آخر تحديث: 28 / 9 / 2021م - 12:13 ص

السيرة الذاتية والاقتباسات والاختراعات والحقائق والنظرية النسبية

أحمد محمد آل مبارك

Albert Einstein | Biography، quotes، inventions، facts، and the relativity theory

Albert Einstein

April.15,2020

سيرة ألبرت أينشتاين والنسبية

من هو ألبرت أينشتاين؟ في هذا المقال، نتطرق إلى حياة ألبرت أينشتاين والنظريات الرائعة التي طورها خلال حياته. سيكون من بينها المكان والزمان والنسبية. تأثر العديد من مجالات الفيزياء والتقنيات المتعلقة بالفيزياء بشدة بعمل ألبرت أينشتاين. تتراوح هذه المناطق من عمل الكون إلى حساسية نظام تحديد المواقع العالمي «GPS»، من بنية الذرة إلى ولادة الليزر. قام أينشتاين بدراسة البيانات المختبرية للتأثير الكهروضوئي وبناءً على ذلك طور نظرية الكم في عام 1905. وقال تحديدًا أن هذه النظرية كانت نجاحه ”الثوري“.

في الواقع، في عام 1921 حصل على جائزة نوبل لعمله. ومع ذلك، فإننا مدينون بالتطوير الإضافي لنظرية الكم لفيزيائيين مثل نيلز بور وماكس بورن وفيرنر هايزنبرغ. حتى أن هناك أسماء أخرى، مثل Erwin Schrödinger، الذي طور نظرية الكم لأينشتاين في عشرينيات القرن الماضي بطريقة لم يؤيدها بشكل كامل.

شرح ألبرت أينشتاين البسيط للنسبية لسكرتيرته: ”عندما تجلس فتاة جميلة في حضنك لمدة ساعة، يبدو الأمر وكأنه دقيقة. عندما تجلس على موقد ساخن لمدة دقيقة يبدو الأمر وكأنه ساعة“.

متى طور ألبرت أينشتاين نظرية النسبية؟

أولاً، لنتحدث عن أشهر نجاح لألبرت أينشتاين: أي نظرية النسبية التي طورها بإضافة ”النسبية الخاصة“ في عام 1915، ثم ”النسبية العامة“ و”التسارع بسبب الجاذبية“ في عام 1915.

تسببت نظرية أينشتاين في أكبر تغيير في فهمنا للمكان والزمان منذ القرن السابع عشر عندما وضع إسحاق نيوتن قوانين الحركة والجاذبية. في النسبية العامة، ”مادة الأثير“ الغامضة التي تملأ الفضاء أو مفهوم ”تأثير الجاذبية“ غير موجود. بمعنى ما، تحول الكون إلى سلسلة متصلة من الزمكان حيث يُظهر للمادة كيفية الانحناء في الفضاء، ويظهر الفضاء للمادة كيفية التحرك.

ابتكر ألبرت أينشتاين نظريته النسبية الخاصة أثناء عمله كمسؤول براءات اختراع بدوام كامل في سويسرا. كما أخبر أينشتاين الشخص الذي كتب سيرته الذاتية في عام 1952، فإن الفترة بين وضع تصور لأفكاره في مايو ويونيو 1905 والانتهاء من مقالته ”حول الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة“ كانت خمسة أو ستة أسابيع فقط. ومع ذلك، لن يكون من الصواب اعتبار هذا كنقطة بداية لأن الحجج ولبنات البناء ربما استغرق تشكيلها سنوات.

طفولة ألبرت أينشتاين

لا تفسر شجرة عائلة ألبرت أينشتاين ذكائه الفكري. كان والده هيرمان رجل أعمال عاديًا لم يكن ناجحًا جدًا في الهندسة الكهربائية. لم يكن لدى والدته موهبة سوى العزف على بيانو جميل وكانت أسرته الثرية تدير شركة حبوب مربحة. على الرغم من أن طرفي الأسرة كانا يهودًا، إلا أنهما لم يكونا يهودًا أرثوذكسيين ولا يقرآن الكتب المقدسة لأنهما لا يتحدثان العبرية. سيندم أينشتاين على ذلك عندما أصبح صهيونيًا في عشرينيات القرن الماضي.

كان ألبرت وشقيقته ماجا قريبين دائمًا حتى عام 1951.

عندما تم فحص طفولة أينشتاين، لم تكن هناك علامات كثيرة تظهر ذكائه. ولد ألبرت أينشتاين في مدينة أولم في مملكة فورتمبيرغ، التي كانت آنذاك جزءًا من الإمبراطورية الألمانية. كان أول طفل في الأسرة ولديه طفلان. كان رضيعًا صامتًا، لدرجة أن عائلته قلقت وذهبت إلى الطبيب وسألته لماذا لا يتكلم. عندما ولدت أخته ماجا عام 1881، بدأ أينشتاين البالغ من العمر عامين يسأل عن مكان عجلات لعبته الجديدة دون تردد. على ما يبدو، أراد التحدث عن طريق إنشاء جمل كاملة؛ أولاً، كان يحرك شفتيه ويزن الكلمات في رأسه، ولكن بعد ذلك فقط كان يتكلم. استمرت هذه العادة حتى سن السابعة، وبعد ذلك بقليل. خادمة الأسرة تشك في أنه قد يكون أحمق.

لم يكن أبدًا طالبًا معجزة في المدرسة ولكنه كان ناجحًا في كل من المدارس في ألمانيا وسويسرا والجامعة في زيورخ. مرة أخرى، لم يكن ألبرت أينشتاين يحب المدرسة كثيرًا. في وقت لاحق من حياته، انتقد بشدة نظام التعليم الرسمي في ألمانيا. لم يكن يحب الألعاب والتربية البدنية. في الواقع، لم يعجبه أي شيء يعتمد على الروح العسكرية البروسية النموذجية. مع صعود النازيين في أوائل الثلاثينيات، غادر ألمانيا وانتقل إلى الولايات المتحدة. إن إجراء حملة ما بعد الحرب ضد الأسلحة النووية أوضح نواياه للعالم.

ربما كانت المشكلة الرئيسية في المدرسة بسبب ميل ألبرت للتعلم الذاتي. في سن مبكرة نسبيًا، بدأ في قراءة كتب الرياضيات والعلوم بدافع الفضول فقط. كان يدرس في العديد من المواد المختلفة في المدرسة في زيورخ، بما في ذلك أحدث المنشورات العلمية. خلال سنوات بلوغه لم يقرأ كتابًا أبدًا لمجرد أنه ”من بين الكلاسيكيات“، كان يجب أن يكون الكتاب جذابًا له. بهذا المعنى، كان نيوتن قارئًا انتقائيًا أيضًا. لم يقرأ نيوتن الكثير من الأسماء العظيمة في ذلك الوقت أو الماضي.

كيف يفسر ألبرت أينشتاين النسبية؟

عندما كان ألبرت أينشتاين يبلغ من العمر 16 عامًا في 1895-96، بدأ يفكر في الأشياء والمكان والزمان. استنادًا إلى قوانين نيوتن ومعادلات الكهرومغناطيسية لجيمس كليرك ماكسويل، وصل إلى ذروة عمله من خلال إطلاق النسبية الخاصة في عام 1905، ومعادلات النسبية العامة في عام 1915. وقد حقق ذلك ليس من خلال رفض نظريات نيوتن أو ماكسويل، ولكن من خلال وضعها في أكثر نظرية شاملة، مثل الجمع بين خرائط الدول لتشكيل خريطة للعالم.

E = mc2، E للطاقة، m للكتلة وc لسرعة الضوء.

طور أينشتاين منظورًا جديدًا. كان يعتقد أن القوانين الميكانيكية وحتى جميع القوانين العلمية في العالم المادي يجب أن تكون هي نفسها لجميع المراقبين، بغض النظر عما إذا كانوا في حالة حركة أم لا. في عام 1916، وصف ألبرت أينشتاين ملاحظة بسيطة ولكنها عميقة جدًا في بداية كتابه بعنوان ”Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie“ «النظرية الخاصة والعامة للنسبية»، الذي كتبه لعامة القراء.

تخيل أنك تجلس بجوار نافذة عربة تتحرك بشكل موحد - بسرعة ثابتة، ولا تتسارع ولا تبطئ - وتترك حجرًا يسقط بمجرد فتح يدك. إذا لم تؤخذ مقاومة الهواء في الاعتبار، ستلاحظ أن الحجر سقط في خط مستقيم على الرغم من تحركك. ولكن في هذه اللحظة، يرى أحد المشاة الذي لا يزال واقفاً بالقرب من القضبان الحجر يتساقط برسم قطع مكافئ. ألبرت أينشتاين يتساءل ألبرت أينشتاين عن أي من هذه المسارات الملحوظة هو ”الحقيقة“: الخط المستقيم أم القطع المكافئ؟ كلاهما هو الجواب الصحيح. هنا، تستند ”الحقيقة“ إلى الكائن المرجعي الذي يرتبط به المراقب - بمصطلحات هندسية: نظام الإحداثيات. هل المراقب في القطار أم في الميدان؟ علاوة على ذلك، كما يقول ألبرت أينشتاين، على عكس الفيزياء الكلاسيكية، لا يوجد إطار مرجعي مطلق للكون حيث يمكن قياس السرعة نسبيًا. كان هذا الإطار المرجعي لنيوتن هو ”الله“ ولماكسويل ”الأثير“.

ولكن إذا كان الاقتراح الأولي لثبات قوانين الطبيعة صحيحًا، فلا بد أن يكون هذا صحيحًا ليس فقط للأجسام المتحركة ولكن أيضًا للكهرباء والمغناطيسية والضوء: في عام 1905، عرفت موجة ماكسويل الكهرومغناطيسية بأنها تتحرك بوتيرة ثابتة حوالي 300000 كيلومتر «186282 ميل» في الثانية في الأثير الثابت. كان هذا يسبب مشكلة خطيرة. كان أينشتاين مستعدًا للتخلي عن مفهوم الأثير أو الأثير، والذي لم يرضيه أبدًا. لكن السرعة الثابتة للضوء كانت مسألة مختلفة.

ألبرت أينشتاين وحدود الضوء

يسأل أينشتاين: ماذا يحدث إذا التقطنا الضوء؟

كان ألبرت أينشتاين يفكر فيما سيحدث عندما يطارد شعاعًا من الضوء ويصل إليه. في عام 1905 توصل إلى الاستنتاج التالي:

إذا تابعت شعاعًا من الضوء بسرعة c «سرعة الضوء في الفراغ»، يجب أن ألاحظ مثل هذا الشعاع من الضوء كحقل كهرومغناطيسي في حالة السكون على الرغم من التأرجح المكاني. يبدو أنه لا يوجد شيء من هذا القبيل، مع ذلك، لا على أساس الخبرة ولا وفقًا لمعادلات ماكسويل.

البرت اينشتاين

من المستحيل محاولة التقاط الضوء؛ والتي ستكون مماثلة لمشاهدة مشهد المطاردة في فيلم عن طريق تجميد الصورة: يكون الضوء موجودًا فقط عندما يتحرك، تمامًا كما يحدث عندما تتحرك إطارات مشهد المطاردة. تخيل ألبرت أينشتاين أنه إذا تمكنا من التحرك بشكل أسرع من الضوء، فيمكننا الهروب من الإشارة الضوئية والتقاط الإشارات الضوئية التي تم إرسالها من قبل. وفقًا لذلك، يجب على أعيننا أولاً اكتشاف آخر إشارة ضوئية مرسلة ثم رؤية الإشارات القديمة تدريجياً. ومع ذلك، لخص أينشتاين الموقف على النحو التالي وذكر أنه من المستحيل التقاط الضوء:

يجب أن نلتقطهم بترتيب عكسي عن ذلك الذي تم إرسالهم فيه، وسيظهر قطار الأحداث في عالمنا كفيلم يُعرض للخلف، يبدأ بنهاية سعيدة.

البرت اينشتاين

لذلك، صاغ أينشتاين اقتراحًا ثانيًا جذريًا للغاية: سرعة الضوء هي نفسها في جميع أنظمة الإحداثيات. على عكس مثال القطار، فهو مستقل عن حركة المصدر أو المستشعر. بغض النظر عن مدى سرعة تحرك مركبة افتراضية بعد شعاع الضوء، سيظهر شعاع الضوء دائمًا وكأنه يتحرك بعيدًا بسرعة الضوء.

أدرك أينشتاين أخيرًا أنه لكي يكون هذا صحيحًا، يجب أن يكون الوقت نسبيًا، وليس مطلقًا، مثل الفضاء. من أجل أن يكون اقتراحه الأول حول نظرية الثبات متوافقًا مع الاقتراح الثاني للسرعة الثابتة للضوء، كان لابد من التخلي عن ”فرضية نيوتن غير المثبتة“ للميكانيكا ”الكلاسيكية“. أول ما يتم التخلي عنه هو ”الفاصل الزمني بين الحدثين مستقل عن حالة حركة الكائن المرجعي.“ وهكذا، يمر الوقت بسرعة مختلفة حسب الشخص الذي يلاحق الموجة الضوئية. مع تسارع مركبة الشخص، سوف يتباطأ وقتها وبالتالي يغطي مسافة أقل «لأن المسافة المقطوعة تساوي الوقت مضروبًا في السرعة».

هذا يتطلب التخلي عن فكرة أن هناك كمية عالمية تسمى الوقت تقيسها جميع الساعات. بدلاً من ذلك، سيكون لكل شخص وقته الشخصي.

النسبية، على حد تعبير ستيفن هوكينج.

أول مؤتمر سولفاي عام 1911.

في سياق الفضاء، هناك فرق بين الشخص الذي يلاحق الضوء وموجة الضوء. عندما يسير الشخص بشكل أسرع، تتقلص المساحة وبالتالي يسافر الشخص أقل. وفقًا لمعادلات النسبية لألبرت أينشتاين، فإن معدل الاقتراب من سرعة الضوء من قبل الشخص الذي يسافر في مركبة يمتد ويقلص الوقت والمكان للمراقب الخارجي بنفس المعدل. تمامًا كما يرى راكب القطار الذي يترك الحجر يسقط من قطار متحرك بشكل منتظم، أن الحجر لا يسقط من المنحنى ولكن باتباع خط مستقيم، فإن الشخص الذي يلاحق الموجة الضوئية لا يدرك أن وقته يتباطأ أو أن جسده يتقلص؛ فقط المراقب الخارجي يرى هذه التأثيرات. كل شيء في السيارة طبيعي بالنسبة للشخص المتحرك. لأن عقل الشخص وجسمه يتأثران بهذه السرعة بنفس الطريقة. يفكر الدماغ بشكل أبطأ ويتقدم في العمر بشكل أبطأ، وتنقبض شبكية العين بنفس معدل حركة السيارة؛ لذلك لا يدرك دماغه الاختلاف في حجم السيارة أو الجسم.

ضعف نظام نيوتن

هذه الأفكار غير عادية عندما يتم سماعها لأول مرة لأننا لا نتحرك حتى بنسبة صغيرة جدًا من سرعة الضوء. لذلك ليس لدينا ملاحظات أو تجارب النسبية التي تنطوي على إبطاء الوقت أو تقلص المساحة. يبدو أن الحركات البشرية تخضع بالكامل لقوانين نيوتن. لم يتم ذكر سرعة الضوء في هذه القوانين. كان على أينشتاين أن يبذل جهدًا كبيرًا لفرض مفهوم النسبية، والذي هو أبعد من تجربتنا اليومية.

كان أينشتاين مدركًا للأفكار المماثلة للفيزيائي الدنماركي هندريك لورنتز وزميله الأيرلندي جورج فيتزجيرالد في تسعينيات القرن التاسع عشر، اللذين تبنَّا نظرية مختلفة عن تقلص الفضاء. آمن هؤلاء العلماء بمفهوم الأثير الذي رفضه أينشتاين. من الواضح أن التخلي عن فكرة الوقت المطلق يتطلب قفزة أكبر بكثير في الخيال. في عام 1902، ذكر هنري بوانكاريه مفهوم التزامن في كتابه La Science el l’Hypothese «الذي قرأه أينشتاين وقت نشره». كتب بوانكاريه:

ليس لدينا حدس مباشر للتزامن، ولا للمساواة بين فترتين، ولا نعرف حتى التزامن بين حدثين يقعان في أماكن مختلفة.

هنري بوانكير، La Science el l’Hypothese

في الواقع، كان بوانكاريه قريبًا جدًا من نظرية النسبية قبل أينشتاين مباشرة. ومع ذلك، يبدو أنه لم يستطع الذهاب بعيدًا بما يكفي لأن استنتاجاته كانت مزعجة للغاية بالنسبة لأسس الفيزياء النيوتونية. التشابه هو وهم مستمر بالنسبة لنا على الأرض. ”معتادين عليها؛ نحن لا نفرق بين ما يُرى في وقت واحد وما يحدث في وقت واحد“. كتب هنري بوانكير. نتيجة لذلك، يصبح الفرق بين الوقت والتوقيت المحلي غامضًا. آينشتاين، الذي كان جيلًا أصغر من بوانكير ولم يكن لديه ما يخسره لأنه لم يكن مشهورًا في عام 1905، كان بإمكانه أن يكون راديكاليًا في أفكاره حول الوقت.

E = mc2 والقنبلة الذرية

تم استخدام صيغة أينشتاين الرائدة لتدمير الآلاف من الناس.

عندما انتقل ألبرت أينشتاين إلى الولايات المتحدة للمشاركة في معهد برينستون للدراسات المتقدمة في عام 1933، تقبل معظم علماء الفيزياء النسبية الخاصة - وهي أيضًا الصيغة الشهيرة E = mc2 التي تربط سرعة الطاقة والكتلة والضوء. لسوء الحظ، تم استخدامه أيضًا في حسابات القنبلة الذرية عام 1945. ومن ناحية أخرى، فقد استغرق الأمر وقتًا طويلاً منذ إدخال النسبية العامة في عام 1915 إلى قبولها الكامل.

يبدو أن جهود آينشتاين الحثيثة لإيجاد النظرية الموحدة للجاذبية والكهرومغناطيسية في فترته الأخيرة، من عام 1925 إلى وفاته في برينستون حتى عام 1955، غالبًا ما تكون ضائعة. بعد اجتياز أي اختبار تجريبي صارم يصبح أكثر دقة في كل من الفضاء وعلى الأرض، فإن نظرية النسبية لأينشتاين اليوم هي أساس الفيزياء إلى جانب قوانين نيوتن وماكسويل. أصبح عالم أفكار أينشتاين الباطني مرئيًا على نطاق واسع اليوم.

يقتبس ألبرت أينشتاين

”قلة هم أولئك الذين يرون بأعينهم ويشعرون بقلوبهم.“

”الخيال أكثر أهمية من المعرفة. المعرفة محدودة. الخيال يطوق العالم“.

”أنا يهودي بالتراث، وبالمواطنة سويسرية، ومن خلال التركيب إنسان، وفقط إنسان، دون أي ارتباط خاص بأي دولة أو كيان وطني على الإطلاق.“

”مائة مرة كل يوم أذكر نفسي بأن حياتي الداخلية والخارجية تستند إلى أعمال رجال آخرين، أحياء وأمواتًا، وأنه يجب عليّ أن أبذل قصارى جهدي لكي أعطي بالقدر نفسه الذي تلقيته وما زلت أتلقى.“

”عدم التفكير في احترام السلطة هو العدو الأكبر للحقيقة“.

سأعلم السلام بدلاً من الحرب. سأغرس الحب بدلاً من الكراهية ".

”حاول ألا تصبح رجلاً ناجحًا، بل حاول أن تصبح رجلاً ذا قيمة.“

”لقد واجهت الأرواح العظيمة دائمًا معارضة عنيفة من العقول المتواضعة.“

”جميع الأديان والفنون والعلوم هي فروع من نفس الشجرة.“

”أنا أؤمن بالحدس والإلهام. أشعر أحيانًا أنني على حق. أنا لا أعرف أنني كذلك“.

”انظر بعمق في الطبيعة، وبعد ذلك ستفهم كل شيء بشكل أفضل.“