كان مصدر قوة أينشتاين العظيمة هو خياله ، الذي تميز بخيال طفولي ، غير مقيد بالأنماط التي فرضها النضج الواقعي.
سرعة الضوء الثابتة
من المحتمل أن يكون مصدر إلهام العالم هو القطار المتجه إلى المحطة في زيورخ ، حيث عاش وعمل ألبرت أينشتاين. بينما نتحرك ببطء من المحطة ، ننظر من النافذة ، نرى المنصة تغادر. سوف يفهم الشخص البالغ على الفور أنه ليس منصة متحركة ، بل قطار. لكن أينشتاين سأل نفسه: كيف نعرف هذا؟
الجواب هو الأرض. هذا ما نعتبره ثابتًا ، وبالتالي ننسب السرعة إلى الأشياء فيما يتعلق به. لكن ماذا لو لم تكن الأرض موجودة؟ كيف نعرف ما إذا كانت مركبتنا الفضائية تتحرك أو أن المحطة الفضائية تبتعد عنا؟ أول ما يتبادر إلى الذهن هو قوانين الفيزياء. ربما هناك بعض القواعد التي تأخذ بعين الاعتبار السرعة ، وبهذه الطريقة نتعلم من مجرى الظواهر سواء كنا نقف أم نتحرك؟
أفضل مرشح هو المجالات المغناطيسية والكهربائية. في المدرسة ، تعلمنا أنها في الحقيقة قوة واحدة – الكهرومغناطيسية. يوضح عمل الفيزيائي الهولندي هندريك لورينز أن الضوء ، الذي هو في الواقع مجال كهرومغناطيسي متناوب ، يجب أن يتحرك دائمًا بنفس السرعة ، بغض النظر عن حركتنا.
كيف تفحص؟ بما أننا نعلم أن الأرض تتحرك (بسرعة كبيرة) حول الشمس وحول محورها ، فعندئذ إذا كانت سرعة الضوء تعتمد على الحركة ، يتحرك شعاع من الضوء من الغرب إلى الشرق – وبالتالي في اتجاه حركة الأرض – يجب أن تتبع نفس الطريقة ، مختلفة عن الثانية ، من الشمال إلى الجنوب. تم إجراء مثل هذه التجربة من قبل العالمين الأمريكيين ألبرت أ.ميشيلسون وإدوارد مورلي. واتضح أن سرعة الضوء في الحقيقة لا تعتمد على اتجاه حركته.
النسبية الخاصة
توجد الحركة فقط في سياق اثنين من المراقبين يقارنان أنظمتهما ، وهي دائمًا متبادلة ، ولا جدوى من تحديد الأنظمة في حالة السكون. لذلك ، يجب أن تكون جميع النظريات الفيزيائية الصحيحة مستقلة عن السرعة والموقع ، وكذلك عن الوقت. إذا كان الأمر بخلاف ذلك ، فسيكون من الممكن التمييز بين الأنظمة المتنقلة والثابتة.
كيف تتعامل مع هذه السرعة الثابتة للضوء؟ بعد كل شيء ، هذا يعني أنه إذا أرسل “منارة” الفضاء إشارة ضوئية ، واصطدمنا بصاروخ يطير بسرعة قريبة من سرعة الضوء ، وطاردنا هذه الإشارة ، فسيبتعد عنا وعن المنارة بالسرعة نفسها. . هذا متناقض ، لكنه ليس خيال الطفل.
إذا كان الأمر كذلك ، فإما أن تزداد المسافة بيننا وبين الشعاع ، أو أن الوقت يتباطأ بالنسبة لنا. تتناسب درجة تمدد المكان أو تمدد الوقت مع السرعة النسبية. في حالة البحث عن الضوء ، سوف يمتد الفضاء إلى أجل غير مسمى ، وسيتوقف الوقت.
نصل إلى نقطة قد لا يكون فيها خيالنا كافياً بالنسبة لنا. ماذا يعني أن الوقت سوف يتوقف؟ هل سنجمد في موضع واحد؟ حسنًا ، لا ، سنعيش بشكل طبيعي في إطارنا المرجعي – لكننا سنشعر وكأننا آلهة موجودة خارج زمن بقية الكون. ولكن نظرًا لأن الحركة نسبية ومتبادلة ، فيمكننا قول الشيء نفسه عن العالم خارجنا. إذن ما هو التزامن؟ كيف توفق بين مبدأ السبب والنتيجة مع هذا؟
لم يتم فهم جميع مضامين نظرية النسبية بعد. اختار أينشتاين اثنين من أهمها. أولاً ، من المستحيل الوصول إلى سرعة الضوء. تزداد الطاقة المطلوبة لزيادة السرعة عكسياً مع الاختلاف بينها وبين سرعة الضوء. الجسم الذي يتحرك بسرعة الضوء سيكون له طاقة لا نهائية. لكن بما أن الحركة نسبية ، فما هذه الطاقة؟ كما نتذكر من المدرسة ، فإن طاقة الحركة تتناسب مع السرعة والكتلة. لذا ، قال أينشتاين إنها يجب أن تكون ضخمة. من هذا اشتق معادلته الأكثر شهرة. E = mc ^ 2 – الكتلة هي شكل من أشكال الطاقة في حالة الراحة.
الاستنتاج الثاني من ثبات سرعة الضوء هو الحاجة إلى دمج الوقت باعتباره البعد الرابع في الفضاء ثلاثي الأبعاد المعروف لنا ، والذي سبق وصفه في العصور القديمة من قبل إقليدس. فقط الزمكان الذي تم إنشاؤه بهذه الطريقة ، والذي حدده لأول مرة عالم الرياضيات الألماني هيرمان مينكوفسكي ، سيصف الفيزياء بشكل صحيح. النقطة في الزمكان هي موقع محدد في الفضاء في نقطة زمنية محددة. الجزء من الزمكان الذي يربط بين نقطتين هو المسافة بين حدثين.
النسبية العامة
الكتلة ليست فقط مقياسًا للقوة التي يجب تطبيقها لتحريك الجسم ، وبالتالي درجة القصور الذاتي. الكتلة هي أيضا مصدر الجاذبية. تشير هذه التعريفات إلى ظواهر مختلفة تمامًا. هل يمكن أن تحتوي على نفس الكمية المادية؟ مثل هذه “الحوادث” لا تحدث في الطبيعة.
تم إجراء التجربة المقابلة بواسطة الجيوفيزيائي المجري لوراند إيتفوس باستخدام بندول الالتواء. اتضح أن كتل القصور الذاتي والجاذبية متساوية تمامًا. بالنسبة لأينشتاين ، كان هذا دليلًا على أنه ، مثل المجالين الكهربائي والمغناطيسي ، يجب أن تتبع الجاذبية والقصور الذاتي نفس النمط. تحت تأثير القوة ، نغير قيمة أو اتجاه سرعتنا ، وهو ما يسمى في الفيزياء بالتسارع. التسارع هو تغيير في السرعة والسرعة دائمًا نسبي. نظرًا لأن الحركة نفسها نسبية ، يجب أن يكون التسارع نسبيًا أيضًا.
مستوحى من مثال الأرض ، السطح المنحني الذي نعيش ونقيس عليه ، عرف أينشتاين أن السطح المسطح لم يكن الاحتمال الوحيد الذي تسمح به الهندسة. إذا لم يكن الزمكان رباعي الأبعاد مستويًا ، فإن مسارات الأجسام الخالية من أي تدخل خارجي ، وبالتالي التحرك في خطوط مستقيمة وفقًا للقوانين الكلاسيكية للفيزياء ، يجب أن تكون منحنية.
في بعض الأنظمة ، يمكن تفسير ذلك بالجاذبية ، وفي أنظمة أخرى – بالقصور الذاتي ، وفي النموذج – ببساطة عن طريق انحناء الفضاء. قد يصطدم قطاران يسافران على مسارات متوازية متجاورة ، أو على نفس المسار ولكن بفاصل ثابت.
كان من الضروري إعادة التفكير في مفاهيم التوازي والمباشرة وكذلك مفهوم الزمن. نظرًا لأن الفضاء منحني ، يجب أيضًا أن يكون الضوء منحنيًا في مثل هذه المنحنيات. نظرًا لأن الانحناء يجب أن يسبب تأثيرات مثل الجاذبية ، يجب أن تخلق كل كتلة عدم تجانس في الزمكان وبالتالي ، على سبيل المثال ، تؤثر على مرور الوقت.
تم تأكيد العديد من هذه الاستنتاجات تجريبياً ، مثل التدفق غير المتكافئ للوقت في أقرب نقطة وأبعد نقطة من مدار عطارد ، مما يؤدي إلى تغيراته البطيئة ، أو القدرة على رؤية النجوم مختبئة خلف أجسام كونية ضخمة أخرى. لا يزال العديد من الآخرين ينتظرون التأكيد.
