المُقدّمة
في الفيزياء النيوتونية ، كان للمكان والزمان هويتهما المستقلة ، ولم يختلط بينهما أحد. مع نظرية النسبية ، التي جمعت معًا في أوائل القرن العشرين ، أصبح الحديث عن الزمكان أمرًا لا مفر منه تقريبًا. في النسبية ، لم يعد صحيحًا أن المكان والزمان لهما معاني موضوعية منفصلة. ما هو موجود بالفعل هو الزمكان ، وتقسيمه إلى المكان والزمان هو مجرد اتفاقية بشرية مفيدة.
أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل النسبية تشتهر بصعوبة فهمها هو أن حدسنا يدربنا على التفكير في المكان والزمان كأشياء منفصلة. نحن نختبر الأشياء على أنها تمتد في "الفضاء" ، وهذا يبدو حقيقة موضوعية جدًا. في النهاية ، يكفينا لأننا نسافر عمومًا عبر الفضاء بسرعات أقل بكثير من سرعة الضوء ، لذلك تعمل فيزياء ما قبل النسبية.
لكن عدم التوافق بين الحدس والنظرية يجعل القفز إلى منظور الزمكان أمرًا مخيفًا إلى حد ما. والأسوأ من ذلك ، أن عروض النسبية غالبًا ما تتخذ نهجًا تصاعديًا - فهي تبدأ بمفاهيمنا اليومية للمكان والزمان وتغيرها في السياق الجديد للنسبية.
سنكون مختلفين قليلاً. قد يُنظر إلى طريقنا إلى النسبية الخاصة على أنه تنازلي ، مع أخذ فكرة الزمكان الموحد على محمل الجد من البداية ورؤية ما يعنيه ذلك. سيتعين علينا تمديد أدمغتنا قليلاً ، لكن النتيجة ستكون فهمًا أعمق بكثير للمنظور النسبي لكوننا.
يُعزى تطور النسبية عادةً إلى ألبرت أينشتاين ، لكنه قدم قمة البناء النظري الذي كان قيد الإنشاء منذ أن وحد جيمس كلارك ماكسويل الكهرباء والمغناطيسية في نظرية واحدة للكهرومغناطيسية في ستينيات القرن التاسع عشر. أوضحت نظرية ماكسويل ماهية الضوء - موجة متذبذبة في المجالات الكهرومغناطيسية - ويبدو أنها تعلق أهمية خاصة على السرعة التي ينتقل بها الضوء. لم تكن فكرة وجود مجال في حد ذاته أمرًا بديهيًا تمامًا للعلماء في ذلك الوقت ، وكان من الطبيعي أن نتساءل عما "يلوح" في الموجة الضوئية.
قام العديد من الفيزيائيين بالتحقيق في إمكانية انتشار الضوء عبر وسط أطلقوا عليه اسم الأثير المضيء. لكن لم يتمكن أي شخص من العثور على دليل على مثل هذا الأثير ، لذلك اضطروا إلى اختراع أسباب معقدة بشكل متزايد تجعل هذه المادة غير قابلة للكشف. كانت مساهمة أينشتاين في عام 1905 هي الإشارة إلى أن الأثير أصبح غير ضروري تمامًا ، وأنه يمكننا فهم قوانين الفيزياء بشكل أفضل بدونه. كل ما كان علينا فعله هو قبول مفهوم جديد تمامًا للمكان والزمان. (حسنًا ، هذا كثير ، لكن اتضح أنه يستحق ذلك تمامًا).
أصبحت نظرية أينشتاين تُعرف بالنظرية النسبية الخاصة ، أو ببساطة النسبية الخاصة. في ورقته التأسيسية ، "في الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة"، جادل عن طرق جديدة للتفكير في الطول والمدة. وشرح الدور الخاص لسرعة الضوء من خلال افتراض أن هناك حدًا مطلقًا للسرعة في الكون - وهي السرعة التي ينتقل بها الضوء عندما يتحرك في الفضاء الفارغ - وأن الجميع سيقيسون هذه السرعة لتكون هي نفسها ، بغض النظر عن كيفية تحركهم. لإنجاز ذلك ، كان عليه أن يغير مفاهيمنا التقليدية عن الزمان والمكان.
لكنه لم يذهب إلى أبعد من ذلك للدعوة إلى ضم الزمان والمكان في مكان واحد موحد للزمان. تُركت هذه الخطوة لأستاذه الجامعي السابق ، هيرمان مينكوفسكي ، في أوائل القرن العشرين. تُعرف ساحة النسبية الخاصة اليوم باسم Minkowski Space-time.
بمجرد أن تكون لديك فكرة التفكير في الزمكان باعتباره سلسلة متصلة رباعية الأبعاد ، يمكنك البدء في طرح أسئلة حول شكله. هل الزمكان مسطح أم منحني ، ثابت أم ديناميكي ، محدود أم لانهائي؟ زمكان مينكوفسكي مسطح وثابت ولانهائي.
عمل أينشتاين لمدة عقد من الزمان لفهم كيف يمكن دمج قوة الجاذبية في نظريته. كان إنجازه النهائي هو إدراك أن الزمكان يمكن أن يكون ديناميكيًا ومنحنيًا ، وأن تأثيرات هذا الانحناء هي ما نختبره أنا وأنت "بالجاذبية". ثمار هذا الإلهام هي ما نسميه الآن النسبية العامة.
لذا فإن النسبية الخاصة هي نظرية الزمكان الثابت ، المسطح ، بدون جاذبية. النسبية العامة هي نظرية الزمكان الديناميكي ، حيث يؤدي الانحناء إلى الجاذبية. كلاهما يعتبر من النظريات "الكلاسيكية" على الرغم من أنهما يحلان محل بعض مبادئ ميكانيكا نيوتن. بالنسبة للفيزيائيين ، الكلاسيكية لا تعني "غير النسبية". هذا يعني "غير الكم". جميع مبادئ الفيزياء الكلاسيكية سليمة تمامًا في السياق النسبي.
يجب أن نكون مستعدين للتخلي عن ولعنا المسبق بالنسبية للفصل بين المكان والزمان ، والسماح لهما بالذوبان في الساحة الموحدة للزمكان. أفضل طريقة للوصول إلى هناك هي التفكير بعناية أكبر فيما نعنيه بـ "الوقت". وأفضل طريقة للقيام بذلك هي العودة مرة أخرى إلى طريقة تفكيرنا في الفضاء.
ضع في اعتبارك موقعين في الفضاء ، مثل منزلك ومطعمك المفضل. ما هي المسافة بينهما؟
حسنًا ، هذا يعتمد ، تعتقد على الفور. هناك مسافة "كما يطير الغراب" ، إذا كان بإمكاننا تخيل اتخاذ مسار مستقيم تمامًا بين النقطتين. ولكن هناك أيضًا المسافة التي ستقطعها في رحلة حقيقية ، حيث ربما تكون مقيدًا بالسير في الشوارع العامة والأرصفة ، وتجنب المباني والعقبات الأخرى على طول الطريق. سيكون المسار الذي تسلكه دائمًا أطول من المسافة حيث يطير الغراب ، لأن الخط المستقيم هو أقصر مسافة بين نقطتين.
فكر الآن في حدثين في الزمكان. في المصطلحات الفنية لنظرية النسبية ، "الحدث" هو مجرد نقطة واحدة في الكون ، محددة من خلال المواقع في كل من المكان والزمان. قد يكون حدث واحد ، يطلق عليه "أ" ، "في المنزل الساعة 6 مساءً" ، وقد يكون الحدث "ب" "في المطعم الساعة 7 مساءً" ، احتفظ بهاتين الحدثين في ذهنك ، وفكر في رحلة بين "أ" و "ب". لا أستطيع الإسراع للوصول إلى B عاجلاً ؛ إذا وصلت إلى المطعم الساعة 6:45 ، فسيتعين عليك الجلوس والانتظار حتى الساعة 7 مساءً للوصول إلى الحدث في الزمكان المسمى B.
الآن يمكننا أن نسأل أنفسنا ، تمامًا كما فعلنا بالنسبة للمسافة المكانية بين المنزل والمطعم ، كم من الوقت ينقضي بين هذين الحدثين.
قد تعتقد أن هذا سؤال مخادع. إذا كان أحد الأحداث في الساعة 6 مساءً والآخر في الساعة 7 مساءً ، فهناك ساعة واحدة بينهما ، أليس كذلك؟
ليس بهذه السرعة ، كما يقول أينشتاين. في مفهوم نيوتن القديم للعالم ، بالتأكيد. الوقت مطلق وعالمي ، وإذا كان الوقت بين حدثين هو ساعة واحدة ، فهذا كل ما يمكن قوله.
النسبية تروي قصة مختلفة. يوجد الآن مفهومان مختلفان لما يعنيه "الوقت". أحد مفاهيم الزمن هو التنسيق على الزمكان. الزمكان عبارة عن سلسلة متصلة رباعية الأبعاد ، وإذا أردنا تحديد مواقع بداخلها ، فمن الملائم إرفاق رقم يسمى "الوقت" بكل نقطة بداخله. هذا ما يدور في أذهاننا بشكل عام عندما نفكر في "6 مساءً" و "7 مساءً" هذه هي قيم تنسيق على الزمكان ، تسميات تساعدنا في تحديد موقع الأحداث. من المفترض أن يفهم الجميع ما نعنيه عندما نقول "لقاء في المطعم الساعة 7 مساءً"
لكن ، تقول النسبية ، تمامًا كما تختلف المسافة التي يطير بها الغراب بشكل عام عن المسافة التي تسافرها فعليًا بين نقطتين في الفضاء ، فإن المدة الزمنية التي تختبرها بشكل عام لن تكون مماثلة لوقت الإحداثيات العام. تختبر مقدارًا من الوقت يمكن قياسه بساعة تحملها معك في الرحلة. هذا هو الوقت المناسب على طول الطريق. والمدة التي يتم قياسها بالساعة ، تمامًا مثل المسافة المقطوعة كما تم قياسها بواسطة عداد المسافات في سيارتك ، ستعتمد على المسار الذي تسلكه.
هذا جانب واحد مما يعنيه أن نقول إن "الوقت نسبي". يمكننا التفكير في وقت مشترك من حيث التنسيق في الزمكان والوقت الشخصي الذي نختبره بشكل فردي على طول طريقنا. والوقت مثل المكان - لا يجب أن يتطابق هذان المفهومان. (كما أشار المؤرخ بيتر جاليسون ، ليس من قبيل المصادفة أن عمل أينشتاين في مكتب براءات الاختراع السويسري في وقت كان فيه السفر بالسكك الحديدية السريع يجبر الأوروبيين على التفكير في الوقت الذي كان فيه في مدن أخرى في جميع أنحاء القارة ، بحيث يكون البناء أفضل. أصبحت الساعات حدودًا تكنولوجية مهمة.)
ومع ذلك ، لا بد من وجود طريقة لا يكون فيها الوقت مثل الفضاء ، وإلا فإننا نتحدث فقط عن الفضاء رباعي الأبعاد ، بدلاً من تحديد الوقت على أنه يستحق تسمية خاصة به. ونحن لا نفكر في سهم الوقت هنا - في الوقت الحالي ، نحن في عالم بسيط به أجزاء متحركة قليلة ، حيث لا يكون الانتروبيا وعدم الانعكاس من الأمور التي يجب أن نقلق بشأنها.
الفرق هو هذا: في الفضاء ، يصف الخط المستقيم أقصر مسافة بين نقطتين. على النقيض من ذلك ، في الزمكان ، ينتج عن المسار المستقيم أطول وقت منقضي بين حدثين. هذا هو ما يميز الوقت عن الفضاء.
بالمسار المستقيم في الزمكان ، نعني كلاً من الخط المستقيم في الفضاء وسرعة السفر الثابتة. بمعنى آخر ، مسار بالقصور الذاتي ، مسار بدون تسارع. أصلح حدثين في الزمكان - موقعان في الفضاء واللحظات المقابلة في الوقت المناسب. يمكن للمسافر أن يقوم بالرحلة بينهما في خط مستقيم بسرعة ثابتة (مهما كانت تلك السرعة يجب أن تكون عليه للوصول في الوقت المناسب) ، أو يمكنه التحرك ذهابًا وإيابًا في مسار غير قصور ذاتي. سيشمل المسار ذهابًا وإيابًا دائمًا مسافة مكانية أكبر ، ولكن انقضاء وقت أقل من الإصدار المستقيم.
لماذا هو من هذا القبيل؟ لأن الفيزياء تقول ذلك. أو ، إذا كنت تفضل ذلك ، لأن هذه هي طريقة الكون. ربما سنكتشف في النهاية سببًا أعمق لضرورة أن يكون الأمر على هذا النحو ، ولكن في حالتنا المعرفية الحالية ، يعد هذا أحد الافتراضات الأساسية التي نبني عليها الفيزياء ، وليس استنتاجًا نستمده من مبادئ أعمق. الخطوط المستقيمة في الفضاء هي أقصر مسافة ممكنة ؛ المسارات المستقيمة في الزمكان هي أطول وقت ممكن.
قد يبدو من غير المنطقي أن المسارات ذات المسافات الأكبر تستغرق وقتًا أقل ملاءمة. هذا حسن. إذا كان الأمر بديهيًا ، فلن تحتاج إلى أن تكون أينشتاين للتوصل إلى الفكرة.
مقتبس من أكبر الأفكار في الكون بواسطة Sean Carroll ، بإذن من Dutton ، وهي بصمة لمجموعة Penguin Publishing Group ، وهي قسم من Penguin Random House LLC. حقوق النشر © 2022 بواسطة Sean Carroll.
