النظرية النسبية

هي نظرية فيزيائية طبيعية تبحث في نفس المواضيع التي تبحثها الفيزياء العادية كالزمان والمكان والسرعة والكتلة والجاذبية والتسارع ولكن من وجهة نظر أخرى.

تعتقــــد النظرية النسبيـــة أن العالم مكون من أربعـة أبعاد، وهي الطول والعرض والارتفاع والزمن ولكن الفيزياء الكلاسيكية كانت ترى أن هندسة الكون من ثلاثة أبعاد حيث أن عالم الأبعاد الثلاثة هو العالم الذي نعيش فيه ونحن منه ونستطيع إدراكه كوننا نعيش على الكرة الأرضية ونتعرض لجاذبيتها، وبالتالي فلا يمكن للإنسان أن يدرك أبعادا أخرى غير الأبعاد الثلاثة مع أنها موجودة ويمكن إدراكها في حال تخلصنا من الجاذبية الأرضية.

كان الإنسان في الماضي يعتقد بأن الأرض هي مركز الكون وكان يعتبر أنها ثابتة والنجوم والشمس والقمر تدور حولها وكان السبب في ذلك هي الجاذبية الأرضية التي تجعله يبدو ثابتا، كما يبدو عليكم الآن وأنتم تقرأون هذه الكلمات ولكن الحقيقة هي أن ثباتكم هو نسبي حيث أنكم الآن تتحركون بسرعة هائلة وباتجاهات وأبعاد متعددة جدا في آن واحد، فأنتم تتحركون مع سطح الأرض حين تدور حول نفسها وبسرعة 900 ميلا في الساعة في حال كنتم على خط الاستواء وتنخفض هذه السرعة كلما اقتربتم باتجاه القطبين، كما أنكم تتحركون مع الأرض خلال دورانها حول الشمس بسرعة تصل إلى 18.5 ميلا في الثانية، وتتحركون أيضا مع حركة المجموعة الشمسية بالنسبة إلى النجوم القريبة بسرعة 12 ميلا في الثانية، كما أنكم تتحركون مع حركة المجموعة الشمسية حول المجرة بسرعة هائلة تصل إلى 120 ميلا في الثانية أي 432000 ميلا في الساعة، وتتحركون أيضا مع حركة مجرة درب التبانة وهي تبتعد في الكون وبسرعة هائلة جدا قد تصل إلى 40000 ميل في الثانية (وليد قمحاوي، النظرية النسبية، 1980) وكل حركة من التحركات التي تم ذكرها تكون في اتجاهات وأبعاد مختلفة ومتنوعة لا يمكن لعقلنا البشري المحكوم بالأبعاد الثلاثة أن يدركها، ولكن لفهم النظرية النسبية ونظريات الأبعاد الأخرى يجب أن نحرر عقلنا من الأبعاد الثلاثة التي تحكمه.

يقول نيوتن أبو الفيزياء الكلاسيكية أن الزمن الرياضي الحقيقي المطلق، بنفسه وبطبيعته الذاتية، يجري بالتساوي ودون أي علاقة بأي شيء خارجي.

لقد كان عقل نيوتن محكـــوم بالأبعاد الثلاثة ولم يحرر عقله ليعــــرف بأن الزمن لا يجري في جميع أنحاء الكون بالتساوي، بل هو يطول ويقصر حسب ظروف معينة وأمكنة معينة، فالزمن يطول ويقصر حسب السرعة وهذا ما تبحثة بالتفصيل نظرية النسبية الخاصة لآينشتاين، كما أن الزمن يطول ويقصر حسب الكتلة وهذا ما تبحثة بالتفصيل نظرية النسبية العامة.

فالزمن يتباطأ حسب السرعة فكلما زادت السرعة زاد التباطؤ، كما أن الزمن يسبر ببطء عند الكتل الكبيرة.

وضع اينشتاين عام 1905 المبدأين التاليين ليكونا أساس النظرية النسبية الخاصة والتي دعيت بالخاصة لأنها خاصة بجمل المقارنة الغاليلية: مبدأ النسبية ومبدأ ثبات سرعة الضوء، ومن قوانين هذه النظرية:

انكماش الطول وزيادة الكتلة وتباطؤ الزمن بازدياد السرعة (وليد قمحاوي، النظرية النسبية، 1980) وبالتالي الفاصل الزمني بين حدثين متغير من مراقب إلى آخر حيث يعتمد على السرعة النسبية للجمل المرجعية للمراقبين كما يمكن لحدثين متزامنين، يحدثان في نفس الوقت في مكانين منفصلين ضمن جملة مرجعية، أن يكونا غير متزامنين متعاقبين بالنسبة لمراقب في جملة مرجعية أخرى ويمكن الوصول إلى معادلات هذه النظرية باستخدام تحويلات لورنتز التي تربط بين إحدائيات مرجعين بعد دمجها بمعادلات منكوفسكي (جلال الحاج عبد، النظرية النسبية العامة، 2007)

كما أن الطاقة مظهر من مظاهر الكتلة فالطاقة تساوي حاصل ضرب الكتلة في مربع سرعة الضوء.

في 4 نوفمبر 1915 نشر أينشتاين أول مقال حول أحد أعظم إنجازات الجنس البشري الفكرية والعلمية وهي النظرية النسبية العامة.

توصل أينشتاين إلى نظريته بعد سنين طويلة من العمل الدؤوب، وبعد محاولات عديدة للتوفيق بين قوة الجاذبية وبين أفكاره حول الفراغ والزمن أي الزمكان التي طورها قبل عشر سنوات في عام 1905، المعروفة بالنظرية النسبية الخاصة.

قد تكون النظرية النسبية العامة أعظم إنجاز لعقل إنسان واحد على مدى التاريخ البشري، ففيها قلب أينشتاين مفاهيمنا الأساسية عن الفيزياء والهندسة، وأظهر أن بينهما علاقة عضوية حميمة لم يتخيلها أحد من قبل: المادة والطاقة تحددان صفات الزمكان، والزمكان يحدد كيف تتحرك المادة. اليوم فقط، وبعد أكثر من مئة سنة من هذه النظرية، نفهم عمق تأثيرها وأبعادها التي كانت ستفاجئ، وربما تقلق، آينشتاين نفسه لو ظل حيا حتى اليوم.

شهد القرن العشرون في بدايته ثورتين في الفيزياء أدتا إلى نشوء نظريتين، هما حجرا الأساس في الفيزياء الحديثة. النظرية الأولى، والتي تعرف باسم نظرية الكم، تصف تصرف المادة في الأبعاد الصغيرة جدا، كالذرة. طور هذه النظرية عدد كبير من العلماء، من ضمنهم أينشتاين نفسه، بهدف تفسير العديد من الظواهر الذرية وغيرها، التي لم تجد تفسيرها في قوانين الفيزياء المعروفة في حينه. أما النظرية الثانية، والتي تبحث في تصرف المادة على أبعاد كبيرة جدا، وتعرف بالنظرية النسبية العامة، فقد طورها شخص واحد، أينشتاين، ومن دون أي دافع تجريبي أو رصدي يحثه على اقتراح نظرية جديدة، بل أتى بها نتيجة لطرحه أسئلة عميقة حول العلاقة بين مفاهيم فيزيائية معروفة جيدا: قوة الجاذبية والزمكان.

إنجاز أينشتاين الفكري فريد من نوعه، فعمق نظريته الفيزيائي وجمالها الرياضي غير مسبوقين في تاريخ العلوم الحديثة. نقطة الانطلاق لهذه النظرية أتت من فكرة خطرت لأينشتاين في عام 1907، وصفها بأنها أسعد فكرة في حياته. وتلك الفكرة، التي واتته عندما كان يجلس في مكتبه ورأى من نافذته عمالا يعملون على سطح المبنى المقابل، هي أن الأجسام خلال سقوطها تكون في حالة انعدام الوزن. أي أن انعدام الوزن مكافئ للسقوط الحر. تمخض عن هذه الفكرة أحد المبدأين الأساسيين في نظريته والمعروف بمبدأ التكافؤ، المبدأ الآخر في نظريته هو مبدأ النسبية الذي استعمله أيضا في وضعه للنظرية النسبية الخاصة. هذه الفكرة الصغيرة التي توصل إليها بخياله الجامح وفكره الوقاد أدت إلى انقلاب كامل في الفيزياء وفهمها للطبيعة.

لكي نحصل على فكرة مبسطة حول العلاقة بين الجاذبية وهندسة الزمكان في النظرية النسبية العامة سنلجأ إلى الاستعارة التالية. تخيل سريرا مرتبا مغطا بشرشف ممدود بشكل مهندم على وجهه. سطح هذا الشرشف المستوي هو كهندسة الفراغ المستوية. فكر الآن بماذا يحدث إذا وضعت بعض الكرات الصغيرة ذات أوزان مختلفة بشكل متفرق على سطح الشرشف. ستغير هذه الكرات من طبيعة سطح الشرشف حيث إنها ستكون تجويفات حولها الشكل(1) بحيث تحدث الكرات الثقيله تجويفات أعمق مقارنة بالكرات الخفيفة. هذا يشبه ما يحدث في النظرية النسبية العامة، فوجود المادة ينتج إنحناءات وتجويفات في هندسة الفراغ تماما كما تفعل الكرات التي وضعناها على وجه الشرشف المهندم. وبالمقابل، إذا دحرجنا كرة صغيرة جدا على سطح الشرشف المتعرج فإنها لن تسير بخط مستقيم، بل ستتابع الانحناءات والتجويفات عليه، تماما كما تؤثر هندسة الزمكان في حركة الأجسام.

تنبأ أينشتاين، على أساس هذا التغيير الجذري في طبيعة هندسة الفراغ نتيجة لوجود المادة والجاذبية، بأن الشمس تؤدي إلى انحراف في مسار الضوء الآتي من نجوم بعيدة خاصة حين يمر الضوء بقربها.

مبدئيا، من الممكن فحص انحناء ضوء النجوم بواسطة الشمس بسهولة، إذ تحجب الشمس خلال سيرها في صفحة السماء الكثير من النجوم يوميا. نستطيع فحص زمن ظهور هذه النجوم التي كانت محجوبة وراء الشمس لنحدد هل كان مسار ضوء هذه النجوم مستقيما أم منحنيا (ميشيو كاكو، كون أينشتاين، 2012). ولكن الأمر ليس بهذه السهولة، فضوء الشمس نفسها يطغى على ضوء هذه النجوم ويمنعنا من رؤيتها (لهذا السبب نفسه لا نرى نجوما خلال النهار).

لهذا اقترح أينشتاين أن يتم القيام بهذه التجربة خلال الحدث الوحيد الذي يحجب ضوء الشمس عن الأرض في وضح النهار، أي خلال كسوف الشمس. وبالفعل قاد عالم الفلك البريطاني الشهير آرثر إدينغتون بعثة إلى جزيرة برنسيب قرب الساحل الشرقي الأفريقي لقياس ظهور النجوم من خلف الشمس، خلال كسوفها مؤكدة صحة تنبؤات النظرية النسبية العامة.

انتشرت نتيجة هذه التجربة في الأوساط العلمية والشعبية كانتشار النار في الهشيم. وأصبح أينشتاين بين ليلة وضحاها أشهر عالم على وجه الأرض، تزين صورته الصفحات الرئيسية لأهم الصحف في العالم. كما وخصصت هذه الصحف العديد من صفحاتها في محاولة لشرح هذه النظرية لقرائها لكن دون جدوى، شرح النظرية النسبية العامة ببساطة كان وما زال أمرا صعبا جدا. ومن القصص الطريفة التي يجدر ذكرها أن أحدهم توجه لآرثر إدينغتون في عام 1919 قائلا: بروفيسور إدينغتون، لا بد أنك واحد من ثلاثة أشخاص في العالم الذين يفهمون النظرية النسبية العامة، وعندما تأخر إدينغتون في الرد عليه قال له الرجل لا تكن متواضعا بروفيسور إدينغتون، فعندها أجابه إدينغتون على العكس، فأنا فقط أحاول أن أفكر من هو الشخص الثالث (أي أن أينشتاين وهو فقط في كل العالم يفهمان هذه النظرية).

شهد أينشتاين خلال حياته عددا من النجاحات الكبيرة لنظريته، مثلا تنبأ بتغيير طفيف في مدار حركة الكوكب السيار عطارد نتيجة قربه من الشمس بحوالي درجة واحدة كل مئة قرن. لكن أهم هذه النجاحات هو تنبؤ النظرية النسبية العامة بانتشار الكون، ولهذا الموضوع قصة مثيرة للاهتمام. لقد أدرك أينشتاين بأن الجاذبية لن تسمح للكون بأن يكون ساكنا، فهي قوة تؤدي دائما لجذب المادة بعضها لبعض، مما ينتج عنه كون دائم التغير. هذه النتيجة لم تعجب أينشتاين من منطلقات فلسفية، فقد اعتقد بأن كونا أزليا يجب أن يكون ساكنا. لهذا أضاف أينشتاين، إلى معادلات النظرية النسبية العامة التي تصف الكون، حدا ثابتا جديدا ينتج عن قوة تنافر تلغي تأثير الجاذبية، وسمى هذا الحد بالثابت الكوني. وحين أرسل له العالم الروسي الكسندر فريدمان مقالا حول انتشار الكون، أهمله أينشتاين ووصفه بأنه مجرد تمرين في الرياضيات أي بدون عواقب فيزيائية. طبعا كان أينشتاين مخطئا، ففي عام 1929 نشر عالم الفلك الأمريكي إدوين هابل نتائجه حول حركة المجرات التي بينت، بما أصبح يعرف بقانون هابل، أن الكون هو فعلا في حالة انتشار، بالضبط كما تنبأ فريدمان. بعد هذا الاكتشاف، اعترف أينشتاين بخطئه ووصف الثابت الكوني بأنه أكبر خطأ في حياته.

في السنوات التي مرت منذ وفاة أينشتاين في عام 1955، أصبحنا ندرك تدريجيا مدى أهمية نظريته وأبعادها. فهي تتنبأ بوجود ثقوب سوداء لا تسمح حتى للضوء بالهروب منها الشكل(2)، تتكون عندما تموت النجوم الكبيرة، وتؤدي خلال تكونها إلى انفجار هائل لطبقات النجم الخارجية يسمى بانفجار السوبرنوفا. تزن هذه الثقوب السوداء أضعاف كتلة الشمس على الأقل. بل وأكثر من ذلك، فنحن نعرف اليوم بأن هناك ثقوبا سوداء عملاقة، تكونت بعد نشوء الكون بقليل، تقطن في مركز المجرات، تتراوح كتلتها بين مليون إلى عدة مليارات مرة كتلة الشمس (الثقب الأسود في مركز مجرتنا يزن حوالي 4 ملايين كتلة شمسنا). وهذه الأجسام غريبة جدا، حتى كدنا نحسب أنه قد اختلط الزمان بالمكان والخيال بالواقع على العلماء الذين يدرسونها.

أصبحنا أيضا نرى كيف تركز عناقيد المجرات التي تحوي آلاف المجرات الضوء الآتي من خلفها، كما تركز العدسات الزجاجية الضوء، مكونةً عدة صور للأجسام نفسها. يستخدم فيزيائيو الفلك هذه الظاهرة، التي تعرف باسم العدسة الجاذبية لقياس وزن عناقيد المجرات ليستنتجوا أن كمية المادة المسؤولة عن العدسة الجاذبية هي أكبر بكثير مما نراه في المجرات والأجسام المضيئة. هذه المادة غير المرئية، والتي تختلف جوهريا عن المادة التي تكون العناصر الكيميائية المألوفة للبشر، تسمى المادة المعتمة.

ولعل أهم نتيجة لنظرية أينشتاين هي أننا نعرف اليوم، بفضلها، مكونات الكون بدقة كبيرة. فنحن نعرف بأن المادة العادية التي منها صنع كل شيء حولنا تكون فقط حوالي 5٪ من الكون، وحوالي ال 25٪ منه هي مادة معتمة لا نعرف ما هي ولكننا نعرف صفاتها. وأما ال 70٪ الباقية من الكون فهي على شكل طاقة معتمة، لا نعرف عنها الكثير سوى أنها تدفع الكون للتسارع بالانتشار. هذا يتركنا في وضع غريب، فنحن نعرف بالضبط كم من المادة والطاقة يوجد في الكون، ولكننا لا نعرف ماهية 95٪ من هذه المكونات (هذا لا يعني أننا لن نعرفها مستقبلا). تمكننا هذه النظرية أيضا من أن نعرف تاريخ الكون وماذا حدث له في مراحله المختلفة، منذ بدايته وحتى الآن. أجمل وأعمق ما تمخضت عنه النظرية النسبية العامة، هو أنه بفضل أينشتاين ولأول مرة في تاريخنا كبشر، نحن نفهم علميا قصة كوننا.

في إحدى المقالات حول نظريته استخلص أينشتاين وجود الأمواج الثقالية التي هي عبارة عن تموجات في هندسة الزمكان وتنتشر بسرعة الضوء. ولكنه وعلى مدى فترة طويلة لم يكن متأكدا من صحة حساباته. وعلى أية حال لم يعتقد بأننا يوما ما نستطيع أن نقيس مثل هذه الأمواج، حتى إن وجدت، لضعفها الشديد. ولكن وبعد مئة عام تماما أعلن علماء في الولايات المتحدة عن رصدهم لأول مرة الأمواج الثقالية. هذه الأمواج قد تنتج في الكون في ظروف مختلفة، مثلا خلال الانفجار الكبير أو سوبرنوفا التي تحدث عندما تموت النجوم الكبيرة، أو الثقوب السوداء وغيرها. الموجات التي تم رصدها نتجت عن اصطدام واندماج ثقبان أسودان كتلة كل منهما حوالي 30 مرة كتلة شمسنا على بعد حوالي مليار سنة ضوئية عنا. هذا الإكتشاف لا يؤكد فقط ما تنبا به أينشتاين بل، وربما أهم من ذلك، فهو يزودنا بنافذة جديدة مختلفة عن الأمواج الكهرومغناطيسية لرصد الظواهر الفيزيائية في الكون.

هنالك الكثير من الاستعمالات العملية لنظريات أينشتاين مثل استعمال نظام التموضع العالمي GPS، الذي يمكننا من الملاحة والتموضع بواسطة الأقمار الصناعية. لكن أهم إنجازاته هي الإنجازات الفكرية التي تمكننا من فهم كوننا وواقعنا الموضوعي بعمق. لقد كان للرياضيات المتقدمة التي قدمها العديد من العلماء فضلا كبيرا في الوصول إلى معادلات النظرية النسبية العامة ومن هؤلاء العلماء ريمان وريتشي وغاوس وكريستوفل (جلال الحاج عبد، النظرية النسبية العامة، 2007) حيث اعتمد أينشتاين على تلك الرياضيات التي تدرس السطوح المنحنية ومنها تمكن من حساب مقدار انحراف الضوء عند مروره بجانب الكتل الكبيرة، وحساب مقدار تقدم نقطة حضيض الكواكب، وحساب انزياح الطيف نحو الأحمر، كما أمكنه بناء نموذج رياضي للكون وتوقع وجود الثقوب السوداء والأمواج الثقالية.