5.1: مقدمة للنسبية

Last updated
Save as PDF

Page ID: 196702

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

تم اقتراح نظرية النسبية الخاصة في عام 1905 من قبل ألبرت أينشتاين (1879-1955). فهو يصف كيفية ظهور الزمان والمكان والظواهر الفيزيائية في أطر مرجعية مختلفة تتحرك بسرعة ثابتة فيما يتعلق ببعضها البعض. يختلف هذا عن عمل أينشتاين اللاحق حول النسبية العامة، والذي يتعامل مع أي إطار مرجعي، بما في ذلك الإطارات المعجلة.

رسم توضيحي لقمر GPS — الشكل\(\PageIndex{1}\): توضح النسبية الخاصة كيف يمر الوقت بشكل مختلف قليلاً على الأرض وداخل القمر الصناعي لتحديد المواقع العالمي سريع الحركة (GPS). لم تتمكن وحدات GPS في المركبات من العثور على موقعها الصحيح على الأرض دون أخذ هذا التصحيح في الاعتبار. (الائتمان: USAF)

أدت نظرية النسبية إلى تغيير عميق في الطريقة التي ندرك بها المكان والزمان. تختلف قواعد «الفطرة السليمة» التي نستخدمها لربط قياسات المكان والزمان في النظرة النيوتونية للعالم بشكل خطير عن القواعد الصحيحة عند السرعات القريبة من سرعة الضوء. على سبيل المثال، تخبرنا نظرية النسبية الخاصة أن قياسات الطول والفواصل الزمنية ليست هي نفسها في الإطارات المرجعية التي تتحرك بالنسبة لبعضها البعض. يمكن ملاحظة أن عمر الجسيم\(1.0×10^{−8}s\) في إطار مرجعي واحد، ولكن عمره\(2.0×10^{−8}s\) في إطار آخر؛ ويمكن قياس جسم بطول 2.0 متر في إطار واحد وطوله 3.0 متر في إطار آخر. عادة ما تكون هذه التأثيرات مهمة فقط عند السرعات المماثلة لسرعة الضوء، ولكن حتى عند السرعات المنخفضة جدًا للقمر الصناعي العالمي لتحديد المواقع، والذي يتطلب قياسات زمنية دقيقة للغاية للعمل، تكون الأطوال المختلفة لنفس المسافة في الأطر المرجعية المختلفة مهمة بما يكفي لأخذها في الاعتبار.

على عكس الميكانيكا النيوتونية، التي تصف حركة الجسيمات، أو معادلات ماكسويل، التي تحدد كيفية تصرف المجال الكهرومغناطيسي، لا تقتصر النسبية الخاصة على نوع معين من الظواهر. بدلاً من ذلك، تؤثر قواعدها المتعلقة بالمكان والزمان على جميع النظريات الفيزيائية الأساسية.

لا تؤدي تعديلات الميكانيكا النيوتونية في النسبية الخاصة إلى إبطال الميكانيكا النيوتونية الكلاسيكية أو تتطلب استبدالها. بدلاً من ذلك، تختلف معادلات الميكانيكا النسبية بشكل هادف عن معادلات الميكانيكا النيوتونية الكلاسيكية فقط للأجسام التي تتحرك بسرعات نسبية (أي سرعات أقل من سرعة الضوء ولكن يمكن مقارنتها بها). في العالم المجهري الذي تواجهه في حياتك اليومية، تختزل المعادلات النسبية إلى معادلات كلاسيكية، وتتفق تنبؤات ميكانيكا نيوتن الكلاسيكية بشكل وثيق مع النتائج التجريبية لتجاهل التصحيحات النسبية.