الأشياء الواضحة

هناك في الفيزياء العديد من الافتراضات الأساسية التي اعتدنا على قبولها كحقائق؛ لكن الفيزياء، كونها علمًا تجريبيًا، تتطلب منا التأكد من أن هذه الافتراضات لها تأثير في الواقع، والاستمرار في تحسين الأدوات اللازمة لاختبار حدودها. فيما يلي مراجعة لتجربتين تختبران "الواضح" في النظرية النسبية

الحاوية الغرينية، غاليليو

1. هل الكتلة كتلة كتلة؟
إذا رمينا حجرًا وريشة من برج طويل، أيهما سيسقط أسرع؟ تعلمنا التجربة اليومية أن الإجابة هي "الحجر"، ولكن في غياب التأثير الجوي، من الشائع الاعتقاد بأن الجسمين سيسقطان بتسارع متساوٍ - تسارع الجاذبية KDA، الذي يُشار إليه بالحرف ز. ويستند هذا الادعاء على الفرضية الأساسية للنظرية النسبية العامة: المساواة بين كميتين تسمى "كتلة القصور الذاتي" و"كتلة الجاذبية"؛
لكتلة الجسم نتيجتان منفصلتان يمكن قياسهما: الأولى هي القصور الذاتي (الثبات)، والذي يوصف عادة بأنه "مقاومة الجسم للتغير في سرعته" - كلما زادت كتلة الجسم، كلما زادت صعوبة قياسها. تسريعها أو إيقافها (المعنى هنا هو التسارع بقوة غير الجاذبية، مثلاً بالدفع يدوياً أو بتطبيق مجال كهربائي).
الخاصية الأخرى للكتلة هي الجاذبية: فالكتلة تخلق مجال جاذبية حولها، مما يجعل الأجسام الأخرى تنجذب إليها وتنجذب إليها. كلما زادت الكتلة، زاد المجال وزادت قوة الجاذبية.
في جميع المعادلات في الفيزياء تظهر ببساطة "الكتلة"، استنادا إلى الافتراض الذي يقوم عليه مبدأ التكافؤ: كتلة الجاذبية تساوي كتلة القصور الذاتي، من حيث الكتلة هي كتلة هي كتلة. صياغة أخرى وأوسع لمبدأ التكافؤ تعني أنه لا يمكن التمييز بأي تجربة بين نظام فيزيائي معلق في مجال الجاذبية ونظام يتسارع تحت تأثير قوة غير جاذبية.
لن نتمكن من معرفة ما إذا كنا في غرفة مغلقة على الأرض أو في هيكل موجود في الفضاء، ويتم سحبنا إلى الأعلى (في نظر الجالسين في الغرفة)، بتسارع ثابت يساوي g بواسطة كابل متصل بسفينة فضائية.
سنأخذ الآن جسمين لهما كتلتين مختلفتين ونسقطهما في مجال الجاذبية الأرضية؛ لنفترض أن كتلة الجاذبية تساوي بالفعل كتلة قصورية: كلما كبرت الكتلة، زادت قوة الجاذبية المؤثرة عليها، وبالتالي يجب أن تتسارع بمعدل أكبر من الكتلة الأصغر - ولكن كتلتها بالقصور الذاتي أكبر أيضًا، وبالتالي يصعب تغيير سرعته.
إن التكافؤ بين كتلة الجاذبية وكتلة القصور الذاتي يعني أن كلا الجسمين، على الرغم من وجود قوى مختلفة تؤثر عليهما، سيتحركان بتسارع متساوٍ. مبدأ التكافؤ هذا هو افتراض أساسي في النسبية العامة، وكذلك في الصيغ النيوتونية.
اليوم، تُبذل محاولات عديدة لتطوير نظرية تجمع بين النسبية العامة وميكانيكا الكم. هناك نظريات ترى أنه على نطاق صغير بما فيه الكفاية، حيث تصبح الظواهر الكمومية مهمة، يتم انتهاك التكافؤ بين كتلة الجاذبية وكتلة القصور الذاتي. تأخذ بعض النظريات في الاعتبار التأثير المتبادل بين خصائص الجاذبية للجسيم ودورانه. من الممكن أن يؤثر الترتيب الداخلي للجزيئات في الذرة على كيفية تسارع الذرة في مجال الجاذبية.
أجرى علماء من ألمانيا تجربة بهدف البحث عن فرق بين كتلة الجاذبية وكتلة القصور الذاتي للذرات الفردية. أسقط سيباستيان فراي (فراي) وزملاؤه ذرات فردية في مجال الجاذبية التابع لوكالة ناسا: ذرة الروبيديوم، التي تحتوي على 85 نيوكليون (بروتونات ونيوترونات)، ونظير أثقل من الروبيديوم، الذي يحتوي على 87 نيوكليون.
قام الباحثون بقياس تسارع السقوط باستخدام نظام بصري حساس، مما سمح بدقة تبلغ واحدًا على عشرة ملايين من تسارع الجاذبية القياسي g. ووجدوا أنه حتى بالنسبة لهذه الكتل الصغيرة، يتم تحقيق مبدأ التكافؤ، ضمن الدقة الممكنة في التجربة. كما لم يتم العثور على أي علاقة بين تسارع الذرات وترتيبها الداخلي. هذه أخبار جيدة للنسبية العامة، لكن لسوء الحظ، لا تقدم هذه النتائج أي أدلة حول مصدر نظرية التوحيد.

2. هل تتحرك المعلومات التي تحملها موجة الضوء بسرعة الضوء؟
ومن المعروف أن المعلومات لا يمكن أن تنتقل بسرعة أعلى من سرعة الضوء في الفراغ، ويرمز لها بالحرف ج. هذا الافتراض هو أساس النسبية الخاصة، وهو صحيح بالنسبة لأي نظام مرجعي. إن نقل المعلومات بسرعة أكبر من سرعة الضوء يعادل، إلى حد ما، إرسال المعلومات إلى الوراء في الوقت المناسب، وبالتالي انتهاك العلاقة السببية.
وفي الآونة الأخيرة، أجريت تجارب في مختبرات مختلفة حول العالم، جعلت الضوء يتحرك بسرعة أبطأ من سرعة الضوء في الفراغ، أو يتوقف تماما، أو يتحرك بسرعة أكبر من سرعة الضوء في الفراغ. في ظاهر الأمر، يبدو أن هذه التجارب تتناقض مع الافتراض الأساسي القائل بأنه من غير الممكن تجاوز سرعة الضوء ج. في الممارسة العملية، لا يوجد أي تناقض. يمكن إنشاء موجة تبدو وكأنها تتحرك بسرعة أكبر من سرعة الضوء؛ المعلومات التي تحملها الموجة هي أنها لا تستطيع التحرك بشكل أسرع.
على سبيل المثال: من الممكن إنشاء "موجة خضراء" عند إشارات المرور، والتي ستتقدم بسرعة أكبر من سرعة الضوء: هذا ممكن إذا قمنا ببرمجة أجهزة الكمبيوتر مسبقًا والتي ستقوم بتشغيل الضوء الأخضر عند إشارات المرور المختلفة عند أوقات محددة سلفا. ولكن في مثل هذه الحالة، فإننا لا ننقل المعلومات - فقد تم إرسال جميع المعلومات الضرورية مسبقًا.
لقد تم اختبار الافتراض الراسخ بأن لسرعة الضوء حدًا أعلى تجريبيًا بواسطة نيكولاس جيسين وزملاؤه في جامعة جنيف. في مقال نشر في Physical Review Letters، تم وصف تجربة بسيطة إلى حد ما، حيث تم إطلاق الفوتونات في الألياف الضوئية، وتم قياس أوقات الوصول إلى نهاية الألياف، وفحص توزيعها.
وبما أن نبضة الضوء لها عرض زمني معين - فالزمن ليس منتظما، ويعتمد على شكل النبضة والوسط الذي يمر عبره الضوء. يتكون النبض من عدد كبير من الترددات؛ قد ينقل الوسيط ترددات معينة بشكل أسرع من غيرها. ويؤدي ذلك إلى تشويه في شكل الإشارة والذي يتميز بإزاحة الذروة التي كانت تقع في البداية في مركز الإشارة. إذا حدث مثل هذا التشوه، فإن ذروة النبضة قد تصل إلى نهاية الألياف بشكل أسرع من c (إذا تم إزاحتها للأمام عند الإشارة) أو أبطأ (إذا تم إزاحتها للخلف).
مرر الباحثون شعاعًا من الضوء عبر ألياف ضوئية وحددوا خصائص النظام بحيث كانت سرعة ذروة الإشارة، والتي يشار إليها باسم "سرعة المجموعة"، أكبر من سرعة الضوء في الفراغ. وبالإضافة إلى قياس سرعة المجموعة، تم قياس سرعة الفوتونات الموجودة في مقدمة الشعاع فقط.
أُطلق على سرعتها لقب "سرعة الإشارة" لأنه من المعتاد الإشارة إليها على أنها الفوتونات التي تحمل المعلومات. وقد وجد أنه على الرغم من سرعة المجموعة العالية إلا أن سرعة الإشارة لم تتجاوز c. في الرسم البياني، يمكنك رؤية عدة نبضات تتحرك بسرعات مختلفة، ولكنها مشوهة بحيث تتحرك جميع الجبهات بنفس السرعة.
قد تصل الفوتونات الفردية حتى قبل الجبهة الرئيسية، لكنها أيضًا لا تتجاوز سرعة الضوء ج. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها إجراء قياس مباشر لسرعة الإشارة، وتتوافق النتيجة مع الادعاء النظري القائم منذ عقود بأن هذه السرعة لا يمكن أن تتجاوز c.
لقد عرف أينشتاين

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~67301240~~~95&SiteName=hayadan