نظرية النسبية الخاصة
وجدت الفيزياء في
نهاية القرن التاسع عشر نفسها في أزمة: كانت هناك نظريات جيدة تمامًا عن
الميكانيكا (نيوتن) والكهرومغناطيسية (ماكسويل) ، لكن يبدو أنها لم تتفق. كان من
المعروف أن الضوء ظاهرة كهرومغناطيسية ، لكنه لم يطيع قوانين الميكانيكا ذاتها. أظهرت
التجارب التي أجراها ألبرت أ. ميشيلسون (1852-1931) وآخرون في ثمانينيات القرن
التاسع عشر أنها سارت دائمًا بنفس السرعة ، بغض النظر عن سرعة مصدرها. صارع علماء
الفيزياء الأقدم مع هذا التناقض بطرق مختلفة. في عام 1892 ، وجد جورج فيتزجيرالد (1851-1901)
وهندريك أ. لورنتز (1853-1928) بشكل مستقل أنهما يمكنهما التوفيق بين النظرية
والتجربة إذا افترضا أن جهاز الكاشف كان يغير حجمه وشكله بطريقة مميزة تعتمد على
حالتها الحركة. في عام 1898 ، اقترح ج. هنري بوانكاريه (1854-1912) أن الفترات
الزمنية ، وكذلك الطول ، قد تكون معتمدة على المراقب ، وحتى تكهن (في عام 1904) أن
سرعة الضوء قد تكون "الحد الأقصى غير مسبوق".
لم يضع أي من هؤلاء
الفيزيائيين البارزين القصة كلها معًا. لقد ترك ذلك للشباب ألبرت أينشتاين (1879-1955)
، الذي بدأ بالفعل في معالجة المشكلة بطريقة جديدة في سن السادسة عشرة (1895-186) عندما
تساءل عما سيكون عليه السفر مع أشعة ضوئية. بحلول عام 1905 ، أظهر أن نتائج FitzGerald و Lorentz تتبعها من
افتراض بسيط ولكن جذري: يجب أن تكون قوانين الفيزياء وسرعة الضوء هي نفسها بالنسبة
لجميع المراقبين المتحركين بشكل موحد ، بغض النظر عن حالة حركتهم النسبية. لكي
يكون هذا صحيحًا ، لم يعد المكان والزمان مستقلين. بدلاً من ذلك ، يتم "تحويلها"
إلى بعضها البعض بطريقة تحافظ على سرعة الضوء ثابتة لجميع المراقبين. (لهذا السبب
يبدو أن الأجسام المتحركة تتقلص ، كما يشتبه فيتزجيرالد ولورنتز ، ولماذا قد يتحرك
المراقبون في قياس الوقت بشكل مختلف ، كما يتكهن Poincaré.) المكان
والزمان نسبيين (أي ، يعتمدان على حركة المراقب الذي يقيس لهم) - والضوء أكثر
أهمية من أي منهما. هذا هو أساس نظرية النسبية الخاصة لآينشتاين (يشير "خاص"
إلى تقييد الحركة الموحدة).
لكن أينشتاين لم
ينهِ المهمة تمامًا. على عكس الاعتقاد السائد ، لم يستنتج أنه يمكن اعتبار الزمان
والمكان مكوّنين من نسيج فضاء رباعي الأبعاد. جاءت تلك البصيرة من هيرمان
مينكوفسكي (1864-1909) ، الذي أعلن عنها في ندوة عام 1908 مع الكلمات الدرامية:
"من الآن فصاعدا ، فإن الفضاء من تلقاء نفسه ، محكوم عليه بالتلاشي إلى مجرد
ظلال ، وفقط من نوع من الاتحاد من الاثنين سيحافظ على حقيقة مستقلة ".
غالبًا ما يتم تصوير
وقت Minkowski ثلاثي
الأبعاد في شكل مخطط ثنائي الأبعاد ، حيث تمثل المحاور الأفقية "المسافة"
(x) والمحور
العمودي "الوقت" (ct). يتم تعريف جدران المخروط بتطور وميض من الضوء يمر من الماضي (المخروط
السفلي) إلى المستقبل (المخروط العلوي) من خلال الحاضر (الأصل). كل الواقع المادي
موجود في هذا المخروط ؛ يتعذر الوصول إلى المنطقة خارج ("مكان آخر") لأن
على المرء أن يسافر أسرع من الضوء للوصول إليه. تقع مسارات جميع الأشياء الحقيقية
على طول "خطوط العالم" داخل المخروط (مثل تلك الموضحة هنا باللون الأحمر).
إن الطبيعة الساكنة على ما يبدو لهذه الصورة ، والتي لا يبدو أن التاريخ "يحدث"
فيها بل "هناك بالفعل" ، قد أعطت الكتاب والفلاسفة طريقة جديدة للتفكير
في القضايا القديمة التي تنطوي على الحتمية والإرادة الحرة.
مبدأ التكافؤ
بعد فترة وجيزة من
إكمال نظريته الخاصة ، كان لدى آينشتاين "أسعد فكر في حياته" (1907). جاء
الأمر أثناء جلوسه على كرسيه في مكتب براءات الاختراع في برن وتساءل عن كيفية
محاولة إسقاط كرة أثناء سقوطه بجانب مبنى. أدرك أينشتاين أن الشخص الذي يتسارع إلى
الأسفل مع الكرة لن يكون قادرًا على اكتشاف آثار الجاذبية عليها. يمكن للمراقب "تحويل
بعيدا" الجاذبية (على الأقل في الحي المباشر) ببساطة عن طريق الانتقال إلى
هذا الإطار المرجعي المتسارع - بغض النظر عن نوع الكائن إسقاط. الجاذبية (محليا) تعادل
التسارع. هذا هو مبدأ التكافؤ.
لفهم مدى أهمية مبدأ
التكافؤ حقًا ، تخيل كيف سيكون الأمر إذا عملت الجاذبية مثل القوى الأخرى. إذا
كانت الجاذبية مثل الكهرباء ، على سبيل المثال ، فإن الكرات ذات الشحن الأكبر
ستجذب إلى الأرض بقوة أكبر ، وبالتالي تسقط بسرعة أكبر من الكرات ذات الشحن الأقل.
(الكرات التي كانت شحنتها تحمل نفس علامة "الأرض" سوف "تسقط" للأعلى).
لن تكون هناك طريقة لتحويل هذه الآثار بعيدًا عن طريق الانتقال إلى نفس الإطار
المرجعي المتسارع لجميع الكائنات. لكن الجاذبية "عمياء" - فهي تؤثر على
جميع الكائنات بنفس الطريقة. من هذه الحقيقة قفز أينشتاين إلى الاستنتاج المذهل
بأن الجاذبية لا تعتمد على خصائص المادة (حيث تعتمد الكهرباء ، على سبيل المثال ،
على الشحن الكهربائي). بالأحرى يجب أن تنبثق ظاهرة الجاذبية من بعض ممتلكات الفضاء.
الزمكان
حدد أينشتاين في
نهاية المطاف خاصية الزمكان المسؤولة عن الجاذبية باعتبارها انحناء لها. لم يعد
المكان والزمان في عالم أينشتاين مسطحًا (كما يفترض ضمنيًا بواسطة نيوتن) ولكن
يمكن دفعهما وسحبهما وتمتدهما وتشوههما بالمادة. شعور الجاذبية هو الأقوى عندما
يكون وقت الفضاء منحنيًا للغاية ، ويتلاشى حيث يكون وقت الفضاء مسطحًا. هذا هو
جوهر نظرية النسبية العامة لآينشتاين ، والتي يتم تلخيصها في كثير من الأحيان
بالكلمات على النحو التالي: "المادة تخبر الزمان كيف ينحني ، والوقت المنحني
للفضاء يوضح كيفية التحرك". تتمثل إحدى الطرق القياسية لتوضيح هذه الفكرة في
وضع كرة بولينج (تمثل كائنًا ضخمًا مثل الشمس) على لوح مطاطي ممتد (يمثل الزمكان).
إذا تم وضع رخام على لوح المطاط ، فسوف يتجه نحو كرة البولينج ، وقد يتم وضعه في "مدار"
حول كرة البولينج. يحدث هذا ، ليس لأن "الكتلة الأصغر" تنجذب إلى قوة
منبثقة عن الكتلة الأكبر ، ولكن لأنها تسير على طول سطح تم تشويهه بسبب وجود
الكتلة الأكبر. بالطريقة نفسها ، لا ينشأ الجاذبية في نظرية أينشتاين كقوة تنتشر
عبر الفضاء ، بل كميزة من سمات الزمكان نفسه. وفقًا لأينشتاين ، فإن وزنك على
الأرض يرجع إلى حقيقة أن جسمك يسافر عبر الفضاء المشوه!
على الرغم من أنها
جذابة بشكل حدسي ، إلا أن صورة ورقة المطاط لها حدودها. في الغالب ، يتعلق الأمر
بحقيقة أنه يسمح لنا بتصور الجانب المكاني لنظرية أينشتاين ، ولكن ليس بالجانب
الزمني. لرؤية هذا ، نحتاج فقط أن نتذكر أن الجاذبية النيوتونية يجب أن تكون صالحة
تقريبًا ، أيا كان ما يقوله أينشتاين ، ويخبرنا نيوتن أن الأجسام تتحرك في خطوط
مستقيمة ما لم يتم التصرف بناءً على القوة. لماذا ، إذن ، يبدو أن مدارات الكواكب
حول الشمس على لوح المطاط تبدو بعيدة عن المستقيم ، إذا لم تكن هناك قوة جذب تمد
يدها عبر الزمان لاقتحامها؟ الجواب هو أن مسارات الكواكب مستقيمة تقريبًا - في
الزمان والمكان وليس الفضاء. يشبه خط الأرض الأرضي ، على سبيل المثال ، دوامة
ممدودة عرضها في الفضاء هو وحدة فلكية واحدة فقط ، ولكن طوله في الاتجاه الزمني
يقاس بالسنوات الضوئية! هناك طريقة أخرى لتقدير أهمية "الوقت" في "الزمكان"
وهي تطبيق مبدأ التكافؤ والتساؤل عما إذا كانت حقيقة أننا نواجه مجال جاذبية على
سطح الأرض "مكافئة" للقول إن سطح الأرض يتسارع باستمرار إلى الخارج . بالطبع
لا ، لأننا لا نلاحظ أن الأرض تكبر! تكمن المشكلة في أننا ، عند الحديث عن سطح
الأرض ، اندفعنا مجددًا إلى التفكير في التسارع من الناحية المكانية. على الأرض ،
حيث تكون السرعات صغيرة مقارنةً بسرعة الضوء وحقل الجاذبية ضعيف ، يتضح أن وزننا
تقريبًا ينشأ بسبب تزييف الوقت بدلاً من الفضاء. ما يعنيه هذا في الممارسة العملية
هو أن الجاذبية على الأرض "مكافئة" للتسارع ، بمعنى أن الساعات على
السطح تعمل ببطء أكثر من الساعات الموجودة في الفضاء الخارجي.