ما هي نظرية النسبية العامة

الفيزياء النظرية هي فرع من الفيزياء يستخدم النظريات الرياضية والحاسوبية لفهم الظواهر الفيزيائية المعقدة. وبالتالي ، فإن الأدوات الرياضية والحاسوبية الرئيسية المستخدمة في الفيزياء النظرية تشمل:

1- الرياضيات العامة: مثل الجبر الخطي والحساب التفاضلي والتكامل والتحويلات الرياضية.

2- النظرية الحقلية: مثل نظرية الحقل الكهرومغناطيسي ، والنظرية الكمومية للحقل.

3- نظرية الانرتيا: وهي النظرية التي تتناول العلاقة بين الكتلة والحركة.

4- نظرية النسبية العامة: وهي نظرية تفسر الجاذبية كنتيجة لانحناء الزمكانية.

5- الفيزياء الكمومية: وهي النظرية التي تفسر سلوك الجسيمات الصغيرة على المستوى الذري والجزيئي.

6- التحليل الرياضي: وهي طريقة لتحليل المسائل الرياضياتية في الفيزياء النظرية باستخدام القواعد الرياضية المعقدة والجبرية الحاسمة.

تعتمد الفيزياء الحديثة على العديد من الأسس الرياضية، من بينها:

1- الجبر الخطي: حيث يسمح الجبر الخطي بوصف الظواهر الفيزيائية بشكل رياضي و إيجاد حلول لمعادلات الفيزياء.

2- الرياضيات التفاضلية: تستخدم في الوصف الرياضي للحركة والقوة والطاقة.

3- النظرية الميدانية: تساعد في فهم الظواهر الفيزيائية عن طريق وصف التفاعلات بين مجالات الحقل.

4- النظرية الكمية: تساعد في وصف المستويات الدقيقة للطاقة والمادة وتفاعلاتهما عن طريق فرضيات وحسابات رياضية معقدة.

5- نظرية النسبية العامة: تشرح كيف يتأثر الزمن والمكان بالطاقة والمادة، وتوفر الأدوات اللازمة لوصف حركة الأجسام السريعة والأجرام الفلكية الكبيرة.

ألبرت أينشتاين هو عالم فيزياء ورياضيات شهير، وكان له العديد من المساهمات الهامة في الحقول العلمية التالية:

1- نظرية النسبية العامة: قام أينشتاين بتطوير نظرية النسبية العامة التي تنص على أن الجاذبية ليست قوة بين الأجسام، وإنما هي انحناء للزمكان الذي يسببه الشيء الذي يحتوي على كتلة.

2- نظرية النسبية الخاصة: فعل هذا باكتشاف أن السرعة الضوئية ثابتة في الفراغ، وهذا يعني أن تغيير الوقت والمكان متصل بالحركة النسبية للمراقب.

3- النظرية الكمية: أظهر أينشتاين أن الضوء يتألف من جسيمات تسمى الفوتونات، وهو ما يعرف باسم النظرية الكمية.

4- ترميز النجم الثابت: إرشاداته في سنة 1917 بخصوص ترميز النجم الثابت كان له تأثير على تطور المعارف في مجال الفيزياء.

5- نظرية الموجات المستوية: أينشتاين قدم تفسيراً لظاهرة انكسار الضوء عند مروره من وسط إلى آخر يتميز بكثافة ذات معامل انكسار واحد.

التجانس الفراغي في الفيزياء الرياضية يشير إلى خاصية الموجات الكهرومغناطيسية والتي تتمثل في تغيراتها في نفس الطريقة في جميع المواضع في الفراغ. بمعنى آخر، فإن الفراغ يبدو وكأنه متجانس أو متساويًا في أنحاءه، دون وجود فروقات ملحوظة بالأبعاد على نطاق واسع. وتعد هذه الخاصية مهمة جدًا في الفيزياء الرياضية، حيث تتيح تطبيقات مثل نظرية النسبية العامة ونظرية المجالات الكمومية في الفيزياء النظرية.

إطار Sprudel هو إطار الإشارة المستخدم في المجالات الرياضية (الرياضيات النووية والجبر التصويري والهندسة المشتركة) في الفيزياء النظرية. تم تسمية هذا الإطار اسمًا مستوحىً من المشروب الغازي Sprudel، الذي يحوي فقاعات غازية مستمرة ومنتظمة. وبالمثل، يوفر إطار Sprudel إطارًا رياضيًا ثابتًا لتحليل الافتراضات المترتبة على نظرية النسبية العامة والنظرية الكمومية، ويوفر بذلك قاعدة رياضية موحدة لدراسة الأدوات المستخدمة في هذه المجالات. ويمثل الإطار Sprudel تقدمًا في التوصل لصياغة التعاقب الهندسي ونظرية الحقول والأجسام الحادة (shapecrisp) والشكل الحاد والتضخيم (shapemod). كما أنه بنيته الرياضية الوحيدة تم تصميمها لتناسب بيانات الملاحظات الفيزيائية في المستوى الهندسي.

النظرية المدمجة أو النظرية النسيجية (String Theory) هي نظرية في الفيزياء النظرية ترتكز على فكرة أن الجسيمات الأساسية في الطبيعة ليست نقطية بل هي خيوط رفيعة ، أو “أوتار” (Strings) بأبعاد صغيرة جدًا. هذه النظرية تحاول توحيد نظرية النسبية العامة مع الفيزياء الكمية، وتدعم التماثل الكوني الذي نراه.

بشكل أشمل ، يتم استخدام معظم الرياضيات الحديثة في النظرية المدمجة. فالنظرية تستخدم الهندسة الفراغية ، نظرية المجموعات والتحليل الرياضي ، ونظرية الأعداد والمعادلات التفاضلية الجزئية. يستخدم المفاهيم من نظرية الأساليب الأسسية ، والهندسة الكمية ، ونظرية الإحصاءات. بالإضافة إلى ذلك ، تتضمن النظرية المدمجة العديد من التطبيقات المختلفة في الفيزياء ، مثل الجاذبية والمغناطيسية والشحنات الكهربائية والحرارة وغيرها.

وبشكل عام ، تشير النظرية المدمجة إلى أن الطريقة الأفضل لوصف الطبيعة هي باستخدام نموذج واحد يمكن أن يوفر تفسيرًا لجميع الظواهر والقوانين المعروفة. لذلك ، يمكن القول أن النظرية المدمجة ترتبط بالرياضيات بشكل وثيق لأنه لن يتم إثبات النظرية إلا عن طريق برهان رياضي دقيق، وتنطوي هذه النظرية أيضًا على تطبيق العديد من المفاهيم الرياضية الحديثة في حل العديد من المشكلات الفيزيائية المعقدة.

تطورت نظرية النسبية الخاصة بشكل كبير على مدى الوقت منذ اقتراحها في عام 1905 من قبل ألبرت أينشتاين. بعد ذلك، أدى عمل أينشتاين على تطوير نظرية النسبية العامة إلى توسيع وتعميق فهمنا للكون. فيما يلي بعض الأحداث الرئيسية في تطور نظرية النسبية الخاصة:

– 1905: قدم ألبرت أينشتاين نظرية النسبية الخاصة، والتي تتضمن فكرة أن الوقت والمكان ليسا ثابتين ولا يمكن قياسهما بشكل مستقل. بدلاً من ذلك، يتوقف قياس الوقت والمكان على الإطار الذي يتم فيه القياس.

– 1915: قدم أينشتاين نظرية النسبية العامة، والتي تتضمن فكرة أن الجاذبية ليست قوة تجذب الأجسام بشكل مباشر، بل هي تشوه في الزمان والمكان نتيجة لوجود كتلة. هذه النظرية توسعت فيما بعد لتشمل الفضاء الزمني المنحني والانفصال بين الوقت والمكان.

– 1919: تم اختبار نظرية النسبية العامة لأول مرة بشكل حقيقي عندما قام عالم الفلك آرثر إددنجتون بقياس انحراف ضوء نجم خلف الشمس خلال ظاهرة كسوف شمسي. بعد هذا الاختبار، تمت الموافقة على نظرية النسبية العامة كنظرية فعالة للجاذبية.

– 1920: ابتكر هيرمان مينكوفسكي فكرة الفضاء الزمني الأربعي، والتي تضمنت فكرة أن الوقت هو البعد الرابع في الفضاء الثلاثي الأبعاد.

– 1960s: قامت عدة دراسات بتوضيح بعض النواحي الفيزيائية لنظرية النسبية العامة، مثل تفسير الثقوب السوداء والانحناءات الكبيرة للفضاء الزمني.

– 2015: تم اكتشاف موجات الجاذبية لأول مرة من خلال تعاون بين مختبر ليجو وفريق من العلماء في جامعة كاليفورنيا. هذا الاكتشاف يؤكد على دقة نظرية النسبية العامة في تفسير الجاذبية.

يستخدم نظام الإحداثيات الدائري في نظرية النسبية العامة لتمثيل الفضاء الذي يحتوي على كتل هائلة ومداراتها المجاورة. يستخدم هذا النظام لتحديد مكان الجسم الفضائي في الفضاء، ويعتمد على استخدام “إحداثيات الدائرة” بدلاً من “إحداثيات كارتيسي”. وتتميز إحداثيات الدائرة بأنها تتيح تمثيل أجسام فضائية في حالات غير اعتيادية التي لا يمكن تمثيلها بسهولة باستخدام إحداثيات كارتيسي، مثل المجال الفضائي الذي يحوي عدة جسور متشابكة. يمكن أن يؤدي استخدام نظام الإحداثيات الدائري إلى تحسين الدقة والاتساق في تحديد موقع الأجسام الفضائية وحساب حركتها في الفضاء.

تقول نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين أن المكان والزمان ليستا مفاهيم ثابتة وغير قابلة للتغيير، بل تختلف حسب حركة المراقب والعيار الزمني الذي يعيش فيه المراقب. بمعنى آخر، فإن الزمان والمكان هما أبعاد مرنة للفضاء والوقت، حيث يمكن أن تتغير بسبب السرعة والجاذبية.

وتشير نظرية النسبية العامة الى ان التاثير الجاذبي لكواكب والاجسام السماوية يشوه الزمان والمكان، وبالتالي يؤثر على حركة الأجسام ونمط حركة الكواكب والنجوم. كما تشير النظرية الى ان الضوء ينتشر بسرعة ثابتة ولا يمكن ان يتفاعل مع اثير او موجات فضائية، ويعتبر الضوء اليوم الايام بمثابة الوحيد الذي يمكن استنتاج قيم سرعته تقريبا من الشكل البرمجي لتابوتي لورنتز.

تأثير تراجع الضوء في نظرية النسبية العامة هو تأثير يحدث عندما يمر الضوء عبر مجال جاذبية قوي مثل المجال الذي يسببه كتلة كبيرة مثل الشمس. هذا التأثير يتجلى عندما يشوه الجاذبية المسار المتوقع للضوء، مما يسبب تغيراً في المسار الذي يتبعه الضوء. ويعتبر تأثير التراجع في مسار الضوء بمثابة دليل على صحة نظرية النسبية العامة التي اقترحها ألبرت أينشتاين، حيث يؤكد هذا التأثير على أن المجال الزمكاني ذو طبيعة مرنة ويستجيب للجاذبية، وليس مجرد مساحة مصطبغة. كما أنه يلعب دوراً هاماً في حسابات علماء الفلك عند دراسة حركة الأجرام الفلكية ومواقعها في الفضاء.