النظرية النسبية - بحث علمي

[etreby]

هذا ما وجدته عن هذه النظرية على الانترنت. أرجو أن تكون مفيدة لكم.

النظرية النسبية التي حيرة العقول  هل هي فكرة فلسفية أم نظرية رياضية فيزيائية  أن من يقرأ عن فلسفة العلوم  سوف يواجه أولا هذه النظرية التي  تعد أهم نظرية في العصر الحديث بل وأعقد نظرية أيضاً فقد قلبت الفلسفة رأساً على عقب وكسرت الأبراج العاجية التي كانت تعيش فيها النظريات الفيزيائية السابقة فهي فكرة فلسفية تخطت حدودها واجتاحت المعامل والمختبرات  فقد غيرت مفهومنا للكون مما أدى إلى وجوب إعادة الصورة الكونية في إطار جديد و أجمل ما في هذه النظرية أن مبدعها عقل بشري وحيد فقد أبدعها وطورها بمعزل عن الجميع هذه النظرية هي التي قادتنا إلى الحروب النووية وهي التي قادتنا إلى الفضاء وهي التي سوف تقودنا إلى السفر عبر الزمن إذا شاء الله

بشكل عام  فقد جاء على مرحلتين فكريتين ضخمتين واحدة تقود إلى الأخرى فكانت النسبية الخاصة عام 1905 والنسبية العامة عام 1915  وقد أدت هذه النظرية النسبويه إلى دمج ثلاث أبعاد مكانيه مع بعد زمني في فضاء رباعي الأبعاد ومتعدد الجوانب  فأحدث ذلك تغيرا عظيما في الفلسفة  ناهيك عن التغيرات الفيزيائية  كلنا يعلم  تجربة ميكلسون ومورلي هذه التجربة التي احدثة اظطرابا كبير في الفيزياء والدلائل تشير إلى أن اينشتاين كتب النسبية وهو لا يعلم بهذه التجربة وكي نستطيع  أن نفهم النسبية نحتاج إلى فهم وجهة الخلاف في هذه التجربة في عام 1886  بدأ ميكلسون ومورلي  بتجاربه  عن انتشار الضوء وسرعة في الخلاء وكان يعتقد أن يستطيع تعين هذه السرعة عن طريق تعين سرعة الأرض في مدارها حول الشمس  بالنسبة للأثير وهو موجود في كل مكان مثل الهواء  الذي يحيط بنا ولكن الأثير موجود في كل الكون  وكانت نظرية ميكسويل الكهريطيسيه  قد أثبت أن الضوء  ينتشر في الخلاء  على صورة أموج وكانت الأمواج تحتاج إلى وسط افترض الأثير  الحامل للضوء فعوم ميكلسون اكتشاف الأثير بأن يقارن سرعة الضوء المتحرك في تجاه حركة الأرض بسرعة حزمة ضوئية تتحرك في اتجاه متعامد مع حركة الأرض وعندئذ لن يبرهن الفرق بين السرعتين على حركة الأرض فحسب بل انه يعطي فعليا سرعة الأرض في مدارها حول الشمس .  وقد بينت هذه التجربة على أساس نظري هو أنه إذا وجد الأثير فإن حركة الأرض فيه تولد تيارا أثيريا معاكسا لسرعة الأرض مثلما تولد المركبة تيارا هوائيا  يجري معاكسا حركتها  فحين تقاس سرعة الضوء على الأرض  فإن تأثرها بتيار هوائيا يجري معاكسا حركتها فحين تقاس سرعة الضوء على الأرض فإن تأثرها بتيار الأثير  يتوقف على حركة الضوء هل هي موازاة حركة الأرض أو معاكستها  أم هي متعامدة مع التيار . وبداء العمل في هذه التجربة التي تمثل بسابحين أحرار في نهر واحد يسبح مع النهر ذهابا وإيابا والأخر يبدأ من نفس النقطة الأولى ويسبح في عرض النهر ذهابا وإيابا ونفس المسافة التي يقطعها الأول يقطعها هو  وفي نفس الوقت  و يتضح من قانون جمع السرعات انه لا يمكن أن يعود السابحان في نفس الوقت لان السابح  العرضي يصل أولا  وهذا هو الأمر بالنسبة للضوء أيضا  أعدا جهاز يستخدم في نقطة الأصل مرآه  وكان هذا الجهاز حساس إلى درجه عالية جدا  ولكنه لم يسجل أي فرق في السرعتين وكانت هذه خيبة أمل لهما  لأنه ضن انه اخفق في تجربته  وأهمل ميكلسون  هذه التجربة  إلا أن الفيزيائيون علموا أن ألط بيعه تريد أن تعلن عن نفسها  وهنا قام لورنتز بإجراء محاولة لتفسير هذه النتيجة  أو اللا نتيجة  ضمن إطار الفيزياء التقليدية  وهذه التحليل رائع جدا ولكنها معقده  واهم ما ظهرت به هذه التحاليل هو أن الإليكترون الكروي  يتفلطح عندما  يتحرك  نوعا ما في تجاه حركته  بسبب خواص حركته الكهربائية  وانه كلما أسرع كلما زاد تفلطحه  فكر لورتنز بأن المادة  لكونها مؤلفه من إليكترونات  تتفلطح إلى حد ما  على طول حط حركتها  استخدم هذا التفسير في تفسير تجربة ميكلسون ومورلي  و أعلن أن الضوء الموازي لحركة الأرض  نحو المرآة  ذهابا وغيابا يتقلص في خط حركته  يساوي بالتحديد الكميه الصحيحة اللازمة لإبطال التأخير الناتج  عن تيار الأثير  ويعرف هذا الأثر باسم   فتزجيرالد- لورنتز في  التقلص   ولم ُتأخذ هذه الفرضية مأخذ الجد  وبقيت كذلك إلى أن فسرها ألبرت أينشتاين  عندما أعلن عن ظهور النسبية الخاصة  ولم يطور أينشتاين نظرية كي يبحث عن تفسير لهذه التجربة لأنه لم يكن يعلم بها  وكان منغمسا في نظرية ميكسول الكهرومغناطيسيه وكي نفهم طبيعة هذه النظرية دعونا نراقب قطار مثلا أو نقذ بعض الأشياء أو نتحرك  ثم نحاول من مراقبتنا للأشياء تحديد حركتنا  أننا مهما تأنينا في مراقبتها فلن نكتشف أننا على سطح كوكب متحرك  أو ساكن لان سلوكنا لا يدل على أي شي   ولا يختلف الأمر إذا كنا  في مركبة  أو قطار أو طائره تتحرك بسرعة ثابتة  إذ لن نتمكن من اكتشاف حركتنا المنتظمة (بسرعة ثابتة وفي خط مستقيم)   والسبب هو استقلال قوانين نيوتن في الحركة عن حركة المراقب المنتظمة  أي لا يمكن أن تتغير هذه القوانين عندما ينتقل المراقب  من مرجع إلى مرجع أخر يتحركان بانتظام وقد نقل اينشتاين هذه الفكرة إلى الضوء واقنع نفسه بان الضوء اقدر من قوانين الميكانيكا على كشف حركتنا المنتظمة  وهذا يعني انه لا يمكن لمعادلات مكاسويل التي تصف  انتشار الضوء علاقة بحركة الراصد  لأنها لو كانت  متعلقة بحركة الراصد لأمكن  للمعادلات أن تفيدنا في تعين حركة الشيء المطلق وكذلك تجربة ميكلسون ومورلي  ولذلك رأى اينشتاين    أنه يجب أن تكون سرعة الضوء في الخلاء  مستقلة عن حركة المنبع الضوئي  وهذا يعني ثبات سرعة الضوء  وهذه السرعة أصبحت ثابت كوني  ولكن لم تستند إليه قوانين نيوتن  ومن ثبات سرعة الضوء اتجه اينشتاين إلى  تحليل مفهومي المكان والزمان  المطلقين  كان عليه أن يبرهن بأن تواقت حادثين منفصلين في مكان ليس له معنى مطلق  بل يتعلق بحركة المراقب وكي نثبت هذه الفكرة نحتاج إلى شرح تجربه   وهي تحتاج إلى خيال وتركيز

لنفرض أن هناك راصدين أحدهما في عربة قطار  مفتوحة متحركة بسرعة185000 ميل في الثانية طولها 186000ميل والأخر في عربة قطار ثابتة أيضا مفتوحة وطولها نفس طول الأخرى  وكلا الراصدين يريد أن يقيس سرعة الضوء  ولنفرض إن عملية القياس تبد؟أ عندما تتطابق بداية العربتين  ولنفرض أن إشعاعا ليزريا آتيا  من اليمين إلى اليسار  وبدأت عملية القياس  فما هي النتيجة التي سوف يجدها كلا من الراصدين  سيجد الراصد الثابت  انه عندما دقت ساعة ثانيه واحدة وصل الضوء إلى طرف العربة الأخرى  أي انه سرعة 186000 ميل في الثانية  وأيضا سوف يجد الراصد المتحرك نفس السرعة  ولو كنت تراقب على الرصيف وأنت لا تعرف سوى قوانين نيوتن  سوف  يبدوا لك أن الراصد المتحرك مخالف للمنطق  ولكي نفسر تصرفه هذا  سوف نتجه إلى الطرف الأيمن  من العربة ونقول انه عندما  بعد ثانيه تكون العربة المتحركة متقدمة على الثانية 18500 ميل وانه يتبقى على الإشعاع هذه المسافة كي يقطعها  لذلك نرفض تساوي السر عه  ولإزالة الشك  والغموض عن هذه التجربة  نعيدها  ولكن على الراصد الثانية مراقبة جميع الأحداث بما فيها الراصد المتحرك وعربته ونطلق الشعاع من جديد وعندما تصل الميقاتيه إلى ثانيه عند الراصد الثابت نحسب القياسات  نجد أن الراصد المتحرك لا يكون على بعد 18500 ميل بل على بعد عُشر هذه المسافة   وانه لم يسجل ثانيه بل عُشر الثانية  فقط  وهكذا يتبين أن الراصد الثابت يرى أن المرجع المكاني- الزماني   عند الراصد المتحرك  ليس هو نفسه المرجع المتحرك عنده  ولهذا تتقلص القضبان المتحركة و تبطئ ميقاتيات الحركة النسبية  من مرجع لأخر.إنشاء الله تكون واضحة وهذا الثابت - سرعة الضوء -  يعتبر من أهم الثوابت الكونية التي تدخل في بناء هذا الكون  وأن القانون الذي لا يحتوي عليه لا يعتبر قانون كامل بل يحتاج إلى أن يستكمل  إلى أن يصبح صامد نسباويا ولم يكن اينشتاين أول من ادخل مبدأ الصمود فقد  ادخله نيوتن قبله على نظريته وكان مفيد إلى حد بعيد  ولنبدأ بتعريف الحادث انطباق جسيم على نقطه في الفراغ  (إليكترون مثلا أو فتون  )  في لحظه  معينه  فلكي نحدد حادثا معيناً يجب أن نعرف  متى وأين  وهذا يعني أن يكون لدينا مرجع مقارنه (مجموعة إحداثيات )  وبما انه  نريد موقعه فعلينا أن نعطي ثلاث أعداد على المحاور  التي يكونها الفراغ          (س, ص, ع )  هذه الإحداثيات المكانية وكي نحدد زمن وقوع الحادث  نحتاج إلى إحداثي جديد زمني فيكون مسار الجسيم  منحنيا يصل بين هذه الحوادث  وبما أن القانون  لا يعالج حاله خاصة بل يعالج الطبيعة نفسها فيجب أن يبقى نفسه لكل المراقبين وهذا هو مبدأ الصمود وأكثر ما يميز النسبية أنها تظهر  أنه  لا المكان  وحده مطلق ولا الزمان  وحده مطلق  ولكن قولنا أن كلا من الزمان والمكان  ليس مطلقا  لا يعني أن النسبية ليست نظرية  الأشياء المطلقة  بل أن الحقيقة   المطلقة فيها  أعلى مستوى  مما في فيزياء نيوتن  لأنها تمزج  المكان بالزمان  في  - زمكان -   متشعب الجوانب  ولكي نوضح ذلك نلاحظ  أولا أن كلا من المسافة بين  حادثين والمدة الزمنية الفاصلة  بينهما هي نفسها  وفقا لفيزياء نيوتن  بالنسبة لجميع المراقبين   - أي أن المدة مطلقة والمسافة مطلقة  -  أما في النظرية النسبية  فيجد أن  المراقبون  المختلفون  مسافات مختلفة وأزمنة مختلفة  ومع ذلك تعلمنا النسبية  أن مزيجا معينا للمكان  والزمان الفاصلين  بين حادثين  يكون  واحدا بالنسبة  إلى  جميع  المراقبين  وللحصول  على مربع  هذه الفاصلة  الزمكانيه المطلقة  بين  الحادثين  نربع المسافة  بين الحادثتين  ونطرح منها حاصل ضرب  سرعة الضوء في  المدة الزمنية بين الحادثين  فنحصل على المقدار المطلق .

ويمكن أن يستنتج من الفاصلة الزمنية التي سبق ذكرها  كل النتائج الهامة التي تنبثق عنها النظرية النسبية الخاصة  مثل تقلص الأطوال  المتحركة  وتباطؤ الزمن  وتزايد الكتلة  وتكافؤ الطاقة والكتلة  .

و في عام 1916 نشر اينشتاين بحثه عن نظرية النسبية العامة  في مجلة علوم أكاديمية  كان بحثا نسباويا كان يمثل هذا البحث عشر سنوات قضاها أعظم عقل في القرن العشرين في التفكير الشديد  والخارق  وهو يمتطي أعلى ذرى إبداع الإنسانية العقلي  وكان الدافع لهذه النظرية هو أن نظرية الخاصة تركت المكان والزمان مبتورين   ولان اينشتاين  يرى أن الطريق إلى الوصول لتوحيد  القوى الفيزيائية كان يجب أن تكون نظرية صامدة نسبيا ولان النظرية الخاصة لم تكن كذلك حاول أن يتمها بالعامة  لان الخاصة  لا تنطبق إلا على ما يدعى (( المراقبون  العطاليون  أي المراقبون الذي تحرك أحدهم بالنسبة للأخر بمتجه سرعة ثابتة ))  وهذه النظرية تبين أن الطبيعة تفضل المرجع العطالي  ورأى اينشتاين أن هذا المرجع العطالي عيب في نظرية  لأنه كان يؤمن أن جميع المراجع بغض النظر عن حركتها تتكافئ لدى الطبيعة   ولابد لها أن تظم الحركة بتسارعات مختلفة   لقد بدأ اينشتاين عند بناء نظريته النسبية العامة بملاحظات جداً عامة كلن  غاليلية أول من توصل إليها وهي أن جميع الأجسام التي تسقط سقوطاً حراً من ارتفاع تتحرك بتأثير ثقالة الأرض بتسارع واحد مها كانت كتلها  كما لاحظ  أن جميع الأجسام المتحركة في مرجع متسارع تستجيب إلى هذا التسارع بالطريقة نفسها مهما كانت كتلتها  ومن هاتين الملاحظتين  اعتمد مبدأ من أهم المبادئ الفيزيائية  وهو مبدأ التكافؤ  الذي ينص على أنه لا يمكن تمييز قوى العطالة من قوى الثقالة  فأصبح هذا المبدأ أساس نظرية النسبية العامة لأنه نفى إمكان تعيين حالة الشيء الحركية بملاحظة قوى العطالة أو اكتشافها سواء أكان مرجعنا متسارع أم لا يمكن أن نتابع تفكير أينشتاين بتجربة فكرية شهيرة   وهي تخيل فيها أن مراقبا في مصعد (وكان في هذا المصعد أجسام مشدودة إلى أسفل ) كان  في بداية الأمر معلق فوق الأرض ساكناً ففي هذه الحالة سوف تكون جميع التجارب التي يجريها المراقب تتفق تماماً مع تجارب مراقب خارج المصعد على الأرض سوف يستنتجان قوة الثقالة ....الخ  دعوانا ننتقل مع المراقب الذي في المصعد بتسارع(9.8 متر /ثانية)  متجهين ألى أعلى عكس قوة الثقالة وبنفس تسارع الأجسام  على الأرض إذا كان منطقياً مع نفسه سوف يبقى على استنتاجه  لأن جميع الأجسام سوف تبقى على نفس تصرفها عندما كان المصعد معلق على الأرض  وهذا هو مبدأ التكافؤ  فهو يجنب المرء أن يستنتج بأنه موجود في مرجع متسارع  لأن كل الآثار الناجمة عن هذا التسارع تماثل الآثار الناجمة عن الثقالة  في مرجع ساكن أو يتحرك   حركة مستقيمة منتظمة في حقل ثقالي وهكذا يدعم هذا المبدأ نظر اينشتاين بأنه  لا يمكن ان فرق بين الحركة المتسارعة والغير متسارعة  لأن قوى العطالة الناجمة عن التسارع هي نفسها ناجمة عن الثقالة فلا يستطيع المراقب أن يفرق   ومن هنا لا يوجد فرق حول ماذا يرصد المراقب هل يرصد الأجسام المادية من الناحية التحركية أو الحركة أو انتشار الضوء مما أدى باينشتاين إلى استنتاج مهم جداً بشأن سلوك الضوء فحينما تمر حزمة ضوئية عبر المصعد المتسارع في اتجاه عمودي على تسارعة تبدو أنها تسقط نحو أرض المصعد مثلما تسقط الجسيمات المادية لآن أرضه تتحرك حركة متسارعة ولما كان مبدأ التكافؤ  ينص على أن لا فرق بين آثار التسارع  و الثقالة لذلك توقع اينشتاين  أن تسقط الحزمة الضوئية في الحقل الثقالي  كما تسقط الجسيمات المادية  وقد ثبت هذا التوقع بحذافيره  في أثناء كسوف الشمس الذي حدث عام 1919  فقد شوهد أن الحزمة الضوئية تنحرف نحو الشمس عندما تمر بجوارها  وكان مقدار الانحراف متفقا مع ما توقعه اينشتاين  ونلاحظ أنه لا خلاف بين النظرية العامة والنظرية الخاصة في أنهما مبنيتان على زمكان رباعي الأبعاد  والعامة تشمل الخاصة  ولكنها تختلف عنها في أن هندسة النسيبة العامة  لا إقليدية  وهذا الجانب هو الذي يقود إلى مبدأ التكافؤ وكي نفهم الفضاء الا إقليدي دعونا نعود إلى المصعد قليلا .... ونتخيل الآن أن المصعد يسقط سقوط حر نحو الأرض  ففي هذه الحالة يسقط المراقب وكل شي داخل المصعد بسرعة واحدة  كما أن الشيء المقذوف يتحرك عبر المصعد حركة مستقيمة كما يرها المراقب  أي لا يوجد لديه حقل ثقالي  أما بالنسبة للمراقب الواقف على الأرض  فلا يرى المقذوفات تتحرك حركة مستقيمة  و أنما على هيئة قطوع مكافئة  لذلك لا وجود للثقالة بالنسبة للمراقب الذي في المصعد بينما موجودة للمراقب الذي على الأرض  فكيف نخرج من هذا التناقض  لقد رأى اينشتاين أن الحل يمكن في إعادة فهم القوة الثقالية  لأن مفهوم نيوتن لها ليس مفهوما مطلقاً  ويتغير من مرجع إلى أخر كما حدث في التجربة السابقة  ولذلك قام اينشتاين بإعادة قانون نيوتن الأول ليشمل هذا المفهوم  وأصبح القانون

(أن الأجسام تتحرك دائما  في خطوط مستقيمة  سواءً أكانت في حقل ثقالي أم لا  ) ولكن يجب  إعادة تعريف الخطوط المستقيمة كي ينتهي الأشكال  وتشمل خطوطا ليست مستقيمة بالمعنى الأقليدي  وقام اينشتاين  بذلك وبين كيفية هندسة الزمكان  الأقليدية  في الفضاء المليء بالكتل وهندسة الاقليدية في الزمكان الخالي من الكتل وأصبح السبب في حركة الأجسام في الحقل الثقالي هو أتباع الأجسام للانحناء الزمكاني  وتعد هذه الحركة في الهندسة اللا إقليدية حركة في خطوط مستقيمة  لأنها اقصر

مسار في هذه الهندسة  وكان لهذه الدراسة التي قدمها عبقري هذا القرن نتائج كثيرة من انحراف حزمة الضوء  وظاهرة  (مبادرة حضيض الكواكب ) وأيضاً ظاهرة (الإنزياح الاينشتايني نحو الأحمر)

وأيضا تتنبأ هذه الهندسة الناشئة عن وجود أجسام ذات كتل هائلة  كالنوم تتوقع بأن يتباطأ الزمن  بالقرب من هذه النجوم  أضف إلى ذلك تقلص الأطوال  وكان أعظم أنجاز حققته النسبية العامة كان في مجال علم الكوسمولوجية علم نشوء الكون  فقد طبق اينشتاين نظريته الثقالية على الكون بمجملة  وتوصل على نموذج سكوني  لا يتوسع  و لاينها على نفسه  ثم أثبت باحثون إن النظرية تؤدي إلى نموذج  لا سكوني  متوسع  وهكذا ساهمت هذه النظرية في إثراء علم نشوء الكون    

http://www.stc2001.20m.com/cgi-bin/i/relet...y/pw1311084.gif

[ragab2]

موضوع

جميل ومهم يا عم أتربى

ومن مدة وأحاول أقرأ عنه شيئ

ياريت تلخصه وتشرحه فى ايجاز اذا كنت درسته وفاهمه

لك جزيل الشكر

[etreby]

حاضر يا أخ رجب. أعطني بعض الوقت لكي اشرح ما فهمته عن هذه النظرية حتى الآن.

[etreby]

عزيزى الاخ رجب. اعتقد انه اذا اردت ان تفهم النظرية بشكل مبسط فيجب ان اشرح تفاصيل هذه النظرية  فى مداخلات اطول . على العموم انا لقيت ويب سايت جيد لهذا الغرض و سأقوم بترجمته للعربية حتى يستفيد الجميع و أرجو أن يوفقنى الله فىالترجمه الجيدة.

[freefreer]

شكرا لأخى الأتربى على هذا الموضوع الشيق .. أرجو الأستمرار .. أنا زمان قريت عن نفس الموضوع كتاب للدكتور مصطفى محمود .. و كان هذا اول لقاء لى مع طريقة العالم الفذ اينشتاين .. فى التفكير و فهم النسبية .. على قدى طبا .. فشكرا لك مرة خرى ..  :inlove:

[wa7d]

الأخ إتربى لقد قرأت ما كتبت ثلاثة مرات ولم أفهم حاجة، طيب لماذا لم أفهم حاجة ؟ ..... أقولك بلاش تجاوب على سؤالى هذا ، أظننى عارف الإجابة .

:D      :)

[freefreer]

[etreby]

عزيزي الاخ واحد. اتفق معك ان النظرية ليست سهلة الاستيعاب و ان ما كتبته كان ملخص بسيط جدا و ليس بالقدر الكافي. انا الان اقوم بترجمة ويب سايت آخر أكثر سهولة و دقة في الشرح. امنحني بعض الوقت و ربنا يسهل ان شاء الله.

[Spider]

ألحقنا بكام صورة تانية يا أخ فرى الله يكرمك

على فكرة

أنا برده أعتمدت على كتاب الدكتور مصطفى محمود كنت أستلفته من زميل من كام سنة وقرأت ما يقرب من نصفه وأعطيته الكتاب مرة أخرى أعتمادا على أنى سوف أشتريه فيما بعد

وتمر الأيام والسنون وأبحث عن الكتاب فى كل مكتبة تصادفنى ولم أعثر عليه ألى الأن

يظهر أن حظى وحش ومش حكمل النصف الأخر

المشكلة دلوءتى أنى خايف يجيلى الأجل قبل ما أقرا النصف الأخر

أعمل ايه :D  :D  :)  :D

[etreby]

شرح النظرية النسبية الخاصة

الحلقة الأولى

هل تعتقدون ان النظرية النسبية يستطيع ان يفهمها علماء الصواريخ فقط؟

أنا لا أعتقد حتى علماء صواريخ يحتاجون لمعرفة النسبية معظم الوقت! (على الأقل ليس علماء صواريخ للقرن القادم أو إثنان. ) لكن ذلك لا يعني أنت لا تستطيع التعرف عليها الآن. هذه الصفحة و الصفحات الأخرى هى شرح مبسط مع (تقريبا) لا رياضيات مطلقا.  لم يقصد أن يكون هذا العمل كامل بكل الوسائل، لكن غرضه أن يساعدك على فهم المبادئ التي فيها النظرية الخاصّة للنسبية ، ويعرف بضعة نتائجها الأكثر شهرة.

أولا، بضعة كلمات حول مجال هذا المشروع. إنّ نظرية النسبية في الحقيقة شقين . أولا، هناك النظرية الخاصّة للنسبية، نشر في 1905. هذا كان أساسا تقرير  ينشتاين لبعض التناقضات تتضمّن سرعة الضوء، وهي تصف سلوك الأجسام في السرعة العالية جدا.

بعد حوالى عشر سنوات نشر اينشتاين تقرير " النظرية النسبية العامة" "THEORY OF GENERAL RELATIVITY" و كانت ثقيلة جدا على العقل و فيها كان له وصف أدق للغاية عن "الجاذبية" مقارنة بالوصف المتعارف عليه حسب العالم الشهير أيزاك نيوتن.

هنا في هذه الصفحات سوف نتكلم فقط عن النسبية الخاصة حيث ليس لدى معلومات كافية عن النسبية العامة كى اشرحها لاحد.

لكن آمل أن تستمتعوا معنا بهذه المعلومات و الاستفادة منها. اذا كنتم على استعداد ارجوا ان تضعوا قبعة التفكير على رأسكم و هيا بنا نبدأ.

يتبع

[etreby]

النظرية النسبية

الحلقة الثانية

ان النظرية النسبية مؤسسة بشكل رئيسى على فرضيتين "مسلمات" افترضهما اينشتاين عن طبيعة الكون

المسلمة الاولى كالتالى:

The physical laws of nature are the same in every inertial frame of reference.

المشكلة الوحيدة هنا هى ماذا نعني بالظبت بكلمة "inertial frame of reference

عل هذه الامثلة توضح المعنى. نفترض أنك على متن طائرة و هى على مستوى ثابت من الارتفاع و لا يوجد مطبات هوائية و تسير بسرعة ثابتة و لكن بضعة مئات كيلو متر فى الساعة. تفاجئ بامرأة على الجانب الآخر من الطائرة تطلب منك ان تحذف لها كيس الفول السودانى لها. قررت انت ان تفعل مثل ما قالت.

تمسك بالكيس ثم تتوقف لحظة لتفكر. الطائرة تسير بسرعة بضع مئات من الكيلو متر فى الساعة و كيف و في أى اتجاه سوف تقذف الكيس و كم من القوة تقذف بها كي يصل الكيس للمرأة بالشكل الصحيح.

لا بالطبع. ان لا تفكر بهذا المنطق . فأنت ببساطة شديدة تقذف الكيس بنفس الطريقة كما لو كانت الطائرة ثابتة على الارض.ا

   كما ترى ان قوانين الطبيعة لا تتغير بالنسبة لطائرة تسير بسرعة ثابتة مقارنة بطائرة ثابتة على ارض المطار

اذن نحن نسمى داخل الطائرة "inertial frame of reference"

(The word "inertial" refers ultimately to Newton's First Law of Motion. Inertia is the property every object has which causes it to either sit still or move in a straight line at a constant speed, unless there is a force acting on it. An inertial frame of reference is a frame of reference in which this condition holds.)

كمثال آخر، دعنا نعتبر الأرض بنفسها. محيط الأرض يساوي تقريبا 40,000 كيلومتر

حيث ان الارض تدور حول نفسها مرة كل 24 ساعة فان نقطة ما على خط الاستواء تسير بسرعة تزيد عن 1600كيلو متر فى الساعة.

فانت عندما تقذف أى كرة على سطح الارض لا تفكر مطلقا فى هذه المعلومة

لأن الأرض تتحرّك في سرعة وفي إتّجاه  ثابت تقريبا.

كذلك يمكن ان نعتبر الارض "inertial reference frame". و لهذا فان دوران الارض ليس له تأثير كبير على الأشياء. فكل شئ حولنا يتفاعل  كما لو كانت الارض ثابتة .

حسنا، كلّ شيء تقريبا. هناك، في الحقيقة، بعض الظواهر غير قابلة للتوضيح تماما، مالم ندرك بأنّ الأرض تدور. (ذلك،أن الأرض لا تتحرك في خط مستقيم، لكن تتحرك في دائرة كبيرة حول محور الأرض. ) العديد من سمات الطقس، على سبيل المثال، يظهر لإنتهاك قوانين الفيزياء بالكامل، مالم نحسب حساب هذه الحقيقة. كمثال آخرقذائف مدفعية ثقيلة تطلق على مسافات بعيدة جدا و لوحظ انها لا تسير فى خط مستقيم كما يجب لكنها تنحرف  بعض الشّيء إلى اليمين في نصف الكرة الأرضية الشمالية، أو اليسار في نصف الكرة الأرضية الجنوبية.

لكن لمعظم الاشياء الاخري يمكن ان نعتبر الارض "inertial reference frame"

اذن دعونا نلخص الموضوع حتى الآن. "inertial frame of reference" يكون ثابتا أو متحركا بسرعة ثابتة فى اتجاه ثابت. مسلمة أو  افتراضية اينشتاين الاولى هى ان قوانين الطبيعة لا تتغير و تتطبق فى مثل هذا "inertial frame of reference". الامثلة السابقة مثل الطائرة و الارض كانت مجرد فقط لتوضيح ان جميع الناس يعملون بهذه النظرية فى يومهم العادى بل يعتبرونها شيئا بديهيا .

اذن لماذا نقول ان اينشتاين كان عبقرى فذ ؟؟؟؟؟

يتبع

[etreby]

النسبية قبل أينشتاين

الحلقة الثالثة

القطار

هنا عندنا سيارة سكة حديد.

دعنا نفترض للحظة بأنّ سيارة سكة الحديد لا تتحرّك.

ديف (على القطار) يرمي بيسبولا إلى اليمين بسرعة 40 قدم/ثانية أي أنه بعد ثانية واحدة تتقدم الكرة 40 قدم امامه  (نحن سنهمل جاذبية، ونفترض السيارة بطول 41 قدما على الأقل. . )

الان نحرك القطار. يتحرك القطار في خط مستقيم و مستوي و بسرعة ثابتة قدرها 50 قدم/ثانية.

الان يتخذ ديف نفس الخطوات و الحركة التى تنتج عنها رمي الكرة بسرعة 40 ق/ث كما لو كان القطار ثابتا. ان القطار و هو متحرك يعتبر "inertial frame of reference"  لذلك حسب مسلمة اينشتاين الأولى ان الحياة على القطار الثابت لا تتغير عن القطار المتحرك خاصة اذا رمى ديف الكرة بنفس الطريقة فانها سوف تتحرك 40 قدم امامه سواء كان القطار ثابت او متحرك فلا فرق.

حيث ان القطار يتحرك 50 ق/ث بعد ثانية واحدة فقط يكون ديف امام نولان بمسافة 50 قدم و حيث ان الكرة سوف تكون امام ديف بمقدار 40 قدم فان الكرة سوف تكون امام نولان بمقدار 40+50=90 قدم.

بكلمة أخرى، من وجهة نظر نولان، الكرة تسافر 90 قدم /s.

للتلخيص،

إنّ سرعة الكرة نسبة إلى ديف 40 قدم /s.

إنّ سرعة ديف نسبة إلى نولان 50 قدم /s.

لذا سرعة الكرة نسبة إلى نولان 90 قدم /s.

(هل تبدأ رؤية لماذا هذه تدعى "نسبية"؟ )

رياضيا نحن نكتبها في هذه المعادلة

V(BN) = V(BD) + V(DN)

(You can match the subscripts for "ball", "Dave", and "Nolan".)

الفكرة الأساسية تلك للحصول على سرعة الكرة في إطار مصدر ثاني (نولان)، نأخذ سرعة الكرة في إطار المصدر الأول (ديف) ونحن نضيف أو نطرح (إعتماد على إتّجاهات الأشياء) السرع النسبية من الإطارين. هذه البصيرة تنسب في أغلب الأحيان إلى غاليلو ،"Galilean relativity".

يتبع

[etreby]

مسلمة أينشتاين الثانية

الحلقة الرابعة

أنتج القرن التاسع عشر ثورة فى فهمنا عن الكهرباء و المغناطيسية و الذى تتوج فى عمل جيمس ماكسمويل. هاتين الظاهرتين الكهرباء و المغناطيسية كان العلماء يعتقدون انه لا يوجد صلة بينهما. حتى جاء علماء امثال اورستد و امبير Oersted and Ampère الذين استنتجوا القوانين التي يمكن فيها التيار الكهربائي ان يولد المغناطيس. و أيضا علماء امثال فاراداى  و هنري Faraday and Henry الذين استنتجوا قوانين المغناطيس و كيف يولد تيار كهربائي. اصبحنا الان نعرف جيدا ان الكهرباء و المغناطيسية لهما صلة قوية ببعض و لذللك عندما تحصى قوى الطبيعة من قبل العلماء فان الكهرونغناطيسية  electromagnetism هو المصطلح الذي يطلق على أى منهما سواء.

إنجاز ماكسويل هو أنه أخذ  كلّ شيء  عرف عن  الكهرباء والمغناطيسية، وجمعه سوية في أربع معادلات:

(إذا  لم تدرس الثلاثة أو أربعة من الفصول الدراسية من حساب التفاضل والتكامل الضروري

لفهم هذه المعادلات، فقط استريح وحدّق في جمالهم لبضعة دقائق. )

الشئ المهم أنه بالاضافة الى وصف  و تعريف كل شئ عرفه الناس عن الكهرومغناطيسية فى هذه المعادلات فقد أضاف بعض الصفات الاخرى التى لم تكن معروفة. على سبيل المثال: يمكن للمجال الكهربائي أو المغناطيسى أن يسافر عبر الفضاء فى شكل موجات متذبذبه oscillating wave.

الشئ المهم أنه بالاضافة الى وصف  و تعريف كل شئ عرفه الناس عن الكهرومغناطيسية فى هذه المعادلات فقد أضاف بعض الصفات الاخرى التى لم تكن معروفة. على سبيل المثال: يمكن للمجال الكهربائي أو المغناطيسى أن يسافر عبر الفضاء فى شكل موجات متذبذبه oscillating wave. و عندما جاء ماكسويل ليحسب سرعة هذه الموجات وجد أنها تسير بسرعة الضوء. ليست هذه صدفة. فلقد اكتشف ماكسويل أن الضوء هو بالفعل موجة كهرومغناطيسية.

الشئ المهم علينا ادراكه هو أن سرعة الضوء تستنتج مباشرة من معادلات ماكسويل والتى تصف كل شئ عن الكهرومغناطيسية. و الان نعود الى أينشتاين.

مسلّمة آينشتاين الأولى بأنّ القوانين الطبيعيةلا تتغير في all inertial reference frames

مسلّمته الثانية ببساطة نتيجة تطبيق هذا المبدأ إلى قوانين الكهرباء والمغناطيسية. ذلك، إذا  معادلات ماكسويل مأخوذة كقوانين الطبيعة  ثمّ هم (وكلّ نتائجهم) يجب أن تكون صحيحة فى كل all inertial frames

 احدى نتائج مسلمة أينشتاين الثانية هى:

The speed of light is the same in every inertial frame of reference.

ان مسلمة أينشتاين الأولى تبدو معقولة جدا. و تليها المسلمة الثانية والتى تبدو معقولة جدا هى الأخرى بناء على المسلمة الأولى. و لكن الغريبة هنا أن نتائج هذه المسلمتين لن تكون كما نتوقع و سوف تبدو غير معقولة بالمرة.

يتبع.

[etreby]

زيارة القطار مرة ثانية.

الحلقة الخامسة.

لرؤية تأثير مسلّمة آينشتاين الثانية، دعنا نعود وننظر إلى إيضاح قطارنا ثانية. هذا الوقت، على أية حال، نحن سنأخذ قطار أسرع بكثير، وبدلا من بيسبول، "جسمنا المرمي" سيكون خفيف. الجسم الذى سنقذفه هذ ه المرة سيكون الضوء. اذا كان اعتبار الضوء كجسم يضايقك فقط تذكر أن الضوء يسافر أو يتحرك فى شكل جزيئات صغيرة جدا تسمى الفوتون "photons".

على أية حال، يضيئ ديف مصباحه الكاشف للأمام في القطار، يقذف الفوتونات ترسل بسرعة حوالي 300,000,000 متر بالثّانية (m /s) كما هو متوقّعة من قبل معادلات ماكسويل و ثبتت بشكل تجريبي. يتحرّك القطار في 100,000,000 m /s، بينما ينظر نولان عليه  .

الآن نحن كنّا خلال هذه الحالة من قبل. تتحرّك الفوتونات في سرعة 300,000,000 m /s نسبة إلى ديف، بينما يتحرّك ديف في سرعة 100,000,000 m /s نسبة إلى نولان. لذا لحساب سرعة الفوتونات نسبة إلى نولان،  فقط نضيف  هذه الأعداد. إنّ سرعة الفوتونات نسبة إلى نولان 400,000,000 m /s.

و هنا تكمن المشكلة. هذه الحسابات تناقد مسلمة آينشتاين الثانية و التى تقول أن سرعة الضوء ثابتة و لا تتغير فى أى inertial frame of reference. أي بمعنى آخر أن سرعة الضوء بالنسبة لهذه الحالة يجب أن تكون 300,000,000 م/ث سواء من وجهة نظر ديف أو نولان على حد سواء.

اذن فمن هو المخطئ؟ هل هي نسبية جاليليو التى اشرنا اليها فى الحلقات الماضية أم تكون مسلمة أينشتاين الثانية هي الخطأ.

حسنا التجارب العلمية و هناك العديد منها ساندت نظرية أينشتاين بشكل كبير و لذلك دعونا نفترض مؤقتا أنه على صواب و نحاول مع بعض أن نكتشف ما هو الخطأ فى نسبية جاليليو و أحيانا نطلق عليها النسبية البديهية لأنها نابعة من المنطق العام.

تذكروا أن قرار اضافة السرعات استنتج بسهولة . بعد ثانية واحدة تحرك الفوتون بمقدار  300,000,000 متر أمام ديف و تحرك ديف بمقدار 100,000,000 متر أمام نولان و على هذا الاساس فان الفوتون قد تحرك بمقدار 400,000,000 متر أمام نولان خلال هذه الثانية.

هناك طريقتان فقط بان لا تكون سرعة الفوتون 400,000,000 متر/ثانية نسبة الى نولان.

1. الأمتار الـ300,000,000، نسبة إلى ديف، ليس حقا 300,000,000 متر نسبة إلى نولان.

2. ثانية واحدة لديف ليست ثانية واحدة لنولان.

على قدر غرابة الطريقتين فانه فى الحقيقة كلاهما صحيح.

يتبع.

[Spider]

مجهود رائع يا أخ أتربى

شكرا لك وفى أنتظار المزيد

وفقك الله وأياك

:inlove:

[etreby]

أخي العزيز سبايدر. شكرا لك على هذا التشجيع و سوف استمر ان شاء الله. تحيياتي للجميع و أرجو أن تكون هذه الحلقات سهلة عليهم حتى الآن.

:inlove:  :inlove:  :inlove:  :inlove:  :inlove:

[etreby]

الزمن و المكان.

الحلقة السادسة.

لقد وصلنا الى تناقد.  القانون الذي توصلنا له لحساب أو ترجمة السرعات من one reference frame الى reference frame آخر لا يتفق مع مسلمة أينشتاين الثانية التى تنص على أن سرعة الضوء لا تتغير و ثابتة في جميع all inertial reference frames. اما أن تكون المسافات مختلفة أو الزمن نفسه يختلف من inertial referemce frame الى reference frame آخر.

فى الحقيقة كلاهما صحيح. الظاهرة الأولى تسمى "انكماش الطول" "length contraction". الظاهرة الثانية تسمى "تباطؤ الزمن" "time dilation".

انكماش الطول.

أحيانا يطلق على هذه الظاهرة بانكماش لورنتز "Lorentz contraction, or Lorentz-FitzGerald ". المعادلة الرياضية لهذه الظاهرة توصل توصل اليها Lorentz and Fitzgerald قبل أينشتاين و لكن أينشتاين هو الذى استوعبها كاملة كما استوعب اهميتها و  وضعها ضمن نظرية نسبية متكاملة. مبدأ هذه الظاهرة كالتالى :

The length of an object in a frame in which it is moving is shorter than the length of the same object in a frame in which it's at rest.

لتوضيح هذا المبدأ نحتاج أن ننظر لشكل بيانى كالتالى:

في الشكل البيانى الأول ننظر الى مسطرة في reference frame ثابت أي أنه غير متحرك. قيمة الجسم في حالة عدم تحرك يسمى بالطول الصحيح "proper length". فى الشكل البيانى الثانى المسطرة تتحرك. أو بمعنى أكثر تعقيدا نحن ننظر للمسطرة من reference frame تكون فيه المسطرة متحركة. مبدأ انكمش الطول يقول أن المسطرة أقصر فى الطول في هذا reference frame . هذا الانكماش ليس خدعة بصرية أو  تهيؤات. أي تجربة علمية دقيقة نأتى بها لقياس طول المسطرة و هى تمر  أمامنا سوف تكشف طول أقصر مما كانت عليه و هيا ثابتة. ان المسطرة لا تبدو فقط و كأنها أقصر. انها بالفعل أقصر !!!!! و لكن المسطرة تكون أقصر طولا في نفس الاتجاه الذى تسير فيه.  فى الشكل البيانى الثانى تسير المسطرة فى الاتجاه الأفقى و كذللك يكون طولها الأفقى أقصر. ربما لاحظتم أنه فى الاتجاه الرأسي لم يتغير طولها فى كلا الشكلين.

تباطؤ الزمن

ظاهرة تباطؤ الوقت تشبه انكماش الطول و هى كالآتى:

The time between two events, in a frame in which those events occur at different locations, is longer than the time between those same two events, in a frame in which those events occur at the same location.

حسنا. يبدو أنها أكثر تعقيدا من الظاهرة الأولى و لذلك يلزم شكل بيانى آخر للايضاح.

كلا عقارب الساعة كما يظهر أعلى يمكن استخدامها لقياس الزمن اللازم  للسفر من نقطة A الى نقطة B. لكن كل واحدة منها سوف تعطى نتيجة مختلفة. ممكن أن نفكر فيها بهذه الطريقة: الحدثين الذين نتكلم عنهم "TWO EVENTS" هما

عقارب الساعة تغادر نقطة A

عقارب الساعة تصل نقطة B

من وجهة نظرنا نحن "OUR REFERENCE FRAME" الحدثين أو "THE TWO EVENTS" يأتوا فى مكانين مختلفين "TWO DIFFERENT PLACES" و هما بالتحديد نقطة A و نقطة B.

و لكن لننظر للحدث من وجهة نظر أخرى  أو "ANOTHER INERTIAL FRAME REFERENCE". و ليكن من وجهة نظر عقارب الساعة العلوية.

فى هذه الحالة فان عقارب الساعة ثابتة و الشريط الذى يربط النقطتين ببعض هو الذى يتحرك و يتخطى العقارب من اليمين للشمال.

و لذلك يكون الحدثين أو "THE TWO EVENTS" و هما :

مغادرة نقطة A

وصول نقطة B

يكونوا في نفس المكان و هو المكان الذى تقف فيه العقارب ثابتة لا تتحرك. (

الزمن المسجل حسب عقارب الساعة العلوية يسمى بالزمن الصحيح "PROPER TIME".)

و من منطلق مبدأ تباطؤ الوقت فان عقارب الساعة السفلية سوف تسجل زمنا أكبر من الساعة العلوية.

باختصار و من غير تعقيد ممكن نقول: عقارب الساعة المتحركة بتلف ببطء أكثر من عقارب الساعة الثابتة.

A moving clock runs more slowly than a stationary clock.

لعل أشهر التوضيحات التى سمعتم عنها و التى تتكلم عن تباطؤ الزمن يسمى بتناقد التوأم أو "THE TWIN PARADOX". افترضوا أن هناك توأم باسم مارى و هاري "MARY AND HARRY". ماري تنطلق فى سفينة فضاء بسرعة عالية جدا (يجب أن تكون السرعة قريبة جدا من سرعة الضوء حتى يكون التأثير واضح. ) و تبتعد عن كوكب الارض. ثم تعود ماري للارض بسرعة عالية  أيضا . يمكن لنا أن نتصور بان الجسم البشرى هو آلة لقياس عبور الزمن من خلال الكبر أو العجز "AGING OR GETTING OLDER". حيث أن مارى كانت تسافر بسرعة عالية جدا فان الساعة البيوليجية الخاصة بها كانت أقل سرعة من الساعة البيوليجية الخاصة بتوأمها هارى. النتيجة هى انه عندما عادت ماري للارض فانها لم تكبر بنفس المقدار مثل هاري. الفرق فى الكبر بينهما يعتمد على المسافة التى قطعتها مارى و السرعة التى كانت تسير بها.

تباطؤ الزمن ليست مجرد فكرة جنونية. لقد اثبتت بالتجارب العلمية. لعل أفضل الامثلة على ذلك هى تجربة تتضمن نوع من الجزئيات التى تكون الذرة تسمى الموون "MUON". ان الموون جزئ غير مستقر بحيث أنه عندما يتكون بزمن قصير فانه يتفتت الى جزئيات أصغر. الزمن اللازم لتفتت الموون "MUON" قد تم قياسه بدقة شديدة. على أى حال فلقد لوحظ أن الموون "MUON" يعيش فترة زمنية أطول اذا سار بسرعة تقرب من سرعة الضوء عن اذا كان ثابتا أو يسير ببطء. هذا هو تأثير النسبية. من وجهة نظر الموون نفسه "INERTIAL FRAME OF REFERENCE OF THE MUON" فانه لم يعيش أطول لان من هذه وجهة النظر فانه ثابت. لكنها من وجهة النظر الخاصة بالمعمل " INERTIAL FRAME OF REFERENCE OF THE LABORATORY" هى التى تشير بأن عمر الموون "MUON" قد طال أو "تباطأ".

يبقى لى أن أذكر لكم أنه تم تجارب عديدة على نفس الموضوع و هناك تداعيات أخري لهذه النظرية كما سوف نرى فى الحلقات القادمة. النقطة التى أريد ايضاحها لكم هى أنه رغم أن النسبية في معظم  الوقت يطلق عليها "نظرية" أو "THEORY" ليس معنى ذلك أنها ما زالت محل شك و لم تثبت حتى الآن. على عكس ذلك فان "النظرية النسبية" أو "THE THEORY OF RELATIVITY" هى راسخة و تقف على أرض صلبة بكل المقاييس.

يتبع

[Arabisc]

شكرا يا استاذ اتربي على الشرح البسيط و الممتع في ان واحد

و لكن عندي سؤال عن الحلقة الخامسة و الخاصة بمثال الضوء و القطار

لم لا نفترض ان سرعة الضوء على القطار لم تتغير و بقيت 3*10^8 m/s طول الوقت . و ان سرعة  الضوء النسبية على القطار هي التي تغيرت " سرعة الفوتونات بالنسبة ل Dave"  

بمعنى اخر لم لا تكون تلك السرعة النسبية 2*10^8 التي هي حاصل طرح سرعة الضوء "ثابت" ناقص سرعة المصدر ?

[etreby]

عزيزى أرابيسك. لعلى لم أضع معلومات كافية لفهم هذا المثال عن القطار المتحرك و الفوتونات. بل قد نسيت أن أضعها. لذلك فان المثال يفترض أن طول القطار كان 300,000,001 متر و أن هناك عقارب ساعة داخل القطار لقياس الزمن اللازم لوصول الفوتونات للناحية الأخرى من القطار و أن هذه الساعة كانت منسقة مع عقارب ساعة أخرى على الأرض مع نولان بحيث عندما تقف الأولى فان الثانية تقف معها أيضا. و يشير المثال أن عقارب الساعة داخل القطار سجلت زمنا قدره ثانية واحدة بينما سجلت عقارب الساعة الأخرى زمنا أكثر أو أكبر من ثانية واحدة. و بذلك تكون السرعة الضوئية النسبية لديف داخل القطار هى 300,000,000 متر/ثانية و ليست 200,000,000 كما تفضلت و قلت ذلك. هذا يتفق مع مسلمة أينشتاين الثانية بان سرعة الضؤ ثابتة و لا تتغير من اطار الى آخر و انما الزمن هو الذى يتباطأ.

[ragab2]

حقيقة

استمتعنا يا عم أتربى يافنان

ويبدو أنك خريج علوم أو هندسة

حيث لم ندرس النسبية فى الثانوى وشغلونا فقط بنيوتن وفيثاغورث

الله ينور عليك

تحياتى