النسبية (1)

قد يكون هذا المقال صعب الفهم بالنسبة  للكثيرين ولكن سأحاول التبسيط قدر الإمكان وسأحاول ألا أتناوله كما يفعل الآخرين عن طريق وضع بعض المعادلات التي تعتبر صماء لمن لم يدرس علم الفيزياء والرياضيات …

نسبية انشتاين احدثت ثورة في الفيزياء والفلك ونظرة الانسان للكون ..

لن أتحدث طويلا عن حياه اينشتاين الخاصة ولكن دعونا ندخل سويا إلى الموضوع حتى لا أطيل عليك عزيزي القارئ ..

لنبدأ سويا بما قدمه اينشتاين من أبحاث وهي تتمثل في :

1- قام بتفسير الظاهرة الكهروضوئيه ، وهى عبارة عن انبعاث الالكترونات من أسطح الأجسام الصلبة والسائلة والغازية  عند سقوط الضوء عليها، وتسمى الإلكترونات المنبعثة بالإلكترونات الضوئية .

2- ساهم في أبحاث الحركة البروانية للجزيئات ، وتعنى الحركة العشوائية لجزيئات ميكرونية ( أى جزيئات صغيره جدا) في مائع ( اي سائل أو غاز) .
حيث صاغ معادلة النفاذية (اي الانتشار) للجزيئات البروانيه حيث ربط بين معامل النفاذية و متوسط مربع إزاحة الحبيبة البراونية .
وبهذا استطاع تعيين حجم الذرات وعددها في أمول وكذلك الوزن الجزيئي بالجرام .
كما انه استطاع حساب عدد افوجادرو والحجم الجزيئي بطريقه معمليه من خلال العلاقة السابقة .

3- الزمان والمكان : سنتحدث تفصيليا عن طبيعتهما .

4- ديناميكا حركه الأجسام وسنتحدث عليها فيما بعد .

الآن لندخل سويا إلى النسبية ، وقبل أن نقتحم هذا الصندوق المغلق يجب أن نعلم لما سميت بالنسبية ، ولتوضيح ذلك لنأخذ مثال بسيط ..

أثناء ركوب السيارة نجد الأشجار حولنا كأنها تتحرك ..

تخيل عزيزي القارئ أنه أثناء نومك تضخم الكون وتضاعف كل شيء من حولك وأنت أيضا تضاعف حجمك ، سؤالي الآن هل سوف تلحظ هذا التغيير ؟؟ .. بالطبع لا .. لن تلحظ شيء لأن لا شيء مطلق ، فالنسبة بينك وبين الكون من حولك مازالت متساوية ، فكل منكما تضاعف بنفس القيمة (فرض جولس هنري بونكاريه) .

مثال آخر ، أثناء ركوب سيارة والحركة بسرعة ، وليكن 50 ميل/ثانية ، نجد الأشجار من حولنا كأنها تتحرك إلى الخلف بالرغم من سكونها ، وإذا تحركت سيارة من جوارنا بسرعة 50ميل/ثانية أيضا وفى نفس اتجاهنا نجدها ثابتة ، وإذا تحركت عكس اتجاهنا نجدها تتحرك ضعف سرعتنا ، هذا كله يفسر بالنسبية ، يعنى لا شيء مطلق ، ولا شيء نراه على حقيقته ، وقس على ذلك الكثير ، ولكن هل يوجد من يستطيع أن يرى الحقيقة ؟؟ نعم يوجد .. ولنعلم من هو دعونا نأخذ مثال آخر ..

لنفترض وجود كتلة مربوطة في نهاية خيط وموضوعة على قرص دوار ، ويوجد شخصين احدهما يجلس على القرص ، وهو نطاق غير قصوري وآخر يقف بالخارج يراقب القرص ويسمى نطاق قصوري مرجعي ( بغض النظر عن دراسة الحركة في مسار دائري وتوليد قوه زائفة) ..

ماذا سيلاحظ كل شخص منهما ؟؟ ..

سيلاحظ الشخص الجالس على القرص بأن الكتلة في حالة سكون ولا تدور بالرغم من دورانها مع القرص ، في حين سيلاحظ من يقف خارج القرص بأن الكتلة تتحرك وتدور وليست ساكنة ، من مخطأ من الاثنين ؟ ..

الإجابة لا احد ، فالاثنين أجابتهم صحيحة ، ولكن كل منهم يرى الكتلة بالنسبة إليه .

إذا الشخص الذي يرى الأشياء مطلقة هو الشخص خارج النظام الخاضع للبحث . ولكن رفض اينشتاين فكره النطاق القصوري المرجعي لأن لا يوجد شيء ثابت في الكون ، فكل يتحرك نسبة مع شيء آخر ، هل أنا الآن ساكن ؟؟ .. هل يحتاج هذا السؤال لإجابة ، فهو شيء بديهي ، أنا اجلس اكتب ، أي ساكن ..

لا هذا خطأ !! ..

تظن نفسك جالس بسكون خلف حاسوبك .. لكنك من حيث لا تدري تتحرك بسرعة تزيد عن 2 مليون كيلومتر في الساعة ..

في الحقيقة أنا أتحرك بسرعة دوران الأرض حول نفسها ، وسرعه دورانها حول الشمس ، وسرعه دوران المجرة في الكون (600 كلم / ثانية ) .. وهنا كان سؤالي لأحد المعيدين في الكلية : لماذا لا اشعر بهذه السرعة إذن ؟؟ .

أجابته كان عملية وطويلة لذلك إن أردتم معرفتها سأكتبها في تعليق حتى لا أخرج عن الموضوع .

إذا وصلنا الآن إلى حقيقة أنه لا يوجد شيء مطلق ، وكل شيء ينسب لشيء آخر ، لعدم وجود مرجع قصوري مرجعي ، وهذا ما قاله اينشتاين في عام 1905 ، ولكن إذا كان المكان نسبي ، هل الزمان أيضا نسبي ؟؟ .

نعم … الزمان أيضا نسبي .

جاءت فكرة نسبيه الزمان إلى اينشتاين عندما اثبت ميكلسون بأن الضوء سرعته ثابتة في جميع الاتجاهات ، ولكن عندما طبق اينشتاين فكرة نسبية المكان ، وفرض المثال الآتي ، وجد انه لابد أن تتغير سرعه الضوء :

لنفترض أن : سيارة تتحرك بسرعة ما وشخص يقف يراقبها من الخارج ، وقامت السيارة بتشغيل المصباح الأمامى والخلفي ، عندما ينظر الشخص يجب أن يجد أن سرعه الضوء الصادرة عن المصباح الأمامي = سرعه السيارة + سرعه الضوء .

وسرعه الضوء الصادر عن المصباح الخلفي = سرعة الضوء – سرعة السيارة .

كلما اقتربنا من سرعة الصوت تباطأ الزمن – سرعة الضوء هي 186282 ميل بالثانية – ..

أي أن سرعة الضوء متغيرة . ولكن ميكلسون اثبت بالتجارب العملية ثبوت سرعه الضوء ، إذا ما هو الخطأ ؟ .. تساءل اينشتاين كثيرا حتى وجد حل اللغز ، وكان السبب يكمن في الإبطاء الزمني المرافق لجسم عند تحركه بسرعة كبيره تقترب إلى سرعه الضوء ، حيث يتباطأ الزمن حتى يصل إلى الصفر ، ويقف تماما عند وصول سرعة الجسم لسرعه الضوء . وهذا يفسر بعض الأقاويل عن تحول أجسامنا إلى نور في الجنة ، أي نتحرك بسرعة الضوء ويقف الزمن ونصبح في عالم الأبد ..

طيب ماذا لو تم تخطي جسم لسرعه الضوء؟ .. ((هذا لن يحدث طبعا)) ..

الجواب هو أن ذلك الجسم سوف يتخطى حاجز الزمان ويعود للماضي ! .

قد يتساءل أحد الآن ، لماذا لا يمكننا الوصول إلى سرعة الضوء أو اكبر منها ، وللإجابة عن هذا السؤال يجب معرفة أن الكتلة غير ثابتة ، فكتلة الأجسام تختلف باختلاف سرعتها عكس كلام الفيزياء الكلاسيكية وكلامها بأن الكتلة ثابتة ، فكلما زادت السرعة زادت الكتلة ، وعندما يتحرك جسم بسرعة الضوء تصبح كتلته لا نهائية ويتوقف رغم عنه ولهذا لن يصل احد لسرعه الضوء . ولكن لكل قاعدة شواذ ، فهناك جسيمات في الذرة تسمى نيترينو ، وقد اعتقد العلماء بأن كتلتها صفرا ، ولكنهم عرفوا بعد ذلك بأن لها كتلة ولكن غير محددة (غير صفري) ، وهذه الجزيئات لها سرعه اكبر من سرعه الضوء . 

نظرة اينشتاين للزمان سحقت مفهوم نيوتن للواقع ، وهي اعتقاده بأن الزمن مطلق وثابت ، وتوصل اينشتاين لذلك عندما وجد العلاقة التي تربط الزمان بالمكان من خلال بعض المعادلات البسيطة .

عندما ينظر العاشق إلى السماء ويراقب النجوم ويناجيها لا يعلم بأن هذه النجوم غير موجودة أصلا في الوقت الذي يناجيها فيه ، فمن المعروف بان العين تقع عليها انعكاس الضوء الساقط على الأجسام فترى ، وبالتالي لكي يرى النجوم في السماء فيجب أن يقع الضوء المنعكس منها على عينيه وهو ما يأخذ وقت طويل وذلك لأن الكون شاسع وعندما يصل هذا الضوء إليه يكون قد تغير مكانها .

خلاصه القول من المثال السابق بأن المكان والزمان نسبيان وانه لابد من دراسة كليهما معا ولا ننظر إليهما منفصلين .

وقد ثبتت صحة نظرية أينشتاين خلال تجارب مختلفة عملية عديدة. مثل وضع ساعة في طائرة نفاثة تطير بسرعة أكبر من سرعة الصوت لمدة ساعات ثم عودتها إلى المطار. فقد وجد أن الساعة التي كانت في الطائرة تؤخر جزءا من الثانية بالمقارنة بالساعة الموجودة على الأرض ولم تتحرك .

وفى الحقيقة يوجد سبب آخر من الممكن أن يؤدى إلى التباطؤ الزمني وهو التباطؤ الناتج عن الجاذبية ، فالسنة على كوكب بلوتو تساوى 248 سنة على كوكب الأرض .

أطلق اينشتاين مفهوم (الزمكان) وهو مصطلح للتعبير عن الفضاء رباعي الأبعاد ( أبعاد المكان الثلاثة – الطول والعرض والارتفاع – بالإضافة إلى البعد الرابع وهو الزمان ) . ليحدد موقع جسم بطريقة أكثر تحديدا من الفضاء الفراغي لنيوتن ، وأضيف البعد الرابع وهو عبارة عن سرعة الضوء مضروبة في الزمن ، مثال على إضافة البعد الرابع إلى المعادلات الميكانيكا الكلاسيكية تمثل المساحة العنصرية في الميكانيكا الكلاسيكية من العلاقة ، وبعد إضافة البعد الرابع أصبحت تحسب من العلاقة .

معنى الكلام انه يجب تغيير جميع المعادلات الرياضية والفيزيائية الكلاسيكية وميكانيكا الكم .. فجميعها تصبح خاطئة عند التطبيق على الفضاء ، ومن بعض غرائب النسبية والتي تثبت خطأ قانون مسلم به من الجميع ، وهو قانون الجاذبية لنيوتن ،  والذي استمر مسلم به لمده 200 سنة ، وينص القانون على انه عند وضع جسمان على مسافة ما من بعضهما فان كل منهما يؤثر على الآخر بقوه تساوى .

F=Gm1*m2/r^2

انحناء الزمكان .. صورة من الخيال العلمي ..

ومن وجهه نظر نيوتن هذا هو سبب دوران الأرض مثلا حول الشمس ، نتيجة تأثير هذه القوة في مركز المسار الدائري للدوران ، أو لنكون دقيقين فهو مسار قطع ناقص كما نصت قوانين العالم كيبلر الثلاثة والتي ناقشت مسارات الكواكب حول الشمس .

ولكن اينشتاين لم يسلم بذلك معللا بأن سبب ذلك الدوران هو تأثير كتله الشمس على انحناء الزمكان ، فقد اعتبر أن الزمكان عبارة عن خطوط يؤدى وضع أي كتلة في الفضاء إلى انحنائها وتعديلها ، وهو ما يفسر دوران الأجسام الصغيرة حول الأجسام الكبيرة ، ولكن بما أن الفضاء ينحني ، إذا الضوء لا يسير في خطوط مستقيمة وهو كذلك تحدث له عمليه انحناء ، وهذا ما أثبته اينشتاين ، ووجد بأنه يميل بزاوية 1.7 ، واستطاع رصد ذلك عند خسوف الشمس.

قد تظن عزيزي القارئ بأن كل هذا تخاريف ، ولكن هذه التخاريف هي التي فسرت الكثير من الظواهر الكونية ، مثل التمدد الزمني الجذبوي و تشكل عدسات الجاذبية والانزياح الأحمر الجذبوي والإبطاء الزمني الجذبوي والأمواج الثقالية والشذوذ المدارى لعطارد … والكثير غيرها والتي لم يستطع نيوتن تفسيرها ( ملحوظة قد أتحدث عن كل هذه الظواهر بالتفصيل فمقال آخر ) .

قبل أن يظهر اينشتاين إلى النور كانت هناك حالة تخبط بين العلماء حول تجارب الضوء وفرضوا نظرية الأثير والتي قال عنها دكتور مصطفى محمود كلام فارغ وليس صحيح بالمرة ، وهم نفسهم اثبتوا ذلك من خلال تجربة شهيرة جعلتهم يضيعوا سنين في البحث والفرض حول هذه النظرية الفاشلة إلى أن ظهر اينشتاين والذي نفى وجود الأثير والذي جعله بقية العلماء مطلق ينسب إليه الحركة .

كما فرض ثبوت السرعة في الفضاء كما فسر في مثال السيارة الذي ذكرته في البداية ، ولكن رفض العلماء التسليم بها وقاموا برصد سرعه الضوء لأحد النجوم وهو يسير قرب الأرض ثم مبتعدا ، ولكن وجدوا أن سرعه الضوء ثابتة في الاتجاهين .

***

الدكتور علي مصطفى مشرفة ..

قبل أن اختم المقال أريد أن أعطى شخصا حقه ، وهو العالم الفيزيائي الكبير علي مصطفى مشرفه ، وهو عالم فيزياء نظرية مصري ولد في دمياط ، ويلقب باينشتاين العرب . تخرج من مدرسه المعلمين العليا وحصل على دكتوراه فلسفة العلوم من جامعه لندن ، وكان أول مصري يحصل على هذه الدكتوراه ، وعين أستاذا للرياضيات في مدرسة المعلمين العليا ، ثم للرياضيات التطبيقية في كلية العلوم 1926. مُنح لقب أستاذ من جامعة القاهرة وهو دون الثلاثين من عمره. انتخب في عام 1936 عميداً لكلية العلوم، فأصبح بذلك أول عميد مصري لها. حصل على لقب البشاوية من الملك فاروق. تتلمذ على يده مجموعة من أشهر علماء مصر، ومن بينهم  سميرة موسى . كان يتابع أبحاثه العالم أينشتاين صاحب نظرية النسبية ووصفه بأنه واحد من أعظم علماء الفيزياء ، وتقدر أبحاثه المتميزة في نظريات الكم والذرة والإشعاع والميكانيكا بنحو 15 بحثاً ، وقد بلغت مسودات أبحاثه العلمية قبل وفاته حوالي 200 مسودة . دارت أبحاث الدكتور مشرفة حول تطبيقه الشروط الكمية بصورة معدلة تسمح بإيجاد تفسير لظاهرتي شتارك وزيمان .

كذلك كان الدكتور مشرفة أول من قام ببحوث علمية حول إيجاد مقياس للفراغ ، حيث كانت هندسة الفراغ المبنية على نظرية "أينشتين" تتعرض فقط لحركة الجسيم المتحرك في مجال الجاذبية .

وقد درس مشرفة العلاقة بين المادة والإشعاع وصاغ نظرية علمية هامة في هذا المجال .

كان الدكتور مشرفة من المؤمنين بأهمية دور العلم في تقدم الأمم ، وذلك بانتشاره بين جميع طوائف الشعب حتى وإن لم يتخصصوا به ، لذلك كان اهتمامه منصبا على وضع كتب تلخص وتشرح مبادئ تلك العلوم المعقدة للمواطن العادي البسيط ، كي يتمكن من فهمها والتحاور فيها مثل أي من المواضيع الأخرى ، وكان يذكر ذلك باستمرار في مقدمات كتبه ، والتي كانت تشرح الألغاز العلمية المعقدة ببساطة ووضوح حتى يفهمها جميع الناس حتى من غير المتخصصين .

أهم كتبه :

– الميكانيكا العلمية والنظرية 1937
– الهندسة الوصفية 1937
– مطالعات عامية 1943
– الهندسة المستوية والفراغية 1944
– حساب المثلثات المستوية 1944
– الذرة والقنابل الذرية 1945
– العلم والحياة 1946
– الهندسة وحساب المثلثات 1947
– نحن والعلم 1945
– النظرية النسبية الخاصة 1943

المرجح أنه تم اغتياله من قبل الموساد بعمر 51 عاما .. ولاحقا اغتيلت تلميذته عالمة الذرة سميرة موسى اثناء تواجدها في امريكا بسن 34 عاما بحادث مدبر بعانية كبيرة ..

لقد تم اغتيال مشرفه وعندما ما قال اينشتاين : ( لا أصدق أن مشرفة قد مات ، إنه لا يزال حياً من خلال أبحاثه ) .
كما قال أيضا في مناسبة أخرى : ( لقد كان الدكتور مشرفة موسوعة بشرية، حوت الكثير من النبوغ الذي قلَّ مشابهته في العالم بأسره ).
و قال عنه في حديث آخر : ( كان عقل مشرفة يحوي كثيراً من أسرار الذرة، لكن القدر شاء له ألا يبوح بها ) .
وقال أيضا : (اليوم مات نصف العلم) يوم وفاته .

***

اعتقد أني أطلت كثيرا لذلك سأتوقف عند هذه النقطة واعدكم بموضوع آخر يناقش بعض الغرائب الناتجة عن فرضيات اينشتاين والتطبيقات المتعددة لهذه الفرضيات في حياتنا العامة ، وكذلك الظواهر الكونية التي فسرها اينشتاين من خلال نظريته ، وكذلك سنستعرض تقسيم النسبية إلى نوعيها (خاصة – عامه) باختصار شديد كما أنني سأضطر آسفا لوضع بعض المعادلات التي اثبت بها اينشتاين تباطؤ الزمن .

المصادر :

– General relativity – Wikipedia
– Introduction to general relativity – Wikipedia
– Cosmology before relativity
– كتاب اينشتاين والنسبية لمصطفى محمود
– وبعض المواقع العربية في الجزء الخاص ب مصطفى مشرفه