في بداية القرن العشرين تمت صياغتهنظرية النسبية. اليوم ، يعرف كل تلميذ ما هو ومن هو خالقه. إنه لأمر مدهش للغاية أنه حتى الأشخاص البعيدين عن العلم مهتمون به. تصف هذه المقالة نظرية النسبية في لغة يسهل الوصول إليها: ما هي ، وما هي افتراضاتها وتطبيقها.
يقولون أن ألبرت أينشتاين ، خالقها ،جاء التنوير في لحظة. يبدو أن العالم كان يركب الترام على طول برن السويسري. نظر إلى ساعة الشارع وأدرك فجأة أن هذه الساعة ستتوقف إذا تسارع الترام إلى سرعة الضوء. في هذه الحالة ، لن يكون هناك وقت. يلعب الوقت في نظرية النسبية دورًا مهمًا للغاية. إحدى الافتراضات التي صاغها آينشتاين هي أن المراقبين المختلفين يدركون الحقيقة بطرق مختلفة. هذا ينطبق بشكل خاص على الوقت والمسافة.
في ذلك اليوم ، أدرك ألبرت أنه بلغةالعلم ، وصف أي ظاهرة أو حدث مادي يعتمد على الإطار المرجعي الذي يوجد فيه المراقب. على سبيل المثال ، إذا أسقط راكب ترام نظارته ، فسوف يسقط عموديًا فيما يتعلق بها. إذا نظرت من موقع موقف المشاة في الشارع ، فإن مسار سقوطه سيتوافق مع القطع المكافئ ، حيث يتحرك الترام ونقاط تسقط في نفس الوقت. وبالتالي ، لكل منها نظامها المرجعي الخاص بها. نقترح النظر بمزيد من التفصيل في الافتراضات الرئيسية لنظرية النسبية.
على الرغم من حقيقة أنه عند تغيير النظم المرجعيةأوصاف الأحداث تتغير ، هناك أشياء عالمية لم تتغير. من أجل فهم ذلك ، يجب ألا يسأل المرء ليس سقوط النظارات ، بل قانون الطبيعة الذي يسبب هذا السقوط. بالنسبة لأي مراقب ، بغض النظر عما إذا كان في نظام إحداثيات متحرك أو ثابت ، يبقى الجواب عليه دون تغيير. يسمى هذا القانون قانون الحركة الموزعة. إنه يعمل على قدم المساواة في الترام وفي الشارع. وبعبارة أخرى ، إذا كان وصف الأحداث يعتمد دائمًا على من يراقبها ، فإن هذا لا ينطبق على قوانين الطبيعة. هم ، كما يتم التعبير عنها عادة في لغة علمية ، ثابتة. هذا هو مبدأ النسبية.
هذا المبدأ ، مثل أي فرضية أخرى ،كان من الضروري التحقق أولاً ، وربطه بالظواهر الطبيعية التي تعمل في واقعنا. استنتج أينشتاين نظريتين من مبدأ النسبية. على الرغم من أنها مرتبطة ، إلا أنها تعتبر منفصلة.
النسبية الخاصة أو الخاصة(STO) مبني على موقف أنه بالنسبة لجميع أنواع الأنظمة المرجعية ، وسرعتها ثابتة ، تظل قوانين الطبيعة كما هي. تمتد نظرية النسبية العامة (GTR) هذا المبدأ إلى أي إطار مرجعي ، بما في ذلك تلك التي تتحرك مع التسارع. في عام 1905 ، نشر أ. أينشتاين النظرية الأولى. الثاني ، أكثر تعقيدًا من حيث الجهاز الرياضي ، اكتمل بحلول عام 1916. أصبح إنشاء نظرية النسبية ، على حد سواء STR و GR ، مرحلة مهمة في تطوير الفيزياء. دعونا نتحدث عن كل واحد منهم.
ما هو ، ما هو جوهره؟دعنا نجيب على هذا السؤال. هذه النظرية هي التي تتوقع العديد من الآثار المتناقضة التي تتعارض مع أفكارنا البديهية حول كيفية عمل العالم. نحن نتحدث عن تلك التأثيرات التي تتم ملاحظتها عندما تقترب سرعة الحركة من سرعة الضوء. أشهرها تأثير تمدد الوقت (تقدم الساعة). فالساعة التي تتحرك بالنسبة للمراقب تكون أبطأ بالنسبة له من تلك التي في يديه.
في نظام الإحداثيات عند التحرك بسرعة ،على مقربة من سرعة الضوء ، يمتد الوقت بالنسبة للمراقب ، وطول الأجسام (المدى المكاني) ، على العكس ، يتم ضغطه على طول محور اتجاه هذه الحركة. يسمي العلماء هذا التأثير الحد من Lorentz-Fitzgerald. في وقت مبكر من عام 1889 ، وصفه الفيزيائي الإيطالي جورج فيتزجيرالد. وفي عام 1892 ، استكملها هندريك لورينز ، الهولندي. يفسر هذا التأثير النتيجة السلبية التي أعطتها تجربة Michelson-Morley ، والتي يتم فيها تحديد سرعة كوكبنا في الفضاء الخارجي عن طريق قياس "الرياح الأثير". هذه هي المسلمات الرئيسية لنظرية النسبية (خاص). استكمل أينشتاين هذه المعادلات بصيغة تحول الكتلة التي قدمها 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 موجود في إطار مرجعي يستريح ، ستتضاعف كتلة الجسم.
كل هذه الأحكام بغض النظر عن كيفية تناقضهاالحس السليم ، من وقت آينشتاين يجد تأكيدًا مباشرًا وكاملاً في العديد من التجارب. تم إجراء واحد منهم من قبل العلماء في جامعة ميشيغان. تؤكد هذه التجربة الغريبة نظرية النسبية في الفيزياء. وضع الباحثون على متن طائرة ، تقوم برحلات منتظمة عبر المحيط الأطلسي ، وساعات ذرية فائقة الدقة. في كل مرة بعد عودته إلى المطار ، يتم فحص قراءات هذه الساعات مع التحكم. اتضح أن الساعة على متن الطائرة في كل مرة تخلفت أكثر وأكثر عن السيطرة. بالطبع ، كنا نتحدث فقط عن أرقام تافهة ، أجزاء من الثانية ، لكن الحقيقة نفسها إرشادية للغاية.
في نصف القرن الماضي ، كان الباحثون يدرسونالجسيمات الأولية على المسرعات - مجمعات الأجهزة الضخمة. يتم فيها تسريع حزم الإلكترونات أو البروتونات ، أي الجسيمات دون الذرية المشحونة ، حتى تقترب سرعتها من سرعة الضوء. بعد ذلك ، يستهدفون الأهداف النووية. في هذه التجارب ، من الضروري مراعاة حقيقة أن كتلة الجسيمات تزداد ، وإلا لا يمكن تفسير النتائج التجريبية. في هذا الصدد ، لم تكن SRT منذ فترة طويلة مجرد نظرية افتراضية. أصبحت واحدة من الأدوات المستخدمة في الهندسة التطبيقية ، إلى جانب قوانين الميكانيكا النيوتونية. لقد وجدت مبادئ نظرية النسبية تطبيقًا عمليًا كبيرًا اليوم.
بالمناسبة ، يتحدث عن قوانين نيوتن (صورة لهذامن العالم المعروض أعلاه) ، يجب أن يقال أن النظرية النسبية الخاصة ، والتي ، على ما يبدو ، تناقضها ، تعيد إنتاج معادلات قوانين نيوتن تقريبًا تمامًا إذا تم استخدامها لوصف الأجسام التي تكون سرعتها أقل بكثير من سرعة الضوء. بعبارة أخرى ، إذا تم تطبيق النظرية النسبية الخاصة ، فلن يتم إلغاء فيزياء نيوتن على الإطلاق. هذه النظرية ، على النقيض من ذلك ، تكملها وتوسعها.
باستخدام مبدأ النسبية ، يمكننا أن نفهملماذا في هذا النموذج من هيكل العالم ، فإن سرعة الضوء هي التي تلعب دورًا مهمًا جدًا ، وليس شيئًا آخر. يطرح هذا السؤال من قبل أولئك الذين بدأوا للتو في التعرف على الفيزياء. تعد سرعة الضوء ثابتًا عالميًا نظرًا لأنه تم تعريفه على هذا النحو من خلال قانون العلوم الطبيعية (يمكنك معرفة المزيد عن ذلك من خلال دراسة معادلات ماكسويل). سرعة الضوء في الفراغ ، بحكم مبدأ النسبية ، هي نفسها في أي إطار مرجعي. قد تعتقد أن هذا يتعارض مع المنطق السليم. اتضح أن الضوء يصل في الوقت نفسه إلى المراقب من مصدر ثابت ومن مصدر متحرك (بغض النظر عن السرعة التي يتحرك بها). ومع ذلك ، هذا ليس كذلك. يتم إعطاء سرعة الضوء ، بسبب دورها الخاص ، مكانًا مركزيًا ليس فقط في النسبية الخاصة ، ولكن أيضًا في النسبية العامة. سنخبر عنها أيضًا.
يتم استخدامه ، كما قلنا ، للجميعالأنظمة المرجعية ، وليس بالضرورة تلك التي تكون سرعتها بالنسبة لبعضها البعض ثابتة. من الناحية الرياضية ، تبدو هذه النظرية أكثر تعقيدًا من نظرية خاصة. هذا يفسر حقيقة أن 11 سنة مرت بين منشوراتهم. يتضمن GR خاص كحالة خاصة. وبالتالي ، فإن قوانين نيوتن تدخل أيضًا في ذلك. ومع ذلك ، فإن GRT يذهب أبعد بكثير من سابقاته. على سبيل المثال ، يشرح الجاذبية بطريقة جديدة.
بفضل GR ، يصبح العالم رباعي الأبعاد:يضاف الوقت إلى ثلاثة أبعاد مكانية. كلهم لا ينفصمون ، لذلك لا نحتاج إلى الحديث عن المسافة المكانية الموجودة في العالم ثلاثي الأبعاد بين جسمين. نحن نتحدث الآن عن فترات الزمكان بين الأحداث المختلفة ، والجمع بين البعد المكاني والزمني لكل منهما. وبعبارة أخرى ، يعتبر الزمان والمكان في نظرية النسبية بمثابة سلسلة متصلة رباعية الأبعاد. يمكن تعريفه على أنه الزمكان. في هذه السلسلة ، سيكون لدى هؤلاء المراقبين الذين يتحركون بالنسبة لبعضهم البعض آراء مختلفة ، حتى حول ما إذا كان حدثان قد حدثا في وقت واحد ، أو ما إذا كان أحدهما يسبق الآخر. ومع ذلك ، لا تنتهك علاقات السبب والنتيجة. وبعبارة أخرى ، فإن وجود مثل هذا النظام الإحداثي ، حيث يحدث حدثان في تسلسل مختلف وليس في وقت واحد ، لا يسمح حتى بالنسبية العامة.
وفقا لقانون الجاذبية المكتشفةنيوتن ، قوة الجذب المتبادل موجودة في الكون بين أي جسمين. تدور الأرض من هذا الموقع حول الشمس ، نظرًا لوجود قوى جذب متبادل بينهما. ومع ذلك ، فإن GR تجعلنا ننظر إلى هذه الظاهرة من الجانب الآخر. الجاذبية ، وفقًا لهذه النظرية ، هي نتيجة "انحناء" (تشوه) الزمكان ، الذي يتم ملاحظته تحت تأثير الكتلة. كلما كان الجسم أثقل (في مثالنا ، الشمس) ، كلما زاد "الانحناء" الزمكان تحته. وبالتالي ، فإن مجال الجاذبية هو الأقوى.
من أجل فهم جوهر النظرية بشكل أفضلالنسبية ، ننتقل إلى المقارنة. تدور الأرض ، وفقًا لـ GTR ، حول الشمس ، مثل كرة صغيرة تدور حول مخروط قمع تم إنشاؤه نتيجة "دفع" الزمكان بواسطة الشمس. وما كنا نعتبره الجاذبية هو في الواقع مظهر خارجي لهذا الانحناء ، وليس قوة ، في فهم نيوتن. حتى الآن ، لم يتم العثور على تفسير أفضل لظاهرة الجاذبية من تلك المقترحة في GRT.
لاحظ أن GRT ليس من السهل التحقق منه ، لأنهتتوافق نتائج المختبر تقريبًا مع قانون الجاذبية. ومع ذلك ، لا يزال العلماء يجرون عددًا من التجارب المهمة. تسمح لنا نتائجهم باستنتاج أن نظرية أينشتاين مؤكدة. بالإضافة إلى ذلك ، يساعد GR على شرح الظواهر المختلفة التي لوحظت في الفضاء. هذه ، على سبيل المثال ، انحرافات صغيرة من الزئبق من مداره الثابت. من وجهة نظر الميكانيكا الكلاسيكية النيوتونية ، لا يمكن تفسيرها. هذا هو السبب أيضًا في انثناء الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبثق من النجوم البعيدة عندما يمر بالقرب من الشمس.
النتائج المتوقعة GR هي في الواقعتختلف بشكل كبير عن تلك التي تعطي قوانين نيوتن (يتم عرض صورته أعلاه) ، فقط عندما تكون حقول الجاذبية فائقة القوة موجودة. وبالتالي ، من أجل التحقق الكامل من النسبية العامة ، يلزم إجراء قياسات دقيقة جدًا لأجسام الكتلة الضخمة أو الثقوب السوداء ، لأن أفكارنا المعتادة لا تنطبق عليها. لذلك ، يعد تطوير الأساليب التجريبية لاختبار هذه النظرية إحدى المهام الرئيسية للفيزياء التجريبية الحديثة.
عقول كثير من العلماء والناس بعيدون عن العلمتحتل نظرية النسبية التي أنشأها آينشتاين. أخبرنا بإيجاز ما هذا. تحول هذه النظرية أفكارنا المعتادة حول العالم ، لذا فإن الاهتمام بها لا يزال يتلاشى.
