ألبرت آينشتاين والنظرية النسبية

ألبرت أينشتاين (ولد في 14 مارس 1879، أولم، فورتمبيرغ، ألمانيا – توفي في 18 أبريل 1955، برينستون، نيو جيرسي، الولايات المتحدة)، فيزيائي ألماني المولد طور النظريات الخاصة والعامة للنسبية وفاز بجائزة نوبل للفيزياء. في عام 1921 لتفسيره للتأثير الكهروضوئي. يعتبر أينشتاين بشكل عام أكثر الفيزيائيين تأثيرًا في القرن العشرين.

النشأة والتعليم

كان والدا أينشتاين يهودًا علمانيين من الطبقة المتوسطة. كان والده، هيرمان أينشتاين، في الأصل بائعًا للأسِرّة الريشية، ثم أدار فيما بعد مصنعًا كهروكيميائيًا وحقق نجاحًا معتدلًا. كانت والدته، بولين كوخ السابقة، تدير منزل العائلة. كان لديه أخت واحدة، ماريا (التي تحمل اسم ماجا)، ولدت بعد ألبرت بسنتين.

كتب أينشتاين أن “معجزتين” أثرتا بعمق في سنواته الأولى. الأول كان مواجهته للبوصلة في سن الخامسة. لقد كان في حيرة من أمره من أن القوى غير المرئية يمكن أن تحرف الإبرة. وهذا من شأنه أن يؤدي إلى انبهار مدى الحياة بالقوى غير المرئية. أما الأعجوبة الثانية فقد جاءت عندما كان في الثانية عشرة من عمره عندما اكتشف كتابًا في الهندسة، التهمه، واصفًا إياه بـ “كتاب الهندسة الصغير المقدس”.

أصبح أينشتاين متدينًا بشدة في سن الثانية عشرة، حتى أنه قام بتأليف العديد من الأغاني في مدح الله وترديد الأغاني الدينية في الطريق إلى المدرسة. لكن هذا بدأ يتغير بعد أن قرأ كتبًا علمية تتناقض مع معتقداته الدينية. ترك هذا التحدي للسلطة الراسخة انطباعًا عميقًا ودائمًا. في صالة لويتبولد للألعاب الرياضية، غالبًا ما شعر أينشتاين بأنه في غير مكانه وأنه وقع ضحية لنظام تعليمي على الطراز البروسي بدا وكأنه يخنق الأصالة والإبداع. حتى أن أحد المعلمين أخبره أنه لن يصل إلى أي شيء أبدًا.

كان هناك تأثير مهم آخر على أينشتاين وهو طالب الطب الشاب، ماكس تلمود (لاحقًا ماكس تالمي)، الذي غالبًا ما كان يتناول العشاء في منزل أينشتاين. أصبح التلمود مدرسًا غير رسمي، حيث قدم لأينشتاين الرياضيات العليا والفلسفة. حدثت نقطة تحول محورية عندما كان أينشتاين في السادسة عشرة من عمره. كان التلمود قد عرّفه في وقت سابق على سلسلة علوم للأطفال من تأليف آرون بيرنشتاين، (1867–68؛ كتب شعبية في العلوم الفيزيائية)، حيث تخيل المؤلف ركوبًا بجانب الكهرباء التي كانت تنتقل داخل سلك التلغراف. ثم سأل أينشتاين نفسه السؤال الذي سيهيمن على تفكيره خلال السنوات العشر القادمة: كيف سيبدو شعاع الضوء إذا أمكنك الركض بجانبه؟ إذا كان الضوء موجة، فيجب أن يبدو شعاع الضوء ثابتًا، مثل موجة متجمدة. ومع ذلك، حتى عندما كان طفلاً، كان يعلم أن موجات الضوء الثابتة لم تُرى من قبل، لذلك كان هناك تناقض. كما كتب أينشتاين أول “ورقة علمية” له في ذلك الوقت (“التحقيق في حالة الأثير في المجالات المغناطيسية”).

تعطل تعليم أينشتاين بسبب فشل والده المتكرر في العمل. في عام 1894، بعد فشل شركته في الحصول على عقد مهم لتزويد مدينة ميونيخ بالكهرباء، انتقل هيرمان أينشتاين إلى ميلانو للعمل مع أحد أقاربه. بقي أينشتاين في منزل داخلي في ميونيخ وكان من المتوقع أن ينهي تعليمه. وحيدًا، بائسًا، ومنزعجًا من احتمال الخدمة العسكرية الذي كان يلوح في الأفق عندما بلغ السادسة عشرة من عمره، هرب أينشتاين بعد ستة أشهر وهبط على عتبة والديه المفاجئين. أدرك والديه المشاكل الهائلة التي واجهها عندما كان متسربًا من المدرسة ومتهربًا من الخدمة العسكرية دون مهارات قابلة للتوظيف. ولا تبدو آفاقه واعدة.

ولحسن الحظ، تمكن أينشتاين من التقدم مباشرة إلى المدرسة الفيدرالية السويسرية للفنون التطبيقية؛ في عام 1911، بعد التوسع في عام 1909 إلى الوضع الجامعي الكامل، تم تغيير اسمه إلى المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ دون ما يعادل شهادة الدراسة الثانوية إذا اجتاز امتحانات القبول الصارمة. أظهرت علاماته أنه متفوق في الرياضيات والفيزياء، لكنه فشل في اللغة الفرنسية والكيمياء والأحياء. وبسبب درجاته الاستثنائية في الرياضيات، سُمح له بالالتحاق بكلية الفنون التطبيقية بشرط أن ينهي تعليمه الرسمي أولاً. التحق بمدرسة ثانوية خاصة يديرها جوست وينتلر في أراو بسويسرا، وتخرج منها عام 1896. كما تخلى عن جنسيته الألمانية في ذلك الوقت. (كان عديم الجنسية حتى عام 1901، عندما مُنح الجنسية السويسرية). وأصبح صديقًا مدى الحياة لعائلة وينتلر، التي كان يستقلها على متن الطائرة. (ابنة وينتلر، ماري، كانت حب أينشتاين الأول؛ وأخت أينشتاين، ماجا، ستتزوج في نهاية المطاف من ابن وينتلر بول؛ وصديقه المقرب ميشيل بيسو سيتزوج من ابنتهما الكبرى، آنا).

يتذكر أينشتاين أن السنوات التي قضاها في زيورخ كانت من أسعد سنوات حياته. التقى بالعديد من الطلاب الذين أصبحوا أصدقاء مخلصين، مثل مارسيل جروسمان، عالم الرياضيات، وبيسو، الذي استمتع بمحادثات مطولة معهم حول المكان والزمان. كما التقى بزوجته المستقبلية ميلفا ماريك، وهي زميلة طالبة فيزياء من صربيا.

النظرية النسبية الخاصة

تعد نظرية النسبية الخاصة التي وضعها ألبرت أينشتاين عام 1905 واحدة من أهم الأبحاث المنشورة على الإطلاق في مجال الفيزياء. النسبية الخاصة هي تفسير لكيفية تأثير السرعة على الكتلة والزمان والمكان. تتضمن النظرية طريقة لسرعة الضوء لتحديد العلاقة بين الطاقة والمادة، حيث يمكن استبدال كميات صغيرة من الكتلة (m) بكميات هائلة من الطاقة (E)، كما هو محدد في المعادلة الكلاسيكية E = mc^2.

تنطبق النسبية الخاصة على الحالات “الخاصة”، فهي تُستخدم في الغالب عند مناقشة الطاقات الضخمة، والسرعات الفائقة السرعة، والمسافات الفلكية، وكل ذلك بدون تعقيدات الجاذبية. أضاف أينشتاين الجاذبية رسميًا إلى نظرياته في عام 1915، مع نشر بحثه عن النسبية العامة.

عندما يقترب جسم ما من سرعة الضوء، تصبح كتلة الجسم لا نهائية وكذلك الطاقة اللازمة لتحريكه. وهذا يعني أنه من المستحيل لأي مادة أن تتحرك بسرعة أكبر من سرعة الضوء. يُلهم حد السرعة الكونية هذا عوالم جديدة من الفيزياء والخيال العلمي، حيث يفكر الناس في السفر عبر مسافات شاسعة.

قبل أينشتاين، كان علماء الفلك (في معظمهم) يفهمون الكون من خلال ثلاثة قوانين للحركة قدمها إسحاق نيوتن عام 1686. وهذه القوانين الثلاثة هي:

تظل الأجسام المتحركة أو الساكنة في نفس الحالة ما لم تفرض قوة خارجية التغيير. يُعرف هذا أيضًا بمفهوم القصور الذاتي.

القوة المؤثرة على جسم ما تساوي كتلة الجسم مضروبة في تسارعه. بمعنى آخر، يمكنك حساب مقدار القوة اللازمة لتحريك كائنات ذات كتل مختلفة بسرعات مختلفة.

ولكل فعل رد فعل مساو له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه.

أثبتت قوانين نيوتن صلاحيتها في كل تطبيقات الفيزياء تقريبًا، وفقًا للموسوعة البريطانية. لقد شكلوا الأساس لفهمنا للميكانيكا والجاذبية.

لكن بعض الأشياء لا يمكن تفسيرها من خلال أعمال نيوتن: على سبيل المثال، الضوء.

ولإدخال السلوك الغريب للضوء في إطار نيوتن لعلماء الفيزياء في القرن التاسع عشر، افترضوا أن الضوء يجب أن ينتقل عبر وسيط ما، أطلقوا عليه اسم “الأثير المضيء”. يجب أن يكون هذا الأثير الافتراضي جامدًا بما يكفي لنقل موجات الضوء مثل اهتزاز وتر الجيتار مع الصوت، ولكنه أيضًا لا يمكن اكتشافه تمامًا في حركات الكواكب والنجوم.

لقد كان ذلك أمرًا طويلًا. بدأ الباحثون في محاولة اكتشاف هذا الأثير الغامض، على أمل فهمه بشكل أفضل. في عام 1887، كتب عالم الفيزياء الفلكية إيثان سيغال في مدونة فوربس العلمية، “يبدأ بضجة”، وقام الفيزيائي ألبرت أ. ميشيلسون والكيميائي إدوارد مورلي بحساب كيف أثرت حركة الأرض عبر الأثير على كيفية قياس سرعة الضوء، ووجدا بشكل غير متوقع أن سرعة الضوء الضوء هو نفسه بغض النظر عن حركة الأرض.

وخلصوا إلى أنه إذا لم تتغير سرعة الضوء على الرغم من حركة الأرض عبر الأثير، فلا يجب أن يكون هناك شيء مثل الأثير في البداية: فالضوء في الفضاء يتحرك عبر الفراغ.

وهذا يعني أنه لا يمكن تفسيره بالميكانيكا الكلاسيكية. الفيزياء بحاجة إلى نموذج جديد.