علاقة النظرية النسبية لأينشتاين بنظام تحديد المواقع العالمي GPS
في عالمنا الحديث، أصبح نظام تحديد الموقع العالمي “GPS” لا غنى عنه للسياح والمسافرين، حيث يُعتبر هذا النظام الذي يعتمد على تقنية الأقمار الصناعية، أحد أهم الأدوات التي تساعد في تحديد المواقع والتنقل بكل يسر وسهولة. ومن بين العديد من التطبيقات التي يوفرها الـ GPS، فإن استخدامه في التنقل داخل المدن وبين المناطق الريفية يعد من أبرزها.
ومع تطور التكنولوجيا وانتشار استخدام الهواتف الذكية، أصبحت تقنية GPS لا غنى عنها لأي شخص يرغب في استكشاف مدن جديدة أو الوصول إلى وجهات سياحية بكل يسر ودقة. لكن ما قد لا يدركه الكثيرون هو الدور الذي تلعبه نظرية النسبية لأينشتاين في جعل هذا النظام يعمل بكفاءة ودقة عالية.
سيتم في هذا المقال استكشاف كيفية تأثير نظرية النسبية لأينشتاين على عمل نظام تحديد الموقع، وكيفية تصحيح الأخطاء التي تنشأ نتيجة لتأثيرات السرعة والجاذبية في الأقمار الصناعية. كما سنرى كيف تعمل النظريات الفيزيائية المعقدة هذه على توفير بيانات دقيقة تمكننا من الوصول إلى وجهتنا المحددة بدقة عالية، حتى عندما نكون في أماكن بعيدة وغير مألوفة.
كيف يعمل نظام تحديد المواقع GPS؟
يبدأ نظام تحديد المواقع العالمي “GPS” بتلقي هاتفك لإشارة من أي 4 من الـ 24 قمرا صناعيا التي تدور حول الأرض. لماذا 4؟ حسنًا، تُستخدم ثلاث منها لتحديد موقعك ويتم استخدام الرابعة لتصحيح الموقع المحدد. ولكن كيف يساهم تلقي جوالك إشارات من هذه الأقمار الصناعة في تحديد موقعك؟
الزمن الذي تستغرقه الإشارة التي يرسلها قمر صناعي للوصول إلى هاتفك سيحدد المسافة بينك وبين ذلك القمر. الآن يعرف القمر أن موقعك على بعد مسافة معينة منه؛ لكن في الواقع، يمكنك أن تكون في أي مكان على سطح كرة دائرية بالنسبة للقمر الصناعي في مركز تلك الكرة.
عندما تعرف المسافة بينك وبين القمر الصناعي الثاني، يتم الآن معرفة موقعك ضمن تقاطع اثنين من الكرات الدائرية. بمجرد أن يتصل القمر الصناعي الثالث بالهاتف، فقد تم تحديد موقعك. هكذا يمكن للأقمار الصناعية تحديد مكانك بالضبط.
كيف تؤثر النظرية الخاصة للنسبية على عمل نظام تحديد الموقع GPS؟
حتى الآن، كان بإمكاننا استخدام الرياضيات الأساسية الموجودة في زمن نيوتن للحصول على هذه النقاط البيانية. وهنا تتدخل النظرية النسبية لأينشتاين في كون ان دقات ساعة القمر الصناعي الذي يتحرك بسرعات كبيرة لا تتوافق مع دقات الساعة على الكرة (اطلع على مقال التأخير الزمني). في الواقع، تؤثر كلا من النظرية النسبية الخاصة والنظرية النسبية العامة على سرعة الساعات، لكن دعونا نبدأ بالنظرية الخاصة لنبسط الأمور قبل الحديث عن تأثير النظرية النسبية العامة.
تقول نظرية أينشتاين الخاصة للنسبية إنه نظرًا لأن القمر الصناعي يتحرك بسرعة تبلغ حوالي 4000 م/ث، بينما تتحرك الساعات على خط الاستواء الأرضي بسبب دوران الكوكب بسرعة تبلغ حوالي 465 م/ث، يجب أن تعمل ساعات القمر الصناعي ببطء أكبر قليلاً مقارنة بساعات الخط الاستوائي على الأرض.
في الحقيقة لا تتغير دقات الساعات التي على القمر الصناعي فحسب؛ بل كل شيء في القمر الصناعي يتغير – من اهتزاز الذرات المكونة لاي مادة فيه إلى تردد الكهرباء – كل هذه التغيرات تحدث بسبب السرعة الكبيرة التي يتحرك بها. إذا لم يتم اخذ كل هذه التغيرات في الحسبان فان الخطأ في تحديد الموقع على الأرض، فسيكون بمقدار 2.13 كم/يوم.
يعني هذا أنه إذا كنت في رحلة سياحية تقوم فيها بتسلق جبل إيفرست لمدة 3 أيام فان نظام تحديد الموقع GPS سوف يعطي لصديقك تقدير موقعك بخطأ يصل إلى 6 كيلومترات أي على جبل اخر او منطقة أخرى وهذا الخطأ يزداد بمرور الوقت.
تصحيح الأخطاء
الأخطاء التي تحدث في تقدير الزمن والمسافة يتم بثها عن طريق القمر الصناعي ويتم حساب التصحيحات المطلوبة باستخدام النسبية الخاصة من قبل البرنامج بحيث عند محاولتك الصعود إلى جبل إيفرست، ستصل فعلاً إلى القمة وليس إلى مكان اخر على بعد ست كيلومترات. ومع ذلك، ليست هذه هي التأثيرات النسبية الوحيدة التي تحدث عندما يتعلق الأمر بـ GPS.
هناك نظرية ثانية للنسبية، تُسمى النظرية العامة للنسبية، التي تجددت فيها نظرية الجاذبية. هذه هي النظرية التي يستند إليها فهمنا الحالي للكون.
تدخل النظرية العامة للنسبية في نظام تحديد الموقع GPS
بسبب تأثيرات النظرية النسبية العامة، ستعمل الساعات على القمر الصناعي، الذي يتعرض لجاذبية أقل بكثير من الساعات على خط الاستواء، بشكل أسرع. كانت النظرية السابقة للنسبية الخاصة لها تأثير معاكس، لذلك إذا كانت زيادة وانخفاض السرعة يكونان بنفس القدر، فإنهما ببساطة سيلغيان بعضهما البعض.
للأسف، يتم زيادة تردد الساعة بكثير أكثر مما سيتم تعويضه بالانخفاض الذي تحدثنا عنه سابقًا. مرة أخرى، هذا لا ينطبق فقط على الساعات؛ حتى لو ذهب الشخص وأقام في مكان يعاني من جاذبية أقل بكثير، مثل القمر، فإنه سيظهر له أنه يعيش لفترة أطول من نظرائه على الأرض. في هذه الحالة، ومع ذلك، ليست الفارق في الجاذبية كافيًا لجعل الفارق في العمر أو المظهر بارزًا.
ومع ذلك، نظرًا لأن كل شيء سيتباطأ، بدءًا من حركتهم وأيضًا أي تفاعلات خلوية وذرية، فلن يشعروا بالمزيد من الوقت مقارنة بنا. بالمثل، ستعمل هذه الساعات ببطء نتيجة لتحول التردد الجاذبي، مما يعني أنها ستصدر صوت تقريبًا بمعدل مختلف عند كثافة الجاذبية المختلفة.
الخطأ الزمني الناجم عن هذا التأثير أكبر بكثير من الذي يتسبب فيه حركة القمر الصناعي. في الواقع، سيؤدي إلى خطأ في الملاحة بحوالي 13.7 كم/يوم. في هذا الوقت، ستكون داخل منطقة تبعد حوالي 40 كم بعد 3 أيام من الانطلاق نحو قمة جبل إيفرست.
يتم تصحيح هذه الأخطاء الناتجة عن الجاذبية بنفس الطريقة المستخدمة للأخطاء السابقة. على الرغم من وجود تأثيرات أخرى، إلا أنه من المذهل ببساطة أن نحتاج إلى استخدام نفس النظرية لتحديد كتلة نجم تبعد بمسافات تريليونية منا واستخدام تلك النظرية في العثور على مطعم جيد في مدينة جديدة.
