في القرن التاسع العاشر افترض الفيزيائيون ان الفضاء الخالي هو بالحقيقة مجال يحتوي مادة أطلقوا عليها إسم (الأثير)، أما الضوء فهو يسافر عبر الأثير بسرعة محددة. وبما أن كوكبنا يدور فقد تنبؤوا بأن سرعة الضوء ستكون مختلفة عن السرعة الأصلية، مثل مرور سيارة بك وأنت واقف، فسرعة السيارة تختلف اذا كنت متحركا وفي محاولة لتحديد سرعة دوران الأرض الفعلية في الفضاء. لقد قاموا بقياس سرعة الضوء من مواقع مختلفة وفي نفس الوقت من السنة لكن في كل الحالات سرعة الضوء هي نفسها من كل إطار مرجعي.
النسبية الخاصة
ان سرعة الضوء هي سرعة ثابتة وهي ٣٠٠٠٠٠ كيلومتر في الثانية الواحدة، في نظرية أينشتاين للنسبية الخاصة اظهر اينشتاين ان الزمان والمكان كميات مترابطة، فالمراقبين مثلا في حركة نسبية معينة يقيسون نفس المنطقة بين نقطتين في الفضاء او الوقت بين نفس الأحداث فالنتيجة ستظهر مختلفة بين نفس المنطقة والاحداث. أثبتت نسبية اينشتاين الخاصة ان لا يوجد هناك اي نقطة مرجعية مطلقة في المكان او الزمان فإذا افترضنا ان هناك رائد فضاء وحيد في الكون لا يوجد شيء يراه فستكون سرعته صفر بينما إذا كان هناك كوكب معين موجود فستكون سرعته نسبة إلى هذا الكوكب.
تباطؤ الزمن
فلنتخيل هناك شعاع من الضوء يرتد بين مرآتين داخل مركبة فضائية تتحرك في الفضاء قرب كوكب الأرض ويوجد ايضا داخل المركبة الفضائية رائد فضاء يقيس الحركة العمودية للضوء. المنظر من الأرض يبدو وكأن الضوء يتحرك أبعد من المكان المحصور بين المرآتين وياخذ وقت اطول ليقوم بالوصول للمرآة الأخرى لذا فالوقت سيكون أبطأ في الإطار المرجعي المتحرك بينما المنظر من داخل المركبة من قبل رائد الفضاء سيبدو له الضوء كأنه يتحرك بطريقة طبيعية مرتدا بين المرآتين بدون حصول أي شيء.
الطاقة والكتلة
واجه اينشتاين بعد العمل في المعادلات الرياضية لنظريته النسبية نتائج مفاجئة، وهي أن كتلة الجسم تزداد كلما تسارع وعند وصول سرعته إلى سرعة الضوء فسيملك كتلة لا نهائية. أدرك أينشتاين ان سرعة الضوء هي السرعة القصوى في الكون معادلته افترضت ان الطاقة والكتلة كميات متكافئة ويقول اينشتاين:(ان هذه المعادلة هي جزء من نظريتي للنسبية الخاصة فالمالك والطاقة وجهان لعملة واحدة). ووضع اينشتاين معادلته الشهيرة وهي E=MC2 بمعنى ان الطاقة تساوي الكتلة في مربع سرعة الضوء. واستخدمت هذه المعادلة للتنبؤ بالزيادات الحاصلة في كتلة الجسيمات إذا تم تسريعها بسرعة الضوء مثلا في مُصادِم الهادرونات الكبير الموجود في جنيف.
النسبية العامة
النسبية الخاصة لأينشتاين تطبق على الأجسام المتحركة بخط مستقيم في سرعة غير متغيرة ولا تشمل الجاذبية. وفي محاولة لدمج الجاذبية والتعجيل استعمل آينشتاين معادلة ابتدعت من قبل رياضي ألماني وهو هيرمان مانكوسكي في عام 1907 اقترحها مانكوسكي متضمنا الزمان كبعد رابع وعرف هذا البعد الرابع بالزمكان. وفي عام 1910 عمل أينشتاين على مجموعة من المعادلات التي تصف الجاذبية كالانحناء في نسيج الزمكان هذه المعادلات كانت الأسس لنظرية آينشتاين في النسبية العامة التي نشرت في عام 1916. النسبية العامة تصف بدقة كيف تؤثر الجاذبية على الزمان وكيف تحني الضوء.
انحناء الزمكان
الشمس ضخمة كفاية لكي تسبب انحناءاً في الزمكان المحيط بها الى حد ان ضوء النجوم القريب من الشمس تحنيه حتى تظهر النجوم من أماكن غير أماكنها الأصلية وقد أكدها العالم البريطاني آرثر إدنجتون عام 1919 خلال الكسوف الشمسي.
الجاذبية والتعجيل
التعجيل والجاذبية على الأرض هي نفسها متساوية حسب النسبية العامة ولا يوجد فرق بين الجاذبية والتعجيل. بينما الجاذبية في الفضاء وفي مركبة مسرعة شيء ساقط سيتصرف مثلما يتصرف على الأرض بالنسبة للموجود داخل المركبة. بينما مركبة طافية في الفضاء إذا كانت المركبة تسير بسرعة معينة فالشيء الساقط سيطفو بدلا من السقوط نسبة لليد التي رمته. بينما إذا كانت المركبة في سقوط حر نحو الأرض فالشيء الساقط سيسرع نزولا كما في المركبة المتسارعة فليس هناك أي فرق بين الجاذبية والتعجيل.
مفارقة التوأم
لنتصور بأن لدينا توأمين وهما مثلا حسن وحسين يبلغان من العمر عشرين عاما حسن قرر ان يقوم برحلة الى كوكب ما يبعد عنا عشرين سنة ضوئية بواسطة سفينة فضائية تتحرك بسرعة 20% من سرعة الضوء بينما ضَل حسين على الأرض ينتظره، حسب ظاهرة تباطؤ الزمن سيرى حسين ان ضربات قلب حسن تتباطئ مثلا ثلاث مرات مقابل كل خمس ضربات من قلب حسين وبعد مرور خمسين عام حسب وقت حسين عاد أحمد لكن حسب وقت حسن ان رحلته استغرقت فقط ثلاثين عام إذن فعمر حسين الان سبعين عام بينما عمر حسن خمسين عام فقط.
المصادر
النسبية – راسل ستانارد.
النسبية الخاصة والرجال الذين صنعوها – يوسف البناي.
Science year by year – Robert Winston.
