التعويل على التجربة في فيزياء آينشتاين…بقلم د زهير الخويلدي

استهلال:

“لسوء الحظ أصبح من الواضح اليوم أن التكنولوجيا لدينا تجاوزت إنسانيتنا.”

ألبرت أينشتاين ولد في 14 مارس 1879 في أولم ، فورتمبرغ (الإمبراطورية الألمانية) ، وتوفي في 18 أبريل 1955 في برينستون ، نيو جيرسي (الولايات المتحدة) ، وهو فيزيائي نظري. نشر نظريته عن النسبية الخاصة في عام 1905 ونظريته عن الجاذبية المعروفة باسم النسبية العامة في عام 1915. ساهم بشكل كبير في تطوير ميكانيكا الكم وعلم الكونيات ، وحصل على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1921 عن تفسيره لل التأثير الكهروضوئي N 2. عمله معروف بشكل خاص لعامة الناس بالمعادلة E = mc2 ، التي تحدد التكافؤ بين كتلة وطاقة النظام. يعتبر اليوم أحد أعظم العلماء في التاريخ ، وتتجاوز شهرته المجتمع العلمي. إنه شخصية القرن العشرين حسب التايمز الأسبوعي. في الثقافة الشعبية ، يرتبط اسمه وشخصه ارتباطًا مباشرًا بمفاهيم الذكاء والمعرفة والعبقرية. كما يعتبر ألبرت أينشتاين أحد أعظم العلماء في القرن العشرين ، غير العلم إلى الأبد بفضل مفاهيمه الثورية التي غيرت نظرتنا للعالم. إذا كان الفيزيائي الأمريكي من أصل ألماني معروفًا بشكل رئيسي بصيغته الشهيرة E = mc² ، فإن أحد أعظم إنجازات أينشتاين هو القدرة على تصور الأفكار العلمية المعقدة من خلال تصور سيناريوهات في الحياة الواقعية. هذه السيناريوهات ، المسماة “تجارب الفكر”، تستند إلى أحلام أينشتاين ، الذي طور في سن السادسة عشرة نظرية بعد أن تخيل نفسه يلاحق شعاع من الضوء. لعبت هذه التجربة الفكرية دورًا رئيسيًا في تطوير مفهوم النسبية. على عكس ما يسمى بالفيزيائيين التجريبيين الذين يراقبون ثم يحاولون الفهم ، كان أينشتاين مهتمًا أولاً بالنظرية والحساب ، من أجل تطوير الأفكار التي تم التحقق منها بعد ذلك بالملاحظة. هكذا ولدت تجارب فكره الشهيرة. “هو المصطلح الشهير الذي حدد فيه ألبرت أينشتاين المحاكاة العقلية التي قادته إلى أعظم اختراقاته العلمية. خلال أحلام اليقظة للمراهقين ، تصور الفيزيائي السرعة المحدودة للضوء من خلال تخيل نفسه أشعة الضوء المتداخلة. بعد ذلك افترض أن هذه السرعة متطابقة لجميع المراقبين ، وهي فكرة مركزية لنظرية النسبية الخاصة. للبدء في بناء النسبية العامة ، نظريته عن الجاذبية ، مثل نفسه في الفكر في مصعد متحرك. في كلتا الحالتين ، صاغ نظريات جديدة باستخدام مهاراته في التمثيل العقلي لتجاوز حدود التجارب المعملية. لم يكن آينشتاين أولًا ولا آخرًا يفعل ذلك ، لكن نجاحاته كانت حاسمة في تأسيس تجارب الفكر كحجر الزاوية للفيزياء النظرية الحديثة. اليوم ، يستخدمه الباحثون بانتظام لصياغة نظريات جديدة أو لتعقب التناقضات أو عواقب النظريات الموجودة. ومع ذلك ، فإن استخدام هذه التجارب الفكرية يثير أسئلة مقلقة. في البحث عن نظرية التوحيد الكبير التي من شأنها التوفيق بين الوصف الكمي للعالم المجهري والنسبية العامة لأينشتاين ، التي تنطبق على المقاييس الكبيرة ، فإن الأفكار الأكثر شيوعًا اليوم لا تدعمها أي ملاحظة. هل يعتقد وحده وحده لدعمهم؟ ما مدى موثوقية الخصومات المنطقية؟ أين الخط الفاصل بين الحدس العلمي والفكرة الخيالية؟

تجربة شعاع الضوء:

“النظرية هي عندما تعرف كل شيء ولا شيء يعمل. الممارسة هي عندما يعمل كل شيء ولا أحد يعرف لماذا. لقد جمعنا هنا النظرية والتطبيق: لا شيء يعمل … ولا أحد يعرف لماذا! ”

بدأت تأملات أينشتاين في الضوء في سن 16. سأل نفسه السؤال التالي: ماذا سيحدث إذا طاردت شعاعًا من الضوء يتحرك عبر الفضاء؟ وفقا له ، إذا نجحت في التقاط الضوء ، فستتمكن من مراقبة الضوء المتجمد في الفضاء. ولكن بحكم التعريف لا يمكن تجميد الضوء. أدرك أينشتاين أخيرًا أنه لا يمكن إبطاء الضوء ، وسوف يكون دائمًا في حالة حركة ، يتحرك بالسرعة الخاصة به. لذا فهذه معلمة أخرى يجب تغييرها ، وهذه المعلمة هي الوقت. أدت هذه التجربة إلى تطوير نظرية النسبية.

مفارقة القطار:

“الخيال أكثر أهمية من المعرفة. المعرفة محدودة لأن الخيال يشمل العالم كله ، ويحفز التقدم ، ويجلب التطور. ”

حتى عام 1905 ، العام الذي شهد ظهور نظرية النسبية الخاصة ، اعتبر العلماء أن الزمان كوني. مفارقة قطار آينشتاين تدحض صحة هذه النظرية وتبين أن الوقت يعتمد على الإطار المرجعي الذي يتم قياسه فيه. وبالتالي يعتمد الزمان بين حدثين على النظام المرجعي المستخدم. تخيل أنك تقف في القطار ، بينما يقف صديقك على المنصة ، يراقبك تمر. إذا أصاب ضوء طرفي القطار ، فقد يرى صديقك أشعة الضوء في نفس الوقت. ولكن عندما تكون داخل القطار ، فأنت أقرب إلى شعاع الضوء الذي يتجه إليه القطار ، لذلك سترى هذا الشعاع أولاً لأن الضوء على مسافة أقصر. أظهرت هذه التجربة الفكرية أن الزمان يأخذ بعدًا مختلفًا لما يتحرك وما يقف. تظهر نظرية أينشتاين أن الزمان والمكان نسبيان ، وأن التزامن غير موجود.

التوائم ومركبة الفضاء:

“إن أجمل وأعمق تجربة يمكن أن يتمتع بها الإنسان هي الغموض.”

تجربة الفكر هذه هي اختلاف لتجربة مماثلة من قبل آينشتاين ، المهتم بتدفق الوقت. تخيل أن لديك توأم ، ولدت في نفس الوقت الذي أنت فيه بالضبط. ولكن لحظة ولادة توأمك ، يتم وضعه على الفور على مكوك فضائي ويتم إطلاقه إلى الفضاء للسفر عبر الكون ، كل ذلك بسرعة الضوء. إذا كنت تعتقد أن نظرية النسبية لأينشتاين ، فسوف تتقدم أنت وتوأمك بشكل مختلف. يمر الوقت ببطء أكثر عندما تقترب من سرعة الضوء ، وبالتالي فإن عمر توأمك أبطأ منك. عندما يعود إلى الأرض ، ستتقاعد ، في حين أن توأمك بالكاد خرج من سن البلوغ.

تجربة الصندوق:

“ضع يدك على موقد لمدة دقيقة ويبدو أنها تستمر لمدة ساعة. اجلس مع فتاة جميلة لمدة ساعة ويبدو أنك تستمر لمدة دقيقة. هذه هي النسبية. ”

تخيل أنك تطفو داخل صندوق ، غير قادر على رؤية ما يجري في الخارج. فجأة تصطدم بالأرض. ماذا حدث؟ هل تم سحب الصندوق لأسفل بسبب الجاذبية؟ أو ربما تم سحب الصندوق بحبل؟ في الواقع ، سيؤدي هذان الإجراءان إلى نفس التأثير ، مما أدى بأينشتاين إلى استنتاج أنه لا يوجد فرق بين الجاذبية والتسارع ، وهما نفس الظاهرة بالضبط ، وبالتالي يمكن أن تؤثر الجاذبية الزمان والمكان. تكتسب هذه التجربة أهمية كبيرة في نظرية النسبية العامة لآينشتاين.

تجربة قطعة النقود:

“مفاهيم العلم هي “إبداعات حرة للعقل البشري ولا تفرضها علينا التجربة”

من المسلم به أن آينشتاين لم يكن أبدًا متخصصًا كبيرًا في نظرية الكم ، وحاول حتى إثبات عدم دقته من خلال نظريات فكره. ولكن بدلاً من تثبيط الفيزيائيين عن نظرية الكم ، سمحت لهم هذه المواجهات بإتقان أعمالهم. كانت إحدى نظريات فكر آينشتاين مرتبطة بالتشابك الكمي ، الذي سماه “العمل الغريب عن بعد”. تخيل أنك تمتلك جزءًا يمكن تقسيمه بين وجهيه. رمي الأغنيتين وبدون النظر ، أعطي أغنية واحدة لصديقك ، بينما تحتفظ بالأخرى لنفسك. ثم يغادر صديقك على مكوك فضائي ويسافر إلى الكون. تنظر إلى نصف العملة الخاصة بك ، لتجد فقط أن لديك جانب “الوجه” ، وبالتالي تفهم على الفور أن صديقك ، الذي يقع على بعد ملايين الأميال ، لديه جانب “الوجه”. ولكن إذا اعتبرت أن جوانب هذه العملة غير محددة ، بالتناوب بين “كومة” و “وجه” حتى تنظر إلى أحدهما ، فيمكن للعملة أن تحول سرعة الضوء ، مما يؤثر على كل جانب بغض النظر عن العدد سنوات ضوئية تفصل بينهما. لكن كيف استفاد مكتشف النسبية من التجارب العلمية التي أجرها العلماء الاخرين في ميادينه المختلفة ومخبارهم الخاصة بهم؟

التجربة الحاسمة لميشيلسون ومورلي:

“إن الشخص الذي لم يرتكب أخطاءً أبدًا لم يحاول أبدًا الابتكار”

في مقال نشر عام 1905 ، “عن الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة” ، إحدى المقالات الخمسة التي كتبها في ذلك العام (بما في ذلك جون ستاتشل الذي أعاد نشرها في مجلد ، تقول بحق أن “غيّروا وجه الفيزياء” -) ، يستحضر آينشتاين ، لاستخدام كلماته الخاصة: “التخمين الذي سيطلق على محتواه لاحقًا ،” مبدأ النسبية “. في عام 1969 ، اكتشف مؤرخ العلوم جيرالد هولتون مفارقة واضحة حول هذا المقال من قبل آينشتاين. كيف يكون ذلك ممكنًا ، عندما تعتبر التفسيرات المعتادة لأصل ما نسميه اليوم “نظرية النسبية” أن مبررها التجريبي هو “التجربة الحاسمة لميشيلسون ومورلي” ، لم يتجاهل آينشتاين هذه التجربة في مقاله فحسب ، بل أيضًا لم ينشئ على مضض رابطًا بين نظريته ، لأنه صاغها لأول مرة في مقال 1905  ، ولقد جرت التجربة قبل ثمانية عشر عامًا في كليفلاند بولاية أوهايو. أو ، من خلال عكس المنظور ، لماذا تحاول معظم المحاضرات المتعلقة بفيزياء القرن العشرين إقامة علاقة بين هذه التجربة ونظرية النسبية ، عندما ينكر آينشتاين ضمنيًا أن هناك بين الاثنان علاقة حاسمة ؟

إن الإجابة على هذه الأسئلة ليست غير مبالية لأنها تمس جوهر المنهج العلمي وتكشف عن الفجوة المقلقة بين صورة الشخص العادي عن عمل العالم وواقعه العميق. في عام 1887 ، باستخدام جهاز اخترعه ، يسمى منذ ذلك الحين مقياس تداخل ميشيلسون ، ساعد ميكلسون بمساعدة مورلي أن مبدءا مألوفًا للفيزيائيين ، أنشأه نيوتن ، هو مبدأ إضافة السرعات ، لا تنطبق على الضوء. يسهل فهم مبدأ نيوتن بسهولة. لنفترض أنه عندما تضرب كرة جولف ، فإنها تسير بسرعة 100 كم في الساعة. تخيل الآن أنك على سطح قطار يسافر أيضًا لمسافة 100 كم في الساعة ويضرب الجزء الأمامي من القطار كرة الغولف. هل حقيقة أن القطار يتحرك بالفعل بسرعة 100 في الساعة ، وأن الدافع بأنك قادر على إعطاء كرة جولف هو أيضًا 100 كيلومتر في الساعة ، فهل هذا يعني أن لن تتمكن من تحريك الكرة عندما تضربها؟ الجواب بالطبع لا: إذا ضربت الكرة في اتجاه سفر القطار ، فإن 100 كيلومتر في الساعة الناتجة عن الدافع الذي تعطيه للكرة سيضيف إلى سرعة القطار: السرعات من الكرة والقطار سيضيف وستطير الكرة بسرعة 200 كيلومتر في الساعة. هذه الإضافة هي بالضبط المبدأ الذي شيده نيوتن في وقته. (ماذا يحدث إذا ضربت الكرة باتجاه الجزء الخلفي من القطار؟ نعم بالطبع: السرعتان ، سرعة الكرة وسرعة القطار ستلغي بعضهما البعض مقارنة بالعالم خارج القطار وستتجه الكرة عموديًا نحو الأرض).

 

ما نجح ميشيلسون ومورلي في تأسيسه بفضل التجربة التي أجراها في عام 1887 (كان ميشيلسون يكررها في عام 1897 في جامعة شيكاغو حيث يدرس الآن) ، هو أن مبدأ نيوتن لا ينطبق على الضوء. تخيل هذه المرة أنك على سطح مركبة فضائية بين المجرات تتحرك في الفضاء بنصف سرعة الضوء وأنك توجه شعاع الضوء المنبعث من شعلة نموذج حالي في الاتجاه الذي تتقدم فيه السفينة النجمية. إذا تم تطبيق مبدأ نيوتن لإضافة السرعة على الضوء المنبعث من شعلتك ، فسوف ينتقل الآن بسرعة تساوي مرة ونصف سرعة الضوء. ومع ذلك ، فإن ما كشفته “التجربة الحاسمة” لميشيلسون ومورلي هو أن الأمر ليس كذلك: مبدأ إضافة السرعة لا ينطبق: مهما كانت السرعة التي تتحرك بها باعث الضوء ، سرعة الضوء في الشعاع المنبعث c: 300000 كيلومتر في الثانية ، لا أكثر ولا أقل. وبعبارة أخرى ، سرعة الضوء ثابتة (ج تمثل في الواقع سرعة الضوء في الفراغ). كيف شرع ميشيلسون ومورلي في تجربتهما؟ ما يتوافق مع القطار بين المجرات أو المركبة الفضائية في الرسوم التوضيحية الخاصة بي ، في هذه الحالة ، كوكب الأرض. قاموا بتوجيه شعاع من الضوء في اتجاه الحركة العامة للأرض (مزيج من دورانها على محورها ودورتها حول الشمس) وحزمة أخرى متعامدة مع الأولى ، على سبيل المثال في اتجاه السماء فوق القطب الشمالي . يقوم مقياس تداخل ميشيلسون ، من خلال مجموعة من المرايا ، بإرجاع كل من العمودين المتعامدين نحو نقطة انبعاثه ، مما يجعل من الممكن تسجيل المدة الدقيقة لرحلة ذهاب وإياب ، واحدة في اتجاه الحركة عام للأرض والآخر بشكل متعامد. ما يمكننا رؤيته هو أن الوقت المستغرق لعودة الحزمتين إلى نقطة انبعاثهما متطابقة ، مما يدل على أن سرعة الضوء لا تتأثر بلحظة الأرض في حركتها. بالطبع – والشيء ليس غير مبالٍ – في سياق الوقت ، من المفترض أن يتحرك الضوء عبر الأثير ، وهو وسيط تم التخلي عن مفهومه (سوف ينتقل الضوء عبر الأثير بنفس الطريقة التي ينتقل بها الصوت في الهواء). لذلك ، أثبتت تجربة ميكلسون ومورلي دون أي شك السماح به ، أن سرعة الضوء ثابتة ، وهو ثبات مركزي لحجة آينشتاين في “حول الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة “. فلماذا لم يذكر أينشتاين “التجربة الحاسمة” في نصه؟ لأنه في عينيه ، كان غير ضروري. وفقا له ، يمكن إثبات ثبات السرعة من خلال منطق بسيط ، مثل ذلك الذي يقترحه في مقالته. بالنسبة لأينشتاين ، من الممكن الوصول إلى ثبات سرعة الضوء بطريقة استنتاجية وهذا عمليًا بدون جهد ، بدءًا من ظاهرة مألوفة للديناميكا الكهربائية في عصره. وهكذا ثبت أنه إذا تحرك مغناطيس وملف بالنسبة لبعضهما البعض ، يتم تحفيز تيار كهربائي في الملف. لكن فيزياء عصرها قدمت تفسيرين متميزين لهذه الظاهرة ، اعتمادًا على ما إذا كان أحدهما أو الآخر يعتبر متحركًا والآخر بلا حركة. في نظر آينشتاين ، ذهب من دون أن نقول أن حركة الملف والمغناطيس كانت متعلقة ببعضهما البعض وأن نفس التفسير يجب أن ينطبق على ما كان في الواقع نفس التجربة. بالنسبة لأينشتاين ، يمكن تحديد ثبات سرعة الضوء على نفس المبدأ.

في حساب السيرة الذاتية الذي كتبه بعد سنوات عديدة ، كتب أينشتاين: “كلما مر الوقت ، وبذل جهدي اليأس أكثر ، أصبحت أكثر اقتناعًا بأن اكتشاف مبدأ رسمي عالمي فقط يمكن أن يؤدي إلى نتائج قوية. كان المثال الذي قبلي هو الديناميكا الحرارية” ، لكن كيف يمكن اكتشاف مثل هذا المبدأ العالمي؟

خاتمة:

“يتم اكتساب المعرفة من خلال التجربة وكل شيء آخر هو مجرد معلومة”

منذ حوالي أربعة قرون ، علمنا أنه لا يوجد علم بدون خبرة. منذ ذلك الحين اكتسب مصطلح “العلم” معنى آخر. لم تعد تريد أن تعني المعرفة ببساطة ، ولكن فقط نوعًا معينًا من المعرفة ، استنادًا إلى دقة المنطق والخبرة. التجربة هي مختبر العلوم. إنها تجريبيتها الأساسية ، تجريبيتها في المرحلة الأخيرة ، ليس فقط كمنصة اختبار ، ولكن أيضًا كمواد بناء. لا يوجد علم بدون خبرة. لقد كتبه الكثير بالفعل. غالبًا ما تمت كتابة تاريخ العلم في ظل هذه القناعة المطمئنة. لقد جعل العلم التجريبي الخبرة سبب وجوده: في التحقق من صحة النظرية ، تعتبر التجربة ، حتى اليوم ، لحظة أساسية. إنها حالة كل الحقيقة العلمية.

إذن ، التجربة هي أكثر من مجرد تجريب: إنها تأكيد قوة ، شيء تم تنفيذه ، تم بناؤه أو يقاوم ما كانت النظرية تريده. انه يكاد يلتصق بمستوى التجريد. وهو أيضًا شيء تم اختراعه. غالبًا ما تسمى اختراعات الإنشاءات هذه بـالاكتشافات”. إنها تحمل معها قصة ، مغامرة بدايتها ، العاطفة التي ستختفي ببطء عند تكرارها ، وفحصها. هكذا يتشكل أسلوب آينشتاين وفق طبيعة العمل العلمي الذي يقوم به ومنطق الاكتشاف الذي ينخرط فيه ولقد مثل الاهتداء الى نظرية النسبية العامة والخاصة بمثابة ثورة في تاريخ الفيزياء والعلوم المعاصرة. كما يبني آينشتاين مفهومه للاكتشاف العلمي والاختراع كعملية إبداعية على “الاختيار الحر” للمفاهيم والأفكار النظرية من خلال الفكر. هذه “الحرية المنطقية” فيما يتعلق بالبيانات الواقعية قائمة على النقد البشري للاستقراء ، وعلى رفض التجريبية المجردة ، وعلى مفهوم الوضوح العقلاني المعتمد على كانط ، وفي نفس الوقت على نقد الجانب القبلي في الفلسفة الكانطية بالتشديد على قرب قناعاته في هذا الصدد من الواقعية النقدية . لقد أشار نص آينشتاين لعام 1905 إلى ولادة نظرية النسبية الخاصة. لأول مرة في تاريخ الفكر العلمي ، يجب أن يفسح الإطار المألوف مع وقته العالمي الفريد ، والذي كان واضحًا منذ قرون لجميع الفيزيائيين ، حلًا جديدًا أبسط في أسسه و أكثر إزعاجا في عواقبه. لقد اعتمد أينشتاين على المنهج الحاسم فيما يتعلق بالتفسير المادي والتخلي عن الأثير (خاصة فيما يتعلق بـهنري بوانكاريه). يتذكر أهمية افتراضات آينشتاين ، أي أن الضوء ينتشر بسرعة ثابتة مهما كان الإطار المرجعي القصوري (“الثابت”) – وهو أقوى من الاستقلال البسيط عن سرعة المصدر (يمكن تفسير ذلك من خلال طبيعة موجة الضوء). يمكن الاشارة الى أهمية التمييز بوضوح بين الظاهرتين المستنتجة بطريقة غير مسبوقة من قبل آينشتاين في مقالة 1905 هذه: تمدد فترات غير مناسبة من ناحية ، وتعدد الأوقات المناسبة من ناحية أخرى (التي هو نادرا ما لوحظ). فمتى تتخلص الفيزياء المعاصرة من هيمنة نظرية النسبية التي اخترعها أينشتاين وتحولت الى عائق ابستيمولوجي يمنع العلم من التقدم؟

المصدر:

Einstein, Albert, « Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt », Annalen der Physik, 1905, No 17 : 132-148

Einstein, Albert, « Autobiographical Notes », in Schilpp, P.A., Albert Einstein, Philosopher-Scientist, Vol. 1, La Salle (Ill.) : Open Court, 1949, 3 – 94

كاتب فلسفي