جدید ترین عناوین خبری امروز
مجله علمی کیهان‌شناس

توجه: کلمه عبور به آدرس ایمیل شما ارسال خواهد شد.

اثر نسبیت در زندگی روزمره

۸ راهی که به کمک آن می‌توانید اثر نسبیت را در زندگی روزمره خود ببینید

مفاهیم اساسی نسبیت

نسبیت یکی از معروف‌ترین نظریه‌های علمی است که تاکنون ارائه شده است. سوالی که پیش می‌آید این است که نسبیت چگونه در زندگی روزمره‌ی ما تاثیر می‌گذارد؟

همان‌طور که می‌دانید نظریه‌ی نسبیت خاص در سال ۱۹۰۵ توسط آلبرت اینشتین فرمول‌بندی شد. طبق این نظریه، قوانین فیزیک در همه جای جهان ما یکسان هستند. این نظریه همچنین در توجیه رفتار اجرام در فضا-زمان به ما کمک می‌کند و می‌توانیم وجود سیاه‌چاله‌ها، خم‌شدن نور به دلیل گرانش و حتی جابه‌جایی قطر اطول مداری سیاره عطارد را پیش‌بینی نماییم.

این نظریه به طرز گول‌زننده‌ای ساده به نظر می‌رسد. از اصول این نظریه، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  1. هیچ چارچوب مرجع مطلق و برتری وجود ندارد. در واقع همیشه اندازه‌گیری سرعت یا تکانه‌ی یک جسم و یا چگونگی اثر گذر زمان بر آن، به عوامل دیگری نیز وابسته است.
  2. سرعت نور در همه جا یکسان است. فرقی نمی‌کند چه کسی آن را اندازه بگیرد یا آزمایش‌گر با چه سرعتی حرکت نماید، در هر صورت سرعت نور ثابت خواهد ماند.
  3. هیچ‌چیز نمی‌تواند با سرعتی بیش از سرعت نور حرکت کند.
نسبیت در زندگی
نظریه‌ی نسبیت خاص در سال ۱۹۰۵ توسط آلبرت اینشتین فرمول‌بندی شد. اعتبار تصویر: کی‌استون/ بایگانی هالتون/ گتی

در بسیاری از وسایلی که به‌صورت روزانه استفاده می‌کنیم، پیامد‌های مشهورترین نظریه‌ی اینشتین را می‌توانید مشاهده کنید. اگر قبول کنیم که سرعت نور همیشه یکسان است، زمان برای فضانوردی که با سرعت بسیار زیادی، سرعتی نزدیک به سرعت نور، نسبت به زمین حرکت می‌کند، کندتر از ناظر زمینی خواهد گذشت. به این پدیده «اتساع زمان» می‌گویند.

همچنین اگر جرمی که درون یک میدان گرانشی بسیار بزرگ قرار گرفته است شتابدار شود، اتساع زمان را تجربه می‌کند. در چنین شرایطی فضاپیمای فضانورد، دچار «انقباض طول» خواهد شد. به این معنی که اگر در آن لحظه از فضاپیما عکسی بگیرید، به نظر می‌رسد که در راستای حرکتش فشرده یا منقبض شده است. از طرفی جرم فضاپیما نیز از نگاه ناظر زمینی افزایش پیدا خواهد کرد.

اما برای دیدن اثرات نسبیتی، حتما نیاز نیست فضاپیمایی داشته باشید که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند. در واقع می‌توانید نمونه‌های بسیاری از آثار نسبیت را در زندگی روزمره‌ی خود مشاهده‌ کنید. حتی فناوری‌هایی که امروزه به کار می‌بریم، صحت نظریه‌ی اینشتین را اثبات می‌کنند. در ادامه به چند مورد از این مسائل اشاره می‌کنیم.

الکترومغناطیس

نسبیت در زندگی
دکل‌های برق، از سیم‌هایی که برق را از نیروگاه‌ها به خانه‌ها منتقل می‌کنند پشتیبانی می‌کنند. اعتبار تصویر: لانگ ۸۶۱۴/ Shutterstock.com

مغناطیس یک اثر نسبیتی است و اگر از برق استفاده می‌کنید، باید به خاطر کار کردن مولدها قدردان نسبیت باشید. اگر یک حلقه سیم را وارد یک میدان مغناطیسی کنید، یک جریان الکتریکی تولید می‌شود. ذرات باردار درون سیم، تحت تاثیر این میدان مغناطیسی متغیر قرار گرفته و توسط این میدان به آن‌ها نیرو وارد می‌شود و در نتیجه‌ی آن، یک جریان الکتریکی درون سیم تولید خواهد شد.

حالا تصور کنید که سیم ثابت بوده و آهنربا در حال حرکت است. در این شرایط ذرات باردار درون سیم، الکترون‌ها و پروتون‌ها، دیگر حرکت نمی‌کنند؛ بنابراین میدان مغناطیسی نباید روی آن‌ها اثری گذاشته باشد. اما واقعیت این است که میدان مغناطیسی همچنان روی این ذارت باردار اثر می‌گذارد و دوباره جریان الکتریکی تولید می‌کند. بر اساس این موضوع می‌توانیم نتیجه بگیریم که هیچ چارچوب مرجع مطلق و برتری وجود ندارد.

توماس مور، استاد فیزیک دانشکده‌ی پومونا در کلرمونت کالیفرنیا، از اصل نسبیت برای اثبات صحت قانون فارادی استفاده کرده است. طبق این قانون یک میدان مغناطیسی متغیر، یک جریان الکتریکی تولید می‌کند.

به گفته‌ی مور: «از آن‌جایی که این اصل بنیان و اساس عملکرد ژنراتور‌های الکتریکی و مبدل‌های برق است، هر کسی که از برق استفاده می‌کند در واقع در حال تجربه‌ی آثار نسبیت در زندگی خودش است.»

الکترومغناطیس از طریق نسبیت نیز قابل توجیه است. هنگامی‌که یک جریان مستقیم (DC) از بارهای الکتریکی، درون سیم جریان پیدا می‌کند، در واقع الکترون‌ها در حال عبور از ماده هستند. معمولا سیم از لحاظ الکتریکی خنثی به نظر می‌رسد و هیچ برآیند بار منفی یا مثبتی ندارد. به عبارت دیگر این پدیده نتیجه‌ای از برابر بودن تعداد الکترون‌ها، بارهای منفی، و پروتون‌ها، بارهای مثبت، است. اما اگر یک سیم حامل جریان مستقیم دیگر را در کنار سیم اول قرار دهید، بسته به اینکه دو سیم جریانی در جهت مخالف یا موافق هم داشته‌باشند، یکدیگر را جذب یا دفع خواهند کرد.

۹ حقیقت جالب در مورد آهنربا

ابتدا فرض کنید که هر دو جریان هم‌جهت باشند. در صورتی که هر دو جریان شدت یکسانی نیز داشته باشند، الکترون‌های درون سیم اول، الکترون‌های سیم دوم را بدون حرکت می‌بینند. در این شرایط از دید الکترون‌ها به نظر می‌رسد که پروتون‌های هر دو سیم در حال حرکت هستند. به دلیل انقباض طول نسبیتی، به نظر می‌رسد که بین این پروتون‌ها فاصله‌ی کمتری به‌وجود می‌آید. بنابراین بارهای مثبت بیشتری از بارهای منفی در واحد طول سیم وجود خواهد داشت. از آن‌جا که دو بار مشابه همدیگر را دفع می‌کنند، این دو سیم نیز همدیگر را دفع خواهند کرد.

از طرفی جریان‌هایی با جهت مخالف، یکدیگر را جذب می‌کنند. زیرا از دید سیم اول، الکترون‌های سیم دیگر فاصله‌ی کمتری از یکدیگر دارند و به همین ترتیب برآیند بارهای موجود در آن، بار منفی خواهد شد. در این شرایط پروتون‌های سیم اول، یک برآیند بار مثبت ایجاد می‌کنند و به این ترتیب دو سیم با بار مخالف جذب یکدیگر می‌شوند.

سامانه‌ی موقعیت‌یاب جهانی (GPS)

نسبیت در زندگی
برای اینکه دستگاه‌های شامل GPS شما عملکرد صحیحی داشته باشند، باید اثرات نسبیتی را روی ماهوراه‌ها نیز لحاظ کرد. اعتبار تصویر: ناسا

یکی دیگر از آثار نسبیت در زندگی مربوط به سامانه‌ی موقعیت‌یابی جهانی است. برای اینکه دستگاه‌های شامل GPS شما عملکرد صحیحی داشته باشند، باید اثرات نسبیتی را روی ماهوراه‌ها نیز لحاظ کرد. با اینکه ماهواره‌ها با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت نمی‌کنند، با این حال هنوز هم سرعت زیادی دارند. این ماهوره‌ها سیگنال‌هایی را به ایستگاه‌های زمینی مخابره می‌کنند. این ایستگاه‌ها و همین‌طور دستگاه‌های GPS شما به دلیل گرانش، شتاب بالاتری را نسبت به ماهواره‌ها تجربه خواهند کرد.

برای محاسبه‌ی دقیق این مقدار، ماهواره‌ها از ساعت‌هایی که دقتی برابر یک میلیاردم ثانیه، نانوثانیه، دارند استفاده می‌کنند. از آن‌جایی که هر ماهواره ۱۲۶۰۰ مایل، ۲۰۳۰۰ کیلومتر، بالاتر از سطح زمین قرار دارد و با سرعتی برابر ۶۰۰۰ مایل بر ساعت، ۱۰۰۰۰ کیلومتر بر ساعت، در مداری به دور زمین می‌چرخند؛ به صورت روزانه یک اتساع زمان نسبیتی در حدود ۴ میکروثانیه، برای این ماهواره‌ها اتفاق می‌افتد. اگر اثر گرانش را هم در این مورد لحاظ کنیم، این مقدار به ۷ میکروثانیه افزایش می‌یابد. به طور کل میزان اتساع زمانی که با وجود گرانش باید برای این ماهواره‌ها در نظر گرفته‌شود، ۷۰۰۰ نانوثانیه است.

این مقدار اختلاف زمانی به‌دست آمده کاملا دقیق و واقعی است. زیرا اگر اثرات نسبیتی را برای این ماهواره‌ها لحاظ نکنیم، در صورتی که پمپ بنزین بعدی تنها نیم مایل (۰.۸ کیلومتر) با شما فاصله داشته باشد، پس از گذشت یک روز، یک واحد GPS به شما می‌گوید که این فاصله ۵ مایل (۸ کیلومتر) دورتر از شما قرار گرفته است.

رنگ زرد طلا از آثار نسبیت در زندگی ما است

نسبیت در زندگی
اینکه طلا را به رنگ زرد می‌بینیم یکی دیگر از آثار نسبیت در زندگی ما است. اعتبار تصویر: اپتیمارک/ Shutterstock.com

درخشش بسیاری از فلزات به دلیل این است که الکترون‌ها در سطوح انرژی مختلف یا اوربیتال‌های مختلفی از  اتم وجود دارند. از میان فوتون‌هایی که به فلز برخورد می‌کنند، برخی جذب شده و با طول‌موج بلندتری دوباره بازتاب می‌شوند. البته بیشتر بخش‌های نور مرئی تنها بازتابیده می‌شود.

همان‌گونه که می‌دانید طلا اتم سنگینی است. بنابراین الکترون‌های درونی آن، به قدر کافی با سرعت حرکت می‌کنند که افزایش جرم نسبیتی و انقباض طول در این اتم‌ها چشمگیر باشد. در نتیجه‌ی این آثار نسبیتی، الکترون‌ها در مسیر‌های کوتاه‌تر و با تکانه‌ی بیشتری به دور هسته‌ی اتم می‌چرخند. در این شرایط میزان انرژی الکترون‌ها درون اوربیتال‌های داخلی به انرژی الکترون‌های بیرونی نزدیک‌تر خواهدبود و به همین ترتیب طول‌موج فوتونی که جذب و بازتابیده می‌شود، بلندتر خواهد شد.

طول‌موج‌های بلندتر نور به این معنی است که بخش‌هایی از نور مرئی که در حالت عادی باید بازتاب شوند، جذب می‌شوند و طول موج این نور در انتهای آبی طیف قرار می‌گیرد. نور سفید ترکیبی از تمام رنگ‌های رنگین‌کمان است. اما در مورد طلا زمانی که نور جذب شده و دوباره بازتاب می‌گردد، طول‌موج‌ها معمولا بلندتر می‌شوند. به عبارت دیگر ترکیبی که از امواج نوری می‌بینیم، تمایل دارند رنگ‌های آبی و بنفش کمتری درون خود داشته باشند. این پدیده سبب می‌شود که طلا را به رنگ زرد ببینیم؛ زیرا نورهای زرد، نارنجی و قرمز طول‌موج بلندتری از نور آبی دارند.

طلا به راحتی دچار خوردگی نمی‌شود

نسبیت در زندگی
امروزه صنعت استخراج طلا، بزرگترین منبع آلودگی‌های جیوه‌ای اخیر است. اعتبار تصویر: تکه‌های طلا از Shutterstock

یکی از دلایلی که طلا دچار خوردگی یا زنگ‌زدگی نمی‌شود و با مواد دیگر به‌راحتی واکنش نمی‌دهد، اثرات نسبیتی روی الکترون‌های طلا است.

طلا تنها یک الکترون در لایه‌های بیرونی اتم خود دارد، اما باز هم به اندازه‌ی لیتیوم یا کلسیوم واکنش‌پذیر نیست. در عوض هنگامی که آثار نسبیتی روی این اتم اعمال می‌شود، الکترون‌های آن سنگین‌تر از چیزی می‌شوند که قرار است باشند و در نتیجه در فاصله‌ی نزدیکتری از هسته‌ی اتم قرار می‌گیرند. به عبارت دیگر الکترون‌های لایه‌های بیرونی، در جایی که امکان واکنش دادن با مواد دیگر وجود دارد قرار نمی‌گیرند. تنها حالت ممکن این است که این الکترون‌ها در کنار الکترون‌هایی قرار بگیرند که فاصله‌ی نزدیک‌تری نسبت به هسته‌ دارند.

 جیوه حالتی شبیه به مایع دارد

نسبیت در زندگی
چرا جیوه در دمای اتاق مایع است؟ اعتبار تصویر: مارسل کلمنتس/ Shutterstock.com

جیوه نیز همانند طلا اتمی سنگین محسوب می‌شود. به دلیل سرعتی که الکترون های این اتم دارند و در نتیجه افزایش جرمی که پیدا می‌کنند، در نزدیکی هسته‌ی اتم قرار می‌گیرند. پیوند میان اتم‌های جیوه ضعیف است بنابراین جیوه در دماهای پایین‌تری ذوب می‌شود. این پدیده سبب می‌شود زمانی که به آن نگاه می‌کنیم معمولا شبیه به یک مایع دیده شود.

حتی تلویزیون قدیمی شما نمونه‌ای از اثر نسبیت در زندگی است

نسبیت در زندگی
اعتبار تصویر: اندری مالیش/ Shutterstock.com

تا چند سال پیش، بیشتر تلویزیون و مانیتورها، مجهز به لامپ‌های پرتوی کاتدی بودند. یک لامپ پرتوی کاتدی از طریق شلیک الکترون به وسیله‌ی یک آهنربای بزرگ بر سطح فسفر کار می‌کند. زمانی‌که یک الکترون به پشت صفحه‌ برخورد می‌کند، یک پیکسل روشن ایجاد می‌شود. به عبارت دیگر الکترون‌ها شلیک می‌شوند تا تصویری متحرک با سرعتی بیش از ۳۰ درصد سرعت نور ایجاد کنند. اثرات نسبیتی در این موضوع نیز کاملا مشهود و چشمگیر است و هنگامی که سازندگان می خواستند این آهنرباها را بسازند، مجبور بودند اثرات نسبیتی را نیز در ساخت آن لحاظ کنند.

وجود نور از آثار نسبیت در زندگی ما است

آثار نسبیت در زندگی
باقیمانده‌ای از ابرنواختر W498. این تصویر ترکیبی از تصاویر فروسرخ گرفته‌شده از روی زمین (نواحی قرمز و سبز) با داده‌های X-Ray به‌دست آمده از تلسکوپ فضایی پرتو ایکس چاندرا ناسا (نواحی آبی) می‌باشد. اعتبار تصویر: Caltech/SSC/J. Rho and T. Jarrett and NASA/CXC/SSC/J. Keohane et al.

اگر آیزاک نیوتن در مورد وجود یک چارچوب مرجع مطلق و برتر حق داشت، اکنون باید توضیح متفاوتی را برای نور ارائه می‌دادیم. زیرا در آن شرایط چیزی که امروز به عنوان نور می‌شناسیم، امکان‌پذیر نبود.

به گفته‌ی مور از دانشکده‌ی پومونا: «نه‌تنها تحت چنین شرایطی، مغناطیس وجود نداشت، بلکه نور هم به وجود نمی‌آمد. زیرا بر اساس نسبیت لازم است که تغییرات میدان مغناطیسی با سرعت محدودی صورت بگیرد نه به صورت لحظه‌ای. اگر نسبیت چنین التزامی را به‌وجود نمی‌آورد، میدان‌های الکتریکی به جای اینکه بر اساس قوانین حاکم بر امواج الکترومغناطیسی تغییر کنند، به‌صورت لحظه‌ای تغییر می‌کردند و در این صورت هم اصلا نیاز نبود مغناطیس یا نوری وجود داشته باشند.»

منبع: Live Science

 دسته‌ها:
avatar
  Subscribe  
Notify of

رصد و اکتشافات فضایی

ماه‌گرفتگی چیست
ماه‌گرفتگی چیست و ماه‌گرفتگی بعدی چه زمانی اتفاق می‌افتد؟
43
کشف ماده ژله‌ای در ماه
کشف ماده ژله‌ای توسط کاوشگر چینی در قسمت پنهان ماه
140
گذر کاوشگر خورشیدی پارکر
سومین گذر کاوشگر خورشیدی پارکر از نزدیکی خورشید
83
بارش شهابی برساووشی
چرا بارش شهابی برساووشی سالی یک‌بار اتفاق می‌افتد؟
56
سیاره پرجرم
دومین سیاره پرجرم در مدار ستاره‌ی همسایه‌مان پیدا شد
77