دروس في النسبة. النسبية العامة

النسبية العامة

في عام 1916 نشر اينشتاين بحثه عن نظرية النسبية العامة وكان يمثل هذا البحث عشر سنوات قضاها في التفكير الشديد وكان الدافع لهذه النظرية هو أن نظرية الخاصة تركت المكان والزمان مبتورين ولان اينشتاين يرى أن الطريق إلى الوصول لتوحيد القوى الفيزيائية كان يجب أن تكون نظرية صامدة نسبيا ولان النظرية الخاصة لم تكن كذلك حاول أن يتمها بالعامة لان الخاصة لا تنطبق إلا على المراقبون الذي تحرك أحدهم بالنسبة للأخر بسرعة ثابتة.

ولما وجد عيب في نظريته الخاصة ولأنه كان يؤمن أن جميع المراجع بغض النظر عن حركتها تتكافأ لدى الطبيعة ولابد لها أن تنظم الحركة بتسارعات مختلفة، فقد بدأ اينشتاين عند بناء نظريته النسبية العامة بملاحظات عامة كلن غاليليو أول من توصل إليها وهي أن جميع الأجسام التي تسقط سقوطاً حراً من ارتفاع متحرك بتأثير ثقالة الأرض بتسارع واحد مها كانت كتلها كما لاحظ أن جميع الأجسام المتحركة في مرجع متسارع تستجيب إلى هذا التسارع بالطريقة نفسها مهما كانت كتلتها ومن هاتين الملاحظتين اعتمد مبدأ من أهم المبادئ الفيزيائية وهو مبدأ التكافؤ الذي ينص على أنه لا يمكن تمييز قوى العطالة من قوى الثقالة فأصبح هذا المبدأ أساس نظرية النسبية العامة لأنه نفى إمكان تعيين حالة الشيء الحركية بملاحظة قوى العطالة أو اكتشافها سواء أكان مرجعنا متسارع أم لا، يمكن أن نتابع تفكير أينشتاين بتجربة فكرية شهيرة وهي تخيل فيها أن مراقبا في مصعد وكان في هذا المصعد أجسام مشدودة إلى أسفل وكان في بداية الأمر معلق فوق الأرض ساكناً ففي هذه الحالة سوف تكون جميع التجارب التي يجريها المراقب تتفق تماماً مع تجارب مراقب خارج المصعد على الأرض سوف يستنتجان قوة الثقالة ....الخ، دعونا ننتقل مع المراقب الذي في المصعد بتسارع(9.8 متر /ثانية) متجه ألى أعلى عكس قوة الثقالة وبنفس تسارع الأجسام على الأرض إذا كان منطقياً مع نفسه سوف يبقى على استنتاجه بأن جميع الأجسام سوف تبقى على نفس تصرفها عندما كان المصعد معلق على الأرض وهذا هو مبدأ التكافؤ فهو يجنب المرء أن يستنتج بأنه موجود في مرجع متسارع لأن كل الآثار الناجمة عن هذا التسارع تماثل الآثار الناجمة عن الثقالة في مرجع ساكن أو يتحرك حركة مستقيمة منتظمة في حقل ثقالي وهكذا يدعم هذا المبدأ نظر اينشتاين بأنه لا يمكن ان يكون هناك فرق بين الحركة المتسارعة والغير متسارعة لأن قوى العطالة الناجمة عن التسارع هي نفسها ناجمة عن الثقالة فلا يستطيع المراقب أن يفرق ومن هنا لا يوجد فرق حول ماذا يرصد المراقب هل يرصد الأجسام المادية من الناحية التحركية أو الحركة أو انتشار الضوء مما أدى باينشتاين إلى استنتاج مهم جداً بشأن سلوك الضوء فحينما تمر حزمة ضوئية عبر المصعد المتسارع في اتجاه عمودي على تسارعة تبدو أنها تسقط نحو أرض المصعد مثلما تسقط الجسيمات المادية لآن أرضه تتحرك حركة متسارعة ولما كان مبدأ التكافؤ ينص على أن لا فرق بين آثار التسارع والثقالة لذلك توقع اينشتاين أن تسقط الحزمة الضوئية في الحقل الثقالي كما تسقط الجسيمات المادية وقد ثبت هذا التوقع بحذافيره وفي أثناء كسوف الشمس الذي حدث عام 1919 فقد شوهد أن الحزمة الضوئية تنحرف نحو الشمس عندما تمر بجوارها وكان مقدار الانحراف متفقا مع ما توقعه اينشتاين ونلاحظ أنه لا خلاف بين النظرية العامة والنظرية الخاصة في أنهما مبنيتان على زمكان رباعي الأبعاد والعامة تشمل الخاصة ولكنها تختلف عنها في أن هندسة النسيبة العامة لا إقليدية وهذا الجانب هو الذي يقود إلى مبدأ التكافؤ وكي نفهم الفضاء الا إقليدي دعونا نعود إلى المصعد قليلا .... ونتخيل الآن أن المصعد يسقط سقوط حر نحو الأرض ففي هذه الحالة يسقط المراقب وكل شي داخل المصعد بسرعة واحدة كما أن الشيء المقذوف يتحرك عبر المصعد حركة مستقيمة كما يرها المراقب أي لا يوجد هنا حقل ثقالي أما بالنسبة للمراقب الواقف على الأرض فلا يرى المقذوفات تتحرك حركة مستقيمة وأنما على هيئة قطوع مكافئة لذلك لا وجود للثقالة بالنسبة للمراقب الذي في المصعد بينما موجودة للمراقب الذي على الأرض فكيف نخرج من هذا التناقض لقد رأى اينشتاين أن الحل يمكن في إعادة فهم القوة الثقالية لأن مفهوم نيوتن لها ليس مفهوما مطلقاً تغير من مرجع إلى أخر كما حدث في التجربة السابقة ولذلك قام اينشتاين بإعادة قانون نيوتن الأول ليشمل هذا المفهوم وأصبح القانون هو (أن الأجسام تتحرك دائما في خطوط مستقيمة سواءً أكانت في حقل ثقالي أم لا ) ولكن يجب إعادة تعريف الخطوط المستقيمة كي ينتهي الأشكال وتشمل خطوطا ليست مستقيمة بالمعنى الأقليدي وقام اينشتاين بذلك وبين كيفية هندسة الزمكان الأقليدية في الفضاء المليء بالكتل وهندسة الاقليدية في الزمكان الخالي من الكتل وأصبح السبب في حركة الأجسام في الحقل الثقالي هو أتباع الأجسام للانحناء الزمكاني وتعد هذه الحركة في الهندسة اللا إقليدية حركة في خطوط مستقيمة لأنها اقصر مسار في هذه الهندسة وكان لهذه الدراسة التي قدمها عبقري هذا القرن نتائج كثيرة من انحراف حزمة الضوء وظاهرة (مبادرة حضيض الكواكب) وأيضاً ظاهرة (الإنزياح الاينشتايني نحو الأحمر).

وأيضا تتنبأ هذه الهندسة الناشئة عن وجود أجسام ذات كتل هائلة كالنجوم تتوقع بأن يتباطأ الزمن بالقرب من هذه النجوم أضف إلى ذلك تقلص الأطوال وكان أعظم إنجاز حققته النسبية العامة كان في مجال علم الكوسمولوجية علم نشوء الكون فقد طبق اينشتاين نظريته الثقالية على الكون بمجملة وتوصل على نموذج سكوني لا يتوسع ولاينها على نفسه ثم أثبت باحثون إن النظرية تؤدي إلى نموذج لاسكوني متوسع وهكذا ساهمت هذه النظرية في إثراء علم نشوء الكون.

اينشتاين وفي معرض كلامه وشرحه عن نظرية النسبية, أكد وبشكل علمي قاطع فكرة أن الكون في حركة مستمرة ومتسارعة لا تهدأ, وإننا وبالنسبة لاجرام وكواكب أخرى ومجرات لا متناهية أصبحنا في زمان ماض وبعيد, لان حركة تسارع تلك المجرات والكواكب الأخرى تسير أسرع بكثير من حركتنا ولذلك أصبحت في زمن كوني ابعد, وسبقتنا بسنوات ضوئية فلكية بينما نحن مازلنا في زمن سحيق بالنسبة لهم وهذا الزمن متباعد وطويل جدا بحيث لا يمكن اللحاق بهم. لأننا لا يمكن أن نعيش حتى نصل لذلك الزمن ,وبالتالي تكون هي أيضا بحكم التسارع قد وصلت إلى زمن أخر, وهكذا في متوالية متصاعدة لا تنقطع ولا تتوقف ابد, فقد اصبحوا في زمن مستقبلي آخر. ولذلك نحن – بالنسبة لتلك الأجرام والكواكب-- في حكم الأموات تاريخيا,فهم وعلى سبيل المثال قد قطعوا 10000 سنة ضوئية بينما لازالت مجرتنا في السنة ال6000 وهذا يعني وجود 4000 سنة فرق وتخلف زمني بالنسبة لهم.أن كلام هذا الرجل – برأيي --على الأقل منطقي ومقبول حتى الآن , لان العلم الحديث والاكتشافات العظيمة بنيت على أساس من نظرياته,وهو كان يجري حسابات رياضية وفلكية ومعادلات ليخبرنا انه من ألان وبعد كذا دقيقة أو ساعة أو يوم أو شهر أو سنة سيصطدم هذا النيزك بذاك الشهب أو الكوكب بالآخر , وكانت كل حساباته تثبت صحتها ودقتها.

والرائع في النظرية النسبية هو اكتشاف العلاقات الكبرى بين قوانين الوجود، وهكذا استطاعت النسبية أن تدمج المكان بالزمان، ليتحول مفهوم الزمن إلى البعد الرابع، وتتحول علاقة الزمان-المكان إلى كينونة واحدة، وليدمج بين الطاقة والمادة، فتتحول كل منهما إلى الأخرى وفق معادلة صغيرة، لم يعد هناك زمن مطلق كما اعتبرته الفيزياء التقليدية، كما نسف مفهوم المكان المطلق، ولكن كيف يمكن فهم تغير الزمن؟ هل اليوم مثلاً في كوكب آخر هو غير اليوم على الأرض؟ الجواب نعم فإن (سنة) الكوكب عطارد هي 88 يوماً، ويومه قريب من ذلك، فلا فرق بين اليوم والسنة على ظهره، فهو يدور حول نفسه بقدر دورانه حول الشمس في حين أن سنة الكوكب (بلوتو) 238 سنة (مما نعد نحن) ثم أن الزمن يتعلق بالسرعة، فالسرعة تضغط الزمن، فكلما ازدادت السرعة انضغط الزمن أكثر، فإذا وصلت السرعة إلى سرعة الضوء، وهي مستحيلة لأي سرعة غير سرعة الضوء حسب معطيات العلم الحالي، توقف الزمن!!. لما كان هذا الزمن يتناول جسم الإنسان كله فيمكننا أن نستنتج أن الشخص المتحرك حركة بطيئة (يشيخ) قبل الشخص المتحرك حركة سريعة، بل إن الشخص الذي يتحرك بسرعة الضوء يعيش خارج الزمن، أي لا يشيخ أبداً، ولكي نوضح ذلك بطريقة محسوسة ونصور التحول العظيم الذي طرأ على علم الفيزياء نقتبس المثل الآتي من ( لونجفين ) فقد تخيل هذا العالم رحالة فلكياً غادر الأرض بسرعة تساوي 1/ 20000 من سرعة الضوء، وقفز في المستقبل قفزة إلى الأمام ليرى ما تكون عليه الأرض بعد سنتين من سنينه هو، ولما آب راجعاً إلى مستقره على الأرض وجد أن السنتين اللتين قضاهما عبر الفضاء ذهاباً وإياباً تعدان قرنين من عمر الأرض، ووجد الأرض آهلة بسكان جدد وعادات جديدة ووجد حضارة لا عهد له بها قبل منطلقه.

استطاع آينشتاين بومضة عبقرية أن يكتشف علاقات الكون الأساسية ويربطها ببعض، فالمكان ذو ثلاثة أبعاد: طول وعرض وارتفاع، ولكن الزمن هو بعد رابع، إلا أننا لا نستطيع تصوره بسبب طبيعة تركيب عقولنا، والمركب ( الزمان - المكان ) مرتبط بدوره مع السرعة، وأعظم سرعة في هذا الوجود هي سرعة الضوء، فآينشتاين اعتبر أنه لاشيء ثابت في هذا الوجود إلا سرعة الضوء، وسرعة الضوء فقط، وبذلك مسح في أول ضربة نظرية الأثير القديمة، وأعطى التعليل الراسخ للتجربة التي قام بها عالمان جليلان هما (ميكلسون ومورلي) أجرياها بكل دقة من أجل قياس سرعة الضوء في كل الاتجاهات، وهكذا فالضوء ينتشر وبسرعة ثابتة، ومهما كانت سرعة حركة المصدر، وتبين أن سرعة الضوء رهيبة، حيث بلغت (300) ألف كم / ثانية، فلا غرابة إذاً إذا اعتبر ديكارت أن سرعة الضوء غير متناهية، أو فشل غاليلو في قياس سرعته، لأنه كان كمن يقيس الكرة الأرضية بالشبر!! وهكذا فالضوء يلف الكرة الأرضية سبع مرات ونصف خلال ثانية واحدة، ولا غرابة أن نتحدث مع من هم في أقصى الأرض بنفس اللحظة، كما يصل ضوء القمر في ثانية وثلث فقط، في حين أن ضوء الشمس يغمر الأرض بعد انطلاقه بثماني دقائق.

ونظراً للأبعاد الكونية الشاسعة فقد استخدمت هذه الوحدة في القياس، فكلمة (سنة ضوئية) تعني المسافة التي يقطعها الضوء في مدة سنة كاملة (أي ستة ملايين مليون ميل أو حوالي 9 مليون مليون كم) وعلينا أن نعلم أن قطر المجرة اللبنية التي ننتسب إليها هي في حدود 100 ألف سنة ضوئية، وهي مجرة متواضعة فمجرة المرأة المسلسلة مثلاً يصل إلى 150 ألف سنة ضوئية !! وأقرب مجرة إلينا تبعد حوالي مليونين من السنين الضوئية، ولأخذ فكرة عن سعة الكون الذي نعيش فيه، فما علينا سوى وضع التصور التالي والمنقول عن كتاب الكون لكارل ساغان (ص 167): في قبضة اليد الواحدة من رمل الشاطئ حوالي عشرة آلاف حبة، وفي الكون من النجوم ما هو أكثر من كل رمال الشواطئ في بحار الدنيا أجمعين.

انطلقت النظرية النسبية من علاقة السرعة بالأشياء الأخرى، وبذلك سجلت النسبية الخاصة الخطوات الأولى لعلاقة السرعة بالكتلة والزمان والمكان.

فماذا يحدث لو زادت السرعة في علاقتها بالكتلة؟

ترى النسبية أنه مع السرعة يحدث تبدل في ثلاثة اتجاهات:-

الأول:- تزداد الكتلة.
الثاني:- هو انضغاط الزمن.
الثالث:- هو انضغاط الطول.

فإذا زادت السرعة مثلاً لعمود يبلغ طوله مترا حتى بلغت نصف سرعة الضوء انضغط الطول إلى حوالي 86 سم، فإذا وصل إلى حوالي 90% من سرعة الضوء لم يبقى من المتر إلا 45 سم، فإذا وصل إلى سرعة 99 % من سرعة الضوء انكمش المتر إلى 14 سم فقط، فإذا وصلت السرعة إلى سرعة الضوء أصبح الطول صفراً !! ولا يشعر بهذا الشيء من هو داخل العملية، بل يشعر بها المراقب من الخارج فقط، كما أنها تنطبق على كل شيء في هذا الوجود، وهذه أمور لا يستطيع العقل تصورها، ولكنها قضايا فجرتها النظرية النسبية، وبذلك نفهم النسبية ولماذا أخذت هذا الاسم، فكل ما في الكون في حركة وبسرعات مختلفة، فالأرض تدور حول نفسها بسرعة ربع ميل في الثانية، وهي تدور بنفس الوقت حول الشمس بسرعة 5.18 ميل في الثانية، والشمس وكواكبها سائرة باتجاه نقطة في المجرة بين مجموعة هرقل (الجاثي) ومجموعة اللورا بسرعة 12 ميل في الثانية، ومجرة درب التبانة التي ننتمي إليها تدور حول نفسها دورة كاملة كل ربع مليار سنة بسرعة 120 ميل في الثانية، ومجرتنا تبتعد عن أخواتها المجرات الأخرى بسرعة تصل إلى (600 - 40000 ميل في الثانية) ” كُلٌّ فِي فَلَكٍ يَسْبَحُونَ“(الانبياء: من الآية33).

لم يبق ثبات لشيء مطلقاً، فلا الأحجام تبقى أحجاماً، ولا الأبعاد أو الزمان أو المكان، فكل ما في الكون هو في حالة، فالزمان الذي يتدفق مفكك الأوصال في هذا العالم الذي نعيشه، وتياره الذي يجري مختلف من مكان إلى آخر، فالزمن في مكان من الكون هو غير الزمن في مكان آخر، ويتبع هذا تغير كل شيء من الأبعاد والأحجام والأوزان والحركات، وكل هذا يتبع السرعة التي يتمتع بها الكوكب أو المكان الذي يتدفق فيه الزمن، بل هو حتى في الكرة الأرضية اليوم ليس كالغد، فبعد خمسة مليارات سنة سيكون يوم الأرض 36 ساعة، كل هذا بفعل تباطؤ حركة الأرض بفعل الاحتكاك، إذاً يبقى فهم العالم ووضعه بشكل نسبي حسب مكان المراقب، هذا التحول العقلي هو الذي ألهم صاحبا كتاب العلم في منظوره الجديد أن يقولا أن هناك ثورة في المفاهيم أطاحت بالنظام القديم، وشقت الطريق إلى فهم جديد للعالم بل رسم معالم حضارة جديدة.

وأما أهم أمرين فتحت الطريق إليهما النظرية النسبية، التي بدأت تتأكد مخبرياً، فهما أولاً: (نظرية الانفجار العظيم) في كيفية تشكل الكون الأولي، وثانياً: ومن خلال معادلة علاقة الطاقة بالمادة الانطلاق في المشروع النووي، حيث أمكن إنتاج طاقة لم يحلم بها حتى (الجن)، فلأول مرة يضع الإنسان يده على الوقود الكوني!! كان هذا من خلال بحث قام به عالمان هما (كارل فريدريش فوه فايسكر) والثاني (هانس بيته)، حيث ومن خلال معادلات آينشتاين، تم الوصول إلى كشف السر عن نوع الوقود الذي يحترق في الشمس وأنه وقود غير تقليدي، فلو كان مخزون الشمس من الفحم مثلا ً لاستُهلك في مدى 300 عاما ً لا يزيد، ولكنه من نوع القنابل الهيدروجينية، التي تنفجر بدون توقف، قاذفةً أحياناً شواظاً من لهب يتجاوز الـ 500 ألف كم خارج الجحيم الشمسي المستعر.