نظرية النسبية الخاصة بإختصار

سأبدأ بإذن الله سلسلة من المقالات القصيرة ‫(‫جداً‫)‫ للتعريف المبسط ‫(‫جداً جداً‫)‫ ببعض أهم نظريات الفيزياء الحديثة‫.‫ نتحدث اليوم عن نظرية النسبية ‫ الخاصة‫.‫ الموضوع في الواقع بسيط وسهل ‫، ولكنه محتاج شوية تركيز ‫، نظرية النسبية ممكن وصفها بجزئيتين‫:

الجزئية الأولي‫: الزمن هو البعد الرابع‫.‫

الجزئية الثانية‫: سرعة الضوء ثابت كوني لكل الناس مهما كانت سرعتهم‫.‫

نوضح هاتان الجزئيتان كالتالي.‫

الجزئية الأولي‫: الزمن هو البعد الرابع‫

نحن نعيش في ثلاثة أبعاد مكانية‫.‫ يعني إيه‫؟ أنظر أمامك وتخيل أنك ترسم في الفراغ خطاً مستقيماً يمتد إلي مالانهاية‫‫.‫ ثم تخيل إنك ترسم خطاً ثانياً يتقاطع مع الخط الأول في زاوية قائمة ‫، ثم تخيل خطاً ثالثاً يتقاطع مع كل من الخطين الأولانيين بزاوية قائمة‫.‫ الأن حاول أن ترسم خطاً رابعاً يتقاطع مع الخطوط الثلاثة الأولي بزاوية قائمة مع كل منها‫.‫ ستجد إنك لا تستطيع‫ ‫تخيل ذلك ، مستحيل أن ترسم مثل هذا الخط ‫، لأن أي خط رابع إذا تقاطع مع أحد الثلاثة فلن يتقاطع مع الأخرين ‫، وإذا تقاطع مع إثنين فلن يتقاطع مع الثالث. ‫إذاً هناك بالضبط ثلاثة خطوط فقط لا غير تتقاطع مع بعضها عمودياً‫.‫ نقول أن كل خط من هؤلاء يُعَرِف بعداً من الأبعاد الثلاثة الذي نسميهم ‫، مجازاً ‫، ‫"‫الطول‫"‫ و‫"‫العرض‫"‫ و‫"‫الإرتفاع‫"‫‫.‫

كل من درس الرياضيات أو الهندسة أو الفيزياء يعرف جيداً أهمية هذه الخطوط الثلاثة ‫، لأن بإمكاننا أن نرسم علي كل خط منهم تدريجات زي المسطرة يسميها بتوع الرياضيات ب‫"‫الإحداثيات‫"‫‫ ‫"‫س‫"‫ و‫"‫ص‫"‫ و‫"‫ع‫"‫‫ أو ‫"‫‫x"‫ و‫"‫‫y"‫ و‫"‫‫z"‫ كما في الصورة‫ ‫، وكل نقطة في الفراغ اللانهائي لها بالظبط ثلاثة إحداثيات تحدد موقعها كما نري هنا‫:

هذه الثلاثة خطوط ‫، أو ‫"‫محاور‫"‫ كما نسميها ‫، بالإحداثيات المكتوبة عليها ‫، تُعَرِف الفراغ الذي نعيش فيه‫.‫ وهي مهمة جداً في العلوم والهندسة‫.‫ لأنك إذا أردت مثلاً أن تصف لي مكان واقعة ما فإنك تحتاج إلي الثلاثة لتحديدها‫.‫ لنفترض مثلاً أن عجلة سيارتك نامت‫.‫ أين حدثت هذه الواقعة‫؟ إذا أعطيتني ثلاثة أرقام تعبر عن إحداثيات المكان أستطيع أن أحدد موقعك وأصل إليك بمنتهي السهولة‫.‫

النظرية النسبية الخاصة بقي هي إنك فوق الثلاثة أبعاد إلي إتكلمنا عنهم نقدر نعتبر أن الزمن هو البعد الرابع‫.‫ بمعني إيه‫؟ بمعني أن أي واقعة تحدث في الفراغ لها أربعة إحداثيات وليس ثلاثة ‫، الإحداثيات الثلاثة الأولي هم الإحداثيات الفراغية كما في السابق ‫، والإحداثي الرابع هو التوقيت التي حدثت فيه الواقعة‫.‫ يعني إذا رجعنا إلي مثال السيارة ، فأنه بالإضافة إلي معرفة موقع السيارة بدقة فأننا نعرف الأن الساعة الي عجلة السيارة نامت ‫فيها ، كأن تقول لي ‫"‫عجلة سيارتي نامت في الموقع الفلاني الساعة كذا‫"‫ وتعطيني أربعة أرقام‫.‫

طيب إذا كان الزمن هو البعد الرابع ‫، والتوقيت هو أحد الإحداثيات الأربعة ‫، فكيف نتخيل هذه الأبعاد‫؟ هنا بقي فيه مشكلة‫.‫ مستحيل تخيلها طبعاً ‫، لأننا كما أوضحنا لا نستطيع أن نتخيل أربعة خطوط متقاطعة عمودياً علي بعضها البعض‫.‫ ولكن ذلك لا يمنع أن هذا الخط الرابع موجود وهو ما نسميه أنا وإنت بالزمن‫.‫ وعلي الرغم من فقداننا المقدرة علي التخيل فأننا نستطيع أن نكتب المعادلات الرياضية التي تعبر عن ذلك‫.‫ ونستطيع أيضاً إذا أردنا أن نرسم جزءاً من الفراغ الرباعي ‫(‫‫يسمونه ‫"‫‫الزمكان"‫)‫ بإسقاط واحد أو إثنان من الإتجاهات الفراغية ‫وذلك للتبسيط كما في الصورة‫.‫‫

الجزئية الثانية‫: سرعة الضوء ثابت كوني

بناء علي معطيات فيزيائية سابقة إفترض أينشتين أن أي حدث يحدث في الفراغ الرباعي هذا لا يمكن أن تتعدي سرعته سرعة الضوء ‫، بالإضافة إلي ذلك فأن سرعة الضوء ثابتاً كونياً تظهر لكل الناس بنفس القيمة‫.‫ بمعني إيه‫؟ تخيل شعاع من الضوء قادم من الشمس مثلاً ‫، وإفترض إننا قسنا سرعته ونحن واقفين علي الأرض فوجدنا أنه يتحرك بسرعة ثلاثمائة ألف كيلومتر في الثانية‫.‫ الأن فلنفترض أننا ركبنا مركبة فضائية تسير بسرعة مئة ألف كيلومتر في الثانية وإنطلقنا بمحازاة شعاع الضوء‫ في نفس طريقه ثم قسنا سرعته مرة ثانية‫.‫ المتوقع أننا سنجد سرعته مائتي ألف لأننا ماشيين معاه كما في الصورة.‫ ولكن هذا مخالف لفرضية ثبات سرعة الضوء‫.‫ الواقع أننا سنجد شعاع الضوء منطلقاً بسرعة ثلاثمائة ألف كيلومتر في الثانية ‫، تماماً مثلما كان ونحن متوقفين‫.‫

غريبة ‫، مش كدة‫؟ هذه هي فرضية ثبات سرعة الضوء وهي فرضية أثبتتها كل التجارب منذا عام 1905 إلي يومنا هذا‫.‫ هي كدة‫.‫ هذه هي طبيعة الكون الذي نعيش فيه‫.

هاتان الجزئيتان هن أساس نظرية النسبية الخاصة وهن المصدر الرئيسي لكل الظواهر الشهيرة للنظرية‫‫. ‫يعني إنطلاقاً من الجزئيتين دول نقدر نستنتج الظواهر إلي يمكن تكون سمعت عنها زي ‫"‫تقلص الأطوال‫"‫ و‫"‫إنكماش الزمن‫"‫ وما إلي ذلك‫.‫ وده مش مستغرب ‫، لأننا إذا فرضنا أن سرعة الضوء ثابت كوني كما هو الحال هنا ‫، ونحن نعلم إن تعريف السرعة هو ‫"‫المسافة المقطوعة مقسومة علي الزمن‫"‫ ‫، فحتي تظل سرعة الضوء ثابتة نجد أننا مضطرين إلي إعادة تعريف ماهي ‫"‫المسافة المقطوعة‫"‫ وما هو ‫"‫الزمن‫"‫ ووضع معادلات رياضية جديدة لقياسهما ‫غير المعادلات العادية بتاعة سنة أولي ثانوي ‫، ومن هنا تبدو لنا الظواهر المذكورة‫.‫
ولكن لهذا حوار أخر‫.‫