General Relativity Explained simply & visually

عندما نشر ألبرت أينشتاين لأول مرة نظرية النسبية الخاصة عام 1905 ، تعرض للسخرية أو التجاهل بشدة. اعتقد الناس أنه كان غريبًا وجذريًا جدًا ليكون حقيقيًا. قال البعض إن هذا الرجل ليس حتى عالماً عاملاً ، إنه مجرد كاتب براءات اختراع.

كيف يجرؤ على تحدي أعظم عالم عاش على الإطلاق - إسحاق نيوتن ، الذي ثبت أن نظرياته صحيحة لمئات السنين. بل إن بعض السياسيين أهانوا إرثه الديني وأطلقوا عليه اسم "العلم اليهودي" - طريقة لتخريب الثقافة التقليدية والتفكير. كيف شعر أينشتاين حيال ذلك؟ حسنًا ، لم يكن راضيًا عن نظريته أيضًا.

كان غير سعيد لأن النظرية تنطبق فقط على المراقبين الذين يتحركون في خط مستقيم بسرعة ثابتة. لا تنطبق النظرية إذا كانت الجاذبية موجودة أو إذا كان المراقب يتسارع. ومع ذلك ، كان من المعروف أن أينشتاين يمتلك خيالًا حيويًا للغاية.

وذات يوم ، كما تقول الأسطورة ، أثناء مراقبة غسالة النوافذ على سلم بالقرب من مكتب براءات الاختراع الخاص به ، كان لديه واحدة من تجاربه الفكرية الشهيرة التي من شأنها تغيير مسار التاريخ العلمي. تخيل ما سيحدث إذا سقط العامل. لكنه لم يفكر في الأمر بالطريقة التي كنت سأفكر بها أنا وأنت.

ماذا كانت تجربته الفكرية؟ وكيف أدت إلى ربما أعظم نظرية علمية منفردة خلال المائة عام الماضية . . .

هذا ما يظهر الآن! أيها الرجال قبل أن أتحدث عن رؤية أينشتاين ، اسمحوا لي فقط أن أخبركم عن الراعي اليوم ، Magellan TV. لقد ألهمني جزئيًا عمل هذا الفيديو بعد مشاهدة فيلم وثائقي عن ماجلان بعنوان "أينشتاين ونظرية النسبية".

إنها رحلة رائعة في تاريخ النظرية وآثارها. التفسيرات والتعليقات من قبل بعض أشهر العلماء في العالم. Magellan TV هو نوع جديد من خدمات بث الأفلام الوثائقية التي أسسها صانعو الأفلام والمنتجون الذين يقدمون لك محتوى وثائقيًا عالي الجودة.

يشمل الموضوع المميز التاريخ والطبيعة وبالطبع العلوم والفضاء. يمكنك مشاهدته على أي من أجهزتك في أي وقت دون انقطاع وبدقة 4K. لقد أسعدني أن تقدم Magellan TV عرضًا خاصًا لمشاهدي Arvin Ash.

إذا كنت تستخدم الرابط في الوصف ، فستحصل على نسخة تجريبية مجانية مدتها شهر واحد. أوصي بشدة بـ Magellan TV ، ولكن تأكد من استخدام الرابط في الوصف. أثناء مشاهدة غسالة النوافذ على السلم ، فكر أينشتاين في ما سيحدث إذا سقطت غسالة النافذة.

بالنسبة لمعظم الناس ، فإن تخيل هذا من شأنه أن يستحضر فقط صورًا مزعجة للرجل الفقير الذي يهبط على الأرض أدناه ، ولن يكون للقصة نهاية سعيدة. فكر أينشتاين في الأمر بشكل مختلف. لقد وضع نفسه في منظور غسالة النوافذ ، ولم يتخيل ما سيحدث عندما يلتقي بالأرض ، ولكن ما سيختبره عندما كان يسقط.

ما أدركه هو أنه إذا كان يسقط ، فستكون الجاذبية القوة الوحيدة المؤثرة عليه . سوف يتسارع نحو الأرض ، لكن بما أن الأرض لن تندفع على جسده ، فلن يشعر بأي وزن. مع عدم وجود مقاومة للرياح ، سيكون في حالة سقوط حر.

ولن يكون هذا مختلفًا عن انعدام الوزن في الفضاء. بطريقة ما ، كانت الجاذبية والتسارع طريقتين مختلفتين لوصف الشيء نفسه. هذا هو المكان الذي حصل فيه أينشتاين على نظرة ثاقبة.

كانت طريقة ربط الجاذبية بنظرية النسبية من خلال فكرة التسارع ، حيث أن الاثنين متكافئان. تخيل أينشتاين أن يكون في غرفة بلا نوافذ. وإذا كانت الغرفة تحتوي على ميزان حمام في متناول يدك ، فماذا سيحدث إذا صعدت على الميزان.

حسنًا ، إذا كان أي مكان على وجه الأرض ثابتًا ، فستزن 80 كجم ، أو أيًا كان وزنك. الآن تخيل أن يكون في نفس الغرفة في الفضاء. الآن ، ماذا لو كانت الغرفة في الفضاء على متن سفينة فضاء تتسارع في اتجاه تصاعدي بسرعة 9.

8 متر / ثانية / ثانية ، وهو ما يحدث تمامًا مثل تسارع الجاذبية على الأرض. ماذا سيحدث إذا صعد على الميزان بعد ذلك؟ حسنًا ، المقياس يقرأ 80 كجم ، تمامًا كما هو الحال على الأرض. سيبدو له التسارع على متن سفينة الفضاء ، داخل الغرفة على أنه لا يمكن تمييزه عن كونه ثابتًا على الأرض.

إذا لم يكن يعلم أنه كان على متن سفينة فضاء ، فيمكنه أيضًا افتراض أنه كان على الأرض. لن تكون هناك طريقة لمعرفة الفرق. أو هل هناك؟ فكر أينشتاين في هذا ، وسأل نفسه إذا كانت هناك طريقة لمعرفة الفرق.

تخيل ما سيحدث إذا أخذ مصباحًا يدويًا أو شعاع ليزر ووجهه من جانب واحد من الغرفة إلى الجانب الآخر ، حيث كانت سفينة الفضاء تتسارع صعودًا. إذا كان لديه جهاز قياس حساس ، يمكنه قياس ارتفاع الضوء على الجانب الآخر من الغرفة. لقد أدرك أن الارتفاع الذي سيجده على الجانب الآخر سيكون أقل قليلاً من مصدر الضوء.

لماذا؟ لأن أرضية الغرفة ستندفع لأعلى بسرعات أعلى ، حيث كان الضوء ينتشر عبر الغرفة. لأن الغرفة كانت تتسارع صعودًا بسرعة 9. 8 متر / ثانية / ثانية.

يبدو أن شعاع الضوء ينحني لأسفل. ومع ذلك ، إذا كنت على الأرض وقمت بقياس الارتفاعين ، فقد تعتقد أنه لا ينبغي أن يكون هناك فرق. يجب أن يذهب هذا الضوء مباشرة إلى الجانب الآخر من الغرفة.

على الرغم من أن هذا يبدو أن الحس السليم. اعتقد أينشتاين أنه لا يمكن أن يكون لأنه ينتهك مبدأ التكافؤ. يجب ألا يختلف تسريع الغرفة في الفضاء عن الغرفة الواقعة تحت تأثير الجاذبية الأرضية.

لقد أدرك أن هذا يعني أن الضوء يجب أن ينحني في وجود مجال الجاذبية. لكن كيف يمكن أن يكون هذا ، لأن الضوء دائمًا يأخذ أقصر طريق بين نقطتين؟ يجب أن تسير بشكل مستقيم. ثم أدرك ، انتظر دقيقة ، ربما يكون الضوء يسلك أقصر طريق بين نقطتين.

ربما لا يكون أقصر طريق هو الخط المستقيم. تخيل السطح المنحني للأرض. أقصر طريق بين أي نقطتين بعيدتين على الأرض ، إذا كنت مقيدًا بسطح الأرض ، فلن يكون أبدًا خطًا مستقيمًا ، لأنه يتعين عليك اجتياز انحناء الأرض.

لذلك فإن أقصر مسار يكون دائمًا منحنيًا. لذلك ربما تسبب الجاذبية بطريقة ما انحناء للفضاء نفسه. لقد افترض أنه في الفضاء ، ربما لا يكون الخط المستقيم هو أقصر طريق بين نقطتين ، وأنه ربما في وجود الكتلة والطاقة ، يصبح الفضاء بطريقة ما منحنيًا ، بحيث يكون أقصر مسار يمكن للضوء أن يسلكه هو مسار منحني.

كانت هذه هي الفكرة الرئيسية التي كان لدى أينشتاين حول الجاذبية. لكن من أجل التعبير عن هذا رياضياً ، تطلب الأمر رياضيات معقدة للغاية لم يستطع حتى عبقري مثل أينشتاين اكتشافها بسهولة. اتصل بصديق قديم له من أيام الكلية ، عالم الرياضيات مارسيل غروسمان.

كان غروسمان قد أنهى للتو أطروحة الدكتوراه حول موضوع هندسة المساحات المنحنية المسماة Reimannian Geometry ، ألا تعرفها . بمساعدته ، اكتشف أينشتاين رياضيات الزمكان المنحني. وهذه الهندسة المنحنية هي أساس النسبية العامة.

الآن ، عليك أن تدرك كيف كان هذا مختلفًا عن الوضع الراهن للزمن الذي كان المكان والزمان النيوتونيين ، والذي يفترض أن الوقت ثابت ، والفضاء ثابت ، والجاذبية كانت قوة غامضة يمكن أن تعمل على مسافة من كتلة واحدة. تعترض على شخص آخر دون أن تلمسه. في هذا النموذج ، لم تؤثر Gravity على المكان والزمان الكامنين ، ولكنها عملت داخله.

كانت نظرية أينشتاين الآن أن الجاذبية لم تكن قوة بين الأجسام الضخمة ، ولكنها شيء ينشأ من تفاعل الفضاء والأجسام الضخمة. قام جون ويلر لاحقًا بتلخيص هذه النظرية في 12 كلمة قصيرة: "الزمكان يخبر المادة كيف تتحرك. تخبر المادة الزمكان كيف ينحني ".

هذا كل شيء. هذه هي النسبية العامة باختصار. ويمكن الآن تفسير مدارات الكواكب ليس من خلال قوة غامضة تعمل عن بعد ، ولكن بالأحرى تفاعل يحدث محليًا مع الكتلة أو الطاقة ، والفضاء المحيط بها.

ويمكن تمثيل ذلك بصريًا بنوع الرسم الذي تراه هنا لإظهار كيف تشكل الأجسام الضخمة مثل الكواكب مدارات حول أجسام ضخمة أخرى. من المهم ملاحظة أن تشبيه الترامبولين الذي تشاهده عادةً في البرامج التلفزيونية ومقاطع فيديو youtube مثل هذا هو طائرة ثنائية الأبعاد تستخدم لأغراض التصور فقط. من الواضح أن التفاعل يحدث في ثلاثة أبعاد ، وليس بعدين فقط.

يبدو أكثر مثل هذا الرسم. يصعب تصور هذا الأمر وتحريكه ، لذلك لا يتم استخدامه عادةً. لكنها أكثر دقة.

ومع ذلك ، من أجل أن تؤخذ هذه النظرية على محمل الجد حقًا ، كان عليها إجراء تنبؤ يمكن اختباره. وهذا التوقع لا يمكن تفسيره بأي طريقة أخرى. جاء هذا الاختبار على شكل عطارد.

كان مدار عطارد لغزا لعقود لأنه كان غير عادي. تدور جميع الكواكب حول الشمس في شكل بيضاوي. أقرب كوكب إلى الشمس ، عطارد ، يدور أيضًا في شكل بيضاوي.

لكنها فعلت شيئًا غريبًا. كان لديه ما يسمى بسابقة. ما يعنيه هذا هو أن إهمالها لا ينغلق أبدًا.

تتقدم نقطة المدار الأبعد عن الشمس قليلاً في كل مرة يدور فيها عطارد حول الشمس. يبدو الأمر كما لو أن القطع الناقص نفسه يدور حول الشمس. لا أحد يستطيع معرفة ذلك باستخدام معادلات نيوتن.

عندما طبق أينشتاين نظريته الجديدة للفضاء المنحني على هذا المدار ، تنبأت النظرية الجديدة بالضبط بالدورة التي يمتلكها عطارد بالفعل. أخيرًا ، تتطابق النظرية تمامًا مع الملاحظة التي كانت لغزًا لعقود من الزمن. يمكنك فقط أن تتخيل كيف شعر أينشتاين عندما اكتشف ذلك.

كان هناك وقت كان فيه أينشتاين هو الشخص الوحيد في العالم الذي أدرك أن الكون في الواقع يعمل بهذه الطريقة. لكن الكثير من المشككين ما زالوا قائمين. لا يزال العديد من العلماء يشككون في نظرية أينشتاين.

لكن التأكيد الأكثر خداعًا لنظريته جاء بعد 4 سنوات من نشرها. وذلك عندما قاد فريق عالم الفلك الإنجليزي ، آرثر إدينجتون. في عام 1919 ، صورت النجوم بالقرب من الشمس خلال كسوف كلي للشمس.

إذا كان أينشتاين محقًا ، فإن موقع النجوم بالقرب من الشمس سيبدو مختلفًا عن الموقع المتوقع بناءً على المكان الذي يجب أن تراه في الليل. قد يحدث هذا لأنه عندما يمر الضوء بالقرب من الشمس ، يجب أن ينحني بسبب انحناء الفضاء بسبب الجاذبية. وهذا بالضبط ما وجده ، مؤكداً أن النظرية كانت صحيحة.

هذه هي اللحظة التي أصبح فيها أينشتاين من المشاهير. قد تسأل ، حسنًا ، فهمت. لدي انحناء في الفضاء.

لكنها تسمى الزمكان. كيف يدخل الوقت في الصورة؟ لماذا هذا ليس مجرد تشويه للفضاء ولكن أيضًا للزمان؟ هذا هو المكان الذي تأتي فيه نظرية أينشتاين الأولى ، النسبية الخاصة. الافتراض الأساسي في النسبية الخاصة هو أن الضوء يتحرك دائمًا بنفس السرعة بغض النظر عن المنظور أو الإطار المرجعي.

هذا يعني أن الضوء سيكون له نفس السرعة في الإطار المرجعي المتسارع كما هو الحال في الإطار المرجعي السكون. إذا كانت هذه هي الحالة ، فهذا يعني أن سرعة الضوء في وجود الجاذبية ستكون هي نفسها سرعته في الفضاء الفارغ. السرعة تساوي المسافة مع مرور الوقت.

S = D / T ولكن نظرًا لأن المسافة التي يقطعها شعاع الضوء في مجال الجاذبية أطول بسبب انحناء الفضاء ، ولكي تظل سرعة الضوء ثابتة ، يجب أن يمر الوقت نفسه بشكل أبطأ في مجال الجاذبية بالنسبة إلى الوقت في مساحة فارغة. بمعنى آخر ، يزداد الوقت بشكل متناسب مع انحناء الفضاء بالقرب من مجال الجاذبية ، مقارنة بالمساحة الفارغة ، للحفاظ على سرعة الضوء ثابتة في كلا الإطارين المرجعيين. هذا هو السبب في أن الزمن يعتبر مشوهًا بسبب الجاذبية مع الفضاء.

إنه حقًا مجرد جزء من نفس النسيج الذي يسمى الزمكان. هذا له بعض الآثار الهائلة. إنه يعني أن الراصد لا يختبر أي جاذبية على الإطلاق ، ويرى الساعة في مجال الجاذبية تعمل بشكل أبطأ.

هذا يعني أن الساعات على الأرض تعمل بشكل أبطأ قليلاً من الساعات الموجودة في محطة الفضاء الدولية. تم تأكيد هذا التأثير من خلال العديد من التجارب ، ويؤخذ في الاعتبار من أجل الحفاظ على تزامن ساعات أقمار GPS الصناعية مع الساعات على الأرض. وإلا فإن تطبيقات GPS الخاصة بك مثل خرائط جوجل ستمنحك مواقع غير دقيقة.

يجب أن تعلم أنه على الرغم من أن النسبية العامة هي إنجاز مذهل من قبل واحد من أعظم العلماء في كل العصور ، إلا أنها لا تجيب على كل شيء. تبقى الأسئلة. على الرغم من أنها تخبرنا عن كيفية عمل الجاذبية ، إلا أنها لا تخبرنا ما هي بالضبط.

لماذا تشوه الأجسام الضخمة الزمكان؟ ما هي العلاقة الأساسية بين الكتلة والمكان؟ كما أنه يتنبأ بمناطق من الفضاء يمكن أن يتشوه فيها الزمان بحيث لا يفلت منها شيء بما في ذلك الضوء. وهذا ما يسمى بالثقب الأسود. لكنه يُظهر أنه يوجد داخل هذه الثقوب السوداء شيئًا يبدو مستحيلًا ، وهي كتلة مركزة في نقطة صغيرة جدًا ذات كثافة غير محدودة.

وهذا ما يسمى التفرد ومن المفترض وجوده داخل الثقب الأسود. النسبية العامة تفشل في العمل على هذا التفرد. لكن اللانهايات مثل هذا في العلم عادة ما تشير إلى نوع من عدم اكتمال النظريات بدلاً من الأشياء الموجودة بالفعل.

لمعرفة ما يحدث في هذه المقاييس الصغيرة حقًا ، نحتاج إلى صديقنا القديم كوانتوم علم الميكانيكا. لكن للأسف ، معادلات ميكانيكا الكم لا معنى لها من حيث التفردات ، أو من حيث النسبية العامة. حتى الآن لا تزال النظريتان غير متوافقين.

إذا تمكنا من جمع هاتين النظريتين معًا ، وفهمنا حقًا كيف تتصرف الجاذبية في أصغر المقاييس ، فقد نجيب على سؤال ماهية الجاذبية في الواقع. سنحتاج إلى نظرية جديدة لمعرفة هذه النظرية - وتلك النظرية تسمى الجاذبية الكمومية. أود أن أشكر داعمي الكرماء على Patreon و youtube.

إذا كنت تستمتع بمقاطع الفيديو الخاصة بي ، ففكر في الانضمام إليها ، أو تحقق من بعض مقاطع الفيديو الأخرى الخاصة بنا. سأراك في الفيديو التالي يا صديقي.