a105
| 5 |
|---|
مسارات، طرق.
** **الفكرة الأساسية لنظرية النسبية العامة هي اعتبار مسارات الأجسام خطوط جيوديسية، بغض النظر عن الجسم: كوكب، ذرة. سنوضح هذا المفهوم باستخدام أسطح ثنائية الأبعاد. بالطبع، هذه مجرد صورة تعليمية، لأن النظام الجيوديسي الأربعة الأبعاد مختلف تمامًا (في الواقع، مخيف حقًا).
(23)
أي شيء! إنه نظام أربعة أبعاد! ** أعلم، جان ماري، أعلم. إنها مجرد صورة تعليمية...
يمكننا رسم خطوط جيوديسية على مخروط حاد. انظر الشكل (24). ثم يمكننا رسمه على مستوى، أسفله، كما هو موضح في الشكل.
(24) و (24')
يُفترض أن هذا يُوحي بمسارات الجسيمات في جزء من الفضاء حيث توجد تركيزات كتلة (المنطقة الرمادية). نمر عبر المنطقة الرمادية. يعني ذلك أننا نتحرك داخل المادة. هل هذا ممكن؟
النيوترينو يتفاعل نادرًا جدًا مع المادة، لذا يمكنه المرور عبر الشمس. أثناء ذلك، يتبع جيوديسية من السطح الأربعة الأبعاد. لهذا السبب نتحدث عن هذا من خلال رسم جيوديسية تمر عبر المنطقة الرمادية.
ما معنى هذا المستوى الذي نرسم عليه خطوط جيوديسيةنا؟ إنه مجرد تمثيل ذهني للكون. نعتقد أنه إقليدي. بما أن الأجسام لا تتبع خطوطًا مستقيمة، نعتقد أن انحناء مساراتها ناتج عن "قوى". عندما تقترب المذنب من الشمس، تدور وتعود، نعتقد أن هذا بسبب التأثير الجذبي للشمس عليه. ولكن هذا ناتج عن انحناء الفضاء. المذنب يتبع جيوديسية للفضاء-الزمن. في هذا العالم الأربعة الأبعاد، يذهب "بشكل مستقيم". كل شيء يذهب بشكل مستقيم، المادة، الضوء.
منذ قرون، اخترع أفلاطون "أسطورة الكهف". يُعتقد أن البشر مسجونون في كهف. خارج الكهف توجد "الواقع". داخل الكهف، يرون فقط ظلال الواقع الرمادية المُلقاة على الجدار. بشكل مشابه، تمثيلنا الذهني للعالم هو... الجدار الذي يتم رسم هيكل أكثر تعقيدًا بأربعة أبعاد عليه.
النسبية العامة والانحناء.
قالنا أعلاه أن المادة تُنحني الفضاء، وتشكل هندسة الكون، شكل "السطح الأربعة الأبعاد المسمى الكون". في النسبية العامة الكلاسيكية، انحناء المنطقة المحلية إيجابي أو صفر.
نعتبر النجوم، الكواكب، الذرات كتركيزات لانحناء إيجابي (سنرى لاحقًا ما هو انحناء سلبي).
بين النجوم، الكواكب، الذرات، هناك شيء نسميه "الفضاء الفارغ". ولكن هل يُوجد الفراغ؟
للفيزيائي، الفراغ، الفراغ، هو ما نحصل عليه عند إزالة كل المادة.
هل يمكن للفضاء أن يُوجد دون مادة؟ كان نيوتن يعتقد أنه يمكن أن يُوجد. كان مخترع الفراغ. كان الفيلسوف الفرنسي ديكارت يرى وجهة نظر معاكسة. كان يعتقد أن سائلًا كونيًا موجودًا بين الكواكب. كان يتخيل الكون ككوب من الشاي، وهو أمر غريب حقًا لفرنسي، من بين أمور أخرى. كان ديكارت متأكدًا من أن هذا السائل الفضائي دفع الأجسام السماوية ودفعها على مساراتها. على سبيل المثال، إذا دارت القمر حول الأرض، فهذا لأنها محاطة بفوكوس سائل يحيط بكوكبنا.
إذا كان مرور القمر يسبب تأثيرات المد والجزر في المحيطات، فهذا كيف، وفقًا لديكارت، يدفع القمر المحيط من خلال وسادة سائلية. كان يعتقد أن الأرض مُشكَّلة على شكل بيضوي ممدود.
كان رأي نيوتن عكس ذلك. كان يعتقد أن الأرض مُشكَّلة على شكل بيضوي مسطَّح، بسبب قوة قرصة دوّارة. لكن نيوتن كان أيضًا مُخَمِّسًا. تعرف الفرنسيين: ملتزمون بالقواعد. رفضوا فكرة نيوتن لفترة طويلة. كان فولتير يحب أفكار نيوتن. دافع عنها، وانتصر في النهاية. أصبح سائل ديكارت الكوني نوعًا من أشياء خيالية، بينما أصبح فراغ نيوتن حالة واقعية صلبة.
أكمل نيوتن رؤيته بإدخال مفهوم التأثير الفوري عن بُعد (من خلال قوة الجاذبية). لاحقًا أظهر أن الأرض تتوافق مع توقعات نيوتن: كانت تبدو كبيضوي مسطَّح.
إذن، كان نيوتن على حق وديكارت خطأ.
لكن الأمور لم تعد بسيطة اليوم. أولاً، التأثير الجذبي ليس فوريًا. ينتشر المجال الجاذب بسرعة الضوء. ثانيًا، الفراغ ليس فارغًا تمامًا كما كنا نعتقد منذ قرون.
هذا مصير العلم. بعض الأفكار صحيحة في بعض الفترات، ثم خاطئة بطريقة ما في أخرى، ثم صحيحة مرة أخرى. وهكذا دواليك. يهتز مثل البوصلة.
افترض مضخة فراغ، مضخة فعالة جدًا. بشكل مفاهيمي، إنها أسطوانة بسيطة مع مكبس. في البداية، الحجم صفر. ثم نسحب المكبس. اتصال الأسطوانة والمكبس مثالي تمامًا بحيث لا يمكن لأي جزيء، ذرة، جسيم الدخول. نعتقد أننا أنشأنا فراغًا مثاليًا. انظر الشكل (24 بيس).
(24 بيس)
لكن فورًا، تُصدر جدران المضخة إشعاعًا، إشعاع حراري، أي فوتونات تتوافق مع أشعة تحت الحمراء. هذه الفوتونات تشغل هذا "الفراغ المثالي"، حيث لا تكون الضغطة صفرًا تمامًا، لأن هناك ضغطًا إشعاعيًا، ضعيفًا لكنه غير صفر.
ما هو الفوتون؟ يُقال إن له كتلة صفر. إذن، ما هو الانحناء داخل المضخة؟ هل هو صفر؟ هل هو جزء من الفضاء بكثافة انحناء صفر؟
في القسم التالي، نبني سطحًا به نقطتين مخروطيتين. انظر الشكل 25.
(25)
خذ ورقة، مقص. اصنع قطعتين وربط الأجزاء:
S1A و S1 B
S2 C و S2 D
لكن يمكنك فعل ذلك بشكل مختلف، كما هو موضح في الشكل (26).
(26)
عندما تبني مخروطًا، تختار بشكل عشوائي الجانب الذي سيصل إليه قمة المخروط. في الشكل (25)، اخترت تلقائيًا الجانب نفسه، الاتجاه نفسه، لنقطتين مخروطيتين. في (26)، هذه الاتجاهات معاكسة.
لكن النقطة المخروطية هي نقطة مخروطية، بغض النظر عن الاتجاه الذي تشير إليه. إذا رسمت خطوط جيوديسية مع وجود مثل هذه النقطة المخروطية داخلها، فستحصل على فائض زاوي يتوافق مع هذا الانحناء الزاوي المركزي. انظر الشكل (27).
(27)
إذا رسمت مثلثًا مكونًا من خطوط جيوديسية يحتوي على النقطتين S1 و S2، فإن مجموع الزوايا سيكون 180 درجة + q1 + q2.
ماذا يعني كل هذا؟
إنها صورة تعليمية جيدة لثنائية المادة والمضادة للمادة. لديهما كتلة إيجابية. كلاهما يخلق انحناءً إيجابيًا محليًا للفضاء. لكنها... مختلفة. سيتم توضيح كل ذلك بالتفصيل في الفيزياء الجيومترية ب، المقالات 1 إلى 4. ولكن... لا تنسَ زجاجة الأسبرين.
المادة والمضادة للمادة لها هندسات مختلفة. تختلف في "أبعادها الإضافية".
المادة بالإضافة إلى المضادة للمادة تنتج الضوء، الفوتونات. يمكننا إذن اعتبار أن الفوتون يعادل حبيتين من المادة والمضادة للمادة ملتصقتين معًا.
يمكنك بناء سطح غريب بهذا الشكل مع النقطتين المخروطيتين S1 و S2، كل منهما يتجه نحو الآخر. انظر الشكل (28).
(28)
الجسم متناظر، مما "يشرح" لماذا الفوتون متطابق مع جسيمه المضاد.
يمكنك رسم مثلث مكون من ثلاث جيوديسية. المجموع هو 180 درجة زائد 2q، الزاوية الصغيرة تمثل الكتلة (نفس الكتلة لكل من المكونين، المادة والمضادة للمادة).
(29)
يولد الفوتون إذن انحناءً إيجابيًا للفضاء. نفترض أن كوننا مزيج من الكتل والفوتونات. كلاهما يساهم في انحناءه المحلي. ما نسميه الفراغ يتكون من فوتونات الإشعاع الكوني المشترك (ما يسميه الفيزيائيون "جسم أسود"). هنا، الجسم الأسود يتوافق مع "فرن كوني" درجة حرارته المطلقة 2.7 درجة مئوية.
إذن، وفقًا للمفاهيم الكلاسيكية لنظرية النسبية العامة، بين تركيزات الكتلة، ينحني الفضاء قليلاً بسبب وجود الفوتونات. بمعنى صارم، إذا أردنا تمثيل تركيز كتلة دون مادة حوله، يجب أن نرسم:
(29 بيس)
ما يمكن أن يكون تأثير الكتل السلبية على الهندسة؟
إذا كانت هذه الكتل موجودة، فسوف تخلق كثافة انحناء سلبية محلية.