تويت
النسبية الخاصة
النسبية الخاصة: هي نظرية فيزيائية مهمة للغاية قدمها ألبرت أينشتاين عام 1905. في ذلك الوقت، أحدثت ثورةً في فهمنا للمكان والزمان، وكلمة النسبية باتت معروفة جيدًا وترتبط بشدة بأينشتاين، تابع قراءة المقال سنشرح بشكل مبسط النسبية الخاصة ومواضيعها المذهلة.
ما هي النسبية الخاصة
هي في الحقيقة إحدى النظريتين اللتين عمل عليهما أينشتاين على مدى عدة سنوات. الأولى كانت في عام 1905 وهي النسبية الخاصة، والثانية في عام 1915 وكانت النسبية العامة، وإلى وقتنا هذا تعد أهم نقلة في عالم الفيزياء الحديثة.
إن الفيزياء الكلاسيكية المبنية على أعمال علماء مثل إسحاق نيوتن وغيره، تغطي جميع قواعد الحياة اليومية، ولكن أدرك أينشتاين أن تلك القوانين لم تنجح عند الأجسام الصغيرة جدًا أو الكبيرة أو التي تتحرك بسرعة كبيرة؛ لذا كانت نظرية النسبية تدور حول محاولة صياغة قوانين لا تتناسب مع قوانين نيوتن.
ما هو الإطار المرجعي
معرفة ماهو الإطار المرجعي هامةٌ جدًا لفهم النسبية الخاصة، وهو مجموعة الإحداثيات التي نستخدمها لتعيين جميع معطيات الحركة كالمسار، والسرعة، والتسارع لجسم ما داخل إطار ما. أما الإطار المرجعي العطالي هو حالة خاصة من المحاور التي تتحرك بحركة عطالية بمعنى أن الجسم لا يخضع لأيّ قوة خارجية، تتعامل النسبية الخاصة حصريًا مع الأطر المرجعية العطالية، ومن هنا جاءت تسميتها بالخاصة؛ لأنها تعالج حالة افتراضية خاصة تهمل فيها تأثيرات العطالة التي سيناقشها فيما بعد بنظرية النسبية العامة.
فرضيات النسبية الخاصة
النسبية الخاصة تعتمد على فرضيتين اثنتين:
مواضيع النسبية الخاصة
نسبية التزامن: إن مفهوم الأحداث المتزامنة من المواضيع المهمة التي نستطيع ملاحظتها، والفكرة هي مرور الوقت بالنسبة إلى الأطر المرجعية المختلقة، لذا فإن الأحداث المتزامنة لن تكون متزامنة، أي أن الحدثين المتزامنين اللذين يحدثان بشكلٍ متزامن في إطار مرجعي، يكونا غير متزامنين بالنسبة لمراقب آخر في إطار مرجعي آخر.
الصورة أدناه توضح الفكرة، لاحظ وجود مراقبين اثنين ولكل منهما إطار مرجعي مختلف، الأول يراقب من خارج القطار والثاني من الداخل، الحدثان هما نزول البرق على نقطتين A و B، يرى الأول الحدثين بشكلٍ متزامن كونه يبعد نفس المسافة من النقطتين A و B، والثاني يرى البرق في النقطة B قبل A كونه أقرب إلى B.
انكماش الأطوال: أحد المواضيع المهمة للنظرية، وهي أن طول الأجسام المتحركة يخضع للانكماش بسرعة كبيرة نسبيًّا، حيث يلاحظ المراقب الساكن (بالنسبة إلى الكائن المتحرك) أن الكائن المتحرك يصبح أقصر في الطول إذا تحرك بسرعة قريبة من الضوء.
وهذا يعني أن الجسم المتحرك قد يكون له طولٌ مقاس يبلغ المترين؛ ولكن نفس الكائن عند التحرك بسرعات كبيرة نسبيًا بالنسبة للمراقب سيكون له طول مقياس أقل من مترين، ولا ترجع هذه الظاهرة إلى الأخطاء في القياس أو الملاحظات الخاطئة، ويكون تقلص الطول مهمًا فقط عندما يتحرك الكائن بسرعات كبيرة، أي السرعات القريبة من سرعة الضوء.
يحدث هذا الانكماش النسبي فقط في بُعد (محور) حركة الكائن، أي إذا كان الكائن يتحرك أفقيًا، فإن البعد الأفقي المرئي هو الذي ينكمش؛ أما إذا كان المراقب ينظر من البعد العامودي، لن يلاحظ الانكماش.
الإبطاء الزمني: تباطؤ الزمن هو في الواقع خاصية أساسية لكوننا، والمغزى هنا أن الزمن ليس مطلقًا، المراقب الساكن يمر الوقت عنده أبطأ من الذي يتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء.
ولعل مفارقة التوأم خير مثال على الفكرة، وهي تجربة فكرية يقوم فيها أحد التوأمين بالسفر إلى الفضاء بسرعة قريبة من سرعة الضوء ويكتشف حين عودته بعد ست سنين فرضًا حسب توقيته، مرور ستون سنة على الأرض.
تكافؤ الكتلة والطاقة: تعد المعادلة الأكثر شهرة إلى يومنا هذا، وهي E = mc2، تنص على أن الطاقة تساوي جداء الكتلة بمربع سرعة الضوء، بمعنى آخر تتحول الكتلة إلى طاقة عند الاقتراب من سرعة الضوء.
يعتقد أينشتاين في نظريته النسبية الخاصة أن هناك كمية هائلة من الطاقة في الكتلة، و20 غرام تحوي كمية من الطاقة تعادل قنبلة هيدروجينية تبلغ 500 كيلو طن، وقد أدت تلك المعادلة لاحقًا إلى اكتشاف الطاقة النووية، واستُغلَت لصناعة القنبلة الذرية والتي باتت تشكل مصدر تهديد للبشرية.
النسبية الخاصة: هي نظرية فيزيائية مهمة للغاية قدمها ألبرت أينشتاين عام 1905. في ذلك الوقت، أحدثت ثورةً في فهمنا للمكان والزمان، وكلمة النسبية باتت معروفة جيدًا وترتبط بشدة بأينشتاين، تابع قراءة المقال سنشرح بشكل مبسط النسبية الخاصة ومواضيعها المذهلة.
ما هي النسبية الخاصة
هي في الحقيقة إحدى النظريتين اللتين عمل عليهما أينشتاين على مدى عدة سنوات. الأولى كانت في عام 1905 وهي النسبية الخاصة، والثانية في عام 1915 وكانت النسبية العامة، وإلى وقتنا هذا تعد أهم نقلة في عالم الفيزياء الحديثة.
إن الفيزياء الكلاسيكية المبنية على أعمال علماء مثل إسحاق نيوتن وغيره، تغطي جميع قواعد الحياة اليومية، ولكن أدرك أينشتاين أن تلك القوانين لم تنجح عند الأجسام الصغيرة جدًا أو الكبيرة أو التي تتحرك بسرعة كبيرة؛ لذا كانت نظرية النسبية تدور حول محاولة صياغة قوانين لا تتناسب مع قوانين نيوتن.
ما هو الإطار المرجعي
معرفة ماهو الإطار المرجعي هامةٌ جدًا لفهم النسبية الخاصة، وهو مجموعة الإحداثيات التي نستخدمها لتعيين جميع معطيات الحركة كالمسار، والسرعة، والتسارع لجسم ما داخل إطار ما. أما الإطار المرجعي العطالي هو حالة خاصة من المحاور التي تتحرك بحركة عطالية بمعنى أن الجسم لا يخضع لأيّ قوة خارجية، تتعامل النسبية الخاصة حصريًا مع الأطر المرجعية العطالية، ومن هنا جاءت تسميتها بالخاصة؛ لأنها تعالج حالة افتراضية خاصة تهمل فيها تأثيرات العطالة التي سيناقشها فيما بعد بنظرية النسبية العامة.
فرضيات النسبية الخاصة
النسبية الخاصة تعتمد على فرضيتين اثنتين:
- مبدأ النسبية: وتنص على أن قوانين الفيزياء هي نفسها في كل مكان، مستقلة عن حركة المراقب في جميع الجمل العطالية. على سبيل المثال، ستؤدي التجربة التي يتم إجراؤها داخل قطار يتحرك بسرعة ثابتة إلى نفس النتائج عند إجرائها في رصيف محطة القطار، القطار والرصيف هما مثالان على الأطر المرجعية المختلفة.
- ثبات سرعة الضوء: ينتشر الضوء بسرعة ثابتة خلال الفراغ بالنسبة لجميع المراقبين، أي أن سرعة الضوء مستقلة عن حركة الشخص أو الجهاز الذي يراقبها أو المنبع الذي يصدرها، كان هذا المبدأ مصدر إلهام للنظرية، حيث كانت نظرية ماكسويل للكهرباء والمغناطيسية (1862) قد تنبأت بسرعة الضوء الثابتة، ولكن كان ذلك يختلف مع الحركة النيوتونية الكلاسيكية (1687)، لذا قدم آينشتاين النسبية الخاصة لتجاوز الحركة النيوتونية بنظرية تتفق مع نظرية ماكسويل.
مواضيع النسبية الخاصة
نسبية التزامن: إن مفهوم الأحداث المتزامنة من المواضيع المهمة التي نستطيع ملاحظتها، والفكرة هي مرور الوقت بالنسبة إلى الأطر المرجعية المختلقة، لذا فإن الأحداث المتزامنة لن تكون متزامنة، أي أن الحدثين المتزامنين اللذين يحدثان بشكلٍ متزامن في إطار مرجعي، يكونا غير متزامنين بالنسبة لمراقب آخر في إطار مرجعي آخر.
الصورة أدناه توضح الفكرة، لاحظ وجود مراقبين اثنين ولكل منهما إطار مرجعي مختلف، الأول يراقب من خارج القطار والثاني من الداخل، الحدثان هما نزول البرق على نقطتين A و B، يرى الأول الحدثين بشكلٍ متزامن كونه يبعد نفس المسافة من النقطتين A و B، والثاني يرى البرق في النقطة B قبل A كونه أقرب إلى B.
انكماش الأطوال: أحد المواضيع المهمة للنظرية، وهي أن طول الأجسام المتحركة يخضع للانكماش بسرعة كبيرة نسبيًّا، حيث يلاحظ المراقب الساكن (بالنسبة إلى الكائن المتحرك) أن الكائن المتحرك يصبح أقصر في الطول إذا تحرك بسرعة قريبة من الضوء.
وهذا يعني أن الجسم المتحرك قد يكون له طولٌ مقاس يبلغ المترين؛ ولكن نفس الكائن عند التحرك بسرعات كبيرة نسبيًا بالنسبة للمراقب سيكون له طول مقياس أقل من مترين، ولا ترجع هذه الظاهرة إلى الأخطاء في القياس أو الملاحظات الخاطئة، ويكون تقلص الطول مهمًا فقط عندما يتحرك الكائن بسرعات كبيرة، أي السرعات القريبة من سرعة الضوء.
يحدث هذا الانكماش النسبي فقط في بُعد (محور) حركة الكائن، أي إذا كان الكائن يتحرك أفقيًا، فإن البعد الأفقي المرئي هو الذي ينكمش؛ أما إذا كان المراقب ينظر من البعد العامودي، لن يلاحظ الانكماش.
الإبطاء الزمني: تباطؤ الزمن هو في الواقع خاصية أساسية لكوننا، والمغزى هنا أن الزمن ليس مطلقًا، المراقب الساكن يمر الوقت عنده أبطأ من الذي يتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء.
ولعل مفارقة التوأم خير مثال على الفكرة، وهي تجربة فكرية يقوم فيها أحد التوأمين بالسفر إلى الفضاء بسرعة قريبة من سرعة الضوء ويكتشف حين عودته بعد ست سنين فرضًا حسب توقيته، مرور ستون سنة على الأرض.
تكافؤ الكتلة والطاقة: تعد المعادلة الأكثر شهرة إلى يومنا هذا، وهي E = mc2، تنص على أن الطاقة تساوي جداء الكتلة بمربع سرعة الضوء، بمعنى آخر تتحول الكتلة إلى طاقة عند الاقتراب من سرعة الضوء.
يعتقد أينشتاين في نظريته النسبية الخاصة أن هناك كمية هائلة من الطاقة في الكتلة، و20 غرام تحوي كمية من الطاقة تعادل قنبلة هيدروجينية تبلغ 500 كيلو طن، وقد أدت تلك المعادلة لاحقًا إلى اكتشاف الطاقة النووية، واستُغلَت لصناعة القنبلة الذرية والتي باتت تشكل مصدر تهديد للبشرية.