النسبية: النظرية الخاصة والعامة

 

 "النسبية: النظرية الخاصة والعامة" لألبرت أينشتاين

 الكتاب والسياق التاريخي

صدر كتاب "النسبية: النظرية الخاصة والعامة" عام 1916 كأحد أهم الأعمال التأسيسية في الفيزياء الحديثة، كتبه ألبرت أينشتاين بلغة غير رياضية نسبياً ليجعل النظرية في متناول غير المتخصصين. يهدف الكتاب إلى تقديم "أسس فيزيائية تجريبية" للنظرية مع التركيز على الجانب الفلسفي، حيث ذكر أينشتاين في مقدمته:

"عمادها التيسير والرفق، حتى لا أترك القارئ الذي لا يلم بالفيزياء يشعر بالتيه" .
يتألف الكتاب من 222 صفحة، ويُعتبر وثيقة تاريخية لأن أينشتاين كتبه أثناء تطور النظرية نفسها (1905-1915)، مما يمنح القارئ نظرة على تطور تفكيره .

السياق العلمي قبل أينشتاين

• الفيزياء الكلاسيكية: كانت مهيمنة عبر قوانين نيوتن للحركة والجاذبية، التي افترضت زماناً ومكاناً مطلقين.

• أزمة الضوء: فشلت تجارب مثل تجربة ميكلسون-مورلي (1887) في كشف "الأثير" الافتراضي، مما ناقض فكرة السرعة النسبية للضوء .

• معادلات ماكسويل: أظهرت أن سرعة الضوء ثابتة ($c=300,000$ كم/ث)، لكنها تعارضت مع مبدأ الجمع النيوتوني للسرعات .

الجزء الأول: النسبية الخاصة (1905)

المبادئ الأساسية

1. ثبات سرعة الضوء: سرعة الضوء في الفراغ ثابتة لجميع المراقبين، بغض النظر عن حركة المصدر أو الراصد .

2. مبدأ النسبية: قوانين الفيزياء متطابقة في جميع الأطر المرجعية العطالية (التي تتحرك بسرعة منتظمة) .

التجارب الفكرية والمفاهيم الثورية

• قطار أينشتاين: يوضح نسبية التزامن. حدثان متزامنان لمراقب على رصيف القطار، ليسا متزامنين لمراقب داخل القطار .

• المرآة المتحركة بسرعة الضوء: يجيب أينشتاين عن تساؤله: "لو تحركت بسرعة الضوء وحملت مرآة، هل سأرى انعكاسي؟" بالإيجاب، بسبب تباطؤ الزمن الذي يحافظ على ثبات $c$ .

النتائج الرياضية والفيزيائية

• تحويلات لورنتز: البديل النسبي لتحويلات غاليليو، يربط بين إحداثيات الأطر المرجعية المتحركة:

  $$t^{\mathrm{\prime }}=\gamma (t-\frac{vx}{c^2}),x^{\mathrm{\prime }}=\gamma (x-vt),\gamma =\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}$$

  حيث $\gamma$ هو عامل لورنتز .

• تمدد الزمن: الزمن يتباطأ في الأطر المتحركة. إذا تحركت ساعة بسرعة $v$، فإن الزمن الذي تقيسه ($t^{\mathrm{\prime }}$) أقل من الزمن في الساعة الثابتة ($t$):

  $$\mathrm{\Delta }{t}^{\mathrm{\prime }}=\gamma \mathrm{\Delta }t$$

  تم إثباته عملياً بتجربة هافيليه-كيتينغ (1971) باستخدام ساعات ذرية على طائرات .

• تقلص الأطوال: الأجسام تقصر في اتجاه حركتها:

  $$L^{\mathrm{\prime }}=\frac{L}{\gamma }$$

• تكافؤ الكتلة والطاقة: أشهر معادلة في الفيزياء:

  $$E=m{c}^2$$

  تُظهر أن الكتلة يمكن تحويلها إلى طاقة .

الجزء الثاني: النسبية العامة (1915)

المبادئ الأساسية

1. مبدأ التكافؤ: لا يمكن تمييز تأثير الجاذبية عن تأثير التسارع. مثال المصعد الشهير:

   • إذا سقط مصعد في حقل جاذبيتي، يصبح الداخل فيه منعدماً الوزن.

   • إذا تسارع مصعد في الفضاء بعجلة $9.8{\text{ م/ث}}^2$، يشعر الراكب بوزن كأنه على الأرض .

2. انحناء الزمكان: الجاذبية ليست "قوة" كما عند نيوتن، بل نتيجة انحناء نسيج الزمكان بسبب الكتلة. كلما زادت الكتلة، زاد الانحناء .

التجارب الفكرية والتنبؤات

• انحناء الضوء: تنبأ أينشتاين أن الضوء ينحني عند مروره بجوار كتلة كبيرة مثل الشمس. حسب زاوية الانحناء أولاً بـ $0.83$ ثانية قوسية (1907)، ثم صححها لاحقاً إلى $1.75$ ثانية قوسية باستخدام هندسة الزمكان .

• تجربة كسوف 1919: قاد آرثر إدينجتون بعثة لرصد كسوف الشمس، وأكد انحراف ضوء النجوم بنسبة تطابق تنبؤ أينشتاين، مما أشهره عالمياً .

التأثيرات الفيزيائية الرئيسية

• الانزياح الأحمر الجذبوي: يفقد الضوء طاقة عند الخروج من حقل جاذبية قوي، مما يزيد طوله الموجي (يُزاح نحو الأحمر):

  $${\lambda }_{\text{مرصود}}>{\lambda }_{\text{منبعث}}$$

  تم قياسه في النجوم القزمة البيضاء .

• تباطؤ الزمن الجذبوي: الزمن يتباطأ قرب الكتل الكبيرة. مثال: ساعات الأقمار الصناعية في نظام GPS تتقدم بفارق 45.7 ميكروثانية يومياً عن ساعات الأرض، ويجب تصحيحها .

• الثقوب السوداء: نتيجة انهيار نجوم ضخمة، حيث يصبح انحناء الزمكان لانهائياً فلا يستطيع الضوء الإفلات .

جدول يلخص الفروق بين النسبية الخاصة والعامة

الجانب	النسبية الخاصة (1905)	النسبية العامة (1915)
المجال	الحركة بسرعة ثابتة	الحركة المتسارعة والجاذبية
المبدأ الأساسي	ثبات سرعة الضوء	تكافؤ الجاذبية والتسارع
البنية الرياضية	تحويلات لورنتز	هندسة ريمانية للزمكان المنحني
التأثيرات	تمدد الزمن، تقلص الأطوال	انحناء الضوء، تبطؤ الزمن الجذبوي
التجارب المحورية	تجربة هافيل-كيتينغ (1971)	كسوف إدينجتون (1919)

التجارب العملية والدلائل الفلكية

• موجات الجاذبية: رصدها مرصد LIGO عام 2015، تأكيداً لتنبؤ أينشتاين بأن الكتل المتسارعة تُنتج تموجات في الزمكان .

• عدسات الجاذبية: انحناء الضوء حول المجرات يُنتج ظاهرة "حلقات أينشتاين" أو "صليب أينشتاين"، تُستخدم لدراسة الكون البعيد .

• صورة الثقب الأسود (2019): التقط تلسكوب Event Horizon Telescope صورة لثقب أسود في مجرة M87، تطابق تنبؤات النسبية العامة بدقة .

التحديات والأسئلة المفتوحة

• الجاذبية الكمية: فشل التوحيد بين النسبية العامة وميكانيكا الكم. نظريات مثل الأوتار الفائقة تحاول حل هذا الإشكال .

• المادة المظلمة والطاقة المظلمة: تشكل 95% من الكون، ولا تُفسر بشكل مباشر بالنسبية العامة .

• حدود النظرية: تفقد النسبية العامة تماسكها عند المفردات (مراكز الثقوب السوداء) أو في الانفجار العظيم .

خاتمة: إرث أينشتاين وتأثير النظرية

غيّرت النسبية نظرتنا للكون من خلال:

• توحيد الزمان والمكان في نسيج واحد: الزمكان.

• تحويل الجاذبية من "قوة" إلى خاصية هندسية.

• تمهيد الطريق لعلم الكون الحديث ونماذج الانفجار العظيم.

يقول أينشتاين في خاتمة كتابه:

"أتمنى أن يهيئ هذا الكتاب للقراء لحظات من التفكير الملهم" .
وبعد قرن من نشرها، لا تزال النظرية تحقق ذلك، من خلال إجاباتها العميقة وأسئلتها الأعمق عن طبيعة الواقع.

---

المصادر 

1. Noor Book - تحميل كتاب النسبية

2. ويكيبيديا - مدخل إلى النسبية العامة

3. ويكيبيديا - نظرية النسبية

4. سايوير بود - مرور 100 عام على النسبية

5. فيزيكس بي دي إف - تبسيط النسبية الخاصة

6. هسبريس - تبسيط شرح نظرية النسبية

7. مجلتك - أينشتاين والنظرية النسبية

8. فولابوك - تحميل كتاب النسبية

9. ناسا بالعربي - النظرية النسبية العامة

10. مانا - نظريتا النسبية الخاصة والعامة