عام

نظرية أينشتاين العامة للنسبية: أربع خطوات اتخذها عبقري

استخدم الفيزيائي الثوري خيالهالرياضيات ليست معقدة للتوصل إلى معادلة الأكثر شهرة وأنيقة. تشتهر نظرية النسبية العامة لآينشتاين بتنبؤها بظواهر غريبة ولكنها حقيقية ، مثل التباطؤ في شيخوخة رواد الفضاء في الفضاء مقارنةً بالناس على الأرض والتغيرات في أشكال الأجسام الصلبة بسرعات عالية.

ولكن الشيء المثير للاهتمام هو ، إذا كنت تأخذ نسخةمقالة أينشتاين الأصلية حول النسبية لعام 1905 ، سيكون تحليلها بسيطًا للغاية. النص بسيط وواضح ، وغالبًا ما تكون المعادلات جبرية - أي طالب في المدرسة الثانوية سيكون قادرًا على تحليلها.

كل ذلك بسبب الرياضيات المعقدة أبداكان تزلج آينشتاين. كان يحب التفكير المجازي ، وإجراء تجارب في خياله ووضع تصور لها حتى تصبح الأفكار والمبادئ المادية واضحة تمامًا.

هنا بدأت تجارب آينشتاين العقلية عندما كان عمره 16 عامًا فقط ، وكيف قادته في النهاية إلى المعادلة الأكثر ثورية في الفيزياء الحديثة.

المحتوى

  • 1 1895: الركض بجانب أشعة الضوء
  • 2 1904: قياس الضوء من قطار متحرك
  • 3 مايو 1905: ضرب البرق قطار متحرك
  • 4 سبتمبر 1905: الكتلة والطاقة

1895: الركض بجانب أشعة الضوء

في هذه المرحلة من حياة آينشتاين ، سيئهإن الاحتقار الكامن للجذور الألمانية ، وأساليب التدريس الاستبدادي في ألمانيا قد لعبت بالفعل دوراً ، وتم طرده من المدرسة الثانوية ، لذلك انتقل إلى زيوريخ على أمل الدخول في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا (ETH).

لكن أولاً ، قرر أينشتاين قضاء عام في التدريب في مدرسة في مدينة أراو المجاورة. في هذه المرحلة ، سرعان ما اكتشف أنه مهتم بما كان عليه الجري بجانب أشعة الضوء.

لقد تعلم أينشتاين بالفعل في الصف المادي ما هوشعاع الضوء: تتحرك العديد من الحقول الكهربائية والمغناطيسية المتذبذبة بسرعة 300،000 كيلومتر في الثانية ، وهي سرعة الضوء المقاسة. أدرك أينشتاين أنه لو كان يعمل بنفس السرعة ، فإنه يمكن أن يرى العديد من الحقول الكهربائية والمغناطيسية المتذبذبة بجانبه ، كما لو كان مجمدًا في الفضاء.

لكن هذا لم يكن ممكنا. أولاً ، تنتهك الحقول الثابتة معادلات ماكسويل والقوانين الرياضية التي وضعت كل ما يعرفه علماء الفيزياء عن الكهرباء والمغناطيسية والضوء. كانت هذه القوانين (ولا تزال) صارمة تمامًا: يجب أن تتحرك أي موجات في هذه الحقول بسرعة الضوء ولا يمكنها الوقوف دون أي استثناء.

والأسوأ من ذلك أن الحقول الثابتة لم تتلاءم معمبدأ النسبية ، والذي كان معروفًا للفيزيائيين منذ زمن غاليليو ونيوتن في القرن السابع عشر. في الواقع ، ينص مبدأ النسبية على أن قوانين الفيزياء لا يمكن أن تعتمد على مدى سرعة تحركك: يمكنك فقط قياس سرعة كائن ما بالنسبة لآخر.

ولكن عندما طبق آينشتاين هذا المبدأ على نظيرهنشأ تناقض في تجربة فكرية: تميل النسبية إلى أن كل شيء يمكن أن يراه ، يتحرك بجانب أشعة الضوء ، بما في ذلك الحقول الثابتة ، ينبغي أن يكون شيئًا عاديًا يمكن أن يبتكره الفيزيائيون في المختبر. لكن لم يره أحد من قبل.

هذه المشكلة سوف تقلق آينشتاين 10 أخرىسنوات ، طوال طريقه للدراسة والعمل في ETH والانتقال إلى العاصمة السويسرية بيرن ، حيث سيصبح ممتحنًا في مكتب البراءات السويسري. هناك سيحل المفارقة مرة واحدة وإلى الأبد.

1904: قياس الضوء من قطار متحرك

لم يكن الأمر سهلاً. جرب أينشتاين أي حل حدث له ، لكن لم ينجح شيء. بدأ يائسًا تقريبًا في التفكير ، ولكن بقرار بسيط ولكنه جذري. ربما يعتقد أن معادلات ماكسويل تعمل من أجل كل شيء ، لكن سرعة الضوء كانت دائمًا ثابتة.

وبعبارة أخرى ، عندما ترى الطيرانشعاع الضوء لا يهم ما إذا كان مصدره سيتحرك نحوك ، بعيدا عنك ، إلى الجانب أو في أي مكان آخر ، ولا يهم مدى سرعة تحرك مصدره. ستبلغ سرعة الضوء التي تقيسها دائمًا 300000 كيلومتر في الثانية. من بين أشياء أخرى ، كان هذا يعني أن أينشتاين لن يرى أبدًا حقولًا متذبذبة ثابتة ، لأنه لم يستطع أبدًا التقاط أشعة الضوء.

كانت الطريقة الوحيدة التي رأيتهاآينشتاين للتوفيق بين معادلات ماكسويل ومبدأ النسبية. للوهلة الأولى ، كان لهذا القرار عيب قاتل. وقد شرحها لاحقًا بتجربة فكرية أخرى: تخيل شعاعًا يبدأ على طول جسر للسكك الحديدية ، بينما يمر القطار في نفس الاتجاه بسرعة ، على سبيل المثال ، 3000 كيلومتر في الثانية.

شخص ما يقف بالقرب من الجسر سوف تضطر إلى قياسسرعة شعاع الضوء والحصول على عدد قياسي من 300000 كيلومتر في الثانية الواحدة. لكن شخص ما في القطار سيرى الضوء يتحرك بسرعة 297000 كيلومتر في الثانية. إذا لم تكن سرعة الضوء ثابتة ، يجب أن تبدو معادلة ماكسويل داخل السيارة مختلفة ، كما خلص أينشتاين ، ومن ثم سيتم انتهاك مبدأ النسبية.

هذا التناقض الواضح جعل آينشتاينالتفكير لمدة عام تقريبا. لكن في صباح أحد الأيام الجميلة في مايو 1905 ، ذهب للعمل مع صديقه الحميم ميشيل بيسو ، وهو مهندس عرفه منذ أيام دراسته في زيوريخ. تحدث رجلان عن معضلة آينشتاين ، كما هو الحال دائمًا. وفجأة رأى أينشتاين الحل. لقد عمل عليها طوال الليل ، وعندما التقيا في صباح اليوم التالي ، أخبر أينشتاين Besso: "شكرًا لك. أنا حل المشكلة تماما. "

مايو 1905: ضرب البرق قطار متحرك

كان الوحي لأينشتاين هو ذلكينظر المراقبون في حركة نسبية إلى الوقت بشكل مختلف: من الممكن أن يحدث حدثان في وقت واحد من وجهة نظر أحد المراقبين ، ولكن في أوقات مختلفة من وجهة نظر الآخر. وسيكون كلا المراقبين على حق.

أوضح أينشتاين فيما بعد وجهة نظرهعرض مع تجربة فكرية أخرى. تخيل أن أحد المراقبين يقف مرة أخرى بجانب السكة الحديدية وأن قطارًا يطير بجواره. في اللحظة التي تمر فيها النقطة المركزية للقطار بواسطة المراقب ، تضرب الصواعق في كل نهاية القطار. لأن الصواعق تضرب على مسافة واحدة من المراقب ، يدخل ضوءها إلى عينيه في نفس الوقت. من الإنصاف القول إن الصواعق تضرب في نفس الوقت.

وفي الوقت نفسه ، بالضبط في وسط القطار يجلس آخرمراقب. من وجهة نظره ، يسير الضوء الناتج عن ضربتي صاعقة بنفس المسافة وستكون سرعة الضوء هي نفسها في أي اتجاه. ولكن نظرًا لأن القطار يتحرك ، يجب أن يسافر الضوء الصادر من البرق الخلفي مسافة أكبر ، بحيث يصل إلى المراقب بعد لحظات قليلة من الضوء من البداية. منذ وصول نبضات الضوء في أوقات مختلفة ، يمكن الاستنتاج أن ضربات الصواعق ليست متزامنة - واحدة أسرع.

أدرك أينشتاين أن هذا التزامن فقط نسبي. وبمجرد إدراكك لهذا ، يتم حل التأثيرات الغريبة التي نربطها الآن بالنسبية باستخدام جبر بسيط.

كتب أينشتاين بحماسة أفكاره وقدمت عملك للنشر. كان العنوان "على الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة" ، وهو يعكس محاولة أينشتاين لربط معادلات ماكسويل بمبدأ النسبية. تلقى Besso شكر خاص.

سبتمبر 1905: الكتلة والطاقة

هذا العمل الأول ، ومع ذلك ، لم يكن الأخير. كان آينشتاين مهووسًا بالنسبية حتى صيف عام 1905 ، وفي سبتمبر أرسل مقالًا ثانيًا للنشر ، بعده بالفعل ، بعد فوات الأوان.

كان يقوم على أساس عقلي آخرالتجربة. تخيل موضوع في الراحة ، قال. الآن تخيل أنه ينبعث في وقت واحد نبضين متطابقين من الضوء في اتجاهين متعاكسين. سيبقى الكائن في مكانه ، ولكن نظرًا لأن كل دفعة تحمل كمية معينة من الطاقة ، ستنخفض الطاقة الموجودة في الكائن.

الآن ، كتب أينشتاين كيف سيبدو هذاعملية لمراقب تتحرك؟ من وجهة نظره ، سيستمر الجسم في التحرك بخط مستقيم ، في حين أن نبضين سوف يطيران بعيدا. ولكن حتى لو بقيت سرعة النبضتين كما هي - سرعة الضوء - فإن طاقاتهما ستكون مختلفة. سيكون الدافع الذي يتحرك للأمام في اتجاه السفر أعلى من الطاقة التي تتحرك في الاتجاه المعاكس.

بإضافة بعض الجبر ، أوضح أينشتاين ذلكمن أجل أن يكون كل هذا ثابتًا ، يجب ألا يفقد الجسم الطاقة عند إرسال نبضات ضوئية فحسب ، بل وأيضاً الكتلة. أو يجب أن تكون الكتلة والطاقة قابلة للتبديل. كتب أينشتاين المعادلة التي تربطهم. وأصبحت المعادلة الأكثر شهرة في تاريخ العلوم: E = mc2.