النظرية النسبية

وأما النسبية العامة فقد اكتملت في نوفمبر 1915^{1100 Years of General Relativity · NASA Goddard Space Flight Center (Blueshift) ↗}.

تقوم النسبية الخاصة على مسلَّمتين اثنتين لا ثالث لهما: الأولى أن قوانين الفيزياء واحدة في جميع الأطر القصورية، والثانية أن سرعة الضوء c ثابتة، مستقلة عن الحركة النسبية للمصدر ^{228.1 Einstein's Postulates – College Physics 2e · OpenStax (Rice University) ↗}. وقد رفع أينشتاين (Einstein) مبدأ النسبية إلى مرتبة المسلَّمة، وأضاف إليه مسلَّمة ثانية مضمونها أن الضوء ينتشر دائمًا في الفضاء الخالي بسرعة محددة c، مستقلة عن حركة الجسم الباعث ^{3On the Electrodynamics of Moving Bodies (English translation) · University of Pittsburgh (J. D. Norton, Einstein course materials); reset text of the English translation ↗}. وقد رأى أينشتاين (Einstein) أن القوانين نفسها للديناميكا الكهربائية والبصريات ستظل صالحة في جميع الأطر المرجعية التي تصح فيها معادلات الميكانيكا ^{3On the Electrodynamics of Moving Bodies (English translation) · University of Pittsburgh (J. D. Norton, Einstein course materials); reset text of the English translation ↗}.

صدرت ورقة النسبية الخاصة «حول الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة» في عام 1905، وهي مؤرخة في 30 يونيو 1905 ^{3On the Electrodynamics of Moving Bodies (English translation) · University of Pittsburgh (J. D. Norton, Einstein course materials); reset text of the English translation ↗}. وتفتتح بتفاوتات في الديناميكا الكهربائية لماكسويل (Maxwell) لدى الأجسام المتحركة ^{3On the Electrodynamics of Moving Bodies (English translation) · University of Pittsburgh (J. D. Norton, Einstein course materials); reset text of the English translation ↗}. وقد كفت المسلَّمتان لوضع نظرية بسيطة ومتسقة للديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة على أساس نظرية ماكسويل (Maxwell)، فبات إدخال الأثير الحامل للضوء زائدًا عن الحاجة ^{3On the Electrodynamics of Moving Bodies (English translation) · University of Pittsburgh (J. D. Norton, Einstein course materials); reset text of the English translation ↗}. ولم تُبلَغ النتيجة المقبولة حاليًّا إلا في 1905 حين نشر أينشتاين (Einstein) ورقته الأولى عن النسبية الخاصة، بناء بالأساس على أن قوانين الكهرباء والمغناطيسية لا تسمح بسرعة أخرى للضوء ^{228.1 Einstein's Postulates – College Physics 2e · OpenStax (Rice University) ↗}. وتفتتح الورقة بمثال الفعل الكهرودينامي المتبادل بين مغناطيس وموصل، حيث تعتمد الظاهرة الملاحَظة على حركتهما النسبية وحدها ^{3On the Electrodynamics of Moving Bodies (English translation) · University of Pittsburgh (J. D. Norton, Einstein course materials); reset text of the English translation ↗}.

وقد قدّم أينشتاين (Einstein) في يونيو 1905 الورقة التي تضمنت المفاهيم الأساسية للنسبية الخاصة، وفي سبتمبر قدّم تكملة وجيزة استنتج فيها المعادلة التي اقترنت باسمه إلى الأبد ^{4September, 1905: Energy and Mass are Equivalent (This Month in Physics History) · American Physical Society (APS News) ↗}. وقد أثبتت تجربة ميكلسون-مورلي (Michelson-Morley) أن سرعة الضوء في الفراغ مستقلة عن حركة الأرض حول الشمس ^{228.1 Einstein's Postulates – College Physics 2e · OpenStax (Rice University) ↗}.

تُعدّ العلاقة E = mc² أشهر ما اقترن باسم ألبرت أينشتاين (Albert Einstein)، وهي تعبير موجز عن أن الكتلة والطاقة وجهان لحقيقة واحدة. وتأخذ هذه العلاقة صورتها الأدق في طاقة السكون، حيث E0 = mc²، وهي الصورة التي أظهرت للمرة الأولى أن الطاقة مرتبطة بكتلة جسم ساكن ^{528.6 Relativistic Energy – College Physics 2e · OpenStax (Rice University) ↗}. وقد بيّن أينشتاين أن مبدأ النسبية إذا قُرن بمعادلات ماكسويل (Maxwell) اقتضى أن تكون الكتلة مقياسًا مباشرًا للطاقة المختزنة في الأجسام، وأن الضوء ينقل كتلة ^{4September, 1905: Energy and Mass are Equivalent (This Month in Physics History) · American Physical Society (APS News) ↗}. ويترتب على ذلك أن الكتلة قابلة للإفناء لإطلاق الطاقة، غير أن الآثار الواسعة لهذه النتيجة لم تُدرَك إدراكًا كاملًا إلا بعد سنوات عدة من نشرها ^{528.6 Relativistic Energy – College Physics 2e · OpenStax (Rice University) ↗}. وتحتوي هذه المعادلة على c، سرعة الضوء في الفراغ، التي يجب أن يخضع لها كل ضوء بوصفها حدًّا أعلى للسرعة ^{610 Things Einstein Got Right · NASA Science ↗}.

في سبتمبر من عام 1905 أعلن أينشتاين أنه إذا بعث جسم قدرًا معينًا من الطاقة، وجب أن تنقص كتلة ذلك الجسم بمقدار متناسب ^{4September, 1905: Energy and Mass are Equivalent (This Month in Physics History) · American Physical Society (APS News) ↗}. وقد بيّن أينشتاين أن قانون حفظ الطاقة يظل صالحًا نسبيًّا إذا عُرِّفت الطاقة بحيث تشمل عاملًا نسبيًّا ^{528.6 Relativistic Energy – College Physics 2e · OpenStax (Rice University) ↗}.

تقوم النسبية العامة على معادلات المجال التي صاغها ألبرت أينشتاين (Albert Einstein) ^{7Albert Einstein – Facts · Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) ↗}، وهي تربط تشوهات الزمكان بالكتلة والطاقة والزخم والضغط ^{8Einstein's equation · Einstein Online, Max Planck Institute for Gravitational Physics ↗}. وفي هذه النظرية تنضم الطاقة والزخم والضغط إلى الكتلة بوصفها مصادر للجاذبية ^{8Einstein's equation · Einstein Online, Max Planck Institute for Gravitational Physics ↗}. وقد نُشرت معادلات المجال في الخامس والعشرين من نوفمبر عام 1915 ^{1100 Years of General Relativity · NASA Goddard Space Flight Center (Blueshift) ↗}، لتكون حجر الزاوية في نظرية النسبية العامة ^{8Einstein's equation · Einstein Online, Max Planck Institute for Gravitational Physics ↗}.

يقوم مبدأ التكافؤ على أن مسار جسم اختباري يسقط سقوطًا حرًّا مستقل عن بنيته الداخلية وتركيبه، بحيث يسقط جسمان مختلفان في مجال جاذبي بالتسارع نفسه ^{9The Confrontation between General Relativity and Experiment (Living Rev. Relativity 17, 4) · Living Reviews in Relativity (Springer) ↗}. ويعدّ الفيزيائيون هذا المبدأ قلب نظرية الجاذبية وروحها، لأنه إذا صح وجب أن تكون آثار الجاذبية مكافئة للعيش في زمكان منحنٍ ^{9The Confrontation between General Relativity and Experiment (Living Rev. Relativity 17, 4) · Living Reviews in Relativity (Springer) ↗}. ويتسع المبدأ ليصبح مبدأ التكافؤ لأينشتاين (Einstein)، فينص على أن مبدأ التكافؤ الضعيف صحيح، وأن نتيجة أي تجربة موضعية غير جاذبية مستقلة عن سرعة الإطار المرجعي الساقط سقوطًا حرًّا، وأنها مستقلة أيضًا عن مكان إجرائها وزمانه في الكون ^{9The Confrontation between General Relativity and Experiment (Living Rev. Relativity 17, 4) · Living Reviews in Relativity (Springer) ↗}.

كان تفسير الشذوذ في حركة كوكب عطارد أول انتصار حاسم للنظرية العامة للنسبية، إذ فسّرت تقدمًا شاذًا في حضيضه بلغ 43 ثانية قوسية في القرن. وقد ظل هذا الشذوذ لغزًا محيرًا أمام الفيزياء الكلاسيكية قبل أن تجد له النسبية العامة تفسيرًا مقنعًا.^{10Solar System Dynamics – Relativity Studies (Mercury) · NASA Jet Propulsion Laboratory ↗}

وفي ميدان انحراف الضوء، تنبأت النسبية العامة بأن الضوء ينحني بفعل الجاذبية عندما يمر قريبًا من جسم ضخم كالشمس، وهو أثر قابل للقياس خلال كسوف شمسي حين يحجب القمر ضوء الشمس. وقد تحقق الفلكي السير آرثر إدينغتون من صحة هذا التنبؤ في 29 مايو 1919 برصد الانحراف الظاهري للنجوم خلال كسوف شمسي. وقد أسهم هذا التأكيد في ذيوع شهرة أينشتاين، رغم أن دقة تلك التجارب المبكرة لم تتجاوز 30 في المئة.^{11World celebrates centenary of confirmation of relativity · Royal Astronomical Society ↗}

ولم تقتصر الاختبارات على الانحراف والحضيض، بل امتدت إلى قياس الانزياح نحو الأحمر الجاذبي وتأخر الزمن. فقد كان أول قياس عالي الدقة للانزياح نحو الأحمر الجاذبي سلسلة تجارب باوند-ريبكا-سنايدر بين عامي 1960 و1965، وقد بلغت دقتها نحو واحد في المئة. كما اتفقت قياسات تأخر الزمن لشابيرو باستخدام مركبة كاسيني مع النسبية العامة بنحو جزء من ألف من المئة.^{9The Confrontation between General Relativity and Experiment (Living Rev. Relativity 17, 4) · Living Reviews in Relativity (Springer) ↗}

قارن مسبارا الفايكنغ تأخير شابيرو بدقة بلغت جزءاً من ألف، ثم بلغت تجربة كاسيني دقة عشرين جزءاً من المليون، أي دقة تزيد خمسين ضعفاً على القياسات السابقة. ووصلت قياسات انحراف الضوء بالتداخل الطويل القاعدة إلى دقة 0.01 بالمئة.^{12Saturn-Bound Spacecraft Tests Einstein's Theory · NASA Jet Propulsion Laboratory ↗9The Confrontation between General Relativity and Experiment (Living Rev. Relativity 17, 4) · Living Reviews in Relativity (Springer) ↗}

في عام 1971 تحقق الفيزيائيان الأمريكيان جوزيف هافيله وريتشارد كيتنغ من تمدد الزمن عند سرعات نسبية منخفضة، فحلّقا بساعات ذرية بالغة الدقة حول الأرض على متن طائرات تجارية ^{1328.2 Simultaneity and Time Dilation – College Physics 2e · OpenStax (Rice University) ↗}. كما رصد باحثون في المعهد الوطني للمعايير والتقنية أثر تمدد الزمن الجاذبي على مقياس 33 سنتيمتراً، فبيّنوا أن المرء يشيخ أسرع بدرجتين أعلى على سلم ^{14NIST Pair of Aluminum Atomic Clocks Reveal Einstein's Relativity at a Personal Scale · National Institute of Standards and Technology (NIST) ↗}، ولاحظوا أيضاً أن الزمن يمر أبطأ عند الحركة بسرعات تضاهي سيارة تسير نحو عشرين ميلاً في الساعة ^{14NIST Pair of Aluminum Atomic Clocks Reveal Einstein's Relativity at a Personal Scale · National Institute of Standards and Technology (NIST) ↗}.

كان مسبار الجاذبية B تجربة فضائية اختبرت تنبؤين أساسيين للنسبية العامة، هما الأثر الجيوديسي وأثر جرّ الإطار، بجيروسكوبات مبرَّدة في مدار حول الأرض ^{15Gravity Probe B – Mission Status: Final Results · Stanford University (Gravity Probe B) ↗}. وقد جمع المسبار بياناته العلمية من 28 أغسطس 2004 إلى 14 أغسطس 2005 خلال مهمته في مدار الأرض ^{15Gravity Probe B – Mission Status: Final Results · Stanford University (Gravity Probe B) ↗}. وكان للمسبار، وهو من مشروعات ناسا، أربعة جيروسكوبات موجهة نحو النجم IM Pegasi ^{610 Things Einstein Got Right · NASA Science ↗}. وفي عام 2011 أعلن العلماء تغيرات ضئيلة أحدثتها الأرض بجاذبيتها وهي تجرّ الزمكان حولها ^{610 Things Einstein Got Right · NASA Science ↗}.

أعطى المتوسط المرجح للجيروسكوبات الأربعة معدل انزياح جيوديسي قدره -6,601.8 ± 18.3 مللي ثانية قوسية في السنة، في مقابل قيمة متوقعة من النسبية العامة مقدارها -6,606.1 مللي ثانية قوسية في السنة ^{15Gravity Probe B – Mission Status: Final Results · Stanford University (Gravity Probe B) ↗}. كما أعطى المتوسط المرجح معدل انزياح جرّ إطار قدره -37.2 ± 7.2 مللي ثانية قوسية في السنة، مقابل قيمة متوقعة مقدارها -39.2 مللي ثانية قوسية في السنة ^{15Gravity Probe B – Mission Status: Final Results · Stanford University (Gravity Probe B) ↗}. وبهذين القياسين بلغ المسبار غايته في اختبار تنبؤين دقيقين من تنبؤات النسبية العامة ^{15Gravity Probe B – Mission Status: Final Results · Stanford University (Gravity Probe B) ↗}.

تنبأ ألبرت أينشتاين (Albert Einstein) بوجود موجات الجاذبية في ورقة عام 1916 كُتبت في العام التالي للصياغة النهائية لمعادلات مجال النسبية العامة، ووجد أن معادلات المجال الضعيفة المخطَّطة خطيًّا لها حلول موجية ^{16Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger (Phys. Rev. Lett. 116, 061102) · American Physical Society (Physical Review Letters) ↗}. وتنتشر موجات الجاذبية بسرعة الضوء وتنشأ دائمًا عند تسارع كتلة، مثل زوج من الثقوب السوداء يدور أحدهما حول الآخر ^{17The Nobel Prize in Physics 2017 – Press release · Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) ↗}.

قبل الرصد المباشر بوقت طويل، وجد الباحثون مع النباضات الثنائية تناقصًا في الدور المداري مع مرور الزمن، وهو أول دليل على الإشعاع الجاذبي ^{18Testing Einstein · American Institute of Physics (History Programs) ↗}. ويتقلص دور مدار النباض الثنائي مع دوام الجسمين على الاقتراب الحلزوني، بانخفاض يناهز 75 جزءًا من المليون من الثانية في السنة ^{19The Nobel Prize in Physics 1993 – Press release · Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) ↗}. ويشكل هذا التوافق الجيد بين الرصد والنظرية برهانًا غير مباشر على وجود موجات الجاذبية ^{19The Nobel Prize in Physics 1993 – Press release · Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) ↗}.

في 14 سبتمبر 2015 عند الساعة 09:50:45 بالتوقيت العالمي المنسق (UTC)، رصد كاشفا ليغو (LIGO) معًا إشارة موجات جاذبية عابرة تتزايد ترددًا من 35 إلى 250 هرتز ^{16Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger (Phys. Rev. Lett. 116, 061102) · American Physical Society (Physical Review Letters) ↗}. وقد جاءت الإشارات من ثقبين أسودين مندمجين تبلغ كتلة كل منهما نحو 30 ضعف كتلة الشمس، ويقعان على مسافة 1.3 مليار سنة ضوئية ^{20GW150914 · LIGO (Caltech/MIT) ↗}. وعندما اندمج هذان الثقبان الأسودان، غيرت الموجات المسافة بين مرآتين تفصل بينهما 4 كيلومترات بنحو جزء من ألف من قطر البروتون ^{20GW150914 · LIGO (Caltech/MIT) ↗}. وأُعلن هذا الرصد في 11 فبراير 2016 ^{20GW150914 · LIGO (Caltech/MIT) ↗}، ليمثل أول كشف مباشر عن موجات الجاذبية وأول رصد لاندماج ثقبين أسودين ^{16Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger (Phys. Rev. Lett. 116, 061102) · American Physical Society (Physical Review Letters) ↗}.

اكتُشف النابض الثنائي عام 1974 على يد راسل هالس وجوزيف تايلور باستخدام مقراب راديوي قطره 300 متر في أريسيبو، ومُنح الاكتشاف جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1993. ^{19The Nobel Prize in Physics 1993 – Press release · Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) ↗}

يُعدّ وجود الثقوب السوداء نفسها، وهي أجسام بالغة الكثافة لا يستطيع الضوء الإفلات منها، تنبؤًا أصيلًا للنسبية العامة ^{610 Things Einstein Got Right · NASA Science ↗}. وقد بيّن روجر بنروز (Roger Penrose) أن النظرية العامة للنسبية تؤدي إلى تشكل الثقوب السوداء ^{21The Nobel Prize in Physics 2020 – Press release · Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) ↗}.

أما في قلب مجرتنا، فإن مدارات ألمع النجوم الأقرب إلى مركز درب التبانة (Milky Way) تشير إلى أن نحو أربعة ملايين من الكتل الشمسية محشورة في منطقة لا تتجاوز حجم مجموعتنا الشمسية ^{21The Nobel Prize in Physics 2020 – Press release · Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) ↗}. وقد اكتشف رينهارد غينزل (Reinhard Genzel) وأندريا غيز (Andrea Ghez) الجسم الثقيل غير المرئي الذي يحكم مدارات النجوم في مركز مجرتنا ^{21The Nobel Prize in Physics 2020 – Press release · Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) ↗}.

في عام 2019 كشف تعاون «إيفنت هورايزن تلسكوب» أول صورة لأفق حدث ثقب أسود، وهي صورة تُظهر ظل الثقب الأسود فائق الكتلة في مركز مجرة M87، الذي تبلغ كتلته 6.5 مليار ضعف كتلة الشمس ويبعد نحو 55 مليون سنة ضوئية عن الأرض، وقد عملت ثمانية مقاريب راديوية أرضية معاً كأنها مقراب واحد بحجم الكوكب كله لالتقاط هذا الظل ^{610 Things Einstein Got Right · NASA Science ↗22Black Hole Image Makes History; NASA Telescopes Coordinated Observations · NASA Science ↗}.

يُعدّ نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) من أوضح البراهين العملية على أن النسبية ليست ضربًا من التجريد الرياضي، بل أثرٌ يُلمَس في دقة القياس اليومي. وما لم تؤخذ هذه الآثار النسبية في الحسبان، تتراكم الأخطاء بمعدل نحو 10 كيلومترات في اليوم ^{1100 Years of General Relativity · NASA Goddard Space Flight Center (Blueshift) ↗}. ويتألف القطاع الفضائي لهذا النظام أساسًا من 24 قمرًا صناعيًا تحمل ساعات ذرية، بأربعة أقمار في كل واحد من ستة مستويات مدارية ^{23Relativity in the Global Positioning System (Living Reviews in Relativity) · Springer / Living Reviews in Relativity (Neil Ashby) ↗}.