فروض النظرية النسبية

لقد أجريت العديد من التجارب عبر القرون من أجل معرفة قوانين الطبيعة وفي عام 1905 وصل أينشتين إلى الاقتناع بأن المعلومات التجريبية تدفعنا إلى قبول حقيقتين حميدتين في الطبيعة وهما:

1ـ إن سرعة الضوء في الفراغ كما ثبت من القياسات تظل ثابتة c = 2.998×10⁸ m/s)) بغض النظر عما إذا كان مصدر الضوء هو المتحرك او من يقوم بالقياس.

2- ان السرعات المطلقة لا يمكن قياسها. والسرعات التي يمكن تعيينها فحسب هي السرعات بالنسبة لأجسام أخرى.

وعندما اقتنع أينشتين بصحة هاتين المقولتين فإنه تمكن من بيان أن الكثير من الجوانب  غير المتوقعة للعالم من حولنا لا زالت في طي المجهول. وقد عرف الاستدلال المنطقي له بالنظرية النسبية* ، وصارت المقولتان المعبرتان عن حقائق واضحة هما فرضيها الأساسيين.

ومن المستحيل إثبات هذين الفرضين بشكل مباشر، فهما خلاصة أجمع كل الحقائق التجريبية المعروفة. ونعتقد أنه من الممكن، وإن كان غير محتمل، أن تتمكم بعض التجارب في المستقبل من دحض أحدهما. . ولكنهما مدعومتان في الوقت الراهن بالعديد من المحاولات في الفاشلة لدحضهما. أضف إلى ذلك ، كما سنرى لاحقاً، أن فروض أينشتين قد أدت إلى نتائج مذهلة حققتها التجارب.

لقد كان الفرض الأول نتيجة لسلسلة من التجارب التي بدأها عام 1887. أ. أ. ميكلسون وزميله أ. و مورلي بالولايات المتحدة. وقد اعتقد معظم العلماء في ذلك الوقت أن الموجات الضوئية تتذبذب داخل مادة تملأ الفضاء كله. وقد سميت هذه المادة، التي وصفت قديماً منذ القرن الرابع قبل الميلاد على يد أرسطو، بالأثير. فمن ناحية كان على هذا الأثير ان يكون رقيقاً جداً حتى يسمح للكواكب والنجوم ان تسبح عبره بحرية، ومن ناحية اخرى كان لابد للأثير أن يتمتع بخواص المواد الجاسئة جداً حتى يحمل الذبذبات المستعرضة للضوء بهذه السرعة الهائلة. ولم يكن من السهل قبول هذه التناقضات ، ولكن العلماء تسمكوا بمبدأ الأثير جزيئاً لأنه وفر مناط إسناد ساكن يمكن قياس الحركة المطلقة فيه.

وقد ظن ميكلسون أن عليه أن يستطيع اكتشاف حركة الأرض عبر الأثير وذلك بمقارنة سرعة الضوء في اتجاه حركة الشمس مع سرعة الضوء في اتجاه مستعرض لهذه الحركة، باستخدام مقياس للتداخل صممه بنفسه. وينشق الضوء عند دخوله المقياس إلى اتجاهين، فيذهب جزء من الضوء في اتجاه حركة الأرض، وينتقل الجزء الآخر في اتجاه متعامد مع حركة الأرض. وقد كان من المفترض أن الأثير يشبه نهراً يسري عبر الجهاز متعامد مع حركة الأرض. وقد كان من المفترض أن الأثير يشبه نهراً يسرى عبر الجهاز حاملاً معه الضوء. ومثلما يقتضى الأمر قضاء فترات زمنية مختلفة عندما يقوم قارب برحلة ذهاباً وإياباً باتجاه النهر، وعندما يقوم بقطع نفس المسافة عندما يعبر النهر جيئة وذهاباً، فإن نظرية الأثير تنبأت بان شعاعي الضوء سيستغرقان فترات زمنية مختلفة لكي يعودا إلى النقطة التي انشقا عندها. وكان على هذا الاختلاف في الزمن أن يحدث اختلافاً في الطور بين الشعاعين، من شأنه يشاهد على هيئة هدبات للتداخل عندما يتحد الشعاعان مرة أخرى.

وسرعة الأرض عند تحركها في مدارها حول الشمس تبلغ 10^-1c تقريباً، وهو مقدار يقع في نطاق جهاز التداخل لميكلسون. على أن المحاولات المتكررة لقياس التأثير المتوقع لم تسفر عن أي ظواهر تداخل الأطلاق. وقد استنتج ميكلسون أنه لا يوجد شيء اسمه الأثير يسري عبر الجهاز، وأن سرعة الضوء هي نفسها في كل من المسارين. وقد تأكدت هذه النتيجة عندما أجريت تجارب أخرى على جانب متزايد من الدقة عبر القرن العشرين كله مما جعل أينشتين يتخذها بمثابة فرضه الأول.

وربما احتاج الفرض الثاني إلى بعض التفسير. نعلم أنه من اليسير قياس السرعات النسبية للأجسام. فعداد السرعة في السيارة يدل على السرعة التي تتحرك بها السيارة بالنسبة للطريق، ولكن هذه السرعة ليست مطلقة. والكرة الأرضية تتحرك بسبب دورانها حول محورها ودورانها حول الشمس. وحيث أننا نعرف هاتين السرعتين، فنستطيع إذا أردنا ان نحسب سرعة السيارة بالنسبة للشمس.

وتتحرك الشمس نفسها في مجرتنا، درب التبانة، كما ان المجرة في حركة بالنسبة لنجوم أكثر بعداً. ويبدو أنه ليست هناك طريق لتعريف سرعة مطلقة محددة لجسم ما، لأن كل شيء يبدو في حركة. وكل ما نستطيع قوله هو مدى سرعة جسم ما متحرك بالنسبة لجسم آخر.

وهناك طريقة أخرى لعرض الفرض الثاني، وهي طريقة تعطينا لمحة عن أهميتها الأساسية، وهي تتم عادة بدلالة مناطات الإسناد. ومناط الإسناد هو أي نظام للإحداثيات تؤخذ القياسات بالنسبة إليه. فموضع أريكة أو منضدة أو كرسي مثلاً، يمكن أن يوصف بالنسبة لجدران حجرة ما. وتصبح هذه الحجرة هي مناط الإسناد المستخدم . او قد نعتبر ذبابة تقف على نافذة سيارة متحركة. . حيث نستطيع وصف موقع الذبابة في السيارة باستخدام السيارة كمناط إسناد. وكمثال آخر نستطيع وصف موقع سفينة فضاء بالنسبة لمواقع نجوم بعيدة. ويصبح نظام الإحداثيات المبنى على هذه النجوم هو مناط الإسناد.

3- تكون القوانين الأساسية للطبيعة هي نفسها في جميع مناطات الإسناد التي تتحرك بسرعة ثابتة بالنسبة لبعضها البعض.

وكثيراً ما يتم اختزال هذا النص باستخدام مصطلح مناط الإسناد ذو القصور الذاتي ومناط الإسناد ذو القصور الذاتي هو نظام للإحداثيات ينطبق بداخله قانون القصور الذاتي: يبقى جسم ما في حالة سكون مالم تؤثر عليه قوة متعادلة فتكسبه تسارعاً (عجلة) كما تطبق قوانين الطبيعة الأخرى في مثل هذا النظام. ويمكننا ــ بدرجة جيدة من التقريب ــ اعتبار كل النظم المرجعية المتحركة بسرعة ثابتة بالنسبة لنجوم بعيدة بمثابة مناطات ذات قصور ذاتي. وهكذا نجد بين أيدينا نصاً ثالثاً للفرض الثاني:

4- تكون القوانين الأساسية للطبيعية هي نفسها في جميع مناطات الإسناد ذات القصور الذاتي.

ويمكنك فهم العلاقة بين هاتين الطرقتين المترادفتين للنص على الفرض الثاني إذا أخذنا ما يلي في الاعتبار. عندما نقول أننا نستطيع قياس سرعات نسبية فقط فإننا نفترض بذلك عدم وجود انحياز في مناطات الإسناد. فقد تكون إحدى سفن الفضاء، مثلاً، متجهة إلى القمر بسرعة 10⁵ km/day بالنسبة للقمر نفسه، وصحيح أيضاً أن القمر يتجه إليها بنفس السرعة، 10⁵ km/day. ويمكن التحقق بسهولة من حقيقة أن أحدهما يتحرك بالنسبة للآخر، ولكن النصين متكافئان ، ولا يمكن أن يقال أن أياً من الجسمين في حالة سكون بالمعنى المطلق.

افترض ــ مع هذا ـ أن قانوناً من قوانين الطبيعة يعتمد على سرعة مناط الإسناد سيستطيع الأشخاص الموجودون بسفينة الفضاء أن يستخدموا مثل هذا القانون لكي يحددوا سرعتهم، كما يستطيع الأشخاص على القمر فعل نفس الشيء. . وستكون السرعتان المقاستان مختلفتين. ونتيجة لذلك سيتمكن الأشخاص من قياس أكثر من مجرد سرعاتهم النسبية. الواقع، أن القانون سوف يستخدم لتشييد تدريج مطلق للسرعات، وهو ما يناقض الفرض الثاني الذي نعتبره نحن وأينشتين صحيحاً. ونستنتج من ثم أن جميع قوانين الطبيعة لابد وأن تكون هي نفسها في كل مناطات الإسناد ذات القصور الذاتي.

________________________________