لقد كان رد الفعل الأولي ، لكثير من الناس، أمام فكرتي تمدد الزمن وتقلص الطول اللتين تبدوان منافيتين للإحساس البدهي ، ينبع من رفض غريزي . فمفاهيمنا الشائعة عن المكان والزمان ، وهي متأصلة في بديهتنا وفي خبرتنا ، قد تزعزعت أسسها في نظرية النسبية . وفي مثل هذه الأحوال يلجأ المرء العادي إلى الشك.

وكجواب على هذا الشك يجب أن نذكر أولاً أن نظرية النسبية بكل أبعادها ليست حديثة تماماً . فنشرة آينشتاين الأولى تعود إلى عام 1905 ، وقد حازت ، في ظرف سنوات قليلة ، على قبول جمهور العلماء . وغدت ، منذ ذلك التاريخ ، حجراً من الأحجار الأساسية في بناء الفيزياء الحديثة وأصبحت مضامينها تمتد إلى أبعد من تلك المجالات التافهة في حركة القطارات والصواريخ. فقد أمكن التأكد مباشرة من تمدد الزمن في مستوى الظواهر الذرية والفلكية معاً وذلك في الميقاتيات المرسلة لتدور حول العالم . والأهم من ذلك هو أن المبادىء الجديدة التي جلبتها نظرية النسبية راحت تفرض نفسها على كل فروع الفيزياء . فنظرية التثاقل مثلاً ، والقوانين المتحكمة في بنية الذرة وفي سلوك الجسيمات الأدق منها ، لابد أن تتفق مع أفكار آينشتاين. وعندما تؤخذ هذه الأمور بعين الإعتبار نكتشف مفاعيل جديدة ، كانزياح بعض الخطوط الطيفية الذرية التي تبدو لأول وهلة ضعيفة الصلة بالنسبية ، ونتحقق من اتفاقها مع التجربة .

إن من أكثر الأمور بروزاً ، مما توجبه نظرية النسبية ، يقتضي اعادة كتابة قوانين الميكانيك كي تنسجم معها . فقد ذكرنا ، في الفقرة 2 - 4 ، أن جدار الضوء يجعل الكتلة تتحول إلى طاقة ، مما يمنع أي جسم من تجاوز سرعة الضوء . ويمكن لهذا التحول أن يحدث في الإتجاه المعاكس . وإن كل ذلك محتوى في معادلة آينشتاين التالية التي ربما كانت أشهر علاقاته :

إن هذه المعادلة تدل على أن كمية هائلة من الطاقة E يمكن الحصول عليها من كمية صغيرة جداً من الكتلة m ، لأن الطرف الأيمن منها يحوي مربع سرعة الضوء ، c ، وهي عدد كبير جدا . فغرام واحد فقط من المادة يمكن أن يتحول إلى 30 مليون كيلو واط ساعة - وهذا يغذي بالطاقة بيتاً عادياً لمدة عدة سنوات. إن تحول الكتلة إلى طاقة يفسر ( ما كان قبل لغزا محيراً ) منشأ الطاقة التي تشعها الشمس ، كما يحدث وبشكل مخيف في انفجار القنبلة الذرية.

وبالاضافة للشواهد التجريبية المذهلة في صالح النسبية الخاصة ، تمتلك هذه النظرية مظهراً جذاباً بسبب ما جلبته إلى الفيزياء النظرية من تناظر إضافي وتوحيد . فالصيغ الرياضية تصبح فيها أكثر أناقة عندما يُعاد سبكها وفق المبادىء الجديدة . وهذا ناجم في معظمه عن اندماج المكان بالزمان ، هذا الاندماج الذي يتجلى من خلال النظرة المتوغلة إلى أعماق هذه النظرية .

 يبرز من هذه النظرية أن النموذج النيوتني للمكان والزمان ( أو المكان والزمان النيوتنيين الجديدين )  يحتاج إلى تعديل لكي ينسجم مع المفاعيل الجديدة كتمدد الزمن وتقلص الطول . وبمقدورنا أن نأخذ، عن هذه البنية الجديدة للمكان والزمان، رؤية عميقة تتضح من الاعتبارات التالية.

لقد كان مفترضاً ، في المكان والزمان النيوتنيين، أن الأطوال المكانية والفترات الزمانية مستقلة عن حركة الراصد الذي يقيسها . أي أن أطوال القضبان ومعدل سير الميقاتيات لا تتعلق بالحركة النسبية بينها وبين من يرصدها ويقيسها . أما نظرية النسبية فتقول بأن طول الشيء يتقلص في منحى حركته وأن الفترات الزمنية تتمدد . وقد رأينا منذ قليل ، في تجربة القطار، أن الجسم المتحرك الذي يمتلك امتدادا في المكان يمتلك أيضاً تمدداً في الزمن - إن الحادثين اللذين ، في طرفي عربة القطار المتحركة ، يظهران متزامنين عند الراكب يكونان ، بالنسبة للراصد الواقف قرب السكة ، مفصولين بفترة زمنية . إن يوحي بأن من الأحسن أن نعتبر أن لكل جسم امتداداً في المكان والزمان معاً. ويستطيع المرء أن يعتبر مفعولي تمدد الزمن وتقلص الطول اندماجاً في امتداد فضائي ظاهراً على شكل ازدياد في امتداد زماني. وعندها يصبح من الأنسب أن نتصور أن لكل شيء امتداداً مكانياً - زمانياً ثابت القيمة ، وأن مسقط هذا الامتداد في مدموج المكان والزمان معا يضم منهما نسبة متغيرة بتغير السرعة النسبية للجسم. ويمكن أن نشبه هذا الاسقاط بالاسقاط في الفضاء العادي حيث يبدو القضيب ، وهو ثابت الطول ، ذا طول أقصر على خط النظر عندما ننظر إليه وهو مائل على هذا الخط. فالطول الحقيقي / للقضيب يرتبط مع مساقطه .  xوyو zعلى محاور الإحداثيات المتعامدة بعلاقة فيثاغرس :

حيث كل من هذه المساقط أصغر من طول القضيب الحقيقي .

وإذا فحصنا الآن معادلتي التحويل ( 2 - 2 ) و ( 2 - 5 ) نجد ( بقليل من الإلمام بالجبر) أن المقدار 222 - 2 رثابت القيمة رغم تغير x و ، من راصد لآخر ؛ أي أن :

ولو اعتبرنا أن الحركة تحدث في الفضاء ذي الأبعاد الثلاثة ، لا على منحى x فقط ، فان الفاصل اللا متغير، الذي نسميه s  ، هو :

وبمقارنة ( 2 - 9 ) بـ ( 2 - 8) نرى فعلا أن المسقط المكاني والمسقط الزماني يمكن أن يندمجا معاً بطريقة شبه فيثاغورية ، شرط أن نضرب الفترة الزمنية سلفا بسرعة الضوء ، ، ، مما يحولها تلقائياً إلى فاصل مكاني . ولما كانت ، كبيرة جدا فان الفترة الزمنية مقدار مكاني و جدير بالاحترام ، . فالثانية الزمنية الواحدة مثلا تكافىء ، في هذا المدموج الجديد . مسافة تساوي 300000 كيلومتر !

إن واقع أن نستطيع ، بدمج المكان والزمان معاً وبه وحده ، أن نستنبط مقدارا s ثابتاً لا متغيراً من راصد لآخر ، لدليل يوحي بوجوب اعتبارهما متحدين في فضاء مكاني - زماني واحد رباعي الأبعاد . لقد نوقشت خواص هذا البناء الرباعي الأبعاد أول الأمر لدى هرمان منكوفسكي ( روسي ، 1864 - 1909 ) . ولهذا السبب يسمى أحياناً فضاء منكوفسكي . وهو فضاء بالمعنى الرياضي لهذه الكلمة . ولا يجب أن يفهم من ذلك أن المكان رباعي الأبعاد أو أن الزمان شكل من أشكال المكان ، بل أن نظرية النسبية قد كشفت عن واقع أن خصائص المكان وخصائص الزمان متداخلة تداخلا وثيقاً وأن صنع نموذجين منفصلين لهما أمر متعذر .

إن دمج المكان والزمان معا يمكن أن يتم بأسلوب أقرب إلى الفهم وذلك برسم مخطط بياني مكاني - زماني أو خارطة . فأكثر الناس يعرفون خرائط الفضاء ذي البعدين التي تحوي خطوط طول وخطوط عرض على شاكلة ما هو مرسوم في الشكل 2 - 8 . فالخط على مثل هذه الخارطة قد يمثل مسار طريق أو شهر. وكل نقطة من الخارطة تمثل موقع مكان على سطح الأرض . وعلى شاكلة ذلك يمكن رسم خارطة تمثل المكان - الزمان . ومن الواضح أن من غير الممكن رسم خارطة بأربعة أبعاد على صفيحة من الورق ولذلك سنقتصر على الزمن مضافاً إليه بعد مكاني واحد نمثله بالمحور x .

شکل 2-8 خارطة المكان - الزمان. النقطة على هذه الخارطة تمثل حادثا يقع في موضع وزمن معينين. أما المسار المرسوم فيمثل تاريخا - أي مجموعة حوادث متوالية ، كالتواءات مسار جسيم متحرك . إن خطوط الطول ، تمثل مكاناً واحدا في كل الأزمنة ، وتمثل و خطوط العرض ، لحظة واحدة في كل الأمكنة.

وبمنزلة خطوط للعرض يجب النظر إلى المستقيمات الأفقية  كأنها قضبان صلبة ساكنة في مرجع المقارنة المعتبر ، وكل خط هو وضع القضيب في الأزمنة المتوالية . أما المستقيمات الشاقولية ( خطوط الطول ( فكل منها يمثل بعدا عن طرف القضيب . وعلى هذا فان الخط المنحني ، المرسوم على خارطة المكان - الزمان ، هو المسار الذي يتبعه جسم متحرك بمرور الزمن . إن هذا المسار المرسوم يدل على أن النقطة كانت في البدء ساكنة في المرجع المعتبر ، ثم تحركت قليلا إلى اليسار ثم تسارعت نحو اليمين . فالمسار يمثل إذن ، على خارطة المكان - الزمان ، تاريخ الجسيم المتحرك وهو ما يسمى عادة خطه العالمي . والنقطة في هذه الخارطة هي محل الحادث، أي مكان معين في زمان معين.

يمكن استخدام الخرائط المكانية - الزمانية لإبراز الفروق بين نموذجي المكان والزمان لدى كل من نيوتن وآينشتاين. فنحن لا نعرف لماذا لا يندمج المكان والزمان النيوتنيان معا في فضاء مكاني - زماني واحد ذي أربعة أبعاد ، اللهم إلا أن ذلك يوفر علينا مهمة البحث عن بنية فيزيائية جديدة ، وهي مهمة لا تزيد عن تمرين رياضي بسيط . إن المكان - الزمان النيوتني موضح في الشكل 2 - 9 (a) . إنه يتمثل بشرائح مكانية ، كل شريحة مقتطعة في زمن ثابت . فكل النقاط الواقعة على شريحة واحدة نقاط متزامنة تتناول زمنا نيوتنياً واحداً شاملا . إن هذا التشرح الطبيعي يبرز في هذا الرسم من مجرد خياطة مصطنعة جمعنا فيها

شكل 902 . مقارنة المكان - الزمان بين نيوتن واينشتاين. كل شريحة أفقية في (a) تمثل الفضاء المكاني كله ونفسه في لحظة واحدة : الحادثان A و B يحدثان في زمن واحد . إن هذه الشرائح هي ، في النموذج النيوتني ، نفسها بالنسبة لكل الراصدين مهما كانت حركاتهم . أما (b) فيمثل نموذج منكسوفسكي لمكان - زمان اینشتاین. وقد رسمت هذه الخارطة من أجل راصد معين ذي سرعة منتظمة معينة . كل الراصدين متفقون على المسارين الضوئيين ( المستقيمين المائلين ) . كل تواريخ الجسيم المارة بـ P يجب أن تبقى داخل خطي الضوء . الحادثان A و B ، الواقعان في المنطقة الخارجية ، لا يتمتعان بترتيب زمني محدد ولا يمكن لأي منهما أن يؤثر سبيا في الآخر ، أو في P ، بينما الحادث Q يقع حتما بعد P.

المكان والزمان النيوتنيين ثم فرقناهما بكل بساطة . أما مرجع المقارنة فيمكن أن يعتبر مثبتاً في فضاء مطلق ( أو في الأثير إذا شئت) . وكل الراصدين ، مهما كانت الحالة الحركية لكل منهم ، متفقون على شكل هذه الخارطة ، لأنهم يستخدمون المكان نفسه والزمان نفسه .

أما فضاء منكوفسكي فهو ، على عكس ذلك ، لا يمكن تفكيكه على هذه الصورة . فليس فيه تشرح تلقائي إلى مقاطع مكانية في زمان ثابت ، لأن الراصدين المختلفين غير متفقين على التزامن ولا على قياس الطول . ومع ذلك فهناك نوع من التفكيك يبرز تلقائياً من نظرية النسبية ويتضح في الشكل 2-9 (b). فالخطان المستقيمان الماثلان هما مسارا شعاعين ضوئيين يمران بالحادث P وبالسرعة الثابتة، أحدهما ذاهب نحو اليسار والآخر نحو اليمين. فاذا اخترنا للطول وللزمن وحدة قياس واحدة (السنتيمتر والسنتيمتر الضوئي مثلا) فان كلا من هذين الخطين يميل بزاوية قدرها 45 درجة. والمستقيمان المرموز لهما بـ x و t ، على الشكل الراهن، لا يصحان إلا مرسومين في مرجع مقارنة واحد . وعندما يختلف الراصد فانه سيرسم هذين المستقيمين ، المتعلقين به ، بميل مختلف بسبب اختلاف وجهة نظره بخصوص المكان والزمان . لكن ميل خطي الضوء سوف يكون مساوياً 45 درجة في كل المراجع لأن كل الراصدين يجدون في قياس سرعة الضوء قيمة واحدة .

 إن خطي الضوء يقسمان طبيعياً فضاء منكوفسكي إلى منطقتين ـ ( داخلية » و «خارجية ) انظر شكل 2 -9 b) . إن مسار الجسيم المادي ( خط العالم الخاص به ( لابد أن يقع دوماً داخل خطي الضوء لأن الجسيم يتحرك بأبطأ من الضوء . والراصدان الكائنان في حالتين حركيتين مختلفتين سيريان مسارين مختلفين لكنهما واقعان دوماً داخل خطي الضوء. وواضح على الشكل 2 - 9 أن طبيعة خطي الضوء الأزلية تثبت كل حادث واقع داخلهما بعلاقة ماض أو بعلاقة مستقبل بالنسبة لحادث التقاطع .P. بينما نرى أن ترتيب الحادثين ، الواقعين خارجها ، بالنسبة لـ P غير ثابت . وقد أعطينا في الفقرة 2 - 2 ، لدى مناقشة تجربة القطارين السريعين ، مثالاً على انعكاس الترتيب الزمني الحادثين . على أن انعكاس الترتيب الزمني لا يعني انعكاس ترتيب السبب والمفعول ( الناجم عن السبب ) . فيما أن كل التأثيرات المعروفة ( الجسيمات والإشارات الضوئية و.... التي يمكن أن تنقل التأثير) لا تنتقل إلا بأبطأ من الضوء أو بسرعته ، فان الحوادث الواقعة خارج خطي الضوء ، والتي لا تتمتع بأي ترتيب زمني معين بالنسبة لـ P ، لا يمكن أن تؤثر في P باية وسيلة . لكن التاخيونات ، لو كانت موجودة ، لأمكنها بالطبع السفر في المنطقة الخارجية ولانعكس بالتالي ترتيب السبب والمفعول . ومن هنا تبرز المفارقات التي تسببها التاخيونات . إن الفرق بين الحوادث التي تقع داخل خطي الضوء وبين تلك التي تقع خارجهما ينجم عن قيمة هو المعطاة بالمعادلة ( 2 - 9) . ففي الداخل يكون الجزء الزمني c²t² إنطلاقاً من p ، أكبر من الجزء المكاني  في الأبعاد الأربعة )، مما يجعل s² سالباً . أما في الخارج فالعكس هو الصحيح مما يجعل تم موجباً . وهو معدوم على طول خطي الضوء ، مما يعني أن المسافات، في الفضاء الرباعي الأبعاد وبالنسبة للشعاع الضوئي ، معدومة مهما كان مساره في المكان طويلاً. إن هذه الصفات الخاصة للمجال في ناجمة عن وجود إشارة الناقص قبل c²s² تم في المعادلة ( 2 - 9) ، وهذا يعني أن المسافات ، في خريطة المكان - الزمان ، لا يمكن أن تقاس كما تقاس على الخرائط المكانية العادية ، لأن السلم يتغير بتغير ميل الخطوط . فهندسة فضاء منكوفسكي هي هندسة غير عادية بمعنى ما . فمن الممكن مثلاً للشعاع الرياضي أن يكون ، في فضاء منكوفسكي ، موازياً لنفسه أو عمودياً عليها !

 وهكذا ، وبالرغم من غرابة الظواهر النسبوية ، يكاد لا يوجد اليوم فيزيائي واحد يرتاب جدياً في صحة نظرية النسبية ضمن الظروف المشروحة . ولو كانت نظرة نيوتن صحيحة بالفعل لبقي العديد من الظواهر ، التي نفهمها اليوم بكل تفاصيلها ، دون تفسير معقول . ومع ذلك بقي الشعور بمحدودية هذه النظرية قائماً لعدة سنوات بعد اكتشافها . لكن آینشتاین نشر ، عام 1915 ، مغامرة ثانية فكرية عظيمة تنبأ في نهايتها بأن النسبية الخاصة خاصة فعلاً - إنها اقتراب أولي من نظرية نسبوية عامة تأخذ في الحسبان آثار التثاقل . لكن هذا لا يعني أن النسبية الخاصة خطأ ، بل إنها مجرد تقريب حسابي يصح في حدود إمكانية اعتبار التثاقل مهملاً ، كما يصح ميكانيك نيوتن ، كتقريب حسابي غير خاطىء ، في حدود السرعة الصغيرة .

وبدلاً من أن تعود بنا إلى المفاهيم المريحة السائدة قبل النسبية ، تجرنا النظرية العامة الجديدة بعيداً إلى عالم نرى فيه أموراً أشد عجباً .

اخر الاخبار

اخبار العتبة العباسية المقدسة

قسم الإعلام يشارك في الاجتماع التحضيري لمناقشة الخطة الإعلامية لزيارة عاشوراء

بحضور متوليها الشرعي.. العتبة العباسية المقدسة تواصل إقامة المجالس الحسينية لإحياء شهر المحرم

قسم الشؤون الفكرية يطلق برنامجه التبليغي في أكثر من 20 دولة إفريقية

شعبتا الخطابة النسوية والتوجيه الديني تواصلان إقامة المجالس الحسينية في مرقد أبي الفضل العباس (عليه السلام)

المزيد

الآخبار الصحية

دراسة تكشف علاقة خطيرة بين عمر الأم وصحة مولودها

دراسة تحذر.. اضطراب نوم بسيط قد يسبب الموت المبكر ؟

الاستحمام بالماء الساخن.. راحة مؤقتة وأضرار دائمة للبشرة

ماذا يحدث للجسم عند تخطي وجبة الإفطار؟

المزيد

الآخبار التكنلوجية

كيف تساعد الصيانة الوقائية في الحفاظ على كفاءة التكييف في سيارتك ؟

في ظاهرة غريبة حيرت العلماء.. كوكبنا قد يسجل أقصر يوم في التاريخ هذا الصيف!

السد الصيني العملاق يعيق دوران الأرض ويغيّر شكلها ؟

السعودية تطلق 10 تجارب علمية إلى محطة الفضاء الدولية

المزيد

مواضيع ذات صلة

اللا تناظر بين الماضي والمستقبل ( معنى اللا تناظر في الزمن)

أسرع من الضوء ؟(سرعة الضوء كحد نهائي: ماذا لو تجاوزناها؟)

مفارقة التوأمين( مفارقة التوأمين وثورة النسبية في فهم الزمكان)

هزيمة الزمن النيوتني

ماذا عن E=mc2؟

عدم التوافق بين جاذبية نيوتن والنسبية الخاصة

الفزياء والكون .. النسبية الخاصة

Relativistic energy

Relativistic mass

Transformation of velocities

The twin paradox

Equivalence of mass and energy