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 الثنطقة التي ستتناولها فيما بعد النظرية العامة.

أينشتاين والنظرية النسبية الخاصة

في عام 1895، بدأ آينشتاين التفكير في سلوك الضوء وكان عمره آنذاكستة أعوامٍ فقط. لقد قام بتجربةٍ فكريَّة، كما نطقت الموسوعة البريطانيَّة، حيث تخيَّل نفسه راكبًا على موجةٍ ضوئيَّةٍ وبدأ يستكشف موجةً ضوئيَّةً أُخرى متوازية معه.

وتقول الفيزياء الكلاسيكية أنَّ الموجة الضوئيَّة التي كان أينشتاين يتطلع إليها سيكون لها سرعةً نسبيَّةً صفرًا (لها نفس الاتجاه ونفس السرعة)؛ لكن هذا يتناقض مع معادلات ماكسويل التي أظهرت أنَّ الضوء يمتلك دائمًا نفس السرعة: 186,000 ميل في الثانية. وهناك معضلة أُخرى تتعلَّق بالسرعة النسبيَّة وهي أنَّها ستوضِّح أنَّ قوانين الكهرومغناطيسيَّة تتغيَّر تبعًا لنقطةِ المراقبة الخاصة بك، والتي تتناقض مع الفيزياء الكلاسيكيَّة أيضًا (التي تقول أنَّ قوانين الفيزياء كانت هي ذاتها بالنسبة للجميع).

أدّى هذا في نهاية المطاف إلى تأمُّلات آينشتاين على نظرية النسبيَّة الخاصة، والتي يُوضحها المثال الحياتي البسيط التالي: تخيّل آينشتاين شخصًا يقف بجانب قطارٍ متحرِّكٍ (على رصيف محطة القطار)، ويقارن المُشاهدات مع إنسان داخل القطار. وتخيّل أنّ القطار عند نقطةٍ مُعيَّنةٍ في مساره، يبعد نفس المسافة بين شجرتين، وإذا ضرَبَت صاعقةٌ من البرق كلتا الشجرتين في نفس الوقت، وبسبب حركة القطار؛ فإنَّ الشخص الموجود في القطار سيشاهد الصاعقة تضرب شجرةً قبل الشجرةِ الأُخرى، لكنَّ الشخص الواقف على رصيف محطة القطار سيشاهد الضربتين حدثتا في نفس الوقت.

استنتج أينشتاين حتى َّ الآنية أوالتزامن (simultaneity) بين حدثين هوأمرٌ نسبي -أي يختلف من شخصٍ لآخر-، وأنَّ ما يراه شخصٌ أنَّ حدثين معيَّنين آنيين قد لا يراه كذلك شخصٌ آخر. وقاده ذلك إلى فكرةٍ حدسيةٍ والتي تقول: أنَّ الزمن يتدفق بشكلٍ مختلفٍ وفقًا لحالة الحركة، وإلى الاستنتاج بأنَّ المسافة نسبيَّةٌ أيضًا.

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:

'"`UNIQ--postMath-00000001-QINU`"'

كان من الواضح أنه لا يأخذ بعين الاعتبار أية فكرة عن جسيمات مرافقة لهذه الأمواج وقد بيّن ماكسويل في هذه النظرية حتى الضوء تعبير عن أمواج كهرطيسية.

جميع الظواهر الموجية المعروفة آنذاك كانت تعبير عن تموج لوسط معين ( الأمواج على سطح الماء, الأمواج الصوتية...). لذلك افترض الفيزيائيون حتى الضوء يجب حتىقد يكون تموج لوسط ما أطلقوا عليه اسم الأثير, وكان على هذا الأثير حتى يملأ الكون بأكمله ليؤمن توصيل ضوء النجوم البعيدة, وحتىقد يكون سهل الاجتياز ( وإلا لكبح حركة الأرض حول الشمس ), وعلى الضوء حتى ينتشر به بسرعة c .

حاول الكثير من الفيزيائيين ومن ضمنهم ماكسويل وضع نموذج ميكانيكي للأثير لكن النجاح لم يحالفهم في ذلك ومع الوقت ساد الاعتقاد بعدم قدرة الميكانيك على تفسير الظواهر الكهرطيسية.

وبذلك تكون جملة المقارنة الغاليلية المرتبطة بالأثير متميزة عن باقي جمل المقارنة الغاليلية. وكان بالإمكان إذا استنتاج سرعة جميع جملة مقارنة غاليلية بالنسبة إلى الأثير عن طريق القيام بتجارب انتشار الضوء ولما كان انطبق مبدأ النسبية الميكانيكي على انتشار الضوء.

في الواقع عندما تتحرك الأرض باتجاه ما بالنسبة للأثير وبسرعة v ونرسل من الأرض إشارة ضوئية بنفس الاتجاه ستكون سرعة الإشارة بالنسبة للأثير c وبالنسبة للأرض c-v . أما إذا أوفدت الإشارة بالاتجاه المعاكس فستكون سرعتها بالنسبة للأرض c+v . ولما كانت الأرض تتحرك حول الشمس بسرعة 30 كم. ثا-1 على مسار دائري تقريبا تسقط الفيزيائيون بأن الأرض تتحرك بسرعة مماثلة تقريبا بالنسبة للأثير.

في نهاية القرن 19 أجريت تجارب عديدة لقياس التغيرات في سرعة الضوء بالنسبة للأرض والتي سببها حركة الأرض بالنسبة للأثير.لكن جميع النتائج اتىت سلبية حيث انتشر الضوء في جميع الاتجاهات بالنسبة للأرض بسرعة متساوية c . وكانت هذه النتيجة هي جوهر تجربة مايكلسون ومورلي .

تم إثبات هذه النتيجة في يومنا هذا عن طريق عمل نظام التوقيت الدولي الذي يعتمد على الساعة الذرية وكذلك عن طريق التجارب التي أجريت في الفيزياء النووية وفيزياء 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 والتي دعيت بالخاصة لأنها خاصة بجمل المقارنة الغاليلية: مبدأ النسبية و مبدأ ثبات سرعة الضوء.

فرضيات النسبية الخاصة

• مبدأ النسبية Relativity Principle: لا توجد خصوصية أواختلافات في القوانبن الطبيعية بين مختلف الجمل العطالية . فكل ملاحظ في أي جملة عطالية يجب حتىقد يكون على توافق مع مراقب في جملة عطالية أخرى بشأن توصيف الواقع الفيزيائي . (تأخذ قوانين الفيزياء التعبير الرياضي نفسه في جميع جمل المقارنة الخارجية الغاليليةأي جميع جمل المقارنة الغاليلية متساوية فيزيائيا.) لا توجد جملة مقارنة مطلقة لذا لا يمكن عن طريق أية تجربة فيزيائية ( ميكانيكية, بصرية...) تجرى ضمن جملة المقارنة تحديد إذا ما كانت هذه الجملة ساكنة بالنسبة لجملة أخرى أوتتحرك بحركة مستقيمة منتظمة . حيث تم توسيع هذا المبدأ ليضم جميع الأحداث الفيزيائية.

• ثبات سرعة الضوء : سرعة الضوء بالنسبة لجميع المراقبين العطاليين inertial observers واحدة ( س ) وفي جميع الاتجاهات ولا تعتمد على سرعة الجسم المصدر للضوء . إذا سرعة انتشار الضوء في الفراغ هي السرعة الحدية العظمى ولها القيمة نفسها في جميع جمل المقارنة الغاليلية. بغض النظر عن سرعة المنبع وجهة انتشار الضوء وحركة جميع من المنبع والمراقب.

عند جمع هذين الفرضين يمكننا الاستنتاح حتى الضوء لا يحتاج إلى وسط ( أثير ) ينتقل فيه كما تنص نظرية نيوتن ، فهولا يرتبط بجملة مرجعية (نظام مرجعي) refrence system .

وبما حتى هذه النظرية تهمل تأثيرات الجاذبية فيجب ان ننتبه إلى تطبيقها فقط عندما تكون التاثيرات الثنطقية مهملة وضئيلة والا حصلنا على نتائج خاطئة .

نتائج النظرية

• الفاصل الزمني بين حدثين متغير من مراقب إلى آخر لكنه يعتمد على السرع النسبية للجمل المرجعية للمراقبين.
• نسبية التزامن : يمكن لحدثين متزامنين ، يحدثان في نفس الوقت في مكانين منفصلين ضمن جملة مرجعية ، حتىقد يكونا غير متزامنين متعاقبين بالنسبة لمراقب في جملة مرجعية أخرى.
• نسبية القياس : يمكن لعملية القياس التي يجريها مراقبين في جملتين مرجعيتين reference system مختلفتين حتى تعطي نتائج وقياسات مختلفة لنفس الشئ المقاس.
• نسبية الزمن ومفارقة التوأمين twins paradox : اذا سافر أحد توأمين في مركبة فضائية بسرعة تقارب سرعة الضوء ، فسيكتشف بعد عودته للأرض بعد خمس سنوات على ساعته ، مرور خمسين عاما على توقيت الارض وسيجد حتى أخاه قد كبر خمسين عاما في حين لم يزد عمره هوسوى خمس سنين ... مما يعني حتى الزمن يتباطأ بتزايد سرعة الجملة المرجعية التي يتم القياس بها.

رفضت النسبية فكرة المرجع المطلق absolute reference التي تتوافق مع فكرة مكان متجانس مملوء بمادة تدعي الأثير ينتقل عبرها موجات الضوء ، لقد نسفت النسبية هذه الفكرة من جذورها استنادا إلى تجربة ميكلسون ومورلي التي بينت ثبات سرعة الضوء وقامت باستبدالها بمبدأ النسبية الذي ينص على ثبات قوانين الفيزياء ( وليس الفضاء ) بالنسبة لكافة الجمل ذات السرع الثابتة ( الجمل العطالية inertial systems) . يمكن ببساطة التحويل بين الجمل المرجعية المتحركة بالنسبة لبعضها عن طريق مجموعة قوانين تدعى : تحويلات لورينتز .

وكما قامت النسبية بتوحيد الزمان مع المكان في فضاء واحد رباعي الأبعاد ، قامت بتبيان العلاقة بين الكتلة Mass, والعزم Momentum, والطاقة Energy على انها تظاهرات لشئ واحد وفتحت الباب نحوتحويل هذه الظواهر إلى بعضها البعض وعوضا عن الحديث عن انحفاظ المادة Matter أوالطاقة أوالعزم يمكننا الحديث عن انحفاظ مجموع هذه القيم ضمن الجمل المعزولة ..

ثورية النسبية

لقد كان لإعلان النظرية النسبية أثر عميق في تفكير الإنسان بشكل عام فقد اتى على مرحلتين فكريتين ضخمتين واحدة تقود إلى الأخرى فكانت النسبية الخاصة عام 1905 والنسبية العامة عام 1915 وقد أدت هذه النظرية النسبويه إلى دمج ثلاث أبعاد مكانيه spatial dimensions مع بعد زمني time dimension في فضاء رباعي الأبعاد ومتعدد الجوانب فأحدث ذلك تغيرا عظيما في الفلسفة ناهيك عن التغيرات الفيزيائية .

كلنا يفهم تجربة ميكلسون ومورلي التي أحدثت اضطرابا كبير في الفيزياء فلكي نستطيع حتى نفهم النسبية نحتاج إلى فهم وجهة الخلاف في هذه التجربة . ولم يطور أينشتاين نظرية كي يبحث عن تفسير لهذه التجربة لأنه لم يكن يفهم بها وكان منغمسا في نظرية ماكسويل الكهرومغناطيسيه وكي نفهم طبيعة هذه النظرية دعونا نراقب قطارا مثلا أونقذ بعض الأمور أونتحرك ثم نحاول من مراقبتنا للأشياء تحديد حركتنا أننا مهما تأنينا في مراقبتها فلن نكتشف أننا على سطح كوكب متحرك أوساكن لان سلوكنا لا يشير على أي شي ولا يختلف الأمر إذا كنا في مركبة أوقطار أوطائره تتحرك بسرعة ثابتة إذ لن نتمكن من اكتشاف حركتنا المنتظمة (بسرعة ثابتة وفي خط مستقيم) والسبب هواستقلال قوانين نيوتن في الحركة عن حركة المراقب المنتظمة أي لا يمكن حتى تتغير هذه القوانين عندما ينتقل المراقب من مرجع إلى مرجع أخر يتحركان بانتظام وقد نقل اينشتاين هذه الفكرة إلى الضوء واقنع نفسه بان الضوء أقدر من قوانين الميكانيكا على كشف حركتنا المنتظمة وهذا يعني أنه لا يمكن لمعادلات مكاسويل التي تصف انتشار الضوء علاقة بحركة الراصد لأنها لوكانت متعلقة بحركة الراصد لأمكن للمعادلات حتى تفيدنا في تعين حركة الشيء المطلق وكذلك تجربة ميكلسون ومورلي ولذلك رأى اينشتاين أنه يجب حتى تكون سرعة الضوء في الخلاء مستقلة عن حركة المنبع الضوئي وهذا يعني ثبات سرعة الضوء :

وهذه السرعة أصبحت ثابتا كونيا ولكن لم تستند إليه قوانين نيوتن ومن ثبات سرعة الضوء اتجه اينشتاين إلى تحليل مفهومي المكان والزمان المطلقين كان عليه حتى يبرهن بأن تواقت حادثين منفصلين في مكان ليس له معنى مطلق بل يتعلق بحركة المراقب وكي نثبت هذه الفكرة نحتاج إلى شرح تجربه وهي بحاجة إلى خيال وهجريز . اقرأ نسبية التزامن

هذا الثابت -سرعة الضوء- يعتبر من أبرز الثوابت الكونية التي تدخل في بناء هذا الكون وأن القانون الذي لا يحتوي عليه لا يعتبر قانون تام بل يحتاج إلى حتى يستكمل إلى حتى يصبح صامد نسباويا ولم يكن اينشتاين أول من ادخل مبدأ الصمود فقد أدخله نيوتن قبله على نظريته وكان مفيدا إلى حد بعيد ولنبدأ بتعريف الحادث انطباق جسيم على نقطه في الفراغ (إليكترون مثلا أوفتون ) في لحظه معينة فلكي نحدد حادثا معيناً يجب حتى نعهد متى وأين وهذا يعني حتىقد يكون لدينا مرجع مقارنه (مجموعة إحداثيات ) وبما انه نريد مسقطه عملينا حتى نعطي ثلاث أعداد على المحاور التيقد يكونها الفراغ (س, ع, ص ) هذه الإحداثيات المكانية وكي نحدد زمن وقوع الحادث نحتاج إلى إحداثي حديث زمني فيكون مسار الجسيم منحنيا يصل بين هذه الحوادث وبما حتى القانون لا يعالج حالة خاصة بل يعالج الطبيعة نفسها فيجب حتى يبقى نفسه لكل المراقبين وهذا هومبدأ الصمود وأكثر ما يميز النسبية أنها تظهر أنه لا المكان وحده مطلق ولا الزمان وحده مطلق ولكن قولنا حتى كلا من الزمان والمكان ليس مطلقا لا يعني حتى النسبية ليست نظرية الأمور المطلقة بل حتى الحقيقة المطلقة فيها أعلى مستوى مما في فيزياء نيوتن لأنها تمزج المكان بالزمان في - زمكان - متشعب الجوانب ولكي نوضح ذلك نلاحظ أولا حتى كلا من المسافة بين حادثين والمدة الزمنية الفاصلة بينهما هي نفسها وفقا لفيزياء نيوتن بالنسبة لجميع المراقبين - أي حتى المدة مطلقة والمسافة مطلقة - أما في النظرية النسبية فيجد حتى المراقبون المختلفون مسافات مختلفة وأزمنة مختلفة ومع ذلك تفهمنا النسبية حتى مزيجا معينا للمكان والزمان الفاصلين بين حادثين قد يكون واحدا بالنسبة إلى جميع المراقبين وللحصول على مربع هذه الفاصلة الزمكانيه المطلقة بين الحادثين نربع المسافة بين الحادثتين ونطرح منها حاصل ضرب سرعة الضوء في المدة الزمنية بين الحادثين فنحصل على المقدار المطلق .

ويمكن حتى يستنتج من الفاصلة الزمنية التي تجاوز ذكرها جميع النتائج الهامة التي تنبثق عنها النظرية النسبية الخاصة مثل تقلص الأطوال المتحركة وتباطؤ الزمن وتزايد الكتلة وتكافؤ الطاقة والكتلة .

وفي عام 1916 نشر أينشتاين بحثه عننظرية النسبية العامة في مجلة علوم أكاديمية . يمثل هذا البحث عشر سنوات قضاها أينشتاين بحثا عن تطوير نظريته القديمة وكان الدافع لهذه النظرية هوحتى نظرية الخاصة هجرت المكان والزمان مبتورين ولان أينشتاين يرى حتى الطريق إلى الوصول لتوحيد القوى الفيزيائية كان يجب حتى تكون نظرية صامدة نسبيا ولان النظرية الخاصة لم تكن كذلك حاول حتى يتمها بالعامة لان الخاصة لا تنطبق إلا على ما يدعى (( المراقبون العطاليون أي المراقبون الذي تحرك أحدهم بالنسبة للأخر بمتجه سرعة ثابتة )) وهذه النظرية تبين حتى الطبيعة تفضل المرجع العطالي ورأى اينشتاين حتى هذا المرجع العطالي عيب في نظرية لأنه كان يؤمن حتى جميع المراجع بغض النظر عن حركتها تتكافئ لدى الطبيعة ولابد لها حتى تظم الحركة بتسارعات مختلفة لقد بدأ اينشتاين عند بناء نظريته النسبية العامة بملاحظات جداً عامة كان غاليليوأول من توصل إليها وهي حتى جميع الأجسام التي تسقط سقوطاً حراً من ازدياد تتحرك بتأثير ثنطقة الأرض بتسارع واحد مهما كانت كتلها كما لاحظ حتى جميع الأجسام المتحركة في مرجع متسارع تستجيب إلى هذا التسارع بالطريقة نفسها مهما كانت كتلتها ومن هاتين الملاحظتين اعتمد مبدأ من أبرز المبادئ الفيزيائية وهومبدأ التكافؤ الذي ينص على أنه لا يمكن تمييز قوى العطالة من قوى الثنطقة فأصبح هذا المبدأ أساس نظرية النسبية العامة لأنه نفى إمكان تعيين حالة الشيء الحركية بملاحظة قوى العطالة أواكتشافها سواء أكان مرجعنا متسارع أم لا يمكن حتى نتابع تفكير أينشتاين بتجربة فكرية شهيرة وهي تخيل فيها حتى مراقبا في مصعد (وكان في هذا المصعد أجسام مشدودة إلى أسفل ) كان في بداية الأمر معلق فوق الأرض ساكناً ففي هذه الحالة يفترض أن تكون جميع التجارب التي يجريها المراقب تتفق تماماً مع تجارب مراقب خارج المصعد على الأرض يفترض أن يستنتجان قوة الثنطقة ....الخ دعوانا ننتقل مع المراقب الذي في المصعد بتسارع(9.8 متر /ثانية) متجهين ألى أعلى عكس قوة الثنطقة وبنفس تسارع الأجسام على الأرض إذا كان منطقيا مع نفسه يفترض أن يبقى على استنتاجه لأن جميع الأجسام يفترض أن تظل على نفس تصرفها عندما كان المصعد معلق على الأرض وهذا هومبدأ التكافؤ فهويجنب المرء حتى يستنتج بأنه موجود في مرجع متسارع لأن جميع الآثار الناجمة عن هذا التسارع تماثل الآثار الناجمة عن الثنطقة في مرجع ساكن أويتحرك حركة مستقيمة منتظمة في حقل ثنطقي إلى غير ذلك يدعم هذا المبدأ نظر اينشتاين بأنه لا يمكن ان فرق بين الحركة المتسارعة accelerated والغير متسارعة لأن قوى العطالة الناجمة عن التسارع هي نفسها ناجمة عن الثنطقة فلا يستطيع المراقب حتى يفرق ومن هنا لا يوجد فرق حول ماذا يرصد المراقب هل يرصد الأجسام المادية من الناحية التحركية أوالحركة أوانتشار الضوء مما أدى باينشتاين إلى استنتاج مهم جدا بشأن سلوك الضوء فحينما تمر حزمة ضوئية عبر المصعد المتسارع في اتجاه عمودي على تسارعة تبدوأنها تسقط نحوأرض المصعد مثلما تسقط الجسيمات المادية لآن أرضه تتحرك حركة متسارعة ولما كان مبدأ التكافؤ ينص على حتى لا فرق بين آثار التسارع والثنطقة لذلك تسقط اينشتاين حتى تسقط الحزمة الضوئية في الحقل الثنطقي كما تسقط الجسيمات المادية وقد ثبت هذا التسقط بحذافيره في أثناء كسوف الشمس الذي وقع عام 1919 فقد شوهد حتى الحزمة الضوئية تنحرف نحوالشمس عندما تمر بجوارها وكان مقدار الانحراف متفقا مع ما تسقطه اينشتاين ونلاحظ أنه لا خلاف بين النظرية العامة والنظرية الخاصة في أنهما مبنيتان على زمكان رباعي الأبعاد والعامة تضم الخاصة ولكنها تختلف عنها في حتى هندسة النسيبة العامة لا إقليدية وهذا الجانب هوالذي يقود إلى مبدأ التكافؤ وكي نفهم الفضاء الا إقليدي دعونا نعود إلى المصعد قليلا .... ونتخيل الآن حتى المصعد يسقط سقوط حر نحوالأرض ففي هذه الحالة يسقط المراقب وكل شي داخل المصعد بسرعة واحدة كما حتى الشيء المقذوف يتحرك عبر المصعد حركة مستقيمة كما يرها المراقب أي لا يوجد لديه حقل ثنطقي أما بالنسبة للمراقب الواقف على الأرض فلا يرى المقذوفات تتحرك حركة مستقيمة وأنما على هيئة قطوع مكافئة لذلك لا وجود للثنطقة بالنسبة للمراقب الذي في المصعد بينما موجودة للمراقب الذي على الأرض فكيف نخرج من هذا التناقض لقد رأى اينشتاين حتى الحل يمكن في إعادة فهم القوة الثنطقية لأن مفهوم نيوتن لها ليس مفهوما مطلقاً ويتغير من مرجع إلى أخر كما وقع في التجربة السابقة ولذلك قام اينشتاين بإعادة قانون نيوتن الأول ليضم هذا المفهوم وأصبح القانون «أن الأجسام تتحرك دائما في خطوط مستقيمة سواءً أكانت في حقل ثنطقي أم لا»، ولكن يجب إعادة تعريف الخطوط المستقيمة كي ينتهي الإشكال وتضم خطوطا ليست مستقيمة بالمعنى الأقليدي وقام اينشتاين بذلك وبين كيفية هندسة الزمكان الأقليدية في الفضاء المليء بالكتل وهندسة الاقليدية في الزمكان الخالي من الكتل وأصبح السبب في حركة الأجسام في الحقل الثنطقي gravitational field هوأتباع الأجسام للانحناء الزمكاني وتعد هذه الحركة في الهندسة اللا إقليدية حركة في خطوط مستقيمة لأنها اقصر مسار في هذه الهندسة وكان لهذه الدراسة التي قدمها اينشتاين نتائج كثيرة من انحراف حزمة الضوء وظاهرة (مبادرة حضيض الكواكب ) وأيضاً ظاهرة (الإنزياح الاينشتايني نحوالأحمر).

وأيضا تتنبأ هذه الهندسة الناشئة عن وجود أجسام ذات كتل هائلة كالنجوم تتسقط بأن يتباطأ الزمن بالقرب من هذه النجوم أضف إلى ذلك تقلص الأطوال وكان أعظم أنجاز حققته النسبية العامة كان في مجال فهم الكون ( الكوسمولوجيا Cosmology ) فقد طبق اينشتاين نظريته الثنطقية على الكون بمجملة وتوصل على نموذج سكوني لا يتوسع ولا ينهار على نفسه ثم أثبت باحثون إذا النظرية تؤدي إلى نموذج لا سكوني متوسع إلى غير ذلك ساهمت هذه النظرية في إثراء فهم الكون .

الزمكان في النسبية الخاصة

إذا افترضنا حتى الضوء الصادر عن وقع event معين في نقطة ما من الفضاء ينتشر بسرعته الثابتة س فهذا يعني أنه يغطي كرات تحيط بهذا الحدث وهذه الكرات تتوسع بزيادة قطرها مع الزمن حسب سرعة الضوء المنتشر .

لصعوبة تمثيل فضاء رباعي الأبعاد four-dimensional space يفترض أن نضطر لحذف أحد الأبعاد المكانية مكتفين ببعديين مكانيين وبعد زمني شاقولي ، فتأخذ كرات الضوء المتوسعة شكل دوائر متوسعة مع تزايد الزمن أي مع الارتفاع على المحور الشاقولي وبهذا يمثل انتشار الضوء المخروط المتشكل من الدوائر المتوسعة .

في الحقيقة ، يمكن تخيل مخروطي ضوء لكل حدث : مخروط متجه نحوالأعلى يدعى مخروط الضوء المستقبلي Future Light Cone ويمثل مجموعة النقاط التي يمكن وصول الضوء من الحدث المعني اليها ( هذه النقاط في الفضاء الرباعي الأبعاد تمثلها أربعة أرقام هي الاحداثيات المكانية الثلاثية والاحداثي المكاني فهي تحدد النقطة الفراغية مع زمن وصول الضوء عليها ... ) أما خارج المخروط فهي النقاط التي لا يمكن وصول الضوء اليها ( هذه النقاط تمثل نقاطا فراغية مع زمن يستحيل وصول الضوء خلاله لأنه يستلزم انتشار للضوء بسرعة تفوق س وهوأمر محال حسب النسبية ) .

المخروط المتجه نحوالاسفل يدعى مخروط الضوء الماضي Past Light cone ويمثل مجموعة الحوادث التي يمكن حتى يصل منها شعاع ضوئي إلى الحدث ( في هذه النقطة واللحظة الزمنية ) .

في الشكل الأيسر :

لنفترض وجود حدثين أ وب في نفس الجملة المرجعية refrence system وفي نفس المكان ضمن هذه الجملة لكن بفاصل زمني ( يشهجران بالمسقط المكاني ويختلفان بالاحداثي الزمني time coordinate) كما نفترض وجود حدثين ب وج ضمن جملة مرجعية واحدة بحيث يحدثان آنيا ( أي في وقت واحد ) لكنهما يقعان في مسقطين مختلفين . ( يشهجران بالاحداثي الزمني ويختلفان بالاحداثيات المكانية ) .

في الجملة المرجعية الاولى يمكن ل أ حتى يسبق ب فعندئذقد يكون أ سابقا ل ب في جميع الجمل المرجعية ومن الممكن للمادة حتى تنتقل من أ إلى ب بحيث نعتبر أ سببا وب نتيجة فتكون هناك علاقة سببية بين أ وب . في الواقع لا وجود لأي جملة مرجعية تقلب هذا الترتيب السببي .

لكن هذه الحالة لا تنطبق في حالة الحثين أ وج ( ج يقع خارج المخروط الضوئي ل أ كما هوواضح ) حيث توجد جمل مرجعية ترى حدوث أ قبل ج وجمل مرجعية ترى حدوث ج قبل أ . لكن هذا بكل الأحوال لا يكسر قانون السببية لأنه يستحيل نقل المعلومات بين أوج أوبين ج وأ لأن هذا يستدعي سرعة اكبر من سرعة الضوء . بكلام آخر يمكن لبعض الجمل المرجعية حتى ترى الأحداث بترتيب مختلف لكن لا يمكن لهذه الجمل حتى تتواصل فيما بنها لأنها بحاجة اشارات أسرع من الضوء ، وهكذا يحفظ مبدأ ثبات سرعة الضوء في النسبية قانون السببية ويحمينا من مفارقات العودة في الزمن .

هندسة الزمكان في النسبية الخاصة

الفضاء الزمكاني في نظرية النسبية الخاصة هوفضاء منكوفسكي رباعي الأبعاد ، وهوفضاء يشابه الفضاء الأقليدي الثلاثي الأبعاد المعتمد في الميكانيك النيوتني من حيث سكونيته ، فالخاصية الحركية ستدخلها فيما بعد نظرية النسبية العامة لتحول الزمكان من فضاء رباعي الأبعاد سكوني إلى فضاء رباعي الأبعاد حركي .

بالرغم من البعد الرابع فإن مشابهته للفضاء الأقليدي من الناحية السكونية تجعله سهل التعامل فمعظم قواعد الفضاء الإقليدي تطبق هنا ذاتها بعد اضافة الحد الموافق للإحداثي الرابع (الزمني ) .

يعطى التفاضل للمسافة (ds) في فضاء ثلاثي الأبعاد بالعلاقة التالية :

'"`UNIQ--postMath-00000002-QINU`"'

حيث '"`UNIQ--postMath-00000003-QINU`"' هي تفاضلات الإحداثيات الثلاثة أوالأبعاد الفراغية الثلاثة . أما في الفضاء الزمكاني للننسبية الخاصة قنضيف احداثي رابع زماني بواحدة تساوي سرعة الضوء c فتكون المعادلة التفاضلية للأبعاد الأربعة :

'"`UNIQ--postMath-00000004-QINU`"'

في الكثير من الحالات ،قد يكون من الأنسب معاملة الاحداثي الزمني كعدد تخيلي ( مثلا لتبسيط المعادلة ) وفي هذه الحالة يستبدل '"`UNIQ--postMath-00000005-QINU`"' في المعادلة السابقة ب '"`UNIQ--postMath-00000006-QINU`"' ، وتصبح المعادلة :

'"`UNIQ--postMath-00000007-QINU`"'

في خالات أخرى نقوم باختزال الأبعاد المكانية الثلاثة إلى اثنين ونتعامل عندئذ مع فضاء ثلاثي الأبعاد : بعدبن مكانيين وآخر زماني .

'"`UNIQ--postMath-00000008-QINU`"'

يمكننا حتى نلاحظ الخط الجيوديسي الصفري على المخروط الثنائي لأي وقع في الصورة التالية :

ويمكن تعريفه بالمعادلة التالية :

'"`UNIQ--postMath-00000009-QINU`"'

أو:

'"`UNIQ--postMath-0000000A-QINU`"'

وهي معادلة دائرة ذات قطر r=c*dt. لومددنا ذلك الكلام لفضاء تام ذوثلاث أبعاد مكانية وواحد زماني ،فإن الجيوديسي الصفري تعبير عن دوائر متمركزة مستمرة ذات أقطار متزايدة

تساوي المسافة التي يبترها الضوء من الحدث = c*(+ أو-)الزمن .

'"`UNIQ--postMath-0000000B-QINU`"'

'"`UNIQ--postMath-0000000C-QINU`"'

المخروط الثنائي الصفري هوما يمثل "خط الضوء" أومسار الضوء الصادر عن تلك النقطة اوما ندعوه بالحدث ضمن الفضاء الرباعي الأبعاد ، وبما حتى الضوء صاحب أكبر سرعة في الكون حسب النظرية النسبية فإنه لا وجود لمسارات تنطلق من هذه النقطة ( الحدث ) وتخرج عن نطاق هذا المخروط الثنائي ( ببساطة لأن لا شيء أسرع من الضوء ) . ندعوالمخروط العلوي : مخروط الضوء المستقبلي وهويضم الأحداث المستقبلية التي يمكن حتى تتلقى اشارة من الحدث المعني . أما المخروط السفلي فيدعى مخروط الضوء الماضي ويضم الأحداث الماضية التي يمكن لها بعث اشارة إلى هذا العنصر . جميع ما خارج هذين المخروطين لا يمكن له التواصل مع هذا الحدث لا كماضي ولا كمستقبل .

المصادر

• العوالم الأخرى: Other Worlds ، Paul Davies
• موجز تاريخ الزمن: Brief History of Time ، Stephen Hawking
• الكون المحكم:The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, Briane Greene

انظر أيضا

• أشخاص: آرثر إيدينجتون | ألبرت آينشتاين | هيندريك لورينتز | هيرمان مينكوفسكي | بيرنارد ريمان | هنري بوانكارييه | اليكسندر ماكفارلين | هاري باتيمان | روبرت شانكلاند | بلووييلر
• النسبية: نظرية النسبية.

وصلات خارجية

روابط عربية

• فيزيائيومكة شرح لمبادئ النظرية النسبية الخاصة
• نبذ فرضية تقلص الأطوال النسبية في الإلكتروديناميك النسبي

روابط إنجليزية

• شروح هوغ عن النسبية مقدمة جيدة عن النسبية للمستوى الجامعي.
• حاسبة النسبية لعمل حسابات هندسية في المسائل النسبية كما في جمع السرع. التطبيق يحتاج جافا وقد يستغرق عدة دقائق للتحميل إذا كان الاتصال بطيئا.
• السياق التاريخ للنسبية: اكتشاف النسبية الخاصة كان أمرا حتميا إذا ما أخذت الاكتشافات التي سبقته بعين الاعتبار.
• لا شيء سوى النسبية فهنالك عدة طرق لاشتقاق تحويلات لورينتز من دون استخدام فرضية أينشتاين عن ثبوت الضوء. الأسلوب المتبع في هذه الورقة يعيد صياغة أسلوب معروف وبسيط.
• تأملات في النسبية كتاب إلكتروني تام عن النسبية مع قائمة مطولة بالمراجع.
• محاضرات عن النسبية الخاصة تعبير عن مقدمة تقليدية لموضع النسبية الخاصة يحتوي على أمثلة توضيحية بناء على رسومات ومخططات زمكانية من جامعة فيرجينيا التقنية.
• نظرية النسبية الخاصة بشكل مبسط أسلوب حديث لشرح المعنى النظري للنسبية الخاصة من وجهة نظر هندسية مبسطة.
• النسبية الخاصة جامعة ستانفورد، هيلين كوين، 2003*نطقب:غوتبرغ, تأليف: ألبرت أينشتاين
• بعيني أينشتاين الجامعة الوطنية الأسترالية. تأثيرات بصرية نسبية مشروحة بواسطة الصور والأفلام.
• أساسيات كريغ إيغان
• ضوء أينشتاين مقدمة غير تقنية فائزة بجائزة.
• أفكار منيرة رسوم متحركة فكاهية عن النسبية الخاصة لعامة الناس، يانيك ماهي، 2005
• محاكي راب للنسبية الخاصة برنامج حاسوبي يوضح تأثير السفر بسرعة قريبة من سرعة الضوء

مشاع الفهم فيه ميديا متعلقة بموضوع Special relativity.