السلام عليكم :
الإخوة الكرام : حياكم الله تعالى ..

بسم الله الرحمن الرحيم

قراءة في نتيجة تجربة مايكلسون ومورلي
وفرض ثبات سرعة الضوء في الخلاء

الحمد لله رب العالمين
الحمد لله الذي علم بالقلم .. علم الإنسان ما لم يعلم ؛ والصلاة والسلام الأتمان الأشرفان على سيدنا محمد النبي الكريم الذي أرسى ضوابط العلم القويم فأعجز بأُمِّيته الأمم , وعلى آله وأصحابه الطيبين الطاهرين الذي حفظوا الضوابط وبثوها شرقاً وغرباً , بالاقتداء والتضحية وعُلُوِّ الهمم ؛ وعلى من تبعهم بمحبة وإحسان إلى يوم لا ينفع مال ولا بنون إلا من أتى الله بقلب سليم من الشرك والظلم والرياء والنِّقم , وبعدُ ؛
فبالرغم من أن نظرية النسبية للعالم ألبرت أينشتاين تقوم على فرضين ذهنيين , وبالرغم من أن أينشتاين حين وضع هذين الفرضين لم يكن يرأس مؤسسة علمية رفيعة , ولم يكن محاضراً جامعياً , ولم يكن على رأس فريق في أحد المختبرات أو فرداً فيه , وإنما كان موظفاً كاتباً ... بالرغم من ذلك كله , فإنه كثيراً ما يوصف مَن يناقش هذين الفرضين بالعدول عن المنهج العلمي التجريبي إلى القضايا الفكرية ( أو الفلسفية !! ) التي لا محل لها في أروقة المعامل والمختبرات !
مئة عام ونيف انقضت , ولم يستطع خلالها إنسان ولا مؤسسة علمية الجمعَ بين هذين الفرضين من غير تناقضات ظاهرة ؛ وذلك أن الحركة النسبية بين جسمين تقتضي في بعض صورها أن يكون أحد الجسمين متحركاً بفعل التحريك , والآخر ليس معرضاً لنفس مقدار فعل التحريك , في حين أن النسبية تجعل المتغيرات جراء الحركة , واقعة بمقدار واحد في الجسمين جميعاً في كافة صور الحركة النسبية بينهما .
ينص أحد فرضي النسبية على أنه : (( لا يمكن تحديد حالة الجسم ، إن كان ساكناً أو يتحرك حركة مستقيمة منتظمة , من خلال تجارب ميكانيكية أو كهربائية أو ضوئية تجري فيه , لأن قوانين الطبيعة تبقى هي هي في كل المراجع التي يتحرك أحدها بالنسبة لآخر حركة مستقيمة منتظمة )) .
وينص الفرض الآخر على أن : (( الأثير فرض لا مبرر لوجوده , وسرعة الضوء ثابتة في الخلاء , سواء أكان المنبع الضوئي ساكناً أم متحركاً , وسواء أكان الراصد ساكناً أم متحركاً )) .
مع قليل من التأمل نجد أن اجتماع هذين الفرضين لا يمكن أن يتحقق ما لم يحدث تغييرات جذرية لبعض المبادئ الأساسية في المفاهيم العلمية السائدة والمعمول بها ؛ وهذا ما دفع بأينشتاين إلى ابتكار تجارب فكرية لتقرير وتثبيت المفاهيم الجديدة التي ينطوي عليها هذان الفرضان مجتمعين . وما كان العلماء آنئذ ليلتفتوا إلى شيء من ذلك , لو لم يكن أينشتاين منطلقاً في كافة ما جاء به في نظريته من خلال نتائج تجربة مايكلسون ومورلي علناً أو ضمناً . فمفهوم انكماش الطول باتجاه الحركة , كان التعليلَ الراجحَ في الأوساط العلمية لنتيجة تجربة مايكلسون ومورلي قبل مجيء أينشتاين بنسبيته التي تدور بما فيها حول هذا التعليل .
فمَن يدعي أن أينشتاين لم يكن يعلم بتجربة مايكلسون ومورلي ونتيجتها , فلاشك أنه واهم .
ومهما يكن من أمر ؛ فبمزيد من التدقيق في نتيجة تجربة العالِمين مايكلسون ومورلي وفي فرض ثبات سرعة الضوء في الخلاء , يظهر لنا ما يدفعنا إلى إعادة النظر في مدى توافق هذه التجربة مع هذا الفرض .

تجربة مايكلسون :
درج معظم المصنفين عند الحديث عن تجربة مايكلسون ومورلي , على أن يقدموا بين يدي عرضهم للتجربة مثالاً في متناول الجميع ( السباحَين أو الطائرتين ) لتقريب آلية التجربة إلى الأذهان وتقرير نتيجتها .
بيد أنني قي هذا البحث , وللغرض نفسه , سأعكس الأمر وأبدأ بتعريف موجز لتجربة مايكلسون ومورلي , وأُثني بالمثال التوضيحي .
فكرة التجربة :
لن يطول بنا البحث لنصل إلى ترجيح نشوء فكرة تجربة مايكلسون عن أربعة معطيات رئيسة , وهي :
1 – حركة الأرض ( فعلاً ) بفعل التحريك .
وذلك بعد أن ترجح لدى العلماء نتيجة أبحاث ودراسات وملاحظات وتجارب قاموا بها طيلة قرون عديدة , أن الأرض تتحرك بفعل التحريك , بدلالة الشمس أو الأثير الساكن بسرعة 30 كم / ثا .
2 – حركة الموجة الضوئية عبر الأثير الساكن .
حيث ترجح احتياج الموجة الضوئية في حركتها إلى حامل , كاحتياج الموجة الصوتية والموجة المائية إلى ذلك .
3 - إمكانية تحديد حركة الأرض بدلالة الأثير الساكن من خلال تجارب كهربائية أو ضوئية .
حيث مفهوم النسبية حتى ذلك الحين , في عدم إمكانية تحديد الجسم المتحرك حركة منتظمة بالنسبة لآخر , كان مقتصراً على التجارب الميكانيكية , وأنه من الممكن تحديد الجسم المتحرك في التجارب الكهربائية أو المغناطيسية أو الضوئية التي تجري عليه بدلالة الأثير الساكن , إذا توفرت أجهزة عالية الحساسية والدقة , بحيث تستطيع تسجيل الفروقات الزمنية بين وقوع حادثتين من مرتبة ( 0.00000001 ثا ) .
4 – ظاهرة التداخل في الضوء .
وهي المحور الذي تدور حوله تجربة مايكلسون , إذ يستطيع من خلال نتائجها التوصل إلى الفارق الزمني بين انتشار الموجتين المتداخلتين مهما بلغت دقته .

وبناء على هذه المعطيات ؛ ظهر للعالم مايكلسون أنه إذا أمكننا أن نجري تجربة نُنتج فيها موجتين متداخلتين من جهاز موضوع على الأرض المتحركة , إحداهما تسير موازية لحركة الأرض في الأثير ذهاباً وإياباً , والأخرى تسير ذهاباً وإياباً متعامدة عليها , فإننا نستطيع من خلال رصد فرق الطور عند نهايتي رحلتيهما , أن نتيقن من سكون الأثير ومن حركة الأرض فيه .
وذلك أن مجموع تركيب سرعات الحركات العمودية , وفق المعطيات المتقدمة , يكون أكبر من مجموع تركيب سرعات الحركات الموازية ( الأفقية ) التي تكون مرة موافقة لحركة الأرض وأخرى معاكسة لها , وبذلك تسبق المتعامدة أختها الأفقية في العودة .


بنية جهاز مايكلسون وآلية عمله :
بعد أن استحكمت تلك الفكرة في ذهن مايكلسون , وجد أنه يلزمه لتحقيق التجربة المنشودة جهاز يتألف من ذراعين متساويتين , ومصدر ضوئي , ومرآة نصف مفضضة , ومرآتين عاكستين , وكاشف .
بحيث توضع الذراعان على هيئة إشارة الزائد , وتكون إحداهما موازية لحركة التيار الأثيري الذي ينشأ عن حركة الأرض في الأثير الساكن , والأخرى متعامدة على هذه الحركة , ويوضع المصدر الضوئي على أحد طرفي الذراع الموازية , ويوضع في الجهة المقابلة له مرآة عاكسة ( م1 ) وفي وسط المسافة بينهما توضع المرآة نصف المفضضة مائلة بزاوية مقدارها 45 درجة , ويوضع على أحد طرفي الذراع العمودية مرآة عاكسة ( م2 ) لها نفس بعد المرآة ( م1 ) عن المرآة المفضضة , وفي الطرف المقابل للمرآة ( م2 ) يوضع كاشف يُظهر نهاية ما ينتج عن مسير الضوء عبر هذه المرايا من خلال ضوابط ظاهرة تداخل الأشعة الضوئية .
ويتم عمل الجهاز بإطلاق موجة ( أشعة ) ضوئية من المصدر , فتسقط على المرآة المفضضة لتنشطر إلى موجتين ( أ و ب ) متساويتي الشدة , فتمر الموجة ( أ ) خلال المرآة نصف المفضضة إلى المرآة ( م1 ) بينما تنعكس الموجة ( ب ) عن المرآة نصف المفضضة إلى المرآة ( م2 )
ثم تنعكس الموجة ( أ ) عن المرآة ( م1 ) عائدة إلى المرآة نصف المفضضة لتنشطر ثانية , وينعكس نصفها إلى الكاشف فيراه المراقب ( ونصفها الآخر يعود إلى المصدر الضوئي ، وليس له أية أهمية بالنسبة للتجربة ) وكذلك تنعكس الموجة ( ب ) عن المرآة ( م2 ) عائدة إلى المرآة نصف المفضضة لتنشطر ثانية , فينعكس نصفها أيضاً إلى الكاشف ( وكذلك نصفها الآخر يعود إلى المصدر الضوئي ، وليس له أية أهمية بالنسبة للتجربة ) وعلى ذلك يرى المراقب على الكاشف نهاية رحلة كلتا الموجتين .


مخطط بنية جهاز مايكلسون :



و لما كان , كما تقدم , مجموع تركيب سرعات الحركات العمودية , وفق المعطيات المطروحة , أكبر من مجموع تركيب سرعات الحركات الأفقية ( الموازية ) , فإن نتيجة ذلك الفرق سوف تظهر على الكاشف , ونوقن بها من سكون الأثير ومن حركة الأرض فيه .

ولرفع الشكوك عن نتائج التجربة , علينا إعادة التجربة بعد أن ندير الجهاز مقدار 90 درجة , بحيث تتناوب الذراعان في أماكنهما , ثم نقارن بين مجموع ما حصلنا عليه من النتائج كافة .

إقامة التجربة ونتائجها :
وتمكن مايكلسون من صنع الجهاز الذي أراده بعناية جيدة , وأقام التجربة التي يصبو إليها , وأعاد التجربة ثانية وثالثة ورابعة ... ولكن النتائج كانت دائماً على غير ما توقع وعلى خلاف ما أراد .. فالحزمتان تصلان معاً , في كل مرة تقام فيها التجربة , والجهاز لم يسجل أدنى فارق معتبر بين مسير الحزمتين , وهذا يعني أن هناك خللاً أو نقصاً ما في بعض المفاهيم العلمية السائدة ؛ فهزت هذه النتيجة السلبية الأوساط العلمية بعد أن أوشكت على الاستقرار في بناء تعاليمها . وهذا ما دعا مايكلسون على إعادة التجربة مرات ومرات , كما دعا ذلك العالم مورلي عام 1887 م للانضمام إلى مايكلسون وإعادة التجربة بعد تحسين الجهاز وإعطائه ما يستحق من العناية والدقة الفائقة . ولكن النتيجة بقيت على حالها رغم جميع التحسينات ورغم إجرائها في أماكن وظروف عديدة وفي أوقات مختلفة .

ولم يبق أمام العلماء إزاء ذلك كله إلا إيجاد تعليل سليم لهذه النتيجة المفاجئة . فأعملوا قرائحهم واستنفروا جهودهم للخروج من هذا المأزق , فخرجت تعليلات وتفسيرات كثيرة كان أعلاها وأرجحها تعليل العالم فتزجيرالد الذي ينص على أن ( جميع الأجسام تنكمش في اتجاه حركتها في الأثير ) ؛ و قـد بنى فتزجيرالد فكرته هذه على التصور التالي : لما كانت الأجسام العادية تنبسط في الشكل عند اصطدامها بالأجسام الأخرى ، كما يحدث مثلاً عند اصطدام كرة من المطاط بالحائط ، فلماذا لا يكـون ممكناً أن الأجسام التي تتحرك في الأثير تعاني منه ضغطاً يجعلها تنكمش ؟
ولم يخلُ هذا التعليل من الاعتراضات عليه , ولكن البحث الذي نشره العالم لورانتز عام 1892م لإنقاذ نظريته الإليكترونية بعد نتائج هذه التجربة , كان سنداً لهذا التعليل حتى سمي بانكماش ( فتزجيرالد - لورانتز ) وفحوى هذا البحث : أن المادة مؤلفة من ذرات موجبة وسالبة , وهي عبارة عن كرات مشحونة , فإذا تحركت هذا الكرات تحول شكلها إلى مجسم قطع ناقص يكون محوره الصغير في اتجاه الحركة , وهذا ما حدث لذراع جهاز التداخل ( المؤلف من المادة ) الذي تحرك باتجاه حركة الأرض . وحصل لورانتز على المعادلة التي تعطي مقدار الانكماش , وبينت المعادلة أنه كلما زادت سرعة ريح الأثير أو سرعة الأرض في الأثير زاد مقدار الانكماش الناتج في ذراع جهاز التداخل الموافق لاتجاه الحركة , في حين أن الأجسام التي تتحرك في اتجاه عمودي على اتجاه ريح الأثير لا تعاني أي انكماش على الإطلاق .
وبقي هذا التعليل بين أخذ ورد إلى أن جاء العالم أينشتاين بنظرية النسبية الخاصة عام 1905 م , فأخذ بهذا التعليل بعد أن فرض عدم وجود الأثير وأن سرعة الضوء ثابتة في الخلاء , فكان ذلك بمثابة البلسم الشافي لتثبيت تعليل نتيجة تجربة مايكلسون ومورلي مع الحفاظ على جوهر فرضيات العلوم القائمة آنئذٍ .

نتيجة تجربة مايكلسون ومورلي وموضعها في تجربة أينشتاين الفكرية :
حين نبحث عن قواعد وأسس البناء التجريبي والرياضي التي تقوم عليه نسبية أينشتاين الخاصة , نجدها مرهونة بتحويلات لورانتز التي وُضعت لتعليل نتيجة تجربة مايكلسون ومورلي ؛ وهذا ما يحثنا على أن ندقق في ثنايا الارتباط بينهما , كلما حاولنا معالجة التناقضات الظاهرة التي تنتج عن فرضي نسبية أينشتاين مجتمعين . وتتجلى العلاقة المتينة والارتباط الوثيق بين نسبية أينشتاين وتجربة مايكلسون ومورلي في التجربة الفكرية التي ابتكرها أينشتاين لتقرير مفهوم التواقت النسبي , الذي هو العمود الفقري لنظريته النسبية .
وللنظر في هذا الارتباط , مع مزيد من البيان , سأعرض أحد الأمثلة المشهورة المعتمدة في توضيح تجربة مايكلسون ومورلي , وأقابله مع تجربة أينشتاين الفكرية .

تجربة السباحين الموضِّحة لتجربة مايكلسون ومورلي :
نتخيل نهراً عرضه (100 م ) وفيه تيار ماء يجري بسرعة ثابتة بالنسبة للضفة مقدارها ( 3 م / ثا ) ولنفرض وجود سباحين يسبحان بسرعة واحدة في المياه الساكنة , بسرعة كلٍّ منهما ( 5 م / ثا ) وأننا سنقيم سباقا بالطريقة التالية بحيث ينطلق السباحان معاً من نقطة واحدة في وقت واحد :
السباح الأول يسبح مع حركة تيار الماء من النقطة ( أ ) إلى النقطة ( ب ) الموازية لحركة تيار الماء والتي تبعد عن ( أ ) نفس مقدار عرض النهر ( ب = 100 م ) ثم يعود سابحاً بعكس حركة تيار الماء من ( ب ) إلى ( أ ) .
وأما السباح الثاني فسيسبح بعرض النهر في خط عمودي على تيار الماء من النقطة ( أ ) إلى النقطة ( ج ) في الضفة المقابلة ( ج = 100 م ) ثم يعود أدراجه إلى النقطة ( أ ) .




والنتيجة تكون كالآتي :



إن الفرق واضح بين زمني نهاية رحلتي السباحين , الذي يساوي : 62.5 – 50 = 12.5 ثا , وهذا يعني أن السباح الثاني يجب أن يعود قبل السباح الأول ب ( 12.5 ثا ) إلى نقطة انطلاقهما .
ولكن !!
ماذا لو عاد السباحان معاً إلى نقطة انطلاقهما في نفس الوقت ( بعد 50 ثا ) كما حدث في تجربة مايكلسون ومورلي ؟ !!

( وتجدر الإشارة هنا إلى إن رصد الفارق الزمني بين عودة السباحين , كان الباعث الرئيس لتجربة مايكلسون , لأنه دليل على وجوب وجود فارق زمني بين عودة الإشارتين إذا كانت الأرض تتحرك بدلالة الأثير الساكن ) .

هناك مجموعة احتمالات لتعليل عودة السباحين إلى نقطة انطلاقهما في وقت واحد , ترجع بمجموعها إلى اضطرابات وشرود في دقة الافتراضات الأولية , فمنها مثلاً :
- أن يكون الماء والنهر ساكنين بالنسبة لبعضهما بعضاً .
- أو أن , يحتال , السباح الأول فيزيد من سرعته .
- أو أن يتساهل السباح الثاني فلا يبذل الجهد المعهود به .
- أو أن يكون عرض النهر 125 م , وتكون القطعة ( أ ب ) 100 م فقط .
- أو تكون القطعة ( أ ب ) 80 م , ويكون عرض النهر 100 م فقط .
- أو .......

وفي الإجابة على هذا السؤال نجد :
أننا إذا لم نرصد حركة الماء والنهر بدلالة بعضهما , فمعنى ذلك أن النهر والماء ساكنين بالنسبة لبعضهما , فلن يكون هناك سرعات مركبة , وسيصل السباحان معاً بعد ( 50 ثا ) لأن المسافة واحدة والسرعة واحدة , ويكون هو الاحتمال الراجح .
ولكن لما ترجح لدينا وجود حركة للنهر ( للأرض ) فهذا يعني أن جميع الاحتمالات الباقية متساوية في الدرجة .
وفي قبول العلماء تعليل فتزجيرالد – لورانتز لنتيجة تجربة مايكلسون ومورلي , نجد دليلاً ظاهراً على أنهم رجحوا الاحتمال الأخير , ولكن بعد أن أبقوا على سلامة قراءات المساطر , فقالوا : أصل المسألة أن الماء ( الذي يمثل الأثير ) ساكن , وإنما الذي يتحرك هو النهر بضفتيه ( الذي يمثل الأرض ) يتحرك بالاتجاه ( من ب إلى أ ) فيحدث تياراً مائياً يتحرك بعكس اتجاه حركة النهر أي : ( من أ إلى ب ) فيؤثر هذا التيار على سرعة السباحين . ونتيجة هذه الحركة للنهر , يتقلص طوله وطول ضفتيه أمام هذا السباح الموازي لحركته , كما يتقلص طول ما في الضفتين ومن فيهما باتجاه حركتهما , والتقلص بهذا الوصف لا يمكن أن يشعر به مَن كان طرفاً فيه , لأن المساطر نفسها تقلصت باتجاه الحركة , فتبقى إشارات المساطر ودلالاتها التي بها تُعرف مقادير الأطوال ظاهرة لديهم كما هي , في حين أن عرض النهر وعمقه لا يتأثران بحركته ( الأفقية ) الطولية .
وبناء على ذلك ؛ فإننا حين نرصد وصول السباحين في وقت واحد , وتكون مساطرنا تقيس طول القطعة ( أ ب ) 100 م , وتقيس طول القطعة ( أ ج ) 100 م , ونرجح بأن النهر ( الأرض ) هو الذي يتحرك , فهذا دليل جلي على أنه لا يمكننا تحديد حال الجسم هل هو ساكن أم متحرك بانتظام من خلال هذه التجربة ونظائرها ؟ لأن التقلص لا يمكن رصده , ولأن هذه النتيجة نفسها نحصل عليهما عندما نرجح سكون النهر والماء بالنسبة لبعضهما .
ظهور النسبية إثر التعليل الفكري والرياضي لتجربة مايكلسون ومورلي :
انطلاقاً من معطيات فكرة تجربة مايكلسون ومورلي , ومن نتيجتها , ومن تعليل النتيجة بتقلص طول ذراع الجهاز الموافق لجهة حركة الأرض , يظهر لنا أن أينشتاين عندما نظر إلى ذلك كله بدا له أنه ؛ لما كانت تجربة مايكلسون ومورلي التي أُقيمت لإثبات حركة الأرض بدلالة الأثير الساكن , دلت على أن حركة الضوء لا تصلح لإثبات حركة الأرض المنتظمة , فهذا يعني أنه (( لا يمكن تحديد حالة الجسم ، إن كان ساكناً أو يتحرك حركة مستقيمة منتظمة , من خلال تجارب ميكانيكية أو كهربائية أو ضوئية تجري فيه , لأن قوانين الطبيعة تبقى هي هي في كل المراجع التي يتحرك أحدها بالنسبة لآخر حركة مستقيمة منتظمة ))
وهذا فرض نسبيته الأول .
كما بدا له أن ؛ حركة الأرض لا تؤثر في حركة الضوء , أي : لا يتغير مقدار حركة الضوء بالنسبة للأرض في حركتها بدلالة الشمس ؛ فلو افترضنا عدم وجود الأثير , وهذا يعني عدم وجود التيار الذي يؤثر في حركة الضوء , لحصلنا على النتيجة نفسها , مع افتراض التقلص باتجاه الحركة , أي : لوَصلت الإشارتان الضوئيتان – كما وصل السباحان – معاً في وقت واحد . فلما كانت التجربة التي أُقيمت على الأرض المتحركة , أظهرت عدم تأثر حركة الضوء بحركة الأرض , مثلما أبانت ثبات سرعة الضوء في رحلتي الإشارتين , فإن (( الأثير فرض لا مبرر لوجوده , وسرعة الضوء ثابتة في الخلاء , سواء أكان المنبع الضوئي ساكناً أم متحركاً , وسواء أكان الراصد ساكناً أم متحركاً )) .
وهذا هو الفرض الثاني في نسبيته .
وللمواءمة بين هذين الفرضين ودمجهما في بوتقة واحدة , وتقرير ما ينتج عنهما من مفاهيم جديدة , وضع أينشتاين التجربة الفكرية الشهيرة ( ضربتي البرق والقطار ) التي أُوجزها في التالي :


- - - - - يتبع - - - - -