النظرية النسبية الخاصة لأينشتاين. النظرية النسبية الخاصة

اختبار 26.النظرية النسبية الخاصة

1. وفقا للنظرية النسبية الخاصة، فإن الثوابت فيما يتعلق بالإطار المرجعي بالقصور الذاتي هي....
أ) الفاصل الزمني بين الأحداث
ب) طول الجسم ووزنه
ج) الفترة الزمنية بين حدثين
ز) سرعة الضوء

2. التماثلات الديناميكية مستحقة
أ) تجانس المكان والزمان
ب) ثبات سرعة الضوء
الخامس) نظائر الفضاء
د) معادلة الكتلة والطاقة

3. تؤكد النظرية النسبية الخاصة على الطبيعة النسبية لـ...
أ) تزامن الأحداث
ب) سرعة الضوء في الفراغ
ج) شحنة الإلكترون
ز) الكتلة، الطول

4. تشمل الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي...
أ) أنظمة تتحرك بشكل موحد ومستقيم
ب) الأنظمة تتحرك بمعدل متسارع
ج) نظام لا تتحقق فيه قوانين الميكانيكا الكلاسيكية
د) الأنظمة في حالة الراحة

5. وفقاً للنظرية النسبية الخاصة...
أ) مع زيادة سرعة حركة الجسم، يزداد طوله بالنسبة إلى إطار مرجعي ثابت
ب ) من المستحيل تسريع جسم له كتلة ساكنة تختلف عن الصفر إلى سرعة الضوء
الخامس ) يتم الانتقال من نظام قصوري إلى آخر باستخدام التحويلات الجليلية
ز ) إن نقل التفاعلات الجسدية بسرعات فائقة السرعة قد يؤدي إلى انتهاك علاقة السبب والنتيجة

6. يترتب على تحولات غاليليو أنه عند الانتقال من نظام قصوري إلى آخر، ... تبقى دون تغيير ...
أ) وقت
ب) سرعة
ج) الكتلة
د) التنسيق

7. من تحويلات لورنتز يترتب على ذلك أنه مع زيادة سرعة الإطار المرجعي المتحرك مقارنة بالإطار الثابت....
أ) تتناقص كتلة الجسم بالنسبة إلى إطار مرجعي ثابت
ب) يزداد الفاصل الزمني بين الأحداث
الخامس) يتباطأ مرور الوقت بالنسبة للنظام الثابت
ز) يتناقص طول المقطع في اتجاه الحركة بالنسبة للنظام الثابت

8. في النظرية النسبية الخاصة العبارات التالية صحيحة: ….
أ) الثوابت بالنسبة للتغيرات في النظام المرجعي هي الزمن والكتلة
ب) يتم تسريع العمليات الفيزيائية في الإطار المرجعي المتحرك مقارنة بالإطار الثابت
ج) الفاصل الزمني بين الأحداث ثابت بالنسبة للتغيرات في الإطار المرجعي
ز) من المستحيل نقل التفاعلات بسرعات تتجاوز سرعة الضوء

9. النتائج المترتبة على النظرية النسبية الخاصة هي
أ) انحناء شعاع الضوء في مجال الجاذبية
ب) ثبات الفاصل الزمني فيما يتعلق بالتغيرات في النظام المرجعي
الخامس) النسبية لمفهوم تزامن الأحداث
د) معادلة الكتلة والطاقة

10. أساس النظرية النسبية الخاصة هو الفرضيات التالية: ...
أ ) سرعة الضوء في الفراغ ثابتة ولا تعتمد على حركة مصدر الضوء ومستقبله
ب) جميع العمليات الفيزيائية في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي تسير بشكل مماثل
ج) تتم جميع العمليات الميكانيكية في جميع الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي بنفس الطريقة
د) تكون سرعة الضوء ثابتة في المناطق التي يمكن إهمال قوى الجاذبية فيها

11. تنص النظرية النسبية لأينشتاين على أن المكان والزمان...
أ) نسبية
ب) مطلقة
ج) موجودة بشكل مستقل عن بعضها البعض
د) موجودة كهيكل واحد رباعي الأبعاد

12. يستنتج من النظرية النسبية الخاصة أن...
أ) عندما تقترب سرعة الجسم من سرعة الضوء فإن كتلته تميل إلى الصفر
ب) كلما زادت سرعة حركة الجسم زادت كتلته
ج) الجسم المتحرك بالنسبة للراصد له كتلة أكبر من الجسم الساكن
د) كلما زادت سرعة حركة الجسم قلت كتلته

13. يستنتج من النظرية النسبية الخاصة أن...
أ) في إطار مرجعي متحرك بالنسبة للمراقب، تعمل الساعة بشكل أسرع من الإطار الثابت
ب ) في الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي، مع زيادة سرعة الحركة، تتباطأ وتيرة الزمن
ج) في الإطار المرجعي المتحرك بالنسبة للمراقب، تعمل الساعة بشكل أبطأ من الإطار الثابت
د) عند الاقتراب من سرعة الضوء، تتسارع جميع العمليات في النظام

14. تسمى الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي، نسبة إلى نقطة مادية دون تأثيرات خارجية ...
أ) يتحرك في دائرة
ب)يتحرك بشكل موحد وخطي
الخامس) في راحة
د) يتحرك بتسارع

15. يستنتج من النظرية النسبية الخاصة أن...
أ) الجسم المتحرك بالنسبة للراصد له حجم أكبر من الجسم الساكن
ب) كلما زادت سرعة حركة الجسم قل حجمه الخطي
الخامس ) الجسم المتحرك بالنسبة للمراقب يكون حجمه أصغر من الجسم الساكن
د) كلما زادت سرعة حركة الجسم، زاد حجمه الخطي

16. يستنتج من النظرية النسبية الخاصة أن...
أ) الحجم الخطي للجسم لا يعتمد على سرعة حركته
ب ) مع زيادة السرعة يقل حجم الجسم في اتجاه الحركة
ج) عندما تقترب سرعة الجسم من سرعة الضوء، يصبح حجمه الخطي كبيرًا إلى ما لا نهاية
ز ) عندما تقترب سرعة الجسم من سرعة الضوء فإن حجمه الخطي يميل إلى الصفر

مقدمة

2. النظرية النسبية العامة لأينشتاين

خاتمة

قائمة المصادر المستخدمة

مقدمة

حتى في نهاية القرن التاسع عشر، كان معظم العلماء يميلون إلى وجهة نظر مفادها أن الصورة المادية للعالم قد تم بناؤها بشكل أساسي وستظل ثابتة في المستقبل - ولم يتبق سوى التفاصيل التي يتعين توضيحها. لكن في العقود الأولى من القرن العشرين، تغيرت وجهات النظر الجسدية بشكل جذري. كان هذا نتيجة "سلسلة" من الاكتشافات العلمية التي تمت خلال فترة تاريخية قصيرة للغاية، غطت السنوات الأخيرة من القرن التاسع عشر والعقود الأولى من القرن العشرين، والتي كان الكثير منها غير متسق تمامًا مع فهم التجربة الإنسانية العادية. ومن الأمثلة الصارخة على ذلك النظرية النسبية التي أنشأها ألبرت أينشتاين (1879-1955).

تم تأسيس مبدأ النسبية لأول مرة بواسطة جاليليو، لكنه تلقى صياغته النهائية فقط في الميكانيكا النيوتونية.

مبدأ النسبية يعني أنه في جميع أنظمة القصور الذاتي تحدث جميع العمليات الميكانيكية بنفس الطريقة.

عندما سيطرت الصورة الميكانيكية للعالم على العلوم الطبيعية، لم يكن مبدأ النسبية موضع شك. لقد تغير الوضع بشكل كبير عندما بدأ الفيزيائيون في دراسة الظواهر الكهربائية والمغناطيسية والضوئية بجدية. أصبح قصور الميكانيكا الكلاسيكية في وصف الظواهر الطبيعية واضحًا لعلماء الفيزياء. السؤال الذي يطرح نفسه: هل ينطبق مبدأ النسبية أيضًا على الظواهر الكهرومغناطيسية؟

في وصف مسار تفكيره، يشير ألبرت أينشتاين إلى حجتين تشهدان لصالح عالمية مبدأ النسبية:

يتم تنفيذ هذا المبدأ بدقة كبيرة في الميكانيكا، وبالتالي يمكن للمرء أن يأمل أن يكون صحيحًا أيضًا في الديناميكا الكهربائية.

إذا لم تكن أنظمة القصور الذاتي مكافئة لوصف الظواهر الطبيعية، فمن المعقول افتراض أن قوانين الطبيعة يمكن وصفها بسهولة أكبر في نظام قصوري واحد فقط.

على سبيل المثال، فكر في حركة الأرض حول الشمس بسرعة 30 كيلومترًا في الثانية. فإذا لم يتحقق مبدأ النسبية في هذه الحالة، فإن قوانين حركة الأجسام تعتمد على اتجاه الأرض واتجاهها المكاني. لا شيء من هذا القبيل، أي. لم يتم الكشف عن عدم المساواة الجسدية في اتجاهات مختلفة. ومع ذلك، يوجد هنا عدم توافق واضح لمبدأ النسبية مع المبدأ الراسخ المتمثل في ثبات سرعة الضوء في الفراغ (300000 كم/ثانية).

تنشأ معضلة: رفض مبدأ ثبات سرعة الضوء، أو مبدأ النسبية. لقد تم تأسيس المبدأ الأول بدقة لا لبس فيها بحيث يكون التخلي عنه غير مبرر بشكل واضح؛ لا تقل الصعوبات التي تنشأ عند إنكار مبدأ النسبية في مجال العمليات الكهرومغناطيسية. في الواقع، كما أظهر أينشتاين:

"إن قانون انتشار الضوء ومبدأ النسبية متوافقان."

إن التناقض الواضح لمبدأ النسبية مع قانون ثبات سرعة الضوء ينشأ لأن الميكانيكا الكلاسيكية، بحسب أينشتاين، كانت مبنية “على فرضيتين غير مبررتين”: الفاصل الزمني بين حدثين لا يعتمد على حالة الحركة. الجسم المرجعي والمسافة المكانية بين نقطتين من الجسم الصلب لا تعتمد على حالة حركة الجسم المرجعي. وفي سياق تطوير نظريته، كان عليه أن يتخلى عن: التحولات الجليلية ويقبل تحولات لورنتز؛ من مفهوم نيوتن للفضاء المطلق وتعريف حركة الجسم بالنسبة لهذا الفضاء المطلق.

تحدث كل حركة لجسم بالنسبة إلى جسم مرجعي محدد، وبالتالي يجب صياغة جميع العمليات والقوانين الفيزيائية فيما يتعلق بنظام أو إحداثيات مرجعية محددة بدقة. ولذلك ليس هناك مسافة مطلقة ولا طول ولا امتداد، كما لا يمكن أن يكون هناك زمن مطلق.

لقد غيرت المفاهيم والمبادئ الجديدة للنظرية النسبية بشكل كبير المفاهيم الفيزيائية والعلمية العامة للمكان والزمان والحركة، التي هيمنت على العلم لأكثر من مائتي عام.

كل ما سبق يبرر أهمية الموضوع المختار.

الغرض من هذا العمل هو إجراء دراسة وتحليل شاملين لإنشاء النظريات النسبية الخاصة والعامة بواسطة ألبرت أينشتاين.

يتكون العمل من مقدمة وجزأين وخاتمة وقائمة المراجع. الحجم الإجمالي للعمل هو 16 صفحة.

1. النظرية النسبية الخاصة لأينشتاين

في عام 1905، استنتج ألبرت أينشتاين، استنادًا إلى استحالة اكتشاف الحركة المطلقة، أن جميع الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي متساوية. لقد صاغ اثنين من أهم الفرضيات التي شكلت الأساس لنظرية جديدة للمكان والزمان، تسمى النظرية النسبية الخاصة (STR):

1. مبدأ النسبية لأينشتاين - كان هذا المبدأ بمثابة تعميم لمبدأ النسبية لجاليليو على أي ظاهرة فيزيائية. تقول: جميع العمليات الفيزيائية تحت نفس الظروف في الأطر المرجعية بالقصور الذاتي (IRS) تسير بنفس الطريقة. وهذا يعني أنه لا يمكن لأي تجارب فيزيائية يتم إجراؤها داخل ISO مغلق تحديد ما إذا كان في حالة سكون أو يتحرك بشكل منتظم ومستقيم. وبالتالي، فإن جميع IFRs متساوية تمامًا، والقوانين الفيزيائية ثابتة فيما يتعلق باختيار IFRs (أي أن المعادلات التي تعبر عن هذه القوانين لها نفس الشكل في جميع الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي).

2. مبدأ ثبات سرعة الضوء – سرعة الضوء في الفراغ ثابتة ولا تعتمد على حركة مصدر الضوء ومستقبله. إنه هو نفسه في جميع الاتجاهات وفي جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي. تعتبر سرعة الضوء في الفراغ - السرعة المحددة في الطبيعة - من أهم الثوابت الفيزيائية، أو ما يسمى بالثوابت العالمية.

ويظهر التحليل العميق لهذه المسلمات أنها تتعارض مع الأفكار حول المكان والزمان المقبولة في ميكانيكا نيوتن والتي انعكست في تحولات غاليليو. في الواقع، وفقًا للمبدأ الأول، يجب أن تكون جميع قوانين الطبيعة، بما في ذلك قوانين الميكانيكا والديناميكا الكهربائية، ثابتة فيما يتعلق بنفس التحولات في الإحداثيات والوقت التي تتم عند الانتقال من نظام مرجعي إلى آخر. معادلات نيوتن تلبي هذا المطلب، لكن معادلات ماكسويل للديناميكا الكهربائية لا تلبي ذلك، أي. تبين أنها غير ثابتة. قاد هذا الظرف أينشتاين إلى استنتاج مفاده أن معادلات نيوتن تحتاج إلى توضيح، ونتيجة لذلك فإن معادلات الميكانيكا ومعادلات الديناميكا الكهربائية ستصبح ثابتة فيما يتعلق بنفس التحولات. تم إجراء التعديل اللازم لقوانين الميكانيكا بواسطة أينشتاين. ونتيجة لذلك، نشأت ميكانيكا تتوافق مع مبدأ النسبية لأينشتاين - الميكانيكا النسبية.

صاغ مبتكر النظرية النسبية مبدأ النسبية المعمم، والذي يمتد الآن إلى الظواهر الكهرومغناطيسية، بما في ذلك حركة الضوء. ينص هذا المبدأ على أنه لا توجد تجارب فيزيائية (ميكانيكية، كهرومغناطيسية، إلخ) يتم إجراؤها ضمن إطار مرجعي معين يمكنها تحديد الفرق بين حالات السكون والحركة الخطية المنتظمة. لا تنطبق الإضافة الكلاسيكية للسرعات على انتشار الموجات الكهرومغناطيسية والضوء. بالنسبة لجميع العمليات الفيزيائية، فإن سرعة الضوء لها خاصية السرعة اللانهائية. لكي نعطي جسماً سرعة تساوي سرعة الضوء، نحتاج إلى كمية لا نهائية من الطاقة، ولهذا يستحيل فيزيائياً على أي جسم أن يصل إلى هذه السرعة. تم تأكيد هذه النتيجة من خلال القياسات التي أجريت على الإلكترونات. تنمو الطاقة الحركية لأي كتلة نقطية بشكل أسرع من مربع سرعتها، وتصبح لا نهائية عند سرعة تساوي سرعة الضوء.

سرعة الضوء هي السرعة القصوى لانتشار التأثيرات المادية. لا يمكن أن تتراكم بأي سرعة وتبين أنها ثابتة لجميع أنظمة القصور الذاتي. جميع الأجسام المتحركة على الأرض لها سرعة صفر بالنسبة لسرعة الضوء. في الواقع، تبلغ سرعة الصوت 340 م/ث فقط. هذا هو السكون مقارنة بسرعة الضوء.

ومن هذين المبدأين - ثبات سرعة الضوء ومبدأ النسبية الممتد لجاليليو - تتبع جميع أحكام النظرية النسبية الخاصة رياضيًا. إذا كانت سرعة الضوء ثابتة لجميع أنظمة القصور الذاتي، وجميعها متساوية، فإن الكميات الفيزيائية لطول الجسم، والفاصل الزمني، والكتلة ستكون مختلفة بالنسبة للأنظمة المرجعية المختلفة. وبالتالي، فإن طول الجسم في النظام المتحرك سيكون الأصغر بالنسبة للجسم الثابت. وفقا للصيغة:

حيث /" هو طول الجسم في نظام متحرك بسرعة V بالنسبة لنظام ثابت؛ / هو طول الجسم في نظام ثابت.

لفترة من الزمن، مدة العملية، والعكس هو الصحيح. سوف يمتد الوقت، كما هو الحال، ويتدفق بشكل أبطأ في نظام متحرك مقارنة بنظام ثابت، حيث ستكون هذه العملية أسرع. وفقا للصيغة:

ولنتذكر أنه سيتم اكتشاف تأثيرات النظرية النسبية الخاصة عند سرعات قريبة من الضوء. وبسرعات أقل بكثير من سرعة الضوء، تتحول صيغ SRT إلى صيغ الميكانيكا الكلاسيكية.

رسم بياني 1. تجربة "قطار أينشتاين"

حاول أينشتاين أن يوضح بوضوح كيف يتباطأ تدفق الوقت في نظام متحرك مقارنة بنظام ثابت. لنتخيل منصة للسكك الحديدية يمر عبرها قطار بسرعة قريبة من سرعة الضوء (الشكل 1).

محتوى المقال

النظرية النسبية الخاصة –النظرية الحديثة للمكان والزمان، في صيغتها الأكثر عمومية، إقامة علاقة بين الأحداث في الزمكان وتحديد شكل تسجيل القوانين الفيزيائية التي لا تتغير عند الانتقال من نظام مرجعي قصوري إلى آخر. مفتاح النظرية هو الفهم الجديد لمفهوم تزامن الأحداث، والذي تمت صياغته في العمل الأساسي لآينشتاين على الديناميكا الكهربائية للوسائط المتحركة(1905) وعلى أساس افتراض وجود سرعة قصوى لانتشار الإشارة - سرعة الضوء في الفراغ. تعمل النظرية النسبية الخاصة على تعميم أفكار ميكانيكا جاليليو-نيوتن الكلاسيكية على حالة الأجسام التي تتحرك بسرعات قريبة من سرعة الضوء.

الخلافات حول البث.

منذ أن تم إثبات الطبيعة الموجية للضوء، كان الفيزيائيون واثقين من أنه لا بد من وجود وسط (كان يسمى الأثير) تنتشر فيه موجات الضوء. تم تأكيد وجهة النظر هذه من خلال كل تجارب الفيزياء الكلاسيكية، وأمثلة الموجات الصوتية، والموجات على سطح الماء، وما إلى ذلك. عندما أثبت جي سي ماكسويل أنه لا بد من وجود موجات كهرومغناطيسية تنتقل عبر الفضاء الفارغ بسرعة الضوء جولم يكن لديه أدنى شك في أن هذه الموجات لا بد أن تنتشر في وسط ما. هيرتز، الذي سجل أول إشعاع الموجات الكهرومغناطيسية، يلتزم بنفس وجهة النظر. وبما أن الموجات الكهرومغناطيسية تبين أنها مستعرضة (وهذا يتبع معادلات ماكسويل)، كان على ماكسويل أن يبني نموذجًا ميكانيكيًا بارعًا لوسط يمكن أن تنتشر فيه الموجات المستعرضة (وهذا ممكن فقط في المواد الصلبة المرنة للغاية) والتي في نفس الوقت يمكن أن تنتشر. أن تكون نفاذية كاملة ولا تعيق حركة الأجسام من خلالها. يتعارض هذان المتطلبان مع بعضهما البعض، ولكن حتى بداية هذا القرن لم يكن من الممكن اقتراح نظرية أكثر منطقية حول انتشار الضوء في الفراغ.

تستلزم فرضية وجود الأثير عددًا من النتائج الواضحة. أبسطها: إذا تحرك مستقبل موجة الضوء نحو المصدر بسرعة الخامسبالنسبة إلى الأثير، إذن وفقًا لقوانين الفيزياء الكلاسيكية، يجب أن تكون سرعة الضوء بالنسبة إلى المستقبل مساوية لسرعة الضوء بالنسبة إلى الأثير (الذي يعتبر ثابتًا بطبيعة الحال) بالإضافة إلى سرعة المستقبل بالنسبة إلى الأثير. الأثير (قانون جاليليو لجمع السرعات): معў = ج + الخامس. وبالمثل، إذا تحرك المصدر بسرعة الخامسنحو المستقبل، فإن السرعة النسبية للضوء يجب أن تكون مساوية لـ معў = ج - الخامس. وبالتالي، إذا كان الأثير موجودًا، فهناك إطار مرجعي مطلق معين، بالنسبة له (وبالنسبة إليه فقط) تساوي سرعة الضوء معوفي جميع الأنظمة المرجعية الأخرى التي تتحرك بشكل منتظم بالنسبة للأثير، فإن سرعة الضوء ليست متساوية مع. ولا يمكن تحديد ما إذا كان هذا صحيحًا أم لا إلا بمساعدة التجربة المباشرة، والتي تتمثل في قياس سرعة الضوء في أطر مرجعية مختلفة. ومن الواضح أنه من الضروري إيجاد مثل هذه الإطارات المرجعية التي تتحرك بأقصى سرعة، خاصة أنه يمكن إثبات أن جميع التأثيرات المرصودة لانحراف سرعة الضوء عن القيمة معالمرتبطة بحركة نظام مرجعي نسبة إلى نظام آخر، يجب أن تكون من الترتيب الخامس 2/ج 2. يبدو أن الجسم المناسب هو الأرض، التي تدور حول الشمس بسرعة خطية الخامس~ 10 4 م/ث، لذا يجب أن تكون التصحيحات في حدود ( الخامس/ج) 2 ~ 10 –8 . تبدو هذه القيمة صغيرة للغاية، لكن أ. ميشيلسون تمكن من إنشاء جهاز - مقياس تداخل ميشيلسون، الذي كان قادرا على تسجيل مثل هذه الانحرافات.

في عام 1887، قام أ.ميكلسون مع زميله يو مورلي بقياس سرعة الضوء في إطار مرجعي متحرك. وتذكرنا فكرة التجربة بقياس الوقت الذي يقضيه السباح في عبور النهر عبر التيار والعودة، والسباحة نفس المسافة على طول وضد التيار. وكانت الإجابة مذهلة: حركة النظام المرجعي بالنسبة للأثير ليس لها أي تأثير على سرعة الضوء.

وبشكل عام، يمكن استخلاص استنتاجين من هذا. وربما يكون الأثير موجودا، ولكن عندما تتحرك الأجسام فيه، تنجرف بعيدا تماما عن الأجسام المتحركة، بحيث تكون سرعة الأجسام بالنسبة إلى الأثير صفرا. تم اختبار فرضية الانحباس هذه تجريبيًا في تجارب فيزو وميشيلسون نفسه وتبين أنها تتعارض مع التجربة. وصف جون برنال تجربة ميشيلسون-مورلي الشهيرة بأنها التجربة السلبية الأكثر تميزًا في تاريخ العلم. وبقي الاحتمال الثاني: لا يوجد أي أثير يمكن اكتشافه تجريبيا، أي لا يوجد إطار مرجعي مطلق متميز تساوي فيه سرعة الضوء مع; على العكس من ذلك، هذه السرعة هي نفسها في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي. وكانت وجهة النظر هذه هي أساس النظرية الجديدة.

تم إنشاء النظرية النسبية الخاصة (الخاصة) (STR)، التي نجحت في حل جميع التناقضات المرتبطة بمشكلة وجود الأثير، على يد أ. لورينز، أ. بوانكاريه و ج. مينكوفسكي.

كان للنظرية النسبية الخاصة تأثير ثوري على الفيزياء، حيث كانت بمثابة نهاية المرحلة الكلاسيكية من تطور هذا العلم والانتقال إلى الفيزياء الحديثة في القرن العشرين. بادئ ذي بدء، غيرت النظرية النسبية الخاصة وجهات النظر حول المكان والزمان التي كانت موجودة قبل إنشائها، مما يدل على العلاقة التي لا تنفصم بين هذه المفاهيم. وفي إطار SRT تمت صياغة مفهوم تزامن الأحداث بشكل واضح ولأول مرة وتم إظهار نسبية هذا المفهوم واعتماده على اختيار نظام مرجعي محدد. ثانيا، قام STR بحل جميع المشاكل المرتبطة بفرضية وجود الأثير، وجعل من الممكن صياغة نظام متناغم ومتسق من معادلات الفيزياء الكلاسيكية، التي حلت محل المعادلات النيوتونية. ثالثًا، أصبح STR الأساس لبناء النظريات الأساسية لتفاعلات الجسيمات الأولية، وخاصة الديناميكا الكهربائية الكمومية. دقة التنبؤات التي تم التحقق منها تجريبيًا للديناميكا الكهربائية الكمومية هي 10 –12، وهو ما يميز الدقة التي يمكننا من خلالها التحدث عن صحة SRT.

رابعا، أصبح SRT الأساس لحساب إطلاق الطاقة في تفاعلات الاضمحلال النووي والاندماج، أي. الأساس لإنشاء كل من محطات الطاقة النووية والأسلحة الذرية. وأخيرًا، يعتمد تحليل البيانات التي تم الحصول عليها من مسرعات الجسيمات، وكذلك تصميم المسرعات نفسها، على صيغ SRT. وبهذا المعنى، أصبح SRT منذ فترة طويلة تخصصًا هندسيًا.

عالم رباعي الأبعاد.

لا يوجد الإنسان في عالم مكاني ثلاثي الأبعاد، بل في عالم أحداث رباعي الأبعاد (يُفهم الحدث على أنه ظاهرة فيزيائية عند نقطة معينة في الفضاء في لحظة معينة من الزمن). يتميز الحدث بتحديد ثلاثة إحداثيات مكانية وإحداثيات زمنية واحدة. وبالتالي فإن كل حدث له أربعة إحداثيات: ( ر; س, ذ, ض). هنا س, ذ, ض- الإحداثيات المكانية (على سبيل المثال، الديكارتية). لتحديد إحداثيات حدث ما، يجب عليك تعيين (أو أن تكون قادرًا على ضبط): 1) أصل الإحداثيات؛ 2) شبكة صلبة لا نهائية من قضبان متعامدة متبادلة بطول الوحدة تملأ المساحة بأكملها؛ علاوة على ذلك، يجب عليك: 3) وضع ساعة مماثلة في كل عقدة شبكية (أي جهاز قادر على حساب فترات زمنية متساوية؛ الجهاز المحدد لا يهم)؛ 4) مزامنة الساعات. ثم أي نقطة في الفضاء تقع بالقرب من عقدة شبكية لها إحداثيات مكانية لعدد العقد على طول كل محور من الأصل وإحداثيات زمنية مساوية لقراءات الساعة في أقرب عقدة. جميع النقاط ذات الإحداثيات الأربعة تملأ مساحة رباعية الأبعاد تسمى الزمكان. السؤال الرئيسي للفيزياء هو سؤال هندسةهذه المساحة.

لوصف الأحداث في الزمكان، من المناسب استخدام مخططات الزمكان، التي تصور تسلسل الأحداث لجسم معين. إذا (للتوضيح) اقتصرنا على ثنائي الأبعاد ( س,ر)-المكان، فإن مخطط الزمكان النموذجي للأحداث في الفيزياء الكلاسيكية يبدو كما هو موضح في الشكل. 1.

المحور الافقي سيتوافق مع جميع الإحداثيات المكانية الثلاثة ( س, ذ, ض)، العمودي – الوقت روالاتجاه من "الماضي" إلى "المستقبل" يتوافق مع الحركة من الأسفل إلى الأعلى على طول المحور ر.

أي نقطة على خط أفقي يتقاطع مع محور رتحت الصفر، يتوافق مع موضع جسم ما في الفضاء في لحظة زمنية ما (في الماضي بالنسبة إلى نقطة زمنية تم اختيارها عشوائيًا) ر= 0). لذلك، في الشكل. 1 جثة كانت في هذه النقطة أ 1 مساحة في وقت واحد ر 1. نقاط الخط الأفقي المتطابقة مع المحور س، تصور الموقع المكاني للأجسام في لحظة معينة من الزمن ر= 0 (نقطة أ 0). خط مستقيم مرسوم فوق المحور س، يتوافق مع موضع الأجسام في المستقبل (النقطة أ 2- الوضعية التي سيشغلها الجسم في لحظة الزمن ر 2). إذا قمت بتوصيل النقاط أ 1, أ 0, أ 2، تحصل على خط عالمي جثث. من الواضح أن موضع الجسم في الفضاء لا يتغير (الإحداثيات المكانية تظل ثابتة)، لذا فإن خط العالم هذا يمثل الجسم الساكن.

إذا كان خط العالم مستقيما، مائلا بزاوية معينة (مستقيم في 1في 0في 2 في الشكل. 1) يعني أن الجسم يتحرك بسرعة ثابتة. كلما كانت الزاوية بين الخط العالمي والمستوى الأفقي أصغر، زادت سرعة الجسم. في إطار الفيزياء الكلاسيكية، يمكن أن يكون ميل خط العالم أي شيء، لأن سرعة الجسم لا يقتصر على أي شيء.

هذا البيان حول عدم وجود حد لسرعة حركة الأجسام موجود ضمنيًا في الميكانيكا النيوتونية. فهو يسمح لنا بإعطاء معنى لمفهوم تزامن الأحداث دون الرجوع إلى مراقب محدد. في الواقع، تتحرك بسرعة محدودة، من أي نقطة مع 0 على سطح متساوي الزمن يمكن للمرء أن يصل إلى نقطة ما مع 1، الموافق لوقت لاحق. ممكن من نقطة سابقة مع 2 نصل إلى هذه النقطة مع 0. ومع ذلك، من المستحيل التحرك بسرعة محدودة، والانتقال من النقطة مع 0 إلى أي نقطة أ, في،...على نفس السطح. جميع الأحداث على هذا السطح متزامنة (الشكل 2). يمكنك وضعها بطريقة أخرى. يجب أن تكون هناك ساعات متطابقة في كل نقطة في الفضاء ثلاثي الأبعاد. القدرة على إرسال الإشارات معتعني السرعة العالية اللامتناهية أنه من الممكن مزامنة جميع الساعات في وقت واحد، بغض النظر عن بعدها عن بعضها البعض ومهما كانت سرعة تحركها (في الواقع، تصل إشارة الوقت الدقيقة إلى جميع الساعات على الفور). بمعنى آخر، في إطار الميكانيكا الكلاسيكية، لا يعتمد تقدم الساعة على ما إذا كانت تتحرك أم لا.

مفهوم تزامن الأحداث عند أينشتاين.

في إطار الميكانيكا النيوتونية، تقع جميع الأحداث المتزامنة في "مستوى" الزمن الثابت ر، تحتل مساحة ثلاثية الأبعاد بالكامل (الشكل 2). تخضع العلاقات الهندسية بين النقاط في الفضاء ثلاثي الأبعاد لقوانين الهندسة الإقليدية العادية. وهكذا فإن الزمكان في الميكانيكا الكلاسيكية ينقسم إلى مكان وزمان مستقلين عن بعضهما البعض.

المفتاح لفهم أسس STR هو أنه من المستحيل تخيل الزمكان مستقلاً عن بعضها البعض. يختلف مسار الساعات في نقاط مختلفة من الزمكان الواحد ويعتمد على سرعة الراصد. تعتمد هذه الحقيقة المدهشة على حقيقة أن الإشارات لا يمكن أن تنتشر بسرعة لا نهائية (الفشل في العمل عن بعد).

تسمح لنا التجربة الفكرية التالية بفهم معنى مفهوم التزامن بشكل أفضل. لنفترض أنه على جدارين متقابلين لعربة قطار تتحرك بسرعة ثابتة الخامس، تم إنتاج ومضات من الضوء في وقت واحد. بالنسبة للمراقب الموجود في منتصف السيارة، ستصل ومضات الضوء من المصادر في وقت واحد. من وجهة نظر مراقب خارجي يقف على المنصة، سوف يأتي وميض مبكرًا من المصدر الذي يقترب من المراقب. كل هذه الاعتبارات تشير إلى أن الضوء ينتقل بسرعة محدودة.

وبالتالي، إذا تخلىنا عن الفعل بعيد المدى، أي إمكانية إرسال الإشارات بسرعة لا متناهية، فإن مفهوم تزامن الأحداث يصبح نسبيًا يعتمد على الراصد. هذا التغيير في وجهة نظر التزامن هو الفرق الأساسي بين STR وفيزياء ما قبل النسبية.

لتحديد مفهوم التزامن وتزامن الساعات الموجودة في نقاط مكانية مختلفة، اقترح أينشتاين الإجراء التالي. اسمحوا من هذه النقطة أيتم إرسال إشارة ضوئية قصيرة جدًا في الفراغ؛ عند إرسال إشارة، تكون الساعة عند هذه النقطة أموعد العرض ر 1 . تصل الإشارة إلى النقطة فيفي اللحظة التي تكون فيها الساعة في هذه النقطة فيموعد العرض ر". بعد التأمل عند نقطة ما فيتعود الإشارة إلى النقطة أ، حتى تصل الساعة أموعد العرض ر 2. حسب التعريف، ساعات العمل أو فيمتزامنة إذا كانت عند هذه النقطة فيتم ضبط الساعة بحيث ر" = (ر 1 + ر 2)/2.

مسلمات النظرية النسبية الخاصة.

1. المسلمة الأولى هي مبدأ النسبية، الذي ينص على أنه من بين جميع الحركات التي يمكن تصورها للأجسام يمكن تمييز (دون الرجوع إلى حركة الأجسام الأخرى) فئة معينة من الحركات تسمى غير المتسارعة، أو بالقصور الذاتي. تسمى الإطارات المرجعية المرتبطة بهذه الحركات بالأطر المرجعية بالقصور الذاتي. في فئة أنظمة القصور الذاتي، لا توجد طريقة للتمييز بين النظام المتحرك والنظام الثابت. المحتوى المادي لقانون نيوتن الأول هو بيان حول وجود أطر مرجعية بالقصور الذاتي.

إذا كان هناك نظام واحد بالقصور الذاتي، فهذا يعني أن هناك عددًا لا نهائيًا منه. أي نظام مرجعي يتحرك بالنسبة إلى الأول بسرعة ثابتة هو أيضًا نظام بالقصور الذاتي.

ينص مبدأ النسبية على أن جميع معادلات جميع القوانين الفيزيائية لها نفس الشكل في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي، أي. القوانين الفيزيائية ثابتة فيما يتعلق بالانتقال من إطار مرجعي بالقصور الذاتي إلى آخر. من المهم تحديد الصيغ التي تحدد تحويل الإحداثيات ووقت الحدث أثناء هذا الانتقال.

في الفيزياء النيوتونية الكلاسيكية، الافتراض الثاني عبارة عن بيان ضمني حول إمكانية انتشار الإشارات بسرعة لا نهائية. وهذا يؤدي إلى إمكانية المزامنة المتزامنة لجميع الساعات في الفضاء واستقلال الساعة عن سرعة حركتها. بمعنى آخر، عند الانتقال من نظام قصوري إلى آخر، لا يتغير الزمن: رў = ر. ثم تصبح صيغ تحويل الإحداثيات عند الانتقال من نظام مرجعي بالقصور الذاتي إلى آخر (تحويلات غاليليو) واضحة:

سў = س – فاتو, ذў = ذ, ضў = ض, رў = ر.

المعادلات التي تعبر عن قوانين الميكانيكا الكلاسيكية ثابتة في ظل التحولات الجليلية، أي. لا تغير شكلها عند الانتقال من إطار مرجعي بالقصور الذاتي إلى آخر.

في النظرية النسبية الخاصة، ينطبق مبدأ النسبية على جميع الظواهر الفيزيائية ويمكن التعبير عنه على النحو التالي: لا توجد تجارب (ميكانيكية، كهربائية، بصرية، حرارية، إلخ) تجعل من الممكن التمييز بين إطار مرجعي قصوري وآخر، أي. لا توجد طريقة مطلقة (مستقلة عن المراقب) لمعرفة سرعة الإطار المرجعي بالقصور الذاتي.

2. يتم استبدال الافتراض الثاني للميكانيكا الكلاسيكية حول السرعة غير المحدودة لانتشار الإشارات أو حركة الأجسام في STR بالافتراض حول وجود سرعة محددة لانتشار الإشارات المادية، تساوي عدديًا سرعة انتشار الضوء في فراغ

مع= 2.99792458·10 8 م/ث.

بتعبير أدق، يفترض STR استقلال سرعة الضوء عن سرعة حركة المصدر أو المستقبل لهذا الضوء. وبعد هذا يمكن إثبات ذلك معهي أقصى سرعة ممكنة لانتشار الإشارة، وهذه السرعة هي نفسها في جميع الإطارات المرجعية بالقصور الذاتي.

كيف ستبدو مخططات الزمكان الآن؟ لفهم ذلك، علينا أن ننتقل إلى المعادلة التي تصف انتشار مقدمة الموجة الضوئية الكروية في الفراغ. دعونا في هذه اللحظة ر= 0 كان هناك وميض من الضوء من مصدر يقع في نقطة الأصل ( س, ذ, ض) = 0. في أي وقت لاحق ر> 0 ستكون مقدمة موجة الضوء عبارة عن كرة ذات نصف قطر ل = ط م، والتوسع بالتساوي في كل الاتجاهات. معادلة مثل هذه الكرة في الفضاء ثلاثي الأبعاد لها الشكل:

س 2 + ذ 2 + ض 2 = ج 2ر 2 .

في مخطط الزمكان، سيتم تصوير الخط العالمي لموجة الضوء كخطوط مستقيمة تميل بزاوية 45 درجة إلى المحور س. إذا أخذنا في الاعتبار أن الإحداثيات سإذا كان المخطط يتوافق فعليًا مع مجموعة الإحداثيات المكانية الثلاثة، فإن معادلة مقدمة الموجة الضوئية تحدد سطحًا معينًا في الفضاء رباعي الأبعاد للأحداث، والذي يسمى عادة المخروط الضوئي.

كل نقطة في مخطط الزمكان هي حدث وقع في مكان معين في وقت معين. دع هذه النقطة عنفي التين. 3 يتوافق مع بعض الأحداث. فيما يتعلق بهذا الحدث، يتم تقسيم جميع الأحداث الأخرى (جميع النقاط الأخرى في الرسم البياني) إلى ثلاث مناطق، تسمى تقليديًا مخاريط الماضي والمستقبل والمنطقة الشبيهة بالفضاء. جميع الأحداث داخل مخروط الماضي (على سبيل المثال، الحدث أ(على الرسم البياني) تحدث في مثل هذه اللحظات من الزمن وعلى هذه المسافة من عنحتى تتمكن من الوصول إلى هذه النقطة عن، يتحرك بسرعة لا تتجاوز سرعة الضوء (من الواضح من الاعتبارات الهندسية أنه إذا الخامس > ج، ثم ميل خط العالم إلى المحور ستتناقص، أي تصبح زاوية الميل أقل من 45 درجة؛ والعكس إذا الخامسج، ثم زاوية الميل على المحور سيصبح أكثر من 45 درجة). وكذلك الحدث فيتقع في مخروط المستقبل، إذ يمكن الوصول إلى هذه النقطة بالتحرك بسرعة الخامسج.

موقف مختلف مع الأحداث في منطقة تشبه الفضاء (على سبيل المثال، the events مع). ولهذه الأحداث العلاقة بين المسافة المكانية إلى النقطة عنوالوقت مناسب للوصول إليه عنلا يمكن تحقيق ذلك إلا من خلال التحرك بسرعة فائقة السرعة (الخط المنقط في الرسم البياني يصور الخط العالمي لهذه الحركة المحظورة؛ ويمكن ملاحظة أن ميل هذا الخط العالمي إلى المحور x أقل من 45 درجة، أي. الخامس > ج).

لذا، فإن جميع الأحداث المتعلقة بحدث معين تنقسم إلى فئتين غير متكافئتين: تلك التي تقع داخل المخروط الضوئي وخارجه. يمكن تحقيق الأحداث الأولى من خلال أجسام حقيقية تتحرك بسرعة الخامسج، والثاني - لا.

تحويلات لورنتز.

يمكن إعادة كتابة الصيغة التي تصف انتشار مقدمة موجة الضوء الكروية على النحو التالي:

ج 2ر 2 – س 2 – ذ 2 – ض 2 = 0.

يترك س 2 = ج 2ر 2 – س 2 – ذ 2 – ض 2. الحجم سيسمى الفاصل الزمني. عندها ستأخذ معادلة انتشار الموجة الضوئية (معادلة المخروط الضوئي على مخطط الزمكان) الشكل التالي:

من الاعتبارات الهندسية في مناطق الماضي المطلق والمستقبل المطلق (وإلا فإنها تسمى مناطق شبيهة بالزمن) س 2 > 0، وفي المنطقة الشبيهة بالفضاء س 2 s ثابتة فيما يتعلق بالانتقال من إطار مرجعي بالقصور الذاتي إلى آخر. وفقا لمبدأ النسبية، المعادلة س 2 = 0، الذي يعبر عن القانون الفيزيائي لانتشار الضوء، يجب أن يكون له نفس الشكل في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي.

ضخامة س 2 ليس ثابتًا في ظل التحويلات الجليلية (يتم التحقق منه عن طريق الاستبدال) ويمكننا أن نستنتج أنه يجب أن تكون هناك تحويلات أخرى للإحداثيات والوقت عند الانتقال من نظام قصوري إلى آخر. في الوقت نفسه، مع الأخذ في الاعتبار الطبيعة النسبية للتزامن، لم يعد من الممكن النظر فيها رў = ر، أي. اعتبر الزمن مطلقًا، ويتحرك بشكل مستقل عن الراصد، وفصل الزمن عن المكان عمومًا، كما يمكن فعله في الميكانيكا النيوتونية.

تحويلات إحداثيات ووقت حدث ما أثناء الانتقال من نظام مرجعي بالقصور الذاتي إلى آخر، دون تغيير قيمة الفاصل الزمني س 2 تسمى تحويلات لورنتز . في الحالة التي يتحرك فيها نظام مرجعي بالقصور الذاتي بالنسبة إلى نظام آخر على طول المحور سبسرعة الخامس، تبدو هذه التحولات كما يلي:

وهي مكتوبة هنا كتحويلات لورنتز من نظام إحداثيات غير معبأ ل(تقليديًا يعتبر نظامًا ثابتًا أو معمليًا) لنظام مظلل لў والعودة. تختلف هذه الصيغ في علامة السرعة الخامس، وهو ما يتوافق مع مبدأ النسبية لأينشتاين: إذا لў يتحرك نسبة إلى لبسرعة الخامسعلى طول المحور س، الذي - التي لالتحركات نسبة إلى لў مع السرعة – الخامسوفي جوانب أخرى كلا النظامين متساويان تمامًا.

الفاصل الزمني في التدوين الجديد يأخذ الشكل:

عن طريق التعويض المباشر، يمكنك التأكد من أن هذا التعبير لا يتغير شكله تحت تحويلات لورنتز، أي. سÞ 2 = س 2.

الساعات والمساطر.

إن النتائج الأكثر إثارة للدهشة (من وجهة نظر الفيزياء الكلاسيكية) لتحولات لورنتز هي التصريحات التي تفيد بأن المراقبين في إطارين مرجعيين مختلفين بالقصور الذاتي سيحصلون على نتائج مختلفة عند قياس طول القضيب أو الفاصل الزمني بين حدثين وقعا في نفس المكان.

تقليل طول القضيب.

دع القضيب يقع على طول المحور س← الأنظمة المرجعية سў وتقع في هذا النظام. طوله لў = س 2 – سў 1 يتم تسجيلها بواسطة مراقب في هذا النظام. الانتقال إلى النظام التعسفي سيمكننا كتابة تعبيرات لإحداثيات نهاية وبداية القضيب مقاسة في نفس اللحظة الزمنية حسب ساعة المراقب في هذا النظام:

سў 1 = ز ( س 1 – ب س 0), سў 2 = ز ( س 2 – ب س 0).

لў = س 2 – سў 1 = ز ( س 2 – س 1) = ز ل.

عادة ما تتم كتابة هذه الصيغة على النحو التالي:

ل = لў / ز .

بما أن g > 1، فهذا يعني أن طول القضيب لفي النظام المرجعي ساتضح أنه أقل من طول نفس القضيب لў في النظام سў ، حيث يكون القضيب في حالة سكون (تقلص الطول لورنتزي).

تباطؤ وتيرة الوقت.

دع حدثين يحدثان في نفس المكان في النظام سў ، والفاصل الزمني بين هذه الأحداث وفقا لساعة الراصد الساكن في هذا النظام يساوي

د = ر 2 – ر 1.

يُسمى الوقت المناسب عادةً بالوقت t، ويُقاس بواسطة ساعة مراقب في حالة سكون في إطار مرجعي معين. يرتبط الوقت المناسب والوقت المقاس بساعة المراقب المتحرك. لأن

أين سў هو الإحداثي المكاني للحدث، ثم بطرح مساواة واحدة من الأخرى نجد:

د ر = ز دت .

من هذه الصيغة يترتب على الساعة في النظام سيُظهر الفاصل الزمني بين حدثين أطول من الساعة الموجودة في النظام سў ، تتحرك نسبة إلى س. بمعنى آخر، الفاصل الزمني بين حدثين، والذي تظهره ساعة تتحرك مع الراصد، يكون دائمًا أقل من الفاصل الزمني بين نفس الأحداث، والذي تظهره ساعة الراصد الثابت.

لوحظ تأثير تمدد الزمن بشكل مباشر في التجارب على الجسيمات الأولية. معظم هذه الجسيمات غير مستقرة وتتحلل بعد فترة زمنية معينة (بتعبير أدق، عمر النصف أو متوسط ​​عمر الجسيم معروف). ومن الواضح أن هذا الوقت يقاس بساعة ساكنة بالنسبة إلى الجسيم، أي. هذا هو عمر الجسيم نفسه. لكن الجسيم يطير أمام الراصد بسرعة عالية، تصل أحيانًا إلى سرعة الضوء. ولذلك، فإن مدة بقائه في المختبر في اتجاه عقارب الساعة تصبح مساوية لـ ر= gt و g >> مرة واحدة ر>> ر . ولأول مرة، واجه الباحثون هذا التأثير عند دراسة الميونات التي تنتج في الطبقات العليا من الغلاف الجوي للأرض نتيجة تفاعل جزيئات الإشعاع الكوني مع النوى الذرية في الغلاف الجوي. وقد ثبتت الحقائق التالية:

تولد الميونات على ارتفاع حوالي 100 كيلومتر فوق سطح الأرض؛

عمر الميون نفسه t @ 2H 10 –6 s؛

يصل تيار من الميونات المتولدة في الطبقات العليا من الغلاف الجوي إلى سطح الأرض.

ولكن هذا يبدو مستحيلا. بعد كل شيء، حتى لو تحركت الميونات بسرعة تساوي سرعة الضوء، فإنها لا تزال قادرة على الطيران لمسافة تساوي فقط ج t » 3H 10 8 H 2H 10 –6 m = 600 m. وبالتالي، فإن حقيقة أن الميونات، دون أن تتحلل، تطير مسافة 100 كيلومتر، أي مسافة أكبر 200 مرة، ويتم تسجيلها بالقرب من سطح الأرض، لا يمكن تفسيرها إلا من خلال شيء واحد: من وجهة نظر مراقب أرضي، زاد عمر الميون. الحسابات تؤكد تماما الصيغة النسبية. ولوحظ نفس التأثير تجريبيا في مسرعات الجسيمات.

يجب التأكيد على أن الجوهر الرئيسي لـ SRT ليس الاستنتاجات حول تقليل الطول وتمدد الزمن. الشيء الأكثر أهمية في النظرية النسبية الخاصة ليس نسبية مفاهيم الإحداثيات المكانية والوقت، بل ثبات (ثبات) بعض مجموعات هذه الكميات (على سبيل المثال، الفاصل الزمني) في زمكان واحد، وبالتالي بمعنى معين، لا ينبغي أن تسمى SRT النظرية النسبية، ولكن نظرية المطلق (الثبات) لقوانين الطبيعة والكميات الفيزيائية فيما يتعلق بتحولات الانتقال من نظام مرجعي بالقصور الذاتي إلى آخر.

إضافة السرعات.

دع الأنظمة المرجعية سو سў التحرك بالنسبة لبعضها البعض بسرعة موجهة على طول المحور س (سه ). تحويلات لورنتز لتغيير إحداثيات الجسم د س،د y V له مكون واحد فقط على طول المحور س، وبالتالي فإن المنتج العددي تў = تў س):

في الحالة المحددة، عندما تكون جميع السرعات أقل بكثير من سرعة الضوء، الخامسج و الخامسў c (حالة غير نسبية) يمكننا إهمال الحد الثاني في المقام وهذا يؤدي إلى قانون جمع السرعات في الميكانيكا الكلاسيكية

الخامس = الخامسў + الخامس.

وفي الحالة المعاكسة، النسبية (سرعات قريبة من سرعة الضوء)، من السهل أن نرى أنه، على عكس الفكرة الساذجة، عند إضافة السرعات، من المستحيل الحصول على سرعة تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ. لنفترض، على سبيل المثال، أن جميع السرعات موجهة على طول المحور سو الخامسў = ج، فمن الواضح أن الخامس = ج.

لا ينبغي للمرء أن يعتقد أنه عند إضافة السرعات في إطار SRT، لا يمكن أبدًا الحصول على سرعات أكبر من سرعة الضوء. إليك مثال بسيط: مركبتان فضائيتان تقتربان من بعضهما البعض بسرعة 0.8 معكل نسبة إلى مراقب أرضي. عندها ستكون سرعة اقتراب المركبات الفضائية بالنسبة لنفس المراقب تساوي 1.6 مع. وهذا لا يتعارض بأي حال من الأحوال مع مبادئ SRT، لأننا لا نتحدث عن سرعة إرسال الإشارة (المعلومات). ومع ذلك، إذا طرحت السؤال، ما هي سرعة اقتراب مركبة فضائية من أخرى من وجهة نظر مراقب في مركبة فضائية، فسيتم الحصول على الإجابة الصحيحة من خلال تطبيق الصيغة النسبية لإضافة السرعات: سرعة المركبة الفضائية. المركبة الفضائية بالنسبة إلى الأرض (0.8 مع) يضاف إلى سرعة الأرض بالنسبة لسفينة الفضاء الثانية (أيضًا 0.8 مع)، و كنتيجة الخامس = 1,6/(1+0,64)ج = 1,6/1,64ج = 0,96ج.

علاقة أينشتاين.

الصيغة الرئيسية المطبقة لـ SRT هي علاقة أينشتاين بين الطاقة ه، دفعة صوالكتلة مالجسيمات المتحركة بحرية:

تحل هذه الصيغة محل الصيغة النيوتونية التي تربط الطاقة الحركية بالزخم:

هأقرباء = ص 2/(2م).

من صيغة أينشتاين يترتب على ذلك متى ص = 0

ه 0 = مولودية 2.

معنى هذه الصيغة الشهيرة هو أن الجسيم الهائل في إطار مرجعي متحرك (أي، في إطار مرجعي بالقصور الذاتي يتحرك مع الجسيم، بحيث يكون الجسيم في حالة سكون بالنسبة إليه) لديه طاقة سكون معينة ه 0، والذي يرتبط بشكل فريد بكتلة هذا الجسيم. وافترض أينشتاين أن هذه الطاقة حقيقية تمامًا، وعندما تتغير كتلة الجسيم فإنه يمكن أن يتحول إلى أنواع أخرى من الطاقة وهذا هو أساس التفاعلات النووية.

يمكن إثبات ذلك من وجهة نظر المراقب، بالنسبة لمن يتحرك الجسيم بسرعة الخامس ، طاقة وزخم تغير الجسيم:

وبالتالي فإن قيم الطاقة والزخم للجسيم تعتمد على الإطار المرجعي الذي تقاس فيه هذه الكميات. تعبر علاقة أينشتاين عن القانون العالمي للتكافؤ وقابلية التحويل المتبادل للكتلة والطاقة. أصبح اكتشاف أينشتاين الأساس ليس فقط للعديد من الإنجازات التقنية في القرن العشرين، ولكن أيضًا لفهم ولادة الكون وتطوره.

الكسندر بيركوف

في سبتمبر 1905 A. ظهر عمل أينشتاين "حول الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة"، والذي تم فيه تحديد الأحكام الرئيسية للنظرية النسبية الخاصة (STR). كانت هذه النظرية تعني مراجعة المفاهيم الكلاسيكية للفيزياء حول خصائص المكان والزمان. لذلك يمكن تسمية هذه النظرية في محتواها بالمذهب الفيزيائي للمكان والزمان . بدنيلأن خصائص المكان والزمان في هذه النظرية تعتبر مرتبطة بشكل وثيق بقوانين الظواهر الفيزيائية التي تحدث فيهما. على المدى " خاص"يؤكد حقيقة أن هذه النظرية تنظر إلى الظواهر فقط في الأطر المرجعية بالقصور الذاتي.

كنقطة انطلاق للنظرية النسبية الخاصة، قبل أينشتاين افتراضين أو مبدأين:

1) مبدأ النسبية.

2) مبدأ استقلال سرعة الضوء عن سرعة مصدر الضوء.

الافتراض الأول هو تعميم مبدأ النسبية لجاليليو على أي عمليات فيزيائية: جميع الظواهر الفيزيائية تسير بنفس الطريقة في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي. جميع قوانين الطبيعة والمعادلات التي تصفها ثابتة، أي. لا تتغير عند الانتقال من نظام مرجعي بالقصور الذاتي إلى آخر.

بعبارة أخرى، جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي متكافئة (لا يمكن تمييزها) في خصائصها الفيزيائية.ولا يمكن لأي قدر من الخبرة أن يميز أيًا منهم على أنه الأفضل.

الفرضية الثانية تنص على ذلك فسرعة الضوء في الفراغ لا تعتمد على حركة مصدر الضوء وهي واحدة في جميع الاتجاهات.

هذا يعني انه سرعة الضوء في الفراغ هي نفسها في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي.ومن ثم فإن سرعة الضوء تحتل مكانة خاصة في الطبيعة.

يترتب على افتراضات أينشتاين أن سرعة الضوء في الفراغ محدودة: لا يمكن لأي إشارة أو تأثير لجسم على آخر أن ينتشر بسرعة تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ. إن الطبيعة المحدودة لهذه السرعة هي التي تفسر نفس سرعة الضوء في جميع الأنظمة المرجعية. إن وجود سرعة محددة يعني تلقائيًا تقييد سرعة الجسيم بقيمة "c". وبخلاف ذلك، يمكن لهذه الجسيمات نقل الإشارات (أو التفاعلات بين الأجسام) بسرعة تتجاوز الحد المسموح به. وبالتالي، وفقًا لمسلمات أينشتاين، فإن قيمة جميع السرعات الممكنة لحركة الأجسام وانتشار التفاعلات محدودة بالقيمة "c". وهذا يرفض مبدأ العمل بعيد المدى في ميكانيكا نيوتن.

استنتاجات مثيرة للاهتمام تتبع من SRT:

1) تخفيض الطول:تؤثر حركة أي جسم على القيمة المقاسة لطوله.

2) تباطؤ الوقت:مع ظهور SRT، ظهر البيان بأن الوقت المطلق ليس له معنى مطلق، فهو مجرد تمثيل رياضي مثالي، لأنه في الطبيعة لا توجد عملية فيزيائية حقيقية مناسبة لقياس الوقت المطلق.

يعتمد مرور الوقت على سرعة حركة الإطار المرجعي. بسرعة عالية بما فيه الكفاية، قريبة من سرعة الضوء، يتباطأ الوقت، أي. يحدث تمدد الزمن النسبي.

وهكذا، في نظام سريع الحركة، يتدفق الوقت بشكل أبطأ مما هو عليه في مختبر مراقب ثابت: إذا تمكن مراقب على الأرض من متابعة ساعة في صاروخ يطير بسرعة عالية، فإنه سيتوصل إلى استنتاج مفاده أنها كانت تعمل أبطأ من بلده. ويعني تأثير تمدد الزمن أن سكان سفينة الفضاء يتقدمون في العمر بشكل أبطأ. إذا قام أحد التوأمين برحلة طويلة إلى الفضاء، فعند عودته إلى الأرض سيجد أن شقيقه التوأم الذي بقي في المنزل أكبر منه بكثير.

في بعض الأنظمة يمكننا التحدث فقط عن التوقيت المحلي. وفي هذا الصدد، فإن الزمن ليس كيانًا مستقلاً عن المادة، فهو يتدفق بسرعات مختلفة في ظل ظروف فيزيائية مختلفة. الوقت دائما نسبي.

3) زيادة الوزن:وكتلة الجسم هي أيضًا كمية نسبية، تعتمد على سرعة حركته. كلما زادت سرعة الجسم، زادت كتلته.

اكتشف أينشتاين أيضًا العلاقة بين الكتلة والطاقة. ويصوغ القانون التالي: "كتلة الجسم هي مقياس للطاقة الموجودة فيه: E = مللي ثانية 2 ". إذا عوضنا m=1 كجم وc=300000 كم/ثانية في هذه الصيغة، فسنحصل على طاقة هائلة تبلغ 9·10 16 J، والتي ستكون كافية لحرق مصباح كهربائي لمدة 30 مليون سنة. لكن كمية الطاقة الموجودة في كتلة المادة محدودة بسرعة الضوء وكمية كتلة المادة.

العالم من حولنا له ثلاثة أبعاد. يقول SRT أنه لا يمكن اعتبار الوقت شيئًا منفصلاً وغير متغير. في عام 1907، طور عالم الرياضيات الألماني مينكوفسكي الجهاز الرياضي لـSRT. واقترح أن ثلاثة أبعاد مكانية وزمانية واحدة ترتبط ارتباطًا وثيقًا. جميع الأحداث في الكون تحدث في الزمكان رباعي الأبعاد. من وجهة نظر رياضية، SRT هي هندسة زمكان مينكوفسكي رباعي الأبعاد.

تم تأكيد تقنية SRT على مواد واسعة النطاق، من خلال العديد من الحقائق والتجارب (على سبيل المثال، لوحظ تمدد الزمن أثناء اضمحلال الجسيمات الأولية في الأشعة الكونية أو في المسرعات عالية الطاقة) ويشكل الأساس للأوصاف النظرية لجميع العمليات التي تحدث بسرعات نسبية.

لذا، فإن وصف العمليات الفيزيائية في SRT يرتبط بشكل أساسي بنظام الإحداثيات. ولا تصف النظرية الفيزيائية العملية الفيزيائية نفسها، بل نتيجة تفاعل العملية الفيزيائية مع وسائل البحث. لذلك، لأول مرة في تاريخ الفيزياء، يتجلى نشاط موضوع المعرفة بشكل مباشر، والتفاعل الذي لا ينفصل بين الموضوع وموضوع المعرفة.

كان هذا العالم محاطًا بظلام عميق.
دع النور يعبر إلى هناك! وبعد ذلك ظهر نيوتن.
Epigram من القرن الثامن عشر.

لكن الشيطان لم ينتظر طويلاً لينتقم.
جاء أينشتاين وأصبح كل شيء كما كان من قبل.
Epigram من القرن العشرين.

مسلمات النظرية النسبية

مسلمة (بديهية)- بيان جوهري تقوم عليه النظرية ويقبل بدون دليل.

الفرضية الأولى:جميع قوانين الفيزياء التي تصف أي ظاهرة فيزيائية يجب أن يكون لها نفس الشكل في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي.

يمكن صياغة نفس الافتراض بشكل مختلف: في أي أطر مرجعية بالقصور الذاتي، فإن جميع الظواهر الفيزيائية تحت نفس الظروف الأولية تسير بنفس الطريقة.

الفرضية الثانية:في جميع الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي، تكون سرعة الضوء في الفراغ هي نفسها ولا تعتمد على سرعة حركة كل من مصدر الضوء ومستقبله. هذه السرعة هي السرعة القصوى لجميع العمليات والحركات المصحوبة بنقل الطاقة.

قانون العلاقة بين الكتلة والطاقة

الميكانيكا النسبية- فرع من الميكانيكا يدرس قوانين حركة الأجسام بسرعات قريبة من سرعة الضوء.

أي جسم، بحكم وجوده، لديه طاقة تتناسب مع كتلته الساكنة.

ما هي النظرية النسبية (فيديو)

عواقب النظرية النسبية

نسبية التزامن.إن تزامن الحدثين أمر نسبي. إذا كانت الأحداث التي تحدث عند نقاط مختلفة متزامنة في إطار مرجعي قصوري واحد، فقد لا تكون متزامنة في إطارات مرجعية قصورية أخرى.

تقليل الطول.طول الجسم، المقاس في الإطار المرجعي K"، الذي يكون فيه في حالة سكون، أكبر من الطول في الإطار المرجعي K، بالنسبة إلى الذي يتحرك فيه K" بسرعة v على طول محور الثور:

تمدد الزمن.الفاصل الزمني المقاس بميقاتية ثابتة في الإطار المرجعي بالقصور الذاتي K" أقل من الفاصل الزمني المقاس في الإطار المرجعي بالقصور الذاتي K، بالنسبة إلى الذي تتحرك فيه K" بسرعة v:

نظرية النسبية

مادة من كتاب "تاريخ موجز للزمن" لستيفن هوكينج وليونارد ملودينو

النسبية

تنص مسلمة أينشتاين الأساسية، والتي تسمى مبدأ النسبية، على أن جميع قوانين الفيزياء يجب أن تكون واحدة لجميع المراقبين الذين يتحركون بحرية، بغض النظر عن سرعتهم. إذا كانت سرعة الضوء ثابتة، فإن أي راصد يتحرك بحرية يجب أن يسجل نفس القيمة بغض النظر عن السرعة التي يقترب بها أو يبتعد عن مصدر الضوء.

إن شرط اتفاق جميع المراقبين على سرعة الضوء يفرض تغييراً في مفهوم الزمن. وفقًا للنظرية النسبية، فإن الراصد الذي يسافر في القطار والآخر الذي يقف على الرصيف سيختلفان في تقديرهما للمسافة التي يقطعها الضوء. وبما أن السرعة هي المسافة مقسومة على الزمن، فإن الطريقة الوحيدة للمراقبين للاتفاق على سرعة الضوء هي إذا اختلفوا أيضًا على الزمن. بمعنى آخر أن النظرية النسبية وضعت حداً لفكرة الزمن المطلق! اتضح أن كل مراقب يجب أن يكون لديه مقياسه الخاص للوقت وأن الساعات المتطابقة لمراقبين مختلفين لن تظهر بالضرورة نفس الوقت.

عندما نقول أن الفضاء له ثلاثة أبعاد، فإننا نعني أنه يمكن التعبير عن موضع نقطة فيه باستخدام ثلاثة أرقام - الإحداثيات. إذا أدخلنا الزمن في وصفنا، فسنحصل على زمكان رباعي الأبعاد.

نتيجة أخرى معروفة للنظرية النسبية هي تكافؤ الكتلة والطاقة، والذي يعبر عنه بمعادلة أينشتاين الشهيرة E = mc2 (حيث E هي الطاقة، وm هي كتلة الجسم، وc هي سرعة الضوء). ونظرًا لتكافؤ الطاقة والكتلة، فإن الطاقة الحركية التي يمتلكها الجسم المادي بسبب حركته تزيد من كتلته. بمعنى آخر، يصبح تسريع الجسم أكثر صعوبة.

وهذا التأثير مهم فقط بالنسبة للأجسام التي تتحرك بسرعات قريبة من سرعة الضوء. على سبيل المثال، عند سرعة تساوي 10% من سرعة الضوء، ستكون كتلة الجسم أكبر بنسبة 0.5% فقط من كتلة الجسم في حالة السكون، ولكن عند سرعة تساوي 90% من سرعة الضوء، ستكون الكتلة أكثر من الضعف. العادي. مع اقتراب الجسم من سرعة الضوء، تزداد كتلة الجسم بسرعة أكبر، مما يتطلب المزيد والمزيد من الطاقة لتسريعه. وفقًا للنظرية النسبية، لا يمكن لأي جسم أن يصل إلى سرعة الضوء أبدًا، لأنه في هذه الحالة ستصبح كتلته لا نهائية، وبسبب تكافؤ الكتلة والطاقة، ستكون هناك حاجة إلى طاقة لا نهائية للقيام بذلك. ولهذا السبب فإن النظرية النسبية تحكم إلى الأبد على أي جسم عادي أن يتحرك بسرعة أقل من سرعة الضوء. فقط الضوء أو الموجات الأخرى التي ليس لها كتلة خاصة بها يمكنها السفر بسرعة الضوء.

الفضاء المشوه

تعتمد نظرية النسبية العامة لأينشتاين على الافتراض الثوري بأن الجاذبية ليست قوة عادية، ولكنها نتيجة لحقيقة أن الزمكان ليس مسطحًا، كما كان يُعتقد سابقًا. في النسبية العامة، ينحني الزمكان بسبب الكتلة والطاقة الموضوعة فيه. تتحرك الأجسام مثل الأرض في مدارات منحنية لا تخضع لتأثير قوة تسمى الجاذبية.

وبما أن الخط الجيوديسي هو أقصر خط بين مطارين، يقوم الملاحون بتوجيه الطائرات على طول هذه الطرق. على سبيل المثال، يمكنك اتباع قراءات البوصلة والطيران لمسافة 5966 كيلومترًا من نيويورك إلى مدريد شرقًا تقريبًا على طول خط العرض الجغرافي. لكن لن يتعين عليك سوى قطع مسافة 5802 كيلومترًا إذا حلقت في دائرة كبيرة، متجهًا أولاً نحو الشمال الشرقي ثم يتحول تدريجيًا نحو الشرق ثم الجنوب الشرقي. إن ظهور هذين المسارين على الخريطة، حيث يكون سطح الأرض مشوهًا (ممثلًا على أنه مسطح)، هو أمر خادع. عند التحرك شرقًا "بشكل مستقيم" من نقطة إلى أخرى على سطح الكرة الأرضية، فإنك لا تتحرك فعليًا على طول خط مستقيم، أو بالأحرى، لا على طول أقصر خط جيوديسي.

إذا تم إسقاط مسار مركبة فضائية تتحرك في خط مستقيم عبر الفضاء على سطح الأرض ثنائي الأبعاد، فسيظهر أنه منحني.

وفقا للنسبية العامة، يجب أن تؤدي مجالات الجاذبية إلى انحناء الضوء. على سبيل المثال، تتنبأ النظرية بأنه بالقرب من الشمس، يجب أن تنحني أشعة الضوء قليلاً نحوها تحت تأثير كتلة النجم. وهذا يعني أن ضوء النجم البعيد، إذا مر بالقرب من الشمس، سينحرف بزاوية صغيرة، ولهذا السبب سيرى الراصد على الأرض النجم في مكان ليس بالضبط حيث يقع بالفعل.

دعونا نتذكر أنه وفقًا للافتراض الأساسي للنظرية النسبية الخاصة، فإن جميع القوانين الفيزيائية هي نفسها بالنسبة لجميع المراقبين الذين يتحركون بحرية، بغض النظر عن سرعتهم. بشكل تقريبي، يمتد مبدأ التكافؤ هذه القاعدة إلى هؤلاء المراقبين الذين لا يتحركون بحرية، ولكن تحت تأثير مجال الجاذبية.

في مناطق صغيرة بما فيه الكفاية من الفضاء، من المستحيل الحكم على ما إذا كنت في حالة سكون في مجال الجاذبية أو تتحرك بتسارع ثابت في الفضاء الفارغ.

تخيل أنك في مصعد في وسط مساحة فارغة. ليس هناك جاذبية، ولا "أعلى" و"أسفل". أنت تطفو بحرية. ثم يبدأ المصعد في التحرك بتسارع مستمر. تشعر فجأة بالوزن. أي أنك تضغط على أحد جدران المصعد، والذي يُنظر إليه الآن على أنه الأرضية. إذا التقطت تفاحة وتركتها، فسوف تسقط على الأرض. في الواقع، الآن وأنت تتحرك بتسارع، كل شيء داخل المصعد سيحدث تمامًا كما لو أن المصعد لم يكن يتحرك على الإطلاق، ولكنه كان في حالة سكون في مجال جاذبية منتظم. أدرك أينشتاين أنه مثلما عندما تكون في عربة قطار، لا يمكنك معرفة ما إذا كانت ثابتة أو تتحرك بشكل منتظم، كذلك عندما تكون داخل مصعد لا يمكنك معرفة ما إذا كان يتحرك بتسارع ثابت أو أنه في مجال جاذبية منتظم. وكانت نتيجة هذا الفهم مبدأ التكافؤ.

مبدأ التكافؤ والمثال المعطى لمظهره لن يكونا صالحين إلا إذا كانت كتلة القصور الذاتي (جزء من قانون نيوتن الثاني، الذي يحدد مقدار التسارع الذي تعطيه القوة المطبقة عليها للجسم) وكتلة الجاذبية (جزء من قانون نيوتن للقوة) فالجاذبية التي تحدد حجم قوة الجاذبية (الجذب) هما نفس الشيء.

إن استخدام أينشتاين لتكافؤ كتل القصور الذاتي والجاذبية لاستخلاص مبدأ التكافؤ، وفي نهاية المطاف، نظرية النسبية العامة برمتها، هو مثال على التطور المستمر والمتسق للاستنتاجات المنطقية غير المسبوقة في تاريخ الفكر البشري.

تمدد الزمن

تنبؤ آخر للنسبية العامة هو أن الزمن يجب أن يتباطأ حول الأجسام الضخمة مثل الأرض.

والآن بعد أن تعرفنا على مبدأ التكافؤ، يمكننا متابعة تفكير أينشتاين من خلال إجراء تجربة فكرية أخرى توضح سبب تأثير الجاذبية على الوقت. تخيل صاروخًا يطير في الفضاء. وللتيسير، سنفترض أن جسمه كبير جدًا لدرجة أن الضوء يستغرق ثانية كاملة ليمر عبره من الأعلى إلى الأسفل. وأخيرًا، لنفترض أن هناك مراقبين في الصاروخ: أحدهما في الأعلى، بالقرب من السقف، والآخر في الأسفل، على الأرض، وكلاهما مزودان بنفس الساعة التي تحسب الثواني.

لنفترض أن الراصد العلوي، بعد انتظار العد التنازلي لساعته، يرسل على الفور إشارة ضوئية إلى الراصد السفلي. وفي العد التالي، يرسل إشارة ثانية. وفقًا لشروطنا، سوف يستغرق الأمر ثانية واحدة لكل إشارة للوصول إلى المراقب السفلي. وبما أن الراصد العلوي يرسل إشارتين ضوئيتين بفاصل زمني قدره ثانية واحدة، فإن الراصد السفلي سيسجلهما أيضًا في نفس الفاصل الزمني.

ما الذي سيتغير إذا كان الصاروخ في هذه التجربة، بدلاً من أن يطفو بحرية في الفضاء، يقف على الأرض ويختبر تأثير الجاذبية؟ وفقا لنظرية نيوتن، لن تؤثر الجاذبية على الوضع بأي شكل من الأشكال: إذا كان المراقب أعلاه ينقل الإشارات بفاصل زمني قدره ثانية، فإن المراقب أدناه سوف يستقبلها في نفس الفاصل الزمني. لكن مبدأ التكافؤ يتنبأ بتطور مختلف للأحداث. أي واحد يمكننا أن نفهمه إذا قمنا، وفقًا لمبدأ التكافؤ، باستبدال تأثير الجاذبية بتسارع ثابت. وهذا أحد الأمثلة على كيفية استخدام أينشتاين لمبدأ التكافؤ لإنشاء نظريته الجديدة في الجاذبية.

لنفترض أن صاروخنا يتسارع. (سنفترض أنه يتسارع ببطء، بحيث لا تقترب سرعته من سرعة الضوء). وبما أن جسم الصاروخ يتحرك للأعلى، فإن الإشارة الأولى يجب أن تقطع مسافة أقل من ذي قبل (قبل أن يبدأ التسارع)، وسوف تصل إلى المراقب السفلي في وقت أقرب مما بعد أعطني ثانية. فإذا كان الصاروخ يتحرك بسرعة ثابتة، فإن الإشارة الثانية ستصل في وقت مبكر تمامًا، بحيث يظل الفاصل الزمني بين الإشارتين مساويًا لثانية واحدة. لكن في لحظة إرسال الإشارة الثانية، وبسبب التسارع، يتحرك الصاروخ بشكل أسرع مما كان عليه في لحظة إرسال الإشارة الأولى، وبالتالي فإن الإشارة الثانية ستقطع مسافة أقصر من الأولى وستستغرق وقتًا أقل. المراقب أدناه، وهو يفحص ساعته، سوف يسجل أن الفاصل الزمني بين الإشارات أقل من ثانية واحدة، وسوف يختلف مع المراقب أعلاه، الذي يدعي أنه أرسل الإشارات بعد ثانية واحدة بالضبط.

في حالة الصاروخ المتسارع، ربما لا ينبغي أن يكون هذا التأثير مفاجئًا بشكل خاص. بعد كل شيء، لقد شرحنا ذلك للتو! لكن تذكر: ينص مبدأ التكافؤ على أن نفس الشيء يحدث عندما يكون الصاروخ في حالة سكون في مجال الجاذبية. وبالتالي، فحتى لو لم يكن الصاروخ يتسارع، بل كان مثلاً واقفاً على منصة الإطلاق على سطح الأرض، فإن الإشارات التي يرسلها الراصد العلوي بفاصل ثانية (بحسب ساعته) ستصل إلى نقطة الإطلاق. مراقب أقل بفاصل زمني أصغر (حسب ساعته). هذا مذهل حقا!

الجاذبية تغير تدفق الوقت. مثلما تخبرنا النسبية الخاصة أن الوقت يمر بشكل مختلف بالنسبة للمراقبين الذين يتحركون بالنسبة لبعضهم البعض، فإن النسبية العامة تخبرنا أن الوقت يمر بشكل مختلف بالنسبة للمراقبين في مجالات الجاذبية المختلفة. ووفقا للنظرية النسبية العامة، فإن الراصد السفلي يسجل فاصلا زمنيا أقصر بين الإشارات لأن الزمن يتحرك بشكل أبطأ على سطح الأرض لأن الجاذبية أقوى هناك. كلما كان مجال الجاذبية أقوى، كلما زاد هذا التأثير.

تستجيب ساعتنا البيولوجية أيضًا للتغيرات التي تحدث مع مرور الوقت. إذا كان أحد التوأمين يعيش على قمة جبل والآخر يعيش بالقرب من البحر، فإن الأول سوف يشيخ أسرع من الثاني. في هذه الحالة، سيكون فارق السن ضئيلا، لكنه سيزداد بشكل ملحوظ بمجرد أن يذهب أحد التوأم في رحلة طويلة في مركبة فضائية تتسارع إلى سرعة الضوء. عندما يعود المتجول، سيكون أصغر بكثير من أخيه الذي بقي على الأرض. تُعرف هذه الحالة بمفارقة التوأم، لكنها مفارقة فقط عند أولئك الذين يتمسكون بفكرة الزمن المطلق. في النظرية النسبية لا يوجد وقت مطلق فريد، فكل فرد لديه مقياسه الخاص للوقت، والذي يعتمد على مكان وجوده وكيف يتحرك.

ومع ظهور أنظمة الملاحة فائقة الدقة التي تستقبل الإشارات من الأقمار الصناعية، اكتسب الاختلاف في معدلات الساعة على ارتفاعات مختلفة أهمية عملية. وإذا تجاهلت المعدات تنبؤات النسبية العامة، فإن الخطأ في تحديد الموقع قد يصل إلى عدة كيلومترات!

أدى ظهور النظرية النسبية العامة إلى تغيير الوضع بشكل جذري. اكتسب المكان والزمان حالة الكيانات الديناميكية. عندما تتحرك الأجسام أو تؤثر القوى، فإنها تسبب انحناء المكان والزمان، وتؤثر بنية الزمكان بدورها على حركة الأجسام وعمل القوى. لا يؤثر المكان والزمان على كل ما يحدث في الكون فحسب، بل يعتمدان على كل ذلك.

الوقت بالقرب من الثقب الأسود

دعونا نتخيل رائد فضاء مقدام يبقى على سطح نجم منهار خلال فترة انكماش كارثية. في مرحلة ما وفقًا لساعته، مثلًا الساعة 11:00، سيتقلص النجم إلى نصف قطر حرج، يتكثف بعده مجال الجاذبية كثيرًا بحيث يستحيل الهروب منه. لنفترض الآن أنه وفقًا للتعليمات، يجب على رائد الفضاء أن يرسل إشارة كل ثانية على ساعته إلى مركبة فضائية في مدار على مسافة ثابتة من مركز النجم. ويبدأ بإرسال الإشارات عند الساعة 10:59:58، أي قبل ثانيتين من الساعة 11:00. ماذا سيسجل الطاقم على متن المركبة الفضائية؟

في السابق، بعد أن قمنا بتجربة فكرية لنقل الإشارات الضوئية داخل الصاروخ، كنا مقتنعين بأن الجاذبية تبطئ الزمن وكلما كانت أقوى، كلما كان التأثير أكثر أهمية. إن رائد الفضاء الموجود على سطح النجم يكون في مجال جاذبية أقوى من زملائه الموجودين في المدار، لذا فإن ثانية واحدة على ساعته ستستمر لفترة أطول من ثانية على ساعة السفينة. ومع تحرك رائد الفضاء مع السطح باتجاه مركز النجم، يصبح المجال المؤثر عليه أقوى فأقوى، بحيث تطول الفترات الفاصلة بين إشاراته الواردة على متن المركبة الفضائية باستمرار. سيكون هذا التمدد الزمني طفيفًا جدًا حتى الساعة 10:59:59، بحيث بالنسبة لرواد الفضاء في المدار فإن الفاصل الزمني بين الإشارات المرسلة عند الساعة 10:59:58 والساعة 10:59:59 سيكون أكثر بقليل من ثانية. لكن الإشارة المرسلة في الساعة 11:00 لن يتم استقبالها على متن السفينة بعد الآن.

أي شيء يحدث على سطح النجم بين الساعة 10:59:59 و11:00 حسب ساعة رائد الفضاء سوف يمتد لفترة زمنية لا نهائية على ساعة المركبة الفضائية. مع اقتراب الساعة 11:00، ستصبح الفترات الفاصلة بين وصول القمم والقيعان المتعاقبة لموجات الضوء المنبعثة من النجم أطول بشكل متزايد؛ سيحدث الشيء نفسه مع الفواصل الزمنية بين إشارات رائد الفضاء. وبما أن تردد الإشعاع يتحدد بعدد القمم (أو القيعان) التي تصل في الثانية، فإن المركبة الفضائية ستسجل الترددات المنخفضة والأدنى لإشعاع النجم. سوف يصبح ضوء النجم أحمر بشكل متزايد وفي نفس الوقت يتلاشى. في نهاية المطاف، سيصبح النجم خافتًا جدًا لدرجة أنه سيصبح غير مرئي للمراقبين على متن المركبة الفضائية؛ كل ما سيبقى هو ثقب أسود في الفضاء. إلا أن تأثير جاذبية النجم على المركبة الفضائية سيبقى، وستستمر في الدوران.