في عام 1905 ، قلب ألبرت أينشتاين عالم الفيزياء النظرية رأسًا على عقب ، ونشر عملًا حول الانضباط ، والذي سيطلق عليه لاحقًا نظرية النسبية الخاصة. وأوضحت أنه لا يمكن اعتبار المكان والزمان كيانين مطلقين: يمكن للوقت أن يتسارع أو يتباطأ ، ويمكن تقليل الأطوال القياسية ، ويمكن أن تزيد الكتل.
والنتيجة الأكثر شهرة ، هي معادلة كتلة الطاقة ، ويتم التعبير عن نسبتها من خلال المعادلة E = mc².
لا أحد يشك في عبقرية أينشتاين الذي صاغ النظرية النسبية العامة ، ولكن من المقبول عمومًا أنه إذا لم ينشر نظريته في عام 1905 ، لكان فيزيائي آخر قد فعلها قريبًا بدلاً منه.
"صليب آينشتاين" - أربع صور لكوازار واحد بعيد ، تم الحصول عليه بسبب حقيقة أن الضوء منه ينحني حول مجرة أقرب إلينا ، بمثابة عدسة جاذبية.فقط في عام 1915 أظهر أينشتاين عبقريته بنشر نظريته النسبية العامة. وجادلت بأن انحناء الزمكان متناسب ، ويحدث أيضًا بسبب "كثافة زخم الطاقة" ، أي الطاقة والزخم المرتبط بأي مادة في وحدة حجم الفضاء.
تم تأكيد هذا البيان عندما تزامن مع ملاحظات
المدار غير المعتاد لعطارد وضوء النجوم ينحني حول الشمس.
على مدى المائة عام الماضية ، تم التحقق من GTR بدقة هائلة واجتاز الاختبار في كل مرة. أصبحت الموارد الوراثية قفزة عملاقة إلى الأمام بحيث يمكن القول أنه لو لم يكن أينشتاين قد صاغها ، لكان من الممكن أن تظل غير مكتشفة لفترة طويلة.
الطريق إلى النظرية النسبية العامة
في عام 1907 ، جاء "أسعد فكرة عن العمر" إلى أينشتاين عندما كان يجلس على كرسي في مكتب براءات الاختراع في برن:
إذا سقط الإنسان بحرية لا يشعر بوزنه.
قادته إلى صياغة "
مبدأ التكافؤ " ، الذي ينص على أنه من المستحيل التمييز بين الإطار المرجعي المتسارع ومجال الجاذبية. على سبيل المثال ، إذا كنت تقف على الأرض ، فستشعر تمامًا كما لو كنت تقف في سفينة فضائية تتحرك بسرعة 9.81 م / ث² - مع تسارع الجاذبية على الأرض.
كانت هذه الخطوة الرئيسية الأولى في صياغة نظرية جديدة للجاذبية.
يعتقد أينشتاين أن "كل الفيزياء هي هندسة". كان يقصد أنه حول الزمكان ويمكن التفكير في الكون من الناحية الهندسية. يبدو أن الاستنتاج الأكثر إثارة للدهشة في النسبية العامة ، الطبيعة الديناميكية للزمان والمكان ، قاد آينشتاين إلى الحاجة إلى إعادة التفكير في الزمكان "الهندسي".
أجرى أينشتاين سلسلة من
التجارب الفكرية الدقيقة لمقارنة الملاحظات التي أدلى بها المراقبون في الأطر المرجعية
بالقصور الذاتي والتناوب .
لقد أثبت أنه بالنسبة للمراقب في إطار مرجعي دوار ، لا يمكن أن يكون الزمكان إقليديًا ، أي الهندسة المستوية التي ندرسها جميعًا في المدارس. نحن بحاجة إلى إدخال "مساحة منحنية" في الاعتبار من أجل مراعاة الحالات الشاذة التي تنبأت بها النسبية. يصبح الانحناء ثاني أهم افتراض يدعم النسبية العامة.
لوصف الفضاء المنحني ، تحول أينشتاين إلى عمل سابق قام به
برنارد ريمان ، عالم رياضيات من القرن التاسع عشر. بمساعدة صديقه
مارسيل غروسمان ، وهو أيضًا عالم رياضيات ، قضى أينشتاين عدة سنوات شاقة في دراسة رياضيات الأماكن المنحنية - ما يسميه علماء الرياضيات "الهندسة التفاضلية". وأشار أينشتاين إلى أنه "مقارنةً بفهم الجاذبية ، بدت نظرية النسبية الخاصة وكأنها لعبة طفل."
كان لدى آينشتاين الآن جهاز رياضي لإكمال النظرية. جادل مبدأ التكافؤ بأن الإطار المرجعي المتسارع يعادل مجال الجاذبية. نتيجة لدراساته في الهندسة ، كان يعتقد أن مجال الجاذبية كان مظهرًا بسيطًا للزمن المنحني. لذلك ، يمكن أن يظهر أن الأطر المرجعية المتسارعة كانت مسافات غير إقليدية.
التنمية
كانت الخطوة الحاسمة الثالثة هي القضاء على الصعوبات في تطبيق الموارد الوراثية على الجاذبية النيوتونية. في نظرية النسبية الخاصة ، تناقض ثبات سرعة الضوء في جميع الأطر المرجعية وتأكيد أن سرعة الضوء هي السرعة القصوى التي يمكن تحقيقها تتعارض مع نظرية الجاذبية النيوتونية ، التي تفترض العمل الفوري للجاذبية.
ببساطة ، قالت الجاذبية النيوتونية أنه إذا قمت بإزالة الشمس من مركز النظام الشمسي ، فإن تأثير الجاذبية لهذا الحدث سيكون محسوسًا على الأرض على الفور. لكن STO تقول أنه حتى تأثير اختفاء الشمس سوف يتحرك بسرعة الضوء.
عرف أينشتاين أيضًا أن الجاذبية الجسدية لجسدين تتناسب طرديًا مع كتلتها ، والتي تأتي من نيوتن F = G * M * m / r². لذلك ، حددت الكتلة بوضوح قوة مجال الجاذبية. يقول SRT أن الكتلة تعادل الطاقة ، لذلك يجب أن تحدد كثافة زخم الطاقة أيضًا قوة الجاذبية.
ونتيجة لذلك ، كانت ثلاثة افتراضات رئيسية استخدمها آينشتاين لصياغة نظريته هي:
1. في الأنظمة المرجعية
الدورية (غير القصورية) ، تكون المساحة منحنية (غير إقليدية).
2. ينص مبدأ التكافؤ على أن الأطر المرجعية المتسارعة مكافئة لمجالات الجاذبية.
3. من SRT يتبع تكافؤ الكتلة والطاقة ، ومن فيزياء نيوتن يتبع ذلك أن الكتلة تتناسب مع قوة الجاذبية.
استطاع أينشتاين أن يستنتج أن كثافة زخم الطاقة تخلق ، وتتناسب مع ، انحناء الزمكان.
من غير المعروف متى كان لديه "نظرة ثاقبة" ، عندما تمكن من تجميع هذا اللغز وربط الكتلة / الطاقة بانحناء الفضاء.
من عام 1913 إلى عام 1915 ، نشر أينشتاين العديد من الأعمال أثناء العمل على استكمال النسبية العامة. في بعض الأعمال ، تم ارتكاب أخطاء ، والتي كان آينشتاين يضيع الوقت فيها على الانحرافات غير الضرورية في الاعتبارات النظرية.
لكن النتيجة النهائية ، أن كثافة زخم الطاقة تنحني الزمكان ، مثل كرة البولينغ عبارة عن ورقة مطاطية ممتدة ، وأن حركة الكتلة في مجال الجاذبية تعتمد على انحناء الزمكان ، هي بلا شك أكبر التخمينات التي قدمها الذكاء البشري.
الإعاقة
إلى متى سنفهم الجاذبية لولا عبقرية أينشتاين معنا؟ من الممكن أن ننتظر هذا لعدة عقود. ولكن في عام 1979 ، سيخرج اللغز بالتأكيد. في ذلك العام ، اكتشف علماء الفلك "
الكوازارات المزدوجة " ، QSO 0957 + 561 ، الكوازار الأول الذي يراقب عدسة الجاذبية.
لا يمكن تفسير هذا الاكتشاف المذهل إلا بانحناء الزمكان. بالنسبة له ، ربما كانوا سيحصلون على جائزة نوبل ، إن لم يكن لعبقرية آينشتاين. أو ربما لا يزال الأمر يستحق العطاء.