8 روشی که می‌توانید «نظریه نسبیت» را در زندگی روزمره ببینید

در سال 1905 میلادی/1284 خورشیدی، آلبرت انیشتین نظریه نسبیت خود را مطرح کرد و با آن توانست رفتار اجرام را در فضا و زمان توجیه کند. به علاوه، این نظریه توانست حضور اجرامی مثل سیاهچاله‌ها را پیش‌بینی و پدیده‌های توجیه نشده زمان خود را توصیف کند.

این نظریه بسیار ساده است. در ابتدا این نظریه می‌گوید که هیچ چارچوب مرجعی در جهان «مطلق» نیست. چنین چیزی به این معنی است که خاصیت‌های فیزیکی یک جرم مثل سرعت و تکانه آن همیشه به چیزی (یعنی چارچوب مرجع) وابسته است. سپس این نظریه سرعت نور را مطلق می‌داند؛ یعنی فرقی نمی‌کند چه کسی از کجا و چگونه سرعت نور را اندازه می‌گیرد، این سرعت همیشه ثابت است. به علاوه، هیچ چیزی سریعتر از نور نمی‌تواند حرکت کند؛ یعنی در جهان محدودیتی برای سرعت حرکت اجرام وجود دارد و آن سرعت نور است.

مفاهیمی که نظریه نسبیت به ما ارائه می‌دهد، بسیار عمیق است. برای مثال، این نظریه نشان می‌دهد که اگر فضانوردی با سرعت بسیار بیشتری «نسبت» به زمین حرکت کند، زمان برای او آهسته‌تر از افراد روی زمین می‌گذرد که به پدیده اتساع زمان (time dilation) شناخته می‌شود. هر جرمی که در یک میدان گرانشی قوی قرار بگیرد، شتاب می‌گیرد و در نتیجه، دچار اتساع زمان می‌شود.

به علاوه، فضاپیمای این فضانورد دچار انقباض طول (length contraction) می‌شود. این پدیده به این معنی است که اگر بتوانید در یک لحظه از این فضاپیما عکس بگیرید، مشاهده می‌کنید که طول فضاپیما در راستای حرکتش منقبض شده است. البته، این آنجایی که فضانورد داخل این فضاپیما «نسبت» به آن ساکن است، همه چیز برای او عادی به نظر می‌رسد.

با این حال، نیازی نیست که حتما فضاپیمایی داشته باشید که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کند تا بتوانید تاثیرات نسبیتی را مشاهده کنید. همین حالا که این نوشته را می‌خوانید، در زندگی روزمره ما اتفاقاتی می‌افتد که بدون نظریه نسبیت امکان‌پذیر نبود. این بار در دیجیاتو به سراغ پدیده‌های نسبیتی رفته‌ایم که به راحتی می‌توان در زندگی روزمره آن‌ها را مشاهده کرد.

1. ناوبری GPS

ماهواره‌هایی در مدار زمین فعالیت می‌کنند تا بتوانند موقعیت دقیقتان را روی گوشی موبایل شما نشان دهند. البته، از آنجایی که این ماهواره‌ها با سرعت زیادی به دور زمین گردش می‌کنند، باید تاثیرات نسبیتی را در نظر بگیرند تا بتوانند در زمان و مکان دقیق، موقعیت شما را روی نقشه نشان دهند.

با اینکه این ماهواره‌ها اصلا با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت نمی‌کنند، اما این سرعت زیادشان نسبت به ما تاثیراتی در دقت اطلاعات آن‌ها می‌گذارد. این ماهواره‌ها سیگنال‌هایی به ایستگاه‌های مخابراتی زمین می‌فرستند تا همیشه همگام باشد.

این ماهواره‌ها برای اینکه بسیار دقیق کار کنند، ساعت‌هایی دارند که با دقت چند نانوثانیه کار می‌کنند. از آنجایی که این ماهواره‌ها تا ارتفاع تقریبا 20 هزار کیلومتری از سطح زمین و با سرعت ده هزار کیلومتر بر ثانیه فعالیت می‌کنند. در این شرایط، اتساع زمان 4 میکروثانیه در هر روز اتفاق می‌افتد. به علاوه، اجرامی که روی زمین وجود دارند، به دلیل حضور در یک میدان گرانشی قوی، دچار اتساع زمان می‌شوند و این زمان تا 7 میکروثانیه می‌رسد.

این تفاوت با اینکه کم به نظر می‌رسد، اما کاملا قابل احساس است. اگر جی‌پی‌اس شما طبق نظریه نسبیت کار نمی‌کرد، در آخر روز حدود 8 کیلومتر موقعیت شما را اشتباه نشان می‌داد.

2. آهنربای الکتریکی

مغناطیس یک اثر نسبیتی است که می‌توانید آن را با دینام‌ها به وضوح مشاهده کنید. اگر یک حلقه سیم بردارید و آن را در یک میدان مغناطیسی حرکت دهید، می‌توانید جریان الکتریکی ایجاد کنید. الکترون‌های داخل سیم تحت تاثیر میدان مغناطیسی حرکت می‌کنند و همین باعث ایجاد جریان می‌شود.

حالا تصور کنید که حلقه سیم ثابت است و میدان مغناطیسی (مثل یک آهنربا) را حرکت می‌دهیم. در این صورت خود الکترون‌ها هیچ حرکتی نمی‌کنند، اما همچنان جریانی در سیم به وجود می‌آید. چنین چیزی نشان می‌دهد که در این آزمایش هیچ چارچوب مرجعی به دیگری ارحج نیست. می‌توان گفت هر کسی که از الکتریسیته استفاده می‌کند، اثر نظریه نسبیت را به وضوح تجربه می‌کند.

آهنرباهای الکتریکی نیز با نظریه نسبیت کار می‌کنند. زمانی که جریانی وارد یک سیم می‌شود، الکترون‌ها در سراسر این ماده شروع به حرکت می‌کنند. در حالت عادی، این سیم به نظر بدون بار الکتریکی می‌رسد، اما زمانی که سیمی دیگر با جریانی مستقیم در کنار آن قرار دهیم، می‌بینیم که این سیم‌ها یکدیگر را دفع و یا جذب می‌کنند. (دفع و جذب سیم‌ها به جهت حرکت جریان‌ها بستگی دارد.)

3. رنگ طلا

بیشتر فلزات به این دلیل درخشان هستند که که الکترون‌های آن‌ها دچار برانگیختگی می‌شود و همواره در اربیتال‌های مختلفی داخل اتم قرار می‌گیرند. بعضی از فوتون‌هایی که به فلزات برخورد می‌کنند، جذب و دوباره در طول موج بلندتری تابیده می‌شوند.

طلا یکی از عناصر سنگین است که الکترون‌های داخل آن با سرعت زیادی حرکت می‌کنند که باعث ایجاد جرم نسبیتی می‌شود و انقباض طول آن کاملا محسوس است. در نتیجه، الکترون‌ها در مسیر کوتاه‌تری به دور هسته اتم‌ها می‌چرخند و تکانه بیشتری به دست می‌آورند.

الکترون‌هایی که در اوربیتال‌های داخلی قرار دارند، با الکترون‌های بیرونی هم‌انرژی هستند و طول موجی که بازتاب می‌کنند، بلندتر است. چنین چیزی به این معنی است که طول موج‌هایی که معمولا از سطح فلزات بازتاب می‌شود، در طلا جذب می‌شود و رنگی که از آن می‌بینیم، به سمت زرد و نارنجی میل می‌کند.

4. مقاومت طلا در برابر خوردگی

اثر نسبیتی روی الکترون‌های طلا، یکی از دلایلی است که طلا خورده نمی‌شود و به راحتی با هر ماده‌ای واکنش نشان نمی‌دهد. یک اتم طلا در بیرونی‌ترین لایه خود فقط یک الکترون دارد، اما همچنان مثل سایر عنصرهایی با یک الکترون در لایه آخر خود، واکنش‌پذیر نیست.

از آنجایی که الکترون‌های طلا با سرعت زیادی حرکت می‌کنند، طیق نسبیت «سنگین‌تر» از حالت عادی هستند و به هسته اتم نزدیک‌تراند. چنین چیزی به این معنی است که اتم بیرونی طلا در بیشتر وقت‌ها در حالتی قرار ندارد که بتواند با هیچ ماده دیگری واکنش نشان دهد.

5. جیوه مایع

جیوه یکی از اتم‌های سنگین است و الکترون‌های آن شبیه به طلا با سرعت زیادی حرکت می‌کنند و به همین خاطر جرم بیشتری از آن‌ها حس می‌شود. به علاوه، یه همین دلیل نیز پیوند بین اتم‌های جیوه ضعیف است و در دماهای پایین به راحتی ذوب می‌شود.

6. تلویزیون‌های قدیمی

تا اوایل قرن بیست و یکم، صفحه نمایش تمام تلویزیون‌ها با لامپ پرتوی کاتدی کار می‌کرد. این لامپ‌ها با پرتاب الکترون و برخورد آن به یک صفحه فسفری و یک آهنربای بزرگ کار می‌کنند. هر الکترون با برخورد به صفحه فسفری یک پیکسل نوری ایجاد می‌کند. با پرتاب هر کدام از این الکترون‌ها، تصویر صفحه نمایش با سرعتی تا 30 درصد سرعت نور حرکت می‌کند و اثر نسبیت را به خوبی نشان می‌دهد.

7. نور

ایزاک نیوتن تصور می‌کرد که یک چارچوب لخت مطلق در جهان وجود دارد و یا با در نظر گرفتن یک چارچوب مرجع کامل می‌توانیم همه اتفاقات را نسبت به آن بسنجیم. اگر نظریه نیوتن درست بود، برای توجیه نور باید نظریه دیگری تعریف می‌کردیم.

8. خورشید

اگر نظریه نسبیت واقعیت نداشت، خورشید و تمام ستاره‌های جهان هیچ وقت نمی‌درخشیدند. در مرکز ستاره منظومه ما، دما و فشار بالایی وجود دارد که چهار اتم هیدروژن را به هم می‌فشارد تا با همجوشی هسته‌ای، اتم هلیم را به وجود آورد. جرم اتمی هلیم کمی کمتر از چهار اتم هیدروژن است، اما باقی جرم به کجا می‌رود؟ طبق اصل هم‌ارزی جرم و انرژی، این جرم در نهایت به انرژی تبدیل می‌شود و حیات ستاره‌ها را ممکن می‌کند.