تجربة مايكلسون ومورلي Michelson-Morley experiment.
حتى أواخر القرن التاسع عشر لا تزال فكرة الأثير المادة التي تملأ الفضاء، وتأثير حركة الأرض عبر الأثير في سرعة الضوء المقاسة على سطح الأرض تثير نقاشاً واسعاً. لقد تم تصور انتشار الاهتزازات الضوئية عبر الأثير الافتراضي على الصورة ذاتها التي ترتبط بها الاهتزازات الصوتية عبر الوسط الذي تنتشر به، على سبيل المثال الهواء. فإذا تحركت الأرض عبر الأثير دون أن تحدث أي اضطراب فيه (من هنا نلاحظ صعوبة تصور فكرة أو فرضية الأثير) فإن سرعة الضوء بالنسبة إلى مراقب موجود على الأرض ستكون تابعة لجهة انتشار الضوء كما هو بالنسبة إلى الصوت. فسرعة انتشار الاهتزازات الضوئية المنتشرة في نفس اتجاه حركة الأرض تساوي إلى c – V حيث c سرعة انتشار الضوء عندما يكون الأثير ساكناً بالنسبة للمصدر الضوئي،و V سرعة الأرض بالنسبة إلى الأثير. وفي الاتجاه المعاكس لحركة الأرض تكون سرعة انتشار الاهتزازات الضوئية مساوية c + V. وتعطى سرعة انتشار الاهتزازات الضوئية وفق المنحى العامودي على حركة الأرض كالتالي: c2-V2. جذر (مربع سرعة الضوء –مربع السرعة V)
* Ether الأثير مادة افتراضية اعتقد بوجودها فيزيائيو القرن التاسع عشر، بأنها تملأ الكون كله وهو وسط ضروري لانتشار الإشعاعات الكهرومغناطيسية. وتم التخلي عن نظرية الأثير بعد عام 1905 عندما حظيت النسبية الخاصة لألبرت آينشتاين بالقبول. حيث لم يستطع العلماء بناء أي نموذج ميكانيكي للأثير وأي محاولة كانت نتائجها تدفع إلى اليأس. فكان من الأفضل للخروج من هذه الورطة بأن نقبل بأن الموجات الكهرومغناطيسية تنتقل عبر الفراغ (المكان-الزمان Space-time) الذي يمتلك هذه الخاصة الفيزيائية لنقل الموجات الكهرومغناطيسية.
لقد أجريت تجربة مايكلسون و مورلي عام 1887 ولم تفسر نتائجها السلبية إلا بعد ما يقارب العشرين عاماً، حيث تعد هذه التجربة واحدة من أشهر تجارب القرن التاسع عشر، وبالرغم من كونها تجربة بسيطة إلا أنها أحدثت ثورة علمية أدت إلى نتائج غاية في الأهمية.
ولكن تظهر لدينا مشكلة عملية في تجربة مايكلسون و مورلي هي أن البعد بين A و M1 والبعد بين A و M2 لا يمكن جعلهما متساويين بالضبط تماماً. وللتخلص من هذه المشكلة ندير الجهاز بمقدار 90 درجة بحيث يصبح AM2 بجهة خط الحركة و AM1 عمودياً عليه. ويصبح أي فرق بالطول غير مهم، وما نبحث عنه هنا هو انزياح أهداب التداخل عندما ندير الجهاز.
لقد كان جهاز مايكلسون و مورلي بقدر كافً من الدقة والحساسية لكشف وملاحظة أي انزياح في أهداب التداخل. حيث بينت الملاحظات والقياسات الدقيقة عدم وجود أي إزاحة حتى ولو بمقدار 10% من الإزاحة المتوقعة.
أعيدت التجربة عدة مرات على أيدي الكثير من الفيزيائيين وأدخلت عليها تعديلات معينة باستخدام ضوء له أطوال موجية معينة، وضوء النجوم، وضوء أحادي اللون، الليزر، كما أجريت التجربة على ارتفاعات مختلفة، وخلال أوقات مختلفة من السنة. ولكن جميع هذه التجارب أيدت مايكلسون و مورلي بعدم وجود أي إزاحة لأهداب التداخل في الحدود المتوقعة. وأن تأثيرات الأثير لا يمكن قياسها.
وبهذه النتيجة السلبية لتجربة مايكلسون و مورلي تم تفسيرها على عدم وجود أي انسياق للأثير. أي أن الأرض تجر معها الأثير كجو تابع لها (كما تجر الغرفة المغلقة الهواء الموجد داخلها)، فالأثير بجوار الأرض ساكن بالنسبة إليها. إن هذا التفسير ضعيف لأن انجرار الأثير ينتج عنه ظواهر أخرى ترتبط بانتشار الضوء وأن مثل هذه الظواهر لم تلاحظ أبداً. ولهذا بدأ الفيزيائيون باستبعاد فرضية الأثير.
ولكن العلماء لا يستسلمون بسهولة ولحل هذا اللغز اقترح لورنتس ، وفيتزجيرالد كل منهم مستقل عن الأخر أن جميع الأجسام المتحركة عبر الأثير تعاني تقلصاً في الطول باتجاه الحركة وأن هذا التقلص سيكون كافياً لتفسير هذه النتيجة السلبية. ولكننا يجب أن نشير هنا إلى أن تقلص لورنتس ، وفيتزجيرالد هو تقلص حقيقي أي أن الجسم ينكمش باتجاه الحركة في الأثير. أما ما يعرف بتقلص الطول في النسبية الخاصة Length contraction فهو مختلف تماماً وهو ناتج عن القياس للطول. فالمراقبين العطاليين المتحركين بالنسبة إلى بعضهم يقيسون أطوالاً مختلفة. ومن هنا تأخذ النسبية أسمها وفلسفتها، فالحقيقة حسب النظرية النسبية هي مسألة قياس.
ولكن الحل لهذه النتيجة المربكة في تجربة مايكلسون و مورلي جاء على يد آينشتاين عام 1905 عندما عرض نظريته في النسبية الخاصة التي نصت : أن سرعة انتشار الضوء لا متغيرة (ثابت فيزيائي) له نفس القيمة بالنسبة إلى جميع المراقبين العطاليين (المراقبون الذين يتحركون حركة مستقيمة منتظمة بعضهم بالنسبة إلى بعض).
فجهاز تجربة مايكلسون ومورلي لن يعاني انكماش في الطول حسب النسبية الخاصة لأنه في حالة ثبات نسبي بالنسبة إلى المراقبين اللذين يقومون بالتجربة.
يمكن صياغة النظرية النسبية الخاصة ضمن مبدأين أساسيين :1- جميع القوانين الفيزيائية هي نفسها في جميع الأطر المرجعية العطالية (جمل المقارنة العطالية).
2- سرعة الضوء (في الفضاء الحر) ثابت كوني مستقل عن أي حركة نسبية للمصدر أو للمستقبل.
يؤكد مبدأ آينشتاين الأول في النسبية الخاصة بأن كل القوانين الفيزيائية تمتلك هذه الخاصية.
1- وبالتالي ينص مبدأ النسبية الخاصة على أن كل قانون فيزيائي لابد أن يكون له هذه الخاصة : إذا كان القانون الفيزيائي صحيحاً في أي نظام إحداثي فإنه لابد وأن يكون صحيحاً في أي نظام إحداثي آخر يتحرك بسرعة ثابتة بالنسبة إلى النظام الإحداثي الأول. يشير هذا المبدأ إلى وجود مجموعة من النظم الإحداثية تتحرك حركة مستقيمة منتظمة Uniform Motion فيما بينها، بحيث تبقى القوانين الفيزيائية صحيحة في أي نظام إحداثي منها. مثل هذه الأنظمة الإحداثية يطلق عليها اسم النظم الإحداثية العطالية Inertial Coordinate Systems.
يقر معظم الناس أن مبدأ النسبية الخاصة هذا بدهي. فمن الناحية العملية يتم تعيين وتحديد الكميات الفيزيائية مثل الموضع Position والسرعة Velocity حسب الطريقة التي نستخدمها، فنحن نعين موضع وسرعة جسم ما بعلاقته بالنسبة إلى أجسام أخرى، أو بعلاقته بالنسبة إلى نظام إحداثي حيث نقطة أصله ومحاوره متوضعة على أجسام معينة تعد مرجعاً. وبالتالي ليس لموضع وسرعة جسم أي معنى باستثناء علاقة موضعه وسرعته بالنسبة إلى أجسام أخرى، أو بالنسبة إلى نظام إحداثي. وانطلاقاً من هذه الفكرة لابد وأن تكون جميع الأنظمة الإحداثية متكافئة، وهذا بدوره يجعل مبدأ النسبية الخاصة معقولاً (منطقياً)، ولكن هذا ليس كافياً لإثبات صحته.
يجب أن نشير هنا إلى أن مبدأ النسبية الخاصة هو مبدأ عام ينطبق على جميع القوانين الفيزيائية. ويجب علينا أن نختبر كل قانون فيزيائي تم قبوله أو اقتراحه حديثا فيما إذا كان يتفق مع هذا المبدأ، وإذا لم يتفق فلابد من إيجاد التعديل المناسب للقانون الفيزيائي حتى يتفق وهذا المبدأ. لقد نجح آينشتاين في فعل ذلك مع قوانين الميكانيك وقوانين الكهرومغناطيسية. لقد استطاع آينشتاين أن يقودنا إلى عدة نتائج مذهلة كما سنرى حيث أصبحت كل القوانين المعدلة في اتفاق مع العديد من التجارب المختلفة، لقد أصبحت النسبية الخاصة في وقتنا الحاضر مبنية على أساس تجريبي راسخ.
تبدو معادلات ماكسويل في الكهرومغناطيسية أنها لا تخضع إلى تحويلات غاليله، فلا يبقى شكل المعادلات نفسه بعد إجراء هذه التحويلات عليها. وهذا سيؤدي بدوره إلى ظواهر كهربائية وضوئية داخل مركبة A متحركة بالنسبة إلى مركبة أخرى B، وهذا بدوره يتعارض ومبدأ النسبية.
وكنتيجة أخرى لمعادلات ماكسويل وجود الأمواج الكهرومغناطيسية التي تنتشر عبر المكان وفي جميع الاتجاهات بالسرعة نفسها (c=1/00 سرعة انتشار الأمواج الكهرومغناطيسية في الفضاء الحر) وبشكل مستقل عن حركة مصدر الاضطراب المسبب لهذه الأمواج (المنبع)، ولكن سرعة هذه الأمواج تتعلق بالوسط الذي تنتشر فيه والذي يملأ الفضاء كله. لذلك تم اقتراح فكرة الأثير Either (الوسط الذي يملأ الفضاء حيث تنتشر فيه الأمواج الكهرومغناطيسية بالسرعة c).
وهذا بدوره مشابه للصوت حيث تنتشر الأمواج الصوتية بسرعة مستقلة عن حركة المنبع الصوتي ولكنها تتعلق بالوسط الذي تنتشر فيه. وهذا بدوره ما كان يدعم فرضية الأثير.
فإذا كان لدينا مركبة فضائية متحركة بسرعة V وكان لدينا مصدر ضوئي (الضوء هو أحد أشكال الأمواج الكهرومغناطيسية) عند مقدمة هذه المركبة الفضائية، فإن سرعة الضوء المقاسة من هذه المركبة تساوي c + V. فبقياس سرعة الضوء في هذه المركبة نستطيع تحديد سرعة المركبة الفضائية بالنسبة إلى الأثير. حيث نحن نعتبر أن تحويلات غاليله صحيحة بدهياً. ومن هذه الفكرة يمكننا تحديد سرعة الأرض عبر الأثير. إلا أن جميع التجارب لمحاولة تحديد سرعة الأرض بالنسبة إلى الأثير باءت بالفشل. وهذا بدور أدى إلى وجود خلل ما في المعادلات الفيزيائية. فتوجهت أنظار العلماء إلى معادلات ماكسويل، حيث تم تعديل هذه المعادلات حتى تتفق وتحويلات غاليله. إلا أن هذه التعديلات قادت إلى تنبؤات بظواهر كهربائية جديدة لم يستطع أحد التحقق منها تجريبياً فتم هجر هذه المحاولات. كما تبين مع الوقت صحة معادلات ماكسويل، فكان لابد من البحث عن حل لهذه المشكلة في مكان آخر.
إلا أن هندريك أنطون لورنتز Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) لاحظ أمراً ملفتاً للنظر عندما طبق التحويلات التالية على معادلات ماكسويل، حافظت معادلات ماكسويل على شكلها (حيث تعرف هذه التحويلات بتحويلات لورنتز).
وجاء آينشتاين معتمداً على أفكار بوانكاريه Poincaré, Jules Henri (1854–1912) : بأن جميع قوانين الفيزياء يجب ألا تتغير لدى إخضاعها لتحويلات لورنتز. إذن : يجب علينا تعديل جميع قوانين نيوتن حتى تنسجم مع تحويل لورنتز. وبما أن تحويل غاليله صحيح بالنسبة إلى السرع الصغيرة جداً بالنسبة إلى سرعة الضوء، فإن تحويلات لورنتز يجب أن تتضمن تحويل غاليله عندما تكون السرع صغيرة.
2- سرعة الضوء c ثابت كوني بالنسبة إلى كل النظم الإحداثية العطالية (النظم التي تتحرك بعضها بالنسبة إلى بعض بسرعة ثابتة). هناك العديد من التجارب التي تثبت صحة هذا المبدأ، من بين هذه التجارب المباشرة تجربة مايكلسون ومورلي Michelson and Morley .
إن مبدأ النسبية الثاني هو بشكل أساسي تعبير لقانون فيزيائي خاص يتعلق بانتشار الضوء فقط، والقانون علاوة على ذلك هو بحد ذاته أحد نتائج قوانين أكثر عمومية في الكهرومغناطيسية صاغها ماكسويل. لقد اختار آينشتاين هذا القانون لمبدئه الثاني في النسبية الخاصة، ليظهر كما سنرى في تحديد العلاقة بين الحركات النسبية للنظم الإحداثية. ولسرعة الضوء c دور جوهري وأساسي في النظرية النسبية، فسرعة الضوء c أبعد بكثير من كونها قانون سرعة انتشار الضوء. ومنه يمكننا صياغة المبدأ الثاني للنسبية الخاصة بشكل أكثر عمومية : تشتمل القوانين الفيزيائية على الثابت الكوني c (السرعة الثابتة كونياً). ولا بد أن نشير إلى أن المبدأ الثاني للنسبية الخاصة يتضمنه المبدأ الأول لأن سرعة الضوء هي ثابت كوني.
التناقض الظاهري المتعلق بسرعة الضوء.رغم أن المبدأ الأول في النسبية الخاصة يتمتع بصفته البدهية، لكن عندما نضمه إلى المبدأ الثاني للنسبية الخاصة يقودنا هذا إلى عدد من النتائج المتناقضة، يجعل من الصعب للوهلة الأولى، قبول النظرية النسبية المبنية على هذين المبدأين. لنفرض أنه لدينا نظامين إحداثيين oxyz ، o'x'y'z'
يتحركان بعضهما بالنسبة إلى بعض حركة مستقيمة منتظمة بسرعة V ولنفرض أنه عند اللحظة t = 0 كانت نقطتا الأصل o , o' منطبقتين، حيث انطلقت نبضة ضوئية في اتجاه المحورين ox ، o'x' المنطبقين بعضهما على بعض كما هو موضح في الشكل. فخلال فترة زمنية t تكون النبضة الضوئية قد قطعت مسافة x تعطى بالعلاقة x=ct حيث c سرعة الضوء في الخلاء. وخلال هذه الفترة يكون النظام الإحداثي o'x'y'z' قد قطع مسافة h تعطى بالعلاقة h=Vt حيث V السرعة النسبية بين نظامي الإحداثيات. أما بالنسبة إلى النظام الإحداثي o'x'y'z' تكون النبضة الضوئية قد قطعت مسافة x' تعطى بالعلاقة x'=c't حيث c' سرعة الضوء في الإحداثيات o'x'y'z'. وبإجراء المحاكمة المنطقية التالية نحصل على النتيجة التالية :
وهذا بدوره يناقض المبدأ الثاني للنسبية الخاصة، هذه النتيجة التي توصلنا إليها بواسطة علاقات رياضية وهندسية بسيطة وواضحة، من الصعب أن نعتبرها خاطئة (فالمبدأ الثاني للنسبية الخاصة صحيح، و سنورد بعض البراهين التجريبية العلمية على ذلك). في حقيقة الأمر لا يوجد شيء خاطئ في هذه المحاكمة المنطقية. ولحل هذا التناقض الظاهري بين المعادلة c – V c' ≠ c = c' والمبدأ الثاني للنسبية الخاصة (ثبات سرعة ضوء في جميع النظم العطالية) يجب أن نفترض أنه عندما تتحرك جملة مقارنة بالنسبة إلى جملة مقارنة أخرى فإن وحدات الزمن أو الطول أو الاثنتين معاً ستكون مختلفة في جملتي المقارنة. فعلى سبيل المثال : ستقاس x' بوحدات أقل من الوحدات التي تقاس بها x ومنه فإن c'= x'/t' ستصبح أكبر من c – V. وبطريقة مشابهة إذا كان الزمن t' يقاس بوحدات أطول من الزمن t' عندئذٍ ستصبح c'= x'/t' أكبر من c – V ، أي من هاتين الإمكانيتين أو كلتاهما ستؤدي إلى جعل c' مساوية لِ c.
مثال من الطبيعة : يدور زوج من النجوم (نجم ثنائي) بعضهما حول البعض ضمن مسار دائري، حيث يقع مستوي دوران النجمين ضمن مستوي دوران الأرض حول الشمس، كما هو موضح في الشكل الآتي :
فإذا فرضنا أن سرعة الضوء تتعلق بسرعة المصدر، وإذا رصدنا أحد النجمين، فعندما يكون النجم في الموضع A فإن سرعة الضوء القادم منه نحو الأرض هي c – V ، حيث V سرعة النجم. وعندما يكون النجم في الموضع B فإن سرعة الضوء القادم منه نحو الأرض هي c + V. فمن أجل بعد معين للأرض عن النجم الثنائي ستصل الأشعة الضوئية من A و B بنفس اللحظة إلى المشاهد في الأرض، وسيرى هذا المراقب النجم في الموضعين A و B في الوقت نفسه.
ومن أجل بعد معين آخر سيرى المراقب النجم في الموضع B قبل أن يكون في الموضع A. وسيرى النجم في بعض الأحيان يتحرك باتجاه معاكس لحركته الأصلية. وسيكون من المتعذر التأكد من صحة قانون نيوتن في التجاذب الكوني.
سقوط الزمن النيوتني : لنفرض وجود راصدين (مراقبين) A , B الراصد A داخل عربة قطار تتحرك بسرعة ثابتة بالنسبة إلى الراصد B الموجود خارجها. يقوم كل من الراصدين A , B برصد إشارتين ضوئيتين تنتقلان باتجاه نهايتي العربة e , d وذلك نتيجة لإضاءة مصباح كهربائي مثبت في منتصف العربة.
فبالنسبة إلى الراصد A فإنه يلاحظ وصول الإشارتين الضوئيتين إلى نهايتي العربة عند الوقت نفسه، لأن الإشارتين الضوئيتين تقطعان مسافتين متساويتين. والراصد A يعرف أيضاً أن سرعة الضوء c ثابتة في جميع المراجع العطالية. أما بالنسبة إلى الراصد B فسيرى غير ذلك، فهو يعلم أيضاً أن سرعة الضوء التي يقيسها الراصد A هي نفس سرعة الضوء التي يقيسها هو (مبدأ النسبية). فالإشارة الضوئية المتجهة نحو النهاية e سوف تصلها قبل أن تصل الإشارة الضوئية الأخرى النهاية d. لأن النهاية e تقترب من الإشارة الضوئية المتجهة نحوها، وبالتالي فإن الإشارة الضوئية المتجه نحو e تقطع مسافة أصغر. أما النهاية d فإنها تبتعد عن الإشارة الضوئية المتجه نحوها، وهذا بدوره يتطلب زمناً أكبر حتى تبلغ الإشارة الضوئية النهاية d.
إذن الراصدان A , B يعطيان نتيجتين مختلفتين للحادثين نفسيهما (وصول الإشارتين الضوئيتين إلى نهايتي العربة).
أما بالنسبة إلى راصد ثالث C يركب عربة تتحرك بنفس اتجاه حركة عربة الراصد A ولكن بسرعة أكبر، فإن الراصد C سيرى الراصد A يبتعد عنه. وعند رصده للإشارات الضوئية سوف يجد أن الإشارة المتجه نحو النهاية d سوف تصلها قبل أن تصل الإشارة المتجهة نحو النهاية e هذه النهاية.
إذا ترتيب وقوع هذه الحوادث بالنسبة إلى الراصدين الثلاثة مختلفة. إذن تزامن الحوادث المنفصلة مكانياً والذي كان يعتبره نيوتن مطلقاً لأن الزمن مطلق عند نيوتن ليس كذلك في النظرية النسبية.
خلدون محمد خالد
