نص النظرية النسبية الخاصة | فروض النظرية النسبية الخاصة

إن آينشتين استخدم عقله وتفكيره بشكل شمولي للكون وامعن التفكير والتأمل ليبني الفرضيات ويجري التحليلات الرياضية بشكل مجرد ويظهرها للعلماء لتطبيقها وهكذا هو الحال بالنسبة للنظرية النسبية حيث وضع آينشتين فرضيتين لتكون اساساً للنظرية النسبية وطلب من الكل باعتبارها من المسلمات أو البديهيات وهذا ما جعل العلماء رفض الاقتناع بصحة تلك النظرية ولكن هذه النظرية اوجدت تفسيرات وقوانين للعديد من الظواهر الكونية وفي كل مرة عقدت تجربة لابطال صحة النظرية النسبية كانت النتائج تؤكد صحتها وتعطي دليلا جديدا على دقتها وشموليتها..

مثال: اذا كنت في سفينة فضائية تسير بسرعة 10 ألاف كيلومتر في الساعة بالنسبة للأرض ولاحظت ان سفينة أخرى تقترب منك وتجاوزت سفينتك فإن اجهزة الرصد لديك سوف تقدر سرعة السفينة التي مرت بقربك على انها 2000 كيلو متر في الساعة وبما أن سرعتك بالنسبة للأرض معروفة (10 ألاف كيلومتر في الساعة) فإن سرعة السفينة الفضائية الاخرى بالنسبة للأرض ستكون 12 الف كيلو متر في الساعة.

لاحظ هنا اننا ارجعنا قياساتنا للسرعات بالنسبة للأرض فما بالك لو أننا اصبحنا لا نرى الارض في هذا الكون الفسيح وان السرعة التى انطلقنا بها تغيرت فكل ما نستطيع قوله هو أن سرعة السفينة الأخرى هو 2000 كيلو متر في الساعة.  ولكن هذا الرقم يعبر عن احتمالات عديدة كأن تكون أنت واقف والسفينة مرت عنك بسرعة 2000 كيلو متر في الساعة أو أن تكون أنت متحرك بسرعة 1000 كيلو متر في الساعة وهي بسرعة 3000 كيلو متر في الساعة أو أن تكون تلك السفينة واقفة وانت متحرك في اتجاه الارض بسرعة 2000 كيلو متر في الساعة وهكذا . وهذا يعني أنك بحاجة إلى شيء ثابت ليرشدك على من هو المتحرك وكم هي سرعتك واتجاهك ولهذا اسند العلماء كل ذلك إلى الاثير ليهربوا من حقيقة النسبية.. ولكن آينشتين لم يهرب من الاعتراف بأن الأثير وهم واقر بأن كل حركة نسبية.

ماذا عن السرعة على الأرض؟ اذكر هنا ما قاله العالم نيوتن بأننا لا نعرف سفينة تتحرك في البحر أم واقفة بأي اختبار نجريه داخل السفينة ويجب علينا أن نلجأ لاختبارات تصلنا بخارج السفينة. كأن نراقب من على سطحها حركة الماء أو حركة الجبال لنحدد ما إذا كانت متحركة أم ثابتة أو هل هي تقترب من الشاطئ أم تبتعد عنه.

سنأتي إلى علاقة هذا بتجربة مايكلسون مورلي ولكن بعد استعراض ما تعنيه الفرضية الثانية.

لم يكن من الصعب فهم المقصود بالفرضية الأولى للنظرية النسبية بالرغم من صعوبة قبول هذه الفرضية من قبل العلماء في ذلك الوقت لأن العديد من الظواهر التي قابلت العلماء فسرت على اساس وجود الأثير ونسب كل شيء إليه، ولهذا كان من الصعب الاعتراف بفشل فرضية الأثير وهدم كل استنتاجاتهم، فحاول الكثير من العلماء اثبات خطأ النظرية النسبية.  أما الفرضية الثانية والمتعلقة بثبات سرعة الضوء ثابتة في الفراغ مهما تغير مكان المشاهد او الراصد لسرعة الضوء.

لنفترض مركبتين فضائيتين بداخل كل منهما راصد، إحدى المركبتين ساكنة والأخرى تتحرك غير متسارعة بسرعة (V) مقتربة من نجم نفترضه ثابتاً، ويقوم الراصدان بنفس التجربة، حيث يضيء الراصد داخل المركبة الساكنة مصباحاً في مقدمة مركبته، فسيرى عندها أن ضوء النجم وضوء المصباح يتجاوزانه بنفس السرعة (C)، ويقوم راصد المركبة المتحركة بنفس التجربة فنظن للوهلة الأولى أنه سيرى ضوء النجم وهو المقترب منه بسرعة (V) سيتجاوزه بسرعة (C+V) أما ضوء المصباح فسيبتعد عنه بسرعة (C-V)، لكن هذا الراصد يقوم بتجربة داخلية فوفقاً لمبدأ النسبية الأول سيحصل على نفس نتيجة الراصد الأول، لأن الراصد المتحرك إذا حسب متوسط الفرق بين سرعتي ضوء النجم وضوء مصباحه سيستنتج مقدار سرعة مركبته وهو داخلها (C+V-(C-V))/2=V ، وهذا غير مسموح (لنتذكر أننا لا نشعر أبداً بالحركة المنتظمة للطائرة أثناء وجودنا داخلها)، نؤكد هنا أن الحركة نسبية أي أن هذا الراصد سيرى نفسه ساكن والراصد الأول هو من يبتعد عنه بسرعة (V) نحو الخلف، إذن كلا الراصدين سيجدان للضوء سرعة واحدة ثابتة.

تتبدى بديهية آينشتاين في محطة أخرى بنظريته، فعند معالجته لزمن نيوتن المطلق احتاج إلى عدة ميقاتيات متعلقة بجملة إحداثيات، ويجب على هذه الميقاتيات أن تكون متزامنة مع بعضها، فبيّن آينشتاين طريقته لضبطها.. افترض لدينا ساعة مرجعية O تنطلق منها ومضة ضوء تمام الساعة 12 وتصل هذه الومضة إلى الساعة P (المراد ضبطها) عندما كانت هذه الأخيرة تشير إلى 12 وأربعة أجزاء من الثانية (بفرض ميقاتياتنا تقيس فواصل من هذه المرتبة) وعادت هذه الومضة إلى O عندما كانت O تشير إلى 12 وستة أجزاء من الثانية، لكن الضوء سيقطع المسافة جيئة وذهاباً بنفس الزمن، أي أنه يستغرق 3 أجزاء في كل مرحلة، فنعلم عندها أن P تتقدم على الساعة المرجع O بجزء واحد من الثانية، وهكذا نستطيع ضبطها.

لنعود الآن إلى راصدينا في مركبتيهما وقد تزود كل منهما بساعتين الأولى في مقدمة المركبة والأخرى في المؤخرة، كل راصد سيقوم بتجربة مزامنة ساعتيه داخل مركبته فسيجزم أنهما متزامنتين (طبعاً.. تجربة داخلية)، لكن ماذا لو راقب أحدهما عملية المزامنة لدى الآخر؟. فالراصد الأول يرى المركبة الثانية تتحرك نحو الأمام بسرعة (V) لذا يرى ومضة الضوء المنطلقة من مؤخرة المركبة تقطع في سيرها نحو ميقاتية المقدمة مسافة أكبر من المسافة التي تقطعها في طريق العودة، لذا لن تكون ميقاتيتي المركبة الثانية متزامنة بالنسبة لراصد المركبة الأول، ونفس الادعاء سيدعيه راصد المركبة الثانية، والذي يرى المركبة الأولى تبتعد عنه بسرعة (V) باتجاه معاكس، لذا هو سيرى ومضة الضوء المنطلقة من مؤخرة المركبة الأولى تقطع في طريقها نحو ميقاتية المقدمة مسافة أصغر من المسافة التي ستقطعها في طريق عودتها!! إذن لن يتفق الراصدان على لحظة اسمها الآن على نطاق كوني شامل كما في زمن نيوتن المطلق (سنـتبين هذه الفكرة أيضاً عندما نتحدث عن بنية الفضاء في النسبية)، فمثلاً عندما يتحرك الراصدان بالنسبة لبعضهما بسرعة أربعة أخماس سرعة الضوء (V/C = 4/5) عندئذ ستسير ساعة الراصد المتحرك بنسبة (1 - 42/52)1/2=3/5 من ساعة الراصد الساكن، أي في حين تسجل ميقاتية الراصد الساكن خمس ثواني (مثلاً) تسجل ميقاتية الراصد المتحرك ثلاث ثواني فقط! (نتذكر هنا أن كل راصد سيرى ساعة الآخر تتباطئ بالنسبة له لأن الحركة نسبية)، أي أن كل راصد سيجد أن زمن الآخر أقصر مما لديه بمقدار المعامل:

حتى أن الميقاتية أو بتعبير أدق تدفق الزمن سيتوقف تماماً عندما تبلغ المركبة في حركتها النسبية سرعة الضوء!! لكن نحن نعلم أن السرعة=المسافة/الزمن وناتج هذا الكسر واحد لدى الراصدين لأنهما متفقين على قيمة واحدة لسرعة الضوء، فبما أن كل راصد سيرى زمن الآخر قد قصر بمقدار المعامل النسبي لا بد أنه سيرى المسافة المقطوعة لدى الآخر قد قصرت بنفس المقدار الذي هو معامل جيرالد-لورنتز، أي أن التأثير متبادل وسيجد كل راصد أطوال الآخر تتقلص، فسيتقلص طول الجسم إلى النصف عندما يتحرك بسرعة 90% من سرعة الضوء، حتى أن طوله ينعدم عندما يبلغ سرعة الضوء! ولكن التقلص لن يحدث إلا باتجاه الحركة، ولا يحدث أي تقلص في منحى عمودي على منحى الحركة، في حين تحدث جيرالد ولورنتز قبل النسبية عن التقلص بأنه ينشأ عن الحركة عبر الأثير.