العمري انا
04-12-2013, 10:18 AM
في مايو عام 2011م أعلنت وكالة الفضاء الأمريكية ناسا تمكن مسبارها Gravity Probe B الذي تم إطلاقه في العام 2004 م من تأكيد صحة توقعات نظرية النسبية العامة لألبرت آينشتين ...
الباحث فرانسيس إيفيريت من جامعة ستانفورد في كاليفورنيا – المشرف الرئيس على التجربة - يصف ما تم تحقيقه بالقول “لقد أكملنا هذه التجربة التاريخية التي هي اختبار الكون وفق رؤية آينشتين... و آينشتين يبقى”
هذه التجربة كلفت وقتا ومالا كثيرين من كل من جامعة ستانفورد وناسا حيث انضم الدّكتورِ فرانسيس إيفيريت إلى التجربةِ في 1962م، فالتجربة تم التفكير فيها في 1959، لكن التقنيةَ لبدء التجربة لم تكن متوفرة بعد ، لهذا السبب استغرقت التجربةُ وقتاً طويلاً وكلّفتْ كثيراً. فالجيروسكوبات - على سبيل المثال- التي كَانَ لِزاماً عليها أَنْ تحلق في صندوق لعَزْلها مِنْ أيّ تأثيرات أخرى في الكونِ لم تكن جاهزة إلا عام 1975م ، ولم يحصل إيفيريت على التمويل المقدر بـ 750مليون دولار إلا بعد ذلك حيث ان المشروعَ كَانَ قَدْ ألغيَ على الأقل سبع مرات ، لكنه المسبار الحامل لجهاز التجربة أطلق أخيراً إلى الفضاء في 2004 وعمل لمدة 17 شهراً، وبعدها عاد إلى الأرض ، عندما العلماء بدأوا بتَحليل بياناتِهم اكتشفوا بيانات خاطئة الأمر الذي اَستغرقُ خمس سَنَواتِ أكثرِ لفَهْم تلك البيانات الخاطئة لكن تم استعادة البيانات الصحيحة ، لكن في تلك الأثناء منحة ناسا نَفدتْ.. وناسا رَفضتْ تقديم منحة جديدة، لكن تركي آل سعود - خريج ستانفورد ونائب رئيس معاهدِ البحثِ في مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنيةِ في السعودية - قدّمَ 2.7 مليون دولار منحة منه فأنقذ الموقف فأتم العلماء التحليل وأعلنت النتيجة في الرابع من مايو الماضي بصحة توقعات اينشتاين .
تعلق صحيفة نيويورك تايمز حول الموضع بالعنوان التالي ( أكثر من 52 سنة وأكثر من 750 مليون دولار لنثبت أن اينشتاين كان على حق !)
فما هي هذه النظرية التي استحقت كل هذا الوقت والجهد للتحقق منها ؟
ما هي حكاية النظرية النسبية لاينشتاين ؟
النسبية الخاصة
=========
نظرية النسبية لاينشتاين تتكون من نظريتين الأولى النسبية الخاصة Special Relativity التي قدمها في عام 1905 م والأخرى هي النسبية العامة General Relativity المقدمة عام 1915م ..
ولنبدأ بالخاصة ، لم يأت القرن التاسع عشر إلا وقد استطاع العلماء قياس سرعة الضوء البالغة 300الف كيلومتر في الثانية ولأن الضوء موجات كما أثبت كل من هيجنز وماكسويل فإن الموجة تحتاج إلى وسط تنتشر فيه فالصوت مثلا لا يمكن أن ينتشر بدون وسط, مثل الهواء أو الماء لذا فالصوت لا ينتقل في الفراغ. فكيف ينتقل الضوء إلينا من النجوم والمجرات البعيدة؟ لا بد من وجود وسط ، ومن هنا جاءت فكرة الأثير ether - وهو غير موجات الأثير التي في الراديو- هو وسط يحيط بالكرة الأرضية, فما هي سرعة الأرض بالنسبة للأثير؟ فصمم العالمان مايكلسون ومورلى عام 1885م تجربة غاية في الدقة باستخدام المرايا لمعرفة سرعة الضوء في اتجاه حركة الأرض, وسرعة الضوء في عكس اتجاه حركة الأرض ومن الفرق يمكن حساب سرعة الأرض بالنسبة للأثير. فكانت المفاجأة ان سرعة الضوء ثابتة في كلا الحالتين وهي سرعته المعهودة ..
حاول العلماء حل المشكلة فافترضوا عدم دقة التجربة فأعادوها في اكثر من مكان فكانت نفس النتيجة ، فظهرت اقتراحات عديدة للحل أبرزها ما قدمه اينشتاين عام 1905م – ما عرف بالنسبية الخاصة – حيث افترض أن سرعة الضوء ثابتة لا تتغير بغض النظر عن ان مصدر الضوء كان ثابتا أو متحركا ، فكشاف الإضاءة في يدك يطلق ضوءا بسرعته الثابتة سواء تحركت أو توقفت ، إلى جانب انه لا وجود للأثير فلا يحتاج الضوء إلى وسط لينتقل خلاله ومن ثم قدّم اينشتاين نتائج ثورية من ذلك ان الزمن ليس مطلقا ولا المكان بل هما نسبيان – بسبب ذلك اكتسبت النظرية اسم النسبية- فالزمان والمكان مترابطان مع بعضهما البعض ولا يمكن الحديث عن واحد دون الآخر ، والأمر واضح بسهولة فعندما أقول: الساعة الثالثة عصرا – على سبيل المثال- هذا زمن وهو يعني ان الأرض في تلك اللحظة تميل عن الشمس بمقدار كذا وهذا مكان تماما كما لو كان مكان عقربي الساعة يشير إلى الزمن وبتغير مكانيهما يتغير الزمن ، هذا الترابط بين الزمان والمكان سمي الزمكان space-time وقدمه اينشتاين في قالب رياضي متين..
ومن نتائج هذه النظرية ان الأحداث ليست متزامنة، فالمراقب الساكن للحدث تكون الأحداث له أبطأ منها للمراقب المتحرك معها فأصبح للقياس دور في زمن الحدث ولا تزامن بين الأحداث فلو انطلقت إشارة ضوئية من كوكب يبعد عنا أربع سنوات ضوئية – أي يحتاج الضوء إلى اربع سنوات ليصل إلينا- فإن ما يحدث (الآن) هناك لن نعرفه على الأرض إلا بعد اربع سنوات عبر أسرع رسول في الكون وهو الضوء..
نتائج النظرية
ومن اهم نتائج نظرية النسبية الخاصة التأخير الزمني Time Dilation الذي يشرحه أينشتاين قائلاً:
“أننا إذا تصورنا ساعة ملصقة بجسم متحرك بسرعة هائلة، فإن عقارب هذه الساعة لابد أن تسير بسرعة مختلفة عن سرعة عقارب ساعة أخرى ملصقة بجسم ساكن كالجدار مثلاً... وبالمثل فإن مسطرة متحركة لابد أن يتغير طولها تبعاً لسرعتها المتحركة بها. وعلى وجه الدقة فإن الساعة الملصقة بجسم متحرك تتأخر في الوقت كلما ازدادت سرعة الجسم حتى تتوقف عقاربها تماما عن الدوران إذا بلغت سرعة الجسم سرعة الضوء والشخص المتحرك مع الساعة لا يدرك هذه التغيرات وإنما يدركها الشخص الذي يلاحظها من مكان ساكن.”
هذا دفع إلى ما يسمى معضلة التوائم Twin Paradox نفترض أن مسافراً يبلغ من العمر عشرين عاماً استقل مركبة فضائية تسير بسرعة 99% من سرعة الضوء بالنسبة لشخص على الأرض له نفس العمر، سنجد أن ساعة الرجل الفضائي تتباطأ بالنسبة للرجل الأرضي والوقت الذي يحسبه المسافر يكون أقل من الوقت الذي يحسبه الرجل على الأرض، وحقيقة فإن الفعاليات الحيوية كضربات القلب والتنفس...الخ تكون ساعات بيولوجية وبالتالي فإن هذه الفعاليات تسير ببطء لدى المسافر في المركبة الفضائية وهو لن يلحظ أي تغير في سرعة دقات قلبه أو تنفسه ولكن الذي يلحظ ذلك هو الرجل على الأرض حين مراقبته بتلسكوب مثلاً. وبعد مرور سبعين سنة حسب تقدير وقياس الرجل على الأرض أي بعد ما أصبح عمره تسعين عاماً، يعود الرجل الفضائي وعمره ثلاثون عاماً فقط !
ومن النتائج أيضا ان الكتلة تتزايد بالتسارع بالقرب من سرعة الضوء ، طبعا هذا لا نلحظه في حياتنا اليومية لأن مقدار هذا الازدياد ضئيل بسبب ضآلة سرعاتنا مقارنة بسرعة الضوء ، لكن طبقا للمعادلة التي قدمها اينشتاين – والتي تعتبر من أهم معادلات القرن العشرين- والتي فيها يساوى بين الطاقة والمادة والتي تقول (E=mc2) فالطاقة المتولدة من جسم كتلته m تساوي حاصل ضرب كتلته في مربع سرعة الضوء.
فأصبحت الكتلة عبارة عن منجم من طاقة محبوسة لو استطعنا استخراجها لأعطتنا مقداراً هائلاً من الطاقة وهذا ما حدث عند انتاج أول قنبلة ذرية عام 1941م فتحولت الكتلة إلى طاقة مدمرة..إلى جانب ان هذه المعادلة فسرّت احتراق النجوم التي تزودنا بطاقة الدفء والنور مثل الشمس رغم عمرها الطويل فهي تخسر كمية قليلة جداً من مادتها لتعطي طاقة تمد بها الكون بأكمله...
والأهم ان سرعة الضوء هي السرعة القصوى لكل كتلة في الكون، ولا يمكن لأي مادة من الانتقال في الكون بأسرع من سرعة الضوء لأنها في تلك الحالة وبحسب المعادلة السابقة ستصبح قيمتها ما لانهاية وبالتالي ستحتاج لطاقة مقدارها ما لانهاية وهذا مستحيل..
كل هذه النتائج تم اختبارها وأثبتت صحتها على مدى المائة عام الماضية...وللحديث بقية عن النسبية العامة ..
الباحث فرانسيس إيفيريت من جامعة ستانفورد في كاليفورنيا – المشرف الرئيس على التجربة - يصف ما تم تحقيقه بالقول “لقد أكملنا هذه التجربة التاريخية التي هي اختبار الكون وفق رؤية آينشتين... و آينشتين يبقى”
هذه التجربة كلفت وقتا ومالا كثيرين من كل من جامعة ستانفورد وناسا حيث انضم الدّكتورِ فرانسيس إيفيريت إلى التجربةِ في 1962م، فالتجربة تم التفكير فيها في 1959، لكن التقنيةَ لبدء التجربة لم تكن متوفرة بعد ، لهذا السبب استغرقت التجربةُ وقتاً طويلاً وكلّفتْ كثيراً. فالجيروسكوبات - على سبيل المثال- التي كَانَ لِزاماً عليها أَنْ تحلق في صندوق لعَزْلها مِنْ أيّ تأثيرات أخرى في الكونِ لم تكن جاهزة إلا عام 1975م ، ولم يحصل إيفيريت على التمويل المقدر بـ 750مليون دولار إلا بعد ذلك حيث ان المشروعَ كَانَ قَدْ ألغيَ على الأقل سبع مرات ، لكنه المسبار الحامل لجهاز التجربة أطلق أخيراً إلى الفضاء في 2004 وعمل لمدة 17 شهراً، وبعدها عاد إلى الأرض ، عندما العلماء بدأوا بتَحليل بياناتِهم اكتشفوا بيانات خاطئة الأمر الذي اَستغرقُ خمس سَنَواتِ أكثرِ لفَهْم تلك البيانات الخاطئة لكن تم استعادة البيانات الصحيحة ، لكن في تلك الأثناء منحة ناسا نَفدتْ.. وناسا رَفضتْ تقديم منحة جديدة، لكن تركي آل سعود - خريج ستانفورد ونائب رئيس معاهدِ البحثِ في مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنيةِ في السعودية - قدّمَ 2.7 مليون دولار منحة منه فأنقذ الموقف فأتم العلماء التحليل وأعلنت النتيجة في الرابع من مايو الماضي بصحة توقعات اينشتاين .
تعلق صحيفة نيويورك تايمز حول الموضع بالعنوان التالي ( أكثر من 52 سنة وأكثر من 750 مليون دولار لنثبت أن اينشتاين كان على حق !)
فما هي هذه النظرية التي استحقت كل هذا الوقت والجهد للتحقق منها ؟
ما هي حكاية النظرية النسبية لاينشتاين ؟
النسبية الخاصة
=========
نظرية النسبية لاينشتاين تتكون من نظريتين الأولى النسبية الخاصة Special Relativity التي قدمها في عام 1905 م والأخرى هي النسبية العامة General Relativity المقدمة عام 1915م ..
ولنبدأ بالخاصة ، لم يأت القرن التاسع عشر إلا وقد استطاع العلماء قياس سرعة الضوء البالغة 300الف كيلومتر في الثانية ولأن الضوء موجات كما أثبت كل من هيجنز وماكسويل فإن الموجة تحتاج إلى وسط تنتشر فيه فالصوت مثلا لا يمكن أن ينتشر بدون وسط, مثل الهواء أو الماء لذا فالصوت لا ينتقل في الفراغ. فكيف ينتقل الضوء إلينا من النجوم والمجرات البعيدة؟ لا بد من وجود وسط ، ومن هنا جاءت فكرة الأثير ether - وهو غير موجات الأثير التي في الراديو- هو وسط يحيط بالكرة الأرضية, فما هي سرعة الأرض بالنسبة للأثير؟ فصمم العالمان مايكلسون ومورلى عام 1885م تجربة غاية في الدقة باستخدام المرايا لمعرفة سرعة الضوء في اتجاه حركة الأرض, وسرعة الضوء في عكس اتجاه حركة الأرض ومن الفرق يمكن حساب سرعة الأرض بالنسبة للأثير. فكانت المفاجأة ان سرعة الضوء ثابتة في كلا الحالتين وهي سرعته المعهودة ..
حاول العلماء حل المشكلة فافترضوا عدم دقة التجربة فأعادوها في اكثر من مكان فكانت نفس النتيجة ، فظهرت اقتراحات عديدة للحل أبرزها ما قدمه اينشتاين عام 1905م – ما عرف بالنسبية الخاصة – حيث افترض أن سرعة الضوء ثابتة لا تتغير بغض النظر عن ان مصدر الضوء كان ثابتا أو متحركا ، فكشاف الإضاءة في يدك يطلق ضوءا بسرعته الثابتة سواء تحركت أو توقفت ، إلى جانب انه لا وجود للأثير فلا يحتاج الضوء إلى وسط لينتقل خلاله ومن ثم قدّم اينشتاين نتائج ثورية من ذلك ان الزمن ليس مطلقا ولا المكان بل هما نسبيان – بسبب ذلك اكتسبت النظرية اسم النسبية- فالزمان والمكان مترابطان مع بعضهما البعض ولا يمكن الحديث عن واحد دون الآخر ، والأمر واضح بسهولة فعندما أقول: الساعة الثالثة عصرا – على سبيل المثال- هذا زمن وهو يعني ان الأرض في تلك اللحظة تميل عن الشمس بمقدار كذا وهذا مكان تماما كما لو كان مكان عقربي الساعة يشير إلى الزمن وبتغير مكانيهما يتغير الزمن ، هذا الترابط بين الزمان والمكان سمي الزمكان space-time وقدمه اينشتاين في قالب رياضي متين..
ومن نتائج هذه النظرية ان الأحداث ليست متزامنة، فالمراقب الساكن للحدث تكون الأحداث له أبطأ منها للمراقب المتحرك معها فأصبح للقياس دور في زمن الحدث ولا تزامن بين الأحداث فلو انطلقت إشارة ضوئية من كوكب يبعد عنا أربع سنوات ضوئية – أي يحتاج الضوء إلى اربع سنوات ليصل إلينا- فإن ما يحدث (الآن) هناك لن نعرفه على الأرض إلا بعد اربع سنوات عبر أسرع رسول في الكون وهو الضوء..
نتائج النظرية
ومن اهم نتائج نظرية النسبية الخاصة التأخير الزمني Time Dilation الذي يشرحه أينشتاين قائلاً:
“أننا إذا تصورنا ساعة ملصقة بجسم متحرك بسرعة هائلة، فإن عقارب هذه الساعة لابد أن تسير بسرعة مختلفة عن سرعة عقارب ساعة أخرى ملصقة بجسم ساكن كالجدار مثلاً... وبالمثل فإن مسطرة متحركة لابد أن يتغير طولها تبعاً لسرعتها المتحركة بها. وعلى وجه الدقة فإن الساعة الملصقة بجسم متحرك تتأخر في الوقت كلما ازدادت سرعة الجسم حتى تتوقف عقاربها تماما عن الدوران إذا بلغت سرعة الجسم سرعة الضوء والشخص المتحرك مع الساعة لا يدرك هذه التغيرات وإنما يدركها الشخص الذي يلاحظها من مكان ساكن.”
هذا دفع إلى ما يسمى معضلة التوائم Twin Paradox نفترض أن مسافراً يبلغ من العمر عشرين عاماً استقل مركبة فضائية تسير بسرعة 99% من سرعة الضوء بالنسبة لشخص على الأرض له نفس العمر، سنجد أن ساعة الرجل الفضائي تتباطأ بالنسبة للرجل الأرضي والوقت الذي يحسبه المسافر يكون أقل من الوقت الذي يحسبه الرجل على الأرض، وحقيقة فإن الفعاليات الحيوية كضربات القلب والتنفس...الخ تكون ساعات بيولوجية وبالتالي فإن هذه الفعاليات تسير ببطء لدى المسافر في المركبة الفضائية وهو لن يلحظ أي تغير في سرعة دقات قلبه أو تنفسه ولكن الذي يلحظ ذلك هو الرجل على الأرض حين مراقبته بتلسكوب مثلاً. وبعد مرور سبعين سنة حسب تقدير وقياس الرجل على الأرض أي بعد ما أصبح عمره تسعين عاماً، يعود الرجل الفضائي وعمره ثلاثون عاماً فقط !
ومن النتائج أيضا ان الكتلة تتزايد بالتسارع بالقرب من سرعة الضوء ، طبعا هذا لا نلحظه في حياتنا اليومية لأن مقدار هذا الازدياد ضئيل بسبب ضآلة سرعاتنا مقارنة بسرعة الضوء ، لكن طبقا للمعادلة التي قدمها اينشتاين – والتي تعتبر من أهم معادلات القرن العشرين- والتي فيها يساوى بين الطاقة والمادة والتي تقول (E=mc2) فالطاقة المتولدة من جسم كتلته m تساوي حاصل ضرب كتلته في مربع سرعة الضوء.
فأصبحت الكتلة عبارة عن منجم من طاقة محبوسة لو استطعنا استخراجها لأعطتنا مقداراً هائلاً من الطاقة وهذا ما حدث عند انتاج أول قنبلة ذرية عام 1941م فتحولت الكتلة إلى طاقة مدمرة..إلى جانب ان هذه المعادلة فسرّت احتراق النجوم التي تزودنا بطاقة الدفء والنور مثل الشمس رغم عمرها الطويل فهي تخسر كمية قليلة جداً من مادتها لتعطي طاقة تمد بها الكون بأكمله...
والأهم ان سرعة الضوء هي السرعة القصوى لكل كتلة في الكون، ولا يمكن لأي مادة من الانتقال في الكون بأسرع من سرعة الضوء لأنها في تلك الحالة وبحسب المعادلة السابقة ستصبح قيمتها ما لانهاية وبالتالي ستحتاج لطاقة مقدارها ما لانهاية وهذا مستحيل..
كل هذه النتائج تم اختبارها وأثبتت صحتها على مدى المائة عام الماضية...وللحديث بقية عن النسبية العامة ..