في بداية القرن العشرين ، تمت صياغتهنظرية النسبية. يعرف اليوم كل تلميذ ما هو ومن هو خالقه. إنه أمر رائع لدرجة أنه حتى الأشخاص البعيدين عن العلم يهتمون به. يصف هذا المقال نظرية النسبية بلغة يسهل الوصول إليها: ما هي وما هي افتراضاتها وتطبيقاتها.
يقولون ذلك لألبرت أينشتاين ، مبتكرها ،جاءت البصيرة في لحظة. يبدو أن العالم يركب ترامًا في برن ، سويسرا. نظر إلى ساعة الشارع وأدرك فجأة أن الساعة ستتوقف إذا تسارع الترام إلى سرعة الضوء. في هذه الحالة ، لن يكون هناك وقت. يلعب الوقت دورًا مهمًا جدًا في نظرية النسبية. أحد الافتراضات التي صاغها أينشتاين هو أن المراقبين المختلفين يرون الواقع بطرق مختلفة. هذا ينطبق بشكل خاص على الوقت والمسافة.
مع مراعاة موقف المراقب
في ذلك اليوم ، أدرك ألبرت ذلك في اللغةعلمًا ، يعتمد وصف أي ظاهرة أو حدث فيزيائي على الإطار المرجعي الذي يوجد فيه المراقب. على سبيل المثال ، إذا أسقطت إحدى ركاب الترام نظارتها ، فسوف تسقط رأسيًا إلى الأسفل بالنسبة لها. إذا نظرت من موقع أحد المشاة يقف في الشارع ، فإن مسار سقوطهم سيتوافق مع القطع المكافئ ، لأن الترام يتحرك والنقاط تتساقط في نفس الوقت. وهكذا ، لكل فرد إطار مرجعي خاص به. نقترح أن ننظر بمزيد من التفصيل في الافتراضات الأساسية لنظرية النسبية.
قانون الحركة الموزعة ومبدأ النسبية
على الرغم من حقيقة أنه عند تغيير الأطر المرجعيةأوصاف الأحداث تتغير ، هناك أشياء عالمية تظل دون تغيير. من أجل فهم هذا ، يجب على المرء أن يطرح السؤال ليس عن سقوط النظارات ، ولكن قانون الطبيعة الذي تسبب في هذا السقوط. بالنسبة لأي مراقب ، بغض النظر عما إذا كان في نظام إحداثيات متحرك أو ثابت ، فإن الإجابة عليه تظل كما هي. يسمى هذا القانون قانون المرور الموزع. إنه يعمل بنفس الطريقة سواء في الترام أو في الشارع. بمعنى آخر ، إذا كان وصف الأحداث يعتمد دائمًا على من يراقبها ، فإن هذا لا ينطبق على قوانين الطبيعة. إنهم ، كما هو معتاد في التعبير عن أنفسهم بلغة علمية ، ثابتون. هذا هو مبدأ النسبية.
نظريتان أينشتاين
هذا المبدأ ، مثل أي فرضية أخرى ،كان من الضروري أولاً التحقق من ذلك ، وربطه بالظواهر الطبيعية التي تعمل في واقعنا. استخلص أينشتاين نظريتين من مبدأ النسبية. على الرغم من أنها مرتبطة ببعضها البعض ، إلا أنها تعتبر منفصلة.
نظرية النسبية الخاصة أو الخاصةيعتمد (SRT) على الافتراض القائل بأنه بالنسبة لجميع أنواع الأطر المرجعية ، التي تكون سرعتها ثابتة ، تظل قوانين الطبيعة كما هي. تمتد النظرية النسبية العامة (GR) لهذا المبدأ إلى أي إطار مرجعي ، بما في ذلك تلك التي تتحرك مع التسارع. في عام 1905 نشر أ. أينشتاين النظرية الأولى. الثاني ، الأكثر تعقيدًا من حيث الأجهزة الرياضية ، اكتمل بحلول عام 1916. أصبح إنشاء نظرية النسبية ، كلا من SRT و GRT ، مرحلة مهمة في تطور الفيزياء. دعونا نتناول كل منها بمزيد من التفصيل.
نظرية النسبية الخاصة
ما هو ، ما هو جوهره؟ دعنا نجيب على هذا السؤال. هذه النظرية هي التي تتنبأ بالعديد من التأثيرات المتناقضة التي تتعارض مع أفكارنا البديهية حول كيفية عمل العالم. نحن نتحدث عن تلك التأثيرات التي نلاحظها عندما تقترب سرعة الحركة من سرعة الضوء. وأشهرها تأثير تمدد الوقت (الساعة). الساعة التي تتحرك بالنسبة إلى المراقب تسير بشكل أبطأ بالنسبة له من تلك التي في يديه.
في نظام الإحداثيات عند التحرك بسرعة ،عند الاقتراب من سرعة الضوء ، يتم تمديد الوقت بالنسبة إلى المراقب ، ويتم ضغط طول الأشياء (المدى المكاني) ، على العكس من ذلك ، على طول محور اتجاه هذه الحركة. يسمي العلماء هذا التأثير بانكماش لورنز فيتزجيرالد. في عام 1889 ، وصفها عالم الفيزياء الإيطالي جورج فيتزجيرالد. وفي عام 1892 ، أكمله هندريك لورينز ، وهو هولندي. يفسر هذا التأثير النتيجة السلبية لتجربة ميكلسون مورلي ، حيث يتم تحديد سرعة كوكبنا في الفضاء الخارجي عن طريق قياس "رياح الأثير". هذه هي الافتراضات الأساسية لنظرية النسبية (خاصة). استكمل أينشتاين هذه المعادلات بصيغة تحويل جماعي ، تم إجراؤها عن طريق القياس. وفقا لها ، مع اقتراب سرعة الجسم من سرعة الضوء ، تزداد كتلة الجسم. على سبيل المثال ، إذا كانت السرعة 260 ألف كم / ثانية ، أي 87٪ من سرعة الضوء ، من وجهة نظر مراقب في إطار مرجعي مستريح ، فإن كتلة الجسم ستتضاعف.
تأكيدات STO
كل هذه الأحكام مهما تناقضتالفطرة السليمة ، منذ زمن أينشتاين تجد تأكيدًا مباشرًا وكاملًا في العديد من التجارب. أجرى علماء من جامعة ميشيغان إحداها. تؤكد هذه التجربة الغريبة نظرية النسبية في الفيزياء. وضع الباحثون ساعة ذرية فائقة الدقة على متن طائرة تقوم بانتظام برحلات عبر المحيط الأطلسي. في كل مرة بعد عودته إلى المطار ، كانت قراءات هذه الساعات تُفحص مقابل قراءات المراقبة. اتضح أنه في كل مرة تتأخر فيها الساعة على متن الطائرة أكثر فأكثر خلف عنصر التحكم. بالطبع ، كنا نتحدث فقط عن أرقام تافهة ، أجزاء من الثانية ، لكن الحقيقة نفسها دلالة للغاية.
على مدى نصف القرن الماضي ، كان الباحثون يدرسونالجسيمات الأولية في المعجلات - مجمعات الأجهزة الضخمة. في داخلها ، يتم تسريع حزم الإلكترونات أو البروتونات ، أي الجسيمات دون الذرية المشحونة ، حتى تقترب سرعتها من سرعة الضوء. بعد ذلك يطلقون النار على أهداف نووية. في هذه التجارب ، من الضروري مراعاة حقيقة أن كتلة الجسيمات تزداد ، وإلا فإن نتائج التجربة تتحدى التفسير. في هذا الصدد ، لم تعد SRT مجرد نظرية افتراضية. لقد أصبحت واحدة من الأدوات المستخدمة في الهندسة التطبيقية ، إلى جانب القوانين النيوتونية للميكانيكا. وجدت مبادئ النظرية النسبية تطبيقات عملية كبيرة اليوم.
قوانين SRT ونيوتن
بالمناسبة الحديث عن قوانين نيوتن (صورة لهذاتم تقديم العالم أعلاه) ، يجب أن يقال أن النظرية النسبية الخاصة ، التي تبدو متناقضة معها ، تعيد في الواقع إنتاج معادلات قوانين نيوتن بالضبط تقريبًا إذا تم استخدامها لوصف الأجسام التي تكون سرعة حركتها أقل بكثير من سرعة الضوء. بمعنى آخر ، إذا تم تطبيق النسبية الخاصة ، فلن يتم إلغاء فيزياء نيوتن على الإطلاق. هذه النظرية ، على العكس من ذلك ، تكملها وتوسعها.
سرعة الضوء ثابتة عامة
باستخدام مبدأ النسبية ، يمكن للمرء أن يفهملماذا في هذا النموذج من بنية العالم ، تلعب سرعة الضوء دورًا مهمًا للغاية ، وليس شيئًا آخر. يتم طرح هذا السؤال من قبل أولئك الذين بدأوا للتو في التعرف على الفيزياء. سرعة الضوء هي ثابت عالمي نظرًا لتعريفها على هذا النحو من خلال قانون العلوم الطبيعية (يمكنك معرفة المزيد عن هذا من خلال دراسة معادلات ماكسويل). إن سرعة الضوء في الفراغ ، بحكم مبدأ النسبية ، في أي إطار مرجعي هي نفسها. قد تعتقد أن هذا مخالف للحس السليم. اتضح أن الضوء يصل في نفس الوقت إلى المراقب من مصدر ثابت وآخر متحرك (بغض النظر عن السرعة التي يتحرك بها). ومع ذلك ، فهي ليست كذلك. تُمنح سرعة الضوء ، نظرًا لدورها الخاص ، مكانًا مركزيًا ليس فقط في النسبية الخاصة ، ولكن أيضًا في النسبية العامة. دعنا نتحدث عنها أيضا.
النظرية النسبية العامة
يستخدم كما قلنا للجميعالأطر المرجعية ، وليس بالضرورة تلك التي تكون سرعة حركتها بالنسبة لبعضها البعض ثابتة. من الناحية الرياضية ، تبدو هذه النظرية أكثر تعقيدًا من نظرية خاصة. وهذا يفسر حقيقة مرور 11 عامًا بين منشوراتهم. تتضمن النسبية العامة حالة خاصة. لذلك ، تم تضمين قوانين نيوتن فيه أيضًا. ومع ذلك ، فإن النسبية العامة تذهب إلى أبعد من سابقاتها. على سبيل المثال ، يشرح الجاذبية بطريقة جديدة.
البعد الرابع
بفضل النسبية العامة ، يصبح العالم رباعي الأبعاد: يضاف الوقت إلى ثلاثة أبعاد مكانية. كلهم لا ينفصلون ، لذلك ، لم يعد من الضروري الحديث عن المسافة المكانية الموجودة في العالم ثلاثي الأبعاد بين جسمين. نحن الآن نتحدث عن الفواصل الزمنية بين الأحداث المختلفة ، وتوحيد كل من البعد المكاني والزماني بينهما عن بعضهما البعض. بمعنى آخر ، يعتبر الزمان والمكان في نظرية النسبية نوعًا من التواصل رباعي الأبعاد. يمكن تعريفه على أنه زمكان. في هذه السلسلة المتواصلة ، سيكون لدى هؤلاء المراقبين الذين ينتقلون بالنسبة لبعضهم البعض آراء مختلفة حتى حول ما إذا كان حدثان قد حدثا في وقت واحد ، أو أن أحدهما سبق الآخر. ومع ذلك ، لا يتم انتهاك علاقة السبب والنتيجة. بعبارة أخرى ، فإن وجود مثل هذا النظام الإحداثي ، حيث يحدث حدثان في تسلسلات مختلفة وليس في وقت واحد ، لا يسمح حتى بالنسبية العامة.
النسبية العامة وقانون الجاذبية الكونية
حسب قانون الجاذبية الكونية المكتشفةنيوتن ، إن قوة الجذب المتبادل موجودة في الكون بين أي جسمين. من هذا الموقع ، تدور الأرض حول الشمس ، حيث توجد قوى جذب متبادل بينهما. ومع ذلك ، فإن النسبية العامة تجعلنا ننظر إلى هذه الظاهرة من الجانب الآخر. الجاذبية ، وفقًا لهذه النظرية ، هي نتيجة "الانحناء" (تشوه) الزمكان ، الذي يُلاحظ تحت تأثير الكتلة. كلما كان الجسم أثقل (في مثالنا ، الشمس) ، كلما "انحناء" الزمكان تحته. وفقًا لذلك ، فإن مجال الجاذبية هو الأقوى.
من أجل فهم جوهر النظرية بشكل أفضلالنسبية ، دعنا ننتقل إلى المقارنة. وفقًا للنسبية العامة ، تدور الأرض حول الشمس ، مثل كرة صغيرة تدور حول مخروط قمع تم إنشاؤه نتيجة "دفع" الشمس للزمكان. وما اعتدنا على اعتباره قوة الجاذبية هو في الواقع المظهر الخارجي لهذا الانحناء ، وليس القوة ، في فهم نيوتن. حتى الآن ، لم يتم العثور على تفسير أفضل لظاهرة الجاذبية من تلك المقترحة في النسبية العامة.
طرق فحص النسبية العامة
لاحظ أنه ليس من السهل التحقق من GRT ، نظرًا لأنهتتوافق النتائج في ظروف المختبر تقريبًا مع قانون الجاذبية الكونية. ومع ذلك ، أجرى العلماء عددًا من التجارب المهمة. أدت نتائجهم إلى استنتاج مفاده أن نظرية أينشتاين قد تم تأكيدها. تساعد النسبية العامة أيضًا في تفسير الظواهر المختلفة التي لوحظت في الفضاء. هذه ، على سبيل المثال ، انحرافات صغيرة لعطارد عن مداره الثابت. من وجهة نظر ميكانيكا نيوتن الكلاسيكية ، لا يمكن تفسيرها. ولهذا السبب أيضًا ينحني الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من النجوم البعيدة أثناء انتقاله بالقرب من الشمس.
النتائج التي تنبأت بها النسبية العامة هي في الواقعتختلف اختلافًا كبيرًا عن تلك التي تعطي قوانين نيوتن (صورته معروضة أعلاه) ، فقط عندما تكون هناك حقول جاذبية فائقة القوة. وبالتالي ، من أجل التحقق الكامل من النسبية العامة ، هناك حاجة إما إلى قياسات دقيقة للغاية للأجسام ذات الكتلة الضخمة أو الثقوب السوداء ، لأن أفكارنا المعتادة لا تنطبق عليها. لذلك ، فإن تطوير الأساليب التجريبية لاختبار هذه النظرية هو أحد المهام الرئيسية للفيزياء التجريبية الحديثة.
أذهان كثير من العلماء وبعيدة عن العلمتحتلها نظرية النسبية التي أنشأها أينشتاين. ما هو ، قلنا بإيجاز. تقلب هذه النظرية أفكارنا المعتادة عن العالم ، لذلك لا يزال الاهتمام بها لا يتلاشى.
