشتاين: كل شيء نسبي.
هناك تفصيل آخر: تكافؤ الأنظمة المرجعية ذات صلة في SRT ، عندما يتحرك كلا الجسمين بشكل موحد ومستقيم. بمجرد أن تبدأ إحدى الجثث في التسارع أو التباطؤ ، يصبح إطارها المرجعي فريدًاممكن
مفارقة توأم
المفارقة الأكثر شهرة التي تفسر تمدد الوقت النسبي "بطريقة بسيطة" هي تجربة فكرية مع شقيقين توأمين. أحدهما يطير بعيدًا في مركبة فضائية بسرعة قريبة من سرعة الضوء ، بينما يظل الآخر على الأرض. عند العودة ، يكتشف شقيق رائد الفضاء أنه يبلغ من العمر 10 سنوات ، وأن شقيقه ، الذي بقي في المنزل ، يبلغ 20 عامًا.
الصورة العامة يجب أن تكون واضحة بالفعل للقارئ من التفسيرات السابقة: بالنسبة للأخ على سفينة الفضاء ، يتباطأ الوقت لأن سرعته قريبة من سرعة الضوء ؛ لا يمكننا قبول الإطار المرجعي المتعلق بالأخ على الأرض ، لأنه سيتضح أنه غير قصور ذاتي (فقط أخ واحد يعاني من الحمل الزائد).
أود أن أشير إلى شيء آخر: بغض النظر عن الدرجة التي يصل إليها الخصوم في النزاع ، تظل الحقيقة: الوقت في قيمته المطلقة يظل ثابتًا. بغض النظر عن عدد السنوات التي يطير فيها الأخ على متن مركبة فضائية ، فسيستمر في التقدم في العمر بنفس المعدل تمامًا مع مرور الوقت في إطاره المرجعي ، وسيتقدم الأخ الثاني بنفس المعدل تمامًا - سيتم الكشف عن الفرق فقط عندما يقابلون ، وليس بأي حال من الأحوال.
تمدد وقت الجاذبية
في الختام ، تجدر الإشارة إلى أن هناك نوعًا ثانيًا من تمدد الوقت ، مرتبط بالفعل بالنظرية العامة للنسبية.
حتى في القرن الثامن عشر ، توقع ميتشل وجود اللون الأحمرالإزاحة ، مما يعني أنه عندما يتحرك جسم ما بين مناطق ذات جاذبية قوية وضعيفة ، فإن الوقت سيتغير. على الرغم من محاولات دراسة هذه القضية من قبل لابلاس وزولدنر ، إلا أن أينشتاين قدم عملاً كاملاً حول هذا الموضوع في عام 1911.
هذا التأثير ليس أقل إثارة للاهتمام من تمدد الوقت النسبي ، لكنه يتطلب دراسة منفصلة. وهذه ، كما يقولون ، قصة مختلفة تمامًا.
