دانشآجوی بیوفیزیک، دانشگاه تورنتو
اندیشه و طرز فکر انیشتین در بسیاری از پژوهشآهای علمی مورد استفاده قرار گرفتهآ است. از شتاب دادن به ذره و نزدیک رسانیدن سرعت آن به سرعت نور تا توانا ساختن ستارهآشناسان برای طرح ریزی نقشهآی آسمان بالای سر همه از فرضیات و معادلات انیشتین سرچشمه میآگیرند. با این حال بر همه آنقدر روشن نیست که این فرضیات چه استفادهآهایی در زندگی روزمرهآ و عادی عموم دارند. در این مقاله به سه نمونه از کارهای انیشتین و کاربرد عمومی آنآها میآپردازیم.
یکی از وسیلهآهایی که عموم در کارهای روزمره از آن استفاده میآکنند چشم برقی یا فتوسل است. چشم برقی گیرندهآی حساسیآ است که به محض دریافت نوری مخصوص، وسایل ماشینی یا برقی متصل به خود را به راه میآاندازد. ممکن است فکر کنید که تا به حال به یک چشم برقی برخورد نکردهآاید ولی اینآطور نیست. به عنوان نمونه میآتوان به یک دَر خودکار (اتوماتیک) مغازه اشاره کرد که هنگام مواجه شدن و راه رفتن در جلوی آن، دَر خود به خود باز میآشود. انیشتین اولین دانشمندی بود که توانست در مقالهآی علمی خود بر روی تاثیر فتوالکتریک، این پدیده را به طور صحیح توضیح داده و پیشآبینی کند. به طور خلاصه هنگامی که اشعهآای از نور به فلز برخورد میآکند، آن فلز از خود برق تولید میآکند (که این برق باعث به کار افتادن وسیلهآی متصل به آن میآشود). مهمآتر از آن این است که مقدار برق فرستاده شده توسط فلز به فرکانس نوری که به فلز میآتابد بستگی دارد؛ (نه به مقدار نوری که به آن میآتابد! سال 1905 میلادی) این مقاله بعدها باعث شد که انیشتن جایزهآی نوبل فیزیک سال 1921 را از آن خود کند. در زندگی روزمره بسیار با چشم برقی برخورد میآکنیم بدون آنآکه متوجه آن باشیم. به عنوان نمونه در تورنتو بسیار مشاهده کردهآایم که چراغآهای خیابان به طور خودکار هنگام غروب، درست هنگامی که رنگ آسمان ارغوانی میآشود، روشن میآشوند (رنگ بنفش و ارغوانی در طیف بین از شدت شدیدتری برخوردارند). از دیگر نمونهآهای کاربرد این برهان میآتوان به استفادهآی آن در باتریآهای خورشیدی در ساعت، ماشینآحساب و حتی ماهوارهآها اشاره کرد.
در سال 1917 میلادی انیشتن تحقیقی را بر روی نظریهآی نور و تشعشع آغاز کرد. در پی آمد این تحقیقات، انیشتین در مقالهآی علمی خود «در نظریهآی کوانتومی تشعشع» چگونگی تحریک شدن اتمآها و آزاد کردن آنی نور از آنآها را شرح داد. به طور خلاصه، یک فوتون (ذرهآای از نور) میآتواند الکترونآهای یک اتم را تحریک کند و این باعث تشعشع ِ فوتون دیگری از اتم میآشود. سپس این دو فوتون الکترونآهای دو اتم دیگر را تحریک کرده و چهار فوتون را تشکیل میآدهند. به این ترتیب از تابش یک فوتون به اتمآهای یک فلز، تعداد زیادی فوتون تشکیل میآشوند. با متمرکز ساختن این فوتونآها پرتویی به وجود میآآید که این پرتو همان لیزر است. اگر چه تا سال 1954 لیزر ساخته نشد، ولی اختراع آن و دیگر وسایل لیزری دست آورد نظریهآی انیشتن بر روی نور و ماده بود. دلیل این که چرا لیزر قبل از این -بین سالآهای 1917 تا 1954- اختراع نشد هنوز مخفی است زیرا معادلات انیشتین ساختن لیزر را بسیار آسان کردهآاند. لیزر بخش بسیار مهمی از DVD ' CD ' وسایل پزشکی، ابزار برش تجاری و فیبر نوری (Fiber Optic Communication) را تشکیل میآدهد.
شاید مهمآترین کاربرد روزمرهآآی نظریهآی انیشتین سیستم مکانآیابی ِ سراسری (Global Positioning System - GPS) باشد. GPS دستگاهی است که از طریق ارتباط با یک ماهواره میآتواند مکان خودش را به طور دقیق تعیین کند. امروزه رایج است که سیستمآهای GPS در ماشین به کار گذاشته شوند که میآتوانند مکان ماشین را به طور دقیق (در شعاع 15 متری ماشین) تعیین کنند. برای سنجش دقیق فاصله و مکان، لازم است که همآزمانی بسیار دقیقی میان دستگاه GPS و ماهوارهآی آن برقرار شود. برقراری چنین همآزمانی بدون وجود فرضیهآی نسبیت انیشتن غیر ممکن خواهد بود. چرا؟
فرضیهآی نسبیت انیشتین به طور خلاصه توضیح میآدهد که ساعت (زمانآسنج) در سرعت زیاد کندتر از ساعت بر روی زمین حرکت میآکند. به همین ترتیب ساعتی شناور در فضا بسیار دور از مرکز زمین، کمتر در معرض نیروی جاذبهآی زمین قرار میآگیرد و در نتیجه سریعآتر از ساعت در روی زمین حرکت میآکند.
بفرض که یک ماهوارهآی GPS با سرعتی در حدود 14000 کیلومتر در ساعت حرکت میآکند که بر طبق فرضیهآی نسبیت، این ساعت دقیقا 7 میکروآثانیه در روز کندتر از ساعتی ساکن بر روی زمین حرکت میآکند. ولی به این دلیل که ماهوارهآی GPS بیستآهزار کیلومتر بالاتر از سطح کرهآی زمین در حرکت است طبق فرضیهآی نسبیت، این ساعت 45 میکروآثانیه در روز تندتر از ساعتی بر روی سطح کرهآآی زمین حرکت میآکند. بنابراین ساعت ماهواره در مجموع 38 میکروآثانیه در روز سریعآتر حرکت میآکند. این تفاوت شاید در ابتدا به هیچ عنوان مهم به نظر نرسد ولی همین تفاوت بسیار کوچک میآتواند باعث از بین رفتن دقت سیستم GPS بمیزان 11 کیلومتر در روز برسد. به واسطهآی فرضیهآی نسبیت انیشتین این هم زمانآسازی میآتواند تصحیح شده و دقت لازم را به سیستم GPS بدهد.
با وجود اینآکه بیشتر مردم تنها از بمب اتمی به عنوان نمونهآی کاربردی نظریهآی انیشتین یاد میآکنند، ولی نظریات و تئوریآهای بیآشمار انیشتین زمینهآساز تعداد بیآشماری از اختراعات شدهآاند که زندگی روزمره را راحت و راحتآتر سازند.
منبع:
http://m60.blogfa.com/
اندیشه و طرز فکر انیشتین در بسیاری از پژوهشآهای علمی مورد استفاده قرار گرفتهآ است. از شتاب دادن به ذره و نزدیک رسانیدن سرعت آن به سرعت نور تا توانا ساختن ستارهآشناسان برای طرح ریزی نقشهآی آسمان بالای سر همه از فرضیات و معادلات انیشتین سرچشمه میآگیرند. با این حال بر همه آنقدر روشن نیست که این فرضیات چه استفادهآهایی در زندگی روزمرهآ و عادی عموم دارند. در این مقاله به سه نمونه از کارهای انیشتین و کاربرد عمومی آنآها میآپردازیم.
یکی از وسیلهآهایی که عموم در کارهای روزمره از آن استفاده میآکنند چشم برقی یا فتوسل است. چشم برقی گیرندهآی حساسیآ است که به محض دریافت نوری مخصوص، وسایل ماشینی یا برقی متصل به خود را به راه میآاندازد. ممکن است فکر کنید که تا به حال به یک چشم برقی برخورد نکردهآاید ولی اینآطور نیست. به عنوان نمونه میآتوان به یک دَر خودکار (اتوماتیک) مغازه اشاره کرد که هنگام مواجه شدن و راه رفتن در جلوی آن، دَر خود به خود باز میآشود. انیشتین اولین دانشمندی بود که توانست در مقالهآی علمی خود بر روی تاثیر فتوالکتریک، این پدیده را به طور صحیح توضیح داده و پیشآبینی کند. به طور خلاصه هنگامی که اشعهآای از نور به فلز برخورد میآکند، آن فلز از خود برق تولید میآکند (که این برق باعث به کار افتادن وسیلهآی متصل به آن میآشود). مهمآتر از آن این است که مقدار برق فرستاده شده توسط فلز به فرکانس نوری که به فلز میآتابد بستگی دارد؛ (نه به مقدار نوری که به آن میآتابد! سال 1905 میلادی) این مقاله بعدها باعث شد که انیشتن جایزهآی نوبل فیزیک سال 1921 را از آن خود کند. در زندگی روزمره بسیار با چشم برقی برخورد میآکنیم بدون آنآکه متوجه آن باشیم. به عنوان نمونه در تورنتو بسیار مشاهده کردهآایم که چراغآهای خیابان به طور خودکار هنگام غروب، درست هنگامی که رنگ آسمان ارغوانی میآشود، روشن میآشوند (رنگ بنفش و ارغوانی در طیف بین از شدت شدیدتری برخوردارند). از دیگر نمونهآهای کاربرد این برهان میآتوان به استفادهآی آن در باتریآهای خورشیدی در ساعت، ماشینآحساب و حتی ماهوارهآها اشاره کرد.
در سال 1917 میلادی انیشتن تحقیقی را بر روی نظریهآی نور و تشعشع آغاز کرد. در پی آمد این تحقیقات، انیشتین در مقالهآی علمی خود «در نظریهآی کوانتومی تشعشع» چگونگی تحریک شدن اتمآها و آزاد کردن آنی نور از آنآها را شرح داد. به طور خلاصه، یک فوتون (ذرهآای از نور) میآتواند الکترونآهای یک اتم را تحریک کند و این باعث تشعشع ِ فوتون دیگری از اتم میآشود. سپس این دو فوتون الکترونآهای دو اتم دیگر را تحریک کرده و چهار فوتون را تشکیل میآدهند. به این ترتیب از تابش یک فوتون به اتمآهای یک فلز، تعداد زیادی فوتون تشکیل میآشوند. با متمرکز ساختن این فوتونآها پرتویی به وجود میآآید که این پرتو همان لیزر است. اگر چه تا سال 1954 لیزر ساخته نشد، ولی اختراع آن و دیگر وسایل لیزری دست آورد نظریهآی انیشتن بر روی نور و ماده بود. دلیل این که چرا لیزر قبل از این -بین سالآهای 1917 تا 1954- اختراع نشد هنوز مخفی است زیرا معادلات انیشتین ساختن لیزر را بسیار آسان کردهآاند. لیزر بخش بسیار مهمی از DVD ' CD ' وسایل پزشکی، ابزار برش تجاری و فیبر نوری (Fiber Optic Communication) را تشکیل میآدهد.
شاید مهمآترین کاربرد روزمرهآآی نظریهآی انیشتین سیستم مکانآیابی ِ سراسری (Global Positioning System - GPS) باشد. GPS دستگاهی است که از طریق ارتباط با یک ماهواره میآتواند مکان خودش را به طور دقیق تعیین کند. امروزه رایج است که سیستمآهای GPS در ماشین به کار گذاشته شوند که میآتوانند مکان ماشین را به طور دقیق (در شعاع 15 متری ماشین) تعیین کنند. برای سنجش دقیق فاصله و مکان، لازم است که همآزمانی بسیار دقیقی میان دستگاه GPS و ماهوارهآی آن برقرار شود. برقراری چنین همآزمانی بدون وجود فرضیهآی نسبیت انیشتن غیر ممکن خواهد بود. چرا؟
فرضیهآی نسبیت انیشتین به طور خلاصه توضیح میآدهد که ساعت (زمانآسنج) در سرعت زیاد کندتر از ساعت بر روی زمین حرکت میآکند. به همین ترتیب ساعتی شناور در فضا بسیار دور از مرکز زمین، کمتر در معرض نیروی جاذبهآی زمین قرار میآگیرد و در نتیجه سریعآتر از ساعت در روی زمین حرکت میآکند.
بفرض که یک ماهوارهآی GPS با سرعتی در حدود 14000 کیلومتر در ساعت حرکت میآکند که بر طبق فرضیهآی نسبیت، این ساعت دقیقا 7 میکروآثانیه در روز کندتر از ساعتی ساکن بر روی زمین حرکت میآکند. ولی به این دلیل که ماهوارهآی GPS بیستآهزار کیلومتر بالاتر از سطح کرهآی زمین در حرکت است طبق فرضیهآی نسبیت، این ساعت 45 میکروآثانیه در روز تندتر از ساعتی بر روی سطح کرهآآی زمین حرکت میآکند. بنابراین ساعت ماهواره در مجموع 38 میکروآثانیه در روز سریعآتر حرکت میآکند. این تفاوت شاید در ابتدا به هیچ عنوان مهم به نظر نرسد ولی همین تفاوت بسیار کوچک میآتواند باعث از بین رفتن دقت سیستم GPS بمیزان 11 کیلومتر در روز برسد. به واسطهآی فرضیهآی نسبیت انیشتین این هم زمانآسازی میآتواند تصحیح شده و دقت لازم را به سیستم GPS بدهد.
با وجود اینآکه بیشتر مردم تنها از بمب اتمی به عنوان نمونهآی کاربردی نظریهآی انیشتین یاد میآکنند، ولی نظریات و تئوریآهای بیآشمار انیشتین زمینهآساز تعداد بیآشماری از اختراعات شدهآاند که زندگی روزمره را راحت و راحتآتر سازند.
منبع:
http://m60.blogfa.com/