في عام 1905 ، نشر ألبرت أينشتاين نظرية النسبية الخاصة ، التي تشرح كيفية تفسير الحركة بين الأطر المرجعية المختلفة بالقصور الذاتي – أي ، الأماكن التي تتحرك بسرعات ثابتة بالنسبة لبعضها البعض.

شرح النظرية النسبية لأينشتاين

أوضح آينشتاين أنه عندما يتحرك كيانان بسرعة ثابتة كالحركة النسبية بين الكائنين ، بدلاً من الاستناد إلى الأثير كإطار مرجعي مطلق يحدد ما يجري.  إذا كنت أنت وبعض رواد الفضاء ، كهرمان ، تتحرك في سفن فضائية مختلفة وترغب في مقارنة ملاحظاتك ، فكل ما يهم هو مدى سرعة تحركك أنت وعنبر مع بعضهما البعض.

تشمل النسبية الخاصة الحالة الخاصة فقط (وبالتالي الاسم) حيث تكون الحركة موحدة.  الحركة التي تشرحها هي فقط إذا كنت تتحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة.  بمجرد أن تسرع أو تنحني – أو تفعل أي شيء يغير طبيعة الحركة بأي طريقة – تتوقف النسبية الخاصة عن التطبيق.  هنا تأتي النظرية النسبية العامة لآينشتاين ، لأنها يمكن أن تفسر الحالة العامة لأي نوع من الحركة

مبادئ نظرية أينشتاين

اعتمدت نظرية أينشتاين على مبدأين أساسيين:

قوانين الفيزياء لا تتغير ، حتى بالنسبة للأجسام المتحركة في أطر مرجعية بالقصور الذاتي (السرعة الثابتة).

سرعة الضوء هي نفسها بالنسبة لجميع المراقبين ، بغض النظر عن حركتهم بالنسبة لمصدر الضوء.  (يكتب الفيزيائيون هذه السرعة باستخدام الرمز c.)

عبقرية اكتشافات أينشتاين هي أنه نظر إلى التجارب وافترض أن النتائج كانت صحيحة.  كان هذا عكس ما بدا أن علماء الفيزياء الآخرين يقومون به.  بدلاً من افتراض أن النظرية كانت صحيحة وأن التجارب قد فشلت ، افترض أن التجارب كانت صحيحة وأن النظرية فشلت.

في الجزء الأخير من القرن التاسع عشر ، كان الفيزيائيون يبحثون عن الشيء الغامض المسمى إثير – الوسيلة التي اعتقدوا أنها موجودة لموجات الضوء لتدفقها.  تسبب الاعتقاد في الأثير في فوضى الأشياء ، من وجهة نظر أينشتاين ، من خلال إدخال وسيلة تسببت في قوانين معينة للفيزياء للعمل بشكل مختلف اعتمادا على كيفية تحرك المراقب بالنسبة للأثير.  قام أينشتاين بإزالة الأثير بالكامل وافترض أن قوانين الفيزياء ، بما في ذلك سرعة الضوء ، عملت بنفس الطريقة بغض النظر عن الطريقة التي تتحرك بها – تمامًا كما أظهرت التجارب والرياضيات أنها!

خلقت نظرية أينشتاين للنسبية الخاصة حلقة أساسية بين الفضاء والزمن.  يمكن النظر إلى الكون على أنه يحتوي على ثلاثة أبعاد فضائية – للأعلى / للأسفل ، لليسار / لليمين ، للأمام / للخلف – وبعد لمرة واحدة.  يشار إلى هذا الفضاء ذو ​​الأبعاد الأربعة باسم استمرارية الزمكان.

إذا تحركت بسرعة كافية عبر الفضاء ، فإن الملاحظات التي تقوم بها حول المكان والزمان تختلف بعض الشيء عن ملاحظات الأشخاص الآخرين ، الذين يتحركون بسرعات مختلفة.

يمكنك تصوير هذا بنفسك من خلال فهم تجربة التفكير الموضحة في هذا الشكل.  تخيل أنك على متن سفينة فضاء وتمسك ليزر بحيث يطلق شعاع من الضوء مباشرة ، ويصطدم بمرآة وضعتها على السقف.  شعاع الضوء ثم يعود لأسفل وضرب كاشف.

ومع ذلك ، فإن سفينة الفضاء تسير بسرعة ثابتة تبلغ نصف سرعة الضوء (0.5c ، كما يكتب الفيزيائيون).  وفقًا لأينشتاين ، لا يحدث هذا فرقًا لك – لا يمكنك حتى أن تخبرك أنك تتحرك.  ومع ذلك ، إذا كان رائد الفضاء Amber يتجسس عليك ، كما في الجزء السفلي من هذا الرقم ، فستكون هذه قصة مختلفة.

سيرى العنبر شعاعك من الضوء يتحرك لأعلى على طول مسار مائل ، ويضرب المرآة ، ثم يسير لأسفل على طول مسار مائل قبل أن يصطدم بالكاشف.  بمعنى آخر ، سترى أنت و Amber مسارات مختلفة للضوء ، والأهم من ذلك ، أن هذه المسارات ليست متساوية الطول.  هذا يعني أن الوقت الذي تستغرقه الحزمة للانتقال من الليزر إلى المرآة إلى الكاشف يجب أن يكون مختلفًا أيضًا بالنسبة لك وللعنبر بحيث يتفق كلا منكما على سرعة الضوء.

تُعرف هذه الظاهرة باسم تمدد الوقت ، حيث يبدو أن الوقت الذي تتحرك فيه السفينة بسرعة شديدة أبطأ من الزمن.

غريبًا كما يبدو ، يوضح هذا المثال (والعديد من الأمثلة الأخرى) أنه في نظرية النسبية لآينشتاين ، يرتبط الزمان والمكان ارتباطًا وثيقًا.  إذا قمت بتطبيق معادلات تحويل لورنتز ، فإنها تعمل حتى تكون سرعة الضوء ثابتة تمامًا لكلا المراقبين.

يعود تاريخ أشهر أعمال آينشتاين إلى عام 1905 (عام حافل بالنسبة له) ، عندما طبق أفكار ورقة النسبية الخاصة به للتوصل إلى المعادلة E = mc2 التي تمثل العلاقة بين الكتلة (م) والطاقة (E)  ).

باختصار ، وجد أينشتاين أنه مع اقتراب جسم ما من سرعة الضوء ، زادت كتلة الجسم.  الكائن يذهب بشكل أسرع ، لكنه يصبح أيضا أثقل.  إذا كانت قادرة فعلاً على التحرك عند c ، فإن كتلة الجسم وطاقته ستكونان بلا حدود.  يصعب تسريع جسم أثقل ، لذلك من المستحيل أن يصل الجسيم فعليًا بسرعة c.