بودكاست التاريخ

نظرية النسبية العامة لأينشتاين

نظرية النسبية العامة لأينشتاين


على الرغم من أن إسحاق نيوتن أسس فيزياءه على الزمان والمكان المطلقين ، إلا أنه التزم أيضًا بمبدأ النسبية التي وضعها جاليليو جاليلي مجددًا على وجه التحديد للأنظمة الميكانيكية. [1] يمكن ذكر ذلك على النحو التالي: فيما يتعلق بقوانين الميكانيكا ، يتمتع جميع المراقبين في الحركة بالقصور الذاتي بامتيازات متساوية ، ولا يمكن أن تُنسب أي حالة حركة مفضلة إلى أي مراقب بالقصور الذاتي. ومع ذلك ، فيما يتعلق بالنظرية الكهرومغناطيسية والديناميكا الكهربية ، خلال القرن التاسع عشر ، تم قبول نظرية الموجة للضوء كاضطراب في "الوسط الخفيف" أو الأثير المضيء على نطاق واسع ، ووصلت النظرية إلى أكثر أشكالها تطوراً في عمل جيمس كليرك ماكسويل. وفقًا لنظرية ماكسويل ، تنتشر جميع الظواهر الضوئية والكهربائية عبر تلك الوسيلة ، مما يشير إلى أنه ينبغي أن يكون من الممكن تجريبياً تحديد الحركة بالنسبة إلى الأثير.

أدى فشل أي تجربة معروفة لاكتشاف الحركة من خلال الأثير إلى قيام هندريك لورنتز ، بدءًا من عام 1892 ، بتطوير نظرية الديناميكا الكهربية على أساس الأثير المضيء غير المتحرك (الذي لم يتكهن لورينتز بتكوينه المادي) ، وتقلص الطول المادي ، و " التوقيت المحلي "الذي تحتفظ فيه معادلات ماكسويل بشكلها في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي. العمل مع نظرية الأثير لورينتز ، بعد أن اقترح هنري بوانكاريه في وقت سابق "مبدأ النسبية" كقانون عام للطبيعة (بما في ذلك الديناميكا الكهربائية والجاذبية) ، استخدم هذا المبدأ في عام 1905 لتصحيح صيغ التحويل الأولية لورينتز ، مما أدى إلى مجموعة دقيقة من المعادلات التي تسمى الآن تحولات لورنتز. بعد ذلك بقليل في نفس العام ، نشر ألبرت أينشتاين ورقته الأصلية عن النسبية الخاصة ، والتي ، بناءً على مبدأ النسبية مرة أخرى ، اشتق بشكل مستقل وأعاد تفسيرًا جذريًا لتحولات لورنتز عن طريق تغيير التعريفات الأساسية للمكان والفواصل الزمنية ، مع التخلي عن المطلق. التزامن الحركي الجاليلي ، وبالتالي تجنب الحاجة إلى أي إشارة إلى الأثير المضيء في الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية. [2] العمل اللاحق لهيرمان مينكوفسكي ، والذي قدم فيه نموذجًا هندسيًا رباعي الأبعاد "الزمكان" لنسخة أينشتاين من النسبية الخاصة ، مهد الطريق لأينشتاين في وقت لاحق لتطوير نظريته العامة للنسبية ووضع أسس نظريات المجال النسبي .

تحرير نماذج الأثير ومعادلات ماكسويل

بعد عمل توماس يونغ (1804) وأوغستين جان فرينل (1816) ، كان يُعتقد أن الضوء ينتشر كموجة عرضية داخل وسط مرن يسمى الأثير المضيء. ومع ذلك ، تم التمييز بين الظواهر الضوئية والديناميكية الكهربية ، لذلك كان من الضروري إنشاء نماذج أثير محددة لجميع الظواهر. لم تنجح محاولات توحيد هذه النماذج أو إنشاء وصف ميكانيكي كامل لها ، [3] ولكن بعد عمل كبير قام به العديد من العلماء ، بما في ذلك مايكل فاراداي ولورد كلفن ، طور جيمس كلارك ماكسويل (1864) نظرية دقيقة للكهرومغناطيسية من خلال اشتقاقها. مجموعة من المعادلات في الكهرباء والمغناطيسية والحث ، تسمى معادلات ماكسويل. اقترح أولاً أن الضوء كان في الواقع تموجات (إشعاع كهرومغناطيسي) في نفس الوسط الأثيري الذي هو سبب الظواهر الكهربائية والمغناطيسية. ومع ذلك ، كانت نظرية ماكسويل غير مرضية فيما يتعلق ببصريات الأجسام المتحركة ، وبينما كان قادرًا على تقديم نموذج رياضي كامل ، لم يكن قادرًا على تقديم وصف ميكانيكي متماسك للأثير. [4]

بعد أن أظهر هاينريش هيرتز في عام 1887 وجود الموجات الكهرومغناطيسية ، تم قبول نظرية ماكسويل على نطاق واسع. بالإضافة إلى ذلك ، طور أوليفر هيفيسايد وهيرتز النظرية وقدموا نسخًا حديثة من معادلات ماكسويل. شكلت معادلات "ماكسويل - هيرتز" أو "هيفيسايد - هيرتز" بعد ذلك أساسًا هامًا لمزيد من التطوير للديناميكا الكهربية ، ولا يزال تدوين هيفيسايد مستخدمًا حتى يومنا هذا. قدم جورج فيتزجيرالد ، وجوزيف جون طومسون ، وجون هنري بوينتينغ ، وهندريك لورنتز ، وجوزيف لارمور ، مساهمات مهمة أخرى في نظرية ماكسويل. [5] [6]

ابحث عن تحرير الأثير

فيما يتعلق بالحركة النسبية والتأثير المتبادل للمادة والأثير ، كانت هناك نظريتان مثيرتان للجدل. تم تطوير واحد بواسطة Fresnel (وبعد ذلك Lorentz). يفترض هذا النموذج (نظرية الأثير الثابتة) أن الضوء ينتشر كموجة عرضية وأن الأثير يُسحب جزئيًا بمعامل معين بواسطة المادة. بناءً على هذا الافتراض ، تمكن فرينل من شرح انحراف الضوء والعديد من الظواهر البصرية. [7]
تم اقتراح الفرضية الأخرى من قبل جورج غابرييل ستوكس ، الذي ذكر في عام 1845 أن الأثير موجود تماما تم سحبه حسب المادة (لاحقًا تمت مشاركة هذا الرأي أيضًا بواسطة Hertz). في هذا النموذج ، قد يكون الأثير (بالقياس مع درجة الصنوبر) صلبًا للأشياء السريعة والسوائل للأجسام البطيئة. وهكذا يمكن للأرض أن تتحرك من خلالها بحرية إلى حد ما ، لكنها ستكون صلبة بما يكفي لنقل الضوء. [8] كانت نظرية فرينل مفضلة لأنه تم تأكيد معامل السحب الخاص به من خلال تجربة Fizeau في عام 1851 ، والتي قاست سرعة الضوء في السوائل المتحركة. [9]

حاول Albert A. Michelson (1881) قياس الحركة النسبية للأرض والأثير (Aether-Wind) ، كما كان متوقعًا في نظرية فرينل ، باستخدام مقياس التداخل. لم يستطع تحديد أي حركة نسبية ، لذلك فسر النتيجة على أنها تأكيد لأطروحة ستوكس. [10] ومع ذلك ، أظهر لورنتز (1886) أن حسابات ميكلسون كانت خاطئة وأنه بالغ في تقدير دقة القياس. هذا ، بالإضافة إلى هامش الخطأ الكبير ، جعل نتيجة تجربة ميشيلسون غير حاسمة. بالإضافة إلى ذلك ، أظهر لورنتز أن الأثير المسحوب تمامًا لستوكس أدى إلى عواقب متناقضة ، وبالتالي فهو يدعم نظرية الأثير المشابهة لنظرية فرينل. [11] للتحقق من نظرية فرينل مرة أخرى ، أجرى ميكلسون وإدوارد دبليو مورلي (1886) تكرارًا لتجربة فيزو. تم تأكيد معامل السحب لفرينل تمامًا في تلك المناسبة ، وكان ميكلسون الآن يرى أن نظرية الأثير الثابت لفرينل كانت صحيحة. [12] لتوضيح الموقف ، كرر ميكلسون ومورلي (1887) تجربة ميشيلسون عام 1881 ، وزادا دقة القياس بشكل كبير. ومع ذلك ، فإن تجربة ميشيلسون مورلي الشهيرة الآن أسفرت مرة أخرى عن نتيجة سلبية ، أي أنه لم يتم الكشف عن أي حركة للجهاز عبر الأثير (على الرغم من أن سرعة الأرض تختلف 60 كم / ثانية في الشتاء الشمالي عن الصيف). لذلك واجه الفيزيائيون تجربتين متناقضتين على ما يبدو: تجربة عام 1886 كتأكيد واضح لأثير فرينل الثابت ، وتجربة عام 1887 كتأكيد واضح لأثير ستوكس الذي تم جره بالكامل. [13]

عرض Woldemar Voigt (1887) حلاً محتملاً للمشكلة ، حيث قام بالتحقيق في تأثير دوبلر للموجات المنتشرة في وسط مرن غير قابل للضغط واستنتج علاقات التحويل التي تركت معادلة الموجة في الفضاء الحر دون تغيير ، وشرح النتيجة السلبية لميكلسون. تجربة مورلي. تتضمن تحويلات Voigt عامل Lorentz 1/1 - v 2 / c 2 < displaystyle scriptstyle <1 / < sqrt <1->/>>>>> لإحداثيات y و z ومتغير زمني جديد t ′ = t - v x / c 2 >> والذي سمي فيما بعد "بالتوقيت المحلي". ومع ذلك ، تم تجاهل عمل Voigt تمامًا من قبل معاصريه. [14] [15]

قدم فيتزجيرالد (1889) تفسيرًا آخر للنتيجة السلبية لتجربة ميكلسون مورلي. على عكس Voigt ، توقع أن تكون القوى بين الجزيئات من المحتمل أن تكون ذات أصل كهربائي بحيث تتقلص الأجسام المادية في خط الحركة (تقلص الطول). كان هذا مرتبطًا بعمل Heaviside (1887) ، الذي قرر أن الحقول الكهروستاتيكية المتحركة مشوهة (Heaviside Ellipsoid) ، مما يؤدي إلى ظروف غير محددة جسديًا عند سرعة الضوء. [16] ومع ذلك ، ظلت فكرة فيتزجيرالد غير معروفة على نطاق واسع ولم تتم مناقشتها قبل نشر أوليفر لودج ملخصًا للفكرة في عام 1892. [17] كما اقترح لورنتز (1892 ب) تقلص الطول بشكل مستقل عن فيتزجيرالد من أجل شرح تجربة ميكلسون مورلي. لأسباب معقولة ، أشار لورنتز إلى تشبيه انكماش المجالات الكهروستاتيكية. ومع ذلك ، حتى لورنتز اعترف بأن هذا لم يكن سببًا ضروريًا ، وبالتالي ظل الانكماش الطويل فرضية مخصصة. [18] [19]

تحرير نظرية لورنتز للإلكترونات

وضع لورنتز (1892 أ) أسس نظرية لورنتز الأثير ، بافتراض وجود إلكترونات فصلها عن الأثير ، واستبدال معادلات "ماكسويل - هيرتز" بمعادلات "ماكسويل - لورنتز". في نموذجه ، يكون الأثير ثابتًا تمامًا ، وخلافًا لنظرية فرينل ، لا يتم جره جزئيًا بواسطة المادة. كانت إحدى النتائج المهمة لهذه الفكرة أن سرعة الضوء مستقلة تمامًا عن سرعة المصدر. لم يقدم لورنتز أي بيانات حول الطبيعة الميكانيكية للأثير والعمليات الكهرومغناطيسية ، ولكن ، بالعكس ، حاول شرح العمليات الميكانيكية من خلال العمليات الكهرومغناطيسية ، وبالتالي خلق إيثر كهرومغناطيسي مجردة. في إطار نظريته ، حسب لورنتز ، مثل Heaviside ، تقلص المجالات الكهروستاتيكية. [19] قدم لورنتز (1895) أيضًا ما أسماه "نظرية الدول المقابلة" لشروط الترتيب الأول في v / c >. تنص هذه النظرية على أن المراقب المتحرك (بالنسبة إلى الأثير) في مجاله "الوهمي" يقوم بنفس الملاحظات التي يقوم بها مراقب مستريح في مجاله "الحقيقي". جزء مهم منه كان التوقيت المحلي t ′ = t - v x / c 2 >> ، الذي مهد الطريق لتحول لورنتز والذي قدمه بشكل مستقل عن Voigt. بمساعدة هذا المفهوم ، يمكن لورينتز شرح انحراف الضوء وتأثير دوبلر وتجربة فيزو أيضًا. ومع ذلك ، كان التوقيت المحلي لورينتز مجرد أداة رياضية مساعدة لتبسيط التحول من نظام إلى آخر - كان بوانكاريه في عام 1900 هو الذي أدرك أن "التوقيت المحلي" يُشار إليه في الواقع من خلال تحريك الساعات. [20] [21] [22] أدرك لورنتز أيضًا أن نظريته انتهكت مبدأ الفعل ورد الفعل ، لأن الأثير يعمل على المادة ، لكن المادة لا يمكن أن تعمل على الأثير غير المتحرك. [23]

تم إنشاء نموذج مشابه جدًا بواسطة جوزيف لارمور (1897 ، 1900). كان لارمور أول من وضع تحول لورنتز عام 1895 إلى شكل مكافئ جبريًا لتحولات لورنتز الحديثة ، ومع ذلك ، فقد ذكر أن تحولاته حافظت على شكل معادلات ماكسويل فقط إلى الدرجة الثانية من v / c >. لاحظ لورنتز لاحقًا أن هذه التحولات في الواقع حافظت على شكل معادلات ماكسويل لجميع أوامر v / c >. لاحظ لارمور في تلك المناسبة أن تقلص الطول كان مشتقًا من النموذج علاوة على ذلك ، فقد قام بحساب بعض طرق التمدد الزمني لمدارات الإلكترون. حدد لارمور اعتباراته في عامي 1900 و 1904. [15] [24] بشكل مستقل عن لارمور ، قام لورنتز أيضًا (1899) بتمديد تحوله لشروط من الدرجة الثانية وأشار أيضًا إلى تأثير تمدد زمني (رياضي).

حاول فيزيائيون آخرون إلى جانب لورنتز ولارمور تطوير نموذج ثابت للديناميكا الكهربية. على سبيل المثال ، ابتكر إميل كوهن (1900 ، 1901) ديناميكا كهربائية بديلة ، حيث تجاهل ، كأحد الأوائل ، وجود الأثير (على الأقل في الشكل السابق) واستخدم ، مثل إرنست ماخ ، النجوم الثابتة مثل إطار مرجعي بدلاً من ذلك. بسبب التناقضات داخل نظريته ، مثل سرعات الضوء المختلفة في اتجاهات مختلفة ، حلت محلها نظرية لورنتز وآينشتاين. [25]

تحرير الكتلة الكهرومغناطيسية

افترض فيلهلم وين (1900) (بعد أعمال طومسون وهيفيسايد وسيرل) أن بأكمله الكتلة من أصل كهرومغناطيسي ، تمت صياغته في سياق أن جميع قوى الطبيعة هي قوى كهرومغناطيسية ("منظر العالم الكهرومغناطيسي"). ذكر وين أنه إذا افترضنا أن الجاذبية هي تأثير كهرومغناطيسي أيضًا ، فلا بد من وجود تناسب بين الطاقة الكهرومغناطيسية والكتلة بالقصور الذاتي وكتلة الجاذبية. [29] في نفس الورقة وجد هنري بوانكاريه (1900 ب) طريقة أخرى للجمع بين مفاهيم الكتلة والطاقة. لقد أدرك أن الطاقة الكهرومغناطيسية تتصرف مثل سائل وهمي بكثافة كتلة م = E / ج 2 >> (أو E = m c 2 >>) وحدد زخمًا كهرومغناطيسيًا وهميًا أيضًا. ومع ذلك ، فقد وصل إلى مفارقة الإشعاع التي فسرها آينشتاين بالكامل في عام 1905. [30]

استنادًا إلى العمل السابق على الكتلة الكهرومغناطيسية ، اقترح فريدريش هاسنورل أن جزءًا من كتلة الجسم (والذي أسماه الكتلة الظاهرة) يمكن اعتباره إشعاعًا يرتد حول تجويف. تعتمد "الكتلة الظاهرة" للإشعاع على درجة الحرارة (لأن كل جسم ساخن يصدر إشعاعًا) وتتناسب مع طاقته. صرح Hasenöhrl أن هذه العلاقة بين الطاقة والكتلة تستمر فقط طالما أن الجسم يشع ، أي إذا كانت درجة حرارة الجسم أكبر من 0 كلفن في البداية أعطى التعبير م = (8/3) E / c 2 >> بالنسبة للكتلة الظاهرة ، غير أبراهام وهاسينورل نفسه في عام 1905 النتيجة إلى م = (4/3) E / ج 2 >> ، نفس قيمة الكتلة الكهرومغناطيسية لجسم في حالة سكون. [33]

الفضاء المطلق والوقت تحرير

انتقد بعض العلماء وفلاسفة العلم تعريفات نيوتن للمكان والزمان المطلقين. [34] [35] [36] جادل إرنست ماخ (1883) بأن الزمان والمكان المطلقين هما في الأساس مفاهيم ميتافيزيقية وبالتالي لا معنى لهما علميًا ، واقترح أن الحركة النسبية فقط بين الأجسام المادية هي مفهوم مفيد في الفيزياء. جادل ماخ بأنه حتى التأثيرات التي تعتمد وفقًا لنيوتن على الحركة المتسارعة فيما يتعلق بالفضاء المطلق ، مثل الدوران ، يمكن وصفها بحتة بالإشارة إلى الأجسام المادية ، وأن التأثيرات بالقصور الذاتي التي استشهد بها نيوتن لدعم الفضاء المطلق قد تكون مرتبطة بدلاً من ذلك. لمجرد التسارع فيما يتعلق بالنجوم الثابتة. قدم كارل نيومان (1870) "جسم ألفا" ، والذي يمثل نوعًا من الجسم الصلب والثابت لتحديد الحركة بالقصور الذاتي. استنادًا إلى تعريف Neumann ، قال Heinrich Streintz (1883) أنه في نظام الإحداثيات حيث لا تقيس الجيروسكوبات أي علامات دوران للحركة بالقصور الذاتي ، ترتبط بـ "الجسم الأساسي" و "نظام التنسيق الأساسي". في النهاية ، كان لودفيج لانج (1885) أول من صاغ التعبير بالقصور الذاتي للإطار المرجعي و "مقياس الوقت بالقصور الذاتي" كبدائل تشغيلية للمكان والوقت المطلقين الذي عرّف "الإطار بالقصور الذاتي" على أنه "إطار مرجعي حيث يتم إلقاء نقطة الكتلة من نفس النقطة في ثلاثة اتجاهات مختلفة (غير مستوية) تتبع مسارات مستقيمة في كل مرة يتم إلقاؤهافي عام 1902 ، نشر هنري بوانكاريه مجموعة من المقالات بعنوان العلم والفرضية، والتي تضمنت: مناقشات فلسفية مفصلة حول نسبية المكان والزمان وحول اصطلاحية التزامن البعيد ، فإن التخمين القائل بأن انتهاك مبدأ النسبية لا يمكن أبدًا اكتشاف احتمال عدم وجود الأثير ، جنبًا إلى جنب مع بعض الحجج التي تدعم الأثير والعديد من الملاحظات حول الهندسة غير الإقليدية مقابل الهندسة الإقليدية.

كانت هناك أيضًا بعض المحاولات لاستخدام الوقت كبُعد رابع. [37] [38] قام بذلك في عام 1754 جان لو روند دالمبيرت في Encyclopédie ، وبعض المؤلفين في القرن التاسع عشر مثل H.G Wells في روايته The Time Machine (1895). في عام 1901 ، تم تطوير نموذج فلسفي من قبل Menyhért Palágyi ، حيث كان المكان والزمان مجرد وجهين لنوع من "الزمكان". [39] لقد استخدم الوقت كبُعد رابع تخيلي ، والذي أعطاه الشكل i t < displaystyle scriptstyle > (حيث i = - 1 >>> ، أي رقم وهمي). ومع ذلك ، فإن إحداثيات وقت Palagyi غير مرتبطة بسرعة الضوء. كما رفض أي صلة مع الإنشاءات الحالية لـ نفضاءات الأبعاد والهندسة غير الإقليدية ، لذا فإن نموذجه الفلسفي لا يحمل سوى القليل من التشابه مع فيزياء الزمكان ، كما طوره مينكوفسكي لاحقًا. [40]

ثبات الضوء ومبدأ الحركة النسبية تحرير

في النصف الثاني من القرن التاسع عشر ، كانت هناك محاولات عديدة لتطوير شبكة ساعة عالمية متزامنة بإشارات كهربائية. لهذا المسعى ، كان لا بد من مراعاة سرعة الانتشار المحدودة للضوء ، لأن إشارات التزامن لا يمكن أن تنتقل أسرع من سرعة الضوء.

في مقالته The Measure of Time (1898) ، وصف Henri Poincaré بعض النتائج المهمة لهذه العملية وأوضح أن علماء الفلك ، في تحديد سرعة الضوء ، افترضوا ببساطة أن الضوء له سرعة ثابتة وأن هذه السرعة هي نفسها في جميع الاتجاهات. . بدون هذه الفرضية ، سيكون من المستحيل استنتاج سرعة الضوء من الملاحظات الفلكية ، كما فعل أولي رومر بناءً على ملاحظات أقمار المشتري. أشار بوانكاريه أيضًا إلى أن سرعة انتشار الضوء يمكن (وغالبًا ما يتم استخدامها عمليًا) لتحديد التزامن بين الأحداث المنفصلة مكانيًا:

يجب تحديد التزامن بين حدثين ، أو ترتيب تعاقبهما ، والمساواة بين فترتين ، بحيث يمكن أن يكون نطق القوانين الطبيعية بسيطًا قدر الإمكان. بعبارة أخرى ، كل هذه القواعد وكل هذه التعريفات ليست سوى ثمرة انتهازية لاشعورية. [41]

في بعض الأوراق الأخرى (1895 ، 1900 ب) ، جادل بوانكاريه بأن تجارب مثل تجربة ميشيلسون ومورلي تُظهر استحالة اكتشاف الحركة المطلقة للمادة ، أي الحركة النسبية للمادة فيما يتعلق بالأثير. أطلق على هذا اسم "مبدأ الحركة النسبية". [42] في نفس العام ، فسر التوقيت المحلي لورينتز على أنه نتيجة لإجراء التزامن على أساس الإشارات الضوئية. افترض أن اثنين من المراقبين الذين يتحركون في الأثير يقومان بمزامنة ساعاتهم بواسطة الإشارات الضوئية. نظرًا لأنهم يعتقدون أنهم في حالة راحة ، فإنهم يأخذون في الاعتبار وقت إرسال الإشارات فقط ثم يقومون بمراجعة ملاحظاتهم لفحص ما إذا كانت ساعاتهم متزامنة. من وجهة نظر المراقب الساكن في الأثير ، فإن الساعات ليست متزامنة وتشير إلى التوقيت المحلي t ′ = t - v x / c 2 />>> ، لكن المراقبين المتحركين فشلوا في إدراك ذلك لأنهم غير مدركين لحركتهم.لذلك ، على عكس Lorentz ، يمكن قياس التوقيت المحلي المحدد في Poincaré والإشارة إليه بواسطة الساعات. [43] لذلك ، في توصيته من لورنتز لجائزة نوبل في عام 1902 ، جادل بوانكاريه بأن لورنتز قد أوضح بشكل مقنع النتيجة السلبية لتجارب انجراف الأثير من خلال اختراع الوقت "المتناقص" أو "المحلي" ، أي إحداثي زمني يكون فيه يمكن أن يظهر حدثان في مكانين مختلفين على أنهما متزامن ، على الرغم من أنهما ليسا متزامنين في الواقع. [44]

مثل بوانكاريه ، اعتقد ألفريد بوخرير (1903) في صحة مبدأ النسبية في مجال الديناميكا الكهربائية ، ولكن على عكس بوانكاريه ، افترض بوخرير أن هذا يعني عدم وجود الأثير. ومع ذلك ، فإن النظرية التي أنشأها لاحقًا في عام 1906 كانت غير صحيحة وغير متسقة مع ذاتها ، كما أن تحول لورنتز كان غائبًا في نظريته أيضًا. [45]

تعديل نموذج لورنتز 1904

في ورقته الظواهر الكهرومغناطيسية في نظام يتحرك بأي سرعة أقل من سرعة الضوء ، كان لورنتز (1904) يتبع اقتراح بوانكاريه وحاول إنشاء صيغة للديناميكا الكهربية ، والتي تفسر فشل جميع تجارب انحراف الأثير المعروفة ، أي صحة مبدأ النسبية. حاول إثبات قابلية تطبيق تحويل لورنتز على جميع الطلبات ، رغم أنه لم ينجح تمامًا. مثل فيين وأبراهام ، جادل بأن هناك كتلة كهرومغناطيسية فقط ، وليس كتلة ميكانيكية ، واشتق التعبير الصحيح للكتلة الطولية والعرضية ، والتي كانت متوافقة مع تجارب كوفمان (على الرغم من أن تلك التجارب لم تكن دقيقة بما يكفي للتمييز بين النظريات لورنتز وابراهام). وباستخدام الزخم الكهرومغناطيسي ، يمكنه شرح النتيجة السلبية لتجربة Trouton-Noble ، حيث يجب أن يوجه مكثف متوازي اللوحة المشحون يتحرك عبر الأثير نفسه بشكل عمودي على الحركة. كما يمكن شرح تجارب Rayleigh و Brace. كانت الخطوة المهمة الأخرى هي افتراض أن تحويل لورنتز يجب أن يكون صالحًا للقوى غير الكهربائية أيضًا. [46]

في الوقت نفسه ، عندما وضع لورنتز نظريته ، أدرك فيينا (1903) نتيجة مهمة لاعتماد الكتلة على السرعة. جادل بأن السرعات الفائقة اللمعان كانت مستحيلة ، لأن ذلك سيتطلب كمية لا حصر لها من الطاقة - وقد لوحظ نفس الشيء بالفعل من قبل طومسون (1893) وسيرل (1897). وفي يونيو 1904 ، بعد أن قرأ ورقة لورنتز 1904 ، لاحظ نفس الشيء فيما يتعلق بانكماش الطول ، لأنه عند السرعات الفائقة اللمعان ، العامل 1 - v 2 / c 2 < displaystyle scriptstyle < sqrt <1->/>>>> تصبح خيالية. [47]

تم انتقاد نظرية لورنتز من قبل أبراهام ، الذي أوضح أنه من ناحية تخضع النظرية لمبدأ النسبية ، ومن ناحية أخرى يُفترض الأصل الكهرومغناطيسي لجميع القوى. أظهر أبراهام أن كلا الافتراضين غير متوافقين ، لأنه في نظرية لورنتز عن الإلكترونات المتعاقد عليها ، كانت هناك حاجة إلى قوى غير كهربائية لضمان استقرار المادة. ومع ذلك ، في نظرية إبراهيم عن الإلكترون الصلب ، لم تكن هناك حاجة لمثل هذه القوى. وهكذا نشأ السؤال عما إذا كان المفهوم الكهرومغناطيسي للعالم (متوافق مع نظرية إبراهيم) أم مبدأ النسبية (متوافق مع نظرية لورنتز) كان صحيحًا. [48]

في محاضرة ألقتها في سبتمبر 1904 في سانت لويس بعنوان مبادئ الفيزياء الرياضية ، استخلص بوانكاريه بعض النتائج من نظرية لورنتز وحدد (في تعديل مبدأ غاليليو النسبية ونظرية لورينتز للدول المقابلة) المبدأ التالي: "مبدأ النسبية ، الذي وفقًا لموجبه قوانين الظواهر الفيزيائية يجب أن تكون هي نفسها بالنسبة للمراقب الثابت مثل تلك التي يتم نقلها في حركة موحدة للترجمة ، بحيث لا يكون لدينا أي وسيلة ، ولا يمكن أن يكون لدينا أي منها ، لتحديد ما إذا كان نحن نتحرك في مثل هذه الحركة."كما حدد طريقة مزامنة الساعة الخاصة به وشرح إمكانية" طريقة جديدة "أو" ميكانيكا جديدة "، حيث لا يمكن للسرعة أن تتجاوز سرعة الضوء من أجل الكل المراقبون. ومع ذلك ، فقد أشار بشكل نقدي إلى أن مبدأ النسبية ، وعمل نيوتن ورد فعله ، والحفاظ على الكتلة ، والحفاظ على الطاقة لم يتم تأسيسها بالكامل بل إنها مهددة من قبل بعض التجارب. [49]

كما واصل Emil Cohn (1904) تطوير نموذجه البديل (كما هو موصوف أعلاه) ، وأثناء مقارنة نظريته بنظرية Lorentz ، اكتشف بعض التفسيرات الفيزيائية المهمة لتحولات Lorentz. لقد أوضح (مثل جوزيف لارمور في نفس العام) هذا التحول باستخدام العصي والساعات: إذا كانوا في حالة راحة في الأثير ، فإنهم يشيرون إلى الطول والوقت الحقيقيين ، وإذا كانوا يتحركون ، فإنهم يشيرون إلى القيم المتعاقد عليها والمتوسعة. مثل بوانكاريه ، عرّف كوهن التوقيت المحلي بأنه الوقت الذي يعتمد على افتراض الانتشار الخواص للضوء. على عكس لورنتز وبوانكاريه ، فقد لاحظ كوهن أن الفصل بين الإحداثيات "الحقيقية" و "الظاهرية" في نظرية لورنتز هو مصطنع ، لأنه لا يمكن لأي تجربة التمييز بينهما. ومع ذلك ، وفقًا لنظرية كوهن الخاصة ، فإن الكميات المحولة من لورنتز ستكون صالحة فقط للظواهر البصرية ، بينما تشير الساعات الميكانيكية إلى الوقت "الحقيقي". [25]

ديناميات بوانكاريه للإلكترون تحرير

في 5 يونيو 1905 ، قدم هنري بوانكاريه ملخصًا للعمل الذي سد الفجوات الموجودة في عمل لورنتز. (احتوت هذه الورقة القصيرة على نتائج عمل أكثر اكتمالا سيتم نشره لاحقًا ، في يناير 1906.) أظهر أن معادلات لورنتز للديناميكا الكهربية لم تكن متغيرة بشكل كامل لورنتز. لذلك أشار إلى خصائص المجموعة للتحول ، وصحح معادلات لورنتز لتحولات كثافة الشحنة وكثافة التيار (التي احتوت ضمنيًا على صيغة إضافة السرعة النسبية ، والتي وضعها في مايو في رسالة إلى لورنتز). استخدم بوانكاريه لأول مرة مصطلح "تحويل لورنتز" ، وأعطى التحولات شكلها المتماثل المستخدم حتى يومنا هذا. قدم قوة ربط غير كهربائية (ما يسمى ب "إجهادات بوانكاريه") لضمان استقرار الإلكترونات وشرح انكماش الطول. كما رسم أيضًا نموذج لورنتز الثابت للجاذبية (بما في ذلك موجات الجاذبية) من خلال تمديد صلاحية ثبات لورنتز إلى القوى غير الكهربائية. [50] [51]

في النهاية ، أنهى بوانكاريه (بصرف النظر عن أينشتاين) عملاً موسعًا إلى حد كبير من ورقته البحثية في يونيو (ما يسمى ب "ورقة باليرمو" ، التي وردت في 23 يوليو ، طُبعت في 14 ديسمبر ، ونُشرت في يناير 1906). تحدث حرفيا عن "افتراض النسبية". أظهر أن التحولات هي نتيجة لمبدأ العمل الأقل وطور خصائص ضغوط بوانكاريه. أوضح بمزيد من التفصيل خصائص المجموعة للتحول ، والتي أطلق عليها مجموعة Lorentz ، وأظهر أن المجموعة x 2 + y 2 + z 2 - c 2 t 2 < displaystyle scriptstyle + y ^ <2> + z ^ <2> -c ^ <2> t ^ <2> >> ثابت. أثناء تطوير نظريته في الجاذبية ، قال إن تحويل لورنتز هو مجرد دوران في فضاء رباعي الأبعاد حول الأصل ، من خلال تقديم c t - 1 >>> كإحداثي وهمي رابع (على عكس Palagyi ، قام بتضمين سرعة الضوء) ، وقد استخدم بالفعل أربعة متجهات. وكتب أن اكتشاف بول أولريش فيلارد لأشعة الكاثود الممغنطة (1904) بدا وكأنه يهدد نظرية لورنتز بأكملها ، ولكن تم حل هذه المشكلة بسرعة. [52] ومع ذلك ، على الرغم من أن بوانكاريه رفض في كتاباته الفلسفية أفكار المكان والزمان المطلقين ، إلا أنه استمر في أوراقه المادية في الإشارة إلى الأثير (غير القابل للكشف). كما واصل (1900 ب ، 1904 ، 1906 ، 1908 ب) وصف الإحداثيات والظواهر بأنها محلية / ظاهرية (للمراقبين المتحركين) وحقيقية / حقيقية (للمراقبين الساكنين في الأثير). [22] [53] لذلك ، مع استثناءات قليلة ، [54] [55] [56] [57] يجادل معظم مؤرخي العلوم بأن بوانكاريه لم يخترع ما يسمى الآن بالنسبية الخاصة ، على الرغم من الاعتراف بأن بوانكاريه توقع الكثير من أساليب ومصطلحات أينشتاين. [58] [59] [60] [61] [62] [63]

اينشتاين 1905 تحرير

الديناميكا الكهربية للأجسام المتحركة

في 26 سبتمبر 1905 (تم استلامه في 30 يونيو) ، نشر ألبرت أينشتاين بحثه السنوي حول ما يسمى الآن النسبية الخاصة. تتضمن ورقة أينشتاين تعريفًا أساسيًا جديدًا للمكان والزمان (جميع إحداثيات الزمان والمكان في جميع الأطر المرجعية على قدم المساواة ، لذلك لا يوجد أساس مادي لتمييز الوقت "الحقيقي" عن "الظاهر") ويجعل الأثير غير ضروري المفهوم ، على الأقل فيما يتعلق بالحركة بالقصور الذاتي. حدد أينشتاين مبدأين أساسيين ، مبدأ النسبية و مبدأ ثبات الضوء (مبدأ الضوء) ، والتي كانت بمثابة الأساس البديهي لنظريته. لفهم خطوة أينشتاين بشكل أفضل ، يجب تقديم ملخص للوضع قبل عام 1905 ، كما تم وصفه أعلاه ، [64] (يجب ملاحظة أن أينشتاين كان على دراية بنظرية لورنتز لعام 1895 ، و العلم والفرضية بوانكاريه ، ولكن ليس أوراقهم من 1904 إلى 1905):

أكانت الديناميكا الكهربائية لماكسويل ، كما قدمها لورنتز عام 1895 ، أنجح نظرية في ذلك الوقت. هنا ، تكون سرعة الضوء ثابتة في جميع الاتجاهات في الأثير الثابت ومستقلة تمامًا عن سرعة المصدر ب) عدم القدرة على إيجاد حالة الحركة المطلقة ، بمعنى آخر. صحة مبدأ النسبية كنتيجة للنتائج السلبية لجميع تجارب انجراف الأثير والتأثيرات مثل مشكلة المغناطيس المتحرك والموصل والتي تعتمد فقط على الحركة النسبية ج) تجربة فيزو د) انحراف الضوء

مع العواقب التالية على سرعة الضوء والنظريات المعروفة في ذلك الوقت:

  1. لا تتكون سرعة الضوء من سرعة الضوء في الفراغ وسرعة الإطار المرجعي المفضل بمقدار ب. هذا يتعارض مع نظرية الأثير الثابت (تقريبًا).
  2. لا تتكون سرعة الضوء من سرعة الضوء في الفراغ وسرعة مصدر الضوء بمقدار أ و ج. هذا يتعارض مع نظرية الانبعاث.
  3. لا تتكون سرعة الضوء من سرعة الضوء في الفراغ وسرعة الأثير الذي يمكن جره داخل المادة أو بالقرب منها ، بواسطة أ ، ج، و د. هذا يتناقض مع فرضية السحب الكامل للأثير.
  4. لا تتكون سرعة الضوء في الوسط المتحرك من سرعة الضوء عندما يكون الوسط في حالة سكون وسرعة الوسط ، ولكن يتم تحديدها بواسطة معامل سحب Fresnel ، بواسطة ج. [أ]

من أجل جعل مبدأ النسبية كما هو مطلوب من قبل بوانكاريه قانونًا دقيقًا للطبيعة في نظرية الأثير غير المتحركة في لورنتز ، كان من الضروري إدخال مجموعة متنوعة من الفرضيات المخصصة ، مثل فرضية الانكماش ، والتوقيت المحلي ، وتأكيد بوانكاريه ، إلخ. .. وقد انتقد كثير من العلماء هذه الطريقة ، لأن افتراض مؤامرة التأثيرات التي تمنع تمامًا اكتشاف انجراف الأثير يعتبر غير محتمل للغاية ، كما أنه ينتهك شفرة أوكام أيضًا. [20] [65] [66] [67] يعتبر أينشتاين أول من استغنى تمامًا عن مثل هذه الفرضيات المساعدة واستخلص النتائج المباشرة من الحقائق المذكورة أعلاه: [20] [65] [66] [67] أن النسبية المبدأ صحيح وسرعة الضوء الملحوظة مباشرة هي نفسها في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي. بناءً على نهجه البديهي ، كان أينشتاين قادرًا على الاشتقاق جميع النتائج حصل عليها أسلافه - بالإضافة إلى الصيغ الخاصة بتأثير دوبلر النسبي والانحراف النسبي - في بضع صفحات ، بينما قبل عام 1905 كرس منافسوه سنوات طويلة من العمل المعقد للوصول إلى نفس الشكلية الرياضية. قبل عام 1905 ، تبنى لورنتز وبوانكاريه نفس هذه المبادئ ، حسب الضرورة لتحقيق نتائجهم النهائية ، لكنهم لم يدركوا أنها كانت كافية أيضًا بمعنى أنه لا توجد حاجة منطقية فورية لافتراض وجود الأثير الثابت من أجل الوصول في تحولات لورينتز. [62] [68] سبب آخر لرفض أينشتاين المبكر للأثير بأي شكل (والذي تراجع عنه جزئيًا لاحقًا) ربما كان مرتبطًا بعمله في فيزياء الكم. اكتشف أينشتاين أنه يمكن أيضًا وصف الضوء (على الأقل من منظور مجريات الأمور) كنوع من الجسيمات ، لذا فإن الأثير باعتباره وسيطًا لـ "الموجات" الكهرومغناطيسية (وهو أمر مهم للغاية بالنسبة إلى لورينتز وبوانكاريه) لم يعد ملائمًا لمخططه المفاهيمي. [69]

من الجدير بالذكر أن ورقة أينشتاين لا تحتوي على مراجع مباشرة لأوراق أخرى. ومع ذلك ، حاول العديد من مؤرخي العلوم مثل هولتون ، [65] ميلر ، [59] ستاتيل ، [70] اكتشاف التأثيرات المحتملة على أينشتاين. وذكر أن تفكيره تأثر بالفلاسفة التجريبيين ديفيد هيوم وإرنست ماخ. فيما يتعلق بمبدأ النسبية ، كانت مشكلة المغناطيس المتحرك والموصل (ربما بعد قراءة كتاب من August Föppl) وتجارب انجراف الأثير السلبية المختلفة مهمة بالنسبة له لقبول هذا المبدأ - لكنه نفى أي تأثير مهم لـ الأكثر أهمية التجربة: تجربة ميكلسون مورلي. [70] من بين التأثيرات المحتملة الأخرى تأثير بوانكاريه العلم والفرضية، حيث قدم بوانكاريه مبدأ النسبية (والذي ، كما أفاد صديق أينشتاين ، موريس سولوفين ، تمت دراسته عن كثب ومناقشته من قبل أينشتاين وأصدقاؤه على مدى سنوات قبل نشر ورقة أينشتاين عام 1905) ، [71] و كتابات ماكس أبراهام ، الذي استعار منه المصطلحات "معادلات ماكسويل - هيرتز" و "الكتلة الطولية والعرضية". [72]

فيما يتعلق بآرائه حول الديناميكا الكهربائية ومبدأ ثبات الضوء ، ذكر أينشتاين أن نظرية لورنتز لعام 1895 (أو الديناميكا الكهربائية ماكسويل-لورنتز) وكذلك تجربة فيزو كان لها تأثير كبير على تفكيره. قال في عامي 1909 و 1912 أنه استعار هذا المبدأ من الأثير الثابت لورينتز (والذي يشير ضمنيًا إلى صحة معادلات ماكسويل وثبات الضوء في إطار الأثير) ، لكنه أدرك أن هذا المبدأ جنبًا إلى جنب مع مبدأ النسبية يجعل أي إشارة إلى الأثير غير ضروري (على الأقل فيما يتعلق بوصف الديناميكا الكهربائية في الإطارات بالقصور الذاتي). [73] كما كتب في عام 1907 وفي أوراق لاحقة ، يمكن حل التناقض الواضح بين هذه المبادئ إذا تم الاعتراف بأن التوقيت المحلي لورينتز ليس كمية ثانوية ، ولكن يمكن تعريفه ببساطة على أنه زمن ويرتبط بسرعة الإشارة. قبل أينشتاين ، طور بوانكاريه أيضًا تفسيرًا ماديًا مشابهًا للتوقيت المحلي ولاحظ الارتباط بسرعة الإشارة ، ولكن على عكس أينشتاين استمر في القول بأن الساعات في حالة السكون في الأثير الثابت تُظهر الوقت الحقيقي ، بينما الساعات في حركة القصور الذاتي بالنسبة إلى تظهر الأثير الوقت الظاهر فقط. في نهاية المطاف ، قرب نهاية حياته في عام 1953 ، وصف أينشتاين مزايا نظريته على نظرية لورنتز على النحو التالي (على الرغم من أن بوانكاريه قد صرح بالفعل في عام 1905 أن ثبات لورنتز هو شرط محدد لأي نظرية فيزيائية): [73]

ليس هناك شك في أن النظرية النسبية الخاصة ، إذا نظرنا إلى تطورها في وقت لاحق ، كانت جاهزة للاكتشاف في عام 1905. كان لورنتز قد أدرك بالفعل أن التحولات التي سميت باسمه ضرورية لتحليل معادلات ماكسويل ، وعمق بوانكاريه ذلك. البصيرة لا تزال أبعد. فيما يتعلق بنفسي ، كنت أعرف فقط عمل لورنتز المهم لعام 1895 [. ] ولكن ليس عمل لورنتز في وقت لاحق ، ولا التحقيقات المتتالية من قبل بوانكاريه. بهذا المعنى كان عملي لعام 1905 مستقلاً. [..] كانت السمة الجديدة لها هي إدراك حقيقة أن تأثير تحول لورنتز تجاوز ارتباطه مع معادلات ماكسويل وكان مهتمًا بطبيعة المكان والزمان بشكل عام. وكانت النتيجة الجديدة الأخرى أن "ثبات لورنتز" هو شرط عام لأي نظرية فيزيائية. كان هذا بالنسبة لي ذا أهمية خاصة لأنني وجدت سابقًا أن نظرية ماكسويل لا تأخذ في الحسبان البنية الدقيقة للإشعاع وبالتالي لا يمكن أن يكون لها صلاحية عامة.

تحرير معادلة الكتلة والطاقة

بالفعل في الفقرة 10 من ورقته حول الديناميكا الكهربائية ، استخدم أينشتاين الصيغة

للطاقة الحركية للإلكترون. في تفصيل هذا نشر ورقة بحثية (وردت في 27 سبتمبر ، نوفمبر 1905) ، أظهر فيها أينشتاين أنه عندما يفقد الجسم المادي الطاقة (سواء الإشعاع أو الحرارة) من الكمية ه، انخفضت كتلته بالمقدار ه/ج 2. أدى ذلك إلى صيغة معادلة الكتلة والطاقة الشهيرة: ه = مولودية 2. اعتبر أينشتاين أن معادلة التكافؤ ذات أهمية قصوى لأنها أظهرت أن الجسيم الضخم يمتلك طاقة ، "طاقة الراحة" ، تختلف عن طاقاتها الحركية والواقعية الكلاسيكية. [30] كما هو موضح أعلاه ، توصل العديد من المؤلفين قبل أينشتاين إلى صيغ مماثلة (بما في ذلك عامل 4/3) لعلاقة الكتلة بالطاقة. ومع ذلك ، فقد ركز عملهم على الطاقة الكهرومغناطيسية التي (كما نعلم اليوم) لا تمثل سوى جزء صغير من الطاقة الكاملة داخل المادة. لذلك كان أينشتاين هو أول من: (أ) ينسب هذه العلاقة إلى جميع أشكال الطاقة ، و (ب) يفهم علاقة تكافؤ الكتلة والطاقة بمبدأ النسبية.

تحرير الاستقبال المبكر

التقييمات الأولى تحرير

ربما كان والتر كوفمان (1905 ، 1906) هو أول من أشار إلى عمل أينشتاين. قارن بين نظريتي لورينتز وآينشتاين ، وعلى الرغم من أنه قال إن طريقة أينشتاين مفضلة ، إلا أنه جادل بأن كلا النظريتين متكافئتان من حيث الملاحظة. لذلك ، تحدث عن مبدأ النسبية باعتباره الافتراض الأساسي "لورينتز-أينشتينيان". [74] بعد ذلك بوقت قصير ، كان ماكس بلانك (1906 أ) أول من دافع علنًا عن النظرية وأهتم بطلابه ، ماكس فون لاو وكرد فون موسنجيل ، بهذه الصيغة. وصف نظرية أينشتاين بأنها "تعميم" لنظرية لورنتز ، وإلى "نظرية لورنتز-أينشتاين" ، أعطى اسم "النظرية النسبية" بينما غير ألفريد بوخرير تسمية بلانك إلى "نظرية النسبية" الشائعة الآن ("Einsteinsche Relativitätstheorieمن ناحية أخرى ، واصل أينشتاين نفسه والعديد من الآخرين الإشارة ببساطة إلى الطريقة الجديدة على أنها "مبدأ النسبية". وفي مقالة عامة مهمة حول مبدأ النسبية (1908 أ) ، وصف أينشتاين SR بأنه "اتحاد بين نظرية لورنتز ومبدأ النسبية "، بما في ذلك الافتراض الأساسي بأن التوقيت المحلي لورينتز يمكن وصفه بالوقت الحقيقي. (ومع ذلك ، نادرًا ما تم ذكر مساهمات بوانكاريه في السنوات الأولى بعد عام 1905.) كل هذه التعبيرات (نظرية لورنتز-أينشتاين ، تم استخدام مبدأ النسبية ، نظرية النسبية) من قبل فيزيائيين مختلفين بالتناوب في السنوات التالية.

بعد بلانك ، سرعان ما أصبح علماء الفيزياء الألمان مهتمين بالنسبية ، بما في ذلك أرنولد سومرفيلد ، فيلهلم وين ، ماكس بورن ، بول إهرنفست ، وألفريد بوخرير. [76] von Laue ، الذي تعلم عن النظرية من بلانك ، [76] نشر أول دراسة نهائية عن النسبية في عام 1911. [77] بحلول عام 1911 ، غير سومرفيلد خطته للتحدث عن النسبية في مؤتمر سولفاي لأن النظرية كانت بالفعل تعتبر راسخة. [76]

تجارب كوفمان - بوخرير تحرير

أعلن كوفمان (1905 ، 1906) عن نتائج تجاربه الجديدة حول نسبة الشحنة إلى الكتلة ، أي اعتماد الكتلة على السرعة. لقد مثلوا ، في رأيه ، تفنيدًا واضحًا لمبدأ النسبية ونظرية لورنتز آينشتاين ، وتأكيدًا لنظرية إبراهيم. لعدة سنوات ، مثلت تجارب كوفمان اعتراضًا كبيرًا على مبدأ النسبية ، على الرغم من انتقاده من قبل بلانك وأدولف بيستلمير (1906). تبعًا لكوفمان فيزيائيون آخرون ، مثل ألفريد بوخرير (1908) وجونتر نيومان (1914) ، درسوا أيضًا اعتماد الكتلة على السرعة ، وكان يُعتقد هذه المرة أنه تم تأكيد "نظرية لورينتز-أينشتاين" ومبدأ النسبية ، ونظرية أبراهام دحض. ومع ذلك ، تمت الإشارة لاحقًا إلى أن تجارب Kaufmann-Bucherer-Neumann أظهرت فقط زيادة نوعية في الكتلة للإلكترونات المتحركة ، لكنها لم تكن دقيقة بما يكفي للتمييز بين نماذج لورنتز-آينشتاين وأبراهام. لذلك استمر حتى عام 1940 ، عندما تكررت تجارب من هذا النوع بدقة كافية لتأكيد صيغة لورنتز-آينشتاين. [74] ومع ذلك ، حدثت هذه المشكلة فقط مع هذا النوع من التجارب. قدمت التحقيقات التي أجريت على البنية الدقيقة لخطوط الهيدروجين بالفعل في عام 1917 تأكيدًا واضحًا لصيغة لورنتز-آينشتاين ودحض نظرية أبراهام. [78]

الزخم النسبي وتحرير الكتلة

حدد بلانك (1906 أ) الزخم النسبي وأعطى القيم الصحيحة للكتلة الطولية والعرضية عن طريق تصحيح خطأ طفيف في التعبير الذي قدمه أينشتاين في عام 1905. كانت تعبيرات بلانك من حيث المبدأ مكافئة لتلك التي استخدمها لورنتز في عام 1899. [79] بناءً على عمل بلانك ، تم تطوير مفهوم الكتلة النسبية بواسطة جيلبرت نيوتن لويس وريتشارد سي تولمان (1908 ، 1909) من خلال تعريف الكتلة على أنها نسبة الزخم إلى السرعة. لذا فإن التعريف الأقدم للكتلة الطولية والعرضية ، حيث تم تعريف الكتلة على أنها نسبة القوة إلى التسارع ، أصبح غير ضروري. أخيرًا ، فسر تولمان (1912) الكتلة النسبية ببساطة على أنها ال كتلة الجسم. [80] ومع ذلك ، فإن العديد من الكتب المدرسية الحديثة عن النسبية لا تستخدم مفهوم الكتلة النسبية بعد الآن ، والكتلة في النسبية الخاصة تعتبر كمية ثابتة.

تحرير الكتلة والطاقة

أظهر أينشتاين (1906) أن القصور الذاتي للطاقة (معادلة الكتلة والطاقة) هو شرط ضروري وكافٍ للحفاظ على نظرية مركز الكتلة. في تلك المناسبة ، لاحظ أن المحتوى الرياضي الرسمي لورقة بوانكاريه حول مركز الكتلة (1900 ب) وورقته البحثية كانا متماثلين بشكل أساسي ، على الرغم من أن التفسير الفيزيائي كان مختلفًا في ضوء النسبية. [30]

كردي فون موسنجيل (1906) من خلال توسيع حساب هاسينورل لإشعاع الجسم الأسود في تجويف ، اشتق نفس التعبير عن الكتلة الإضافية للجسم بسبب الإشعاع الكهرومغناطيسي مثل Hasenöhrl. كانت فكرة Hasenöhrl أن كتلة الأجسام تتضمن مساهمة من المجال الكهرومغناطيسي ، تخيل الجسم على أنه تجويف يحتوي على ضوء. احتوت علاقته بين الكتلة والطاقة ، مثل كل علاقات ما قبل أينشتاين ، على عوامل مسبقة رقمية غير صحيحة (انظر الكتلة الكهرومغناطيسية). في النهاية اشتق بلانك (1907) معادلة الكتلة والطاقة بشكل عام في إطار النسبية الخاصة ، بما في ذلك القوى الرابطة داخل المادة. لقد أقر بأولوية عمل أينشتاين عام 1905 على E = m c 2 < displaystyle E = mc ^ <2>> ، لكن بلانك حكم على نهجه الخاص على أنه أكثر عمومية من أسلوب أينشتاين. [81]

تجارب Fizeau و Sagnac Edit

كما تم توضيحه أعلاه ، نجح لورنتز بالفعل في عام 1895 في اشتقاق معامل جر Fresnel (إلى الدرجة الأولى من v / c) وتجربة Fizeau باستخدام النظرية الكهرومغناطيسية ومفهوم التوقيت المحلي. بعد المحاولات الأولى من قبل جاكوب لوب (1907) لإنشاء "بصريات الأجسام المتحركة" النسبية ، كان ماكس فون لاو (1907) هو الذي اشتق المعامل لشروط جميع الرتب باستخدام الحالة الخطية لقانون إضافة السرعة النسبية. بالإضافة إلى ذلك ، كان حساب Laue أبسط بكثير من الطرق المعقدة التي استخدمها Lorentz. [23]

في عام 1911 ناقش لاو أيضًا موقفًا يتم فيه تقسيم شعاع الضوء على المنصة وصنع الشعاعين لاتباع مسار في اتجاهين متعاكسين. عند العودة إلى نقطة الدخول ، يُسمح للضوء بالخروج من المنصة بطريقة يتم فيها الحصول على نمط التداخل. قام Laue بحساب إزاحة نمط التداخل إذا كانت المنصة تدور - لأن سرعة الضوء مستقلة عن سرعة المصدر ، لذلك غطت إحدى الشعاع مسافة أقل من الشعاع الآخر. تم إجراء تجربة من هذا النوع بواسطة جورج سانياك في عام 1913 ، والذي قام بالفعل بقياس إزاحة نمط التداخل (تأثير سانياك). بينما استنتج Sagnac نفسه أن نظريته أكدت نظرية الأثير في حالة السكون ، أظهر حساب Laue السابق أنه متوافق مع النسبية الخاصة أيضًا لأنه في على حد سواء نظريات أن سرعة الضوء مستقلة عن سرعة المصدر. يمكن فهم هذا التأثير على أنه النظير الكهرومغناطيسي لميكانيكا الدوران ، على سبيل المثال قياسا على بندول فوكو. [82] في 1909-1111 ، أجرى فرانز هاريس (1912) تجربة يمكن اعتبارها توليفة لتجارب فيزو وسانياك. حاول قياس معامل السحب داخل الزجاج. على عكس Fizeau ، استخدم جهازًا دوارًا لذلك وجد نفس تأثير Sagnac. بينما أساء هاريس نفسه فهم معنى النتيجة ، فقد أوضح لاو أن التفسير النظري لتجربة هاريس يتوافق مع تأثير ساجناك. [83] في نهاية المطاف ، أشارت تجربة ميشيلسون-جيل-بيرسون (1925 ، اختلاف عن تجربة ساجناك) إلى السرعة الزاوية للأرض نفسها وفقًا للنسبية الخاصة والأثير الساكن.

نسبية تحرير التزامن

كما تم تبسيط المشتقات الأولى لنسبية التزامن عن طريق التزامن مع الإشارات الضوئية. [84] وضع دانيال فروست كومستوك (1910) مراقبًا في المنتصف بين ساعتين أ و ب. من هذا المراقب ، يتم إرسال إشارة إلى كلتا الساعتين ، وفي الإطار الذي يكون فيه A و B في حالة راحة ، يبدأون بشكل متزامن في يركض. ولكن من منظور النظام الذي يتحرك فيه A و B ، يتم ضبط الساعة B أولاً ، ثم تأتي الساعة A - لذلك لا تتم مزامنة الساعات. كما أنشأ أينشتاين (1917) نموذجًا مع مراقب في المنتصف بين A و B. ومع ذلك ، في وصفه ، يتم إرسال إشارتين من عند أ و ب للمراقب. من منظور الإطار الذي يكون فيه A و B في حالة راحة ، يتم إرسال الإشارات والمراقب في نفس الوقت "يسارع نحو شعاع الضوء القادم من B ، بينما يركب أمام شعاع الضوء القادم من A. ومن ثم سيرى المراقب شعاع الضوء المنبعث من B في وقت أبكر مما سيرى ذلك المنبعث من A. عند أخذ قطار السكة الحديد كجسم مرجعي ، يجب أن يصل إلى استنتاج مفاده أن وميض البرق B حدث قبل وميض البرق A."

تحرير فيزياء الزمكان

تحرير Minkowski للزمكان

محاولة بوانكاريه لإعادة الصياغة رباعية الأبعاد للميكانيكا الجديدة لم تستمر بنفسه ، [52] لذلك كان هيرمان مينكوفسكي (1907) ، الذي توصل إلى نتائج تلك الفكرة (قدم روبرتو ماركولونجو مساهمات أخرى (1906) و ريتشارد هارجريفز (1908) [85]). استند هذا إلى عمل العديد من علماء الرياضيات في القرن التاسع عشر مثل آرثر كايلي ، أو فيليكس كلاين ، أو ويليام كينجدون كليفورد ، الذين ساهموا في نظرية المجموعة ، والنظرية الثابتة والهندسة الإسقاطية ، وصياغة مفاهيم مثل مقياس كايلي - كلاين أو نموذج hyperboloid حيث الفاصل الزمني x 1 2 + x 2 2 + x 3 2 - x 4 2 < displaystyle x_ <1> ^ <2> + x_ <2> ^ <2> + x_ <3> ^ <2> -x_ تم تعريف <4> ^ <2>> وثباته من حيث الهندسة الزائدية. [86] باستخدام طرق مماثلة ، نجح مينكوفسكي في صياغة تفسير هندسي لتحويل لورنتز. أكمل ، على سبيل المثال ، مفهوم أربعة نواقل أنشأ مخطط مينكوفسكي لتصوير الزمكان وكان أول من استخدم تعبيرات مثل خط العالم ، والوقت المناسب ، وثبات لورينتز / التغاير ، وما إلى ذلك ، وأبرزها أنه قدم أربعة: صياغة الأبعاد للديناميكا الكهربائية. على غرار بوانكاريه ، حاول صياغة قانون لورنتز الثابت للجاذبية ، ولكن تم استبدال هذا العمل لاحقًا بتوضيحات أينشتاين حول الجاذبية.

في عام 1907 ، حدد مينكوفسكي أربعة أسلاف ساهموا في صياغة مبدأ النسبية: لورنتز وأينشتاين وبوينكاريه وبلانك. وفي محاضرته الشهيرة "الفضاء والزمان" (1908) ذكر فويغت ولورينتز وآينشتاين. اعتبر مينكوفسكي نفسه نظرية أينشتاين كتعميم لورينتز وأثنى على أينشتاين لتوضيحه بالكامل لنسبية الزمن ، لكنه انتقد أسلافه لعدم تطويرهم لنسبية الفضاء بشكل كامل. ومع ذلك ، يجادل مؤرخو العلوم المعاصرون بأن ادعاء مينكوفسكي للأولوية كان غير مبرر ، لأن مينكوفسكي (مثل فيين أو أبراهام) التزم بصورة العالم الكهرومغناطيسي ويبدو أنه لم يفهم تمامًا الفرق بين نظرية لورينتز للإلكترون وحركية أينشتاين. [87] [88] في عام 1908 ، رفض أينشتاين ولوب الديناميكا الكهربية رباعية الأبعاد لمينكوفسكي باعتبارها "زائدة مكتسبة" معقدة للغاية ونشروا اشتقاقًا "أوليًا أكثر" وغير رباعي الأبعاد للمعادلات الأساسية للأجسام المتحركة. لكن كان نموذج مينكوفسكي الهندسي هو الذي (أ) أظهر أن النسبية الخاصة هي نظرية كاملة ومتسقة ذاتيًا داخليًا ، (ب) أضاف الفاصل الزمني المناسب الثابت في لورنتز (والذي يفسر القراءات الفعلية التي تظهرها الساعات المتحركة) ، و ( ج) عمل كأساس لمزيد من تطوير النسبية. [85] في النهاية ، أدرك أينشتاين (1912) أهمية نموذج الزمكان الهندسي لمينكوفسكي واستخدمه كأساس لعمله على أسس النسبية العامة.

يُنظر إلى النسبية الخاصة اليوم على أنها تطبيق للجبر الخطي ، ولكن في ذلك الوقت كانت النسبية الخاصة قيد التطوير ، كان مجال الجبر الخطي لا يزال في مهده. لم تكن هناك كتب مدرسية حول الجبر الخطي كنظرية متجهية حديثة للفضاء والتحول ، ولم يتم استخدام تدوين المصفوفة لآرثر كايلي (الذي يوحد الموضوع) بعد على نطاق واسع. استخدم Minkowski (1908) تدوين حساب مصفوفة كايلي في صياغة الديناميكا الكهربائية النسبية ، على الرغم من أنه تم استبداله لاحقًا بـ Sommerfeld باستخدام تدوين المتجه. [89] وفقًا لمصدر حديث ، فإن تحويلات لورنتز تكافئ الدوران الزائدي. [90] ومع ذلك ، فقد أظهر Varicak (1910) أن تحويل Lorentz القياسي هو ترجمة في الفضاء الزائدي. [91]

تدوين المتجه والأنظمة المغلقة تحرير

سرعان ما تم قبول شكليات Minkowski في الزمكان وتطويرها. [88] على سبيل المثال ، استبدل Arnold Sommerfeld (1910) تدوين مصفوفة Minkowski بترميز متجه أنيق وصاغ المصطلحات "ناقل رباعي" و "متجه ستة". كما قدم أيضًا صياغة مثلثية لقاعدة إضافة السرعة النسبية ، والتي وفقًا لسومرفيلد ، تزيل الكثير من غرابة هذا المفهوم. تم تقديم مساهمات مهمة أخرى بواسطة Laue (1911 ، 1913) ، الذي استخدم شكليات الزمكان لإنشاء نظرية نسبية للأجسام المشوهة ونظرية الجسيمات الأولية. [92] [93] قام بمد تعبيرات مينكوفسكي للعمليات الكهرومغناطيسية لتشمل جميع القوى الممكنة وبالتالي أوضح مفهوم تكافؤ الكتلة والطاقة. أظهر لاوي أيضًا أن هناك حاجة إلى القوى غير الكهربائية لضمان خصائص تحويل لورنتز المناسبة ، ومن أجل استقرار المادة - فقد أظهر أن "ضغوط بوانكاريه" (كما ذكر أعلاه) هي نتيجة طبيعية لنظرية النسبية بحيث يكون الإلكترون يمكن أن يكون نظامًا مغلقًا.

تحويل لورنتز بدون تحرير الافتراض الثاني

كانت هناك بعض المحاولات لاشتقاق تحويل لورنتز دون افتراض ثبات سرعة الضوء. استخدم فلاديمير إغناتوفسكي (1910) على سبيل المثال لهذا الغرض (أ) مبدأ النسبية ، (ب) التجانس والتناحي في الفضاء ، و (ج) شرط المعاملة بالمثل. جادل فيليب فرانك وهيرمان روث (1911) بأن هذا الاشتقاق غير مكتمل ويحتاج إلى افتراضات إضافية. استند حسابهم الخاص إلى الافتراضات التالية: (أ) يشكل تحويل لورنتز مجموعة خطية متجانسة ، (ب) عند تغيير الإطارات ، فقط علامة تغير السرعة النسبية ، (ج) يعتمد طول الانكماش فقط على السرعة النسبية. ومع ذلك ، وفقًا لباولي وميلر ، لم تكن هذه النماذج كافية لتحديد السرعة الثابتة في تحولها مع سرعة الضوء - على سبيل المثال ، اضطر Ignatowski إلى اللجوء إلى الديناميكا الكهربية لتشمل سرعة الضوء. لذلك جادل باولي وآخرون بأن كلا الافتراضين ضروريان لاشتقاق تحويل لورنتز. [94] [95] ومع ذلك ، حتى اليوم ، واصل آخرون محاولات اشتقاق النسبية الخاصة دون الافتراض الخفيف.

الصيغ غير الإقليدية بدون تعديل تنسيق زمني وهمي

تبع مينكوفسكي في أعماله السابقة في عامي 1907 و 1908 بوانكاريه في تمثيل المكان والزمان معًا في شكل معقد (x ، y ، z ، ict) مؤكداً على التشابه الشكلي مع الفضاء الإقليدي. وأشار إلى أن الزمكان ، بمعنى ما ، مشعب رباعي الأبعاد غير إقليدي. [96] استخدم سومرفيلد (1910) تمثيل مينكوفسكي المعقد للجمع بين السرعات غير الخطية بواسطة الهندسة الكروية ومن ثم اشتقاق صيغة إضافة أينشتاين. استغنى الكتاب اللاحقون ، [97] Varićak بشكل أساسي ، عن إحداثيات الوقت الخيالية ، وكتبوا بصراحة غير إقليدية (أي Lobachevskian) يعيدون صياغة النسبية باستخدام مفهوم السرعة الذي قدمه سابقًا ألفريد روب (1911) إدوين بيدويل ويلسون وجيلبرت ن. قدم لويس (1912) تدوينًا متجهًا للزمكان ، أظهر إميل بوريل (1913) كيف أن النقل الموازي في الفضاء غير الإقليدي يوفر الأساس الحركي لمبادرة توماس قبل اثني عشر عامًا من اكتشافه التجريبي بواسطة توماس فيليكس كلاين (1910) ولودفيك سيلبرشتاين (1914) استخدمت مثل هذه الأساليب كذلك. يجادل أحد المؤرخين بأن الأسلوب غير الإقليدي لم يكن لديه سوى القليل لإظهاره "في طريقة القوة الإبداعية للاكتشاف" ، لكنه قدم مزايا رمزية في بعض الحالات ، لا سيما في قانون إضافة السرعة. [98] (لذلك في السنوات التي سبقت الحرب العالمية الأولى ، كان قبول الأسلوب غير الإقليدي مساويًا تقريبًا للشكلية الأولية للزمكان ، واستمر استخدامه في الكتب النسبية للقرن العشرين. [98]

تمدد الوقت وتحرير المفارقة المزدوجة

اقترح أينشتاين (1907 أ) طريقة لاكتشاف تأثير دوبلر المستعرض كنتيجة مباشرة لتمدد الوقت. وفي الواقع ، تم قياس هذا التأثير في عام 1938 من قبل هربرت إييفز وجي آر ستيلويل (تجربة إيفز-ستيلويل). [99] ووصف لويس وتولمان (1909) المعاملة بالمثل لتمدد الوقت باستخدام ساعتين ضوئيتين A و B ، يسافران بسرعة نسبية معينة لبعضهما البعض. تتكون الساعات من مرآتين مستويين متوازيتين مع بعضهما البعض وخط الحركة. بين المرآتين إشارة ضوئية ترتد ، وبالنسبة للمراقب الذي يستريح في نفس الإطار المرجعي مثل A ، فإن فترة الساعة A هي المسافة بين المرآتين مقسومة على سرعة الضوء. ولكن إذا نظر المراقب إلى الساعة B ، فإنه يرى أنه خلال تلك الساعة تتبع الإشارة مسارًا أطول بزاوية ، وبالتالي تكون الساعة B أبطأ من A. B أسرع وأبطأ. كما ناقش لورنتز (1910-1912) التبادلية لتمديد الوقت وحلّل "مفارقة" الساعة ، والتي تحدث على ما يبدو نتيجة المعاملة بالمثل لتمديد الوقت. أظهر لورنتز أنه لا يوجد تناقض إذا اعتبر المرء أنه في نظام واحد يتم استخدام ساعة واحدة فقط ، بينما في النظام الآخر هناك ساعتان ضروريتان ، وتؤخذ نسبية التزامن في الاعتبار تمامًا.

وضع بول لانجفين وضعًا مشابهًا في عام 1911 مع ما أطلق عليه لاحقًا "مفارقة التوأم" ، حيث استبدل الساعات بأشخاص (لم يستخدم لانجفين أبدًا كلمة "توأمان" ولكن وصفه احتوى على جميع السمات الأخرى للمفارقة). حل لانجفين المفارقة من خلال التلميح إلى حقيقة أن أحد التوأمين يسرع ويغير اتجاهه ، لذلك يمكن أن يظهر لانجفين أن التناظر مكسور وأن التوأم المتسارع أصغر سنًا. ومع ذلك ، فسر لانجفين نفسه هذا على أنه إشارة إلى وجود الأثير. على الرغم من أن تفسير لانجفين لا يزال مقبولًا من قبل البعض ، إلا أن استنتاجاته المتعلقة بالأثير لم يتم قبولها بشكل عام. أشار Laue (1913) إلى أنه يمكن جعل أي تسارع صغيرًا بشكل تعسفي فيما يتعلق بالحركة بالقصور الذاتي للتوائم ، وأن التفسير الحقيقي هو أن أحد التوأمين في حالة راحة في إطارين مختلفين بالقصور الذاتي أثناء رحلته ، بينما يكون التوأم الآخر في حالة راحة. في حالة الراحة في إطار بالقصور الذاتي واحد. [100] كان لاوي أيضًا أول من قام بتحليل الموقف استنادًا إلى نموذج مينكوفسكي للزمكان للنسبية الخاصة - موضحًا كيف أن الخطوط العالمية للأجسام المتحركة بالقصور الذاتي تزيد من الوقت المناسب المنقضي بين حدثين. [101]

تحرير التسريع

حاول أينشتاين (1908) - كتمهيد في إطار النسبية الخاصة - أيضًا تضمين إطارات متسارعة ضمن مبدأ النسبية. في سياق هذه المحاولة ، أدرك أنه في أي لحظة واحدة من تسارع الجسم يمكن للمرء تحديد إطار مرجعي بالقصور الذاتي يكون فيه الجسم المتسارع في حالة راحة مؤقتة. ويترتب على ذلك أنه في الإطارات المتسارعة المحددة بهذه الطريقة ، يقتصر تطبيق ثبات سرعة الضوء لتعريف التزامن على المواقع الصغيرة. ومع ذلك ، فإن مبدأ التكافؤ الذي استخدمه أينشتاين في سياق هذا التحقيق ، والذي يعبر عن المساواة في الكتلة بالقصور الذاتي وكتلة الجاذبية وتكافؤ الأطر المتسارعة ومجالات الجاذبية المتجانسة ، تجاوز حدود النسبية الخاصة وأدى إلى صياغة عامة. النسبية. [102]

في وقت واحد تقريبًا مع أينشتاين ، نظر مينكوفسكي (1908) أيضًا في الحالة الخاصة للتسارع المنتظم في إطار شكليات الزمكان. لقد أدرك أن خط العالم لمثل هذا الجسم المتسارع يتوافق مع القطع الزائد.تم تطوير هذه الفكرة بشكل أكبر بواسطة Born (1909) و Sommerfeld (1910) ، حيث قدم Born تعبير "الحركة الزائدية". وأشار إلى أنه يمكن استخدام التسارع المنتظم كتقريب لأي شكل من أشكال التسارع ضمن النسبية الخاصة. [103] بالإضافة إلى ذلك ، أظهر هاري بيتمان وإيبينيزر كننغهام (1910) أن معادلات ماكسويل ثابتة في ظل مجموعة تحويل أوسع بكثير من مجموعة لورينتز ، أي التحولات الموجية الكروية ، كونها شكلاً من أشكال التحولات الامتثالية. تحت هذه التحولات تحافظ المعادلات على شكلها لبعض أنواع الحركات المتسارعة. [104] صيغة متغيرة عامة للديناميكا الكهربائية في فضاء مينكوفسكي قدمها فريدريش كوتلر (1912) ، حيث تكون صياغته صالحة أيضًا للنسبية العامة. [105] فيما يتعلق بالتطوير الإضافي لوصف الحركة المتسارعة في النسبية الخاصة ، يجب ذكر أعمال لانجفين وآخرين للإطارات الدوارة (إحداثيات بورن) ، ولفغانغ ريندلر وآخرون للإطارات المتسارعة الموحدة (إحداثيات Rindler). [106]

أجساد جامدة ومفارقة إهرنفست تحرير

ناقش أينشتاين (1907 ب) مسألة ما إذا كانت سرعة المعلومات ، في الهيئات الجامدة ، وكذلك في جميع الحالات الأخرى ، يمكن أن تتجاوز سرعة الضوء ، وأوضح أن المعلومات يمكن أن تنتقل في ظل هذه الظروف إلى الماضي ، وبالتالي فإن السببية أن تنتهك. نظرًا لأن هذا يتعارض بشكل جذري مع كل تجربة ، يُعتقد أن السرعات الفائقة اللمعان مستحيلة. وأضاف أنه يجب إنشاء ديناميكيات الجسم الصلب في إطار SR. في النهاية ، حاول ماكس بورن (1909) في سياق عمله المذكور أعلاه المتعلق بالحركة المتسارعة ، تضمين مفهوم الأجسام الصلبة في SR. ومع ذلك ، أظهر Paul Ehrenfest (1909) أن مفهوم Born يقود ما يسمى بمفارقة Ehrenfest ، والتي بسبب تقلص الطول ، يتم تقصير محيط القرص الدوار بينما يظل نصف القطر كما هو. تم النظر في هذا السؤال أيضًا من قبل Gustav Herglotz (1910) و Fritz Noether (1910) و von Laue (1911). أدرك لاو أن المفهوم الكلاسيكي لا ينطبق في SR لأن الجسم "الجامد" يمتلك درجات لا نهائية من الحرية. ومع ذلك ، في حين أن تعريف بورن لم يكن قابلاً للتطبيق على الأجسام الصلبة ، إلا أنه كان مفيدًا جدًا في وصف الجامدة الاقتراحات من الجثث. [107] فيما يتعلق بمفارقة إهرنفست ، نوقش أيضًا (بواسطة فلاديمير فاريتشاك وآخرين) ما إذا كان تقلص الطول "حقيقيًا" أو "واضحًا" ، وما إذا كان هناك فرق بين الانكماش الديناميكي للورنتز والتقلص الحركي لـ اينشتاين. ومع ذلك ، فقد كان خلافًا على الكلمات لأنه ، كما قال أينشتاين ، فإن تقلص الطول الحركي "واضح" بالنسبة للمراقب المشترك ، ولكن بالنسبة للمراقب الساكن ، فهو "حقيقي" والعواقب قابلة للقياس. [108]

قبول النسبية الخاصة تحرير

قارن بلانك ، في عام 1909 ، دلالات مبدأ النسبية الحديثة - أشار بشكل خاص إلى نسبية الزمن - بالثورة التي قام بها النظام الكوبرنيكي. [109] كان أحد العوامل المهمة في تبني الفيزيائيين للنسبية الخاصة هو تطويرها بواسطة مينكوفسكي في نظرية الزمكان. [88] وبالتالي ، بحلول عام 1911 تقريبًا ، قبل معظم علماء الفيزياء النظرية النسبية الخاصة. [110] [88] في عام 1912 أوصى فيلهلم وين كلا من لورنتز (للإطار الرياضي) وآينشتاين (لتقليصه إلى مبدأ بسيط) لجائزة نوبل في الفيزياء - على الرغم من أن لجنة نوبل قررت عدم منح الجائزة للنسبية الخاصة. [111] فقط أقلية من الفيزيائيين النظريين مثل أبراهام أو لورنتز أو بوانكاريه أو لانجفين ما زالوا يؤمنون بوجود الأثير. [110] عدل أينشتاين لاحقًا (1918-1920) موقفه بالقول إنه يمكن للمرء التحدث عن الأثير النسبي ، لكن "فكرة الحركة" لا يمكن تطبيقها عليها. [112] لطالما جادل لورنتز وبوانكاريه بأن الحركة عبر الأثير لا يمكن اكتشافها. استخدم أينشتاين مصطلح "نظرية النسبية الخاصة" عام 1915 لتمييزها عن النسبية العامة.

نظريات النسبية تحرير

تحرير الجاذبية

أول محاولة لصياغة نظرية النسبية للجاذبية قام بها بوانكاريه (1905). حاول تعديل قانون الجاذبية لنيوتن بحيث يتخذ شكل لورنتز المتغير. وأشار إلى أن هناك العديد من الاحتمالات لقانون النسبية ، وناقش اثنين منهم. أظهر بوانكاريه أن حجة بيير سيمون لابلاس ، الذي جادل بأن سرعة الجاذبية أسرع بعدة مرات من سرعة الضوء ، غير صالحة ضمن نظرية النسبية. أي في النظرية النسبية للجاذبية ، تكون مدارات الكواكب مستقرة حتى عندما تكون سرعة الجاذبية مساوية لسرعة الضوء. تمت مناقشة نماذج مماثلة لنموذج بوانكاريه من قبل مينكوفسكي (1907 ب) وسومرفيلد (1910). ومع ذلك ، أوضح أبراهام (1912) أن هذه النماذج تنتمي إلى فئة "نظريات ناقلات" الجاذبية. العيب الأساسي لهذه النظريات هو أنها تحتوي ضمنيًا على قيمة سالبة لطاقة الجاذبية في محيط المادة ، مما ينتهك مبدأ الطاقة. كبديل ، اقترح أبراهام (1912) وجوستاف مي (1913) "نظريات قياسية" مختلفة عن الجاذبية. بينما لم يصوغ مي نظريته أبدًا بطريقة متسقة ، تخلى أبراهام تمامًا عن مفهوم تباين لورنتز (حتى محليًا) ، وبالتالي كان لا يمكن التوفيق بينها وبين النسبية.

بالإضافة إلى ذلك ، انتهكت كل هذه النماذج مبدأ التكافؤ ، وجادل أينشتاين بأنه من المستحيل صياغة نظرية متغيرة لورنتز وتفي بمبدأ التكافؤ. ومع ذلك ، تمكن جونار نوردستروم (1912 ، 1913) من إنشاء نموذج يلبي كلا الشرطين. تم تحقيق ذلك من خلال جعل كلاً من كتلة الجاذبية والقصور الذاتي يعتمدان على جهد الجاذبية. كانت نظرية الجاذبية عند نوردستروم رائعة لأنه أوضحها أينشتاين وأدريان فوكر (1914) ، أنه في هذا النموذج يمكن وصف الجاذبية تمامًا من حيث انحناء الزمكان. على الرغم من أن نظرية نوردستروم لا تناقض ، فمن وجهة نظر أينشتاين استمرت مشكلة أساسية: إنها لا تفي بالشرط المهم للتغاير العام ، كما في هذه النظرية لا يزال من الممكن صياغة الأطر المرجعية المفضلة. على عكس تلك "النظريات العددية" ، طور أينشتاين (1911-1915) "نظرية التنسور" (أي النسبية العامة) ، والتي تحقق مبدأ التكافؤ والتغاير العام. نتيجة لذلك ، كان لابد من التخلي عن فكرة نظرية الجاذبية "النسبية الخاصة" الكاملة ، كما هو الحال في النسبية العامة ، فإن ثبات سرعة الضوء (وتغاير لورنتز) صالح محليًا فقط. تم اتخاذ القرار بين هذه النماذج من قبل أينشتاين ، عندما كان قادرًا على اشتقاق مداورة الحضيض الشمسي بالضبط لعطارد ، بينما أعطت النظريات الأخرى نتائج خاطئة. بالإضافة إلى ذلك ، أعطت نظرية أينشتاين فقط القيمة الصحيحة لانحراف الضوء بالقرب من الشمس. [113] [114]

تحرير نظرية المجال الكمي

كانت الحاجة إلى الجمع بين النسبية وميكانيكا الكم أحد الدوافع الرئيسية في تطوير نظرية المجال الكمومي. أظهر باسكوال جوردان وولفغانغ باولي في عام 1928 أن الحقول الكمومية يمكن أن تكون نسبية ، وأنتج بول ديراك معادلة ديراك للإلكترونات ، وبذلك توقع وجود المادة المضادة. [115]

تحرير الأدلة التجريبية

في عشرينيات القرن الماضي ، أجريت سلسلة من التجارب من نوع ميشيلسون مورلي ، مما يؤكد النسبية بدقة أعلى من التجربة الأصلية. نوع آخر من تجارب مقياس التداخل هو تجربة كينيدي ثورندايك في عام 1932 ، والتي تم من خلالها تأكيد استقلال سرعة الضوء عن سرعة الجهاز. كما تم قياس تمدد الوقت بشكل مباشر في تجربة Ives-Stilwell عام 1938 وبقياس معدلات اضمحلال الجسيمات المتحركة في عام 1940. تم تكرار كل هذه التجارب عدة مرات بدقة متزايدة. بالإضافة إلى ذلك ، تم قياس سرعة الضوء التي لا يمكن الوصول إليها بالنسبة للأجسام الضخمة في العديد من اختبارات الطاقة النسبية والزخم. لذلك ، فإن معرفة تلك التأثيرات النسبية مطلوبة في بناء مسرعات الجسيمات.

في عام 1962 ، أشار جي جي فوكس إلى أن جميع الاختبارات التجريبية السابقة لثبات سرعة الضوء أجريت باستخدام الضوء الذي مر عبر مادة ثابتة: الزجاج أو الهواء أو الفراغ غير المكتمل للفضاء السحيق. نتيجة لذلك ، كان الجميع خاضعين لتأثيرات نظرية الانقراض. هذا يعني أن الضوء الذي يتم قياسه سيكون له سرعة مختلفة عن سرعة المصدر الأصلي. وخلص إلى أنه لا يوجد دليل مقبول حتى الآن على الافتراض الثاني للنسبية الخاصة. سرعان ما تم إغلاق هذه الفجوة المفاجئة في السجل التجريبي في السنوات التالية ، من خلال التجارب التي أجراها Fox ، و Alvager et al. ، والتي استخدمت أشعة جاما من ميزونات عالية الطاقة. أدت مستويات الطاقة العالية للفوتونات المقاسة ، إلى جانب المحاسبة الدقيقة للغاية لتأثيرات الانقراض ، إلى القضاء على أي شك كبير في نتائجها.

تم إجراء العديد من الاختبارات الأخرى للنسبية الخاصة ، لاختبار الانتهاكات المحتملة لثبات لورنتز في بعض الاختلافات في الجاذبية الكمية. ومع ذلك ، لم يتم العثور على أي علامة على تباين سرعة الضوء حتى عند المستوى 10 17 ، بل إن بعض التجارب استبعدت انتهاكات لورنتز على مستوى 10 40 ، راجع عمليات البحث الحديثة لانتهاك لورنتز.

تحرير الأولوية

يدعي البعض أن بوانكاريه ولورينتز ، وليس أينشتاين ، هما المكتشفان الحقيقيان للنسبية الخاصة. [116] لمزيد من المعلومات ، انظر المقالة الخاصة بنزاع أولوية النسبية.

الانتقادات تحرير

انتقد البعض النسبية الخاصة لأسباب مختلفة ، مثل عدم وجود دليل تجريبي ، والتناقضات الداخلية ، ورفض الفيزياء الرياضية. في حد ذاته، أو أسباب فلسفية. على الرغم من أنه لا يزال هناك نقاد للنسبية خارج التيار العلمي السائد ، تتفق الغالبية العظمى من العلماء على أنه تم التحقق من النسبية الخاصة بعدة طرق مختلفة ولا توجد أي تناقضات داخل النظرية.


كيف طور ألبرت أينشتاين نظرية النسبية العامة

في عام 1907 ، بعد عامين من نشر نظريته في النسبية الخاصة ، توصل ألبرت أينشتاين إلى إدراك رئيسي: لا يمكن تطبيق النسبية الخاصة على الجاذبية أو على كائن يخضع للتسارع. تخيل شخصًا ما داخل غرفة مغلقة جالسًا على الأرض. يمكن لهذا الشخص أن يشعر بمجال الجاذبية الأرضية. الآن ضع نفس الغرفة في الفضاء ، بعيدًا عن تأثير الجاذبية لأي جسم ، وأعطها تسارعًا قدره 9.8 مترًا في الثانية (مثل تسارع الجاذبية الأرضية). لن تكون هناك طريقة لشخص ما داخل الغرفة لتمييز ما إذا كان ما يشعر به هو الجاذبية أو مجرد تسارع منتظم.

ثم تساءل أينشتاين كيف سيتصرف الضوء في غرفة التسارع. إذا كان على المرء أن يضيء مصباحًا يدويًا عبر الغرفة ، فسيظهر الضوء وكأنه ينحني لأسفل. قد يحدث هذا لأن أرضية الغرفة سترتفع إلى شعاع الضوء بسرعة أكبر من أي وقت مضى ، وبالتالي ستلحق الأرضية الضوء. بما أن الجاذبية والتسارع متكافئان ، فإن الضوء ينحني في مجال الجاذبية.

استغرق العثور على التعبير الرياضي الصحيح لهذه الأفكار عدة سنوات لأينشتاين. في عام 1912 ، قدمه صديق أينشتاين ، عالم الرياضيات مارسيل غروسمان ، إلى تحليل الموتر لبرنارد ريمان ، وتوليو ليفي-سيفيتا ، وجريجوريو ريتشي-كورباسترو ، والذي سمح له بالتعبير عن قوانين الفيزياء بنفس الطريقة في أنظمة إحداثيات مختلفة. تبع ذلك ثلاث سنوات أخرى من المنعطفات الخاطئة والعمل الجاد ، ولكن في نوفمبر 1915 اكتمل العمل.

في أوراقه الأربعة ، التي نُشرت في نوفمبر 1915 ، وضع أينشتاين أساس النظرية. في الثالث على وجه الخصوص ، استخدم النسبية العامة لشرح مقدمة الحضيض الشمسي لعطارد. النقطة التي يكون عندها أقرب اقتراب لعطارد من الشمس ، الحضيض ، يتحرك. لا يمكن تفسير هذه الحركة بتأثير الجاذبية للشمس والكواكب الأخرى. لقد كان لغزًا أنه في القرن التاسع عشر تم اقتراح كوكب جديد ، فولكان ، يدور بالقرب من الشمس. لم تكن هناك حاجة إلى مثل هذا الكوكب. يمكن أن يحسب أينشتاين التحول في الحضيض الشمسي لعطارد من المبادئ الأولى.

ومع ذلك ، فإن الاختبار الحقيقي لأي نظرية هو ما إذا كان بإمكانها التنبؤ بشيء لم يتم ملاحظته بعد. تنبأت النسبية العامة بأن الضوء سوف ينحني في مجال الجاذبية. في عام 1919 ، لاحظت البعثات البريطانية إلى إفريقيا وأمريكا الجنوبية كسوفًا كليًا للشمس لمعرفة ما إذا كان موقع النجوم بالقرب من الشمس قد تغير. كان التأثير الملحوظ هو بالضبط ما توقعه أينشتاين. أصبح أينشتاين مشهورًا عالميًا على الفور. (اقرأ كسوف الشمس الذي جعل من ألبرت أينشتاين أحد مشاهير العلم للمزيد من المعلومات عن ذلك.)


النسبية العامة: نظرية أينشتاين & # 8217

الكون ، كتلة هائلة من المادة والمادة ، مليء بالأجرام السماوية الضخمة ومجموعات أصغر من النجوم والكواكب.

طور ألبرت أينشتاين ، عالم الفيزياء النظرية الألماني المولد ، النظرية الأولى التي أوضحت بوضوح سبب وتأثيرات الجاذبية. كما أنه يضع الكون في منظور نسيج الزمكان. هذه النظرية ، المعروفة باسم نظرية النسبية العامة (GR) ، هي واحدة من أكثر النظريات ضخامة وتأسيسية في الفيزياء ، تم إنشاؤها لشرح الجاذبية ، المصدر المركزي لجميع القوى. لسوء الحظ ، فإن النسبية العامة ، رغم أنها واحدة من أهم النظريات لمعرفتنا بالكون ، ليست معروفة جيدًا.

إذن ما هو هذا النسيج الغامض؟ بشكل أساسي ، يتكون من بُعد واحد للوقت ، وثلاثة أبعاد للمساحة على نسيج واحد. هذه هي الأبعاد الأربعة للتواصل. إذا نظرت إلى نموذج Space-Time ، ستلاحظ وجود خطوط شبكية. تمثل الشبكة الأبعاد ، إحدى الطرق هي الفضاء والأخرى هي الوقت. هذا يعني أنه لا يمكنك التنقل عبر الفضاء دون قضاء الوقت في القيام بذلك. هذا هو السبب في أن النقل عن بعد أمر مستحيل.

إذا كان على شخص ما أن يشاهد مستوى 7 أبعاد (6 أبعاد للفضاء وبُعد واحد من الوقت) ، أو 7 D ، فسيتم عرضه على شكل ثلاثي الأبعاد لأنه ببساطة من المستحيل على العقل البشري معالجة الشكل الذي ستكون عليه الأبعاد الثمانية. لا يزال الأمر قيد الدراسة ، ولكن هناك إما 10 أو 11 بعدًا في الكون المتعدد ، لكننا لا ندرك سوى 4 أبعاد ، لذلك نحن كبشر لا نستطيع أن نفهم كيف سيكون شكل العالم إذا كان له أكثر من 4 أبعاد.

السبب في استحالة السير بسرعة الضوء ، السرعة القصوى للكون (الضوء فقط يسير بهذه السرعة) ، هو أن أي شيء يمر عبره سيعود بالزمن إلى الوراء. إذا كانت جميع الفوتونات تتجاوز سرعة الضوء ، فسنرى الأشياء قبل حدوثها.

إذا كان جسم أو مادة يتحرك بسرعة الضوء ، فإنه سيتحرك فقط عبر الزمن ، وسيكون يتحرك بسرعة ثابتة عبر الأبعاد. نظرًا لسرعتك الثابتة ، فأنت أيضًا تتحرك عبر الوقت بشكل أسرع مما لو كنت تتحرك بوتيرة طبيعية. إن التحرك بشكل أسرع من هذا يعني أنك تتسارع كثيرًا لدرجة أنك لن تتحرك إلا في الفضاء دون المرور عبر الزمن.

إذن كيف توصل أينشتاين إلى النسبية العامة؟ بدأ كل شيء عندما أنهى عمله قبل ساعات قليلة. ثم استخدم الساعات المتبقية من يومه لمواصلة دراسته الشخصية للضوء. لقد فعل ذلك من خلال ما يُعرف عمومًا باسم & # 8220 Thinktصلة التجارب & # 8221.

كانت إحدى هذه التجارب الفكرية على إحدى فرضيات نيوتن النظرية. في هذه الفرضية ، اعتقد نيوتن أنه إذا اختفت الشمس فجأة من الوجود دون سبب على الإطلاق ، فسنراها فورا ، وسوف تنجرف الأرض خارج المدار في أي اتجاه كانت تواجهه على الفور .

يتكون الضوء من جسيمات دون ذرية تسمى الفوتونات (Pho-ton) ، اكتشفها الكيميائي الفرنسي بول فيلارد في عام 1900. لذلك كان من المعروف لأينشتاين أن يعرف أن الفوتونات هي شكل من أشكال المادة. بمعرفة هذا ، كانت المشكلة أن أينشتاين قد اكتشف أن سرعة الضوء كانت محدودة ، ومثل كل المادة ، لا يمكن ببساطة أن تختفي وتعاود الظهور في مكان آخر. كان قادرًا على دعم هذا التنبؤ بعلاقته بين الزمان والمكان حيث قدم "نظرية النسبية" في عام 1905.

تم إنشاء النسبية العامة بشكل أساسي لشرح الظاهرة التي حيرت العلماء لآلاف السنين ، الجاذبية ، كل العناصر الموجودة على نسيج الزمكان تخلق بصمة ، إذا كان الكوكب أو القمر كثيفًا بدرجة كافية ، على سبيل المثال كوكب يشبه الأرض ، فيمكنه تخلق قوة جاذبية قوية بما يكفي لجذب الأجسام الكبيرة.

على الأرض ، كلما كان الجسم أكثر كثافة ، كان أثقل. على سبيل المثال ، الأوزميوم ، مع 22 جرامًا لكل سنتيمتر مكعب. لكن إذا أخذته إلى كوكب به قوة جاذبية ضعيفة ، فإن ذلك الأوزميوم يمكن أن يزن نصف الوزن ، وهذا يعني أن وزن الجسم فقط بالنسبة لقوة الجاذبية المطبقة عليه.

يمكن أن يكون لديك جسم كبير مثل الأرض ، ولكن دعنا نقول أنه بدلاً من الحديد والصخور والصهارة ، فهو مصنوع من شيء مثل الجرافين ، وهو أخف 7 مرات من الهواء ، على أقل تقدير لن يكون موجودًا قوة جاذبية قوية ، بينما إذا أخذت النيزك 16 سايكي ، والذي يصادف أن نصف قطره 120 ميلاً ويتكون بالكامل من المعادن ، فمن المرجح أن يكون له قوة جاذبية ملحوظة.

إن كيفية تطبيقهم لقوة الجاذبية تشبه إلى حد كبير أحد عوامل الجذب التي ربما تكون قد شاهدتها في متحف للأطفال حيث توجد قبة منحنية داخليًا ، أو صحنًا تقوم بتدوير عملة معدنية حوله حتى تصل إلى القاع. إنه نفس المفهوم ، على الرغم من أن بعض الأجسام لديها سرعة كافية بحيث لا تصطدم أبدًا بالجسم الجاذب ، مثل الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض ، إلا أنها تتساقط باستمرار نحو الجسم ، ولكنها تتحرك بسرعة كافية لتفويتها ، مرارًا وتكرارًا!

لذلك افترض أنه إذا اختفت الشمس ، فسوف يتسبب ذلك في فقدان النسيج للتوتر والارتجاع لأعلى ، مثل إطلاق الوتر ، وهذه الحركة ستخلق موجة ، كما هو الحال عندما تحرك أي قماش آخر لأعلى ولأسفل بسرعة كافية.

كان يعتقد أن هذه "الموجات الثقالية" تتحرك بسرعة الضوء بالضبط ، مما يعني أنها ستصل أيضًا إلى الأرض بعد 8 دقائق و 20 ثانية من اختفاء الشمس. لذلك بعد 8 دقائق و 20 ثانية من اختفاء الشمس ، سنرى أنها تختفي في نفس الوقت الذي نطفو فيه بعيدًا عن اتجاهنا الحالي ، ونتجمد في الفضاء.

هذه واحدة من أكثر النظريات طموحًا وتعقيدًا في كل تاريخ الفيزياء ، هناك مباشرةً مع إشعاع ستيفن هوكينغ & # 8217s وإسحاق نيوتن & # 8217s معادلات وتنبؤات. فكيف فكر في الأمر ، ما هي الأجهزة التي استخدمها لإيجاد النسبية العامة؟ لقد شرح في الواقع جميع الأدوات التي استخدمها في مقابلة ، وقال "فكرت في الأمر أثناء ركوب دراجتي." (ألبرت أينشتاين) ، هذا صحيح ، لقد فعل كل شيء في رأسه باستخدام & # 8220Thought Experiments & # 8221.

يتفق العديد من الفيزيائيين اليوم على أن أينشتاين هو شخص مشهود له في تاريخ الفيزياء لأنه أسس نظرية النسبية العامة ، وهي إحدى ركيزتي الفيزياء الحديثة ، وعمله معروف بتأثيره على فلسفة العلم.


2015: الذكرى المئوية لنظرية النسبية العامة لأينشتاين

يُظهر معرض عرض الشرائح هذا بإيجاز تطور نظرية النسبية العامة من منشورات أينشتاين الأولية الثلاثة في نوفمبر 1915 من خلال البراهين التي قدمها كارل شوارزشيلد ، وديفيد هيلبرت ، وآرثر إدينجتيون ، وآخرين لإحياء الاهتمام بالنسبية العامة بعد الحرب العالمية الثانية. النتائج المتوقعة من كواشف الجاذبية الجديدة مثل LIGO و eLISA.

جهد مشترك من AIP ، ومشروع أوراق أينشتاين في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، ومحفوظات ألبرت أينشتاين في الجامعة العبرية في القدس.

في وقت مبكر من عام 1912 عمل ألبرت أينشتاين (1879-1955) على نظرية النسبية العامة. في نوفمبر 1915 ، نشر ثلاث أوراق بحثية حول هذا الموضوع. لقد كانت تتويجا لسنوات من العمل المكثف. بعد ذلك بوقت قصير أكمل لمحة عامة عن النظرية ونشر حسابًا شائعًا.

في عام 1915 ، اقترح كارل شوارزشيلد (1873-1916) أول حل دقيق لمعادلات أينشتاين الميدانية للنسبية العامة. احتوت على تفرد ينتج ، في ظل ظروف معينة ، ما يسمى اليوم بالثقب الأسود.

في تشرين الثاني (نوفمبر) 1915 ، كتب عالم الرياضيات ديفيد هيلبرت (1862–1943) ورقة تحتوي على معادلات مجال الجاذبية في شكل ضمني ، بناءً على مبادئ التباين.

في عام 1922 اكتشف ألكسندر فريدمان (1888-1925) حلولًا غير ثابتة لمعادلة آينشتاين الكونية وتوقع أن الكون يمكن أن يتوسع ، وفي بعض السيناريوهات ، يتقلص وينهار ويولد مرة أخرى. حتى قبل الاكتشاف الفلكي للانزياح الأحمر ، كان فريدمان قادرًا على تقدير عمر الكون بحوالي 10 مليارات سنة.

أكدت نتائج الملاحظات التي أجراها علماء بريطانيون خلال كسوف الشمس في 29 مايو 1919 قيمة انحراف الضوء التثاقلي النسبي الذي تنبأ به أينشتاين ، ونرى هنا بصحبة آرثر إس إدينجتون ، وبول إهرنفست ، وإتش إيه لورنتز ، و دبليو دي سيتر. في ليدن ، أواخر سبتمبر 1923.

صُمم برج أينشتاين في مرصد بوتسدام (على اليمين) لقياس الانزياح الأحمر الناتج عن الجاذبية الشمسية. تم افتتاحه في أغسطس 1921 خلال الاجتماع السنوي للجمعية الفلكية الألمانية ، حيث شوهد أينشتاين مع عالم الفلك هانز لودندورف (أعلاه) ، مديرها.

بذل علماء فلك من الولايات المتحدة وأستراليا والهند وكندا جهدًا دوليًا لمراقبة كسوف الشمس في 21 سبتمبر 1922. قام فريق مرصد ليك ، بقيادة ويليام دبليو كامبل (1862-1938) ، بتركيب كاميرا أينشتاين بطول 1.52 متر (5 أقدام) في وولال ، أستراليا الغربية ، وأكدوا قيم انحراف الضوء التي تنبأت بها النسبية العامة.

اقترح جورج ليميتر (1894-1966) ، الذي شوهد مع أينشتاين في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في عام 1933 (على اليمين) ، فكرة توسيع الكون في عام 1927. على أساس الملاحظات التي تم إجراؤها باستخدام تلسكوب هوكر 100 بوصة في مرصد جبل ويلسون بين في عامي 1924 و 1929 ، أظهر إدوين هابل (1889–1953) (أعلاه) أن الكون يتوسع ويمتد إلى ما بعد مجرة ​​درب التبانة.

بينما كان عالمًا زائرًا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، زار أينشتاين مرصد جبل ويلسون لأول مرة في 29 يناير 1931. في هذه الصورة (على اليمين) شوهد مع تشارلز سانت جون وهو يفحص الصور في 150- قدم برج الطاقة الشمسية ، الذي تم استنساخ سجله الطيفي لذلك اليوم أعلاه.

المعادلات في أعلى اليسار هي جزء من نهج أينشتاين لنظرية المجال الموحد للجاذبية والكهرومغناطيسية التي طورها في منتصف الأربعينيات. تستند المعادلات إلى تعميم الهندسة الريمانية الزائفة التي استخدمها في النظرية العامة للنسبية.

تقول الجملة في أعلى اليمين: "من يقول ، خلافًا لحكمه الأفضل ،" نعم سيدي ، لا يا سيدي ، ثلاثة أكياس ممتلئة يا سيدي "لانحرافات الجمهور المجنون ، لا يستحق أن تشرق الشمس عليه."

بعد الحرب العالمية الثانية ، ساهم جون أ. ويلر (1911-2008) بشكل كبير في إحياء الاهتمام بالنسبية العامة ، والتي تم تجاهلها إلى حد كبير في العقود القليلة الماضية. في مؤتمر تشابل هيل عام 1957 حول دور الجاذبية في الفيزياء ، احتفظ ويلر بدفتر ملاحظات مفصل للوقائع والمناقشات.

توقع أينشتاين وجود موجات الجاذبية في عام 1916. على الرغم من تقديم أدلة غير مباشرة من خلال قياسات نظام Hulse-Taylor الثنائي ، فمن المتوقع الحصول على نتائج نهائية من كاشفات الجاذبية الحالية والمستقبلية ، مثل LIGO (مرصد موجات الجاذبية بالليزر للتداخل) و eLISA (هوائي فضائي لمقياس التداخل الليزري المتطور).

جهد مشترك من AIP ، ومشروع أوراق أينشتاين في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، ومحفوظات ألبرت أينشتاين في الجامعة العبرية في القدس.


أينشتاين: الأثير والنسبية

كيف يحدث ذلك جنبًا إلى جنب مع فكرة المادة القابلة للتأمل ، المشتقة من التجريد من الحياة اليومية ، وضع الفيزيائيون فكرة وجود نوع آخر من المادة ، الأثير؟ من المحتمل البحث عن التفسير في تلك الظواهر التي أدت إلى ظهور نظرية الفعل عن بعد ، وفي خصائص الضوء التي أدت إلى نظرية التموج. دعونا نخصص بعض الوقت للنظر في هذين الموضوعين.

خارج الفيزياء ، لا نعرف شيئًا عن الفعل عن بعد. عندما نحاول ربط السبب والنتيجة في التجارب التي توفرها لنا الأشياء الطبيعية ، يبدو للوهلة الأولى أنه لا توجد أفعال متبادلة أخرى غير تلك الخاصة بالاتصال المباشر ، على سبيل المثال. توصيل الحركة عن طريق الصدمة ، الدفع والسحب ، التسخين أو إحداث الاحتراق بواسطة اللهب ، إلخ. صحيح أنه حتى في التجربة اليومية ، يلعب الوزن ، وهو بمعنى ما العمل عن بعد ، دورًا مهمًا للغاية. ولكن نظرًا لأن وزن الجسم في التجربة اليومية يقابلنا كشيء ثابت ، شيء غير مرتبط بأي سبب متغير في الزمان أو المكان ، فإننا لا نتوقع في الحياة اليومية سبب الجاذبية ، وبالتالي لا ندرك ذلك. طابعها كعمل عن بعد. كانت نظرية الجاذبية لنيوتن هي التي حددت سببًا للجاذبية أولاً بتفسيرها على أنها فعل عن بعد ، ينطلق من الكتل. من المحتمل أن تكون نظرية نيوتن هي أعظم خطوة على الإطلاق في الجهود المبذولة نحو العلاقة السببية للظواهر الطبيعية. ومع ذلك ، أثارت هذه النظرية إحساسًا حيويًا بعدم الارتياح بين معاصري نيوتن ، لأنها بدت متعارضة مع المبدأ النابع من بقية التجربة ، القائل بأنه لا يمكن أن يكون هناك فعل متبادل إلا من خلال الاتصال ، وليس من خلال العمل الفوري عن بعد.

إن رغبة الإنسان في المعرفة لا تتحمل سوى مع التردد فقط ازدواجية من هذا النوع. كيف تم الحفاظ على الوحدة في فهمه لقوى الطبيعة؟ إما من خلال محاولة النظر إلى قوى الاتصال على أنها قوى بعيدة لا يمكن ملاحظتها إلا على مسافة صغيرة جدًا ، وكان هذا هو الطريق الذي فضل أتباع نيوتن ، الذين كانوا بالكامل تحت تأثير مذهبه ، اتباعه أو بافتراض ذلك. الفعل النيوتوني عن بعد هو مجرد فعل فوري ظاهريًا على مسافة ، ولكن في الحقيقة يتم نقله من خلال مساحة نفاذة متوسطة ، سواء عن طريق الحركات أو عن طريق التشوه المرن لهذا الوسط. وبالتالي فإن السعي نحو رؤية موحدة لطبيعة القوى يؤدي إلى فرضية الأثير. هذه الفرضية ، بالتأكيد ، لم تجلب معها في البداية أي تقدم في نظرية الجاذبية أو في الفيزياء بشكل عام ، لذلك أصبح من المعتاد التعامل مع قانون نيوتن للقوة كبديهية لا يمكن اختزالها. لكن فرضية الأثير كانت ملزمة دائمًا أن تلعب دورًا ما في العلوم الفيزيائية ، حتى لو كانت في البداية جزءًا كامنًا فقط.

عندما تم الكشف في النصف الأول من القرن التاسع عشر عن تشابه بعيد المدى والذي يوجد بين خصائص الضوء وخصائص الموجات المرنة في أجسام يمكن التأمل فيها ، وجدت فرضية الأثير دعمًا جديدًا. يبدو بما لا يدع مجالاً للشك أنه يجب تفسير الضوء على أنه عملية اهتزازية في وسط مرن وخامل يملأ الفضاء العام. يبدو أيضًا أنه نتيجة ضرورية لحقيقة أن الضوء قادر على الاستقطاب ، يجب أن يكون هذا الوسط ، الأثير ، من طبيعة الجسم الصلب ، لأن الموجات المستعرضة غير ممكنة في السائل ، ولكن فقط في المادة الصلبة. وهكذا كان على الفيزيائيين أن يتوصلوا إلى نظرية الأثير المضيء "شبه الصلب" ، الذي لا تستطيع أجزائه القيام بأي حركات نسبية مع بعضها البعض باستثناء الحركات الصغيرة للتشوه التي تتوافق مع موجات الضوء.

علاوة على ذلك ، وجدت هذه النظرية - التي تسمى أيضًا نظرية الأثير المضيء الثابت - دعمًا قويًا في تجربة لها أهمية أساسية أيضًا في النظرية النسبية الخاصة ، تجربة Fizeau ، والتي كان على المرء أن يستنتج منها أن الأثير المضيء لا يشارك في حركات الجسد. فضلت ظاهرة الانحراف أيضًا نظرية الأثير شبه الجامد.

أعطى تطوير نظرية الكهرباء على طول المسار الذي فتحه ماكسويل ولورينتز تطور أفكارنا المتعلقة بالأثير منعطفًا غريبًا وغير متوقع. بالنسبة لماكسويل نفسه ، لا يزال الأثير يمتلك بالفعل خصائص ميكانيكية بحتة ، على الرغم من كونه أكثر تعقيدًا من الخصائص الميكانيكية للأجسام الصلبة الملموسة. لكن لم ينجح ماكسويل ولا أتباعه في تطوير نموذج ميكانيكي للأثير قد يوفر تفسيرًا ميكانيكيًا مرضيًا لقوانين ماكسويل للمجال الكهرومغناطيسي. كانت القوانين واضحة وبسيطة ، والتفسيرات الميكانيكية خرقاء ومتناقضة. تكيف الفيزيائيون النظريون بشكل غير محسوس تقريبًا مع وضع كان محبطًا للغاية من وجهة نظر برنامجهم الميكانيكي. لقد تأثروا بشكل خاص بالتحقيقات الكهربائية الديناميكية لهينريش هيرتز. لأنه بينما كانوا قد طلبوا سابقًا نظرية قاطعة أنه يجب أن يكتفي بالمفاهيم الأساسية التي تنتمي حصريًا إلى الميكانيكا (مثل الكثافات والسرعات والتشوهات والضغوط) فقد اعتادوا تدريجياً قبول القوة الكهربائية والمغناطيسية كمفاهيم أساسية جنبًا إلى جنب مع الميكانيكيين ، دون الحاجة إلى تفسير ميكانيكي لهم. وهكذا تم التخلي تدريجياً عن النظرة الميكانيكية البحتة للطبيعة. لكن هذا التغيير أدى إلى ازدواجية أساسية لم تكن على المدى الطويل مدعومة. تم البحث الآن عن طريقة للهروب في الاتجاه المعاكس ، عن طريق اختزال مبادئ الميكانيكا إلى مبادئ الكهرباء ، وخاصة أن الثقة في الصلاحية الصارمة لمعادلات ميكانيكا نيوتن اهتزت بسبب التجارب باستخدام الأشعة b والكاثود السريع. أشعة.

لا تزال هذه الثنائية تواجهنا في شكل غير ممتد في نظرية هيرتز ، حيث لا تظهر المادة فقط كحاملة للسرعات والطاقة الحركية والضغوط الميكانيكية ، ولكن أيضًا كحامل للحقول الكهرومغناطيسية. نظرًا لأن مثل هذه الحقول تحدث أيضًا في فراغ - أي في الأثير الحر - يظهر الأثير أيضًا كحامل للمجالات الكهرومغناطيسية. يبدو الأثير غير قابل للتمييز في وظائفه عن المادة العادية. داخل المادة ، يشارك في حركة المادة وفي الفضاء الفارغ لديه سرعة في كل مكان بحيث يكون للأثير سرعة محددة بالتأكيد في جميع أنحاء الفضاء بأكمله. لا يوجد فرق جوهري بين أثير هيرتز والمادة القابلة للتأمل (والتي توجد جزئيًا في الأثير).

عانت نظرية هيرتز ليس فقط من عيب نسب المادة والأثير ، من ناحية الحالات الميكانيكية ، ومن ناحية أخرى الحالات الكهربائية ، التي لا تقف في أي علاقة يمكن تصورها مع بعضها البعض ، بل كانت أيضًا متناقضة مع النتيجة. من تجربة Fizeau المهمة حول سرعة انتشار الضوء في السوائل المتحركة ، والنتائج التجريبية الأخرى المؤكدة.

كانت هذه هي حالة الأشياء عندما دخلت H A Lorentz إلى المشهد. لقد جعل النظرية متناغمة مع التجربة عن طريق تبسيط رائع للمبادئ النظرية. لقد حقق هذا ، وهو أهم تقدم في نظرية الكهرباء منذ ماكسويل ، من خلال أخذ صفاته الميكانيكية من الأثير ، ومن المادة صفاتها الكهرومغناطيسية. كما هو الحال في الفضاء الفارغ ، كذلك في داخل الأجسام المادية ، فإن الأثير ، وليس المادة التي يُنظر إليها من الناحية الذرية ، كان حصريًا مقر المجالات الكهرومغناطيسية. وفقًا لورينتز ، فإن الجسيمات الأولية للمادة وحدها قادرة على تنفيذ الحركات ، حيث يقتصر نشاطها الكهرومغناطيسي تمامًا على حمل الشحنات الكهربائية. وهكذا نجح لورنتز في تقليل جميع الأحداث الكهرومغناطيسية لمعادلات ماكسويل للمساحة الحرة.

فيما يتعلق بالطبيعة الميكانيكية لإيثر لورينتز ، يمكن القول عنها ، بروح مرحة إلى حد ما ، أن عدم الحركة هو الخاصية الميكانيكية الوحيدة التي لم يحرمها H A Lorentz منها. يمكن أن نضيف أن التغيير الكامل في مفهوم الأثير الذي أحدثته نظرية النسبية الخاصة ، يتمثل في إزالة آخر صفة ميكانيكية من الأثير ، أي ثباته. كيف سيتم فهم هذا سيتم شرحه على الفور.

يبدو أن الموقف التالي الذي كان من الممكن اتخاذه في مواجهة هذه الحالة هو التالي. الأثير غير موجود على الإطلاق. المجالات الكهرومغناطيسية ليست حالات وسيطة ، وليست مرتبطة بأي حامل ، لكنها حقائق مستقلة لا يمكن اختزالها في أي شيء آخر ، تمامًا مثل ذرات المادة التي يمكن التفكير فيها. يقترح هذا المفهوم نفسه بشكل أكثر سهولة ، وفقًا لنظرية لورنتز ، فإن الإشعاع الكهرومغناطيسي ، مثله مثل المادة التي يمكن التفكير فيها ، يجلب النبضات والطاقة معه ، ووفقًا لنظرية النسبية الخاصة ، فإن كلا من المادة والإشعاع ما هما إلا أشكال خاصة من الطاقة الموزعة. ، الكتلة التي يمكن التفكير فيها تفقد عزلتها وتظهر كشكل خاص من أشكال الطاقة.

ومع ذلك ، فإن المزيد من التأمل الدقيق يعلمنا أن نظرية النسبية الخاصة لا تجبرنا على إنكار الأثير. قد نفترض وجود الأثير فقط يجب أن نتخلى عن إسناد حالة حركة محددة إليه ، أي أنه يجب علينا بالتجريد أن نأخذ منه آخر خاصية ميكانيكية تركها لورنتز. سنرى لاحقًا أن وجهة النظر هذه ، التي سأحاول في الحال أن أجعلها أكثر وضوحًا من خلال مقارنة متوقفة إلى حد ما ، تبررها نتائج النظرية العامة للنسبية.

فكر في الأمواج على سطح الماء. هنا يمكننا وصف شيئين مختلفين تمامًا. إما أن نلاحظ كيف أن السطح المتموج الذي يشكل الحدود بين الماء والهواء يتغير بمرور الوقت أو - بمساعدة العوامات الصغيرة ، على سبيل المثال - يمكننا أن نلاحظ كيف يتغير موضع الجسيمات المنفصلة للماء في الدورة من الوقت. إذا كان وجود مثل هذه العوامات لتتبع حركة جزيئات السائل أمرًا مستحيلًا أساسيًا في الفيزياء - إذا كان ، في الواقع ، لا شيء آخر يمكن ملاحظته من شكل الفضاء الذي يشغله الماء لأنه يختلف بمرور الوقت ، فيجب علينا لا أساس لافتراض أن الماء يتكون من جزيئات متحركة. لكن على الرغم من ذلك ، يمكننا تصنيفها على أنها وسيط.

لدينا شيء مثل هذا في المجال الكهرومغناطيسي. لأننا قد نتخيل المجال لأنفسنا على أنه يتكون من خطوط القوة. إذا كنا نرغب في تفسير خطوط القوة هذه لأنفسنا على أنها شيء مادي بالمعنى العادي ، فإننا نميل إلى تفسير العمليات الديناميكية على أنها حركات لخطوط القوة هذه ، بحيث يتم تتبع كل خط منفصل من القوة على مدار الوقت. ومع ذلك ، فمن المعروف أن هذه الطريقة في التعامل مع المجال الكهرومغناطيسي تؤدي إلى التناقضات.

يجب أن نقول هذا التعميم: - قد يكون من المفترض أن تكون هناك أشياء مادية ممتدة لا يمكن تطبيق فكرة الحركة عليها. قد لا يُنظر إليها على أنها تتكون من جزيئات تسمح بتتبعها بشكل منفصل عبر الزمن. في لغة مينكوفسكي ، يتم التعبير عن هذا على النحو التالي: - لا يمكن اعتبار كل التشكل الممتد في العالم رباعي الأبعاد مؤلفًا من خيوط عالمية. تمنعنا نظرية النسبية الخاصة من افتراض أن الأثير يتكون من جسيمات يمكن ملاحظتها عبر الزمن ، لكن فرضية الأثير بحد ذاتها لا تتعارض مع النظرية النسبية الخاصة. نحن فقط يجب أن نكون على حذر من عزو حالة الحركة إلى الأثير.

بالتأكيد ، من وجهة نظر النظرية النسبية الخاصة ، تبدو فرضية الأثير في البداية فرضية فارغة. في معادلات المجال الكهرومغناطيسي ، بالإضافة إلى كثافة الشحنة الكهربائية ، تحدث فقط شدة المجال. يبدو أن مهنة العمليات الكهرومغناطيسية في الفراغ تتحدد بالكامل من خلال هذه المعادلات ، غير متأثرة بكميات فيزيائية أخرى. تظهر الحقول الكهرومغناطيسية على أنها حقائق نهائية غير قابلة للاختزال ، وفي البداية يبدو من غير الضروري افتراض وجود وسط إيثر متجانس متناحي الخواص ، وتصور المجالات الكهرومغناطيسية كحالات لهذا الوسط.

ولكن من ناحية أخرى ، هناك حجة قوية يجب تقديمها لصالح فرضية الأثير. إنكار الأثير يعني في النهاية افتراض أن الفضاء الفارغ ليس له صفات فيزيائية على الإطلاق. لا تنسجم الحقائق الأساسية للميكانيكا مع هذا الرأي. بالنسبة للسلوك الميكانيكي لنظام مادي ، فإن التحليق بحرية في الفضاء الفارغ لا يعتمد فقط على المواضع النسبية (المسافات) والسرعات النسبية ، ولكن أيضًا على حالة دورانه ، والتي يمكن اعتبارها جسديًا خاصية لا تخص النظام في حد ذاته. من أجل التمكن من النظر إلى دوران النظام ، بشكل رسمي على الأقل ، على أنه شيء حقيقي ، يضع نيوتن الفضاء موضوعيًا. نظرًا لأنه يصنف مساحته المطلقة مع الأشياء الحقيقية ، فإن الدوران بالنسبة إلى الفضاء المطلق هو أيضًا شيء حقيقي بالنسبة له. ربما لم يكن نيوتن أقل من ذلك أن أطلق على فضائه المطلق "إيثر" ، ما هو أساسي هو أنه بجانب الأشياء التي يمكن ملاحظتها ، يجب النظر إلى شيء آخر غير محسوس على أنه حقيقي ، لتمكين التسارع أو الدوران من النظر إليه على أنه شيء حقيقي .

صحيح أن ماخ حاول تجنب الاضطرار إلى قبول شيء حقيقي لا يمكن ملاحظته من خلال السعي لاستبدال الميكانيكا بمتوسط ​​تسارع بالإشارة إلى مجموع الكتل في الكون بدلاً من التسارع بالإشارة إلى الفضاء المطلق. لكن المقاومة بالقصور الذاتي التي تتعارض مع التسارع النسبي للكتل البعيدة تفترض مسبقًا العمل عن بعد ، وبما أن الفيزيائي الحديث لا يعتقد أنه قد يقبل هذا الفعل عن بعد ، فإنه يعود مرة أخرى ، إذا اتبع ماخ ، إلى الأثير ، الذي لديه لتكون بمثابة وسيلة لتأثيرات القصور الذاتي.لكن هذا المفهوم للأثير الذي تقودنا إليه طريقة تفكير ماخ يختلف جوهريًا عن الأثير كما تصور نيوتن وفرينل ولورنتز. لا يضبط أثير ماخ سلوك الجماهير الخاملة فحسب ، بل يخضع أيضًا لحالتها بواسطتها.

تجد فكرة ماخ تطورها الكامل في أثير النظرية النسبية العامة. وفقًا لهذه النظرية ، تختلف الصفات المترية لاستمرارية الزمكان في بيئة نقاط مختلفة من الزمكان ، وهي مشروطة جزئيًا بالمادة الموجودة خارج المنطقة قيد الدراسة. هذا التغير في المكان والزمان للعلاقات المتبادلة لمعايير المكان والزمان ، أو ربما الاعتراف بحقيقة أن "الفضاء الفارغ" في علاقته المادية ليس متجانسًا ولا متناحًا ، مما يضطرنا إلى وصف حالته بعشر وظائف (جهود الجاذبية gmn g_ g m n) ، كما أعتقد ، تخلصت أخيرًا من وجهة النظر القائلة بأن الفضاء فارغ ماديًا. ولكن مع ذلك ، اكتسب مفهوم الأثير مرة أخرى محتوى واضحًا على الرغم من أن هذا المحتوى يختلف اختلافًا كبيرًا عن محتوى الأثير للنظرية التموجية الميكانيكية للضوء. الأثير للنظرية النسبية العامة هو وسيط يخلو في حد ذاته من جميع الصفات الميكانيكية والحركية ، ولكنه يساعد في تحديد الأحداث الميكانيكية (والكهرومغناطيسية).

ما هو جديد بشكل أساسي في الأثير للنظرية النسبية العامة مقابل أثير لورنتز يتمثل في أن حالة الأول في كل مكان يتم تحديدها من خلال الروابط مع المادة وحالة الأثير في الأماكن المجاورة ، التي تخضع للقانون في شكل معادلات تفاضلية في حين أن حالة أثير لورنتزيان في غياب المجالات الكهرومغناطيسية لا تخضع لأي شيء خارجها ، وهي في كل مكان هي نفسها. يتم تحويل الأثير للنظرية النسبية العامة من الناحية المفاهيمية إلى أثير لورنتز إذا استبدلنا الثوابت بوظائف الفضاء التي تصف الأول ، متجاهلين الأسباب التي تحدد حالتها. وبالتالي قد نقول أيضًا ، على ما أعتقد ، أن الأثير للنظرية النسبية العامة هو نتيجة أثير لورنتزيان ، من خلال النسبية.

أما بالنسبة للدور الذي سيلعبه الأثير الجديد في فيزياء المستقبل ، فنحن لسنا واضحين بعد. نحن نعلم أنه يحدد العلاقات المترية في استمرارية الزمكان ، على سبيل المثال الاحتمالات التكوينية للأجسام الصلبة بالإضافة إلى مجالات الجاذبية ولكننا لا نعرف ما إذا كان لها نصيب أساسي في بنية الجسيمات الأولية الكهربائية التي تشكل المادة. كما أننا لا نعرف ما إذا كان بناءه يختلف جوهريًا عن هيكل أثير لورينتز ، ما إذا كانت هندسة الفضاءات ذات المدى الكوني إقليدية تقريبًا. ولكن يمكننا أن نؤكد بسبب المعادلات النسبية للجاذبية أنه يجب أن يكون هناك خروج عن العلاقات الإقليدية ، مع فضاءات ذات ترتيب كوني من حيث الحجم ، إذا كان هناك متوسط ​​كثافة موجبة ، مهما كانت صغيرة ، للمادة في الكون.

في هذه الحالة ، يجب بالضرورة أن يكون الكون غير محدود مكانيًا وذو حجم محدود ، ويتم تحديد حجمه من خلال قيمة متوسط ​​الكثافة.

إذا أخذنا في الاعتبار مجال الجاذبية والمجال الكهرومغناطيسي من وجهة نظر فرضية الأثير ، نجد فرقًا ملحوظًا بين الاثنين. لا يمكن أن يكون هناك مساحة أو أي جزء من الفضاء بدون إمكانات الجاذبية لهذه تمنح الفضاء صفاته المترية ، والتي بدونها لا يمكن تخيله على الإطلاق. يرتبط وجود مجال الجاذبية ارتباطًا وثيقًا بوجود الفضاء. من ناحية أخرى ، قد يتم تخيل جزء من الفضاء بدون مجال كهرومغناطيسي وبالتالي على عكس مجال الجاذبية ، يبدو أن المجال الكهرومغناطيسي مرتبط بشكل ثانوي بالأثير ، والطبيعة الرسمية للحقل الكهرومغناطيسي لا تزال غير موجودة. الطريقة التي يحددها الأثير الجاذبية. من الحالة الحالية للنظرية ، يبدو كما لو أن المجال الكهرومغناطيسي ، على عكس مجال الجاذبية ، يعتمد على فكرة شكلية جديدة تمامًا ، كما لو أن الطبيعة قد تمنح الأثير الجاذبية مجالات من نوع آخر تمامًا ، على سبيل المثال ، مع الحقول ذات الجهد العددي ، بدلاً من الحقول من النوع الكهرومغناطيسي.

نظرًا لأن الجسيمات الأولية للمادة ، وفقًا لمفاهيمنا الحالية ، هي أيضًا ، في جوهرها ، لا شيء سوى تكاثف المجال الكهرومغناطيسي ، فإن نظرتنا الحالية للكون تقدم حقيقتين منفصلتين تمامًا عن بعضهما البعض من الناحية المفاهيمية ، على الرغم من ارتباطهما سببيًا ، وهما: ، الأثير الثقالي والمجال الكهرومغناطيسي ، أو - كما قد يُطلق عليهم أيضًا - الفضاء والمادة.

بالطبع سيكون تقدمًا كبيرًا إذا تمكنا من فهم مجال الجاذبية والمجال الكهرومغناطيسي معًا كتشكيل واحد موحد. ثم ولأول مرة تصل حقبة الفيزياء النظرية التي أسسها فاراداي وماكسويل إلى نتيجة مرضية. سوف يتلاشى التناقض بين الأثير والمادة ، ومن خلال النظرية العامة للنسبية ، ستصبح الفيزياء بأكملها نظامًا كاملًا للفكر ، مثل الهندسة ، وعلم الحركة ، ونظرية الجاذبية. قام عالم الرياضيات H Weyl بمحاولة بارعة للغاية في هذا الاتجاه ، لكنني لا أعتقد أن نظريته ستثبت على أرض الواقع فيما يتعلق بالواقع. علاوة على ذلك ، عند التفكير في المستقبل القريب للفيزياء النظرية ، لا ينبغي لنا أن نرفض دون قيد أو شرط إمكانية أن الحقائق المتضمنة في نظرية الكم قد تضع حدودًا لنظرية المجال التي لا يمكن تجاوزها.

إعادة تلخيص ، قد نقول أنه وفقًا للنظرية العامة للنسبية ، يتمتع الفضاء بصفات فيزيائية بهذا المعنى ، وبالتالي ، يوجد الأثير. وفقًا للنظرية العامة للنسبية ، فإن الفضاء بدون الأثير لا يمكن تصوره لأنه في مثل هذا الفضاء لن يكون هناك فقط انتشار للضوء ، ولكن أيضًا لا توجد إمكانية للوجود لمعايير المكان والزمان (قضبان القياس والساعات) ، ولا بالتالي أي مساحة - فترات زمنية بالمعنى المادي. ولكن قد لا يُنظر إلى هذا الأثير على أنه يتمتع بخاصية الجودة المميزة للوسائط التي يمكن التفكير فيها ، حيث يتكون من أجزاء يمكن تتبعها عبر الزمن. قد لا تنطبق فكرة الحركة عليها.


نظرية النسبية

نُشرت نظرية النسبية العامة لأينشتاين في 11 مايو 1916.

أعظم اسم في الفيزياء منذ أن ابتكر إسحاق نيوتن نظريتين للنسبية ، النظرية الخاصة والنظرية العامة. ولد ألبرت أينشتاين في أولم بألمانيا عام 1879 لعائلة يهودية ، سرعان ما انتقلت إلى ميونيخ. معجزة في الرياضيات والفيزياء ، رأى بوصلة لأول مرة في سن الخامسة وتم تثبيته ليدرك أن الإبرة تحركت بواسطة قوى غير مرئية. نتج عن هذا الافتتان الدائم بالقوى الخفية.

انتقلت العائلة إلى بافيا في إيطاليا وأكمل أينشتاين دراسته في سويسرا. فشلت أعمال والده وكان بحاجة إلى كسب لقمة العيش ، خاصة أنه في عام 1902 شرع في ما يثبت زواجًا فاشلاً. كان يتقاضى مبالغ صغيرة عن طريق تعليم الأطفال إلى أن حصل على وظيفة كاتب في مكتب براءات الاختراع السويسري في برن. كانت الوظيفة مثالية لأنها تضمنت القليل من العمل لدرجة أنه كان لديه متسع من الوقت للتفكير في الفيزياء وخاصة في الضوء والفضاء والوقت. في عام 1905 نشر أربع أوراق بحثية باللغة الألمانية في مجلة "محترم" Annalen der Physik. رفضت نظريته النسبية الخاصة الاعتقاد المقبول بأن الضوء يتحرك في موجات ، وغيرت فكرة الزمن واحتوت على ما سيصبح المعادلة الشهيرة E = mc 2.

لم ينتبه أحد كثيرًا لمفاهيم أينشتاين في البداية ، إلى أن تناولها الفيزيائي الألماني ماكس بلانك ولفت الانتباه إليها. بدأت التجارب تشير إلى أن نظريات أينشتاين نجحت ، وما زال في العشرينات من عمره ، بدأ في الظهور في العالم الأكاديمي ، حيث قبل المناصب الجامعية المرموقة والتحدث في المؤتمرات الدولية. لم يكن الأمر مجرد مسألة نسبية. قال رئيس الجمعية الملكية إن أينشتاين اكتشف "قارة كاملة من الأفكار الجديدة".

بين عامي 1905 و 1915 أتقن نظريته العامة في النسبية ، والتي لخصت أفكاره عن المكان والزمان. أعلنها في أوراق أكاديمية في عام 1915 وفي عام 1916 نشر كتابًا قصيرًا باللغة الألمانية حول كل من النظرية الخاصة والعامة. صدرت الترجمة الإنجليزية في عام 1920 باسم النسبية. حاول أينشتاين شرح نظرياته لقراء غير علميين بأكبر قدر ممكن من الوضوح ، لكن مقولته كانت "يجب أن يكون كل شيء بسيطًا قدر الإمكان ، ولكن ليس أبسط".

في عام 1921 حصل أينشتاين على جائزة نوبل في الفيزياء. منذ عام 1933 عاش في الولايات المتحدة ، حيث كان يحظى بتقدير كبير حتى وفاته في برينستون ، نيو جيرسي في عام 1955 ، عن عمر يناهز 76 عامًا. أخبره تشارلي شابلن ذات مرة: يفهمك المرء. لقد كان تعليقًا ذكيًا.


محتويات

الحقائق التالية راسخة وقابلة للإحالة:

  • تم تقديم اقتراح وصف الجاذبية عن طريق مقياس ريماني زائف لأول مرة بواسطة أينشتاين وجروسمان فيما يسمى Entwurf نشرت النظرية عام 1913. [1] حدد جروسمان موتر ريمان المتعاقد باعتباره المفتاح لحل المشكلة التي طرحها أينشتاين. تبع ذلك عدة محاولات من أينشتاين لإيجاد معادلات مجال صالحة لنظرية الجاذبية هذه. دعا أينشتاين إلى جامعة جوتنجن لمدة أسبوع لإلقاء ست محاضرات لمدة ساعتين حول النسبية العامة ، وهو ما فعله في يونيو ويوليو 1915. أقام أينشتاين في منزل هيلبرت خلال هذه الزيارة. بدأ هيلبرت العمل على نظرية مشتركة للجاذبية والكهرومغناطيسية ، وتبادل أينشتاين وهيلبرت المراسلات حتى نوفمبر 1915. ألقى أينشتاين أربع محاضرات حول نظريته في 4 نوفمبر ، 11 نوفمبر ، 18 نوفمبر و 25 نوفمبر في برلين ، نُشرت باسم [Ein15a] ، [Ein15b] ، [Ein15c] ، [Ein15d].
  • في 4 تشرين الثاني (نوفمبر) ، نشر أينشتاين معادلات مجال غير متغيرة وفي 11 تشرين الثاني (نوفمبر) عاد إلى معادلات المجال لأوراق "Entwurf" ، والتي جعلها الآن متغيرًا بافتراض أن أثر موتر زخم الطاقة كان صفرًا ، كما كان بالنسبة لـ الكهرومغناطيسية.
  • أرسل أينشتاين أدلة هيلبرت على أوراقه في 4 نوفمبر و 11 نوفمبر (سوير 99 ، الملاحظات 63 ، 66)
  • 15 نوفمبر تم إصدار دعوة لحضور اجتماع 20 نوفمبر في الأكاديمية في جوتنجن. "Hilbert legt vor in die Nachrichten: Grundgleichungen der Physik". (Sauer 99، note 73)
  • في 16 تشرين الثاني (نوفمبر) ، تحدث هيلبرت في جمعية غوتنغن الرياضية بعنوان "Grundgleichungen der Physik" (Sauer 99 ، الحاشية 68). كلام لم ينشر.
  • في 16 نوفمبر أو 17 نوفمبر أرسل هيلبرت لأينشتاين بعض المعلومات حول حديثه عن 16 نوفمبر (فقدت الرسالة)
  • 18 نوفمبر يرد أينشتاين على رسالة هيلبرت (التي تلقاها هيلبرت في 19 نوفمبر) قائلاً بقدر ما يستطيع (أينشتاين) أن يخبر أن نظام هيلبرت كان مكافئًا للنظام الذي وجده (أينشتاين) في الأسابيع السابقة. (سوير 99 ، الحاشية 72). أخبر أينشتاين هيلبرت أيضًا في هذه الرسالة أنه (أينشتاين) قد "نظر في معادلات المجال المتغايرة الوحيدة الممكنة عمومًا قبل ثلاث سنوات" ، مضيفًا أن "الصعوبة لم تكن في العثور على معادلات متغيرة بشكل عام لـ g μ ν > هذا سهل بمساعدة موتر ريمان. ما كان صعبًا بدلاً من ذلك هو إدراك أن هذه المعادلات تشكل تعميمًا ، أي تعميم بسيط وطبيعي لقانون نيوتن "(أ. أينشتاين إلى د. هيلبرت ، 18 نوفمبر ، نداء أرشيف أينشتاين رقم 13-093). أخبر أينشتاين أيضًا هيلبرت في تلك الرسالة أنه (أينشتاين) قام بحساب تقدم الحضيض الصحيح لعطارد ، باستخدام معادلات المجال المتغير بناءً على افتراض أن أثر موتر زخم الطاقة قد اختفى كما حدث مع الكهرومغناطيسية.
  • 18 نوفمبر يقدم أينشتاين حساب تقدم الحضيض الشمسي إلى الأكاديمية البروسية.
  • 20 نوفمبر حاضر هيلبرت في أكاديمية غوتنغن. تظهر البراهين في ورقته البحثية أن هيلبرت اقترح مجموعة غير متغيرة من المعادلات باعتبارها المعادلات الأساسية للفيزياء. وهكذا كتب "من أجل الحفاظ على الخاصية الحتمية للمعادلات الأساسية للفيزياء [.] أربع معادلات أخرى غير متغيرة. [لا يمكن تجنبها]." (البراهين ، الصفحتان 3 و 4. اقتبسها كوري وآخرون). ثم اشتق هيلبرت هذه المعادلات الأربع الإضافية واستمر في "هذه المعادلات التفاضلية الأربعة [.] تكمل معادلات الجاذبية [.] للحصول على نظام من 14 معادلة لل 14 إمكانات g μ ν > : qs > نظام المعادلات الأساسية في الفيزياء ". (البراهين ، الصفحة 7 ، اقتبسها كوري وآخرون). قدمت ورقة هيلبرت المنشورة في 20 نوفمبر معادلات المجال الصحيحة. [B 2]
  • في محاضرته الأخيرة في 25 تشرين الثاني (نوفمبر) ، قدم أينشتاين معادلات المجال الصحيحة. ظهرت الورقة المنشورة (أينشتاين 1915 د) في 2 ديسمبر ، ولم تذكر هيلبرت.
  • استغرق ظهور ورقة هيلبرت وقتًا أطول بكثير. كان لديه أدلة على المطبخ تم وضع علامة "6 ديسمبر" عليها بواسطة الطابعة في ديسمبر 1915. تم الاحتفاظ بمعظم البراهين على لوح المطبخ ، لكن حوالي ربع الصفحة مفقودة. [1] يحتوي الجزء الموجود من البراهين على إجراء هيلبرت الذي يمكن من خلاله الحصول على معادلات المجال من خلال أخذ مشتق متغير ، واستخدام هوية بيانكي المتعاقد عليها المستمدة من النظرية الثالثة لورقة هيلبرت ، على الرغم من أن هذا لم يتم في البراهين الموجودة.
  • أعاد هيلبرت كتابة ورقته للنشر (مارس 1916) ، وتغيير معالجة نظرية الطاقة ، وإسقاط شرط قياس غير متغير على الإحداثيات لإنتاج نظرية التغاير ، وإضافة اعتماد جديد لأينشتاين لإدخال إمكانات الجاذبية g μ ν > في نظرية الجاذبية. في الورقة الأخيرة ، قال إن معادلاته التفاضلية تبدو متفقة مع "النظرية الرائعة للنسبية العامة التي وضعها أينشتاين في أوراقه اللاحقة" [2]
  • تسببت الأحداث التي وقعت في أواخر نوفمبر وحتى ديسمبر 1915 في مشاعر سيئة من أينشتاين تجاه هيلبرت. في خطاب أرسله في 25 نوفمبر إلى زانغر ، اتهم أينشتاين هيلبرت (دون ذكر اسمه) بمحاولات لتلائم ("فتح") نظريته. في 4 ديسمبر ، رشح هيلبرت أينشتاين للانتخاب كعضو مناظر في جمعية غوتنغن الرياضية. في خطاب أرسله في 20 ديسمبر إلى هيلبرت ، اقترح أينشتاين تسوية النزاع.
  • تمت إعادة كتابة ورقة عام 1916 ونشرها في عام 1924 [هيل 24] ، حيث كتب هيلبرت: أينشتاين [. ] kehrt schließlich in seinen Publikationen geradewegs zu den Gleichungen meiner Theorie zurück. (أينشتاين [. ] في أحدث إصداراته ، يعود مباشرة إلى معادلات نظريتي.) [3]

يبدو أن الأمور التالية غير واضحة أو غير معروفة أو متنازع عليها: [ على من؟ ]

  • قبل عام 1997 ، "كان الرأي المقبول عمومًا هو أن ديفيد هيلبرت أكمل النظرية العامة للنسبية قبل 5 أيام على الأقل من تقديم ألبرت أينشتاين ورقته النهائية حول هذه النظرية في 25 نوفمبر 1915. مقال هيلبرت ، الذي يحمل تاريخ التقديم في 20 نوفمبر 1915 ولكنه نشر فقط في 31 مارس 1916 ، قدم نظرية متغيرة مشتركة للجاذبية ، بما في ذلك معادلات المجال المكافئة أساسًا لتلك الموجودة في ورقة أينشتاين "(Corry ، Renn and Stachel ، 1997). منذ اكتشاف أدلة الطابعة على ورقة هيلبرت في 20 نوفمبر ، بتاريخ 6 ديسمبر 1915 ، والتي تُظهر عددًا من الاختلافات عن الورقة المنشورة أخيرًا ، تم الطعن في هذا "الرأي المقبول عمومًا". [4]
  • سواء حصل أينشتاين على الصيغة الرياضية الصحيحة للنسبية العامة من هلبرت ، أو صاغها بشكل مستقل. النقاط في القضية:
    • محتوى الرسالة / البطاقة البريدية التي أرسلها هيلبرت في 16 نوفمبر إلى أينشتاين غير معروف. ومع ذلك ، فمن الواضح [على من؟] من رد أينشتاين بأنه كان حسابًا لعمل هيلبرت.
    • من غير المعروف ما الذي كان موجودًا على الجزء المفقود من براهين طابعة هيلبرت. الجزء المفقود كبير بما يكفي لاحتواء معادلات المجال في شكل صريح. هناك العديد من التكهنات المتنافسة حول محتوى القطعة المفقودة.
    • بناءً على ما سبق ، من غير المعروف ما إذا كان هيلبرت قد صاغ معادلات المجال بشكل صريح قبل 6 ديسمبر (تاريخ براهين الطابعة) أم لا.
    • من المعروف من البراهين أن هيلبرت قدم أربع معادلات غير متغيرة من أجل تحديد إمكانات الجاذبية g > وأن هذا النهج قد تم إسقاطه من ورقته المنقحة.

    هناك عدد كبير من الآراء المتعلقة بهذه الأسئلة التي تتضمن أسئلة "من يجب أن يحصل على الفضل" - لم يتم تعدادها هنا. [ لماذا ا؟ ]

    استنتج كيب ثورن ، في ملاحظات تستند إلى ورقة هيلبرت عام 1924 ، أن هيلبرت اعتبر النظرية العامة للنسبية مثل أينشتاين: "بطبيعة الحال ، ووفقًا لوجهة نظر هيلبرت للأشياء ، سرعان ما أُعطي قانون warpage اسم معادلة حقل أينشتاين بدلاً من تسميته على اسم هيلبرت ، كان هلبرت قد نفذ الخطوات الرياضية القليلة الأخيرة لاكتشافه بشكل مستقل وفي نفس الوقت تقريبًا مع أينشتاين ، لكن أينشتاين كان مسؤولاً بشكل أساسي عن كل ما سبق تلك الخطوات ". [B 2] ومع ذلك ، صرح Kip Thorne أيضًا ، "بشكل ملحوظ ، لم يكن أينشتاين أول من اكتشف الشكل الصحيح لقانون warpage [....] الاعتراف بالاكتشاف الأول يجب أن يذهب إلى هيلبرت." [ب 2]

    تم تقديم الحجج بأن هيلبرت ادعى أولوية معادلات المجال نفسها ، والمصادر المذكورة لهذا هي:

    احتوت مقالة هيلبرت (بتاريخ 20 نوفمبر 1915) ، عندما ظهرت في عام 1916 ، على النص "Die so zu Stande kommenden Differentialgleichungen der Gravitation sind، wie mir scheint، mit der von Einstein in seinen späteren Abhandlungen aufgestellten großzügigen Theorie der allgemeinen in Rel . " في الترجمة ، "أعتقد أن معادلات الجاذبية التفاضلية التي تم التوصل إليها بهذه الطريقة تتفق جيدًا مع تلك الخاصة بأينشتاين في أوراقه اللاحقة التي قدم فيها نظريته الشاملة للنسبية العامة." يشير هيلبرت هنا إلى "الأوراق اللاحقة" لأينشتاين ، من الواضح أنه يميزها عن نظرية Entwurf لعام 1913 والأوراق الأولية قبل نهاية نوفمبر 1915 عندما نشر أينشتاين معادلات النسبية العامة في شكلها النهائي.

    ويشير ووينش [B 3] إلى أن هيلبرت يشير إلى معادلات مجال الجاذبية باسم "meine Theorie" ("نظريتي") في رسالته في 6 فبراير 1916 إلى Schwarzschild. هذا ، مع ذلك ، ليس موضع خلاف ، حيث لا أحد يجادل في أن هيلبرت كان لديه "نظريته" الخاصة ، والتي انتقدها أينشتاين باعتبارها ساذجة وطموحة للغاية. استندت نظرية هيلبرت إلى عمل مي جنبًا إلى جنب مع مبدأ أينشتاين للتغاير العام ، ولكنها طبقت على المادة والكهرومغناطيسية وكذلك الجاذبية.

    يشير ميهرا [B 4] و Bjerknes [B 5] إلى أن نسخة هيلبرت لعام 1924 من المقال احتوت على الجملة ".und andererseits auch Einstein، obwohl wiederholt von abweichenden und unter sich verschiedenen Ansätzen ausgehend، kehrt schließlich in seinen letzten Publikationen geradenwegs zu den Gleichungen meiner Theorie zurück [- "Einätzen ausgehend. ] في منشوراته الأخيرة يعود في النهاية مباشرة إلى معادلات نظريتي. " محاولة طموحة للغاية للجمع بين الجاذبية ونظرية المادة والكهرومغناطيسية على غرار نظرية مي ، وأن معادلاته للجاذبية تتفق مع تلك التي قدمها أينشتاين في بداية بحثه ، أينشتاين ، في 25 نوفمبر (والتي يشير هيلبرت إلى أوراق آينشتاين اللاحقة. لتمييزها عن نظريات آينشتاين السابقة). لا شيء من هذا يحمل على الأصل الدقيق لمصطلح التتبع في معادلات مجال أينشتاين (سمة من سمات المعادلات التي ، رغم أهميتها من الناحية النظرية ، ليس لها أي تأثير على معادلات الفراغ ، من التي تم اشتقاق جميع الاختبارات التجريبية التي اقترحها أينشتاين).

    يقول سوير: "لم يكن استقلال اكتشاف أينشتاين أبدًا نقطة خلاف بين أينشتاين وهيلبرت. لقد ادعى هيلبرت الأولوية لإدخال مقياس ريمان في مبدأ الفعل واشتقاق معادلات المجال منه" ، [ب 6] (سوير يذكر خطابًا ومسودة رسالة حيث يدافع هيلبرت عن أولويته للعمل الوظيفي) "واعترف أينشتاين علنًا بأن هيلبرت (ولورينتز) قد نجحا في إعطاء معادلات النسبية العامة شكلاً واضحًا بشكل خاص من خلال اشتقاقها من مبدأ تباين واحد" [ بحاجة لمصدر ]. صرح سوير أيضًا ، "وفي مسودة رسالة إلى ويل ، بتاريخ 22 أبريل 1918 ، كتبت بعد أن قرأ أدلة الإصدار الأول من Weyl's 'Raum-Zeit-Materie' اعترض هيلبرت أيضًا على تعرضه للإهانة في معرض ويل. في هذه الرسالة مرة أخرى "على وجه الخصوص استخدام الانحناء الريماني [القياسي] في تكامل هاميلتوني" ("insbesondere die Verwendung der Riemannschen Krümmung unter dem Hamiltonschen Integral") تمت المطالبة به كأحد مساهماته الأصلية. كود SUB. السيدة هيلبرت 457/17. [ب 6]

    كتب أينشتاين إلى هيلبرت في 20 ديسمبر 1915 أنه كان هناك "شعور سيء بيننا" وكان يشتبه في أن هذا الشعور السيئ كان نتيجة مرارة أينشتاين من "خنق" هيلبرت لنظريته (أينشتاين). اقترح آخرون أن هلبرت ربما شعر أن أينشتاين قد استمد بعض الفوائد أو التلميحات من رسائله (هلبرت) ، وأن هذه قد ساعدته في الوصول إلى مصطلح تتبع معادلات المجال ، وإذا كان الأمر كذلك ، كان على أينشتاين أن يعترف بذلك. في ورقته. لكن هذه مجرد تكهنات ، بصرف النظر عن تعليق أينشتاين بأنه يعتقد أن الآخرين (على الأرجح هيلبرت) قد حاولوا "خنق" نظريته.

    حتى الآن ، يبدو أنه لا يوجد إجماع على أن هذه البيانات تشكل ادعاءً واضحًا لهيلبرت بأنه نشر معادلات المجال أولاً.

    لفترة طويلة كان يعتقد أن أينشتاين وهيلبرت وجدا معادلات مجال الجاذبية بشكل مستقل. بينما تم تقديم ورقة هيلبرت في وقت أبكر قليلاً من ورقة أينشتاين ، إلا أنها لم تظهر إلا في عام 1916 ، بعد أن ظهرت ورقة معادلات أينشتاين الميدانية مطبوعة. لهذا السبب لم يكن هناك سبب وجيه للاشتباه في السرقة الأدبية من أي من الجانبين. في عام 1978 ، رسالة بتاريخ 18 نوفمبر 1915 من أينشتاين إلى هيلبرت. بحاجة لمصدر ] عادت إلى الظهور ، وفيها شكر أينشتاين هيلبرت لإرساله شرحًا لعمل هيلبرت. لم يكن هذا غير متوقع بالنسبة لمعظم العلماء ، الذين كانوا على دراية جيدة بالمراسلات بين هيلبرت وآينشتاين في نوفمبر ، والذين استمروا في تبني وجهة النظر التي عبر عنها ألبريشت فولسينغ في سيرته الذاتية لأينشتاين:

    في تشرين الثاني (نوفمبر) ، عندما انغمس أينشتاين تمامًا في نظريته في الجاذبية ، كان يتطابق بشكل أساسي مع هيلبرت فقط ، وأرسل لهيلبرت منشوراته ، وفي 18 تشرين الثاني (نوفمبر) ، شكره على مسودة مقالته. يجب أن يكون أينشتاين قد تلقى تلك المقالة مباشرة قبل كتابة هذه الرسالة. هل يمكن أن يكتشف أينشتاين ، وهو ينظر إلى ورقة هيلبرت ، المصطلح الذي كان لا يزال مفقودًا في معادلاته ، وبالتالي "منخر" هلبرت؟ [ب 7]

    في الجملة التالية ، بعد طرح السؤال الخطابي ، أجاب فولسينغ بعبارة "هذا ليس محتملاً حقًا." ، ثم يواصل شرح سبب تفصيله بالتفصيل.

    "اشتقاق [أينشتاين] النهائي للمعادلات كان تطورًا منطقيًا لحججه السابقة - والتي ، على الرغم من كل الرياضيات ، سادت المبادئ الفيزيائية بشكل ثابت. وبالتالي كان نهجه مختلفًا تمامًا عن هيلبرت ، وبالتالي يمكن بالتأكيد النظر إلى إنجازات أينشتاين أصلية ".

    في عام 1997 علم ورقة بحثية ، [B 8] اقتبس كوري ورين وستاتشيل المقطع أعلاه وعلقوا على أن "الحجج التي يُبرئ بها أينشتاين ضعيفة نوعًا ما ، مما يؤدي إلى تباطؤه في استيعاب رياضيات هيلبرت بالكامل" ، ولذا حاولوا العثور على المزيد من الأدلة القاطعة للعلاقة بين عمل هلبرت وأينشتاين ، مستندة في عملهما إلى حد كبير إلى ما قبل الطباعة المكتشفة حديثًا لورقة هيلبرت. ويرد أدناه مناقشة الجدل حول هذه الورقة.

    أولئك الذين يؤكدون أن ورقة أينشتاين كانت مدفوعة بالمعلومات التي تم الحصول عليها من هيلبرت قد أشاروا إلى المصادر التالية:

    • المراسلات بين هلبرت وأينشتاين المذكورة أعلاه. في الآونة الأخيرة ، أصبح معروفًا أن أينشتاين تلقى أيضًا ملاحظات حول حديث هيلبرت في 16 نوفمبر عن نظريته. [ب 3]
    • ورقة أينشتاين في 18 نوفمبر حول حركة الحضيض في عطارد ، والتي لا تزال تشير إلى معادلات المجال غير المكتملة في 4 و 11 نوفمبر (تعتمد حركة الحضيض فقط على معادلات الفراغ ، والتي لا تتأثر بمصطلح التتبع الذي تمت إضافته لإكمال الحقل المعادلات.) لا تظهر الإشارة إلى الشكل النهائي للمعادلات إلا في حاشية سفلية تمت إضافتها إلى الورقة ، مما يشير إلى أن أينشتاين لم يعرف الشكل النهائي للمعادلات في 18 نوفمبر. حقيقة أن أينشتاين لم يكمل معادلات المجال (بمصطلح التتبع) حتى 25 نوفمبر.
    • يمكن استخدام رسائل هيلبرت وأينشتاين وعلماء آخرين في محاولات لعمل تخمينات حول محتوى رسالة هيلبرت إلى أينشتاين ، والتي لم يتم حفظها ، أو محاضرة هيلبرت في غوتنغن في 16 نوفمبر.

    أولئك الذين يؤكدون أن عمل أينشتاين له الأولوية على عمل هيلبرت ، [ب 8] أو أن كلا المؤلفين قاما بعملهما بشكل مستقل [ب 9] ، استخدموا الحجج التالية:

    • قام هيلبرت بتعديل ورقته البحثية في ديسمبر 1915 ، ولم تحتوي نسخة 18 نوفمبر المرسلة إلى أينشتاين على الشكل النهائي لمعادلات المجال. لا يحتوي الجزء الموجود من أدلة الطابعة على معادلات المجال الصريحة. هذه هي وجهة النظر التي دافع عنها كوري ورين وستاتيل وساوير.
    • يتفق Sauer (1999) و Todorov (2005) مع Corry و Renn و Satchel على أن أدلة هيلبرت تظهر أن هيلبرت قد قدم في الأصل نظرية غير متغيرة ، والتي تم حذفها من الورقة المنقحة. كوري وآخرون. اقتباس من البراهين: "نظرًا لأن نظريتنا الرياضية. يمكن أن توفر فقط عشر معادلات مستقلة أساسًا لـ 14 إمكانات [.] علاوة على ذلك ، فإن الحفاظ على التغاير العام يجعل من المستحيل تمامًا أكثر من عشر معادلات مستقلة أساسية [.] ثم ، من أجل الحفاظ على السمة القطعية للمعادلات الأساسية للفيزياء [.] أربع معادلات أخرى غير متغيرة. [لا يمكن تجنبها]. " (البراهين ، الصفحتان 3 و 4. كوري وآخرون.) اشتق هيلبرت هذه المعادلات الأربع الإضافية واستمر في "هذه المعادلات التفاضلية الأربع [.] تكمل معادلات الجاذبية [.] للحصول على نظام من 14 معادلة لل 14 إمكانات g μ ν > ، qs >: نظام المعادلات الأساسية في الفيزياء ". (البراهين ، صفحة 7. كوري وآخرون.). أول نظرية لهيلبرت (محاضرة 16 نوفمبر ، محاضرة 20 نوفمبر ، البراهين 6 ديسمبر) كانت بعنوان "المعادلات الأساسية للفيزياء". في اقتراح المعادلات الأساسية غير المتغيرة ، بناءً على موتر ريتشي ولكن مقيد بهذه الطريقة ، كان هيلبرت يتبع شرط السببية الذي قدمه آينشتاين وجروسمان في أوراق Entwurf لعام 1913. [B 6]
    • قد يحاول المرء إعادة بناء الطريقة التي ربما وصل بها أينشتاين إلى معادلات المجال بشكل مستقل. هذا ، على سبيل المثال ، تم في جريدة لوغونوف وميستفيريشفيلي وبيتروف المقتبسة أدناه. [B 10] Renn و Sauer [B 11] يحققان في دفتر الملاحظات الذي استخدمه أينشتاين في عام 1912 وادعيا أنه كان قريبًا من النظرية الصحيحة في ذلك الوقت.

    يستشهد هذا القسم بالمنشورات البارزة حيث أعرب الناس عن وجهة نظرهم حول القضايا الموضحة أعلاه.

    ألبريشت فولسينغ حول تفاعل هيلبرت-أينشتاين (1993) تحرير

    من كتاب فولسينغ عام 1993 (الترجمة الإنجليزية 1998) [ب 7] سيرة أينشتاين "اعترف هيلبرت ، مثل جميع زملائه الآخرين ، بأينشتاين باعتباره المنشئ الوحيد لنظرية النسبية."

    كوري / رين / ستاتيل وفريدوردت وينتربرغ (1997/2003) تحرير

    في عام 1997 ، نشر كوري ورين وستاتيل مقالة من 3 صفحات في علم بعنوان "القرار المتأخر في نزاع أولوية هلبرت-أينشتاين" [2] ، وخلص إلى أن هيلبرت لم يتوقع معادلات أينشتاين. [ب 8] [ب 12]

    عارض فريدوردت وينتربيرج ، [ب 13] أستاذ الفيزياء في جامعة نيفادا ، رينو ، [3] هذه الاستنتاجات ، مشيرًا إلى أنه تم العبث ببراهين المطبخ الخاصة بمقالات هيلبرت - فقد تم قطع جزء من صفحة واحدة. يمضي في القول بأن الجزء المحذوف من المقالة يحتوي على المعادلات التي نشرها أينشتاين لاحقًا ، وكتب ذلك الجزء المقطوع من البراهين يوحي بمحاولة فجة من قبل شخص ما لتزوير السجل التاريخي. رفض "Science" نشر هذا وقد طُبع في شكل منقح في "Zeitschrift für Naturforschung" ، بتاريخ 5 يونيو 2003. انتقد وينتربرغ كوري ورين وشتاتشيل لإهمالهم حقيقة أن جزءًا من براهين هيلبرت مقطوع. كتب وينتربيرج أن معادلات المجال الصحيحة لا تزال موجودة في الصفحات الحالية من البراهين بأشكال مكافئة مختلفة. في هذه الورقة أكد وينتربرغ أن أينشتاين طلب المساعدة من هيلبرت وكلاين لمساعدته في العثور على معادلة المجال الصحيح، دون ذكر بحث Fölsing (1997) و Sauer (1999) وفقًا لهيلبرت مدعو آينشتاين إلى جوتنجن لإلقاء أسبوع من المحاضرات حول النسبية العامة في يونيو 1915 ، والتي لا تتعارض بالضرورة مع وينتربيرج. كان هيلبرت في ذلك الوقت يبحث عن مشاكل فيزيائية لحلها.

    يمكن العثور على رد قصير على مقالة وينتربيرج في [4] ويمكن الوصول إلى الرد الطويل الأصلي عبر أرشيف الإنترنت في [5]. في هذا الرد ، تسمى فرضية وينتربيرج "بجنون العظمة" و "المضاربة". كوري وآخرون. قدم التكهنات البديلة التالية: "من الممكن أن يكون هيلبرت نفسه قد اقتطع الجزء العلوي من الصفحة 7 لإدراجها في الأوراق الثلاث التي أرسلها كلاين ، حتى لا تنتهي في منتصف الجملة". [ب 14]

    اعتبارًا من سبتمبر 2006 ، استبدل معهد ماكس بلانك في برلين الرد القصير بملاحظة [6] تقول إن جمعية ماكس بلانك "تنأى بنفسها عن البيانات المنشورة على هذا الموقع [.] بخصوص البروفيسور فريدوارت وينتربيرج" وتفيد بأن " لن تتخذ جمعية ماكس بلانك موقفًا في [هذا] النزاع العلمي ".

    يقول إيفان تودوروف ، في ورقة بحثية نُشرت على موقع ArXiv ، [B 9] عن النقاش:

    محاولاتهم [CRS] لدعم اتهام أينشتاين "بالحنين" على هذا الأساس تذهب بعيدًا جدًا. سرعان ما تم توفير رد فعل هادئ وغير تصادمي من خلال دراسة شاملة [B 6] لطريق هيلبرت إلى "أسس الفيزياء" (انظر أيضًا الاستطلاع المتساوي نسبيًا (Viz 01)).

    في الورقة التي أوصى بها تودوروف باعتبارها هادئة وغير تصادمية ، خلص تيلمان سوير [B 6] إلى أن أدلة الطابعة تظهر بشكل قاطع أن أينشتاين لم ينتحل هيلبرت ، مشيرًا إلى

    أي احتمال لأخذ أينشتاين الدليل للخطوة الأخيرة نحو معادلات المجال من ملاحظة هيلبرت [20 نوفمبر 1915] أصبح الآن مستبعدًا بالتأكيد.

    نقل تودوروف رسائل ماكس بورن إلى ديفيد هيلبرت ، المقتبسة في ووينش ، كدليل على أن تفكير أينشتاين في التغاير العام قد تأثر بالمنافسة مع هيلبرت.

    ينهي تودوروف ورقته بالقول:

    كان لدى آينشتاين وهيلبرت القوة الأخلاقية والحكمة - بعد شهر من المنافسة الشديدة ، والتي استفاد منها الجميع (بما في ذلك العلم نفسه) في تقرير أخير - لتجنب نزاع حول الأولوية مدى الحياة (وهو أمر فشل فيه ليبنيز ونيوتن). سيكون من العار على الأجيال اللاحقة من العلماء ومؤرخي العلوم محاولة التراجع عن إنجازهم.

    أناتولي أليكسيفيتش لوغونوف حول النسبية العامة (2004) تحرير

    أناتولي لوجونوف (نائب رئيس سابق للأكاديمية السوفيتية للعلوم [6] وحاليًا المستشار العلمي لمعهد فيزياء الطاقة العالية [7]) ، وهو مؤلف كتاب حول نظرية النسبية لبوينكاريه ومؤلف مشارك مع ميستفيريشفيلي وبيتروف ، لمقال يرفض استنتاجات جريدة كوري / رين / ستاشيل. ناقشوا أوراق آينشتاين وهيلبرت ، زاعمين أن أينشتاين وهيلبرت وصلوا إلى معادلات المجال الصحيحة بشكل مستقل. على وجه التحديد ، استنتجوا ما يلي:

    كانت مساراتهم مختلفة لكنها أدت بالضبط إلى نفس النتيجة. لا أحد "نخر" الآخر. لذلك لا يمكن اتخاذ أي "قرار متأخر في نزاع الأولوية بين أينشتاين وهيلبرت" ، والذي كتب عنه [كوري ، ورين ، وستاتشيل]. علاوة على ذلك ، فإن الخلاف ذاته بين أينشتاين وهيلبرت لم يحدث أبدًا. كل شيء واضح تمامًا: بذل كلا المؤلفين كل شيء لتخليد أسمائهما في عنوان معادلات مجال الجاذبية. لكن النسبية العامة هي نظرية أينشتاين. [ب 15]

    Wuensch and Sommer (2005) تحرير

    ردت دانييلا ووينش ، مؤرخة العلوم وخبيرة هيلبرت وكلوزا ، على انتقادات بييركنيس ووينتربرغ ولوجونوف لورقة كوري / رين / ستاشيل في كتاب ظهر عام 2005 ، حيث تدافع عن وجهة النظر القائلة بأن القص لبراهين طابعة هيلبرت تم إجراؤها في الآونة الأخيرة. علاوة على ذلك ، تقدم نظرية حول ما يمكن أن يكون في الجزء المفقود من البراهين ، بناءً على معرفتها بأوراق ومحاضرات هيلبرت.

    تدافع عن وجهة النظر القائلة بأن المعرفة برسالة هلبرت في 16 نوفمبر 1915 كانت حاسمة في تطوير أينشتاين لمعادلات المجال: وصل أينشتاين إلى معادلات المجال الصحيحة فقط بمساعدة هيلبرت ("nach großer Anstrengung mit Hilfe Hilberts") ، لكنه مع ذلك يسمي رد فعل أينشتاين (تعليقاته السلبية على هيلبرت في خطاب 26 نوفمبر إلى Zangger) "مفهوم" ("Einsteins Reaktion ist verständlich") لأن أينشتاين عمل على حل المشكلة لفترة طويلة.

    وفقًا لناشرها ، كلاوس سومر ، استنتجت ووينش أن:

    تختتم هذه الدراسة الشاملة بتفسير تاريخي. إنه يوضح أنه في حين أنه من الصحيح أن هيلبرت يجب أن يُنظر إليه على أنه أول من اكتشف معادلات المجال ، فإن النظرية العامة للنسبية هي بالفعل إنجاز أينشتاين ، بينما طور هيلبرت نظرية موحدة للجاذبية والكهرومغناطيسية. [7]

    في عام 2006 ، تمت دعوة Wuensch لإلقاء محاضرة في الاجتماع السنوي لجمعية الفيزياء الألمانية (Deutsche Physikalische Gesellschaft) حول وجهات نظرها حول القضية ذات الأولوية للمعادلات الميدانية.

    أيد ناشر ووينش ، كلاوس سومر ، في مقال في "Physik in unserer Zeit" ، [B 16] وجهة نظر ووينش بأن أينشتاين حصل على بعض النتائج ليس بشكل مستقل ولكن من المعلومات التي تم الحصول عليها من رسالة هيلبرت في 16 نوفمبر ومن ملاحظات محادثة هيلبرت. في حين أنه لا يصف أينشتاين بالسرقة الأدبية ، يتكهن سومر بأن رسالة أينشتاين التصالحية في 20 ديسمبر كانت مدفوعة بالخوف من أن هيلبرت قد يعلق على سلوك أينشتاين في النسخة النهائية من ورقته البحثية. زعم سومر أن فضيحة تسبب بها هيلبرت كان من الممكن أن تلحق أضرارًا بأينشتاين أكثر من أي فضيحة من قبل ("Ein Skandal Hilberts hätte ihm mehr geschadet als jeder andere zuvor").

    ديفيد إي رو (2006) تحرير

    تنازع مؤرخ الرياضيات والعلوم الطبيعية ديفيد إي. رو في مراجعة مفصلة لكتاب ووينش الذي نُشر في هيستوريا ماتيماتيكا في عام 2006. [8] يجادل رو بأن كتاب ووينش لا يقدم شيئًا سوى تكهنات مغرضة ، لا أساس لها ، وفي كثير من الحالات غير قابلة للتصديق إلى حد كبير.


    عند اختبار نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، تتراكم أخطاء النمذجة الصغيرة بسرعة

    الائتمان: Pixabay / CC0 Public Domain

    قد تتراكم أخطاء النمذجة الصغيرة بشكل أسرع مما كان متوقعًا في السابق عندما يجمع الفيزيائيون أحداث موجات ثقالية متعددة (مثل تصادم الثقوب السوداء) لاختبار نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين ، وفقًا لباحثين في جامعة برمنجهام في المملكة المتحدة. النتائج ، التي نشرت في 16 يونيو في المجلة iScience، يقترح أن الفهارس التي تحتوي على ما لا يقل عن 10 إلى 30 حدثًا مع نسبة ضوضاء للإشارة إلى الخلفية تبلغ 20 (وهو نموذجي للأحداث المستخدمة في هذا النوع من الاختبار) يمكن أن توفر انحرافات مضللة عن النسبية العامة ، مشيرة بشكل خاطئ إلى فيزياء جديدة حيث لا شيء موجود. نظرًا لأن هذا قريب من حجم الكتالوجات الحالية المستخدمة لتقييم نظرية أينشتاين ، استنتج المؤلفون أنه يجب على الفيزيائيين المضي بحذر عند إجراء مثل هذه التجارب.

    يقول كريستوفر جيه مور ، المحاضر في كلية الفيزياء وعلم الفلك ومعهد علم فلك الموجات الثقالية بجامعة برمنغهام في المملكة المتحدة: "يعد اختبار النسبية العامة باستخدام كتالوجات أحداث الموجات الثقالية مجالًا جديدًا جدًا من الأبحاث". المؤلف الرئيسي للدراسة. "هذه إحدى الدراسات الأولى التي تبحث بالتفصيل في أهمية أخطاء النموذج النظري في هذا النوع الجديد من الاختبارات. في حين أنه من المعروف جيدًا أن الأخطاء في النماذج النظرية تحتاج إلى المعالجة بعناية عندما تحاول اختبار نظرية ، لقد فوجئنا بمدى السرعة التي يمكن أن تتراكم بها أخطاء النماذج الصغيرة عندما تبدأ في دمج الأحداث معًا في الكتالوجات. "

    في عام 1916 ، نشر أينشتاين نظريته عن النسبية العامة ، والتي تشرح كيف تقوم الأجرام السماوية الضخمة بتشويه النسيج المترابط بين المكان والزمان ، مما يؤدي إلى الجاذبية. تتنبأ النظرية بأن حوادث الفضاء الخارجي العنيفة مثل اصطدام الثقب الأسود تعطل الزمكان بشدة لدرجة أنها تنتج تموجات تسمى موجات الجاذبية ، والتي تتنقل عبر الفضاء بسرعة الضوء. اكتشفت أدوات مثل LIGO و Virgo الآن إشارات موجات الجاذبية من عشرات الثقوب السوداء المندمجة ، والتي استخدمها الباحثون لوضع نظرية أينشتاين قيد الاختبار. حتى الآن ، لقد مر دائمًا. لدفع النظرية إلى أبعد من ذلك ، يختبرها الفيزيائيون الآن على كتالوجات لأحداث موجات جاذبية مجمعة متعددة.

    يقول ريكاردو Buscicchio ، الحاصل على درجة الدكتوراه: "عندما أصبحت مهتمًا بأبحاث الموجات الثقالية ، كان أحد عوامل الجذب الرئيسية هو إمكانية إجراء اختبارات جديدة وأكثر صرامة للنسبية العامة". طالب في مدرسة الفيزياء وعلم الفلك ومعهد علم فلك الموجات الثقالية ومؤلف مشارك للدراسة. "النظرية رائعة وقد اجتازت بالفعل مجموعة رائعة للغاية من الاختبارات الأخرى. لكننا نعلم من مجالات أخرى في الفيزياء أنها لا يمكن أن تكون صحيحة تمامًا. إن محاولة العثور على مكان فشلها بالضبط هو أحد أهم الأسئلة في الفيزياء . "

    ومع ذلك ، في حين أن كتالوجات موجات الجاذبية الأكبر يمكن أن تقرب العلماء من الإجابة في المستقبل القريب ، فإنها تضخم أيضًا احتمالية حدوث أخطاء. نظرًا لأن نماذج الموجات تتضمن حتماً بعض التقريبات والتبسيط وأخطاء النمذجة ، فإن النماذج ذات درجة عالية من الدقة للأحداث الفردية قد تكون مضللة عند تطبيقها على كتالوجات كبيرة.

    لتحديد كيفية نمو أخطاء شكل الموجة مع زيادة حجم الكتالوج ، استخدم مور وزملاؤه كتالوجات صورية مبسطة وخطية لإجراء عدد كبير من حسابات الاختبار ، والتي تضمنت رسم نسب الإشارة إلى الضوضاء وعدم التطابق وزوايا محاذاة خطأ النموذج لكل حدث موجة ثقالية . وجد الباحثون أن المعدل الذي تتراكم به أخطاء النمذجة يعتمد على ما إذا كانت أخطاء النمذجة تميل إلى المتوسط ​​عبر العديد من أحداث الكتالوج المختلفة ، وما إذا كانت الانحرافات لها نفس القيمة لكل حدث ، وتوزيع أخطاء نمذجة الموجة عبر الأحداث.

    يقول مور: "ستكون الخطوة التالية بالنسبة لنا إيجاد طرق لاستهداف هذه الحالات المحددة باستخدام نماذج أكثر واقعية ولكنها أيضًا أكثر تكلفة من الناحية الحسابية". "إذا أردنا أن نثق في نتائج مثل هذه الاختبارات ، يجب أولاً أن يكون لدينا فهم جيد قدر الإمكان للأخطاء في نماذجنا."


    اعتماد النسبية الخاصة

    في عام 1908 ، طبق ماكس بلانك مصطلح "نظرية النسبية" لوصف هذه المفاهيم ، بسبب الدور الرئيسي الذي تلعبه النسبية فيها. في ذلك الوقت ، بالطبع ، كان المصطلح ينطبق فقط على النسبية الخاصة ، لأنه لم يكن هناك أي نسبية عامة.

    لم يتم تبني نظرية النسبية لأينشتاين على الفور من قبل الفيزيائيين ككل لأنها بدت نظرية وغير بديهية. عندما حصل على جائزة نوبل عام 1921 ، كان ذلك على وجه التحديد من أجل حله للتأثير الكهروضوئي و "مساهماته في الفيزياء النظرية". كانت النسبية لا تزال مثيرة للجدل بحيث لا يمكن الإشارة إليها على وجه التحديد.

    مع مرور الوقت ، ثبت أن تنبؤات النسبية الخاصة صحيحة. على سبيل المثال ، تبين أن الساعات التي يتم نقلها حول العالم تتباطأ بالمدة التي تنبأت بها النظرية.


    شاهد الفيديو: النظرية النسبية لأينشتاين شرح مبسط للنسبية العامة (كانون الثاني 2022).