تشمل نظرية النسبية عادة نظريتين مترابطتين من قبل ألبرت أينشتاين: النسبية الخاصة والنسبية العامة. تنطبق النسبية الخاصة على جميع الظواهر الفيزيائية في غياب الجاذبية. تشرح النسبية العامة قانون الجاذبية وعلاقته بقوى الطبيعة الأخرى. وهي تنطبق على عالم الفيزياء الفلكية والكونية ، بما في ذلك علم الفلك.
حولت النظرية الفيزياء النظرية وعلم الفلك خلال القرن العشرين ، لتحل محل نظرية الميكانيكا التي عمرها 200 عام والتي ابتكرها إسحاق نيوتن في المقام الأول. وقد أدخلت مفاهيم تشمل الزمكان ككيان موحد للمكان والزمان ، ونسبية التزامن ، وتمدد الزمن الحركي والجاذبي ، وتقلص الطول. في مجال الفيزياء ، حسّنت النسبية علم الجسيمات الأولية وتفاعلاتها الأساسية ، جنبًا إلى جنب مع الدخول في العصر النووي. مع النسبية ، تنبأ علم الكون والفيزياء الفلكية بظواهر فلكية غير عادية مثل النجوم النيوترونية والثقوب السوداء وموجات الجاذبية
التطوير والقبول
نشر ألبرت أينشتاين نظرية النسبية الخاصة في عام 1905 ، بناءً على العديد من النتائج النظرية والنتائج التجريبية التي حصل عليها ألبرت أ.ميشيلسون وهندريك لورنتز وهنري بوانكاريه وآخرين. قام ماكس بلانك وهيرمان مينكوفسكي وآخرون بعمل لاحق.
طور أينشتاين النسبية العامة بين عامي 1907 و 1915 ، مع مساهمات كثيرين بعد عام 1915. تم نشر الشكل النهائي للنسبية العامة في عام 1916.
استند مصطلح “نظرية النسبية” على تعبير “النظرية النسبية” (بالألمانية: Relativtheorie) الذي استخدمه بلانك عام 1906 ، والذي أكد على كيفية استخدام النظرية لمبدأ النسبية. في قسم المناقشة من نفس الورقة ، استخدم ألفريد بوخرير لأول مرة تعبير “نظرية النسبية” (بالألمانية: Relativitätstheorie).
بحلول عشرينيات القرن الماضي ، فهم المجتمع الفيزيائي ووافق على النسبية الخاصة. سرعان ما أصبحت أداة مهمة وضرورية للمنظرين والتجريبيين في المجالات الجديدة للفيزياء الذرية والفيزياء النووية وميكانيكا الكم.
بالمقارنة ، لم تبدو النسبية العامة مفيدة ، باستثناء إجراء تصحيحات طفيفة لتنبؤات نظرية الجاذبية النيوتونية. يبدو أنها تقدم القليل من الإمكانات للاختبار التجريبي ، حيث كانت معظم تأكيداتها على نطاق فلكي. بدت رياضياتها صعبة ومفهومة تمامًا فقط من قبل عدد قليل من الناس. حوالي عام 1960 ، أصبحت النسبية العامة مركزية في الفيزياء وعلم الفلك. تقنيات رياضية جديدة لتطبيقها على النسبية العامة سهلت الحسابات وجعلت مفاهيمها أكثر سهولة. عندما تم اكتشاف الظواهر الفلكية ، مثل الكوازارات (1963) ، إشعاع الخلفية الميكروويف 3 كلفن (1965) ، النجوم النابضة (1967) ، وأول الثقوب السوداء المرشحة (1981) ،
أوضحت النظرية سماتها وقياسها منهم كذلك أكد النظرية.
النسبية العامة
النسبية العامة هي نظرية الجاذبية التي طورها أينشتاين في الأعوام 1907-1915. بدأ تطوير النسبية العامة بمبدأ التكافؤ ، الذي بموجبه تكون حالات الحركة المتسارعة والراحة في مجال الجاذبية (على سبيل المثال ، عند الوقوف على سطح الأرض) متطابقة ماديًا. والنتيجة هي أن السقوط الحر هو حركة القصور الذاتي: جسم في السقوط الحر يسقط لأن هذه هي الطريقة التي تتحرك بها الأجسام عندما لا تكون هناك قوة تمارس عليها ، بدلاً من أن يكون هذا بسبب قوة الجاذبية كما هو الحال في الميكانيكا الكلاسيكية. هذا لا يتوافق مع الميكانيكا الكلاسيكية والنسبية الخاصة لأنه في تلك النظريات لا يمكن للأجسام المتحركة بالقصور الذاتي أن تتسارع فيما يتعلق ببعضها البعض ، لكن الأشياء في السقوط الحر تفعل ذلك. لحل هذه الصعوبة ، اقترح أينشتاين أولاً أن الزمكان منحني. في عام 1915 ، ابتكر معادلات مجال أينشتاين التي تربط انحناء الزمكان مع الكتلة والطاقة وأي زخم بداخله.
بعض نتائج النسبية العامة هي:
تمدد زمن الجاذبية: تعمل الساعات بشكل أبطأ في آبار الجاذبية العميقة.
السبق: تتحرك المدارات بطريقة غير متوقعة في نظرية الجاذبية لنيوتن. (وقد لوحظ هذا في مدار عطارد وفي النجوم النابضة الثنائية).
انحراف الضوء: تنحرف أشعة الضوء في وجود مجال الجاذبية.
سحب الإطار: تدور الكتل "تسحب" الزمكان من حولها.
التوسع المتري للفضاء: يتمدد الكون ، والأجزاء البعيدة منه تبتعد عنا أسرع من سرعة الضوء.من الناحية الفنية ، النسبية العامة هي نظرية الجاذبية التي تتمثل ميزتها المميزة في استخدامها لمعادلات مجال أينشتاين. حلول معادلات المجال هي موترات مترية تحدد طوبولوجيا الزمكان وكيف تتحرك الأشياء بالقصور الذاتي.
الأدلة التجريبية
ذكر أينشتاين أن نظرية النسبية تنتمي إلى فئة من “نظريات المبادئ”. على هذا النحو ، فإنه يستخدم طريقة تحليلية ، مما يعني أن عناصر هذه النظرية لا تستند إلى فرضية بل على اكتشاف تجريبي. من خلال مراقبة العمليات الطبيعية ، نفهم خصائصها العامة ، ونبتكر نماذج رياضية لوصف ما لاحظناه ، وبالوسائل التحليلية نستنتج الشروط الضرورية التي يجب استيفائها. يجب أن يفي قياس الأحداث المنفصلة بهذه الشروط وأن يتطابق مع استنتاجات النظرية.
اختبارات النسبية الخاصة
النسبية نظرية قابلة للدحض: فهي تقدم تنبؤات يمكن اختبارها بالتجربة. في حالة النسبية الخاصة ، يتضمن ذلك مبدأ النسبية ، وثبات سرعة الضوء ، وتمدد الوقت. تم تأكيد تنبؤات النسبية الخاصة في العديد من الاختبارات منذ أن نشر أينشتاين ورقته البحثية في عام 1905 ، لكن ثلاث تجارب أجريت بين عامي 1881 و 1938 كانت حاسمة في التحقق من صحتها. هذه هي تجربة ميكلسون – مورلي ، وتجربة كينيدي – ثورندايك ، وتجربة آيفز – ستيلويل. اشتق أينشتاين تحولات لورينتز من المبادئ الأولى في عام 1905 ، لكن هذه التجارب الثلاثة تسمح بإحداث التحولات من الأدلة التجريبية.
معادلات ماكسويل
تصف معادلات ماكسويل – أساس الكهرومغناطيسية الكلاسيكية – الضوء على أنه موجة تتحرك بسرعة مميزة. الرأي الحديث هو أن الضوء لا يحتاج إلى وسيلة انتقال ، لكن ماكسويل ومعاصريه كانوا مقتنعين بأن موجات الضوء قد انتشرت في وسط ، مشابه لانتشار الصوت في الهواء ، وتموجات تنتشر على سطح البركة. كان يسمى هذا الوسط الافتراضي الأثير المضيء ، في حالة السكون بالنسبة إلى “النجوم الثابتة” والتي تتحرك من خلالها الأرض. استبعدت فرضية سحب الأثير الجزئي لفرينل قياس التأثيرات من الدرجة الأولى (v / c) ، وعلى الرغم من أن ملاحظات التأثيرات من الدرجة الثانية (v2 / c2) كانت ممكنة من حيث المبدأ ، اعتقد ماكسويل أنها صغيرة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها في ذلك الوقت- التكنولوجيا الحالية.
صُممت تجربة ميكلسون مورلي لاكتشاف تأثيرات الدرجة الثانية لـ “رياح الأثير” – حركة الأثير بالنسبة للأرض. صمم ميكلسون أداة تسمى مقياس تداخل ميكلسون لتحقيق ذلك. كان الجهاز أكثر من دقة بما يكفي لاكتشاف التأثيرات المتوقعة ، لكنه حصل على نتيجة فارغة عندما أجريت التجربة الأولى في عام 1881 ، ومرة أخرى في عام 1887. على الرغم من أن الفشل في الكشف عن رياح الأثير كان مخيبا للآمال ، إلا أن النتائج تم قبولها من قبل المجتمع العلمي. في محاولة لإنقاذ نموذج الأثير ، ابتكر فيتزجيرالد ولورينتز بشكل مستقل فرضية مخصصة يتغير فيها طول الأجسام المادية وفقًا لحركتها عبر الأثير. كان هذا هو أصل تقلص فيتزجيرالد – لورنتز ، ولم يكن لفرضيتهم أساس نظري. تفسير النتيجة الفارغة لتجربة ميكلسون مورلي هو أن وقت السفر ذهابًا وإيابًا للضوء متناحي الخواص (بغض النظر عن الاتجاه) ، لكن النتيجة وحدها لا تكفي لاستبعاد نظرية الأثير أو التحقق من صحة تنبؤات الضوء الخاص. النسبية.
أظهرت تجربة كينيدي ثورندايك مع هامش التداخل.
تجارب سرعة الضوء
بينما أظهرت تجربة ميشيلسون مورلي أن سرعة الضوء متناحرة ، إلا أنها لم تذكر شيئًا عن كيفية تغير حجم السرعة (إن وجد) في إطارات بالقصور الذاتي المختلفة. تم تصميم تجربة كينيدي ثورندايك للقيام بذلك ، وتم إجراؤها لأول مرة في عام 1932 من قبل روي كينيدي وإدوارد ثورندايك. حصلوا على نتيجة لاغية ، وخلصوا إلى أنه “لا يوجد تأثير … إلا إذا كانت سرعة النظام الشمسي في الفضاء لا تزيد عن نصف سرعة الأرض في مداره”. كان يُعتقد أن هذا الاحتمال كان صدفة جدًا بحيث لا يقدم تفسيرًا مقبولاً ، لذلك من النتيجة الفارغة لتجربتهم استنتج أن وقت الرحلة ذهابًا وإيابًا للضوء هو نفسه في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي.
تم إجراء تجربة Ives-Stilwell بواسطة Herbert Ives و G.R. ستيلويل أول مرة عام 1938 [21] وبدقة أفضل في عام 1941. تم تصميمه لاختبار تأثير دوبلر المستعرض – الانزياح الأحمر للضوء من مصدر متحرك في اتجاه متعامد مع سرعته – والذي تنبأ به أينشتاين في عام 1905. وكانت الاستراتيجية هي مقارنة تحولات دوبلر المرصودة مع ما تنبأت به النظرية الكلاسيكية ، وابحث عن تصحيح عامل Lorentz. لوحظ مثل هذا التصحيح ، والذي استنتج منه أن تردد الساعة الذرية المتحركة يتم تغييره وفقًا للنسبية الخاصة.
تم تكرار هذه التجارب الكلاسيكية عدة مرات بدقة متزايدة. تشمل التجارب الأخرى ، على سبيل المثال ، زيادة الطاقة النسبية والزخم بسرعات عالية ، والاختبار التجريبي لتمدد الوقت ، وعمليات البحث الحديثة عن انتهاكات لورنتز.
اختبارات النسبية العامة
المقال الرئيسي: اختبارات النسبية العامة
تم تأكيد النسبية العامة أيضًا عدة مرات ، حيث كانت التجارب الكلاسيكية هي بداية الحضيض لمدار عطارد ، وانحراف الضوء بواسطة الشمس ، والانزياح الأحمر الثقالي للضوء. أكدت الاختبارات الأخرى مبدأ التكافؤ وسحب الإطار.
