نظرية كل شيء
(1)

"إن أكثر الأشياء الغير مفهومه في هذا العالم أنه يمكن فهمه" .أينشتين

البدايات .

تقليديا تصف الفيزياء القوى الطبيعية و تأثيرها على الأجسام . هناك أربع قوى رئيسية هي : الجاذبية – القوى لكهرومغناطيسية – القوى الذرية الصغرى ( التي تربط الذرات داخل الجزيئات ) – القوى الذرية الكبرى ( التي تربط مكونات الذرة ) .
أولآ : قوة الجاذبية .و هي أول قوة جرى وصفها بلغة رياضية . ففي عام 1687 صاغ نيوتن نظريته للجاذبية و التي تنص على أن كل جسم في العالم يجذب باقي الأجسام بقوة تتناسب مع كتلته. كان التأثير الثقافي لقانون الجاذبية هائلآ ، فلأول مرة أصبح ممكنا أن نصيغ نموذجا لأحد الظواهر الطبيعية في هذا العالم .
ثانيآ : القوى الكهرومغناطيسية . في البداية جرى دراسة القوى المغناطيسية و القوى الكهربائية كل على حده ، ووجد أنها تشبه قوى الجاذبية و لكن وجد أن الشحنات و أيضا الأقطاب المغناطيسية المتشابهة تتنافر عكس الجاذبية ، بينما الشحنات و الأقطاب المغناطيسية المختلفة تتجاذب . تزيد القوى الكهربائية و المغناطيسية كثيرا عن قوى الجاذبية ، و لكننا لا نلمسها في حياتنا اليومية ، نتيجة أن الأجسام الكبيرة تحتوي على أعداد متساوية من الشحنات الكهربائية الموجبة و السالبة و بالتالي فهي تتعادل و تتلاشى محصلات القوى لتكون صفرآ . تطورت أفكارنا عن الكهربائية و المغناطيسية كثيرا خلال 100 عام من منتصف القرن 18 حتى منتصف القرن 19 . أحد أهم الإكتشافات في هذا المجال هو في وجود علاقة بين القوى الكهربائية و المغناطيسية ، ثاني أهم الإكتشافات هو ما استنتجه " فاراداي " من وجود علاقة بينهما و بين الضوء . رغم هذا الإكتشاف الكبير في ذاته ، فهناك أيضا إنجاز عظيم لفارادي هي فكرة مجال القوى ، وهو مفهوم أصبح شائعا اليوم ، حيث هناك توافق بأن كل القوى تؤثر خلال مجال ،و كي نثمن هذا الرجل العبقري علينا أن نتذكر انه لم يحصل على أي تعليم نظامي يعتد به ،و لكنه علم نفسه بقراءة الكتب التي كان يعمل خازنآ لها !. لفترة ليست قصيرة لم يمكن إحراز المزيد من الإنجازات في مجال الكهرومغناطيسية حتى استطاع ماكسويل خلال عقد 1860 في توحيد الكهربية و المغناطيسية في قوى واحدة أطلق عليها المجال الكهرومغناطيسي electromagnetic field ،


كما شرح ماكسويل أيضا أنه يمكن للمجال الكهرومغناطيسي الإنتشار في الفراغ كموجة ، و عند حساب سرعة تلك الموجة وجد أنها تعادل سرعة الضوء . إكتشف ماكسويل أيضا أن الضوء نفسه هو موجات كهرومغناطيسية !. قام ماكسويل بصياغة عدد من القوانين الرياضية تشرح هذه القوى ، أطلق عليها قوانين ماكسويل ، و ربما تكون قوانين ماكسويل هي أكثر القوانين التي نعرفها أهمية من حيث القيمة الإقتصادية ، فاستخداماتها تمتد من الأجهزة المنزلية و الكمبيوترات حتى أجهزة الأشعة السينية و أجهزة الرؤية الليلية ... الخ .

الأثير .

وفقا لقوانين ماكسويل تبلغ سرعة الضوء 300.000 كيلومتر في الثانية ، و لكننا لا تستطيع تقدير السرعة سوى مقارنة بمرجع نقيس السرعة على أساسه . في حياتنا اليومية لا تظهر هذه المشكلة ، فعندما نتحدث عن سرعة سيارة تساوي 70 كيلومتر / الساعة ، فمفهوم ضمنآ أن تلك السرعة هي بالنسبة للطريق ،و لكن لو افترضنا سيارة أخرى تسير في نفس الإتجاه بسرعة 50 كيلومتر / الساعة فستكون سرعة السيارة الأولى 20 كيلومتر/ الساعة بالنسبة للسيارة الثانية . لهذا تسائل العلماء عن ذلك المرجع الذي نقيس سرعة الضوء بالنسبة إليه . في البداية كانت الإجابة التي تبناها العلماء هي أن تلك السرعة مقارنة بمادة إفترضها أرسطو قديما زاعمآ أنها تحيط بالكون و أسماها الأثير Ether . وفقا لهذا التصور فالضوء يتحرك في الأثير كما يتحرك الصوت في الهواء . هكذا ترى أن فكرة الأثير ظهرت كافتراض نظري في البداية ، مما دفع بعض العلماء لمحاولة إثبات وجود هذا الأثير و كان من هؤلاء العلماء ماكسويل نفسه . و لكن بالرغم من الأهمية النظرية لوجود الأثير حتى أن عالما هامآ مثل لورد " كالفن " أكد أن الأثير هو الحقيقة الحقيقة الوحيدة التي يعتقد فيها العلماء !، إلا أن التجارب لم تثبت وجود الأثير !، و كانت أهم تلك التجارب التي أجريت هي تجربة شهيرة تعرف بتجربة ميتشلسون- مورلي . رغم هذا الفشل في إثبات وجود الأثير ظلت الفكرة موجودة ، و هذا دليل آخر على ما تحدثنا عنه سابقا من أن العلماء يميلون إلى إنقاذ النموذج السائد و محاولة تبريره حتى يمتلئ بالثقوب و يسقط نهائيا ، و قتئذ يبحثون عن نموذج آخر قادر على شرح و تفسير مشاهداتهم الفيزيائية .

النظرية النسبية الخاصة .

ظل هذا النموذج ( الأثير ) قائما حتى دمره فيزيائي مغمور في السادس و العشرين من عمره هو ألبيرت أينشتين عام 1905 عندما نشر بحثا بعنوان " في الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة " . في هذا البحث يقدم أينشتين إفتراضية بسيطة هي أن قوانين الفيزياء و بشكل خاص سرعة الضوء ستبقى ثابتة لكل المشاهدين ، ليمكن استيعاب الآثار المترتبة على هذه الفكرة كان لابد من إحداث ثورة في فهمنا للفراغ و الزمن.
" الظاهر أننا نخرج من حفرة لنقع في أخرى ، خرجنا من تواريخ الخواجة فينمان لنقع في نسبية العم أينشتين الذي يحمل اسمه الرعب لكل دارسي الفيزياء ،و لكني أدعوك ألا تصدق الإشاعات القائلة أن هناك قلة يفهمون نظرية النسبية ، يعني كلام جرايد .. هناك بالفعل من يفهمون تلك النظريات –القديمة- الان ،و يمكنك أن تكون أحدهم لو أردت ، بالقطع ليس من هذا الشريط فهدفنا مختلف ،و لكن لو تتبعتنا الان بتركيز سيمكنك معرفة إطار هذه النظرية " .
بداية تبسيطية .. لنتخيل شخص ( أ ) يركب في مقدمة طائرة نفاثة ، بينما هناك شخص آخر ( ب ) يراقبها من الأرض ، عندما يصدر ومضة ضوء من مؤخرة الطائرة في إتجاه المقدمة ، فالشخص ( أ ) و (ب ) لن يتفقا في تحديد المسافة التي قطعتها الومضة من الذيل حتى المقدمة . ولأن السرعة تساوي المسافة / الزمن ، و طالما أن السرعة ثابتة ( = سرعة الضوء) ، و أن هناك خلاف في المسافة فسيكون هناك خلاف في تقدير الزمن الذي استغرقته الومضة في الحركة من المؤخرة حتى المقدمة . ما يجعل هذا التحليل غريبا غريبا هو أن هناك مشاهدان يرصدان نفس العملية الفيزيائية و لكنهما يقيسان زمنين مختلفين لحدوثه !. هذا هو أحد أهم مفاتيح بحث أينشتين الذي توصل إليه و هو أن " قياس الوقت مثل قياس المسافة يعتمد على المراقب القائم بالقياس " وهو ما أطلق عليه النسبية الخاصة special relativity. طبقا لأينشتين فالزمن ليس كما مطلقا كما كان يعتقد نيوتن و كما نألف طبقا لخبرتنا في الحياة اليومية ، و لكنه أحد أبعاد الحدث الفيزيائي . طبقا للنظرية النسبية فالمراقب سيرى أن الساعة تتحرك أسرع إذا كان ساكنا بالنسبة لها ، و لكنها تتحرك أبطأ كما يراها المراقب المتحرك بالنسبة لها .
واضح أن أفكار أينشتين تتناقض مع البديهية لأننا لا نقابل السرعات الكبيرة جدا في حياتنا اليومية ،و لكنها أثبتت صحتها بالتجارب العملية .
نتيجة أعمال أينشتين و قوانين ماكسويل التي تؤكد أن سرعة الضوء ثابتة في كل الأطر المرجعية ، استنتج الفيزيائيون أنه لا يمكن معاملة الزمن كبعد منفصل عن الأبعاد الثلاث الأخرى ، بدلآ من ذلك فالفراغ و الزمن يشكلان مركبا واحدا يطلق عليه ( الفراغ- الزمن ) space-time .نعلم أن الأبعاد الثلاث المعتادة للفراغ أعلى – أسفل ، يمين – يسار ، أمام – خلف ) X,Y,Z ( ، يتم تحديدها طبقا لتوجه المراقب ، و لهذا يطلق على الزمن البعد الرابع ، هذا البعدالرابع ( الزمن ) يتحدد نتيجة سرعة المراقب . هكذا نجد أن نظرية النسبية الخاصة تقدم نموذجآ جديدا ، فتم التخلص من السكون المطلق و الزمن المطلق .

النظرية النسبية العامة .

وجد أينشتين أن النموذج الذي اقترحه لا يتسع لقوى الجاذبية كما شرحها نيوتن ، الذي افترض أن الأجسام تتجاذب بقوة تتناسب مع المسافة في لحظة ما ، و لكن النسبية الخاصة ألغت الزمن المطلق . هذا التناقض كان في البداية يبدوا فنيا يمكن تجاوزه ببعض المعادلات الرياضية ،و لكنه استغرق 11 عاما كاملة كي ينمكن تجاوزه . خلال 11 عاما التالية للنسبية الخاصة طور أينشتين نظرية جديدة للجاذبية أطلق عليها نظرية النسبية العامة general relativity . سنتوقف الآن لنقول أن الجاذبية لم تعد تشبه في شيء جاذبية نيوتن ،و لكنها تبنى على اقتراح ثوري هو أن الفراغ- زمن ليس مسطحا كما افترض مسبقا و لكنه محني و مشوه حول الكتل وما تحويها من طاقة .
في حالة عدم وجود كتلة فسوف نحصل على نتائج النسبية الخاصة ، وعندما تكون الجاذبية صغيرة كما هو الحال على الأرض ، فيمكن تقريب النظرية لتعطي نتائجا مشابهة لجاذبية نيوتن . و لكن هذا لن يكون الحال في حالة وجود أجسام كبيرة ،أو قوى جاذبية عالية . إن النسبية العامة توفر نموذجا للكون مختلفا للغاية ، حيث يمكن التنبوء بالثقوب السوداء black holesو الموجات الجاذبانية gravitational waves. و يمكن القول أن النسبية العامة حولت الفيزياء إلى الهندسة . أخيرا هناك أجهزة حساسة للغاية تتوفر لدينا الآن ،و كلها أكدت صحة النسبية العامة .