إليك ترجمة كاملة للنص الوارد في فيديو "Veritasium" حول المفاهيم المغلوطة عن الجاذبية:
هذا الفيديو برعاية Caseta من Lutron.
وفقاً للنظرية النسبية العامة، الجاذبية ليست قوة. لا توجد حقول جاذبية. الجاذبية هي نوع من الوهم، وفي هذا الفيديو سأثبت ذلك لكم عبر الانطلاق إلى الفضاء الخارجي في ثلاثة، اثنان، واحد.
قال ألبرت أينشتاين إن أسعد فكرة في حياته كانت تخيل رجل يسقط من سطح منزل. ما جعل أينشتاين سعيداً بهذا ليس الشماتة، بل إدراكه أن هذا الرجل، أثناء سقوطه، لن يشعر بوزنه؛ سيكون عديم الوزن. وأي شيء يسقطه أثناء نزوله سيبقى ثابتاً بالنسبة له أو يتحرك بحركة منتظمة.
الموقف برمته سيكون تماماً كما لو كنت في أعماق الفضاء، بعيداً عن أي كتل كبيرة، وسفينتك الفضائية في حالة سكون أو تسير بسرعة ثابتة. هناك لن تشعر بأي وزن، وستظل الأشياء ثابتة بالنسبة لك، وإذا دفعتها، فستتحرك في خط مستقيم وبسرعة ثابتة. ستكون أنت التعريف الحقيقي لـ "مراقب عطالي" (Inertial observer)؛ أنت لا تتسارع، ولست في حقل جاذبية، وجميع قوانين الفيزياء تنطبق في إطارك المرجعي، مما يعني أنه لا توجد تجربة يمكنك القيام بها لتمييز إطارك المرجعي العطالي عن أي إطار آخر.
الآن تأتي القفزة الكبيرة: ينظر أينشتاين إلى هذين السيناريوهين ويقول إنهما متكافئان، ليس فقط متشابهين، بل هما فيزيائياً الشيء نفسه تماماً. مما يعني أن الرجل الذي يسقط من السطح ليس في حقل جاذبية (إذ لا توجد حقول جاذبية) وهو لا يتسارع؛ إنه مراقب عطالي تماماً مثل رجل الصاروخ.
مهلاً، مهلاً! أعني، حسناً، أستطيع أن أرى كيف يشعر كلا المراقبين بانعدام الوزن، لكن الرجل الذي يسقط من السطح موجود بوضوح في حقل جاذبية؛ إنه بجوار الأرض مباشرة، ومن الواضح أنه يتسارع، حيث تزداد سرعته بمقدار 9.8 أمتار في الثانية كل ثانية، وهي حقيقة ستصبح واضحة بشكل مؤلم عندما يصطدم بالأرض.
أعلم أن هذين الموقفين يبدوان مختلفين تماماً، لكن مبدأ التكافؤ لأينشتاين يخبرنا بالتركيز على شيء واحد: تجربة المراقب. إذا شعروا بانعدام الوزن، فهم في إطار مرجعي عطالي، تماماً مثل رجل الصاروخ الذي ينجرف عبر أعماق الفضاء.
تخيل لو أن رجل الصاروخ، الذي يسير بسرعة ثابتة ولا ينتبه، مر بكوكب بعيد في الأفق. قد يلاحظ مراقب خارجي أن مسار الصاروخ ينحني قليلاً نحو الكوكب، لكن في الداخل، سيظل رجل الصاروخ غافلاً؛ فهو لا يشعر بأي قوة ولا يواجه أي تسارع. ومع اقتراب الصاروخ من الكوكب، تزداد سرعته أكثر فأكثر، لكن رجل الصاروخ لا يزال يشعر بانعدام الوزن، فبالنسبة له لم يتغير شيء.
إذاً، في أي نقطة من هذه الرحلة ستقول إن الإطار المرجعي تغير من عطالي إلى غير عطالي؟ أي مقياس تسارع على المتن لن يسجل أي تغيير. لقد استمر في مساره العطالي عبر الزمكان. لذا، فإن الاستنتاج المنطقي هو أن إطاره المرجعي عطالي حتى اللحظة التي يصطدم فيها بالكوكب.
حسناً، كيف تفسر المسار المنحني لصاروخه بدون قوى جاذبية أو حقول جاذبية؟ الإجابة هي "الزمكان المنحني". أولاً، ركز على ملاحظة رجل الصاروخ بأنه طوال الوقت شعر وكأنه يتحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم. لقد كان يتحرك في خط مستقيم عبر الزمكان، لكن الزمكان حول الأجسام الضخمة مثل الكواكب منحني، ولهذا السبب بدا مساره منحنياً لمراقب بعيد.
هذا ليس غريباً كما يبدو. الطائرات، على سبيل المثال، تحاول دائماً الطيران في أقصر طريق بين المدن؛ فهي تسير أساساً في خط مستقيم، ولكن بما أن سطح الأرض منحني، فإن أقصر مسار لا يبدو كخط مستقيم (على الخرائط المسطحة). تسمى هذه المسارات الأقصر فوق الأسطح المنحنية "الجيوديسيا" (Geodesics)، ونستخدم نفس الكلمة للمسارات المستقيمة التي يتبعها المراقبون العطاليون عبر الزمكان المنحني.
إليك تشبيه آخر: تخيل أنك وصديقك تقفان على بعد 1000 كيلومتر على خط الاستواء. الآن، تنطلقان كلاهما باتجاه الشمال تماماً. بمرور الوقت، ستقتربان من بعضكما البعض، لتصطدما في النهاية عند القطب الشمالي. يبدو الأمر كما لو كانت هناك قوة تدفعكما معاً، لكنك لم تشعر بقوة، وصديقك لم يشعر بقوة. الجاذبية تشبه تلك القوة تماماً؛ فهي لا توجد فعلياً. السبب الحقيقي لاقترابكما هو أنكما كنتما تسيران في مسارات مستقيمة (جيوديسية) على سطح منحني.
رواد الفضاء في المحطة الفضائية عديمو الوزن، وهذا يعني أنهم أيضاً مراقبون عطاليون يسافرون على مسار جيوديسي. لكن الأرض تحني الزمكان من حولها، ولهذا السبب يظهر مسارهم المستقيم كحلزون. يبدو المدار دائرياً فقط إذا نسيت بُعد الزمن. لا تنسَ أننا جميعاً نتحرك عبر المكان والزمان؛ "الزمكان".
هذا هو تشبيه "الورقة المنحنية" القياسي للزمكان المنحني، لكني أعتقد أن هذا العرض مضلل. فهو يسمح لك بخداع نفسك لتعتقد أنك تفهم النسبية العامة، بينما البديهة التي تعتمد عليها هي فقط أن الأشياء تحب السقوط نحو منتصف البئر بسبب قوة الجاذبية. لكن في النسبية العامة، لا توجد قوة جاذبية. ما يجب أن تفكر فيه هو الأجسام التي تسير في مسار مستقيم عبر الزمكان. تصادف فقط أن الزمكان منحني حول الأجسام الضخمة، لذا فإن هذا المسار المستقيم لا يبدو كخط مستقيم. المادة تخبر الزمكان كيف ينحني، والزمكان يخبر المادة كيف تتحرك.
الآن لنعد إلى أعماق الفضاء. ماذا يحدث إذا قمت بتشغيل محركات الصاروخ وتسارعت بمقدار 9.8 م/ث²؟ حسناً، سيرى شخص ما في الخارج جميع الأشياء تبقى ثابتة بينما تتسارع أرضية الصاروخ نحوها. في داخل الصاروخ، سيبدو كل شيء وكأنه يتسارع للأسفل نحو الأرض، وستشعر بقوة تدفع قدميك للأعلى؛ نفس القوة التي تدفعك للأعلى وأنت تشاهد هذا الفيديو الآن. هذا الموقف يشبه تماماً الوجود في حالة سكون على سطح الأرض، لأننا في حالة سكون على سطح الأرض.
الآن أريد أن أسألك: هل تشاهد هذا الفيديو في إطار مرجعي عطالي؟ حسناً، هل تشعر بانعدام الوزن؟ لا. إذاً أنت لست مراقباً عطالياً. وضعك هو بالضبط نفس وضع شخص يتسارع في سفينة صاروخية في أعماق الفضاء. واسمحوا لي أن أكون واضحاً، لا أقصد أن التواجد في حالة سكون في حقل جاذبية "يشبه" التسارع في صاروخ، بل أقصد أنه "هو" الشيء نفسه تماماً. أنت تتسارع، ولا يوجد حقل جاذبية. حقول الجاذبية غير موجودة. أعلم أن هذا يبدو جنونياً، لكن ابقوا معي لدقيقة.
هذا أنت في الفيزياء النيوتونية القياسية: نرسم قوة وزنك (قوة الجاذبية) تدفعك للأسفل، والقوة العمودية من الأرض تدفعك للأعلى. نقول إن هذه القوى متساوية ومتعاكسة، لذا لا توجد قوة محصلة عليك، وبالتالي أنت لا تتسارع. لكن في النسبية العامة، الجاذبية ليست قوة. ليس لديك وزن، لذا القوة الوحيدة المؤثرة عليك هي القوة العمودية التي تدفعك للأعلى. إذاً، أنت تتسارع للأعلى.
لكنني لا أتحرك للأعلى بالنسبة لما؟ أعني بالنسبة للوحة والأرض وكل شيء في هذه الغرفة. لكن كل هذه الأشياء موجودة في إطارك المرجعي، والذي تعلم أنه ليس عطالياً. ما تحتاجه إذا كنت تريد حقاً قياس تسارعك هو شخص في إطار مرجعي عطالي، مثل الرجل الذي سقط من السطح، وهو سيرى أنك تتسارع للأعلى بمقدار 9.8 م/ث². أعتقد أن هذا يظهر أن ما يعنيه التسارع حقاً هو الانحراف عن "الجيوديسيا". لا يمكنك اتباع مسار مستقيم عبر الزمكان لأن الأرض تمنعك من ذلك؛ فهي تطبق قوة للأعلى عليك، لذا أنت تتسارع للأعلى.
ولكن إذا كنت أنا أتسارع للأعلى، وكذلك يفعل الجميع من حولي حول العالم، فمن المفترض أن الأرض تتوسع، أليس كذلك؟ لا. من الممكن أن تتسارع حتى لو كانت إحداثياتك المكانية لا تتغير. سأريكم معادلة واحدة من النسبية العامة. هذه تقول إن المشتق الثاني لموقعك بالنسبة للزمن يساوي تسارعك. وفي الزمكان المسطح، إذا كنت تتسارع، فإن إحداثياتك المكانية يجب أن تتغير. لكنك لست في زمكان مسطح، وهذا المصطلح مرتبط بانحناء الزمكان، وهذه هي سرعتك عبر الزمن تربيع. لا داعي للقلق بشأن التفاصيل هنا، النقطة هي أن موقعك يمكن أن يكون لا يتغير، مما يعني أن تسارعك يجب أن يساوي تماماً هذا المصطلح الخاص بالانحناء مضروباً في سرعتك عبر الزمن تربيع. لذا، في الزمكان المنحني، تحتاج إلى التسارع لمجرد البقاء ثابتاً في مكانك.
قد يبدو الكثير من هذا أكثر تعقيداً من الفيزياء النيوتونية، لكن هناك لغزاً كلاسيكياً واحداً يبدو أبسط بكثير في النسبية العامة: لماذا تسقط جميع الأجسام بنفس المعدل؟
لقد صنعت عدداً من الفيديوهات حول هذا الموضوع، وكنت دائماً أعطي التفسير النيوتوني القياسي: القوة الوحيدة المؤثرة على جسم في حالة سقوط حر هي وزنه، والتي تساوي كتلته في تسارعه. يمكنك حذف كتلة الجسم من طرفي المعادلة، وبالتالي سيكون لجميع الأجسام نفس التسارع. اللغز هو لماذا استطعنا حذف هاتين الـ "m"؟ الكتلة على اليسار كانت "الكتلة الجاذبية"، بينما الـ "m" على اليمين هي "الكتلة العطالية". لماذا يجب أن تكون هاتان الخاصيتان المختلفتان مفاهيمياً متطابقتين عددياً؟ لقد أمضى العلماء الكثير من الوقت والجهد في اختبار أن هذين النوعين من الكتلة هما نفسهما حقاً. لكن في النسبية العامة، لا يوجد لغز؛ تظهر جميع الأجسام وكأنها تسقط بنفس الطريقة لأنها لا تتسارع أصلاً، إنها تتبع فقط مسارات مستقيمة عبر الزمكان حتى تصطدم بشيء يوقفها. إنها تبدو وكأنها تتسارع بنفس المعدل لأنها ليست هي من يتسارع، بل الأرض هي التي تتسارع نحوها.
قد يبدو الكثير من هذا بعيد المنال، كما كان يبدو في عام 1915 عندما اقترحه أينشتاين. لذا توصل بذكاء شديد إلى تنبؤ قابل للقياس لاختبار نظريته. تخيل أن هذا الصاروخ ينجرف في أعماق الفضاء؛ إذا سلطت شعاع ضوء عبر الصاروخ، فسيفعل بالضبط ما تتوقعه: يسافر الضوء في خط مستقيم ويصيب نقطة على الجدار المقابل بنفس ارتفاع المصدر. ولكن ماذا لو كان هذا الصاروخ يتسارع؟ حسناً، بالنسبة لمراقب خارجي، سيظل يرى نفس الشيء؛ الضوء يسافر في خط مستقيم. ولكن داخل الصاروخ، خلال الوقت الذي يستغرقه الضوء ليعبر المقصورة، سيكون الصاروخ قد زادت سرعته، لذا بحلول الوقت الذي يصطدم فيه بالجدار الآخر، سيصيب نقطة أقل قليلاً من ذي قبل. إذاً، في إطار مرجعي متسارع، ينحرف الضوء للأسفل.
استنتج أينشتاين أن الضوء يجب أن ينحني أيضاً عندما يمر بكتلة كبيرة. ولكن أين تجد كتلة كبيرة بما يكفي؟ الكتلة الضخمة الوحيدة القريبة من الأرض هي الشمس. كانت المشكلة بالطبع هي أن الشمس ساطعة جداً لدرجة أنك لا تستطيع رؤية النجوم بجانبها مباشرة إلا إذا كان هناك كسوف كلي للشمس، وهو ما حدث بالضبط في عام 1919. انطلق آرثر إيدنغتون لالتقاط صور للنجوم بجانب الشمس أثناء الكسوف، وما وجده من خلال تحليل تلك الصور هو أن مواقعها ظهرت منحرفة بالمقدار الدقيق الذي تنبأت به نظرية النسبية العامة لأينشتاين.
لقد اجتازت النسبية العامة تقريباً كل اختبار وُضع لها على مدار المائة عام الماضية أو نحو ذلك. وهناك اختبار تجريبي بسيط مفاهيمياً وهو مقارنة سلوك شحنة ثابتة في حقل جاذبية بشحنة تسقط سقوطاً حراً. إذا كانت الصورة النيوتونية صحيحة، فلا ينبغي للشحنة الثابتة أن تشع إشعاعاً كهرومغناطيسياً، أما الشحنة التي تسقط سقوطاً حراً فهي تتسارع وبالتالي يجب أن تشع. في المقابل، ترى النسبية العامة أن الشحنة التي تسقط سقوطاً حراً لا تتسارع، بينما الشحنة الثابتة هي التي تتسارع وبالتالي يجب أن تصدر إشعاعاً كهرومغناطيسياً. حتى الآن، منعت التحديات اللوجستية أي شخص من إجراء هذه التجربة فعلياً، ولكن ما تعتقد أنه سيحدث يكشف عما تفكر فيه حقاً بشأن طبيعة الجاذبية. هل تعتقد أن الشحنة التي تسقط سقوطاً حراً ستصدر إشعاعاً أم لا؟ هل الجاذبية وهم؟
(بقية الفيديو هي إعلان لراعي الحلقة Caseta من Lutron حول مفاتيح الإضاءة الذكية).