تخيل أنك تقف على رصيف وتشاهد قطاراً يمر أمامك. إذا سار شخص ما داخل القطار نحو الأمام، فإنك تتوقع أن تكون سرعته بالنسبة لك مساوية لسرعة القطار مضافاً إليها سرعة مشيه. تتوافق هذه القاعدة مع حياتنا اليومية لأن السرعات التي نعهدها صغيرة جداً مقارنة بأي حد أساسي للسرعة في الكون.
والآن، استبدل الشخص الذي يمشي بومضة ضوئية. يمكنك أنت ومراقب آخر يتحرك الاتفاق على توقيت تشغيل المصباح ومكانه، ومع ذلك، تؤكد النسبية الخاصة أن كليكما سيقيس سرعة الضوء ويجدها ذات القيمة. هذه القيمة هي سرعة الضوء، ويُرمز لها بالرمز ، وتُقاس بوحدة المتر في الثانية (m/s). لا يكمن اللغز في الجانب الرياضي، بل في التعارض بين قواعد جمع السرعات المألوفة في حياتنا اليومية وبين ما تكشفه التجارب العلمية حول الضوء.
تخيل مختبراً طويلاً، وفي منتصفه يوجد مصباح ضوئي. يقوم مراقب ساكن داخل المختبر بتشغيل المصباح ويراقب نبضة ضوئية تتجه نحو اليمين. وفقاً للمنطق اليومي، تكون سرعة الضوء بالنسبة للمختبر قيمة ثابتة، لنسمّها .
والآن، ضع مراقباً ثانياً على عربة تتحرك نحو اليمين بسرعة بالنسبة للمختبر. هنا، تمثل سرعة العربة مقاسة بالمتر في الثانية، ونعتبر الاتجاه نحو اليمين هو الاتجاه الموجب. يرى مراقب العربة أيضاً النبضة نفسها وهي تتحرك نحو اليمين وتمر بجانبه. تنص قاعدة جمع السرعات المألوفة على أنه إذا تحرك جسم ما بسرعة في إطار مرجعي معين، فإن سرعته في إطار مرجعي آخر يتحرك بسرعة في الاتجاه نفسه تصبح أو ، وذلك يعتمد على من يطارد من.
إذن، ما الذي يتوقعه كل مراقب؟
يبدو هذا التوقع حتمياً ومنطقياً، لأنه ينطبق على حالات مألوفة مثل الكرات المقذوفة، وانتقال الصوت في الهواء، وحركة السيارات على الطرق السريعة. لنستكشف المشهد من وجهتي النظر كلتيهما.
في الفيزياء، لا تُعد “السرعة” مجرد شعور بالانطلاق السريع، بل هي قيمة عددية ناتجة عن إجراء محدد. وأبسط هذه الإجراءات هو قسمة “المسافة المقطوعة” على “الزمن المستغرق”، حيث تُقاس المسافة بالأمتار (m) والزمن بالثواني (s).
لنتخيل أنك ترغب في قياس سرعة نبضة ضوئية دون الاعتماد على أي نظرية مسبقة؛ حينها ستحتاج إلى عنصرين أساسيين:
تكون النتيجة التي تحسبها كالتالي:
حيث تمثل السرعة المقاسة بوحدة متر/ثانية (m/s). وتظل هذه المعادلة صالحة طالما أن الحركة تتم على طول مسار معلوم، ويمكنك تحديد حدثي البداية والنهاية لتلك الرحلة.
وهنا تبرز أهمية النتيجة التجريبية؛ فإذا أجريت هذا القياس باستخدام مصدر متحرك، أو كاشف متحرك، أو كليهما، فإن سرعة الضوء المقاسة في الفراغ تظل ثابتة عند القيمة بالنسبة لأي مراقب قصوري (inertial observer). والمراقب القصوري هو من لا يخضع لتسارع، أي أن حركته منتظمة ومستقيمة، مما يجعل قانون نيوتن الأول سارياً في إطاره المرجعي.
لنلقِ نظرة على إعداد عملي لعملية القياس هذه.