ما هي النظرية النسبية؟ شرح تفصيلي

نظرة عامة حول مفهوم النظرية النسبية

يمكن تعريف النظرية النسبية (الإنجليزية: Theory of Relativity) بأنها نظريات فيزيائية واسعة النطاق شكّلها العالم الفيزيائي الألماني المولد ألبرت أينشتاين (Albert Einstein) من خلال نظرياته عن النسبية الخاصة (التي ظهرت عام 1905م) والنسبية العامة (التي ظهرت عام 1915م)، وقد أطاح أينشتاين في طرحه بالعديد من الافتراضات الفيزيائية السابقة، وأعاد تعريف المفاهيم الأساسية للفضاء، والزمان، والمادة، والطاقة، والجاذبية، إلى جانب ميكانيكا الكم، وتُعد النسبية الأساس لفهم الفيزياء الحديثة على وجه الخصوص، كما توفر الأساس لفهم العمليات الكونية وهندسة الكون.^[١]

تفسر نظرية النسبية لألبرت آينشتاين بعض الظواهر الغريبة والحقيقية، مثل: شيخوخة رواد الفضاء بشكل أبطأ من الناس على الأرض، وتغيير الأجسام الصلبة لأشكالها عند السرعات العالية.^[٢]

النظرية النسبية الخاصة

تتعلق نظرية النسبية الخاصة (بالإنجليزية: Special Theory of Relativity) بتوضيح كيفية ارتباط المكان والزمان بالأشياء المتحركة بسرعة ثابتة في خط مستقيم، ومن أشهر جوانبها هي الأجسام المتحركة بسرعة الضوء، وبشكل عام تنص هذه النظرية باختصار على أنه عندما يقترب الجسم من سرعة الضوء، فإن كتلته تصبح غير محدودة لذا لا يمكنه التحرك بسرعة أكبر من سرعة انتقال الضوء.^[٣]

وباختصار يمكن القول إن النسبية الخاصة تقول إنه يمكن لسرعة الجسم المادي أن تقترب من سرعة الضوء، ولكن وفي الوقت نفسه لا يمكن لأي جسم مادي الوصول إليها.^[١]

النظرية النسبية العامة

تتعلق النظرية النسبية العامة (بالإنجليزية: General Theory of Relativity) بالجاذبية التي تعتبر من القوى الأساسية في الكون، وهي تصف الظواهر الفيزيائية الكبيرة المتعلقة بحركة الكواكب، وولادة النجوم، والثقوب السوداء وغيرها، وقد نشر أينشتاين هذه النظرية عام 1915م، وقد اقترح في هذه النظرية أن الجاذبية ليست قوة كما اعتقد نيوتن، ولكنها نتيجة لانحناء العالم رباعي الأبعاد الذي نعيش فيه، واعتمد في ذلك على تجربة تخيلية افترض فيها أنه في مصعد أثناء الهبوط وتشعر بقوة الجاذبية، وبسبب عدم قدرتك على رؤية ما خارج المصعد فإنه لا يمكنك التأكد من أنك تشعر فعلياً بقوة الجاذبية أو أن المصعد يهبط للأسفل بفعل قوة قدميك.^[٤]

كما افترض أنه إذا كنت في المصعد وهو يتسارع إلى الأعلى ودخل شعاع من الضوء موازٍ للأرض إلى المصعد، فإن شعاع الضوء يبدو وكأنه ينحني لأسفل، مما يعني أن الضوء الذي ينتقل عادةً في خطوط مستقيمة، يمكن له أن ينحني عند انتقاله عبر مجال الجاذبية، وهذا المسار المنحني للضوء يعني انحناء الفضاء من حوله، والذي افترض آينشتاين أنه لا ينفصل عن الزمن.^[٤]

علاقة الكتلة بالطاقة بحسب النظرية النسبية

ترتبط أشهر المعادلات الرياضية بالنظرية النسبية الخاصة، وهي المعادلة التي تنص على أنّ "الطاقة تساوي الكتلة مضروبة في مربع سرعة الضوء"، والتي يمكن تمثيلها بالرموز الرياضية على النحو الآتي:^[٣]

• ؛ حيث تمثل رموز المعادلة الآتي:^[٣]
• E: الطاقة.
• m: الكتلة.
• c: سرعة الضوء.

يظهر من المعادلة السابقة أنّ كل من الطاقة (E) والكتلة (m) هي عبارة عن أشكال مختلفة من الشيء نفسه، أي أنها كميات متبادلة؛ فمثلاً إذا تم تحويل الكتلة بالكامل إلى طاقة بطريقة ما، فإنها ستُظهر مقدار الطاقة التي توجد داخل تلك الكتلة، إذ يمكن من خلال هذه المعادلة مثلاً معرفة سبب القوة الكبيرة الناتجة عن القنبلة الذرية بمجرد تحوّل كتلتها إلى انفجار.^[٣]

توضّح هذه المعادلة أيضاً أنّ الكتلة تزداد مع السرعة؛ أي تتناسب طردياً معها، مما يضع بشكل فعّال حدًا للسرعة على المدى الذي يمكن أن تتحرك بها الأشياء في الكون، وهي سرعة الضوء وفقاً لهذه النظرية؛ فعندما يتحرك الجسم تزداد كتلته أيضاً، ووفقاً لما يعتقده آينشتاين أنه وبالقرب من سرعة الضوء تكون الكتلة عالية جدًا بحيث تصل إلى اللانهاية، كما تتطلب طاقة غير محدودة لتحريكها، فالسبب الوحيد الذي يجعل الضوء يتحرك بالسرعة التي يتحرك بها هو أنّ الفوتونات وهي الجسيمات الكميّة التي يتكون منها الضوء لها كتلة صفرية.^[٣]

رأي العلماء في النظرية النسبية

حاول العلماء التوفيق بين النسبية العامة التي تصف ما يحدث مع الأجسام الكبيرة مع ميكانيكا الكم التي تُستخدم للأجسام الصغيرة جدًا كتحلل ذرة اليورانيوم، وعلى الرغم من دقة كل مجال من المجالين في وصف ما يختص به، إلا أن المجالين لا يتوافقان مع بعضهما البعض، وذلك ما أُشير إليه في أحد المقالات التي نُشرت في الجارديان عام 2015 والذي جاء فيه: أن النسبية تعطي إجابات غير منطقية عند تصغيرها إلى الحجم الكمي، وفي الوقت نفسه تواجه ميكانيكا الكم مشكلة عند تطبيقها على الأبعاد الكونية الكبيرة جداً.^[٣]