يتم استخدام الفيزياء النسبية عند النظر في الأشياء المادية. الفيزياء النسبية

النظرية النسبية الخاصة أو الجزئية هي نظرية حول بنية الزمكان. تم تقديمه لأول مرة في عام 1905 من قبل ألبرت أينشتاين في عمله "حول الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة". تصف النظرية الحركة وقوانين الميكانيكا والعلاقات الزمانية والمكانية التي تحددها، عند سرعات الحركة القريبة من سرعة الضوء. تعتبر الميكانيكا النيوتونية الكلاسيكية في إطار النسبية الخاصة بمثابة تقريب للسرعات المنخفضة.

النظرية النسبية العامة

النسبية العامة هي نظرية الجاذبية التي طورها أينشتاين في 1905-1917. إنه تطور إضافي للنظرية النسبية الخاصة. تفترض النظرية النسبية العامة أن تأثيرات الجاذبية لا تنتج عن تفاعل القوى بين الأجسام والحقول، ولكن عن طريق تشوه الزمكان نفسه الذي توجد فيه. ويرتبط هذا التشوه جزئيًا بوجود طاقة الكتلة.

روابط

• النظرية النسبية العامة - استمرارية الزمان والمكان (بالروسية) - ببساطة حول المجمع.
• النظرية النسبية الخاصة (بالروسية) - ببساطة حول المجمع.

مؤسسة ويكيميديا. 2010.

انظر ما هي "الفيزياء النسبية" في القواميس الأخرى:

الفيزياء والواقع- "الفيزياء والواقع" عبارة عن مجموعة مقالات كتبها أ. أينشتاين خلال فترات مختلفة من حياته الإبداعية. روس. طبعة م، 1965. يعكس الكتاب وجهات النظر المعرفية والمنهجية الرئيسية للفيزيائي العظيم. فيما بينها… … موسوعة نظرية المعرفة وفلسفة العلوم

- نظرية (RTG) للجاذبية، تعتمد على تمثيل مجال الجاذبية كمجال فيزيائي ممتد متماثل من التكافؤ 2 في فضاء مينكوفسكي. تم تطويره بواسطة الأكاديمي من الأكاديمية الروسية للعلوم A. A. Logunov مع مجموعة... ... ويكيبيديا

- (اليونانية τὰ φυσικά - علم الطبيعة، من φύσις - الطبيعة) - مجمع علمي. التخصصات التي تدرس الخصائص العامة للبنية والتفاعل وحركة المادة. وفقا لهذه المهام الحديثة F. يمكن تقسيمها بشكل تقريبي إلى ثلاثة أقسام كبيرة... ... الموسوعة الفلسفية

الفيزياء الفائقة النووية هي فرع من فروع الفيزياء عند تقاطع الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات الأولية، حيث يكون موضوع البحث عبارة عن أنظمة شبيهة بالنواة تحتوي، بالإضافة إلى البروتونات والنيوترونات، على جسيمات أولية أخرى، هايبرونات. أيضا... ... ويكيبيديا

فرع من فروع الفيزياء يدرس ديناميكيات الجسيمات في المسرعات، بالإضافة إلى المشاكل التقنية العديدة المرتبطة ببناء وتشغيل مسرعات الجسيمات. تتضمن فيزياء المسرعات قضايا تتعلق بإنتاج وتراكم الجسيمات... ويكيبيديا

الفيزياء. 1. موضوع وبنية الفيزياء الفيزياء علم يدرس أبسط الأمور وفي نفس الوقت أهمها. الخصائص العامة وقوانين حركة كائنات العالم المادي من حولنا. ونتيجة لهذا القواسم المشتركة، لا توجد ظواهر طبيعية ليس لها خصائص فيزيائية. ملكيات... الموسوعة الفيزيائية

الميكانيكا النسبية هي فرع من الفيزياء يدرس قوانين الميكانيكا (قوانين حركة الأجسام والجسيمات) بسرعات مماثلة لسرعة الضوء. وبسرعات أقل بكثير من سرعة الضوء، يتحول إلى الكلاسيكية (النيوتونية) ... ... ويكيبيديا

فرع من فروع الفيزياء مخصص لدراسة العمليات النووية التي تتحرك فيها الجزيئات التي تشكل المادة النووية بسرعات قريبة من سرعة الضوء ج. آر آي F. تم تشكيلها في عام 1970 72 فيما يتعلق بالتجارب على حزم النوى النسبية، ... ... الموسوعة الفيزيائية

1. موضوع الفيزياء وبنيتها الفيزياء هي علم يدرس أبسط القوانين وأكثرها عمومية في نفس الوقت للظواهر الطبيعية، وخصائص المادة وبنيتها وقوانين حركتها. لذلك فإن مفاهيم F. والقوانين الأخرى تكمن وراء كل شيء... ... الموسوعة السوفيتية الكبرى

أمثلة على الظواهر الفيزيائية المختلفة الفيزياء (من اليونانية القديمة φύσις ... ويكيبيديا

كتب

• فيزياء حزم الإلكترون النسبية عالية التيار، A. A. Rukhadze، L. S. Bogdankevich، S. E. Rosinsky، V. G. Rukhlin. يتم عرض أساسيات فيزياء حزم الإلكترون النابضة ذات التيار العالي وتفاعلها مع البلازما بشكل منهجي. تكوينات التوازن المختلفة، وتشكيل و...

في النظرية النسبية، يعتمد اختيار النظام على وجود الأجسام وحركتها، والتي يجب وصفها ضمن الإطار المرجعي المختار. بشكل عام، في الفيزياء وعلم الفلك الحديثين لا يوجد إطار مرجعي بالقصور الذاتي. لا يسعنا إلا أن نتحدث عن مدى قرب هذا النظام من القصور الذاتي.

ما مدى اختلاف مرور الوقت الموحد في الأنظمة المرجعية المختلفة المرتبطة بتلك التي تتحرك بالسرعات المعتادة للإنسان الحديث؟ هل من الممكن أن نلاحظ هذا؟ قبل خمسين عاما، كانت الإجابات على هذه الأسئلة سلبية. كانت الساعات التي استخدمتها البشرية في الحياة اليومية وفي مختبرات الفيزياء لقياس الوقت عبارة عن أجهزة ميكانيكية بدائية غالبًا ما يتجاوز خطأ الوقت ثانية واحدة في اليوم. كانت دقتها منخفضة جدًا بحيث لا يمكنها اكتشاف التأثيرات النسبية بمرور الوقت.

هناك نوعان من التأثيرات النسبية الرئيسية التي تؤثر على سرعة الزمن. الأول هو السرعة. إذا كانت الساعات تنتمي إلى أنظمة مرجعية مختلفة، يتحرك أحدها بالنسبة إلى الثاني، فإن الساعات في النظام الأول ستعمل بشكل أبطأ. إذا أنشأنا تزامن ساعتين في لحظة معينة من الزمن، فبما أن وتيرة الوقت في نظام متحرك ستكون أبطأ، فإن الساعات الموجودة فيه سوف تتأخر. كلما زاد الفاصل الزمني بين عمليات رصد الساعة، زاد تأخر الساعة في الإطار المرجعي المتحرك بشكل ملحوظ. لنفترض أنه بالنسبة لطائرة حديثة تطير بسرعة الصوت (300 م/ث)، فإن الفرق في معدلات الساعة خلال ساعة واحدة من الطيران سيكون نانو ثانية.

التأثير الثاني الذي يؤثر على سرعة السفر هو الفرق في إمكانات الجاذبية. ستتحرك ساعتان ساكنتان بالنسبة لبعضهما البعض، وتقعان في نقاط مختلفة في الفضاء، بسرعات مختلفة. وفي المكان الذي تكون فيه قوة الجاذبية أضعف، ستعمل الساعة بشكل أسرع.

لنفترض أن إحدى الساعة موضوعة على مستوى سطح البحر، والثانية موضوعة على جبل ارتفاعه 10 كيلومترات. ثم ستتحرك الساعة الثانية بشكل أسرع وسيكون الفرق في المعدل في الساعة 3.6 نانو ثانية.

أصبح تسجيل تقدم الساعات بهذه الدقة ممكنًا عندما تم إنشاء الساعات الذرية والهيدروجينية بدقة لا تقل عن ساعة واحدة تقريبًا.

الساعات الحديثة أكثر دقة بكثير. وبمساعدتهم، تمكن الفيزيائيون من قياس عدم انتظام مرور الزمن في نقطتين مختلفتين في الفضاء.

وفي إحدى الحالات، كانت تجربة أجراها علماء إيطاليون. قاموا بمزامنة الساعتين. تركوا ساعة واحدة في قسم الفيزياء، والثانية تم نقلها إلى الجبال بالشاحنات وتم تركيبها على ارتفاع 3250 مترًا فوق مستوى سطح البحر. وبعد انتظار 66 يومًا، خفضوا الساعة الثانية وقارنوا القراءات. أظهرت التجربة توافقاً تاماً مع نظرية أينشتاين! الساعات التي كانت على الجبل تقدمت، والساعات التي بقيت عند مستوى سطح البحر تأخرت.

تم بعد ذلك تحميل الساعات الأربع المتطابقة على طائرات عادية وانطلقت في رحلتها. ساعتين إلى الشرق، وساعتين إلى الغرب (بما أن السرعة الإجمالية كانت مجموع سرعة الطائرة وسرعة دوران الأرض، كانت سرعات الساعات بالنسبة لنظام القصور الذاتي مختلفة). وبعد الطيران حول العالم، تم تفريغ الساعات ومقارنة قراءاتها. على الرغم من أن أخطاء القياس كانت كبيرة جدًا (وقع الحدث في عام 1971)، إلا أنه لا يمكن أن يكون هناك شك - فقد أكدت التجربة تنبؤات النظرية النسبية، وأكدت صحة آينشتاين ووضعت الأساس التجريبي لتأثير الساعة التفاوت.

في عام 1975، تم إجراء تجربة خاصة عالية الدقة لقياس تفاوت الساعات على متن طائرة تحلق فوق خليج تشيسابيك (بالقرب من مصب نهر بوتوماك، الولايات المتحدة الأمريكية). وبحلول ذلك الوقت، وصلت دقة الساعة إلى . وحلقت الطائرة لمدة 15 ساعة، كانت خلالها ساعات على متن الطائرة امامالساعات الموجودة على الأرض نتيجة لتأثيرات التفاوت في قوة الجاذبية المتغيرة (صعود الطائرة وهبوطها)، وكذلك عدم انتظام مرور الزمن بسبب حركة الإطار المرجعي بالنسبة للساعة الثابتة. كانت الساعات المتبقية على الأرض تحسب الوقت أثناء وجودها في مجال جاذبية بقيمة كبيرة لجهد الجاذبية، وكانت الساعات الموجودة على متن الطائرة تحسب الوقت في مجال جاذبية بقيمة أقل لجهد الجاذبية. وصل فارق الساعة هذا إلى 53 نانو ثانية خلال 15 ساعة طيران. وفي الوقت نفسه، تحركت الساعات الموجودة على متن الطائرة بالنسبة للساعات الموجودة على سطح الأرض الساكنة، متخلفة عنها. وكان هذا التأثير أصغر بكثير. وعلى مدى 15 ساعة من الطيران، كان الفارق الزمني 6 نانو ثانية فقط. أدى كلا التأثيرين إلى تقدم الساعة بمقدار 47 نانو ثانية. وكانت دقة قياس التفاوت أفضل من واحد بالمائة! وهكذا، نتيجة للقياسات المباشرة، تم إثبات عدم تجانس مرور الوقت في نقاط مختلفة في الفضاء وأنظمة إحداثيات مختلفة.

www.pereplet.ru/pops/sazhin/node3.html

الميكانيكا النسبية هي الميكانيكا التي تتحول إليها الميكانيكا النيوتونية إذا تحرك الجسم بسرعة قريبة من سرعة الضوء. عند هذه السرعات العالية، تبدأ أشياء سحرية وغير متوقعة تمامًا في الحدوث للأشياء، مثل، على سبيل المثال، انكماش الطول النسبي أو تمدد الزمن.

ولكن كيف تصبح الميكانيكا الكلاسيكية نسبية بالضبط؟ حول كل شيء بالترتيب في مقالتنا الجديدة.

فلنبدأ من البداية..

مبدأ النسبية لجاليليو

ينص مبدأ النسبية لجاليليو (1564-1642) على ما يلي:

في الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي، تتم جميع العمليات بنفس الطريقة إذا كان النظام ثابتًا أو يتحرك بشكل منتظم ومستقيم.

في هذه الحالة نحن نتحدث حصريًا عن العمليات الميكانيكية. ماذا يعني ذلك؟ وهذا يعني أننا، على سبيل المثال، إذا أبحرنا على متن عبارة تتحرك بشكل منتظم ومستقيم عبر الضباب، فلن نتمكن من تحديد ما إذا كانت العبارة تتحرك أم في حالة سكون. بمعنى آخر، إذا أجريت تجربة في مختبرين مغلقين متطابقين، يتحرك أحدهما بشكل منتظم ومستقيم بالنسبة إلى الآخر، فإن نتيجة التجربة ستكون واحدة.

التحولات الجليلية

التحولات الجليلية في الميكانيكا الكلاسيكية هي تحولات في الإحداثيات والسرعة عند الانتقال من نظام مرجعي قصوري إلى آخر. لن نقدم جميع الحسابات والاستنتاجات هنا، ولكننا ببساطة نكتب صيغة تحويل السرعة. وفقًا لهذه الصيغة، فإن سرعة الجسم بالنسبة إلى الإطار المرجعي الثابت تساوي المجموع المتجه لسرعة الجسم في الإطار المرجعي المتحرك وسرعة الإطار المرجعي المتحرك بالنسبة إلى الإطار الثابت.

إن مبدأ النسبية الجليلي الذي ذكرناه أعلاه هو حالة خاصة من مبدأ النسبية لأينشتاين.

مبدأ النسبية لأينشتاين ومسلمات SRT

في بداية القرن العشرين، وبعد أكثر من قرنين من هيمنة الميكانيكا الكلاسيكية، برز سؤال توسيع مبدأ النسبية ليشمل الظواهر غير الميكانيكية. كان سبب ظهور هذا السؤال هو التطور الطبيعي للفيزياء، وخاصة البصريات والديناميكا الكهربائية. نتائج العديد من التجارب إما أكدت صحة صياغة مبدأ النسبية لجاليليو لجميع الظواهر الفيزيائية، أو في عدد من الحالات أشارت إلى مغالطة تحولات جاليليو.

على سبيل المثال، أظهر التحقق من صيغة إضافة السرعات أنها غير صحيحة عند السرعات القريبة من سرعة الضوء. علاوة على ذلك، أظهرت تجربة فيزو عام 1881 أن سرعة الضوء لا تعتمد على سرعة حركة المصدر والرائد، أي سرعة الضوء. يظل ثابتًا في أي إطار مرجعي. هذه النتيجة التجريبية لا تتناسب مع إطار الميكانيكا الكلاسيكية.

لقد وجد ألبرت أينشتاين حلاً لهذه المشكلة وغيرها. لكي تتلاقى النظرية مع الممارسة، كان على أينشتاين أن يتخلى عن العديد من الحقائق التي تبدو واضحة في الميكانيكا الكلاسيكية. أي أن نفترض ذلك المسافات والفواصل الزمنية في الأنظمة المرجعية المختلفة ليست ثابتة . فيما يلي المسلمات الرئيسية للنظرية النسبية الخاصة لأينشتاين (STR):

الفرضية الأولى:في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي، تسير جميع الظواهر الفيزيائية بنفس الطريقة. عند الانتقال من نظام إلى آخر، تكون جميع قوانين الطبيعة والظواهر التي تصفها ثابتة، أي أنه لا يمكن لأي تجربة أن تعطي الأفضلية لأحد الأنظمة، لأنها ثابتة.

الافتراض الثاني : مع سرعة الضوء في الفراغ هي نفسها في جميع الاتجاهات ولا تعتمد على المصدر والراصد، أي. لا يتغير عند الانتقال من نظام بالقصور الذاتي إلى آخر.

سرعة الضوء هي السرعة القصوى. لا يمكن لأي إشارة أو إجراء أن ينتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء.

تسمى تحويلات الإحداثيات والوقت أثناء الانتقال من نظام مرجعي ثابت إلى نظام يتحرك بسرعة الضوء بتحويلات لورنتز. على سبيل المثال، دع أحد الأنظمة يكون في حالة سكون، بينما يتحرك النظام الثاني على طول محور الإحداثي السيني.

كما نرى، يتغير الوقت أيضًا مع الإحداثيات، أي أنه يعمل بمثابة إحداثي ربعي. تظهر تحويلات لورنتز أن المكان والزمان في STR لا ينفصلان، على عكس الميكانيكا الكلاسيكية.

هل تتذكرون مفارقة التوأمين، أحدهما كان ينتظر على الأرض، والثاني كان يطير في مركبة فضائية بسرعة عالية جدًا؟ وبعد عودة الأخ رائد الفضاء إلى الأرض، وجد أخاه رجلاً عجوزًا، على الرغم من أنه كان صغيرًا تقريبًا عندما بدأت الرحلة. مثال نموذجي لكيفية تغير الوقت اعتمادًا على النظام المرجعي.

وبسرعات أقل بكثير من سرعة الضوء، تتحول تحويلات لورنتز إلى تحويلات غاليلية. وحتى عند سرعة الطائرات والصواريخ الحديثة، فإن الانحرافات عن قوانين الميكانيكا الكلاسيكية تكون صغيرة جدًا بحيث يكاد يكون من المستحيل قياسها.

تسمى الميكانيكا التي تأخذ في الاعتبار تحويلات لورنتز بالنسبية.

وفي إطار الميكانيكا النسبية تتغير تركيبات بعض الكميات الفيزيائية. على سبيل المثال، يمكن كتابة زخم جسم في الميكانيكا النسبية وفقا لتحويلات لورنتز على النحو التالي:

وبناءً على ذلك، سيكون قانون نيوتن الثاني في الميكانيكا النسبية على الشكل التالي:

والطاقة النسبية الكلية لجسم ما في الميكانيكا النسبية تساوي

فإذا كان الجسم في حالة سكون وكانت السرعة صفراً تحولت هذه الصيغة إلى الصيغة المشهورة

وهذه الصيغة، التي يبدو أن الجميع يعرفها، تبين أن الكتلة هي مقياس لطاقة الجسم الكلية، وتوضح أيضا الإمكانية الأساسية لتحويل طاقة المادة إلى طاقة إشعاعية.

أيها الأصدقاء الأعزاء، بهذه الملاحظة الجليلة سننهي اليوم مراجعتنا للميكانيكا النسبية. لقد نظرنا إلى مبدأ النسبية لجاليليو وأينشتاين، بالإضافة إلى بعض الصيغ الأساسية للميكانيكا النسبية. نذكر المثابرين والذين قرأوا المقال حتى النهاية أنه لا توجد مهام أو مشكلات "غير قابلة للحل" في العالم لا يمكن حلها. لا داعي للذعر والقلق بشأن الدورات الدراسية غير المكتملة. فقط تذكر حجم الكون، وخذ نفسًا عميقًا وأوكل المهمة إلى محترفين حقيقيين -

يوتيوب الموسوعي

• 1 / 5

  في الميكانيكا الكلاسيكية، تكون الإحداثيات المكانية والزمن مستقلين (في حالة عدم وجود اتصالات هولونية تعتمد على الوقت)، والوقت مطلق، أي أنه يتدفق بنفس الطريقة في جميع الأنظمة المرجعية، وتنطبق التحويلات الجليلية. في الميكانيكا النسبية، تحدث الأحداث في الفضاء رباعي الأبعاد، حيث تجمع بين المكان والزمان الفيزيائي ثلاثي الأبعاد (فضاء مينكوفسكي) وتعمل تحويلات لورنتز. وهكذا، على عكس الميكانيكا الكلاسيكية، فإن تزامن الأحداث يعتمد على اختيار الإطار المرجعي.

  القوانين الأساسية للميكانيكا النسبية - التعميم النسبي لقانون نيوتن الثاني والقانون النسبي للحفاظ على زخم الطاقة - هي نتيجة لمثل هذا "الخلط" بين الإحداثيات المكانية والزمانية أثناء تحويلات لورنتز.

  قانون نيوتن الثاني في الميكانيكا النسبية

  يتم تعريف القوة على أنها F → = د p → د t (\displaystyle (\vec (F))=(\frac (d(\vec (p)))(dt)))، التعبير عن الزخم النسبي معروف أيضًا:

  ص → = م v → 1 − v 2 / ج 2 . (\displaystyle (\vec (p))=(\frac (m(\vec (v))))(\sqrt (1-v^(2)/c^(2))))).)

  وبأخذ المشتقة الزمنية للتعبير الأخير لتحديد القوة، نحصل على:

  د p ​​← د t = m γ a → + m γ 3 β → (β → a →) , (\displaystyle (\frac (d(\vec (p)))(dt))=m\gamma (\vec (a ))+m\gamma ^(3)(\vec (\beta )((\vec (\beta ))(\vec (a)))،)

  حيث يتم تقديم الملاحظات: β → ≡ v → c (\displaystyle (\vec (\beta))\equiv (\frac (\vec (v))(c)))و γ ≡ 1 1 − v 2 / c 2 (\displaystyle \gamma \equiv (\frac (1)(\sqrt (1-v^(2)/c^(2))))).

  ونتيجة لذلك، فإن التعبير عن القوة يأخذ الشكل:

  F → = م γ أ → + م γ 3 β → (β → أ →) . (\displaystyle (\vec (F))=m\gamma (\vec (a))+m\gamma ^(3)(\vec (\beta ))((\vec (\beta ))(\vec ( أ))).)

  يوضح هذا أنه في الميكانيكا النسبية، على عكس الحالة غير النسبية، لا يتم توجيه التسارع بالضرورة على طول القوة؛ في الحالة العامة، يحتوي التسارع أيضًا على مكون موجه على طول السرعة؛

  دالة لاغرانج للجسيم الحر في الميكانيكا النسبية

  دعونا نكتب تكامل الإجراء بناءً على مبدأ الإجراء الأقل: S = − ∫ أ ب α د ث (\displaystyle S=-\int \limits _(a)^(b)\alpha ds)، حيث يوجد رقم موجب. كما هو معروف من النظرية النسبية الخاصة (STR) د ث = ج 1 − v 2 / ج 2 د t (\displaystyle ds=c(\sqrt (1-v^(2)/c^(2))))dt)وبالتعويض في تكامل الحركة نجد: S = − ∫ t 1 t 2 α c 1 − v 2 / c 2 d t (\displaystyle S=-\int \limits _(t_(1))^(t_(2))\alpha c(\sqrt (1) -v^(2)/ج^(2))))dt). ولكن، من ناحية أخرى، يمكن التعبير عن تكامل الحركة من خلال وظيفة لاغرانج: S = ∫ t 1 t 2 L d t (\displaystyle S=\int \limits _(t_(1))^(t_(2))(\mathcal (L))dt). بمقارنة التعبيرين الأخيرين، من السهل أن نفهم أن التكاملات يجب أن تكون متساوية، أي:

  L = − α c 1 − v 2 / c 2 (\displaystyle (\mathcal (L))=-\alpha c(\sqrt (1-v^(2)/c^(2)))).

  L ≃ α c + α v 2 2 c (\displaystyle (\mathcal (L))\simeq \alpha c+(\frac (\alpha v^(2))(2c)))فإن الحد الأول من التمدد لا يعتمد على السرعة، وبالتالي لا يُدخل أي تغييرات في معادلات الحركة. ثم المقارنة مع التعبير الكلاسيكي لوظيفة لاغرانج: م v 2 2 (\displaystyle (\frac (mv^(2))(2)))، فمن السهل تحديد الثابت α (\displaystyle \alpha ).

  الفيزياء والاختزال. الفيزياء والرؤية. نظرية النسبية.

  الفيزياء والاختزال

  في هذا الموضوع سنقدم لمحة سريعة عن البنية الحديثة للعالم. سوف يساعدنا أحد أقدم العلوم وأكثرها أهمية - الفيزياء. الفيزياء هي أهم العلوم الطبيعية، حيث أن كلمة "فيزياء" المترجمة حرفياً من اليونانية تعني "الطبيعة". ولذلك فإن الفيزياء هي علم الطبيعة. لطالما اعتبرت الفيزياء معيار المعرفة العلمية. بأى منطق؟ لا يعني ذلك أنها توفر المعرفة الأكثر أهمية وحقيقية، ولكنها تكشف حقائق صالحة للكون بأكمله حول العلاقة بين العديد من المتغيرات الأساسية. إن تعدد استخداماته يتناسب عكسيا مع عدد المتغيرات التي يدخلها في صيغه.

  وكما أن الذرات والكواركات هي "اللبنات الأساسية" للكون، فإن قوانين الفيزياء هي "اللبنات الأساسية" للمعرفة. قوانين الفيزياء هي "اللبنات الأساسية" للمعرفة، ليس فقط لأنها تستخدم بعض المتغيرات والثوابت الأساسية والعالمية التي تعمل في جميع أنحاء الكون، ولكن أيضًا لأن مبدأ الاختزال يعمل في العلم، والذي ينص على أن المزيد والمزيد من القوانين المعقدة للفيزياء إن تطور مستويات الواقع الأكثر تعقيدًا يجب أن يكون قابلاً للاختزال إلى قوانين المستويات الأبسط.

  على سبيل المثال، يتم الكشف عن قوانين تكاثر الحياة في علم الوراثة على المستوى الجزيئي كقوانين التفاعل بين جزيئات DNA وRNA. يتم تنسيق قوانين مختلف مجالات العالم المادي من خلال العلوم الحدودية الخاصة، مثل البيولوجيا الجزيئية، والفيزياء الحيوية، والكيمياء الحيوية، والجيوفيزياء، والكيمياء الجيولوجية، وما إلى ذلك. في كثير من الأحيان، تتشكل العلوم الجديدة على وجه التحديد عند تقاطع التخصصات القديمة.

  هناك مناقشات حادة حول نطاق تطبيق مبدأ الاختزال في منهجية العلم، لكن التفسير نفسه يفترض دائمًا اختزال المفسر إلى مستوى مفاهيمي أدنى. وبهذا المعنى، يؤكد العلم ببساطة عقلانيته.

  
  
  

  يدعي الفيزيائيون أنه لا يمكن لأي جسم في الكون أن يخالف قانون الجاذبية الشاملة، وإذا كان سلوكه يتعارض مع هذا القانون، فإن القوانين الأخرى تتدخل. الطائرة لا تسقط على الأرض بفضل تصميمها ومحركها. تتغلب سفينة الفضاء على الجاذبية بفضل وقود الطائرات وما إلى ذلك. ولا تنكر الطائرة ولا سفينة الفضاء قانون الجاذبية، ولكنها تستخدم عوامل تحييد تأثيره.

  يمكنك إنكار قوانين الفلسفة والدين والمعجزات الباطنية وهذا يعتبر طبيعيا. لكنهم ينظرون بعين الشك إلى الشخص الذي ينكر قوانين العلم، على سبيل المثال، قانون الجاذبية العالمية. وبهذا المعنى يمكننا القول أن قوانين الفيزياء تكمن في أساس الفهم العلمي للواقع.

  الفيزياء والتصور

  هناك حالتان تجعلان من الصعب فهم الفيزياء الحديثة. أولا، استخدام جهاز رياضي معقد، والذي يجب دراسته أولا. قام أ. أينشتاين بمحاولة ناجحة للتغلب على هذه الصعوبة من خلال تأليف كتاب مدرسي لا توجد فيه صيغة واحدة. ولكن هناك ظرف آخر يتبين أنه غير قابل للتغلب عليه - استحالة إنشاء نموذج مرئي للمفاهيم الفيزيائية الحديثة: الفضاء المنحني؛ جسيم يمثل أيضًا موجة، وما إلى ذلك. إن الخروج من الموقف بسيط - ليست هناك حاجة حتى لمحاولة القيام بذلك.

  يرتبط تقدم الفيزياء (والعلم بشكل عام) بالتخلي التدريجي عن الرؤية المباشرة. وكأن مثل هذا الاستنتاج يجب أن يتناقض مع حقيقة أن العلم الحديث والفيزياء يعتمدان في المقام الأول على التجربة، أي الخبرة التجريبية التي تحدث في ظل ظروف يتحكم فيها الإنسان ويمكن إعادة إنتاجها في أي وقت ولأي عدد من المرات. لكن بيت القصيد هو أن بعض جوانب الواقع غير مرئية للمراقبة السطحية، وأن الوضوح يمكن أن يكون مضللاً. كانت ميكانيكا أرسطو مبنية على مبدأ: "يتوقف الجسم المتحرك إذا توقفت القوة التي تدفعه عن العمل". وتبين أنها تتوافق مع الواقع ببساطة لأنه لم يلاحظ أن سبب توقف الجسم هو الاحتكاك. ومن أجل التوصل إلى النتيجة الصحيحة، كان لا بد من إجراء تجربة، وهي ليست تجربة حقيقية، وهي مستحيلة في هذه الحالة، ولكنها تجربة مثالية.

  وقد قام بهذه التجربة العالم الإيطالي الكبير جاليليو جاليلي، مؤلف كتاب "الحوار حول النظامين الرئيسيين في العالم، البطلمي والكوبرنيقي" (1632). لكي تصبح هذه التجربة الفكرية ممكنة، كان من الضروري تخيل جسم أملس بشكل مثالي وسطح أملس مثالي يزيل الاحتكاك. أصبحت تجربة جاليليو، التي أدت إلى استنتاج مفاده أنه إذا لم يكن هناك شيء يؤثر على حركة الجسم، فيمكن أن تستمر إلى أجل غير مسمى، أصبحت أساس الميكانيكا الكلاسيكية لنيوتن (تذكر قوانين الحركة الثلاثة من مناهج الفيزياء المدرسية). في عام 1686، قدم إسحاق نيوتن كتابه "المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية" إلى الجمعية الملكية في لندن، والذي صاغ فيه القوانين الأساسية للحركة، وقانون الجاذبية العالمية، ومفاهيم الكتلة، والقصور الذاتي، والتسارع. وهكذا، وبفضل التجارب الفكرية، أصبحت الصورة الآلية الجديدة للعالم ممكنة.

  ربما كانت تجارب جاليليو الفكرية الشهيرة مستوحاة من إنشاء نظام مركزية الشمس للعالم على يد العالم البولندي البارز نيكولاس كوبرنيكوس (1473-1543)، والذي أصبح مثالاً آخر على رفض الرؤية المباشرة. عمل كوبرنيكوس الرئيسي، حول تحول العوالم السماوية، لخص ملاحظاته وتأملاته حول هذه القضايا لأكثر من 30 عامًا. وقد طرح الفلكي الدنماركي تايكو براهي (1546-1601)، وللتوضيح، فرضية عام 1588 مفادها أن جميع الكواكب تدور حول الشمس باستثناء الأرض، الأخيرة ساكنة والشمس مع الكواكب. والقمر يدور حوله. وفقط يوهانس كيبلر (1571-1630)، بعد أن وضع ثلاثة قوانين لحركات الكواكب تحمل اسمه (الأولان في عام 1609، والثالث في عام 1618)، أكد أخيرًا صحة تعاليم كوبرنيكوس.

  لذا، فإن تقدم العلم الحديث تم تحديده من خلال أفكار مثالية انفصلت عن الواقع المباشر. ومع ذلك، فإن فيزياء القرن العشرين تجبرنا على التخلي ليس فقط عن الرؤية المباشرة، ولكن أيضًا عن الرؤية على هذا النحو. وهذا يمنع تمثيل الواقع المادي، ولكنه يسمح لنا بفهم أفضل لحقيقة كلمات أينشتاين بأن “المفاهيم المادية هي إبداعات حرة للعقل البشري ولا يتحددها العالم الخارجي بشكل فريد” (Einstein A., Infeld L. Evolution of الفيزياء - ص30). "في سعينا لفهم الواقع، نحن نشبه جزئيًا الشخص الذي يريد أن يفهم آلية الساعة المغلقة. يرى القرص والعقارب المتحركة، ويسمع حتى دقات الساعة، لكن ليس لديه وسيلة لفتح علبتها. إذا كان ذكيًا، فيمكنه أن يرسم لنفسه صورة معينة للآلية التي تتوافق مع كل ما يلاحظه، لكنه لا يستطيع أبدًا أن يكون متأكدًا تمامًا من أن صورته هي الوحيدة التي يمكنها تفسير ملاحظاته الثلاثين.

  إن رفض وضوح الأفكار العلمية هو ثمن لا مفر منه للانتقال إلى دراسة مستويات أعمق من الواقع لا تتوافق مع الآليات التطورية للإدراك البشري.

  نظرية النسبية

  حتى في الميكانيكا الكلاسيكية، كان مبدأ النسبية لجاليليو معروفًا: "إذا كانت قوانين الميكانيكا صالحة في نظام إحداثي واحد، فهي صالحة في أي نظام آخر يتحرك بشكل مستقيم وموحد بالنسبة إلى الأول" (Einstein A., Infeld L. تطور الفيزياء - ص 130). وتسمى هذه الأنظمة بالقصور الذاتي، لأن الحركة فيها تخضع لقانون القصور الذاتي الذي ينص على: "يحافظ كل جسم على حالة من السكون أو الحركة المستقيمة المنتظمة، ما لم يضطر إلى تغييرها تحت تأثير القوى الدافعة" ( المرجع نفسه - ص 126).

  في بداية القرن العشرين، أصبح من الواضح أن مبدأ النسبية صالح أيضًا في البصريات والديناميكا الكهربائية، أي في فروع الفيزياء الأخرى. لقد وسع مبدأ النسبية معناه وأصبح الآن على هذا النحو: أي عملية تتم بالتساوي في نظام مادي معزول وفي نفس النظام في حالة حركة مستقيمة موحدة. أو: قوانين الفيزياء لها نفس الشكل في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي.

  وبعد أن تخلى الفيزيائيون عن فكرة وجود الأثير كوسيط عالمي، انهارت أيضًا فكرة الإطار المرجعي. تم الاعتراف بجميع الأنظمة المرجعية على أنها متكافئة، وأصبح مبدأ النسبية عالميًا. النسبية في النظرية النسبية تعني أن جميع الأنظمة المرجعية متشابهة ولا يوجد أحد يتمتع بمزايا على الآخرين (بالنسبة إلى أن الأثير سيكون بلا حراك).

  تم الانتقال من نظام قصوري إلى آخر وفقًا لتحويلات لورنتز. ومع ذلك، أدت البيانات التجريبية حول ثبات سرعة الضوء إلى مفارقة، يتطلب حلها إدخال مفاهيم جديدة بشكل أساسي.

  المثال التالي سوف يساعد في تفسير ذلك. لنفترض أننا نبحر على متن سفينة تتحرك بشكل مستقيم وموحد بالنسبة إلى الشاطئ. تظل جميع قوانين الحركة كما هي هنا كما هي على الشاطئ. سيتم تحديد السرعة الإجمالية للحركة من خلال مجموع الحركة على السفينة وحركة السفينة نفسها. أما عند السرعات البعيدة عن سرعة الضوء فإن ذلك لا يؤدي إلى انحراف عن قوانين الميكانيكا الكلاسيكية. لكن إذا وصلت سفينتنا إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء، فإن مجموع سرعة حركة السفينة وعلى متن السفينة قد يتجاوز سرعة الضوء، وهو ما لا يمكن أن يكون في الواقع، لأنه وفقًا لتجربة ميكلسون-مورلي ، "إن سرعة الضوء هي نفسها دائمًا في جميع إحداثيات الأنظمة، بغض النظر عما إذا كان المصدر المنبعث يتحرك أم لا، وبغض النظر عن كيفية تحركه" (Einstein A., Infeld L. Cited. - P. 140).

  وفي محاولة للتغلب على الصعوبات التي نشأت، اقترح لورنز في عام 1904 اعتبار أن الأجسام المتحركة تنكمش في اتجاه حركتها (ويعتمد معامل الانكماش على سرعة الجسم) وأن الفترات الزمنية الظاهرة تقاس في أنظمة مرجعية مختلفة . لكن في العام التالي، فسر آينشتاين الزمن الظاهري في تحويلات لورنتز على أنه صحيح.

  مثل جاليليو، استخدم أينشتاين تجربة فكرية تسمى قطار أينشتاين. "دعونا نتخيل مراقبًا يركب قطارًا ويقيس سرعة الضوء المنبعث من أضواء الشوارع على جانب الطريق، أي أنه يتحرك بسرعة C في إطار مرجعي بالنسبة إلى القطار الذي يتحرك بسرعة V. وفقًا للنظرية الكلاسيكية لجمع السرعات، يجب على المراقب الذي يسافر على متن قطار أن يعزو السرعة C - V إلى الضوء المنتشر في اتجاه حركة القطار. (Prigozhy I.، Stengers I. النظام من الفوضى. - ص 87). ومع ذلك، فإن سرعة الضوء تعمل كثابت عالمي في الطبيعة.

  وبالنظر إلى هذا التناقض، اقترح أينشتاين التخلي عن فكرة مطلقية وثبات خصائص المكان والزمان. وهذا الاستنتاج يخالف الفطرة السليمة وما أسماه كانط شروط الحدس، إذ لا يمكننا أن نتصور أي مكان غير ثلاثي الأبعاد، ولا زمان غير أحادي البعد. لكن ليس من الضروري أن يتبع العلم الفطرة السليمة والأشكال غير المتغيرة من الحساسية. المعيار الرئيسي لذلك هو المراسلات بين النظرية والتجربة. لقد استوفت نظرية أينشتاين هذا المعيار وتم قبولها. في وقت ما، بدت فكرة أن الأرض مستديرة وتتحرك حول الشمس مخالفة للحس السليم والملاحظة، لكن تبين أنها صحيحة.

  يُنظر إلى المكان والزمان تقليديًا في الفلسفة والعلوم على أنهما الشكلان الرئيسيان لوجود المادة، وهما المسؤولان عن موقع العناصر الفردية للمادة بالنسبة لبعضها البعض وعن التنسيق الطبيعي للظواهر المتعاقبة. تم أخذ خصائص الفضاء بعين الاعتبار التوحيد- خصائص متطابقة في جميع الاتجاهات، و النظائر- استقلالية العقارات عن الاتجاه. واعتبر الوقت أيضًا متجانسًا، أي أن أي عملية تكون من حيث المبدأ قابلة للتكرار بعد فترة زمنية معينة. ويرتبط بهذه الخصائص تماثل العالم، وهو أمر ذو أهمية كبيرة لمعرفته. كان يُنظر إلى الفضاء على أنه ثلاثي الأبعاد، والزمن على أنه أحادي البعد ويتحرك في اتجاه واحد - من الماضي إلى المستقبل. الزمن لا رجعة فيه، ولكن في جميع القوانين الفيزيائية لا شيء يتغير من تغيير علامة الزمن إلى علامة معاكسة، وبالتالي لا يمكن تمييز المستقبل فيزيائيا عن الماضي.

  في تاريخ العلم، يُعرف مفهومان للفضاء: الفضاء غير المتغير كحاوية للمادة (وجهة نظر نيوتن)، والفضاء الذي ترتبط خصائصه بخصائص الأجسام الموجودة فيه (وجهة نظر لايبنتز). وفقا للنظرية النسبية، فإن أي جسم يحدد هندسة الفضاء.

  ويترتب على النظرية النسبية الخاصة أن طول الجسم (بشكل عام، المسافة بين نقطتين ماديتين) ومدة (وكذلك إيقاع) العمليات التي تحدث فيه ليست مطلقة، بل هي كميات نسبية. عند الاقتراب من سرعة الضوء، تتباطأ جميع العمليات في النظام، وتقل الأبعاد الطولية (على طول الحركة) للجسم، وتتحول الأحداث المتزامنة بالنسبة لمراقب إلى مختلفة في الوقت المناسب بالنسبة إلى مراقب آخر، وتتحرك بالنسبة إلى له. "سوف ينكمش القضيب إلى الصفر إذا وصلت سرعته إلى سرعة الضوء... وستتوقف الساعة تمامًا إذا تمكنت من التحرك بسرعة الضوء" (Einstein A., Infeld L. Cited. - P. 158).

  لقد تم التأكيد تجريبيًا على أن الجسيم (على سبيل المثال، النيوكليون) يمكن أن يظهر نفسه فيما يتعلق بجسيم يتحرك ببطء بالنسبة إليه كجسيم كروي، وفيما يتعلق بجسيم يقع عليه بسرعة عالية جدًا - كجسيم. القرص مفلطح في اتجاه الحركة. وفقًا لذلك، فإن عمر بي ميسون مشحون يتحرك ببطء يبلغ حوالي 10 إلى 8 ثوانٍ، وعمر بي ميسون سريع الحركة (عند سرعة قريبة من الضوء) أطول بعدة مرات. لذا، فإن المكان والزمان هما أشكال عامة لتنسيق الظواهر المادية، وليسا موجودين بشكل مستقل عن مسألة بداية الوجود.

  إن الجمع بين مبدأ النسبية لجاليليو ونسبية التزامن، الذي اكتشفه أينشتاين، كان يسمى مبدأ النسبية لأينشتاين. أصبح مفهوم النسبية أحد المفاهيم الرئيسية في العلوم الطبيعية الحديثة.

  في النظرية النسبية الخاصة، يتم أخذ خصائص المكان والزمان بعين الاعتبار دون الأخذ في الاعتبار مجالات الجاذبية، التي ليست بالقصور الذاتي. النسبية العامة توسع قوانين الطبيعة لتشمل كل شيء، بما في ذلك الأنظمة غير بالقصور الذاتي. ربطت النظرية النسبية العامة الجاذبية بالكهرومغناطيسية والميكانيكا. لقد استبدلت قانون نيوتن الميكانيكي للجذب العام بقانون الجاذبية الميداني. "من الناحية التخطيطية، يمكننا القول: إن الانتقال من قانون نيوتن للجاذبية في النسبية العامة يشبه إلى حد ما الانتقال من نظرية الموائع الكهربائية وقانون كولوم إلى نظرية ماكسويل" (Einstein A., Infeld L. Cited. - P 196). وهنا انتقلت الفيزياء من نظرية المادة إلى نظرية المجال.

  لمدة ثلاثة قرون، كانت الفيزياء ميكانيكية وتتعامل مع المادة فقط. لكن "معادلات ماكسويل تصف بنية المجال الكهرومغناطيسي. وحلبة هذه القوانين هي الفضاء كله، وليس فقط النقاط التي تقع فيها المادة أو الشحنات، كما هو الحال في القوانين الميكانيكية” (المرجع نفسه، ص 120). مفهوم آلية المهزومة الميدانية.

  معادلات ماكسويل «لا تربط، كما تفعل قوانين نيوتن، بين حدثين منفصلين على نطاق واسع؛ فهي لا تربط الأحداث هنا بظروف هناك. "الحقل هنا والآن يعتمد على الحقل الموجود في الجوار المباشر في اللحظة التي مرت للتو" (المرجع نفسه، ص 120). هذه لحظة جديدة بشكل ملحوظ في الصورة الميدانية للعالم. تنتقل الموجات الكهرومغناطيسية بسرعة الضوء في الفضاء ويعمل مجال الجاذبية بطريقة مماثلة.

  الكتل التي تخلق مجال الجاذبية، وفقًا للنظرية النسبية العامة، تحني الفضاء وتغير تدفق الزمن. كلما كان الحقل أقوى، كان تدفق الوقت أبطأ مقارنة بمرور الوقت خارج الحقل. لا تعتمد الجاذبية على توزيع الكتل في الفضاء فحسب، بل تعتمد أيضًا على حركتها، وعلى الضغط والتوتر الموجودين في الأجسام، وعلى المجالات الكهرومغناطيسية وجميع المجالات الفيزيائية الأخرى. تتوزع التغيرات في مجال الجاذبية في الفراغ بسرعة الضوء. في نظرية أينشتاين، تؤثر المادة على خصائص المكان والزمان.

  عند الانتقال إلى المقاييس الكونية، تتوقف هندسة الفضاء عن كونها إقليدية وتتغير من منطقة إلى أخرى حسب كثافة الكتل في هذه المناطق وحركتها. على مقياس المجرة العملاقة، تتغير هندسة الفضاء بمرور الوقت بسبب توسع المجرة العملاقة. عند السرعات التي تقترب من سرعة الضوء، مع وجود مجال قوي، يصل الفضاء إلى حالة مفردة، أي أنه ينضغط إلى نقطة. من خلال هذا الضغط، يتفاعل العالم الكبير مع العالم الصغير ويتبين أنه مشابه له في كثير من النواحي. تظل الميكانيكا الكلاسيكية صالحة كحالة محددة عند السرعات الأقل بكثير من سرعة الضوء والكتل الأقل بكثير من الكتل الموجودة في العالم الكبير.

  أظهرت النظرية النسبية وحدة المكان والزمان، والتي يتم التعبير عنها في التغيير المشترك في خصائصهما اعتمادًا على تركيز الكتل وحركتها. لم يعد يتم اعتبار الزمان والمكان مستقلين عن بعضهما البعض، وظهرت فكرة التواصل الزمكاني رباعي الأبعاد.

  كما ربطت النظرية النسبية بين الكتلة والطاقة بالعلاقة E=MC2، حيث C هي سرعة الضوء. في النظرية النسبية "فقد قانونان - قانون حفظ الكتلة وحفظ الطاقة - صلاحيتهما المستقلة ووجدا نفسيهما متحدين في قانون واحد، وهو ما يمكن أن يسمى قانون حفظ الطاقة أو الكتلة" (هايزنبرج الخامس) الفيزياء والفلسفة الجزء والكل.- م.، 1989.- ص69). إن ظاهرة الإبادة، حيث يقوم الجسيم والجسيم المضاد بتدمير بعضهما البعض بشكل متبادل، وغيرها من ظواهر فيزياء العالم الصغير تؤكد هذا الاستنتاج.

  لذا فإن النظرية النسبية تقوم على مسلمات ثبات سرعة الضوء ونفس قوانين الطبيعة في جميع الأنظمة الفيزيائية، وأهم النتائج التي توصلت إليها هي كما يلي: النسبية لخصائص الفضاء- وقت؛ النسبية للكتلة والطاقة. تكافؤ الكتل الثقيلة والخاملة (نتيجة لما لاحظه جاليليو من أن جميع الأجسام، بغض النظر عن تركيبها وكتلتها، تقع في مجال الجاذبية بنفس التسارع).

  حتى القرن العشرين، تم اكتشاف قوانين عمل المادة (نيوتن) والحقول (ماكسويل). في القرن العشرين، جرت محاولات متكررة لإنشاء نظرية المجال الموحد التي تجمع بين المفاهيم المادية والمجالية، ولكن تبين أنها غير ناجحة.

  في عام 1967، تم طرح فرضية حول وجود التاكيونات، وهي جسيمات تتحرك بسرعات أكبر من سرعة الضوء. إذا تم تأكيد هذه الفرضية، فمن الممكن أنه من عالم النسبية، وهو أمر غير مريح للغاية بالنسبة لشخص عادي، حيث تكون سرعة الضوء فقط ثابتة، سنعود مرة أخرى إلى عالم أكثر دراية، حيث تكون سرعة الضوء المطلقة ثابتة. المساحة تشبه منزلًا موثوقًا به جدران وسقف. لكن في الوقت الحالي، هذه مجرد أحلام، ربما لا يمكن مناقشة جدواها الحقيقية إلا في الألفية الثالثة.

  في ختام هذا القسم، سنقتبس كلمات من كتاب هايزنبرج “الجزء والكل” حول معنى الفهم على هذا النحو. يبدو أن "الفهم" يعني إتقان الأفكار والمفاهيم التي يمكننا من خلالها النظر في مجموعة كبيرة ومتنوعة من الظواهر المختلفة في ارتباطها الشامل، وبعبارة أخرى، "احتضانها". تهدأ أفكارنا عندما نتعلم أن أي موقف محدد يبدو مربكًا هو مجرد نتيجة معينة لشيء أكثر عمومية، وبالتالي قابل لصياغة أبسط. إن اختزال التنوع المتنوع للظواهر إلى مبدأ أول عام وبسيط، أو كما يقول اليونانيون، "كثير" إلى "واحد"، هو على وجه التحديد ما نسميه "الفهم". غالبًا ما تكون القدرة على التنبؤ بحدث ما رقميًا نتيجة للفهم وامتلاك المفاهيم الصحيحة، ولكنها ليست متطابقة بشكل مباشر مع الفهم" (Heisenberg V. Physics and Philosophy. الجزء والكل. - م.، 1989. - ص. 165).

  
  
  

يعود