8_All_Tag

ماعلاقةنظريةأينشتاينللنسبيةبالزئبقالسائلولونالذهب؟ يمانالشريف لميكنهناكفهمأعمقلطبيعةالكونمماجاءعلىلسانعالمالفيزياءالنظريةالألماني"ألبرتأينشتاين"حينماوصفهبأنّهنسيجديناميكيمترابطيتقاطعفيهالزمانوالمكانفيكيانواحديُعرفبـ"الزمكان",وأنّهناكعلاقةوطيدةتربطبينالطاقةوالكتلةتفسّروجودالمادةحولنا وعليه,فقدصاغتلكالمفاهيمفيإطاررياضيموحديُعرفبحقلمعادلات"أينشتاين",وتنبأتحلولتلكالمعادلاتالمعقدةوالمليئةبالرموزالرياضيةالمرتبةفينسقبالغالدقةبوجودظواهرفلكيةمثيرةمثلالموجاتالثقاليةوالثقوبالسوداءوالتأثيرالجاذبيعلىالضوءوتمددالزمنوتحدبالكونوانغلاقهعلىنفسه,وغيرهامنالظواهر وأكدتالتجاربالعلميةصحةتلكالادعاءات,ابتداءمنبعثتيالفلكيين"فرانكواتسوندايسون"و"آثرستانليإدينغتون"اللذينانطلقابرحلتينمنفصلتينفيعام1919لتتبّعكسوفكلّيللشمس,أحدهمااتجهإلىجزيرة"برينسيبي"قبالةسواحلالقارةالأفريقيةغربا,والآخرنحو"سوبرال"فيالبرازيل,وكانتالمهمةهيقياسمدىتأثرضوءالنجومبكتلةالشمسعندمرورهبالقربمنها1 الألمانيألبرتأينشتاينصاحبنظريةالنسبية وخلالالعقودالتالية,توالتالاكتشافاتالفلكيةمؤكدةلتنبؤات"أينشتاين",وكانالتقاطصورمباشرةلظلّثقبأسودفيمناسبتينخلالالأعوامالقليلةالماضيةهوآخرتلكالإنجازاتالفريدةولاينبغيأنتقتصردلالاتالنسبيةعلىالعوالمالبعيدةفحسب,بلإنّثمّةشواهدحقيقيةمباشرةيمكنالاستدلالبهاعلىصحةالنظرية,حتّىأنّهاباتتتمثّلجزءامنحياتنااليومية ماعلاقةنسبيةأينشتاينبالحركةوالسرعة؟ طرحالعالمالألمانيالشابنظريتهالأولىفيالنسبيةفيعام1905,والتيتُعرفبالنسبيةالخاصة,شارحاالعلاقةبينالسرعةوالكتلةوالطولوالزمن,وفسّركذلكأحدأهمأركانالفيزياءالحديثةوهوتأصيلوشرحمفهومالإطارالمرجعي,والذييقصدفيهالنظامالإحداثيالذييستندعليهالمراقبفيقياسالظواهرالفيزيائيةعلىحركةالأجسام وقداعتمد"أينشتاين"فيالنسبيةالخاصةعلىأنيكونهذاالإطارالمرجعي"عطاليا"دونتسارع,أيأنّيكونالنظامالإحداثيفيحالةسكونأوثباتفيالسرعة ووفقاللنسبية,تعدقوانينالفيزياءثابتةومتجانسةلجميعالمراقبينالذينيتحركونبحركةمنتظمةبالنسبةلبعضهمالبعض,وهومبدأيُعرفبـ"ثباتالقوانينالفيزيائية",ممايعنيأنهبغضالنظرعنمدىسرعةالمراقبين,فإنالمبادئالفيزيائيةالأساسيةالتيتحكمالكونتظلثابتة لكنفيحالاختلفتسرعةالمراقبينولمتتساوَ,فإنّالنسبيةالخاصةتبرزأهميتهاهناوتقدّممفاهيمجديدةحولالزمنوالمسافةبأنّهماقيمليستمطلقة;كونهمايعتمدانعلىالحركةالنسبيةللمراقبوالجسمالمراقبمعا وهذامنشأنهأنيؤديإلىظواهرفلكيةمذهلةمثلتمددالزمنوتباطؤه,إذتدورعقاربالساعةفيالأجسامالمتحركةبشكلأبطأمماهوعليهالحالعندالمراقبالذييبقىساكناأوفيسرعةأبطأ,بالإضافةإلىأنّالطوليتقلّصوتبدوالأجسامالمتحركةأقصرفياتجاهالحركة,وأخيرافإنكتلةالأجسامالمتحركةتزدادظاهرياكمايراهامراقبساكنولاتتحققتلكالتغيراتبشكلملحوظإلاإذاكانتسرعةالأجسامنسبيةمعسرعةالضوء,أيتعادلجزءالايقلعنحوالي10-20%أوأكثرمنسرعةالضوء مبادئالنسبيةالأساسية تعتمدالنسبيةفيمبادئهاالأساسيةعلىثلاثةعوامل: اعتمادالإطارالمرجعيالعطالي للضوءسرعةقصوىفيالكونولايمكنلأيّشيءتجاوزها,وتعادل300ألفكيلومترفيالثانية,وفيحالجمعالسرعات,فإنالسرعةالقصوىبينهماستكونسرعةالضوءفقط,حتىوإنتحركالجسمانبسرعةالضوء سرعةالضوءلاتتغيّرمهمااختلفتسرعةالمراقب نظامالتموضع(الملاحة)العالمي يُعدنظامالتموضعالعالمي(جيبيأس)أبرزالتطبيقاتالمباشرةعلىالنسبية,إذباتجزءالايتجزأفيمعظمالمركباتوالهواتفبعدأنكانمقتصراعلىالاستخداماتالعسكريةفحسب,ويعتمدهذاالنظامعلىمجموعةواسعةمنالأقمارالصناعيةالتيتحيطبالكوكبفي"المدارالأرضيالمتوسّط"علىمسافة20ألفكيلومترتقريبا,لتوفّرمعلوماتدقيقةحولإحداثياتالمواقععلىسطحالأرضتحتأيّظرفجوّي ويظهرأثرالنسبيةجلياعلىنظامالتموضعالعالميعلىمستويين;الأوّلوهوعلىمستوىاختلافالسرعة,فالأقمارالصناعيةتبلغسرعتها14ألفكيلومترافيالساعة,قاطعةبذلكدورتينكاملتينحولالأرضفياليومالواحد,وهذهسرعةعاليةمقارنةبتلكالساعاتالموجودةعلىالأرض,وعليهيحدثتمددزمنينسبييبلغحوالي7ميكروثانيةفياليوملصالحالأقمارالصناعية أحدأقمارنظامالتموضعالعالمي(جيبيإس) أماالأثرالثانيفيتمثلفياختلافتأثيرالجاذبيةعلىالأقمارالصناعية,إذيقدّرهذاالتأثيرأضعفبأربعمرّاتمنتأثيرالجاذبيةعلىسطحالأرض,وعليه,فإنّالساعةفيالقمرالصناعيتمضيبشكلأسرعبنحو45ميكروثانيةفياليوم وبعمليةحسابيةبسيطة,فإنّالنتيجةالنهائيةهيأنّالوقتبالنسبةللأقمارالصناعيةالتابعةلنظامالتموضعالعالمييتأخرعماهوعليهالحالعلىالأرضبنحو38ميكروثانيةفياليوم ورغمأنّهذاالقدريبدوضئيلا,فإنّالعواقبوخيمةوستتراكمإزاحةنسبيةمعمرورالوقتفيحاللمتؤخذبعينالاعتبارقوانينالنسبيةفيالنظامالملاحي,فمحطّةالوقودالتيتبعدعنك1كيلومترستكونقدابتعدتعنك10كيلومتراتفينهايةيومواحدفقط2 النسبيةوالكهرومغناطيسية للنسبيةتأثيرمباشرعلىالمجالالمغناطيسيالكهربائي,وهومغناطيسيتولّدمجالهالمغناطيسيعنطريقمرورتياركهربائيمنتظمفيسلكما,وقدلايكونذلكالتأثيرواضحافيالوهلةالأولىإلاأنّأخذهبعينالاعتبارضروريفعندمايتدفقالتيارالكهربائيعبرسلكلإنشاءمجالمغناطيسيكهربائي,تتأثرحركةالإلكتروناتفيالسلكبمبادئالنسبية ووفقالنظريةالنسبيةلأينشتاين,عندماتتحركالجسيمات(مثلالإلكترونات)بسرعاتعاليةجدا,تزدادكتلتهاوينكمشطولهاكذلك,وعندمايتدفقالتيارعبرسلك,فإنهيولدمجالامغناطيسياحولالسلكيتفاعلهذاالمجالالمغناطيسيمعمجالاتمغناطيسيةأخرىقريبة,أومعموادموصلة,لإنتاجتأثيراتمفيدةمثلجذبأوتنافرالأشياء,أوتحريضالتيارفيالأسلاكالقريبة مرورتياركهربائيفيملفمعدنييولدمجالامغناطيسيا,والعكسصحيح وتتأثرقوةوسلوكهذهالمجالاتالمغناطيسيةبالتأثيراتالنسبيةلأنسرعةالإلكترونات,علىالرغممنأنهاليستقريبةمنسرعةالضوء,لاتزالتؤثرعلىكيفيةتوليدالمجالالمغناطيسيوانتشاره وعلاوةعلىذلك,فعندمايتدفقالتيارعبرسلكويتفاعلمعسلكآخرقريب,فإنالحركةالنسبيةللإلكتروناتفيكلاالسلكين(بسببالتيار)تؤثرعلىكيفيةتفاعلهمامعامغناطيسيا,وهذاالتفاعل,الذيتحكمهالقوىالكهرومغناطيسيةوتتأثربمبادئالنسبية,ويشكلأساسعملالأجهزةالكهروميكانيكيةمثلالمحولاتوالمحركاتوالمولداتالمستخدمةباستمرارفيحياتنااليومية3 ماعلاقةالنسبيةبلونالذهبالأصفر؟ ينتميالذهبإلىمجموعةمميّزةمنالمعادنالتيتُعرفبـ"الفلزاتالانتقالية",والتيتشملأيضاالنحاس,وهماعنصرانيمتلكانإرثاطويلافيتاريخالبشريةفيمجالسكالعملةوالتداولوعلىخلافمعظمهذهالفلزاتالتيتتميزبلونهاالفضي,يتمتعالذهببلونهالأصفرالبراق,الذييُطلقعليهأحيانااللونالذهبيويتضحأنلقوانينالنسبيةتأثيرامباشرافياكتسابالذهبلهذااللونالمميّزعنبقيةالمعادن,ويُعرفهذاالتأثيربـ"كيمياءالكمالنسبية" تصف"كيمياءالكمالنسبية"كيفأنالجسيماتعندتحركهابسرعاتعاليةقريبةمنسرعةالضوءتكتسبطاقةإضافيةوتتحوّلإلىكتلة,وتصبحهذهالظاهرةمهمةللذراتذاتالأعدادالذريةالعاليةمثلالذهبووضعالعالمالفيزيائيالألماني"أرنولدسومرفيلد",معادلةتقريبيةلحسابسرعةالإلكترونداخلالذرةبالنسبةإلىسرعةالضوء,وهيمفيدةلفهمالتأثيراتالنسبيةفيالعناصرالثقيلة ووفقاللمعادلةالرياضيةفإنّالذهبالذييمتلكعدداذريايساوي79,تتحرّكفيهالإلكتروناتبسرعةتقدربحوالي58%منسرعةالضوءفيالمدارالذريالخارجي,فيحينتصلسرعتهاإلى90%منسرعةالضوءفيالمداراتالداخلية وتشتهرمعظمالمعادنبأنّهالامعةلأنّالإلكتروناتفيذراتهاتقفزبينمداراتطاقةمختلفة,وعندماتصطدمالفوتونات(جسيماتالضوء)بسطحالمعدن,تُمتصبعضهاثمّتنبعثمجددالكنبأطوالموجيةمختلفة,بينماينعكسمعظمالضوءالمرئيممايمنحالمعدنمظهرهاللامع وفيالذهب,كونهعنصراثقيلايحتويعلىإلكتروناتداخليةتتحرّكبسرعةكبيرةبسببالتأثيراتالنسبية,تجعلهذهالتأثيراتالإلكتروناتتسيرفيمساراتأقصروأكثرطاقةحولالنواة,ممايغيرديناميكياتالطاقةبحيثتصبحالأطوالالموجيةللضوءالتييتمامتصاصهاوانعكاسهابواسطةالذهبأطول ونتيجةلذلك,يمتصالذهبالأطوالالموجيةالأقصرمنالضوءمثلاللونالأزرق,ويعيدإطلاقهالكنبأطوالموجيةأطولمنالضوء,مثلالأصفر,وينطبقالأمركذلكعلىمعدنالسيزيوموالذييظهربذاتاللونلأسبابمماثلة4 لماذاالزئبقسائلوباقيالمعادنصلبة؟ يقعالزئبقمباشرةبعدالذهبفيالجدولالدوريولهآثارنسبيةواضحةتظهرفيحالتهالسائلةعنددرجةحرارةالغرفة,علىعكسجميعالمعادنالأخرىالتيتكونصلبةفينفسدرجةالحرارةووفقالنظريةالنسبية,تتحركالإلكتروناتالداخليةفيالعناصرالثقيلةمثلالزئبقبسرعةكبيرة,ممايؤديإلىتغيّرفيسلوكهاإذتكتسبكتلةنسبيةإضافيةوتتقلصمداراتالذرّةنفسها,وتقتربالإلكتروناتأكثرمنالنواةالتيتحتويعلىعددكبيرمنالبروتونات يؤثرهذاالانكماشالنسبيعلىكيفيةارتباطذرّاتالزئبقببعضهاالبعض,فعادة,تكوّنالمعادنروابطقويةلأنإلكتروناتهايمكنهاالتحرّكبحرية,ممايخلق"بحرا"منالإلكتروناتالسابحةفيهلكنفيحالةالزئبق,يقللالانكماشوزيادةطاقةربطالإلكترونات-بسببالسرعةالعالية-منفرصحدوثنفسنوعالترابطالذرّيالقويونتيجةلذلك,لاتلتصقذرّاتالزئبقببعضهاالبعضبقوةمثلذراتالمعادنالأخرى,ممايجعلهفيحالةسائلةعنددرجةحرارةالغرفة وربّمايتساءلالقارئعنبقيةالعناصرالكيميائيةالأثقلمنالزئبق,لمَلاتكونفيحالةسائلةهيالأخرىإذاكانتتتأثربالنسبية؟والإجابةتكمنفيعددالإلكتروناتالموجودةفيالمدارالخارجي(غلافالتكافؤ),والتيتحددطبيعةالعلاقةبينذراتالعنصرفعلىسبيلالمثال,الذراتالثقيلةمثلالرصاصواليورانيومتمتلكعدداكافيامنالإلكتروناتلتشكيلروابطقويةصلبةعنددرجةحرارةالغرفة,علىعكسالزئبق المصادر: [1]محرروالموقع(التاريخغيرمعروف)دايسونوإدينجتونيقدمانأولدليلتجريبيعلىالنسبيةالعامةالاستردادمن:https://www.historyofinformation [2]ويل,مكليفرد(2006)نسبيةأينشتاينوالحياةاليوميةالاستردادمن:https://www.gps-forums.com/threa [3]بارد,إسكريستوفر(2016)كيفيكونالمجالالمغناطيسيمجردمجالكهربائيمعتطبيقالنسبية؟الاستردادمن:https://www.wtamu.edu/~cbaird/sq [4]محرروالموقع(2015)نظريةالنسبيةلأينشتاينتشرحالخصائصالأساسيةللذهبالاستردادمن:https://www.uni-heidelberg.de/pr [5]هاوس,لورا(2013)النسبيةوراءسيولةالزئبقالاستردادمن:https://www.chemistryworld.com/n