ثماني تطبيقات واقعية لنظرية أينشتاين في النسبية

النسبية هي واحدة من النظريات العلمية الأكثر شهرة في القرن 20 ، ولكن ما مدى تفسيرها للأشياء التي نراها في حياتنا اليومية؟

بدأ ألبرت أينشتاين في صياغة نظرية النسبية في عام 1905 لشرح سلوك الأجسام في المكان والزمان، وبفعل هذه النظرية أصبح من السهل التنبؤ بأشياء مثل وجود الثقوب السوداء، وانحناء الضوء بسبب الجاذبية وسلوك الكواكب في مداراتها.

النظرية بسيطة بشكل مخادع. أولًا، لا يوجد إطار مرجعي “مطلق”: في كل مرة تقيس فيها سرعة الجسم أو زخمه أو كيفية تعرضه للوقت، يكون ذلك دائمًا مرتبطا بشيء آخر. ثانيً=ا ، سرعة الضوء هي نفسها بغض النظر عمن يقيسها أو مدى سرعة الشخص الذي يقيسها. ثالثا ، لا شيء يمكن أن يذهب أسرع من الضوء.

وتترتب على النظرية الشهيرة لأينشتاين تأثيرات عميقة. إذا كانت سرعة الضوء دائمة، فهذا يعني أن المسافر الفضائي الذي يتحرك بسرعة عالية بالنسبة للأرض سيرى الثواني تمر ببطء أكبر مما يراه المراقب المتجه نحو الأرض. يبطئ الوقت بالنسبة للمسافر الفضائي بشكل أساسي – وهو ما يُعرف بظاهرة تمدد الزمن.

ويُعرض أي جسم في مجال جاذبية قوي لتأثير تمدد الزمن أيضًا. وفي الوقت نفسه، تتعرض مركبة الفضاء التي يستقلها المسافر الفضائي لانضغاط طولي، مما يعني أنه إذا التقطت صورة للمركبة أثناء حركتها، فسيبدو وكأنها “مضغوطة” في اتجاه الحركة. بالنسبة للمسافر الفضائي داخل المركبة، فإن كل شيء يبدو طبيعيًا. بالإضافة إلى ذلك، يبدو أن كتلة المركبة الفضائية تزداد وفقًا لوجهة نظر الناس على الأرض.

ولكن لا حاجة لأن تكون مركبة فضائية قريبة من سرعة الضوء لترى تأثيرات النسبية. هناك العديد من الحالات اليومية التي يمكن رؤيتها والتي تثبت صحة نظرية أينشتاين. إليك بعض الأمثلة:

المغناطيس الكهربائي

المغناطيسية هي تأثير نسبي، ويمكنك أن ترى ذلك واضحًا في المولدات. إذا أخذت ملفًا من الأسلاك وحركته عبر مجال مغناطيسي، فإنك تولد تيارًا كهربائيًا.

تتأثر الجسيمات المشحونة في السلك بالمجال المغناطيسي المتغير، مما يجبر بعضها على التحرك ويخلق التيار.

لكن الآن، تخيل السلك في حالة سكون وتخيل أن المغناطيس يتحرك. في هذه الحالة، لا تتحرك الجسيمات المشحونة في السلك (الإلكترونات والبروتونات)، لذا لا ينبغي أن يؤثر المجال المغناطيسي عليها. لكنها تفعل ذلك، ولا يزال التيار يتدفق. هذا يدل على أنه لا يوجد إطار مرجعي متميز.

يستخدم توماس مور، أستاذ الفيزياء في كلية بومونا في كليرمونت بكاليفورنيا، مبدأ النسبية لإثبات قانون فاراداي، الذي ينص على أن المجال المغناطيسي المتغير يخلق تيارًا كهربائيًا.

“بما أن هذا هو المبدأ الأساسي وراء المحولات والمولدات الكهربائية، فإن أي شخص يستخدم الكهرباء يعاني من آثار النسبية”، يقول مور لـ “Live Science”.

تعمل المغناطيسات الكهربائية عن طريق النسبية أيضًا. عندما يتدفق تيار مباشر من الشحنة الكهربائية عبر سلك، تنجرف الإلكترونات عبر المادة.

نظام تحديد المواقع والملاحة

لكي يعمل نظام الملاحة GPS في سيارتك بدقة كما هو الحال، يجب على الأقمار الصناعية مراعاة التأثيرات النسبية، وفقًا لـ PhysicsCentral. هذا لأنه على الرغم من أن الأقمار الصناعية لا تتحرك في أي مكان قريب من سرعة الضوء، إلا أنها لا تزال تسير بسرعة كبيرة.

ترسل الأقمار الصناعية أيضًا إشارات إلى المحطات الأرضية على الأرض. وتشهد جميع هذه المحطات (وتقنية GPS في السيارة أو الهاتف الذكي) تسارعًا أعلى بسبب الجاذبية من الأقمار الصناعية الموجودة في المدار.

للحصول على هذه الدقة الدقيقة، تستخدم الأقمار الصناعية ساعات دقيقة تصل دقتها إلى بضع نانوثانية (جزء من المليار من الثانية).

نظرًا لأن كل قمر صناعي يبلغ طوله 12,600 ميل (20,300 كيلومتر) فوق الأرض ويتحرك بسرعة حوالي 6,000 ميل في الساعة (10,000 كم / ساعة)، فهناك تمدد زمني نسبي يصل إلى حوالي 4 ميكروثانية كل يوم. أضف تأثيرات الجاذبية، ليصل تأثير تمدد الوقت إلى حوالي 7 ميكروثانية (جزء من المليون من الثانية).

الفرق حقيقي للغاية: إذا لم يتم حساب أي تأثيرات نسبية، فإن وحدة GPS التي تخبرك أنها على بعد نصف ميل (0.8 كم) من محطة الوقود التالية ستكون على بعد 5 أميال (8 كم) بعد يوم واحد فقط، وفقًا لـ Physics Central.

اللون الأصفر الذهبي

معظم المعادن لامعة لأن الإلكترونات في الذرات تقفز من مستويات طاقة مختلفة أو “مدارات”. يتم امتصاص بعض الفوتونات التي تصطدم بالمعدن وتعيد انبعاثها، وإن كان بطول موجي أطول. ومع ذلك، ينعكس معظم الضوء المرئي.

الذهب عنصر ثقيل، لذلك تتحرك الإلكترونات الداخلية بسرعة كافية بحيث تزداد الكتلة النسبية ويكون تقلص الطول كبيرًا، وفقًا لبيان صادر عن جامعة هايدلبرغ في ألمانيا.

ونتيجة لذلك، تدور الإلكترونات حول النواة في مسارات أقصر، مع كمية حركة أكبر. تحمل الإلكترونات الموجودة في المدارات الداخلية طاقة أقرب إلى طاقة الإلكترونات الخارجية، والأطوال الموجية التي يتم امتصاصها وتنعكسها أطول.

تعني الأطوال الموجية الأطول للضوء أن بعض الضوء المرئي الذي ينعكس عادة يتم امتصاصه، وأن الضوء يقع على الطرف الأزرق من الطيف.

الضوء الأبيض هو مزيج من جميع ألوان قوس قزح، ولكن في حالة الذهب، عندما يتم امتصاص الضوء ويعاد انبعاثه، عادة ما تكون الأطوال الموجية أطول. هذا يعني أن مزيج موجات الضوء الذي نراه يميل إلى أن يكون أقل زرقًا وبنفسجيًا.

ونظرًا لأن الضوء الأصفر والبرتقالي والأحمر أطول من الضوء الأزرق، يبدو الذهب مصفرًا، وفقًا لهيئة الإذاعة البريطانية.

مقاومة الذهب للتآكل

التأثير النسبي على إلكترونات الذهب هو أيضًا أحد أسباب عدم تآكله أو تفاعله بسهولة مع أي شيء آخر، وفقا لورقة عام 1998 في مجلة Gold Bulletin.

يحتوي الذهب على إلكترون واحد فقط في غلافه الخارجي، لكنه لا يزال غير تفاعلي مثل الكالسيوم أو الليثيوم. بدلًا من ذلك، نظرًا لأن الإلكترونات الموجودة في الذهب “أثقل” مما ينبغي أن تكون عليه، نظرًا لأنها تتحرك بالقرب من سرعة الضوء، مما يزيد من كتلتها، فإنها تكون أقرب إلى النواة الذرية. هذا يعني أنه من غير المحتمل أن يكون الإلكترون الخارجي في المكان الذي يمكن أن يتفاعل فيه مع أي شيء على الإطلاق. ومن المرجح أيضًا أن يكون من بين الإلكترونات القريبة من النواة.

الزئبق السائل

الزئبق هو أيضًا ذرة ثقيلة، مع وجود إلكترونات بالقرب من النواة بسبب سرعتها وما يترتب على ذلك من زيادة في الكتلة. الروابط بين ذرات الزئبق ضعيفة، لذلك يذوب الزئبق في درجات حرارة منخفضة وعادة ما يكون سائلًا عندما نراه، وفقًا لـ Chemistry World.

تلفزيونك القديم

حتى أوائل عام 2000، كانت معظم أجهزة التلفزيون والشاشات تحتوي على شاشات أنبوب أشعة الكاثود. يعمل أنبوب أشعة المهبط عن طريق إطلاق إلكترونات على سطح الفوسفور بمغناطيس كبير. يصنع كل إلكترون بكسل مضاء عندما يضرب الجزء الخلفي من الشاشة، وتنطلق الإلكترونات لجعل الصورة تتحرك بسرعة تصل إلى 30% من سرعة الضوء.

التأثيرات النسبية ملحوظة، وعندما شكل المصنعون المغناطيس، كان عليهم التفكير في هذه التأثيرات، وفقًا لـ PBS News Hour.

الضوء

افترض إسحاق نيوتن أن هناك إطار راحة مطلق، أو إطار مرجعي خارجي مثالي يمكننا مقارنة جميع الإطارات المرجعية الأخرى به. لو كان على حق، لكان علينا أن نأتي بتفسير مختلف للضوء، لأنه لن يحدث على الإطلاق.

قال مور: “لن تكون المغناطيسية غير موجودة فحسب، بل لن يكون الضوء موجودًا أيضًا، لأن النسبية تتطلب أن تتحرك التغييرات في المجال الكهرومغناطيسي بسرعة محدودة بدلًا من التحرك بشكل فوري.. إذا لم تطبق النسبية هذا المطلب سيتم الإبلاغ عن التغييرات في المجالات الكهربائية على الفور بدلًا من الموجات الكهرومغناطيسية، ولن تكون المغناطيسية والضوء ضروريان”.

الشمس

بدون معادلة أينشتاين الأكثر شهرة – E = mc ^ 2 – لن تشرق الشمس وبقية النجوم. في وسط نجمنا الأم، تضغط درجات الحرارة والضغوط الشديدة باستمرار على أربع ذرات هيدروجين منفصلة في ذرة هيليوم واحدة، وفقًا لجامعة ولاية أوهايو.

كتلة ذرة الهليوم الواحدة أقل بقليل من كتلة أربع ذرات هيدروجين. ماذا يحدث للكتلة الزائدة؟ يتم تحويلها مباشرة إلى طاقة، وهي التي تظهر كضوء الشمس على كوكبنا.