حاول حلَّ هذه المسألة الرياضية البسيطة:

طائرة مقاتلة تطلق الرصاص بسرعة 340 مترًا في الثانية والسرعة القصوى للطائرة 260 مترًا في الثانية. فكم ستكون سرعة إطلاق الرصاص وهي تحلّق بسرعتها القصوى؟

الإجابة الواضحة بالطبع هي 340 + 260 = 600 متر في الثانية، وهي أيضًا إجابة صحيحة فيزيائيا (إذا تجاهلنا مقاومة الهواء).

على الرغم من ذلك، توجد مسألة مشابهة من حيث التركيب وإجابتها مختلفة:

تبلغ سرعة الموجات الصوتية المنبعثة من محرّكات طائرة مقاتلة 340 مترًا في الثانية والسرعة القصوى للطائرة 260 مترًا في الثانية. إذا كنت تقف أمام الطائرة وتسمع محرّكاتها، فما هي سرعة الموجات الصوتية حين تسمعها؟

الإجابة الصحيحة عن «هذا السؤال» ليست 340 + 260 = 600 متر في الثانية؛ بل 340 مترًا فقط في الثانية. فموجات الصوت تنتقل بسرعة الصوت بغضّ النظر عن مدى سرعة مصدر الصوت. ما وجه الاختلافِ في المسألتين إذن؟ ينطلق الرصاص من المدفع الرشاش؛ ومن ثم فهو يتخذ سرعة المدفع الرشاش. أما الموجات الصوتية فتنتشر في الهواء؛ ومن ثم فإن سرعتها ثابتة وفقًا لفيزياء الهواء ولا تتوقف على سرعة مصدر الصوت. (يعتمد «تردد» الموجات الصوتية على سرعة المصدر، وهذا هو تأثير دوبلر الشهير، والذي يعرفه الجميع حين يسمعون عويل صفارات الإنذار الخاصة بسيارات الشرطة، بينما تتغيَّر حدة نغمتها تمرُّ بهم؛ غير أنَّ «السرعة» لا تعتمد على سرعة المصدر.)

ومن نتائج ذلك أن سرعة الصوت بالنسبة إليك تعتمد على مدى سرعتك بالنسبة إلى الهواء، لكن ذلك لا يهم على الإطلاق في حالة وابل الرصاص؛ فسرعتك بالنسبة لمصدر الرصاص هي كلٌّ ما يهم. يُعمم هذا الدرس على أي ظاهرة تشبه الموجة (مثل الموجات الصوتية في الأجسام الصلبة، وأمواج المياه في البحار، وغير ذلك): سرعة الموجة ثابتة بالنسبة إلى الوسط الذي تنتقل فيه، ولا تعتمد على سرعة مصدر الموجة. على الرغم من ذلك، فلن تستطيع ملاحظة أن الموجة ثابتة إلا إذا كنتَ ساكنا بالنسبة إلى الوسط. أما إذا كنتَ تتحرك في الوسط، فستلاحظ أن الموجات لها سرعات مختلفة بناءً على الاتجاه الذي تتخذه. سنعرض فيما يلي طريقة مختلفة لتوضيح المسألة بناءً على الأفكار الواردة في الفصل الثاني. تُعرف سرعة الموجة بالنسبة إلى اختيار خاص من الأطر القصورية؛ ويُقصد به الإطار؛ حيث الوسط الذي تسير فيه الموجة ثابت. وإذا قست سرعة الموجة في أي إطار قصوري آخر، فستحصل على إجابة مختلفة، وهي إجابة تعتمد على الاتجاه الذي تتخذه الموجة. وعلى الجانب الآخر، تُعرف سرعة الرصاصة بالنسبة إلى الإطار القصوري، حيث يكون مصدر الرصاصة ساكنا.

هل يخلُّ أي من هذه الأمثلة بمبدأ النسبية ؟ كلا، لا يخلُّ أي من هذه الأمثلة بمبدأ النسبية أكثر مما تخلُّ حقيقةُ أنَّ الأجسام تسقط بفكرة أنه لا يوجد اتجاه مفضّل في الفضاء. ففي كلتا الحالتين، ثمة شيء مادي يخلُّ بالتناظر الأساسي للقوانين. لكن فيزياء هذا الشيء نفسه لا تزال تخضع لمبدأ النسبية؛ إذا كان الهواء نفسه في حالة حركة على سبيل المثال، فإن سرعة الصوت تقاس بالنسبة إلى ذلك الإطار المتحرك.

لكن هذه الحجة تعتمد بالأحرى على حقيقة أن الموجات الصوتية في الغلاف الجوي للأرض ظاهرة محلية، بل يمكن القول إنها محدودة. إذا امتلأ الكون كله بالهواء – وهذا مستحيل – ولم تظهر في الهواء أي رياح أو أي . حركة محلية أخرى، فسيستحيل الخروج من البيئة المحلية التي اختل تناظرها وفي تلك الحالة، سيصبح من غير الواضح تماما ما إذا كان مبدأ النسبية ينطبق بالفعل أم لا.

صحيح أنَّ الكون ليس ممتلئًا بالهواء، لكنه ممتلئ بالضوء. وعلى الرغم من أنَّ كون الضوء موجة ليس بالأمر الواضح أو البديهي؛ فقد ظهر الكثير من الأدلة في بداية القرن العشرين التي تشير إلى أنه كذلك بالفعل. فتأسيسًا على أعمال مهمة امتدت لنصف قرن، أثبت عالم الفيزياء العظيم جيمس كليرك ماكسويل، أن المجال المغناطيسي المتغير يمكن أن يخلق مجالًا كهربيًا، وأن المجال الكهربي المتغير يمكن أن يخلق مجالًا مغناطيسيا، وأن العملية برمتها – الكهربي إلى المغناطيسي إلى الكهربي إلى المغناطيسي إلى ... – هي عملية من شأنها أن تتسم بالاكتفاء الذاتي وأن تنتقل في المكان بسرعة الضوء. تلقت فكرة أن الضوء عبارة عن موجة تأكيدًا تجريبيًّا مذهلا ، لا سيما في إنشاء موجات الراديو ونقلها واستقبالها في أواخر القرن التاسع عشر.

إذا كان الضوء عبارةً عن موجة، فيبدو أن هذا يعني ضمنيًّا وجود وسيط ينتقل فيه، وهو الوسيط الذي أطلق عليه علماء الفيزياء في ذلك الوقت «الأثير»، وهو وسيط لا تدركه الحواس لكنه ضروري لفهم الضوء. وبناءً على هذا، فإنَّ سرعة الضوء مستقلة عن سرعة مصدره، لكنها ستتحدّد بالنسبة إلى إطار السكون المتمثل في الأثير. غير أنَّ هذا يطرح أمامنا لغزّين؛ أحدهما مفاهيمي والآخرُ عملي. اللغز المفاهيمي هو: ألا تتعارض فكرةُ الأثير مع مبدأ النسبية؟ فليس الأثير محليًّا أو محدودًا مثل الغلاف الجوي للأرض؛ أي إنَّ الأثير لا بد أن يملأ المكان بما أنَّ الضوء يمكن أن يوجد في أي مكان. وهذا الوسيط الذي لا يمكن الكشف عنه، ويملأ المكان، وتتحدد حركة الضوء بالنسبة إليه، يتشابه إلى حدٍّ كبير مع فكرة إطار السكون المطلق، وفكرة المكان المطلق التي صاغها نيوتن؛ أليست تلك من الأفكار التي انتهينا منها في الفصل الثاني؟ وبالنسبة إلى اللغز العملي فهو كما يلي: إذا كان هناك – رغم كل شيء – إطار سكون مطلق يحدد سرعة الضوء، فما سرعة حركتنا بالنسبة إليه؟ فالأرض تدور حول الشمس، وتدور الشمس حول مركز المجرة، ولا يوجد سبب واضح يدفعنا إلى توقع تطابق إطار الأثير مع حركة الأرض. وعلى خلاف حالة نيوتن، يبدو أنه ينبغي أن يكون من الممكن «قياس» سرعة الأرض بالنسبة إلى إطار السكون، وذلك بقياس سرعة الضوء في اتجاهات مختلفة. (تذكَّر: سرعة الموجة لن تكون هي نفسها في كل الاتجاهات إلا إذا كنتَ أنت ثابتًا ساكنا إلى الوسيط الذي يحمل الموجة؛ وإذا اختلفت السرعات مع اختلاف الاتجاهات، فهذا يجعلك تقيس مدى سرعة حركتك بالنسبة إلى ذلك الوسيط.)

لكن إجراء هذه التجارب ليس بالمهمة السهلة. فالضوء يتحرك بسرعة مذهلة تبلغ 300 مليون متر في الثانية (حوالي 700 مليون ميل في الساعة؛ بينما تبلغ السرعة المتجهة للأرض بالنسبة إلى الشمس حوالي 30 ألف متر في الثانية، وتبلغ السرعة المتجهة للشمس بالنسبة إلى مركز المجرَّة حوالي 150 مترًا في الثانية. ومن ثم فإننا نتحدث عن توقعات غير واضحة للغاية في سرعة الضوء المقيسة، وتغييرات بالغة الصغر. لكن إجراء التجربة ممكن، والنتيجة واضحة تمامًا (وكانت واضحة تمامًا بالفعل حتى منذ بداية القرن العشرين)؛ إذا كان هناك إطار أثير، فإن الأرض لا تتحرّك بالنسبة إليه. إذا أردنا التعبير عن المسألة بطريقة أخرى، يمكننا القول في الإطار المرجعي للأرض، لا تعتمد سرعة الضوء على مصدره.

كان الاضطرار إلى قبول فكرة الأثير من الأساس والتخلي الفعال عن مبدأ النسبية؛ مزعجًا بعض الشيء بالفعل والأكثر إزعاجًا أن يثبت شيء محدود مثل «الأرض» إطار الأثير. يمكن التوصل إلى أسباب بالطبع، وقد تحدث علماء الفيزياء في مطلع القرن العشرين عن فرضية «سحب الأثير»، التي تقول بأنَّ الأجسام الضخمة تسحب الأثير، وكان من الممكن أن تؤدي هذه الأسباب إلى برامج بحثية مثمرة. على الرغم من ذلك، فلا يزال هناك شعور بأن ثمة حلقة مفقودة.