مقدمة النسبية العامة

من النسبية الخاصة إلى العامة

في سبتمبر عام 1905 م، نشر ألبرت أينشتاين نظريته للنسبية الخاصة، التي وحدت قوانين نيوتن للحركة مع الكهرومغناطيسية التقليدية (التفاعل بين الجسيمات المشحونة كهربائياً). قدمت النسبية الخاصة إطاراً جديداً للفيزياء باقتراحها مفاهيم جديدة للمكان والزمان. بعض النظريات المقبولة كانت متعارضة مع ذلك الاطار، مثال مهم على ذلك، نظرية نيوتن للجاذبية، التي تصف الجذب المتبادل بين الأجسام تبعاً لكتلتها.
العديد من الفيزيائيين، ومن ضمنهم أينشتاين، بحثو في نظرية توحد بين قانون نيوتن للجاذبية والنسبية الخاصة. أثبتت نظرية أينشتاين فقط لتكون متوافقة مع التجارب والملاحظات. لفهم الأفكار الأساسية للنظرية، فإنه من المفيد اتباع تفكير أينشتاين بين عامي 1907 م و1915 م، من تجاربه الفكرية البسيطة المتضمنة ملاحظته للسقوط الحر وصولاً إلى نظريته الهندسية الكاملة للجاذبية.

العواقب الفيزيائية

في عام 1907 م، كان أينشتاين لايزال يبعد 8 سنوات عن إكماله النظرية العامة للنسبية. مع ذلك كان أينشتاين قادراً على تقديم عدد من الروايات، القابلة للاختبار مبنية على نقطة البداية لأينشتاين المتمثلة في مبدأ التكافؤ لتطوير نظريته الجديدة.
الأثر الجديد الأول هو الانزياح الأحمر الجذبوي للضوء.بالأخذ بالاعتبار مراقبين على متن مركبة صاروخية متسارعة. في مركبة مماثلة هناك مفهوم طبيعي ل "الأعلى" ول "الأسفل" حيث أن المركبة تتسارع باتجاه "الأعلى" والأجسام الحرة داخل المركبة تتسارع بالاتجاه المعاكس (تسقط نحو "الأسفل"). بفرض أحد المراقبين أعلى من الآخر. عنما يرسل المراقب في الأسفل إشارة ضوئية إلى المراقب في الأعلى، يتسبب التسارع في انزياح الضوء نحو الأحمر، وفق ما يمكن حسابه من النسبية الخاصة وبالتالي سيقيس المراقب الثاني تردد أدنى للضوء من المراقب الأول. وبالعكس ينزاح الضوء المرسل من المراقب الأعلى إلى المراقب الأسفل نحو الأزرق أي ينزاح نحو ترددات أعلى. قال أينشتاين أنه مثل هذه الانزياحات في التردد يجب ملاحظتها في حقل للجاذبية. هذه الظاهرة موضحة في الشكل على اليسار، الذي يظهر انزياح موجة الضوء بشل تدريجي نحو الأحمر بينما تكمل مسارها نحو الأعلى بعكس تسارع الجاذبية. تم تأكيد هذا التأثير تجريباً كما هو موضح أدناه.
هذا الانزياح الجذبوي للتردد يناظر الابطاء الزمني بالجاذبية: بما أن المراقب الأعلى يقيس نفس موجة الضوء ولكن بتردد أخفض من المراقب في الأسفل، فإن الوقت يجب أن يمر بشكل أسرع للمراقب الأعلى. وبالتالي، يمر الوقت بشكل أبطأ للمراقبين الأخفض في حقل للجاذبية.
من المهم التأكيد لكل المراقبين على عدم وجود تغييرات ملحوظة في جريات الوقت للأحداث والعمليات التي تحدث في إطارهم المرجعي. تملك الخمس دقائق كما قيست باستخدام كل ساعات المراقبين التركيب نفسه أي أنه بمرور سنة واحدة باستخدام كل ساعة فإن كل مراقب سيشيخ بمقدار سنة واحدة، وباختصار فإن كل ساعة هي في توافق تام مع كافة العمليات التي تحدث بجوارها المباشر. فقط عند مقارنة الساعات لمراقبين منفصلين يمكن ملاحظة أن الوقت يمر أبطأ للمراقبين في الأسفل مقارنة للمراقبين في الأعلى. هذا التأثير صغير ولكنه أكد تجريبياً في عدة تجارب، كما في الشرح أدناه.
تنبأ أينشتاين بأسلوب مشابه بانحراف الضوء بتأثير الجاذبية: في حقل للجاذبية فإن الضوء ينحرف باتجاه هذا الحقل. كمياً فإن الانحراف الصحيح يتطلب صيغة أكثر كمالاً من نظرية النسبية العامة وليس فقط مبدأ التكافؤ.

تأثيرات المد والجزر

ظاهرة أكثر أساسية لنفس التأثير تشمل جسمان يسقطان جنباً إلى جنب باتجاه الأرض. في اطار مرجعي في حالة سقوط حر بجانب هذين الجسمين يبدو الجسمان يحومان بدون وزن ولكن ليس بالضبط. لايسقط الجسمان بدقة بنفس الاتجاه ولكن باتجاه نقطة وحيدة في المكان تدعى مركز جاذبية الأرض. بشكل متوافق هناك مركبة للحركة لكل جسم باتجاه الآخر (انظر الشكل). يكون هذا التسارع النسبي صغير في بيئة صغيرة كحالة المصعد الساقط بشكل حر بينما يكون التسارع النسبي كبير للمظليين على الجانب المعاكس للأرض. استخدم مصطلح تأثيرات المد والجزر لوصف هذه الظاهرة لأن مثل هذه الاختلافات في القوة هي المسؤولة عن مد وجزر محيطات الأرض.
لايستطيع التكافؤ بين الجاذبية والعطالة تفسير تأثيرات المد والجزر (لايستطيع تفسير التعددية في حقل الجاذبية) لذلك هناك حاجة لنظرية تصف كيفية تأثير المادة (ككتلة الأرض الكبيرة) في بيئة العطالة (القصور الذاتي) من حولها.