من طرف Eman الجمعة مايو 16, 2008 4:02 pmنظرية النسبية العامة :
النظرية النسبية العامّة هي نظرية وضعها العالم الأمريكي ذو الأصول الألمانية ألبرت أينشتاين نشرها عام 1915، والنظرية النسبية العامة هي تعميم للنظرية النسبية الخاصة والتي غيرت مفهوم النسبية في قياس الكميات الفيزيائية ليصبح نظاما من أربعة أبعاد يكون الزمن البعد الرابع فيها ، وبالتالي لم يعد من الدقة بمكان الحديث عن الكميات الفيزيائية بإهمال البعد الزمني النسبي والذي تمثله السرعة.
وأضافت النظرية النسبية العامة فكرة تقعر الفراغ بوجود المادة ، وهو الأمر الذي يعني أن الخطوط المستقيمة تتشوه بوجود الكتلة ، وأثبتت النظرية النسبية العامة عندما تحقق تنبؤ أينشتاين بالتباعد الظاهري لنجمين في فترة كسوف الشمس وذلك يعود إلى تشوه مسار الضوء القادم من النجمين بسبب مرورهما قرب الشمس ذات الكتلة العالية نسبيا وبالتالي تقوس خط سير الضوء القادم من النجمين.
نظرية النسبية :
تقوم نظرية النسبية العامة بتفسير الجاذبية ( الثقالة gravity النيوتنية ) على أنها تشوه deformation في الزمان والمكان تحدثه الكتلة Mass في جوارها ، على هذا الأساس يمكننا تفسير دوران جسم حول اللأرض بأنه سير للجسم بشكل مستقيم على الخط المحيطي ( الجيوديزي ) للزمكان المحيط بالأرض ، كما يسير الانسان بشكل مستقيم على الارض على طول الخط المحيطي ( الجيوديزي ) للأرض . وعلى هذا فان وجود المادة هو ما يحدد هندسة الزمكان(الزمان + المكان = الزمكان ) المسرح الفيزيائي للحوادث .
مبدأ التكافؤ في النسبية العامة :
نميز في الفيزياء بين مراجع عطالية (جمل مرجعية عطالية inertial reference systems) و مراجع غير عطالية non-inertial ، حيث يمكن لأي جسم أن يحافظ على حركته المنتظمة في الجمل العطالية ما لم يخضع لقوة ما أو يتأثر بجسم آخر ضمن نفس الجملة ، في حين تكتسب الأجسام في الجمل غير العطالية تسارعا ناجما عن حركة الجملة نفسها و تسارعها و ليس نتيجة تأثير جسم داخلي ضمن الجملة . تتم تفسير مقاومة هذا التسارع بقوى افتراضية ندعوها قوى العطالة inertial forces في حالة الحركة المتقيمة للجمل المرجعية او قوى العطالة النابذة في حالة الحركة الدورانية rotational movement للجمل المرجعية . هذه القوى تعتبر قوى افتراضية غير فيزيائية في الميكانيك الكلاسيكي النيوتني لكن في النسبية العامة ليس هناك مجالا لمثل هذا التمييز حسب مبدأ التكافؤ (اقرأ تجربة المصعدين الفكرية في صفحة مبدأ التكافؤ ) .
وليس هناك من قوة ثقالية ضمن الاطار المرجعي في حالة السقوط الحر ( الحركة المتسارعة ) عدا القوى المدية للثقالة التي تشوه الأجسام دون التأثير على حركتها و سرعتها ( دون تسارع). و حتى محاولات الكشف عن الأموج الثقالية تعتمد على هذه القوى المدية(tidal forces) .
و قد استند اينشتاين في الواقع على حقيقة معروفة منذ غاليليو ألا وهي تماثل الكتلتين الثقالية و العطالية للأجسام ، مما يؤكد ان التسارع الحركي و الثقالة(gravity)هي مظاهر لأمر واحد . و يفترض أنه لا وجود لأي تجربة يمكن ان تميز بين حقل ثقالي-جاذبية-و تسارع منتظم . و سرعان ما وسع اينشتاين مبدأ التكافؤ في نظريته ليشمل مفهوما اضافيا هو استحالة تحديد حالة الحركة لجملة مرجعية غير متسارعة عن طريق أي قياس فيزيائي . و على هذا فلا يمكن ايجاد أي تغير في الثوابت الفيزيائية الاساسية مثل كتلة الراحة أو الشحن الكهربائية للجسيمات الأولية ، والا فان اي تغير في هذه الثوابت يطعن في صحة النسبية العامة .
النتائج الهندسية
بالرغم من الاهتمام الأساسي في الهندسة كان منصبا لفترة طويلة على القواعد في الفضاء الاقليدي فيما يعرف بالهندسة الاقليدية فقد قام عدد من علماء الرياضيات بصياغة هندسات لااقليدية مثل لوباتشوفسكي و ريمان و غاوس و غيرهم . لكن التصور الاساسي للفضاء بقي اقليديا طيلة قرون لتوافقه مع معظم النظريات الفيزيئية بخاصة ميكانيك نيوتن . لكن ظهور النسبية العامة فتح الباب للاعتقاد حول لااقليدية الزمكان(الزمان + المكان = الزمكان ) و قد أكدت الكثير من التجارب هذه الحقيقة.
الأمواج الثقالية :
يعتبر التنبؤ بالأمواج الثقالية احدى أهم النتائج والبراهين على النسبية العامة . و لتبسيط الموضوع يمكننا تشبيه القوة الثقالية بالقوة الكهربائية : حيث تقابل الكتلة Mass في الثقالة الشحنة charge في القوة الكهربائية . و أي اضطراب في هذه الشحنات يحدث في الجوار أمواجا كهرومغناطيسية تنتشر بسرعة تساوي سرعة الضوء ، بشكل مماثل يحدث اضطراب الأجسام ذات الكتل الضخمة و نشوء أمواج تنتشر في حقل الثقالة المحيط بها, لكن أمواج الثقالة خلافا للأمواج الكهرومغناطيسية هي اضطراب يطرأ على الفضاء نفسه ( نتذكر أن الثقالة في النسبية هي تعبير عن تشوه الزمكان نفسه ) وهكذا تبدو أمواج الثقالة كاضطراب زمكاني ينتشر بعيدا عن موقع الاضطراب .
ظهرت النسبية الخاصة عام 1905 م على يد ألبرت أينشتاين 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 الثقالة التي ستتناولها فيما بعد النظرية العامة.
ظهور النظرية النسبية الخاصة :
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 و قد بيّن ماكسويل في هذه النظرية أن الضوء عبارة عن أمواج كهرطيسية.
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 تموج لوسط ما أطلقوا عليه اسم الأثير, و كان على هذا الأثير أن يملأ الكون بأكمله ليؤمن توصيل ضوء النجوم البعيدة, و أن يكون سهل الاجتياز ( و إلا لكبح حركة الأرض حول الشمس ), و على 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 الميكانيك على تفسير الظواهر الكهرطيسية.
وبذلك تكون جملة المقارنة الغاليلية المرتبطة بالأثير متميزة عن باقي جمل المقارنة الغاليلية. و كان بالإمكان إذا استنتاج سرعة كل جملة مقارنة غاليلية بالنسبة إلى الأثير عن طريق القيام بتجارب انتشار الضوء و لما كان انطبق مبدأ النسبية الميكانيكي على انتشار الضوء.
في الواقع عندما تتحرك الأرض باتجاه ما بالنسبة للأثير و بسرعة v و نرسل من الأرض إشارة ضوئية بنفس الاتجاه ستكون سرعة الإشارة بالنسبة للأثير c و بالنسبة للأرض c-v . أما إذا أرسلت الإشارة بالاتجاه المعاكس فستكون سرعتها بالنسبة للأرض c+v . و لما كانت الأرض تتحرك حول الشمس بسرعة 30 كم. ثا-1 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 و التي سببها حركة الأرض بالنسبة للأثير.لكن جميع النتائج جاءت سلبية حيث انتشر الضوء في جميع الاتجاهات بالنسبة للأرض بسرعة متساوية c . و كانت هذه النتيجة هي جوهر تجربة مايكلسون و مورلي .
تم إثبات هذه النتيجة في يومنا هذا عن طريق عمل نظام التوقيت الدولي الذي يعتمد على الساعة الذرية و كذلك عن طريق التجارب التي أجريت في الفيزياء النووية و فيزياء الجزيئات الأساسية. 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 و التي دعيت بالخاصة لأنها خاصة بجمل المقارنة الغاليلية: مبدأ النسبية و مبدأ ثبات سرعة الضوء.
النظرية النسبية العامّة هي نظرية وضعها العالم الأمريكي ذو الأصول الألمانية ألبرت أينشتاين نشرها عام 1915، والنظرية النسبية العامة هي تعميم للنظرية النسبية الخاصة والتي غيرت مفهوم النسبية في قياس الكميات الفيزيائية ليصبح نظاما من أربعة أبعاد يكون الزمن البعد الرابع فيها ، وبالتالي لم يعد من الدقة بمكان الحديث عن الكميات الفيزيائية بإهمال البعد الزمني النسبي والذي تمثله السرعة.
وأضافت النظرية النسبية العامة فكرة تقعر الفراغ بوجود المادة ، وهو الأمر الذي يعني أن الخطوط المستقيمة تتشوه بوجود الكتلة ، وأثبتت النظرية النسبية العامة عندما تحقق تنبؤ أينشتاين بالتباعد الظاهري لنجمين في فترة كسوف الشمس وذلك يعود إلى تشوه مسار الضوء القادم من النجمين بسبب مرورهما قرب الشمس ذات الكتلة العالية نسبيا وبالتالي تقوس خط سير الضوء القادم من النجمين.
نظرية النسبية :
تقوم نظرية النسبية العامة بتفسير الجاذبية ( الثقالة gravity النيوتنية ) على أنها تشوه deformation في الزمان والمكان تحدثه الكتلة Mass في جوارها ، على هذا الأساس يمكننا تفسير دوران جسم حول اللأرض بأنه سير للجسم بشكل مستقيم على الخط المحيطي ( الجيوديزي ) للزمكان المحيط بالأرض ، كما يسير الانسان بشكل مستقيم على الارض على طول الخط المحيطي ( الجيوديزي ) للأرض . وعلى هذا فان وجود المادة هو ما يحدد هندسة الزمكان(الزمان + المكان = الزمكان ) المسرح الفيزيائي للحوادث .
مبدأ التكافؤ في النسبية العامة :
نميز في الفيزياء بين مراجع عطالية (جمل مرجعية عطالية inertial reference systems) و مراجع غير عطالية non-inertial ، حيث يمكن لأي جسم أن يحافظ على حركته المنتظمة في الجمل العطالية ما لم يخضع لقوة ما أو يتأثر بجسم آخر ضمن نفس الجملة ، في حين تكتسب الأجسام في الجمل غير العطالية تسارعا ناجما عن حركة الجملة نفسها و تسارعها و ليس نتيجة تأثير جسم داخلي ضمن الجملة . تتم تفسير مقاومة هذا التسارع بقوى افتراضية ندعوها قوى العطالة inertial forces في حالة الحركة المتقيمة للجمل المرجعية او قوى العطالة النابذة في حالة الحركة الدورانية rotational movement للجمل المرجعية . هذه القوى تعتبر قوى افتراضية غير فيزيائية في الميكانيك الكلاسيكي النيوتني لكن في النسبية العامة ليس هناك مجالا لمثل هذا التمييز حسب مبدأ التكافؤ (اقرأ تجربة المصعدين الفكرية في صفحة مبدأ التكافؤ ) .
وليس هناك من قوة ثقالية ضمن الاطار المرجعي في حالة السقوط الحر ( الحركة المتسارعة ) عدا القوى المدية للثقالة التي تشوه الأجسام دون التأثير على حركتها و سرعتها ( دون تسارع). و حتى محاولات الكشف عن الأموج الثقالية تعتمد على هذه القوى المدية(tidal forces) .
و قد استند اينشتاين في الواقع على حقيقة معروفة منذ غاليليو ألا وهي تماثل الكتلتين الثقالية و العطالية للأجسام ، مما يؤكد ان التسارع الحركي و الثقالة(gravity)هي مظاهر لأمر واحد . و يفترض أنه لا وجود لأي تجربة يمكن ان تميز بين حقل ثقالي-جاذبية-و تسارع منتظم . و سرعان ما وسع اينشتاين مبدأ التكافؤ في نظريته ليشمل مفهوما اضافيا هو استحالة تحديد حالة الحركة لجملة مرجعية غير متسارعة عن طريق أي قياس فيزيائي . و على هذا فلا يمكن ايجاد أي تغير في الثوابت الفيزيائية الاساسية مثل كتلة الراحة أو الشحن الكهربائية للجسيمات الأولية ، والا فان اي تغير في هذه الثوابت يطعن في صحة النسبية العامة .
النتائج الهندسية
بالرغم من الاهتمام الأساسي في الهندسة كان منصبا لفترة طويلة على القواعد في الفضاء الاقليدي فيما يعرف بالهندسة الاقليدية فقد قام عدد من علماء الرياضيات بصياغة هندسات لااقليدية مثل لوباتشوفسكي و ريمان و غاوس و غيرهم . لكن التصور الاساسي للفضاء بقي اقليديا طيلة قرون لتوافقه مع معظم النظريات الفيزيئية بخاصة ميكانيك نيوتن . لكن ظهور النسبية العامة فتح الباب للاعتقاد حول لااقليدية الزمكان(الزمان + المكان = الزمكان ) و قد أكدت الكثير من التجارب هذه الحقيقة.
الأمواج الثقالية :
يعتبر التنبؤ بالأمواج الثقالية احدى أهم النتائج والبراهين على النسبية العامة . و لتبسيط الموضوع يمكننا تشبيه القوة الثقالية بالقوة الكهربائية : حيث تقابل الكتلة Mass في الثقالة الشحنة charge في القوة الكهربائية . و أي اضطراب في هذه الشحنات يحدث في الجوار أمواجا كهرومغناطيسية تنتشر بسرعة تساوي سرعة الضوء ، بشكل مماثل يحدث اضطراب الأجسام ذات الكتل الضخمة و نشوء أمواج تنتشر في حقل الثقالة المحيط بها, لكن أمواج الثقالة خلافا للأمواج الكهرومغناطيسية هي اضطراب يطرأ على الفضاء نفسه ( نتذكر أن الثقالة في النسبية هي تعبير عن تشوه الزمكان نفسه ) وهكذا تبدو أمواج الثقالة كاضطراب زمكاني ينتشر بعيدا عن موقع الاضطراب .
ظهرت النسبية الخاصة عام 1905 م على يد ألبرت أينشتاين 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 الثقالة التي ستتناولها فيما بعد النظرية العامة.
ظهور النظرية النسبية الخاصة :
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 و قد بيّن ماكسويل في هذه النظرية أن الضوء عبارة عن أمواج كهرطيسية.
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 تموج لوسط ما أطلقوا عليه اسم الأثير, و كان على هذا الأثير أن يملأ الكون بأكمله ليؤمن توصيل ضوء النجوم البعيدة, و أن يكون سهل الاجتياز ( و إلا لكبح حركة الأرض حول الشمس ), و على 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 الميكانيك على تفسير الظواهر الكهرطيسية.
وبذلك تكون جملة المقارنة الغاليلية المرتبطة بالأثير متميزة عن باقي جمل المقارنة الغاليلية. و كان بالإمكان إذا استنتاج سرعة كل جملة مقارنة غاليلية بالنسبة إلى الأثير عن طريق القيام بتجارب انتشار الضوء و لما كان انطبق مبدأ النسبية الميكانيكي على انتشار الضوء.
في الواقع عندما تتحرك الأرض باتجاه ما بالنسبة للأثير و بسرعة v و نرسل من الأرض إشارة ضوئية بنفس الاتجاه ستكون سرعة الإشارة بالنسبة للأثير c و بالنسبة للأرض c-v . أما إذا أرسلت الإشارة بالاتجاه المعاكس فستكون سرعتها بالنسبة للأرض c+v . و لما كانت الأرض تتحرك حول الشمس بسرعة 30 كم. ثا-1 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 و التي سببها حركة الأرض بالنسبة للأثير.لكن جميع النتائج جاءت سلبية حيث انتشر الضوء في جميع الاتجاهات بالنسبة للأرض بسرعة متساوية c . و كانت هذه النتيجة هي جوهر تجربة مايكلسون و مورلي .
تم إثبات هذه النتيجة في يومنا هذا عن طريق عمل نظام التوقيت الدولي الذي يعتمد على الساعة الذرية و كذلك عن طريق التجارب التي أجريت في الفيزياء النووية و فيزياء الجزيئات الأساسية. 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 و التي دعيت بالخاصة لأنها خاصة بجمل المقارنة الغاليلية: مبدأ النسبية و مبدأ ثبات سرعة الضوء.
