page contents
مبادئ فيزيائية

كيف تؤثر النظرية النسبية لاينشتين على حياتنا اليومية

كيف تؤثر النظرية النسبية لاينشتين على حياتنا اليومية

 تعد النظرية النسبية من اعظم النظريات التي صاغها البرت اينشتين. انها جاءت لتغير مفاهيم العالم حول المكان والزمان. وتصلني الكثير من الاستفسارات والاسئلة حول كيف تفيدنا النظرية النسبية في حياتنا اليومية طالما انها تتحدث عن سرعات كبيرة تقارن بسرعة الضوء ومن هذا المنطلق قمت باعداد هذا الموضوع تحت باب كيف تعمل الاشياء لتوضيح بعض التطبيقات الهامة من واقع حياتنا اليومية التي ترتبط بشدة بالنظرية النسبية.




من احد نتائج النظرية النسبية هو انه اذا كان هناك مراقبين يتحركان بسرعات مختلفة، فان كلا منهما يحصل على قياسات مختلفة لنفس الحدث. وبالرغم من ذلك فان كلا القياسات صحيحة. لانها نسبية. على سبيل المثال قد يقيس شخص على الارض فترة زمنية لحدث بمئات الاعوام وقد يقيس الفترة الزمنية لنفس الحدث بضعة ساعات اذا كان متحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء. لنأخذ مثالا اخر لشخص يقيس طول سيارة واقفة بالنسبة له ويجدها تساوي وحدة الطول مثلا ولكن عندما تتحرك نفس السيارة بسرعة قريبة من سرعة الضوء فان طولها سوف يبدو اقصر للشخص الواقف. هاتين النتيجتين تعرفان في النظرية النسبية بالتأخير الزمني time dilation والانكماش الطولي length contraction.

ربما تكون على علم بكل تأثيرات النظرية النسبية عندما نتحدث عن سرعات عالية جدا: تقترب من سرعة الضوء. ومع هذا قد تصاب بالدهشة عندما تعلم ان للنظرية النسبية تطبيقات هامة في حياتنا اليومية. وبمناسبة مرور ١٠٠ عام على النظرية النسبية العامة سوف نتحدث عن كيف تؤثر النسبية على حياتنا اليومية.

انظمة تحديد المواقع GPS

تقريبا كل شخص استخدم الهواتف الذكية يعلم انها تستخدم انظمة تحديد المواقع والتي تعرف بتقنية global positioning system وتختصر بـ GPS. في كل مرة تخطط لمسار طريقك ابتداءا من موقعك الحالي فان هاتفك الذكي يتصل مع قمر صناعي ليعرف بالتحديد اين انت على الارض. تدور الاقمار الصناعية حول الارض بسرعة كبيرة تصل إلى 10,000 كيلومتر في الساعة. هذا قد يبدو سريع جدا الا ان هذه السرعة لا تعادل واحد على الف من سرعة الضوء، وبالتالي سوف تعتقد ان هذه السرعة ليست سرعة كبيرة وان النسبية هنا ليس لها تأثير على الاطلاق. لكن حتى عند هذه السرعة الصغيرة بالمقارنة مع سرعة الضوء، الا ان القمر الصناعي يتعرض لظاهرة التأخير الزمني بمقدار يصل إلى 4 ميكروثانية (اي 4×10-6sec) كل يوم. اي ان الزمن بالنسبة للقمر الصناعي يتحرك اسرع من الزمن على الارض واذا اخذنا تأثير الجاذبية والتي تؤدي ايضا إلى زيادة التأخير الزمني – هذا ايضا تنبأت به النظرية النسبية العامة – فاننا نحصل على حوالي 7 ميكروثانية (7×10-6sec) تأخير في كل يوم.

كيف تؤثر النظرية النسبية لاينشتين على حياتنا اليومية

بالرغم من ان هذا مقدار التأخير الزمني صغير جدا والذي يعادل الفترة الزمنية لرمشة عين الا انه اذا لم يؤخذ في الحسبان في انظمة GPS فان كل النظام يفشل في تحديد مكانك على الارض وقد يصل مقدار الخطأ في تحديد المكان لمسافة تصل إلى 8 كيلومتر بعيدا عن موقعك الفعلي. لحسن الحظ فان الاقمار الصناعية مبرمجة لتأخذ هذا التأخير الزمني في الحسبان عندما تقوم بتحديد موقعك على الارض لتحدد لك المسار الصحيح لوجهتك.

لون الذهب

يمتلك الذهب خواص مميزة من ناحية اللون فهو اصفر لامع. يبدو جميل المظهر ومبهج وسوف يدهشك الامر عندما تعلم ان المظهر البراق للذهب هو بسبب تأثيرات النظرية النسبية. عندما تقوم بحساب التردد (او الطول الموجي والذي يعني اللون ايضا) للضوء المبنعث من الذهب بدون الاخذ في الحسبان النظرية النسبية فانك سوف تحصل على تردد اللون الفضي وليس الاصفر. على اي حال فان اللون الحقيقي للذهب يميل نحو الاحمر من الطيف الكهرومغناطيسي.

gold3

يمكن توضيح هذا التناقض عندما نقوم بفحص واختبار كيف تتحرك الالكترونات في الذهب حول مداراتها المختلفة. هناك 79 الكترون في ذرة الذهب و79 بروتون في النواة. في المدارات الالكترونية القريبة من النواة (والتي نعطي لها اسم المدار رقم 1s) تمتلك الالكترونات سرعة كبيرة جدا! انها تترحك بسرعة تصل إلى نصف سرعة الضوء لتتجنب قوة السحب الناتجة عليها من بروتونات النواة الموجبة وهذه السرعة تتسبب في الكثير من التأثيرات النسبية.

لان الالكترونات تتحرك بسرعة عالية فان المدارات المنفصلة تبدو اقرب على ما هي في الحقيقة. لكي ينتقل الالكترون إلى مدار طاقة اعلى فانه يمتص ضوء بطول موجي محدد. في الذهب يحتاج الالكترون إلى ضوء في مدى الاطوال الموجية للاشعة فوق البنفسجية. على اي حال عندما نأخذ التأثيرات النسبية في الحسبان فانه يبدو ان المدارات اصبحت اقرب من بعضها البعض وان الذهب في الواقع يمتص الضوء عند اطوال موجية اكبر حيث يكون في منطقة اللون الازرق من الطيف الكهرومغناطيسي.

يمتص الذهب الضوء الازرق وينعكس عنه اللون الاحمر فقط والنتيجة يظهر لنا الذهب بلونه الاصفر الخلاب.




الكهرومغناطيسية Electromagnets

فقط بعض المواد تمتلك خاصية مغناطيسية طبيعية مثل الحديد على سبيل المثال. الا انه يمكن تحويل اي معدن إلى مغناطيس بتحويله إلى ملف من سلك وتمرير تيار كهربي خلاله. تمتلك المعادن المتكهربة خواص غريبة: انها تؤثر فقط على الاجسام المتحركة ولا تأثير لها على الاجسام الساكنة. انه المغناطيس الكهربي وشكرا للنسبية الخاصة التي جعلت هذا ممكننا!

2000px-Electromagnetism

ان التيار الكهربي ما هو الا تدفق حر لالكترونات تتحرك في مادة المعدن وهذه الالكترونات محاطة بشبكة من البروتونات المستقرة. اذا كان الجسم المشحون ساكنا لا يتحرك بجوار سلك يمر فيه تيار كهربي (المغناطيس الكهربي) فان لا شيء من المتوقع ان يحدث. بالرغم من حركة الالكترونات بالنسبة للجسم المشحون وذلك لان المحصلة الاجمالية للشحنات تساوي صفر لان كثافة البروتونات والالكترونات في السلك متساوية، وبالتالي فان السلك المعدني الذي يمر فيه تيار وهو ساكن بالنسبة للجسم لا يوجد له اي تأثير مغناطيسي يذكر.

على اي حال اذا تحرك الجسم المشحون بجوار السلك ولنفترض انه يتحرك في اتجاه حركة الالكترونات فان هنا النسبية الخاصة تخبرنا بان المسافات بين الالكترونات سوف تزداد بينما المسافات بين البروتونات تقل نتيجة للحركة النسبية بين الجسم المشحون والبروتونات داخل السلك المعدني وهذا ما يعرف بظاهرة. هذا يعني ان كثافة البروتونات الان تصبح اكبر من كثافة الالكترونات ويبدو السلك المعدني الان موجب الشحنةمما يتسبب في جذب الجسم او التنافر معه.

 

أجهزة التلفزيون القديمة

ربما لم تعد اجهزة التلفزيون القديمة مستخدمة حاليا الا انها المعدات داخله لا زالت تعد من الاجهزة التي تستخدم بكثرة حتى في يومنا هذا. ان التلفزيون القديم قبل اختراع شاشات البلازما تمتلك قطعة اساسية لعمله وهي انبوبة اشعة المهبط cathode ray tube والتي تعرف بالاختصار CRT. تعمل انبوبة اشعة المهبط من خلال تسريع حزمة الالكترونات وتوجيهها إلى شاشة العرض المغطاة بطبقة من الفوسفور التي تعطي وميض كلما سقطت عليها الالكترونات. لكن ليس الامر ببساطة اطلاق حزمة من الالكترونات على الشاشة. ان الامر اكثر تعقيدا وهو في توجيه الالكترونات سالبة الشحنة إلى النقطة الصحيحة على شاشة التلفزيون باستخدام المغناطيس (المجال المغناطيسي) حتى تظهر الصورة واضحة ودقيقة.

كيف تؤثر النظرية النسبية لاينشتين على حياتنا اليومية

هذه الالكترونات تتحرك بسرعة تصل تقريبا إلى ثلث سرعة الضوء. هذا يعني ان المهندسين المصممين عليهم ان يأخذوا في عين الاعتبار ظاهرة الانكماش الطولي عند تصميم المغناطيسيات التي تعمل على توجيه الالكترونات لترسم الصور على الشاشة. بدون الاخذ في عين الاعتبار مقدار الانكماش الطولي فان الالكترونات سوف ترسم صورة مشوهة للمشهد. ومن هنا نلاحظ كيف ان النظرية النسبية لها تطبيقات ايضا في اجهزة التلفزيون وشاشات عرض الكمبيوتر القديمة وكل الاجهزة التي تعتمد على انبوبة اشعة المهبط.

الوسوم

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

إغلاق