من نيوتن وقانون الجذب الي النسبيه العامه لاينشتاين-شرح بسيط

نبداء من نيوتن-قانون الجذب العام

النظرية النسبية العامة تصف قوة الجاذبية. لم يكن آينشتاين هو أول من توصل إلى هذه النظرية - فقد قام إسحاق نيوتن في عام 1686 بصياغة قانون الجاذبية العكسي الشهير الخاص به. يعمل قانون نيوتن بشكل جيد على قياسات صغيرة: يمكننا استخدامه لحساب سرعة سقوط جسم من مبنى مرتفع سوف يصطدم على الأرض وحتى لإرسال الناس إلى القمر. ولكن عندما تكون المسافات والسرعات كبيرة جدًا ، أو عندما تكون هناك أشياء ضخمة جدًا ، يصبح قانون نيوتن غير دقيق.  حيث يسهل وصفه باستخدام نظرية أينشتاين.

لنفترض أن لديك شيئين ، نقول الشمس والأرض ، مع كتل  m1  و m2  على التوالي. r للمسافة بين الجسمين. ثم يقول قانون نيوتن إن قوة الجاذبية  F  بينهما هي

حيث G N  هو رقم ثابت ، يعرف باسم ثابت نيوتن.

تجعل المعادلة منطقية الحدس: تخبرنا أن الجاذبية تصبح أضعف على مسافات طويلة (كلما زادة المسافه قلت القوه  ) وأن قوة الجاذبية أقوى بين الأجسام الأكثر ضخامة (كلما زادة احدي القوه او كلاهما تزداد القوه).

هناك قوه اخري لكن تخضع لقانون التربيع العكسي ايضاً

هناك صيغة أخرى تبدو متشابهة للغاية ، ولكنها تصف قوة مختلفة. في عام 1785 ، توصل الفيزيائي الفرنسي تشارلز أوجستين دي كولوم إلى معادلة لالتقاط القوة الكهرومغناطيسية  F  التي تعمل بين جسيمتين مشحنتين بتكلفة  Q1 و  Q2 :

هنا  r  تعني المسافة بين الجسيمين و ثابت يحدد قوة الكهرومغناطيسية. 

المشكلة مع نيوتن

صياغات نيوتن وكولوم لطيفة وأنيقة ، ولكن هناك مشكلة. بالعودة إلى قانون نيوتن ، افترض أنك أخذت الأرض والشمس وسرعان ما نقلتهم بعيدا. هذا من شأنه أن يجعل القوة تتصرف فيما بينها أضعف ، ولكن ، وفقا للصيغة ، سيحدث ضعف القوة على الفور ، لحظة تحريك الجسمين بعيدا. وينطبق الأمر نفسه على قانون كولومب: فانتقال الجسيمات المشحونة بسرعة كبيرة يؤدي إلى إضعاف فوري للكهرباء الساكنة بينهما.

لكن هذا لا يمكن أن يكون صحيحًا. تقول نظرية أينشتاين النسبية الخاصة ، التي اقترحت قبل عشر سنوات من النظرية العامة في عام 1905 ، أنه لا يوجد شيء في الكون يمكنه أن يسافر أسرع من الضوء - ولا حتى "الإشارة" التي تنقل أن جسمين قد تحركما وأن القوة يجب أن تصبح أضعف.

لماذا نحتاج الي فرضية المجال

هذا هو أحد الأسباب التي تدعو إلى استبدال الفكرة الكلاسيكية للقوة في الفيزياء الحديثة. بدلا من ذلك ، نحن بحاجة إلى التفكير في شيء - أشياء جديدة - التي تنقل القوة بين كائن وآخر. هذه كانت المساهمة العظيمة للعالم البريطاني مايكل فاراداي في الفيزياء النظرية. أدرك فاراداي أن هناك أشياء نطلق عليها اليوم الحقول التي تشارك في نقل القوة. ومن الأمثلة على ذلك المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي قد تكون على دراية بها من المدرسة.

وينتج عن الجسيمات المشحونة مجال كهربائي ، "يشعر" به جسيم آخر (له مجاله الكهربائي الخاص). سوف يتحرك جسيم واحد استجابة للحقل الكهربائي الآخر - وهذا ما نسميه قوة. عندما يتم نقل جسيم واحد بسرعة بعيدا عن الآخر ، فإن هذا يسبب تموجات في المجال الكهربائي للجسيم الأول. تتحرك التموجات عبر الفضاء ، بسرعة الضوء ، وتؤثر في النهاية على الجسيمات الأخرى. وفي الواقع ، فإن الجسيم الذي يتم نقله يولد أيضًا مجالًا مغناطيسيًا وينبعث منه إشعاع كهرومغناطيسي. النتيجة النهائية هي تفاعل معقد من حقول الامتداد - لكن النقطة هي أن هذه الجسيم هو فعلاً جسيم واحد يتأثر بتموجات تنتشر عبر حقل الآخر.

لقد استغرق العلماء وقتًا طويلاً لتطوير هذه الصورة الميدانية للكهرومغناطيسية بشكل كامل. يعود الفضل الرئيسي للعالم الاسكتلندي جيمس ماكسويل ، الذي لم يدرك فقط أن القوى الكهربائية والمغناطيسية كانت جانبين لقوة موحّدة للكهرومغناطيسية ، بل استبدلت أيضًا القانون البسيط للكهرباء في كولوم مع أربع معادلات تصف المجال الكهربائي والمغنطيسي. الاستجابة لتحريك الجسيمات المشحونة. تعتبر معادلات ماكسويل الأربعة من أكثر المعادلات مدهشة في الفيزياء لأنها تلتقط كل ما يمكن معرفته عن الكهرباء والمغناطيسية.

الجاذبية والفضاء

ماذا عن الجاذبية؟ تماما كما هو الحال مع الكهرومغناطيسية ، يجب أن يكون هناك مجالا يؤدي إلى ما نعتبره قوة الجاذبية التي تتصرف بين جسمين. كانت رؤية أينشتاين العظيمة هي أن هذا الحقل مصنوع من شيء نعرفه بالفعل: المكان والزمان. تخيل جسمًا ثقيلًا مثل الشمس جالسًا في الفضاء. أدرك آينشتاين أن الفضاء ليس شي مجرد لا يستجيب ولا يتفاعل ، ولكنه يستجيب للجسم الثقيل عن طريق الانحناء. سيتم تحويل جسم آخر ، مثل الأرض ، إلى الانحناء التي تم إنشاؤها بواسطة الجسم الأثقل , بدلا من الاستمرار في التحرك على طول خط مستقيم ، فإنه سيبدأ في الدوران حول الأجسام الثقيلة. أو ، إذا كانت بطيئة بما فيه الكفاية ، سوف تصطدم به. (استغرق الأمر سنوات عديدة من النضال للوصول إلى نظريته)

درس آخر من نظرية آينشتاين هو أن الفضاء والوقت يمكن أن يتشاجران في بعضهما البعض - وهما مرتبطان ارتباطًا لا ينفصم ، والوقت أيضًا يمكن تشويهه بواسطة اجسام ضخمة. هذا هو السبب في أننا نتحدث ، ليس فقط عن انحناء الفضاء ، ولكن حول انحناء الزمكان.

المعادلة

يتم توضيح النظرية النسبية العامة من خلال معادلة بسيطة المظهر بشكل خادع:

أساسا ، تخبرنا المعادلة بكمية الانحناء الناتجة الكتلة والطاقة في الزمكان. الجانب الأيسر من المعادلة :

يصف انحناء الزمكان الذي نفهم تأثيره كقوة الجاذبية. إنه التماثل للمصطلح  F  على الجانب الأيسر من معادلة نيوتن.

المصطلح T على الجانب الأيمن من المعادلة يصف كل شيء يمكن معرفته عن الطريقة التي يتم بها توزيع الكتلة والطاقة وكمية التحرك والضغط في جميع أنحاء الكون. هذا هو ما أصبح مصطلح m1, m2  في معادلة نيوتن ، لكنه أكثر تعقيدًا. هناك حاجة إلى كل هذه الأشياء لمعرفة كيف ينحني الفضاء والوقت.

ماذا عن الأحرف اليونانية  التي تظهر كمشتركات؟ لفهم ما تعنيه ، لاحظ أولاً أن الزمكان له أربعة أبعاد. هناك ثلاثة أبعاد للفضاء وبُعد واحد للوقت (الذي له اتجاه واحد فقط). إذا كنت تريد أن تفهم كيف يؤثر جزء مؤثر من الكتلة على الزمكان ، فأنت بحاجة إلى فهم كيفية تأثيره على كل من هذه الأبعاد الأربعة ومجموعاتها المختلفة.

(كمثال ، فكر في الطريقة التي تصف بها جسمًا يتحرك بسرعة ثابتة على طول خط مستقيم في الفيزياء الكلاسيكية لنيوتن. تحتاج إلى قطعتين من المعلومات: اتجاه وسرعة الحركة. ويعطى الاتجاه ثلاثة الأرقام ، كل منها يخبرك عن مقدار تحرك الكائن في كل اتجاه من ثلاثة اتجاهات ، لذلك يتم وصف الحركة بأربعة أرقام ، ثلاثة منها تتعلق بالمساحة والأخرى تعطي السرعة ، بما أن السرعة هي المسافة المقطوعة لكل وحدة الوقت ، نحتاج إلى ثلاثة أجزاء من المعلومات المتعلقة بالفضاء ومن وقت لآخر ، من أجل وصف الحركة).

اعداد وترجمة / فادي طارق

المصدر