بعد مرور 100 عام: هذه أهم تطبيقات النظرية النسبية في الحياة والعلم

في يوم 25 نوفمبر 1915، قدم العالم الفيزيائي الشهير ألبرت أينشتين النظرية النسبية العامة للعالم وذلك أمام “الأكاديمية البروسية للعلوم” في برلين.

النظرية التي قدمت على أنها نظرية معتمدة على المعادلات والإثباتات الرياضية دون أي تجارب علمية تثبت الادعاءات الموجودة بها، تسبب في ثورة علمية لا مثيل لها وأدت إلى تغيير مسار العلم والفيزياء بل وحياة البشر أنفسهم. وبالرغم من أن المجتمع العلمي في ذلك الوقت لم يستطع تقبل هذه النظرية “الثورية” التي انقضت على مبادئ الفيزياء الخاصة بالعالم الإنجليزي إسحق نيوتن، إلا أن العديد من العلماء ساهموا في إثبات هذه النظرية عبر العديد من التجارب العملية، ليرتفع شأن أينشتين للقمة.

وقد يعتقد البعض أن النظرية النسبية هي مجرد نظرية من عالم الخيال والتي تتحدث عن انحناء الضوء وتباطؤ الزمن وتحويل الطاقة لكتلة والعكس، لكن ما لا يعلمه الكثيرون هو أن النظرية النسبية أصبح لها العديد والعديد من التطبيقات في عالمنا المعاصر.

1- نظام الملاحة العالمي (GPS)

تتكون أنظمة الملاحة العالمية من 3 مكونات هي وحدة التحكم ووحدة الفضاء ووحدة المستخدم. وحدة الفضاء تتكون من أقمار صناعية تدور في مدارات محددة. ووحدة التحكم تتمثل في محطة تقوم باستقبال جميع البيانات المرسلة من وحدة الفضاء.

هناك الكثير من التأثيرات “النسبية” التي تحدث في أنظمة الملاحة العالمية، جميع مكونات نظام الملاحة الثلاثة تتواجد في أطر مرجعية مختلفة، وبالتالي فإنه ينبغي توحيد هذه التأثيرات النسبية حتى يتم إعطاء معلومات دقيقة للمستخدم في النهاية.

بشكل أبسط فإن السرعة التي تتحرك بها كل من الأقمار الصناعية والمحطة الأرضية والمستخدم مختلفة بشكل كبير، لذلك فإن الساعات الذرية المستخدمة في كل وحدة من الوحدات الثلاثة لن تتزامن نتيجة اختلاف السرعات، وبالتالي فلا بد من إعادة مزامنتها. هنا فإنه يتم الأخذ في الاعتبار مجموعة من المعايير بينها مجال جاذبية كوكب الأرض.

القمر الصناعي غالبًا يدور على ارتفاع 20300 كيلومتر بسرعة تقدر بحوالي 10000 كيلومتر في الثانية. نتيجة لهذا فإنه يوجد تأخير في وصول البيانات من الفضاء للأرض يقدر بحوالي 4 ميكروثانية كل يوم. وبإضافة عامل الجاذبية الأرضية فإن التأخير يرتفع لحوالي 7 ميكروثانية كل يوم.

قد تظن أن هذه الأرقام قليلة جدًّا وغير ذات أهمية، ولكن عند تطبيقها بالفعل فإنه لو لن نأخذ في الاعتبار التأثيرات النسبية، فإن جهاز جي بي إس الذي سيخبرك أن المسافة بين بيتك ومكان عملك 800 متر فقط سيتحول في اليوم التالي ويخبرك أن بيتك أصبح على مسافة 8 كيلومتر.

2- القنبلة النووية

فاجأ أينشتين العالم كله عندما أخرج معادلته التي تقول أنه يمكن تحويل الكتلة إلى طاقة والعكس. تسابق العالم في وقت من الأوقات خلال الحرب العالمية الثانية لتحويل هذه المعادلة الرياضية البسيطة التي تقول أن الطاقة تساوي الكتلة مضروبة في مربع سرعة الضوء.

هذا الأمر جعل العلماء يعملون بكل جدية لتحويل النظرية إلى تطبيق لأنهم اكتشفوا أن الكتل هي عبارة عن طاقات ضخمة جدًا مختزنة وتحتاج إلى وسيلة لانطلاقها. بدأ العلماء يقتربون من تحقيق الحلم مع اكتشاف المواد المشعة مما أوجد مثالًا واضحًا وطبيعيًّا عن كيفية تحول الكتلة إلى طاقة.

في عام 1932 تمكن العالم جيمس شادويك من اكتشاف النيوترون والذي أصبح جسمًا مناسبًا للتجارب النووية لأنه جسيم متعادل كهربائيًّا. استخدم الجسيم في قذف مواد مختلفة من أجل دراسة الإشعاع. وفي عام 1938 كانت التجربة الأكثر إثارة عندما تم قذف اليورانيوم بنيوترون ليفاجأ العلماء بحدوث عملية انشطار للنواة تسببت في خروج جسيمات جديدة من النيوترونات ليتحول هذا التفاعل إلى تفاعل متسلسل.

عام 1942 تم بناء أول مفاعل نووي في الولايات المتحدة الأمريكية ويتم تدشين مشروع “مانهاتن” الذي قام بوضع مادة البلوتونيوم كمادة في أول قنبلة نووية تعرفها البشرية.

3- المولد الكهربائي

يدخل المولد الكهربائي في العديد والعديد من الأدوات الكهربائية التي نستخدمها حول العالم. فمن مولدات الكهرباء بالسدود إلى محرك السيارات والطائرات، وغيرها الكثير، أصبح المولد الكهربائي جزءًا لايتجزأ من حياتنا.

تعتمد فكرة المولد الكهربائي على خاصية فيزيائية تسمى الكهرومغناطيسية. والكهرومغناطيسية ما هي إلا إحدى تطبيقات نسبية أينشتين. فإذا ما أخذت سلكًا معدنيًّا وقمت بتمريره داخل مجال مغناطيسي فستلاحظ نشأة تيار كهربي في السلك المعدني.

كان العلماء يعتقدون أنه إذا ما قمنا بتثبيت السلك المعدني وتحريك المجال المغناطيسي فإنه لن ينشأ تيار كهربي في هذه الحالة. لكن الحقيقة عكس ذلك وسيتم توليد تيار كهربي بالفعل في هذه الحالة. الكرومغناطيسية تعمل من خلال مبدأ النسبية.

فعندما يمر تيار كهربي متردد خلال سلك ما فإن الإلكترونات السالبة تتدفق عبر هذا السلك. السلك من الخارج يبدو متعادل الشحنة حيث أن عدد الإلكترونات السالبة مساوٍ لعدد البروتونات الموجبة. لكننا إذا وضعنا سلكًا آخر يحمل تيارًا كهربيًّا بجوار السلك الأول سنلاحظ أن السلكان يتنافران، وهو ما يعني أن كلًّا منهما يحمل نفس الشحنة.

هنا يأتي دور النسبية، فإذا افترضنا أن اتجاه التيارين واحد في السلكين فإن الإلكترونات في السلك الأول سترى الإلكترونات في السلك الثاني ساكنة، وبالتالي سيبدو أن البروتونات في كلا السلكين متحركان وبسبب انكماش الطول النسبي فسيبدو أن البروتونات متقاربة جدًّا، وبالتالي فسيتم ملاحظة أن هناك عدد أكبر من الشحنات الموجبة أكثر من الشحنات السالبة في نفس الطول من السلك، وبالتالي فسيتنافر السلكان عن بعضهما.

4- مدار عطارد

أحد التطبيقات المباشرة وفي نفس الوقت أحد الاثباتات التي أكدت صحة النظرية النسبية كان ذلك الأمر المتعلق بمدار الكواكب. فعندما استخدم العلماء قوانين نيوتن للجاذبية من أجل تحديد مدار الكواكب حول الشمس، لاحظوا أن كوكب عطارد يدور في مدار تفترضه معادلات نيوتن لكنه يختلف قليلًا عما رصدوه في الحقيقة.

شغل هذا الأمر العلماء لفترة طويلة حتى جاءت النظرية النسبية. أينشتين في نظريته قال بأن الجاذبية ما هي إلا مجال وليس قوة. وقال أن الجاذبية تنشأ نتيجة حدوث تشوه في الزمان والمكان في المناطق المحيطة بالكتل. هذه التشوهات هي عبارة عن انحناءات صنعها الجسم ذو الكتلة الأكبر، وبالطبع كلما زادت كتلة الجسم كلما زاد مقدار التشوه الحادث مما يؤدي لزيادة مجال الجاذبية حول الكتلة.

النسبية تشير إلى أن الأجسام ذات الكتلة الأقل سوف تقع في الانحناء الذي صنعه الجسم الرئيسي ذو الكتلة الأكبر، وبالتالي فإن الجسم الرئيسي سيقوم بأسر الأجسام الصغيرة في مجال جاذبيته.تخيل أنك أتيت بملاءة أو غشاء من المطاط المشدود ثم ألقيت كرة فوقه فإنها ستتدحرج بشكل مستقيم. لكن إذا ما كانت هناك كرة موضوعة في منتصف الملاءة فإنها ستسبب إنحناء في سطح الملاءة يتسبب في أن الكرة المتدحرجة ستتخذ مسارًا باتجاه الكرة الثابتة.

تخيل أن الملاءة غير مرئية بالنسبة لنا، سنقول في هذه الحالة إن الكرتين قد انجذبتا لبعضهما البعض، لكن الحقيقة هي أن هذا الانجذاب سببه انحناء في الزمكان حول إحدى الكرتين.

عندما تم تطبيق هذا النموذج على كوكب عطارد اكتشف العلماء تطابق المدار مع فروض النظرية وهو ما كان إثباتًا ملفتًا للنظرية النسبية في ذلك الوقت.

5- الثقب الأسود

عندما تكون النسبة بين كتلة جسم إلى نصف قطره كبيرة جدًّا بشكل كافٍ، فإن النظرية النسبية تتنبأ بتكون ثقب أسود. الثقب الأسود هو منطقة من الكون حيث لا يستطيع أي شيء الهرب من جاذبيته حتى الضوء نفسه. أهمية الثقب الأسود تكمن في أنه هو المركز الرئيسي لأي مجرة ولولاه لما وجدت المجرة.

يرجع ذلك إلى أن الثقب الأسود تبلغ كتلته كتلة ما بين بضعة ملايين إلى بضعة مليارات من كتلة الشمس في مساحة تزيد بعض الشيء عن مساحة الشمس. هذا الأمر يكون مجالًا للجاذبية لا يمكن تصوره مما يسمح بجذب الملايين بل المليارات من النجوب في مدارها.

6- السفر عبر الزمن

لعله ليس تطبيقًا عمليًا لكنه تطبيق فني ثقافي. فلولا أن حلول بعض معادلات نيوتن قد أشارت إلى وجود “منحنيات في الزمن”، مما يعني إمكانية التحرك عبر الزمن. لكن الظروف التي يجب توفرها لحل هذه المعادلات هي ظروف لا يمكن الحصول عليها في الواقع. العلماء يأملون أن العلم قد يتوصل إلى مزيد من الاكتشافات التي يمكن أن تساعد في توفير مثل هذه الظروف.

لكن مثل هذه النظرية الغريبة سرعان ما التقطتها أيدي وعقول الروائيين والفنانين لتتحول سريعًا إلى أعمال أدبية وفنية ألهمت العالم وغيرت من نظرته للكون ككل. بل إن البعض بدأ يضع قوانين لمن يسافر عبر الزمن وخاض الكثير في فلسلفة هل يؤثر المسافر إلى الماضي في الحاضر والمستقبل أم أن السفر عبر الزمن لا يكون إلا إلى الأمام فقط، أم أنه لا يمكن السفر عبر الزمن بالفعل لكن يمكن رؤية المستقبل.

المصدر : ساسة بوست