]السنة[ النظرية النسبية العامة WIN7 للعام ادلرايس: ]اسم الشركة[ ]عنوان الشركة[

Transcript

1 امجلهورية العربية السورية وزارة الرتبية املركز الوطين للممتزيين ]السنة[ النظرية النسبية العامة اعداد :لوميري هماجر WIN7 إبرشاف املدرس:محمود نوح للعام ادلرايس: ]اسم الشركة[ ]عنوان الشركة[

2 مخطط البحث 1 -مقدمة 2 -تعريف النظرية النسبية الخاصة والعامة 3 -تاريخ النظرية النسبية العامة 4 -هندسة الجاذبية النيوتنية 5 -مبدأ التكافؤ في النسبية العامة 6 -النتائج الهندسية 7 -معادالته للمجال 8 -اصطالح اإلشارة 9 -صيغ مكافئة 11 -الثابت الكوني 11 -معادالت الال خطية 12 -مبدأ التوافق بين النسبية وقانون الجذب العام 13 -مشاكل النظرية النسبية 14 -الخاتمة المقدمة واالشكالية ما إن هو منشأ الكون وكيف ظهرت المادة الى الوجود وكيف ستكون نهاية الكون نظرية التوسع الكوني هي أكثر المفاهيم شيوعا في العلم الحديث والتوسع الكوني هو نظرية كان أول من اطلقها آلن كوث وهو فيزيائي متميز من معهدمساتشستس للتكنولوجياثم أدخلت عليها تعديالت على أيدي العديد من العلماء استجاب ة للمشكالت الكونية فإن كل باحث يتقبل اليوم في أن الكون قد بدأ بانفجار عظيم جوانب الكون التي ال يمكن تفسيرها بناء على هذه النظرية على الرغم من أنه هناك العديد من تتصل بالواقع المتمثل في أن نموذج االنفجار العظيم نموذج غير مستقر ال يمكنه االستق ارر كما ن اره اليوماال اذا رسمت الحالة االبتدائية للكون عند لحظة االنفجار العظيم وبدقة بالغة تقتضي نظرية التوسع بأن الكون الفتي في م ارحل نشأته الحالية )حيث صار حجمه متمددا تمددأ انفجاريا ) األولى قد توسع بسرعة أكبر بما ال يقاس من سرعة توسعه في سنة 7881 وفي واحدة من أهم التجارب بالعلمية على اإلطالق تمكن العالمان األمريكيان ألبرت مايكلسن وادوارد مورلي من إثبات أن السرعة الظاهرية للضوء من اثبات أن السرعة الظاهرية للضوء ال تتأثر بحركة األرض وكانت هذه التجربة محرجة جدا للجميع آنذاك إذ ناقضت الفكرة التي تمليها الفطرة السليمة بأن السرعات تت ازيد دوما 1

3 وجاءت النظرية النسبية الخاصة ألينشتاين في جزء منها استجابة لتجربة مايكلسن_مورلي فما أدركه أينشتاين هو أنه مل لم تتغير قيمة الثابت)سرعة الضوء(فهناك شيء آخر يترتب على هذا المفهوه _انهيار فكرة المكان والزمان العام الالمتغير وفي حياتنا اليومية هذا مخالف للبداهة _حيث ينظر إلى المكان والزمان على أنهما يتصفان بصفة شمولية وعدم المرونة إال أن أينشتاين أرى فيهما شيئا قابال لإلنثناء والتغير يتمدد ويتقلص تبعا لحركات النسبية للواصد والمرصود في حين ان الجانب الوحيد الذي ال يتغير من الكون هو سرعة الضوء وهكذا ظهرت النظريتان النسبيتان ألينشتاين الخاصة والعامة... النظرية النسبية الخاصة: 2

4 لكن وتأخذ هذه النظرية أهميتها بأنها قد أوجدت تكافؤا بين الكتلة والطاقة والذي بدوره لم يكن موجودا من قبل كما أنها أعطت الزمن مفهومأ جديدأ وأدخلته في رسم صورة لم بعتد العالم أن 1 يراه فيها وبالرغم من أن النظرية النسبية الخاصة كان سيدة عصرها إال أنها القت مشكلة صغيرة فيما يسمى مفارقة التوأمين :بفرض أن هنالك توأمان أحدهما على األرض واخآخر في مركبة تسير بسرعة الضوء فلما يعود الذي كان في الم ركبة إلى األرض سيرى أخاه عجو از _وكأنه مستقبله بالضبط_أما اخآخر فسيظن أن أخاه الذي كان في سار بسرعة الضوء هو ماضيه فمن الذي على صواب 2 وهكذا جاءت النظرية النسبية العامة لتسد الثغ ارت التي واجهت النظرية النسبية الخاصة وترممها تاريخ النظرية النسبية العامة بعد وقت قصري من نرشه للنظرية النسبية اخلاصة يف عام 0012 بدأ أينشتاين التفكري يف كيفية دمج اجلاذبية بلنسبية يف إاطار جديد. يف عام 0011 بدأ يف جتربة فكرية بسيطة تشمل مراقبة سقوط حر واسمتر البحث ملدة مثاين س نوات للوصول إاىل نظرية نسبية بجلاذبية. بعد العديد من الطرق الالتفافية وبداايت خاطئة بلغ معهل ذروته يف عام 0002 حيث كتاب الثاني الثانوي في الفيزياء_الجمهورية العربية السورية النظرية النسبية الخاصة_كلية العلوم واألداب جامعة المرقب

5 عرض يف ال اكدميية الربوس ية للعلوم ما يعرف الآن بمس معادالت أينش تاين للمجال. هذه املعادالت حتدد تأ ثري هندسة املاكن والزمن عىل أي مادة وتشلك هذه املعادالت جوهر نظرية أينش تاين يف النسبية العامة. إان معادالت أينشتاين للمجال يه معادالت غري خطية ومن الصعب حلها. وقد استخدم أينشتاين طريقة تقريبية للخروج بلنتيجة اليت تنبأ فهيا. يف بداية عام 0001 وجد عامل الفكل اكرل شوارزشيدل احلل التام ملعادالت أينشتاين ودعيت مرتية شوارزشيدل. وهذه احللول وضعت احلل لوصف املراحل الخرية من اهنيار اجلاذبية والجسام اليت تعرف اليوم ثقوب سوداء. وأانت اخلطوة الوىل يف تعممي شوارزشيدل يف حلول الجسام املشحونة كهربئيا ويف الهناية أسفرت عن مرتية ريسرن نوردس توورم. ويه حاليا مرتبطة بشحنة الثقب السود. طبق أينشتاين يف سنة 0001 نظريته عىل الكون كلك والرشوع يف النسبية الكونية. واكن قد فرض متاشيا مع الفكر السائد أن الكون ساكن وأضاف حد أو معامل جديد إاىل معادالت. اجملال )احلقل( وهو الثابت الكوينΛ أدت حلول ألكسندر فريدمان إاىل فكرة متدد الكون سنة 0044 عن طريق الاستغناء عن الثابت واليت أيدت فامي بعد بواسطة مراقبات إادوين هابل وأآخرين. واستخدم جورجيوس لميرت هذه Λ الكوين احللول ليصيغ أول شلك من نظرية 3 الانفجار العظمي من أن الكون تطورمن حاةل بدائية مفرطة يف السخونة والكثافة. اعرتف أينشتاين فامي بعد بأن اعتباره بأن الكون اثبت أن أكرب خطأ ارتكبه يف حياته. خالل تكل الفرتة بقيت النظرية النسبية العامة كنوع من الفضول يف مواضيع النظرايت فزيايئية وبقي واحضا تفوق قانون اجلذب العام لنيوتن واليت بدت منسجمة مع النسبية اخلاصة إايل استخدم يف العديد من احلاالت اليت ميكن رشهحا من خالل قانون نيوتن. واليت بدت منسجمة مع النسبية اخلاصة إايل استخدم يف العديد من احلاالت اليت ميكن رشهحا من خالل قانون نيوتن. هندسة الجاذبية النيوتونية حسب قواعد املياكنيك الالكسييك ف إان حركة اجلسم توصف بدرجات احلرية و بأهنا مكونة من حركة حرة )أو حركة مقصورة( أو )العطاةل( ومقدار احنرافه عن هذه احلركة احلرة. فعىل سبيل املثال القوى اخلارجية املطبقة عىل جسم متحرك وفق قانون نيوتن الثاين واذلي ينص عىل أن مجموع القوى اخلارجية بشلك شعاعي املطبقة عىل جسم يساوي إاىل جداء كتةل )العطاةل( اجلسم بلقمية الشعاعية للتسارع. ترتبط احلركة املقصورة هبندسة الزمان و املاكن ففي ا إالطار املرجعي التقليدي للمياكنيك الالكس ييك ف إان اجلسم ذو احلركة احلرة يتحرك عىل طول خط مس تقمي وفق رسعة اثبتة. أما وفق املصطلح اجلديد ف إان املسار هو مسار جيوديزي فهو خطوط مس تقمية مضن فضاء منحين. 3 النظرية النسبية العامة جالل الحاج عبد 4

6 مبدأ التكافؤ في النسبية العامة منزي يف الفزيايء بني مراجع عطالية )مجل مرجعية عطالية(حيث ميكن لي جسم أن حيافظ عىل حركته املنتظمة يف امجلل,ومراجع غري عطالية العطالية ما مل خيضع لقوة ما أو يتأثر جبسم أآخر مضن نفس امجلةل يف حني تكتسب الجسام يف امجلل غري العطالية تسارعا انجتا عن حركة امجلةل نفسها وتسارعها ولسس نتيجة تأثري جسم داخي مضن يف حاةل امجلةل. تم تفسري مقاومة هذا التسارع بقوى افرتاضية ندعوها قوى العطاةل احلركة املستقمية للجمل املرجعية أو قوى العطاةل النابذة يف حاةل احلركة ادلورانية للجمل املرجعية. هذه القوى تعترب قوى افرتاضية غري فزيايئية يف املياكنيك الالكسييك النيوتنيه لكن يف النسبية العامة لسس هناك جماال ملثل هذا المتيزي حسب مبدأ التاكفؤ. ولسس هناك من قوة ثقالية مضن املعمل املرجعي يف حاةل السقوط احلر )احلركة املتسارعة( عدا القوى املدية للثقاةل اليت تشوه الجسام دون التأثري عىل حركهتا ورسعهتا )دون تسارع(. وحىت حماوالت الكشف عن المواج الثقالية تعمتد عىل هذه القوى املدية و قد استند اينشتاين يف الواقع عىل حقيقة معروفة منذ غاليليو أال ويه متاثل الكتلتني الثقالية والعطالية للجسام. مما يؤكد أن التسارع احلريك والثقاةل يه مظهر لمر واحد ويفرتض أنه ال وجود لي جتربة ميكن أن متزي بني حقل ثقايل- جاذبية - و تسارع منتظم. ورسعان ما وسع اينشتاين مبدأ التاكفؤ يف نظريته لسشمل مفهوما إاضافيا هو استحاةل حتديد حاةل احلركة مجلةل مرجعية غري متسارعة عن طريق أي قياس فزياييئ. وعىل هذا فال ميكن إاجياد أي تغري يف الثوابت الفزيايئية الساسية مثل كتةل السكون )يف حاةل السكون( أو الشحن الكهربئية للجساميت الولية وإاال فان أي تغري يف هذه الثوابت يطعن يف حصة النسبية العامة. النتائج الهندسية بلرمغ من الاهامتم السايس يف الهندسة اكن منصبا لفرتة طويةل عىل القواعد يف الفضاء ا إالقليدي فامي يعرف بلهندسة الاقليدية فقد قام عدد من علامء الرايضيات بصياغة هندسات ال اقليدية مثل لوبتشو و فسكيو و رميانو و غاوس وغريمه. لكن التصور السايس للفضاء بقي اقليداي طيةل قرون لتوافقه مع معظم النظرايت الفزيايئية اخاصة مياكنيك نيوتن. لكن ظهور النسبية العامة فتح الباب لالعتقاد حول ال اقليدية الزماكن )الزمان + املاكن = الزماكن( وقد أكدت الكثري من التجارب هذه احلقيقة. معادالت أينشتاين للمجال معادالت أآينشتني للمجال أو معادالت أآينشتاين يه مجموعة عرش معادالت يف نظرية ألربت أآينشتاين للنسبية العامة واليت تصف التأثر السايس يف الثقاةل جراء تقوس الزماكن مع لك من املادة والطاقة. نرشت بداية بواسطة أآينشتاين يف 0002 عىل أهنا معادةل مؤتر تعادل معادالت أآينشتني للمجال احنناء الزماكن )يعرب عهنا مبؤتر أآينشتاين( مع الطاقة ومكية احلركة مضن ذكل الزماكن )املعربعهنا مبوتر ا إالهجاد -الطاقة(. وبشلك مشابه لكيفية إاجياد اجملاالت الكهرومغناطسسية بستعامل الشحنات 5

7 والتيارات من خالل معادالت ماكسويل تستعمل معادالت أآينشتني للمجال إالجياد الهندسة الفضائية للزماكن من وجود الكتةل والطاقة ومكية التحرك اخلطي أي أهنا تعطي املؤتر املرتي للزماكن بدالةل ترتسب من ا إالهجاد-والطاقة تسمح العالقة بني املؤتر املرتي وموتر أآينشتاين بكتابة معادالت أآينشتاين مكجموعة من معادالت تفاضلية ال خطية عند استخداهما هبذه الطريقة حفلول معادالت أآينشتني للمجال متثل مركبات املؤتر املرتي. املقذوفات العطالية للجساميت وجيوديسيا ا إالشعاع يف الهندسة التحليلية الناجتة حتسب بعد ذكل بستعامل املعادةل اجليوديسية. إاضافة المتثالها لقوانني إاحنفاظ مكية احلركة-والطاقة تؤول معادالت أآينشتني للمجال إاىل قانون نيوتن إاذا اكن اجملال الثقايل ضعيفا والرسعات أقل بكثري من رسعة الضوء يف الزماكن. ميكن أن تتضمن احللول التقنية ملعادالت أآينشتاين للمجال تبسيط الفرضيات مثل الامتثل وميكن احلصول عىل تبسيطات 4 أفضل بتقريب الزماكن الفعي كزماكن مسطح ميكن كتابة معادالت أآينشتاين للحقل معادالت أآينشتاين للحقل يه معادةل تربط بني مجموعة من موترات 2 2 متاثلية للك موتر توجد 01 مرأآبت مستقةل. إبماكنية حرية الاختيار إالحداثيات الزماكن الربعة تؤول املعادالت املستقةل إاىل 6 عدداي بلرمغ من أن معادالت أآينشتاين للمجال متت صياغهتا يف السياق بداية من نظرية ربعية البعاد فقد قام بعض النظريني بتوسيع نتاجئها إاىلn من البعاد املعادالت يف السياق خارج النسبية العامة الزال يشار إالهيا مبعادالت أآينشتاين للمجال.بلرمغ من املنظر البسيط اذلي تبدو عليه املعادالت إاال أهنا معقدة يف الواقع. إاذا عمل توزيع معني للامدة والطاقة عىل هيئة موتر إاهجاد - طاقة ف إان معادالت أآينشتاين للحقل تفهم عىل أهنا معادلتان للموتر املرتية ملا ن اكت ألتهيام موتر رييش والاحنناء السلمي معمتدة عىل املرتية بطريقة ال خطية معقدة يف احلقيقة عند كتابهتا أليا ف إان معادالت أآينشتاين للحقل متثل مجةل من 10 معادالت تفاضلية جزئية مرتبطة ال خطية. ميكن للمرء كتابة معادالت أآينشتاين للحقل بصورة أأآثر اندماجية بتعريف موتر أآينشتاين 4 النظرية النسبية العامة والخاصة_ألبرت أينشتاين 6

8 الرتبة الثانية من وهو مؤثر بشلك داةل يف املرتية.ميكن حينئذ كتابة معادالت الشلك: عىل للحقل أآينش تاين 5 بستعامل وحدات هندسية حيثG =0 c = ميكن إاعادة كتابهتا اكلآيت احلد اليرس ميثل تقوس الفضاء والزمان( الزماكن )اذلي يم إاجياده من املرتية بسامن احلد عىل الطرف المين ميثل حمتوى الطاقة/املادة من الزماكن.بلتايل ميكن تفسري معادالت أآينشتاين للحقل مكجموعة من املعادالت متي علينا كيفية ارتباط تقوس الزماكن مبحتوى املادة\الطاقة يف الكون.هذه مع املعادالت مع املعادةل اجليوديسية تشلك نواة الصيغ الرايضية يف النسبية العامة اصطالح اإلشارة ميثل الشلك السابق من معادالت أآينشتاين للحقل املعيار اذلي متا تأسسسه يف كتاب مسرن بتحليل مجيع الاصطالحات املوجودة وصنفها وفقا ل إالشارات الثالثة التاليةS1,S2,S3 : و و ثورن ويلر.قام املؤلفون 5 النظرية النسبية العامة جالل الحاج عبد 7

9 ا إالشارة الثالثة أعاله تتعلق بختيار الاصطالح ملوتر رييش استخدم الباحثون مبا فهيم أآينشتاين الثابت عىل الطرف المين سالبة أصبحت إاشارة أن عنه نتج واذلي رييش ملؤتر تعريفهم خمتلفة يف إاشارة نستعمل هنا إاذا اصطالحا ا إالشارة املرتية{ { صيغ مكافئة ميكن كتابة معادالت للمجال أ آينش تني بلشلك املاكئف التايل: واليت ميكن أن تكون أكرث الحيان بعض مالمئة يف الثابت الكوني قام أآينشتاين بتعديل الصلية معادالته للمجال يك تتضمن مع املرتية: متناس با كونيا حدا الثابت Λ يعد اثبت كوين و لن Λاثبتا فلن يتأثر مبدأ إاحنفاظ الطاقة.فقد قدم أآينشتاين اثبت احلد الكوين أصال لوصف كون ادلينامييك.هناك تقنيات فلكية متطورة حديثة قد وجدت أن القمية املوجبة لΛرضورية لتفسري بعض املشاهد الكونية 8

10 اليت يه جوهر البحوث العلمية املعارصة اكن أآينشتاين يعتقد بأن الثابت الكوين وسيط مستقل 6 أن ينتقل إاىل الطرف الآخر جرباي املكتوب كجزء من موتر ا إالهجاد والطاقة لكن حده يف املعادةل ميكن تعترب طاقة الفراغ بلعالقة بلتايل ف إان تبادلية وجود اثبت أآوين ذات طاقة فراغ معدومة غري ال تساوي صفر.اليوم تس تعمل احلدود يف النسبية العامة بشلك معادالت آينشتاين الال خطية إان ال خطية معادالت أآينشتني للمجال ميزي النسبية العامة عن نظرايت فزيايئية أخرى عديدة.عىل سبيل املثال ماكسويل الكهرومغناطسسية تكون خطية يف توزيعات اجملال الكهربيئ واجملال املغناطسيس والشحنة والتيار( يأ أن مجموع احللني هو حل أيضا ( مثال أآخر هو معادةل رشودجنر يف مياكنياك المك واليت يه خطية يف داةل املوجة مبدأ التوافق بين النسبية وقانون الجذب العام لنيوتن تؤول معادالت أآينشتاين للحقل إاىل قانون اجلذب العام لنيوتن بستعامل أل من تقريب اجملال الضعيف وتقريب احلركة البطيئة)الرسعات ضعيفة أمام رسعة الضوء)يف الواقع الثابت اذلي يظهر يف معادالت أآينشتاين للحقل حنصل عليه بفعل هذين التقريبسني 6 النظرية النسبية العامة 9

11 لقد جنحت النظرية النسبية يف وضع وتفسري العديد من الافرتاضات الهامة يف الفزيايء الفلكية مثل وجود الثقوب السوداء )مناطق من الفضاء ذات جاذبية قوية وفهيا يتشوه املاكن والزمان بطريقة ال تسمح هبروب أي يشء حىت الضوء( وقت هناية النجوم الكبرية. توجد العديد من الدةل تثبت أن ا إالشعاع الشديد يصدر من أنواع حمددة من الجسام الفلكية بسبب الثقوب السوداء عىل سبيل املثال ينتج النجم الزائف الصغري وتنتج نواة اجملرة النشطة من وجود الثقوب السوداء النجمية والثقوب السوداء الفائقة الضخامة عىل التوايل. من املمكن أن يقود احنناء الضوء بجلاذبية إاىل تشلك عدسات اجلاذبية املؤدية لظهور عدة صور مرئية لنفس اجلسم الفليك البعيد يف السامء وأضافت فكرة تقعر الفراغ بوجود املادة وهو المر اذلي يعين أن اخلطوط املستقمية تتشوه بوجود الكتةل المر اذلي أثبت عندما حتقق تنبؤ أينشتاين بلتباعد الظاهري لنجمني يف فرتة كسوف الشمس وذكل يعود إاىل تشوه مسار الضوء القادم من النجمني بسبب مرورهام قرب الشمس ذات الكتةل العالية نسبيا وبلتايل تقوس خط سري الضوء القادم من النجمني. تنبأت النسبية العامة أيضا بوجود أمواج اجلاذبية واليت لوحظت 7 مبارش هدف بعض املشاريع مثل ليغو ومرشوع واكةل الفضاء المريكية وقهتا بشلك غري مبارش واليزال رصدها بشلك وواكةل الفضاء الوروبية "لزيا."ب إالضاقة ذلكل متثل النسبية العامة الساس لامنذج عمل الكون الفزياييئ احلالية لكون دامئ التوسع. ولكن...لماذا كلما حاول العلماء دمج النظرية النسبية والنظرية الكمومية سوية واجهوا فشال ذريعا لعل سرعة الضوء المتغيرة هي ما نفتقره في د ارستنا...أيعقل أن سرعة الضوء متغيرة وأن افت ارض ثباتها هو ما أعاق األبحاث النظرية في أن تكتمل,قد تصبح نظرية السرعة المتفاوتة للضوء أكثر من مجرد ظاهرة حذس علمي فمن الممكن أن تعمق آلية فهمنا للكون بصورة لم نتخيلها من قبال أم هنالك مشكلة فيما فكر فيه أينشتاين 7 فيزياء العقل البشري والعالم من منظورين 11

12 11

13 12

14 وبما أن نقض نظرية أينشتاين فكرة ال يتقبلها العالم بسهولة فقد اقتسبت هذه الفقرة المتتالية من كتاب أسرع من سرعة الضوء للفيزيائي جواو ماكيو يجو الذي كان أول من اقترح أن سرعة الضوء كانت أكبر مما هي عليه اخآن عند بداية الكون الخاتمة وكما رأينا أن أينشتاين قد استخدم حججه القوية في بلورة نظريته وصونها ضد االنتقاد ورغم كل هذا هنالك بعض االلتباسات حولها وهكذا يغدو السؤال النهائي هل النظرية النسبية حقيقة يسري عليها الكون أم أنها محض خيال بررناه بأنفسنا المصادر والمراجع النظرية النسبية الخاصة والعامة ألبرت أينشتاين النظرية النسبية الخاصة ناظم حسون-عياد شاحوت-بثينة عبد المنعم ابراهيم النظرية النسبية العامة جالل الحاج عبد فيزياء العقل البشري والعالم من منظورين روجر بنروز وأدمن شيبوني و نانسي كارترايت وستيفن هوكينغ أسرع من سرعة الضوء جواو ماكيويجو 13

15 كتاب الثاني الثانوي فيزياء في الجمهورية العربية السورية بشار مهنا-عبدهللا أبو يحيى علي الفقير-عمر أبودان-ملك الشوا الفهرس اشاكلية مقدمة تعريف النظرية النسبية العامة اترخيها الهندسة اجلاذبية النيوتنية مبدأ التاكفؤ النتاجئ الهندسية معادالت أينشتاين للمجال اصطالح ا إالشارة صيغ ماكفئة الثابت الكوين معادالت أينشتاين الالخطية مبدأ التوافق مشالك النظرية النسبية اخلامتة 14