منذ أكثر من قرن من الزمان، أحدث ألبرت أينشتاين ثورة في فهمنا للمكان والزمان من خلال نظريته النسبية الرائدة. في عام 1905، اقترح أينشتاين أن الزمان والمكان ليسا ثابتين، بل هما نسبيان بالنسبة للإطار المرجعي للراصد. تحدى هذا المفهوم الفهم التقليدي للفيزياء وفتح آفاقًا جديدة للبحث والاكتشاف. واليوم، لا تزال نظرية أينشتاين النسبية تُستخدم على نطاق واسع لتفسير ظواهر مثل الثقوب السوداء، وموجات الجاذبية، وسلوك الجسيمات عالية السرعة. لكن النسبية ليست مجرد مفهوم علمي معقد؛ ولها تطبيقات عملية في حياتنا اليومية. حيث تلعب النسبية دورًا مهمًا في العديد من جوانب التكنولوجيا الحديثة. في هذه المقالة، سنتعرف على 8 طرق لرؤية نظرية النسبية لأينشتاين
محتويات المقال :
النظرية النسبية
أحد أكثر الجوانب المحيرة للعقل في نظرية النسبية لأينشتاين هو مفهومها للزمان والمكان. لعدة قرون، كان البشر يؤمنون بالإحساس المطلق بالزمان والمكان، حيث كان الزمن مفهومًا خطيًا ثابتًا وكان المكان كيانًا ثابتًا ثلاثي الأبعاد. ومع ذلك، تحدى أينشتاين هذه الفكرة من خلال طرح فكرة أن الزمان والمكان نسبيان.
لنقل أنك تقف على رصيف محطة القطار، وتشاهد قطارًا يمر بسرعة عالية. من وجهة نظرك، يتحرك القطار بسرعة، ويشعر الركاب على متنه بمرور الوقت بشكل طبيعي. ولكن ماذا لو سألت أحد هؤلاء الركاب عن تجربتهم؟ من وجهة نظرهم، سيقولون أن القطار واقف، والمنصة هي التي تتحرك بسرعة. من هو على حق؟ وفقا لأينشتاين، كلاكما على حق، لأن الزمان والمكان نسبيان، وقياسهما يعتمد على الإطار المرجعي للراصد.
قد يبدو هذا المفهوم بسيطا، ولكن له آثار بعيدة المدى. وهذا يعني أن الوقت يمكن أن يتباطأ أو يتسارع اعتمادًا على حركة المراقب وموقعه في مجال الجاذبية. ويعني أيضًا أن الفضاء ليس كيانًا ثابتًا ثلاثي الأبعاد، ولكنه نسيج ديناميكي رباعي الأبعاد متشابك مع الزمن.
النظرية بسيطة بشكل مخادع. أولاً، لا يوجد إطار مرجعي “مطلق” بمعنى أنه في كل مرة تقيس فيها سرعة جسم ما، أو زخمه أو كيفية تجربته للوقت، يكون ذلك دائمًا في علاقة بشيء آخر. ثانيًا، سرعة الضوء هي نفسها بغض النظر عن من يقيسها أو مدى سرعة الشخص الذي يقيسها. ثالثًا، لا شيء يمكن أن يتحرك أسرع من الضوء.
إن أي جسم في مجال جاذبية كبير يتسارع، وبالتالي فإنه يتعرض أيضًا لتمدد الزمن. وفي الوقت نفسه، تتعرض مركبة رائد الفضاء لانكماش الطول، مما يعني أنه إذا التقطت صورة للمركبة الفضائية أثناء تحليقها، فستبدو وكأنها “مضغوطة” في اتجاه الحركة. ولكن بالنسبة لرائد الفضاء الموجود على متن المركبة، فإن كل شيء سيبدو طبيعيًا. بالإضافة إلى ذلك، ستبدو كتلة المركبة الفضائية وكأنها تتزايد من وجهة نظر الأشخاص على الأرض.
انكماش الطول (length contraction) هو عندما يتحرك جسم بسرعة قريبة من سرعة الضوء بالنسبة لمراقب، فإن طول هذا الجسم في اتجاه حركته ينكمش بالنسبة للمراقب الذي يلاحظ هذا الجسم. يعني ذلك أن الطول الذي يقيسه المراقب الذي يتحرك مع الجسم سيكون أطول من الطول الذي يقيسه المراقب الثابت الذي يرى الجسم يتحرك بسرعة عالية.
سرعة الضوء
سرعة الضوء هي مفهوم أساسي في النظرية النسبية لأينشتاين. إنه ثابت لا يتغير أبدًا، بغض النظر عن مكان وجودك أو مدى سرعة تحركك. لقد أحدثت هذه الفكرة ثورة في فهمنا للمكان والزمان، ومن الضروري فهم هذا المفهوم لتقدير النظرية ككل.
إن سرعة الضوء هي نفسها لجميع المراقبين، بغض النظر عن حركتهم النسبية. هذا يعني أنه إذا كنت تتحرك بسرعة عالية بالنسبة لشخص آخر، فسوف تقومان بقياس سرعة الضوء بنفس الطريقة. هذه فكرة محيرة للعقل، لأنها تتحدى مفهومنا الكلاسيكي للمكان والزمان.
يُشار إلى سرعة الضوء بالحرف c، وتبلغ حوالي 300,000 كيلومتر في الثانية. هذا الثابت هو جانب أساسي من جوانب الكون، وقد تم قياسه وتأكيده مرات لا تحصى من خلال التجارب. سرعة الضوء ليست مجرد رقم؛ إنه المفهوم الذي يكمن في قلب فهمنا للكون.
أظهرت النظرية النسبية لأينشتاين أن سرعة الضوء ليست مجرد ثابت عالمي، ولكنها أيضًا حد لا يمكن تجاوزه. لا يمكن لأي جسم أن يصل إلى سرعة الضوء أو يتجاوزها، الأمر الذي له آثار بعيدة المدى على فهمنا للمكان والزمان والجاذبية.
المغناطيسية
توليد الكهرباء والمغناطيسية هما المجالان اللذان تلعب فيهما النسبية دورًا مهمًا. عندما تتحرك حلقة من السلك عبر مجال مغناطيسي، فإنها تولد تيارًا كهربائيًا. ولكن ماذا يحدث عندما يكون السلك في حالة سكون ويتحرك المغناطيس؟ قد تعتقد أن الجسيمات المشحونة في السلك لن تتأثر، لكنها تتأثر، ولا يزال التيار يتدفق. وهذا يوضح أنه لا يوجد إطار مرجعي متميز، وهو مفهوم أساسي في النسبية.
تعمل المغناطيسات الكهربائية أيضًا وفقًا للنسبية. عندما يتدفق تيار مباشر من الشحنة الكهربائية عبر سلك، تنجرف الإلكترونات عبر المادة. عادةً، يبدو السلك محايدًا كهربائيًا، بدون شحنة موجبة أو سالبة صافية، لأن السلك يحتوي على نفس عدد البروتونات (الشحنات الموجبة) والإلكترونات (الشحنات السالبة). ولكن إذا وضعت سلكًا آخر به تيار مباشر بجواره، فإن الأسلاك تجتذب أو تتنافر، اعتمادًا على الاتجاه الذي يتحرك فيه التيار، وفقًا لعلماء الفيزياء في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين.
بافتراض أن التيارات تتحرك في نفس الاتجاه، فإن الإلكترونات في السلك الثاني تكون بلا حركة مقارنة بالإلكترونات في السلك الأول. (هذا بافتراض أن التيارات لها نفس القوة تقريبًا). وفي الوقت نفسه، تتحرك البروتونات في كلا السلكين مقارنة بالإلكترونات في كلا السلكين. وبسبب انكماش الطول النسبي (relativistic length contraction)، يبدو أن المسافة بينهما أكبر، لذلك هناك شحنة موجبة أكثر من الشحنة السالبة لكل طول من السلك. نظرًا لأن الشحنات المتشابهة تتنافر، فإن السلكين يتنافران أيضًا.
تؤدي التيارات في الاتجاهين المتعاكسين إلى التجاذب، لأنه مقارنة بالسلك الأول، تكون الإلكترونات في السلك الآخر أكثر ازدحامًا، وبالتالي تخلق شحنة سالبة صافية، وفقًا لجامعة إلينوي في أوربانا شامبين. وفي الوقت نفسه، تخلق البروتونات في السلك الأول شحنة موجبة صافية، وتتجاذب الشحنات المتعاكسة.
نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)
نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) هو عبارة عن شبكة من الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض وتوفر معلومات الموقع لأجهزة استقبال نظام تحديد المواقع على الأرض. لكن هل تعلم أن النظرية النسبية لأينشتاين تلعب دورًا حاسمًا في جعل تقنية نظام تحديد المواقع العالمي تعمل بدقة؟
تتحرك الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي بسرعات عالية بشكل لا يصدق، حوالي 10000 كم / ساعة، وتكون على ارتفاع 20300 كيلومتر فوق سطح الأرض. ووفقاً للنظرية النسبية لأينشتاين، فإن هذا يعني حدوث تمدد زمني، مما يجعل ساعات الأقمار الصناعية تعمل بشكل أبطأ من الساعات المماثلة على الأرض بنحو 7 ميكروثانية في اليوم. قد يبدو هذا رقمًا صغيرًا، لكنه يتراكم بسرعة، وإذا ترك دون تصحيح، فقد يتسبب في حدوث أخطاء موضعية في نظام تحديد المواقع العالمي تصل إلى 8 كيلومترات يوميًا.
للتعويض عن هذا التأثير، يتم تعديل ساعات الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي لتتناسب مع الساعات الأرضية. وهذا يضمن أن إشارات الأقمار الصناعية متزامنة بدقة مع ساعات أجهزة الاستقبال. تعد هذه المزامنة أمرًا بالغ الأهمية، لأنها تسمح لمستقبلات نظام تحديد المواقع العالمي بحساب موقعها وسرعتها بدقة.
لون الذهب وقلة تفاعله
على المستوى الذري، تتحرك إلكترونات الذهب بسرعات لا تصدق، قريبة من سرعة الضوء. وهذا يؤدي إلى اكتسابها كتلة نسبية، مما يؤثر بدوره على مستويات الطاقة والمدارات الخاصة بها. حيث تتحرك الإلكترونات الداخلية في ذرات الذهب بسرعة كبيرة بحيث تزداد كتلتها النسبية ويتقلص طولها بشكل كبير، مما يؤدي إلى مسارات أقصر حول النواة.
ونتيجة لذلك، تحمل الإلكترونات الموجودة في المدارات الداخلية للذهب المزيد من الطاقة، مما يؤثر على الطريقة التي تمتص بها الضوء وتعكسه. عندما يسقط الضوء على الذهب، يتم امتصاص الأطوال الموجية الأقصر للضوء الأزرق والبنفسجي، بينما تنعكس الأطوال الموجية الأطول للضوء الأصفر والبرتقالي والأحمر. ولهذا السبب يبدو الذهب أصفر اللون.
ولكن هذا ليس كل شيء، فالتأثيرات النسبية على إلكترونات الذهب تجعله أيضًا أقل تفاعلاً وأكثر مقاومة للتآكل. حيث يحتوي الذهب على إلكترون واحد فقط في غلافه الخارجي، لكنه ليس بنفس تفاعل الكالسيوم أو الليثيوم. بدلاً من ذلك، نظرًا لأن الإلكترونات في الذهب “أثقل” مما ينبغي أن تكون، لأنها تتحرك بالقرب من سرعة الضوء، مما يزيد من كتلتها، فإنها تكون محكمة بالقرب من نواة الذرة. وهذا يعني أن الإلكترون الأبعد من غير المرجح أن يكون حيث يمكنه التفاعل مع أي شيء على الإطلاق؛ أي أنه من المرجح أن يكون بين الإلكترونات القريبة من النواة. هذه الخاصية الفريدة للذهب جعلت منه معدنًا قيمًا ومرغوبًا فيه عبر التاريخ.
الزئبق والتلفزيونات القديمة
الزئبق هو أيضًا ثقيل، حيث يتم الاحتفاظ بالإلكترونات بالقرب من النواة بسبب سرعتها وزيادة كتلتها الناتجة. إن الروابط بين ذرات الزئبق ضعيفة، لذلك يذوب الزئبق في درجات حرارة منخفضة ويكون عادةً سائلًا عندما نراه.
حتى أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين تقريبًا، كانت معظم أجهزة التلفاز والشاشات مزودة بشاشات أنبوب أشعة الكاثود. ويعمل أنبوب أشعة الكاثود بإطلاق الإلكترونات على سطح الفوسفور بمغناطيس كبير. حيث يصنع كل إلكترون بكسلًا مضاءً عندما يصطدم بالجزء الخلفي من الشاشة، وتنطلق الإلكترونات لتحريك الصورة بسرعة تصل إلى 30٪ من سرعة الضوء. التأثيرات النسبية ملحوظة، وعندما شكل المصنعون المغناطيس، كان عليهم مراعاة هذه التأثيرات.
الضوء والشمس
لقد افترض إسحاق نيوتن أن هناك إطار سكون مطلق، أو إطار مرجعي خارجي مثالي يمكننا مقارنة جميع الأطر المرجعية الأخرى به. ولو كان محقًا، لكان علينا أن نتوصل إلى تفسير مختلف للضوء، لأنه لن يحدث على الإطلاق.
لن تكون المغناطيسية موجودة فحسب، بل لن يكون الضوء موجودًا أيضًا، لأن النسبية تتطلب أن تتحرك التغيرات في المجال الكهرومغناطيسي بسرعة محدودة بدلاً من التحرك بشكل لحظي. وإذا لم تفرض النسبية هذا الشرط، فإن التغيرات في المجالات الكهربائية ستنتقل بشكل لحظي، بدلاً من خلال الموجات الكهرومغناطيسية، ولن تكون المغناطيسية والضوء ضروريين.
وبدون معادلة أينشتاين الأكثر شهرة، (E = mc^2)، لن تشرق الشمس وبقية النجوم. في مركز الشمس، تعمل درجات الحرارة والضغوط الشديدة باستمرار على ضغط أربع ذرات هيدروجين منفصلة في ذرة هيليوم واحدة، وفقًا لجامعة ولاية أوهايو. كتلة ذرة هيليوم واحدة أقل قليلاً من كتلة أربع ذرات هيدروجين. إذن ماذا يحدث للكتلة الزائدة؟ تتحول مباشرة إلى طاقة، والتي تظهر على شكل ضوء الشمس على كوكبنا.
المصدر
8ways you can see Einstein’s theory of relativity in real life | live science
Author: أخبار علمية
سعدنا بزيارتك، جميع مقالات الموقع هي ملك موقع الأكاديمية بوست ولا يحق لأي شخص أو جهة استخدامها دون الإشارة إليها كمصدر. تعمل إدارة الموقع على إدارة عملية كتابة المحتوى العلمي دون تدخل مباشر في أسلوب الكاتب، مما يحمل الكاتب المسؤولية عن مدى دقة وسلامة ما يكتب.
التعليقات :