الحركة النسبية

إن المعلومة المعبر عنها في قانون القصور الذاتي وفي تعريف نيوتن لعمل القوة ، كانت هي والآراء السابقة عليها على طرفي نقيض ، فكان ينظر للمشكلة سابقاً نظرة عكسية – وتم البحث عن تفسيرات لحقيقة اكتساب الحجر المقذوف لسرعته بعد انفصاله عن اليد . لقد ساد اعتقاد بأن فقد الحجر لسرعته أمر طبيعي مفهوم ما دام الدفع Impulse اللازم للاحتفاظ بالسرعة قد انتهى دوره تبعا لما تشير له حيرة اليومية .

فمثلا ، تحتاج العربة المتحركة بانتظام في خط مستقيم الى قوة منتظمة مستمرة فمصدرها الدابة التي تجرها .

أما الحقيقة المسلم بها الآن فهي عكس ذلك تماما ، فأي جسم يحتفظ بسرعة دون أي تغيير طالما لا يقع تحت تأثير أي قوة – فمثال العربة على الطريق لا يطابق هذه الحقيقة لأن العربة تقل سرعتها بفعل الاحتكاك – أما أن العجلة acceleration فقط وليس السرعة هي التي تتحدد مباشرة من القوة فمرجعه  مشاكل محددة وهامة جداً لم تحل تماماً حتى القرن العشرين ، وهي مؤقتاً وثيقة الصلة بالموضوع طالما أنها تشير فقط الى ميكانيكا جاليليو ونيوتن .

أما المعارضون للنظرية الكوبرنيقية التي تقتضي بدوران الأرض حول الشمس فقد أوردوا الاعتراض التالي :

إذا انطلقت قذيفة من مدفع رأسيا لأعلى فإنها تسقط بجوار المدفع ، ولكن إذا تحركت الأرض أثناء هذه العملية مسافة ما تبعاً لنظرية كوبرنيق فإن القذيفة تقع في مكان آخر مختلف تماماً . وشرح جاسندي Gassendi هذه الفكرة المعارضة بتجربة بارعة : من أعلى صاري مركب متحرك بسرعة عالية يسقط الحجر بجوار قاعدة الصاري وليس الخلف عند مؤخرة المركب أو في الماء .

وتفسير ميكانيكا جاليليو – نيوتن هذه النتيجة على نحو مباشر بما يتفق تماماً مع نظرية كوبرنيق لاسيما وان هذه كانت تتنبأ عامة بنتائج تناسب كل التجارب المماثلة. وبالنسبة لما نسلم به حاليا من أفكار مبنية على ميكانيكا جاليليو – نيوتن فإن العملية تتضح فوراً :

في البداية كان الحجر ثابتا في مكانه بأعلى الصاري ثم ترك ليسقط ، ولكنه كان مكتسباً للسرعة الأفقية للمركب وظل محتفظاً بها (مع إهمال مقاومة الهواء) أثناء سقوطه لأسفل .

ويتضح من قوانين نيوتن أن المركب (أو القطار) المتحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم لا يمكن من داخل مقصورة مغلقة به أن ندرك سرعة حركته ما دامت سلسة دون اهتزاز بفرض الحالة المثالية وإلا فمن الطبيعي أن نشعر بهذه الحركة .

فعند إسقاط أي جسم داخل المقصورة المغلقة فإنه يسقط رأسيا نحو الأرضية تماماً تبعا لقانون سقوط الأجسام على الأرض . ولننظر الآن كيف يشاهد ملاحظ على الشاطئ ما يجري داخل مقصورة المركب . إن المؤلف يود إثبات أن الجسم الساقط لا يزال خاضعا لقوانين سقوط الأجسام رغم أن هذا الملاحظ لا يرى مسار الجسم ساقطاً رأسيا وإنما على منحنى قطع مكافئ – وبسرعة أفقية (ما دام لا يوجد مقاومة من هواء مقصورة المركب ) .

إن تصور السرعة تصور نسبي ، فالراصد على الشاطئ يرى جميع الأشياء داخل مقصورة المركب متحركة بسرعة مختلفة بالنسبة للراصد المتحرك مع المركب الذي يجري التجربة ؛ فالأول يرى كل شيء متحرك بالمقصورة قد اكتسب الى جانب حركته حركة المركب أيضا . ولذلك ينبغي أن نلحق بكلمة سرعة عبارة (بالنسبة للمركب) أو (بالنسبة للشاطئ) تجنباً لأي لبس .

عندما يتحرك مركب بسرعة ثابتة (بالنسبة للشاطئ) فإن عجلة أي جسم بالنسبة للمركب تظل كما هي بالنسبة للشاطئ رغم اختلاف السرعات النسبية ، وعليه تنطبق نفس قوانين الميكانيكا سواء على الحركة بالنسبة للمركب أو بالنسبة للشاطئ ، وفي كلا نظامي الإسناد reference system تنجم عن القوى نفس العجلات .

هذا الاكتشاف بأن احداً لا يستطيع تحديد الحركة المنتظمة لمكان مغلق من داخله بأي جهاز ميكانيكي – بسيطاً كان أو معقداً – ويعمل تبعا لقوانين نيوتن ، هذا الاكتشاف يسمى مبدأ النسبية principle of relativity ، وشأنه شأن مبدأ حفظ الطاقة يعد أكثر القوانين الفيزيائية المعروفة شمولاً وعموماً ، وحتى الآن تحققنا من صحته من خلال ميكانيكا جاليليو – نيوتن ولكن أهميته تمتد الى أبعد من ذلك بكثير ليشمل جميع مجالات الفيزياء .

لذلك لا نستطيع من خلال أي تجربة ميكانيكية على الارض أن ندرك أن سرعة الأرض (بالنسبة للشمس) 30 كيلو متراً / ثانية وأن سرعة الشمس (بالنسبة لسكة التبانة) أكبر من ذلك .

ولا يمكننا معرفة ما إذا كانت سكة التبانة كوحدة متكاملة تتحرك بسرعة منتظمة في خط مستقيم رغم أنها بحجمها الهائل لا تمثل سوى جزيرة صغيرة في الفضاء فمثلا ، أي جسم إدراك دورانه من خلال التأثيرات الميكانيكية على نحو ما يتم مع شخص جالس في أرجوحة دوارة وهو مغمض العينين من جراء القوة الطاردة المركزية centrifugal force التي تضغط على جسده عن طريق الجدار الخارجي للأرجوحة – وتبعاً لقانون القصور الذاتي ينطلق الجسم في اتجاه مماس للدائرة بسبب الحركة الدورانية ما لم يحجزه هذا الجدار ؛ كما نلاحظ أيضاً عجلة التزايد أو التناقض بنفس الطريقة التي تتناقض بانتظام في خط مستقيم أثناء بدء الحركة أو توقفها ، وسبب ذلك فقط هو التعاقب المنتظم غير الملحوظ والناجم عن عجلة الجسم فقط بالنسبة لعربة القطار تماماً كعجلة عربة القطار بالنسبة للقضبان الثابتة .