الأفكار الأساسية للنظرية النسبية لأينشتاين

استخدم الفيزيائي الثوري خياله بدلاً من الرياضيات المعقدة للتوصل إلى معادلته الأكثر شهرة وأناقة. يُعرف أينشتاين بتنبؤه بظواهر غريبة ولكنها حقيقية، مثل شيخوخة رواد الفضاء في الفضاء بشكل أبطأ من البشر على الأرض، وتغير أشكال الأجسام الصلبة بسرعات عالية.

لكن الأمر المثير للاهتمام هو أنه إذا التقطت نسخة من بحث أينشتاين الأصلي عام 1905 حول النسبية، فمن السهل جدًا فك شفرته. النص بسيط وواضح، والمعادلات في الغالب جبرية - ويمكن لأي طالب في المدرسة الثانوية فهمها.

وذلك لأن الرياضيات المعقدة لم تكن قط نقطة قوة أينشتاين. كان يحب التفكير بصريًا، وإجراء التجارب في مخيلته والتفكير فيها حتى تتضح الأفكار والمبادئ الفيزيائية تمامًا.

هذا هو المكان الذي بدأت فيه تجارب أينشتاين الفكرية عندما كان عمره 16 عامًا فقط، وكيف قادته في النهاية إلى المعادلة الأكثر ثورية في الفيزياء الحديثة.

بحلول هذه المرحلة من حياة أينشتاين، كان ازدراءه الخفي لجذوره الألمانية وأساليب التدريس الاستبدادية في ألمانيا قد أثر بالفعل، وتم طرده من المدرسة الثانوية، لذلك انتقل إلى زيورخ على أمل الالتحاق بالمعهد الفيدرالي السويسري للعلوم. التكنولوجيا (إث).

لكن أولاً، قرر أينشتاين قضاء عام من التحضير في مدرسة في بلدة آراو المجاورة. عند هذه النقطة، سرعان ما وجد نفسه يتساءل عما سيكون عليه الأمر عند الركض بجوار شعاع من الضوء.

لقد تعلم أينشتاين بالفعل في صف الفيزياء ما هو شعاع الضوء: مجموعة من المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتذبذبة تتحرك بسرعة 300 ألف كيلومتر في الثانية، وهي سرعة الضوء المقاسة. أدرك أينشتاين أنه إذا ركض بالقرب منه بنفس السرعة، فيمكنه رؤية العديد من المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتذبذبة بجواره، كما لو كان متجمدًا في الفضاء.

لكن هذا كان مستحيلا. أولاً، قد تنتهك الحقول الثابتة معادلات ماكسويل، وهي القوانين الرياضية التي تكمن وراء كل ما يعرفه الفيزيائيون عن الكهرباء والمغناطيسية والضوء. كانت هذه القوانين (ولا تزال) صارمة للغاية: أي موجات في هذه المجالات يجب أن تنتقل بسرعة الضوء ولا يمكنها أن تقف ساكنة، بدون استثناءات.

والأسوأ من ذلك أن المجالات الثابتة لم تتوافق مع مبدأ النسبية، الذي كان معروفًا لدى الفيزيائيين منذ أيام غاليليو ونيوتن في القرن السابع عشر. في الأساس، يقول مبدأ النسبية أن قوانين الفيزياء لا يمكن أن تعتمد على مدى سرعة حركتك: يمكنك فقط قياس سرعة جسم واحد بالنسبة إلى جسم آخر.

ولكن عندما طبق أينشتاين هذا المبدأ على تجربته الفكرية، نشأ تناقض: فقد فرضت النسبية أن أي شيء يمكنه رؤيته عند التحرك بالقرب من شعاع الضوء، بما في ذلك الحقول الثابتة، يجب أن يكون شيئًا عاديًا يمكن للفيزيائيين صنعه في المختبر. لكن لم يلاحظ أحد هذا من قبل.

ستطارد هذه المشكلة أينشتاين لمدة 10 سنوات أخرى، حيث درس وعمل في ETH وانتقل إلى العاصمة السويسرية برن، حيث سيصبح فاحصًا في مكتب براءات الاختراع السويسري. وهناك سيحل المفارقة مرة واحدة وإلى الأبد.

1904: قياس الضوء من قطار متحرك

لم يكن الأمر سهلا. لقد جرب أينشتاين كل الحلول التي يمكن أن يفكر فيها، ولكن لم ينجح أي شيء. وبعد أن شعر باليأس تقريبًا، بدأ يفكر في حل بسيط ولكنه جذري. ربما كانت معادلات ماكسويل صالحة لكل شيء، كما اعتقد، لكن سرعة الضوء كانت دائمًا ثابتة.

بمعنى آخر، عندما ترى شعاعًا من الضوء يطير بالقرب منك، لا يهم ما إذا كان مصدره يتحرك نحوك، أو بعيدًا عنك، أو بعيدًا عنك، أو في أي مكان آخر، ولا يهم مدى سرعة مصدره. متحرك. سرعة الضوء التي تقيسها ستكون دائمًا 300 ألف كيلومتر في الثانية. ومن بين أمور أخرى، كان هذا يعني أن أينشتاين لن يرى أبدًا مجالات متذبذبة ثابتة، لأنه لن يتمكن أبدًا من التقاط شعاع من الضوء.

وكانت هذه هي الطريقة الوحيدة التي رأى أينشتاين أنها ستوفق بين معادلات ماكسويل ومبدأ النسبية. لكن للوهلة الأولى، كان لهذا الحل عيبه القاتل. وقد شرح ذلك لاحقًا بتجربة فكرية أخرى: تخيل شعاعًا يتم إطلاقه على طول جسر السكك الحديدية بينما يمر قطار في نفس الاتجاه بسرعة 3000 كيلومتر في الثانية على سبيل المثال.

سيتعين على أي شخص يقف بالقرب من الجسر قياس سرعة شعاع الضوء والحصول على الرقم القياسي وهو 300000 كيلومتر في الثانية. لكن شخص ما في القطار سيرى الضوء يتحرك بسرعة 297000 كيلومتر في الثانية. واستنتج أينشتاين أنه إذا لم تكن سرعة الضوء ثابتة، فإن معادلة ماكسويل داخل العربة يجب أن تبدو مختلفة، وعندها سيتم انتهاك مبدأ النسبية.

هذا التناقض الواضح جعل أينشتاين يتوقف لمدة عام تقريبًا. ولكن في صباح أحد الأيام الجميلة من شهر مايو عام 1905، كان يسير للعمل مع صديقه المفضل ميشيل بيسو، وهو مهندس كان يعرفه منذ أيام دراسته في زيورخ. تحدث الرجلان عن معضلة أينشتاين، كما كانا يفعلان دائمًا. وفجأة رأى أينشتاين الحل. لقد عمل على ذلك طوال الليل، وعندما التقيا في صباح اليوم التالي، قال أينشتاين لبيسو: «شكرًا لك. لقد قمت بحل المشكلة تماما."

مايو 1905: البرق يضرب قطارًا متحركًا

كان اكتشاف أينشتاين هو أن المراقبين في الحركة النسبية يدركون الوقت بشكل مختلف: فمن الممكن تمامًا أن يحدث حدثان في وقت واحد من وجهة نظر مراقب واحد، ولكن في أوقات مختلفة من وجهة نظر آخر. وسيكون كلا المراقبين على حق.

وقد أوضح أينشتاين وجهة نظره فيما بعد بتجربة فكرية أخرى. تخيل أن مراقبًا يقف مرة أخرى بجوار السكة الحديد ويمر به قطار سريعًا. في اللحظة التي تمر فيها النقطة المركزية للقطار بالمراقب، يضرب البرق طرفي القطار. وبما أن البرق يضرب على نفس المسافة من الراصد، فإن ضوءها يدخل عينيه في نفس الوقت. سيكون من العدل أن نقول أن البرق يضرب في وقت واحد.

وفي الوقت نفسه، يجلس مراقب آخر بالضبط في وسط القطار. ومن وجهة نظره، فإن الضوء الناتج عن ضربتين من البرق يقطع نفس المسافة وستكون سرعة الضوء هي نفسها في أي اتجاه. لكن بما أن القطار يتحرك، فإن الضوء القادم من البرق الخلفي يجب أن يقطع مسافة أكبر، وبالتالي يصل إلى الراصد بعد لحظات قليلة من وصول الضوء من البداية. وبما أن نبضات الضوء تصل في أوقات مختلفة، فيمكننا أن نستنتج أن ضربات البرق ليست متزامنة، فواحدة منها تحدث بشكل أسرع.

لقد أدرك أينشتاين أن هذا التزامن هو بالتحديد ما هو نسبي. وبمجرد قبولك لهذا، فإن التأثيرات الغريبة التي نربطها الآن بالنسبية سيتم حلها باستخدام الجبر البسيط.

كتب أينشتاين أفكاره بشكل محموم وقدم أعماله للنشر. وكان عنوانه "في الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة"، وهو يعكس محاولة أينشتاين ربط معادلات ماكسويل بمبدأ النسبية. تلقى بيسو شكر خاص.

سبتمبر 1905: الكتلة والطاقة

لكن هذا العمل الأول لم يكن الأخير. كان أينشتاين مهووسًا بالنسبية حتى صيف عام 1905، وفي سبتمبر قدم بحثًا ثانيًا للنشر، هذه المرة بأثر رجعي.

لقد كان مبنيًا على تجربة فكرية أخرى. قال: تخيل شيئًا في حالة سكون. تخيل الآن أنه يصدر في نفس الوقت نبضتين متطابقتين من الضوء في اتجاهين متعاكسين. سيبقى الجسم في مكانه، ولكن بما أن كل نبضة تحمل كمية معينة من الطاقة، فإن الطاقة الموجودة في الجسم ستنخفض.

الآن، كتب أينشتاين، كيف ستبدو هذه العملية لمراقب متحرك؟ من وجهة نظره، سيستمر الجسم ببساطة في التحرك في خط مستقيم بينما تطير النبضتان بعيدًا. لكن حتى لو ظلت سرعة النبضتين كما هي - سرعة الضوء - فإن طاقتيهما ستكون مختلفة. إن الدافع الذي يتحرك للأمام في اتجاه السفر سيكون له طاقة أعلى من الدافع الذي يتحرك في الاتجاه المعاكس.

وبإضافة القليل من الجبر، أظهر أينشتاين أنه لكي يكون هذا متسقًا، يجب ألا يفقد الجسم الطاقة عند إرسال نبضات ضوئية فحسب، بل يجب أيضًا أن يفقد الكتلة. أو يجب أن تكون الكتلة والطاقة قابلة للتبادل. وكتب أينشتاين المعادلة التي تربط بينهما. وأصبحت المعادلة الأكثر شهرة في تاريخ العلم: E=mc2.

إحدى لآلئ الفكر العلمي في تاج المعرفة الإنسانية التي دخلنا بها القرن الحادي والعشرين هي النظرية النسبية العامة (المشار إليها فيما بعد باسم GTR). لقد تم تأكيد هذه النظرية من خلال عدد لا يحصى من التجارب، وسأقول أكثر من ذلك، لا توجد تجربة واحدة تختلف فيها ملاحظاتنا ولو قليلاً، ولو قليلاً، عن تنبؤات النظرية النسبية العامة. في حدود إمكانية تطبيقه بالطبع.

اليوم أريد أن أخبركم ما هو نوع الوحش الذي تمثله هذه النظرية النسبية العامة. لماذا هو صعب جدا ولماذا في الحقيقةانها بسيطة جدا. كما تفهم بالفعل، سوف يذهب التفسير على أصابعك™لذلك، أطلب منك عدم الحكم بقسوة شديدة على التفسيرات المجانية جدًا وليس الرموز الصحيحة تمامًا. أريد أن يقرأ أي شخص هذا التفسير إنسانية، دون أي معرفة بحساب التفاضل والتكامل السطحي، كان قادرًا على فهم أساسيات النسبية العامة. بعد كل شيء، تاريخيا، هذه هي واحدة من أولى النظريات العلمية التي بدأت في الابتعاد عن التجربة الإنسانية اليومية المعتادة. في الميكانيكا النيوتونية، كل شيء بسيط؛ ثلاثة أصابع تكفي لشرح ذلك: هنا القوة، هنا الكتلة، هنا التسارع. هنا سقوط تفاحة على رأسك (هل رأى الجميع كيف تسقط التفاح؟)، هنا تسارع سقوطها الحر، وهنا القوى المؤثرة عليها.

في النسبية العامة، ليس كل شيء بهذه البساطة - انحناء الفضاء، وتمدد الزمن بفعل الجاذبية، والثقوب السوداء - كل هذا يجب أن يسبب (ويفعل!) الكثير من الشكوك الغامضة لدى شخص غير مستعد - هل تعبث بأذني، يا صاح؟ ما هي انحناءات الفضاء؟ من رأى هذه التشوهات، من أين أتت، كيف يمكن تصور شيء كهذا؟

دعونا نحاول معرفة ذلك.

وكما يمكن أن يُفهم من اسم النظرية النسبية العامة، فإن جوهرها هو ذلك بشكل عام، كل شيء في العالم نسبي.نكتة. ليس حقا بالرغم من ذلك.

سرعة الضوء هي الكمية التي ترتبط بها جميع الأشياء الأخرى في العالم. أي إطارات مرجعية متساوية، بغض النظر عن مكان تحركها، ومهما فعلت، حتى أنها تدور في مكانها، وحتى تتحرك بتسارع (وهي ضربة خطيرة لنيوتن وجاليليو، اللذين اعتقدا أن الإطارات المتحركة بشكل منتظم ومستقيم فقط) يمكن أن تكون المرجعية نسبية ومتساوية، وحتى في هذه الحالة، فقط في إطار الميكانيكا الأولية) - ومع ذلك، يمكنك دائمًا العثور على حيلة ذكية(علميا يسمى هذا تحويل التنسيق)، والتي من خلالها سيكون من الممكن الانتقال دون ألم من إطار مرجعي إلى آخر، دون فقدان أي شيء عمليًا على طول الطريق.

هناك مسلمة ساعدت أينشتاين في التوصل إلى مثل هذا الاستنتاج (دعني أذكرك - عبارة منطقية تؤخذ على الإيمان دون دليل لوضوحها) "على المساواة بين الجاذبية والتسارع". (انتبه، هناك تبسيط قوي للصياغات هنا، ولكن بشكل عام كل شيء صحيح - إن تكافؤ تأثيرات الحركة المتسارعة بشكل منتظم والجاذبية يقع في قلب النسبية العامة).

أثبت هذه الفرضية، أو على الأقل عقليا ليتذوقبسيط جدا. مرحبا بكم في مصعد أينشتاين.

فكرة هذه التجربة الفكرية هي أنه إذا كنت محبوسًا في مصعد بدون نوافذ وأبواب، فليس هناك أدنى طريقة على الإطلاق لمعرفة الوضع الذي أنت فيه: إما أن يستمر المصعد في الوقوف كما هو وقفت على مستوى الطابق الأرضي، وأنت (وجميع محتويات المصعد الأخرى) تعمل قوة الجذب المعتادة، أي. قوة جاذبية الأرض، أو تم إخراج كوكب الأرض بأكمله من تحت قدميك، وبدأ المصعد في الارتفاع إلى أعلى، بتسارع يساوي تسارع السقوط الحر ز=9.8 م/ث 2 .

ومهما فعلت، ومهما قمت بإجراء التجارب، ومهما قمت بإجراء قياسات للأشياء والظواهر المحيطة، فمن المستحيل التمييز بين هاتين الحالتين، وفي الحالتين الأولى والثانية، ستتم جميع العمليات في المصعد تحدث بالضبط نفس الشيء.

ربما يعرف القارئ الذي يحمل علامة النجمة (*) طريقة واحدة صعبة للخروج من هذه الصعوبة. قوى المد والجزر. إذا كان المصعد كبيرًا جدًا (جدًا جدًا)، ويبلغ عرضه 300 كيلومتر، فمن الممكن نظريًا التمييز بين الجاذبية والتسارع عن طريق قياس قوة الجاذبية (أو حجم التسارع، لا نعرف حتى الآن أيهما) عند مستويات مختلفة. نهايات المصعد. سيتم ضغط مثل هذا المصعد الضخم قليلاً بواسطة قوى المد والجزر في المقطع العرضي وتمديده قليلاً في المستوى الطولي. لكن هذه بالفعل حيل. إذا كان المصعد صغيرًا بدرجة كافية، فلن تتمكن من اكتشاف أي قوى مد وجزر. لذلك دعونا لا نتحدث عن الأشياء الحزينة.

في المجموع، في مصعد صغير إلى حد ما يمكننا أن نفترض ذلك الجاذبية والتسارع هما نفس الشيء. يبدو أن الفكرة واضحة، وحتى تافهة. قد تقول ما هو الجديد أو المعقد هنا، حتى الطفل يجب أن يفهمه! نعم، من حيث المبدأ، لا شيء معقد. ولم يكن أينشتاين هو من اخترع هذا؛ فمثل هذه الأشياء كانت معروفة قبل ذلك بكثير.

قرر أينشتاين معرفة كيفية تصرف شعاع الضوء في مثل هذا المصعد. لكن هذه الفكرة كان لها عواقب بعيدة المدى، لم يفكر فيها أحد جديًا حتى عام 1907. أعني، لأكون صادقًا، كثير من الناس فكروا في الأمر، لكن واحدًا فقط هو الذي قرر المشاركة بعمق.

دعونا نتخيل أننا نسلط مصباحًا يدويًا على أينشتاين في مصعدنا العقلي. طار شعاع من الضوء من أحد جدران المصعد، من النقطة 0) وطار موازيًا للأرضية باتجاه الجدار المقابل. بينما المصعد واقف، فمن المنطقي أن نفترض أن شعاع الضوء سوف يضرب الجدار المقابل تماما لنقطة البداية 0)، أي. سيصل إلى النقطة 1). تنتقل أشعة الضوء في خط مستقيم، وذهب الجميع إلى المدرسة، وقد تعلموا جميعًا هذا في المدرسة، وكذلك فعل الشاب ألبرتيك.

من السهل تخمين أنه إذا ارتفع المصعد، فخلال الوقت الذي كانت فيه الحزمة تطير عبر المقصورة، سيكون لديها وقت للتحرك قليلا.
وإذا تحرك المصعد بتسارع منتظم، فإن الشعاع سيضرب الجدار عند النقطة 2)، أي عندما ينظر إليها من الجانبسيبدو أن الضوء يتحرك كما لو كان في قطع مكافئ.

حسنًا، من الواضح ذلك في الحقيقةلا يوجد القطع المكافئ. طار الشعاع بشكل مستقيم ولا يزال كذلك. الأمر فقط هو أنه بينما كان يطير في خط مستقيم، تمكن المصعد من الارتفاع قليلاً، وها نحن هنا يبدوأن الشعاع تحرك في شكل قطع مكافئ.

كل شيء مبالغ فيه ومبالغ فيه بالطبع. تجربة فكرية، لماذا يطير الضوء ببطء، وتتحرك المصاعد بسرعة. لا يوجد شيء رائع بشكل خاص هنا، كل هذا يجب أن يكون مفهوما لأي تلميذ. يمكنك إجراء تجربة مماثلة في المنزل. كل ما عليك فعله هو العثور على "عوارض بطيئة جدًا" ومصاعد جيدة وسريعة.

ولكن أينشتاين كان عبقريا حقا. اليوم يوبخه كثير من الناس، وكأنه لا شيء ولا شيء على الإطلاق، لقد جلس في مكتب براءات الاختراع الخاص به، ونسج مؤامراته اليهودية وسرق الأفكار من فيزيائيون حقيقيون. معظم الذين يقولون هذا لا يفهمون على الإطلاق من هو أينشتاين وماذا فعل من أجل العلم والإنسانية.

قال أينشتاين - بما أن "الجاذبية والتسارع متساويان" (أكرر مرة أخرى، لم يقل ذلك بالضبط، أنا أبالغ وأبسط عمدا)، فهذا يعني أنه في وجود مجال الجاذبية (على سبيل المثال، بالقرب من الأرض) كوكب الأرض)، الضوء أيضًا لن يطير في خط مستقيم، بل على طول منحنى. سوف الجاذبية ثني شعاع الضوء.

والتي كانت في حد ذاتها بدعة مطلقة في ذلك الوقت. يجب أن يعرف أي فلاح أن الفوتونات هي جسيمات عديمة الكتلة. وهذا يعني أن الضوء "لا يزن" أي شيء. ولذلك، لا ينبغي للضوء أن يهتم بالجاذبية؛ ولا ينبغي أن "ينجذب" إلى الأرض، كما تنجذب الحجارة والكرات والجبال. إذا كان أي شخص يتذكر صيغة نيوتن، فإن الجاذبية تتناسب عكسيا مع مربع المسافة بين الأجسام وتتناسب طرديا مع كتلتها. إذا كان شعاع الضوء ليس له كتلة (والضوء ليس له كتلة حقًا)، فلا ينبغي أن يكون هناك أي جاذبية! هنا بدأ المعاصرون ينظرون إلى أينشتاين بعين الشك.

وقد ذهب هو، العدوى، إلى أبعد من ذلك. يقول أننا لن نكسر رؤوس الفلاحين. لنصدق أن الإغريق القدماء (مرحبًا أيها الإغريق القدماء!) دعوا الضوء ينتشر كما كان من قبل بدقة في خط مستقيم. لنفترض بشكل أفضل أن الفضاء نفسه حول الأرض (وأي جسم له كتلة) ينحني. وليس فقط الفضاء ثلاثي الأبعاد، بل الزمكان رباعي الأبعاد.

أولئك. طار الضوء في خط مستقيم وما زال كذلك. فقط هذا الخط المستقيم لا يتم رسمه الآن على مستوى، بل يقع على نوع من المناشف المجعدة. وبصورة ثلاثية الأبعاد أيضًا. والوجود الوثيق للكتلة هو الذي ينهار هذه المنشفة. حسنًا، وبشكل أكثر دقة، وجود زخم الطاقة، على وجه الدقة تمامًا.

كل شيء له - "ألبيرتيك، أنت تقود السيارة، توقف عن تناول الأفيون في أسرع وقت ممكن، لأن عقار إل إس دي لم يتم اختراعه بعد، وبالتأكيد لن تفكر في شيء كهذا برأس رصين! يا لها من مساحة منحنية! " انت تتكلم عن؟"

وكان أينشتاين يقول: "سأريكم مرة أخرى!"

حبس نفسك في برجك الأبيض (أعني في مكتب براءات الاختراع) ودعنا نضبط الرياضيات على الأفكار. لقد دفعت لمدة 10 سنوات حتى أنجبت هذا:

بتعبير أدق، هذا هو جوهر ما ولد. في النسخة الأكثر تفصيلاً هناك 10 صيغ مستقلة، وفي النسخة الكاملة هناك صفحتين من الرموز الرياضية بخط صغير.

إذا قررت أن تأخذ دورة حقيقية في النسبية العامة، فإن الجزء التمهيدي ينتهي هنا ثم يجب أن يتبع ذلك فصلين دراسيين من دراسة اللغة القاسية. وللتحضير لدراسة هذه الرياضيات، تحتاج إلى ثلاث سنوات أخرى على الأقل من الرياضيات العليا، نظرًا لأنك تخرجت من المدرسة الثانوية وعلى دراية بحساب التفاضل والتكامل.

جنبًا إلى جنب، المتان هناك ليس معقدًا بقدر ما هو ممل. حساب التفاضل والتكامل الموتر في الفضاء الريماني الزائف ليس موضوعًا مربكًا للغاية لفهمه. هذه ليست ديناميكا لونية كمية، أو لا سمح الله، ليست نظرية الأوتار. كل شيء واضح هنا، كل شيء منطقي. هنا فضاء ريمان، هنا متشعب بدون فواصل أو طيات، هنا موتر متري، هنا مصفوفة غير متدهورة، اكتب الصيغ لنفسك، وقم بموازنة المؤشرات، مع التأكد من أن التمثيلات المتغيرة والمتناقضة للمتجهات على جانبي الشكل المعادلة تتوافق مع بعضها البعض. ليست صعبة. انها طويلة ومملة.

لكن دعونا لا نذهب إلى هذا الحد ونعود إليه إلى أصابعنا™. في رأينا، وبطريقة بسيطة، تعني صيغة أينشتاين ما يلي تقريبًا. على يسار علامة المساواة في الصيغة يوجد موتر أينشتاين بالإضافة إلى الموتر المتري المتغير والثابت الكوني (Λ). هذا لامدا هو في الأساس الطاقة المظلمةالذي لا يزال لدينا اليوم نحن لا نعرف شيئاولكننا نحب ونحترم. وأينشتاين لا يعرف ذلك حتى الآن. لديها قصتها الخاصة المثيرة للاهتمام، والتي تستحق مقالًا منفصلاً بالكامل.

باختصار، كل شيء على يسار علامة التساوي يوضح كيف تتغير هندسة الفضاء، أي. كيف ينحني ويلتوي تحت تأثير الجاذبية.

وعلى اليمين، بالإضافة إلى الثوابت المعتادة مثل π سرعة الضوء ج وثابت الجاذبية ز هناك خطاب ت- موتر زخم الطاقة. بمصطلحات لامر، يمكننا اعتبار أن هذا هو التكوين لكيفية توزيع الكتلة في الفضاء (وبشكل أكثر دقة، الطاقة، لأن ما هي الكتلة أو الطاقة هي نفسها؟ ساحة إمتسي) من أجل خلق الجاذبية وثني الفضاء بها ليتوافق مع الجانب الأيسر من المعادلة.

هذه، من حيث المبدأ، هي النظرية النسبية العامة برمتها على أصابعك™.

قبل مائة عام، في عام 1915، اقترح عالم سويسري شاب، الذي كان في ذلك الوقت قد حقق بالفعل اكتشافات ثورية في الفيزياء، فهمًا جديدًا للجاذبية.

في عام 1915، نشر أينشتاين النظرية النسبية العامة، التي تصف الجاذبية بأنها خاصية أساسية للزمكان. وقدم سلسلة من المعادلات التي وصفت تأثير انحناء الزمكان على طاقة وحركة المادة والإشعاع الموجود فيها.

بعد مائة عام، أصبحت النظرية النسبية العامة (GTR) الأساس لبناء العلم الحديث، فقد صمدت أمام جميع الاختبارات التي هاجمها العلماء.

ولكن حتى وقت قريب كان من المستحيل إجراء تجارب في ظل ظروف قاسية لاختبار مدى استقرار النظرية.

إنه لأمر مدهش مدى قوة النظرية النسبية التي أثبتت قوتها خلال 100 عام. ما زلنا نستخدم ما كتبه أينشتاين!

كليفورد ويل، عالم فيزياء نظرية، جامعة فلوريدا

يمتلك العلماء الآن التكنولوجيا اللازمة للبحث عن فيزياء تتجاوز النسبية العامة.

نظرة جديدة على الجاذبية

تصف النظرية النسبية العامة الجاذبية ليس كقوة (كما يظهر في الفيزياء النيوتونية)، بل كانحناء في الزمكان بسبب كتلة الأجسام. تدور الأرض حول الشمس ليس لأن النجم يجذبها، بل لأن الشمس تشوه الزمكان. إذا وضعت كرة بولينج ثقيلة على بطانية ممتدة، فسوف يتغير شكل البطانية - تؤثر الجاذبية على الفضاء بنفس الطريقة تقريبًا.

تنبأت نظرية أينشتاين ببعض الاكتشافات المجنونة. على سبيل المثال، احتمال وجود الثقوب السوداء، التي تعمل على ثني الزمكان إلى حد أنه لا يمكن لأي شيء الهروب من الداخل، ولا حتى الضوء. واستنادا إلى هذه النظرية، تم العثور على دليل على الرأي المقبول عموما اليوم بأن الكون يتوسع ويتسارع.

تم تأكيد النسبية العامة من خلال العديد من الملاحظات. استخدم أينشتاين نفسه النسبية العامة لحساب مدار عطارد، الذي لا يمكن وصف حركته بقوانين نيوتن. تنبأ أينشتاين بوجود أجسام ضخمة جدًا لدرجة أنها تحني الضوء. هذه ظاهرة عدسة الجاذبية التي غالبًا ما يواجهها علماء الفلك. على سبيل المثال، يعتمد البحث عن الكواكب الخارجية على تأثير التغيرات الطفيفة في الإشعاع الذي ينحني بواسطة مجال جاذبية النجم الذي يدور حوله الكوكب.

اختبار نظرية أينشتاين

تعمل النسبية العامة بشكل جيد مع الجاذبية العادية، كما يتضح من التجارب التي أجريت على الأرض وملاحظات كواكب النظام الشمسي. لكن لم يتم اختباره مطلقًا في ظل ظروف مجالات قوية للغاية في مساحات تقع على حدود الفيزياء.

الطريقة الأكثر واعدة لاختبار النظرية في ظل هذه الظروف هي مراقبة التغيرات في الزمكان التي تسمى موجات الجاذبية. وهي تظهر نتيجة لأحداث كبيرة، مثل اندماج جسمين ضخمين، مثل الثقوب السوداء، أو الأجسام الكثيفة بشكل خاص - النجوم النيوترونية.

إن عرض الألعاب النارية الكونية بهذا الحجم لن يعكس إلا أصغر التموجات في الزمكان. على سبيل المثال، إذا اصطدم ثقبان أسودان واندمجا في مكان ما في مجرتنا، فإن موجات الجاذبية يمكن أن تتمدد وتضغط المسافة بين الأجسام التي تقع على مسافة متر واحد على الأرض بمقدار جزء من الألف من قطر النواة الذرية.

ظهرت تجارب يمكنها تسجيل التغييرات في الزمكان بسبب مثل هذه الأحداث.

هناك فرصة جيدة لاكتشاف موجات الجاذبية في العامين المقبلين.

كليفورد ويل

يستخدم مرصد قياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية (LIGO)، مع مراصد بالقرب من ريتشلاند بواشنطن، وليفينغستون بولاية لويزيانا، الليزر للكشف عن التشوهات الدقيقة في أجهزة الكشف المزدوجة على شكل حرف L. عندما تمر تموجات الزمكان عبر أجهزة الكشف، فإنها تمدد وتضغط الفضاء، مما يتسبب في تغيير أبعاد الكاشف. ويستطيع مرصد LIGO قياسها.

بدأ مرصد LIGO سلسلة من عمليات الإطلاق في عام 2002، لكنه فشل في تحقيق النتائج. تم إجراء تحسينات في عام 2010، ومن المفترض أن يتم تشغيل خليفة المنظمة، Advanced LIGO، مرة أخرى هذا العام. تهدف العديد من التجارب المخطط لها إلى البحث عن موجات الجاذبية.

هناك طريقة أخرى لاختبار النظرية النسبية وهي النظر إلى خصائص موجات الجاذبية. على سبيل المثال، يمكن أن تكون مستقطبة، مثل الضوء الذي يمر عبر النظارات المستقطبة. وتتنبأ النظرية النسبية بملامح مثل هذا التأثير، وأي انحراف عن الحسابات قد يصبح سببا للشك في النظرية.

النظرية الموحدة

ويعتقد كليفورد ويل أن اكتشاف موجات الجاذبية لن يؤدي إلا إلى تعزيز نظرية أينشتاين:

أعتقد أننا يجب أن نستمر في البحث عن أدلة النسبية العامة حتى نتأكد من صحتها.

لماذا هذه التجارب مطلوبة على الإطلاق؟

من أهم مهام الفيزياء الحديثة وأكثرها مراوغة هو البحث عن نظرية تربط بين أبحاث أينشتاين، أي علم الكون الكبير، وميكانيكا الكم، حقيقة أصغر الأشياء.

قد يتطلب التقدم في هذا المجال، الجاذبية الكمومية، تغييرات في النسبية العامة. من الممكن أن تتطلب تجارب الجاذبية الكمومية قدرًا كبيرًا من الطاقة بحيث يكون من المستحيل تنفيذها. يقول ويل: «لكن من يدري، ربما يكون هناك تأثير في الكون الكمي غير مهم، لكنه قابل للبحث».

إن النظرية النسبية العامة، إلى جانب النظرية النسبية الخاصة، هما العمل الرائع لألبرت أينشتاين، الذي غير في بداية القرن العشرين الطريقة التي ينظر بها الفيزيائيون إلى العالم. وبعد مرور مائة عام، أصبحت النسبية العامة هي النظرية الأساسية والأكثر أهمية في الفيزياء في العالم، وتدعي جنبًا إلى جنب مع ميكانيكا الكم أنها أحد حجري الزاوية في "نظرية كل شيء". تصف النظرية النسبية العامة الجاذبية بأنها نتيجة لانحناء الزمكان (المتحد في النسبية العامة في كل واحد) تحت تأثير الكتلة. بفضل النسبية العامة، استنتج العلماء العديد من الثوابت، واختبروا مجموعة من الظواهر غير المبررة وتوصلوا إلى أشياء مثل الثقوب السوداء، والمادة المظلمة والطاقة المظلمة، وتوسع الكون، والانفجار الكبير، وغير ذلك الكثير. اعترضت GTR أيضًا على تجاوز سرعة الضوء، وبالتالي محاصرةنا حرفيًا في محيطنا (النظام الشمسي)، لكنها تركت ثغرة على شكل ثقوب دودية - وهي مسارات قصيرة محتملة عبر الزمكان.

لقد بدت النظرية النسبية لأينشتاين دائمًا مجردة وغير مفهومة بالنسبة لي. دعونا نحاول وصف نظرية أينشتاين النسبية بكلمات بسيطة. تخيل أنك بالخارج تحت أمطار غزيرة والرياح تهب على ظهرك. إذا بدأت بالجري بسرعة، فلن تسقط قطرات المطر على ظهرك. ستكون القطرات أبطأ أو لن تصل إلى ظهرك على الإطلاق، وهذه حقيقة مثبتة علميًا، ويمكنك التحقق من ذلك بنفسك في عاصفة ممطرة. تخيل الآن أنك إذا استدرت وركضت ضد الريح مع المطر، فإن القطرات ستضرب ملابسك ووجهك بقوة أكبر مما لو وقفت للتو.

في السابق، اعتقد العلماء أن الضوء يتصرف مثل المطر في الطقس العاصف. لقد اعتقدوا أنه إذا تحركت الأرض حول الشمس، وانتقلت الشمس حول المجرة، فسيكون من الممكن قياس سرعة حركتها في الفضاء. وفي رأيهم، كل ما عليهم فعله هو قياس سرعة الضوء وكيفية تغيرها بالنسبة لجسمين.

فعلها العلماء و وجدت شيئا غريبا جدا. وكانت سرعة الضوء واحدة مهما كانت، ومهما تحركت الأجسام، ومهما كان الاتجاه الذي أخذت فيه القياسات.

كان غريبا جدا. إذا أخذنا الموقف بعاصفة ممطرة، ففي الظروف العادية ستؤثر عليك قطرات المطر بشكل أو بآخر حسب تحركاتك. أوافق، سيكون غريبًا جدًا أن تهب عاصفة ممطرة على ظهرك بنفس القوة، سواء عند الجري أو عند التوقف.

اكتشف العلماء أن الضوء ليس له نفس خصائص قطرات المطر أو أي شيء آخر في الكون. بغض النظر عن مدى سرعة تحركك، وبغض النظر عن الاتجاه الذي تتجه إليه، فإن سرعة الضوء ستكون هي نفسها دائمًا. وهذا أمر محير للغاية ولم يتمكن سوى ألبرت أينشتاين من تسليط الضوء على هذا الظلم.

اكتشف أينشتاين وعالم آخر، هندريك لورنتز، أن هناك طريقة واحدة فقط لشرح كيف يمكن أن يحدث كل هذا. وهذا ممكن فقط إذا تباطأ الوقت.

تخيل ماذا سيحدث إذا تباطأ الزمن بالنسبة لك، ولم تكن تعلم أنك تتحرك بشكل أبطأ. سوف تشعر أن كل شيء آخر يحدث بشكل أسرع.، كل شيء من حولك سوف يتحرك، كما هو الحال في فيلم سريع إلى الأمام.

فلنتخيل الآن أنك تتعرض مرة أخرى لهطول أمطار غزيرة. كيف من الممكن أن يؤثر المطر عليك بنفس الطريقة حتى لو كنت تركض؟ اتضح أنه إذا كنت تحاول الهرب من المطر، إذن سيتباطأ وقتك ويتسارع المطر. ستضرب قطرات المطر ظهرك بنفس السرعة. يسمي العلماء هذا تمدد الزمن. بغض النظر عن مدى سرعة تحركك، فإن وقتك يتباطأ، على الأقل بالنسبة لسرعة الضوء، هذا التعبير صحيح.

ازدواجية الأبعاد

والشيء الآخر الذي اكتشفه أينشتاين ولورنتز هو أن شخصين في ظروف مختلفة يمكن أن يحصلوا على قيم محسوبة مختلفة، والأغرب هو أن كلاهما سيكون على حق. وهذا أثر جانبي آخر للضوء الذي يتحرك دائمًا بنفس السرعة.

دعونا نقوم بتجربة فكرية

تخيل أنك تقف في وسط غرفتك وقمت بتركيب مصباح في منتصف الغرفة مباشرةً. تخيل الآن أن سرعة الضوء بطيئة جدًا ويمكنك أن ترى كيف ينتقل، تخيل أنك تشغل مصباحًا.

بمجرد تشغيل المصباح، سيبدأ الضوء في الانتشار والإضاءة. وبما أن كلا الجدارين على نفس المسافة، فإن الضوء سيصل إلى كلا الجدارين في نفس الوقت.

تخيل الآن أن هناك نافذة كبيرة في غرفتك، ويمر بها أحد أصدقائك. سوف يرى شيئا آخر. بالنسبة له، سيبدو وكأن غرفتك تتحرك نحو اليمين، وعندما تشغل المصباح، سيرى الجدار الأيسر يتحرك نحو الضوء. ويبتعد الجدار الأيمن عن الضوء. سيرى أن الضوء يضرب أولاً الجدار الأيسر، ثم الجدار الأيمن. فيبدو له أن الضوء لم ينير كلا الجدارين في نفس الوقت.

ووفقا للنظرية النسبية لأينشتاين، فإن كلا وجهتي النظر سيكونان على حق. من وجهة نظرك، يضرب الضوء كلا الجدارين في نفس الوقت. من وجهة نظر صديقك، الأمر ليس كذلك. لا يوجد شيء خاطئ.

ولهذا السبب يقول العلماء أن "التزامن أمر نسبي". إذا قمت بقياس شيئين من المفترض أن يحدثا في نفس الوقت، فلن يتمكن شخص يتحرك بسرعة مختلفة أو في اتجاه مختلف من قياسهما بنفس الطريقة التي تستخدمها أنت.

يبدو هذا غريبًا جدًا بالنسبة لنا، لأن سرعة الضوء بالنسبة لنا لحظية، ونحن نتحرك ببطء شديد بالمقارنة معها. وبما أن سرعة الضوء عالية جدًا، فإننا لا نلاحظ سرعة الضوء إلا بعد إجراء تجارب خاصة.

كلما تحرك الجسم بشكل أسرع، كان أقصر وأصغر

تأثير جانبي آخر غريب جدًاأن سرعة الضوء لا تتغير. وبسرعة الضوء تصبح الأشياء المتحركة أقصر.

مرة أخرى، دعونا نتخيل أن سرعة الضوء بطيئة جدًا. تخيل أنك مسافر على متن قطار وقمت بتركيب مصباح في منتصف العربة. تخيل الآن أنك تقوم بتشغيل المصباح، كما هو الحال في الغرفة.

سوف ينتشر الضوء ويصل في نفس الوقت إلى الجدران أمام السيارة وخلفها. بهذه الطريقة يمكنك أيضًا قياس طول العربة عن طريق قياس المدة التي يستغرقها الضوء للوصول إلى كلا الجانبين.

دعونا نفعل الحسابات:

لنتخيل أن الأمر يستغرق ثانية واحدة لقطع مسافة 10 أمتار، ويستغرق الضوء ثانية واحدة للانتشار من المصباح إلى جدار العربة. وهذا يعني أن المصباح يقع على بعد 10 أمتار من جانبي السيارة. بما أن 10 + 10 = 20، فهذا يعني أن طول السيارة 20 مترًا.

لنتخيل الآن أن صديقك في الشارع يشاهد قطارًا يمر بجانبه. تذكر أنه يرى الأشياء بشكل مختلف. يتحرك الجدار الخلفي للعربة نحو المصباح، ويتحرك الجدار الأمامي بعيدًا عنه. بهذه الطريقة، لن يلمس الضوء الجزء الأمامي والخلفي من جدار السيارة في نفس الوقت. سيصل الضوء إلى الخلف أولاً ثم إلى الأمام.

وبالتالي، إذا قمت أنت وصديقك بقياس سرعة انتشار الضوء من المصباح إلى الجدران، فستحصلان على قيم مختلفة، ولكن من وجهة نظر علمية، سيكون كلا الحسابين صحيحين. بالنسبة لك فقط، وفقًا للقياسات، سيكون طول العربة بنفس الحجم، ولكن بالنسبة لصديقك، سيكون طول العربة أقل.

تذكر أن الأمر كله يتعلق بكيفية إجراء القياسات وتحت أي ظروف. فلو كنت داخل صاروخ يتحرك بسرعة الضوء، فلن تشعر بأي شيء غير عادي، على عكس الأشخاص الموجودين على الأرض الذين يقيسون حركتك. لن تتمكن من إدراك أن الوقت كان يتحرك بشكل أبطأ بالنسبة لك، أو أن الجزء الأمامي والخلفي من السفينة أصبحا فجأة أقرب إلى بعضهما البعض.

وفي الوقت نفسه، إذا كنت تطير على متن صاروخ، فسيبدو لك كما لو أن جميع الكواكب والنجوم تحلق أمامك بسرعة الضوء. في هذه الحالة، إذا حاولت قياس وقتهم وحجمهم، فمن المنطقي بالنسبة لهم أن يتباطأ الوقت وأن تنخفض أحجامهم، أليس كذلك؟

كل هذا كان غريبا جدا وغير مفهوم، ولكن اقترح أينشتاين حلاً وجمع كل هذه الظواهر في نظرية نسبية واحدة.