الاستخدام الصحيح للنسبية الخاصة يمكن أن يبسط عمليات المحاكاة الحاسوبية للأنظمة النسبية

هذا أحد التطبيقات الأصلية والرائعة للنظرية النسبية التي طورها الفيزيائي ألبرت أينشتاين

الحاوية الغرينية، غاليليو

الأنظمة النسبية، التي تتحرك فيها الأجسام بسرعة قريبة من سرعة الضوء، موجودة في العديد من مجالات الفيزياء المختلفة، وخاصة في فيزياء الجسيمات. ومن الضروري في مثل هذه الأنظمة الرجوع إلى النظرية النسبية الخاصة، التي تصف كيف ستتغير عوامل مثل الزمن والفضاء والكتلة وغيرها من وجهة نظر الجسم المتحرك. عند إجراء العمليات الحسابية المتعلقة بالأنظمة النسبية، يمكن تبسيط الحسابات عن طريق التبديل إلى نظام مرجعي أكثر ملاءمة؛ على سبيل المثال، قد يصبح تصادم جسيمين أسهل بالنسبة للإدراك البشري (والحسابات الرياضية) إذا تم وصفه من وجهة نظر أحد الجسيمات المتصادمة، وليس من وجهة نظر مراقب ثابت يراقب التصادم من الجانب.

مثل هذه التحولات بين الأنظمة المرجعية مقبولة ومشروعة وفقًا للنظرية النسبية الخاصة، ويتم تنفيذها من خلال تحويل رياضي بسيط يُعرف باسم تحويل لورنتز. وباستخدام تحويل لورنتز، يمكن وصف العملية من أي نظام مرجعي يتحرك بسرعة ثابتة، ويمكن ترجمة النتائج إلى أي نظام مرجعي آخر. لا يتم فقدان أي معلومات تخص العملية عند الانتقال من إطار مرجعي إلى آخر، وبالتالي يمكن وصف العملية من وجهة نظر أحد الجزيئات المتصادمة، ثم "ترجمة" المعلومات باستخدام تحويل لورنتز ومعرفة كيفية حدوث ذلك. ستنظر العملية أيضًا إلى عيون المراقب الثابت.

عندما يتم تحليل العمليات العلائقية بواسطة جهاز كمبيوتر، هناك مشكلة خاصة. عندما يقوم الكمبيوتر بتحليل عملية عدديًا، يجب عليه تقسيم أطول طول ذي صلة (على سبيل المثال، طول المسار في معجل الجسيمات) إلى أقصر الأجزاء ذات الصلة (على سبيل المثال، طول نبضة الجسيم المنطلقة في المسرع)، وإجراء العمليات الحساب أثناء تقدمه خلال كل خطوة في مقطع واحد. ومع ذلك، عند السرعات النسبية، تنشأ صعوبة بسبب ظاهرة تعرف باسم "انكماش الطول": حيث يرى المراقبون الذين يتحركون بسرعات مختلفة أن نفس القطعة لها طول مختلف. سيبدو القضيب المتري، كما يظهر في المختبر، أقصر بالنسبة للمراقب الذي يمر بسرعة نسبية، وكلما زادت السرعة، زاد الفرق في إدراك الطول. بسبب التغيرات النسبية في إدراك الطول، قد ترى الجسيمات المختلفة في النظام المسافات في النظام مختلفة تمامًا. ولذلك، فإن النسبة بين أكبر طول ذي صلة لغرض الحساب وأصغر طول قد تكون هائلة، ويتطلب تشغيل المحاكاة الحاسوبية للعمليات النسبية الكثير من الوقت.

 وجد الفيزيائي جان لوك فاي (فاي)، وهو باحث في مختبر المسرع في بيركلي، طريقة بسيطة ولكنها رائعة لتقليل الوقت اللازم لمحاكاة الأنظمة النسبية: يجب على المرء أن يحسب ويجد ما هو النظام المرجعي من وجهة النظر حيث سيتم تقليل النسبة بين الطول الأكبر والأصغر. بهذه الطريقة، سيتعين على الكمبيوتر العمل لفترة أقصر، لأنه يقوم بتحليل الطول الإجمالي الأصغر، ويقسمه إلى أجزاء أطول. علاوة على ذلك، فإن مثل هذا التحول يجعل من الممكن في بعض الأحيان استخدام التقديرات الرياضية، التي تفترض أن النظام أبسط مما هو عليه دون الانتقاص بشكل كبير من دقة الوصف المادي. استخدم وي هذه الطريقة في عمله، وافترض أن العلماء في جميع أنحاء العالم كانوا يفعلون نفس الشيء، لكنه فوجئ عندما وجد أنه على الرغم من أن النسبية الخاصة وتحويل لورنتز كانتا معروفتين للعلم منذ أكثر من مائة عام، إلا أنه لم يكن هناك أحد يعرف ذلك. ومع ذلك طبقوها بهذه الطريقة. نشر وي عدة أمثلة للحسابات الملخصة بهذه الطريقة. وفي أحد الأمثلة، كان وقت الحساب أقصر بألف مرة عندما تم اختيار نظام مرجعي أكثر ملاءمة له. وتفاجأ العلماء عندما سمعوا عن الطريقة البسيطة والفعالة، حيث يعتبر زمن الحساب مؤشرا على مدى تعقيد النظام، ومن الواضح أن تعقيد النظام لا يتغير عند التبديل بين الأنظمة المرجعية.