يقوم علماء من NIST - المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في الولايات المتحدة الأمريكية بقياس ظاهرتين من النظرية النسبية لأينشتاين.
منذ ما يقرب من نصف قرن، تم بالفعل إجراء تجارب بمساعدة ساعات السيزيوم لإثبات مفارقة أينشتاين التوأم. قاعة علماء NIST انسحبت ساعات أكثر دقة. وبمساعدتهم، أثبتوا أننا نتقدم في العمر بنفس القدر تقريبًا إذا وقفنا على قمة القمة العالية.
وتم نشر الدراسة اليوم في مسألة العلم:
سي دبليو تشو، دي بي هيوم، تي روزنباند ودي جي واينلاند. الساعات البصرية والنسبية. علوم. سبتمبر 24, 2010.
أعاد باحثو NIST إنشاء تجربة تمدد الزمن من خلال مقارنة نشاط زوج من الساعات الذرية. هذه هي أفضل الساعات الذرية التجريبية في العالم. الساعات متطابقة تقريبًا مع بعضها البعض وتعتمد على "علامة" أيون ألومنيوم واحد (ذرة مشحونة كهربائيًا) حيث يهتز بين مستويين للطاقة مليون مليار مرة في الثانية. يُحتجز أيون الألومنيوم بين المجالات الكهربائية ويهتز عند ترددات الضوء والأشعة فوق البنفسجية، وهي أعلى بمقدار 100,000 مرة من ترددات الموجات الدقيقة التي تستخدمها الساعات الذرية الأخرى، ساعات السيزيوم. الساعتان المصنوعتان من الألمنيوم دقيقتان للغاية: الساعة الأولى تتأخر ثانية واحدة فقط بعد 3.7 مليار سنة والثانية قريبة منها في الأداء. وتقع الساعتان في مختبرين منفصلين في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، ويرتبطان بألياف ضوئية يبلغ طولها 75 مترًا.
تسمى الساعات "الساعات الكمومية المنطقية" لأنها تعتمد على تقنية اتخاذ القرار من مجال الحوسبة الكمومية التجريبية. فهي دقيقة ومستقرة بما يكفي للكشف عن الفروق الدقيقة التي لم يكن من الممكن رؤيتها حتى الآن. تعمل الساعات عن طريق إضاءة الأيونات بضوء الليزر عند ترددات بصرية، وهي أعلى من ترددات الميكروويف المستخدمة في الساعات الذرية القياسية المعتمدة على ذرة السيزيوم. لن يكون اليوم بعيدًا وستكون الساعات الضوئية قادرة على الوصول إلى معايير ضبط الوقت التي تكون أكثر دقة بمئة مرة من الساعات القياسية اليوم.
يمكن للساعات المصنوعة من الألومنيوم اكتشاف التأثيرات الصغيرة التي تنبأت بها النظرية النسبية بسبب دقتها المثيرة للقلق وبسبب "عامل Q" العالي (عدم فقدان الطاقة): وهي الكمية التي تشير إلى موثوقية الأيون الذي يمتص ويحافظ على الطاقة. الطاقة الضوئية أثناء التحول من مستوى طاقة إلى آخر.
ركزت تجارب NIST على حالتين تنبأت بهما النظرية النسبية:
1) الجاذبية: عندما تتعرض ساعتان لقوتين جاذبية غير متساويتين بسبب اختلاف الارتفاعات فوق سطح الأرض، فإن الساعة الأعلى فوق سطح الأرض (وهي التي تشعر بقوة جاذبية أضعف) تتحرك بشكل أسرع. بينما تتحرك الساعة السفلى بشكل أبطأ.
2) الحركة البطيئة والحركة المتسارعة: مفارقة التوأم الشهيرة. مفارقة التوأم: يقوم توأمان، كانا في البداية في حالة راحة على الأرض، بمزامنة ساعاتهما. يبقى التوأم الأول ساكنًا على الأرض طوال التجربة بأكملها، بينما يدخل التوأم الثاني إلى سفينة فضائية ويسافر معها في رحلة طويلة عبر الفضاء: في البداية يتسارع إلى سرعة قريبة جدًا من سرعة الضوء في فترة زمنية لا تذكر. (تقوم بتشغيل محركات سفينة الفضاء الخاصة بها). ثم يستمر في السفر لفترة طويلة بسرعة ثابتة. عند وصوله إلى وجهته، لنفترض أن النجم بعيد بما فيه الكفاية عن الأرض، وفي مرحلة ما، يتباطأ بسرعة كبيرة لفترة لا تذكر من الوقت ويدور (يقوم بتشغيل محركاته مرة أخرى)، حتى تعود سرعته مرة أخرى موحدة في الاتجاه المعاكس للأرض. ثم ينتقل إلى الأرض لفترة طويلة وبسرعة ثابتة. عند نقطة الالتقاء مع التوأم الأول، يتباطأ على الفور للراحة (يقوم بتشغيل محركاته مرة أخرى). لنفترض أن ساعة التوأم الأول كانت تبلغ 20 عامًا عندما عاد التوأم الثاني إلى الأرض، وبالتالي فإن الرحلة في كل اتجاه تستغرق 10 سنوات بالنسبة للتوأم الأول. في رحلة الذهاب والإياب، ستظهر ساعة التوأم الثانية 16 عامًا فقط. بدأت المفارقة مع النسبية الخاصة وانتقلت إلى النسبية العامة. العامل الحاسم هنا هو التسارع - حيث يتسارع الراكب التوأم ويتباطأ أثناء القيام بالرحلة ذهابًا وإيابًا.
لاحظ علماء NIST هذه التأثيرات من خلال إجراء تغييرات معينة على إحدى ساعتيهم الكميتين المنطقيتين، ساعات الألومنيوم: فقد أحدثوا تغييرًا في أحد الأيونات ثم قاموا بقياس الفرق في التردد النسبي بين الأيونين، أي: الفرق في معدل التكتكة بين الأيونين.
وفي إحدى مجموعات التجارب، قام العلماء برفع إحدى الساعات عن طريق رفع طاولة الليزر إلى ارتفاع ثلث متر (حوالي قدم واحدة) فوق الارتفاع الذي وضعت فيه الساعة الأخرى. سوف "تدق" الساعة الأعلى بمعدل أسرع قليلاً من الساعة السفلية، تمامًا كما هو متوقع. لذلك إذا كنت أعلى فإنك تتقدم في السن بشكل أسرع. وقال الباحثون إن الفرق ضئيل للغاية بحيث لا يمكن للبشر أن يشعروا به: إنه إجمالي 90 جزءًا من المليار من الثانية لكل 79 عامًا من الحياة. حقًا ليس مهمًا ويمكنك البقاء للعيش في الجبال أو بدلاً من ذلك في أعلى البرج.
وفي المجموعة الثانية من التجارب، قام الباحثون بدراسة آثار تغيير الحركة الفيزيائية للأيون خلال ساعة واحدة. في الحالة الطبيعية، أثناء التشغيل القياسي للساعة، يكون الأيون الموجود في الساعة ثابتًا تمامًا تقريبًا. قام علماء NIST بإثارة الأيون في إحدى الساعات وجعلوه جيروسكوبيًا بحيث يتحرك ذهابًا وإيابًا بسرعات تعادل عدة أمتار في الثانية. ستدق الساعة بمعدل أبطأ قليلًا من الساعة الأخرى، وهذا كما تتنبأ النظرية النسبية. - يتصرف الأيون المتحرك تمامًا مثل التوأم المتحرك في مفارقة التوأم.
ولماذا تعتبر مثل هذه التجارب مهمة؟ إنها مهمة للجيوديسيا، وهو علم قياس الأرض ومجال جاذبيتها، مع تطبيقات للجيوفيزياء والهيدرولوجيا، وربما حتى تطبيقات لاختبارات نظريات الفيزياء الأساسية.
وتجدر الإشارة إلى أن هذا ليس اكتشافًا لحقيقة جديدة، بل هو تأكيد إضافي لتنبؤات النظرية النسبية.
هذه التوقعات يتم استخدامها بالفعل بنجاح من قبلنا، حيث نتلقى تأكيدًا يوميًا، في تطبيقات مختلفة، ولعل أبرزها نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
المزيد عن الموضوع:
العديد من المقالات في الصحافة العالمية
تعليقات 27
ومن الجدير بالذكر أن "المفارقة" المزدوجة يمكن تفسيرها دون أي صلة بالتسارع. لفهم هذا بشكل بديهي، دعونا نأخذ مثالاً على التسارع المنتظم إلى سرعة ثابتة، ثم نبحر بهذه السرعة إلى نقطة في الفضاء، ثم نعود بنفس الملف الشخصي. الآن انتبه إلى 3 نقاط:
1) إذا ضاعفنا معدل التسارع، فسيتم تقليل زمن التسارع إلى النصف، وبالتالي، كتقريب أولي، من المحتمل ألا يتغير التأثير على الساعة.
2) إذا ضاعفنا المسافة إلى نقطة ما في الفضاء، فإن تغير الزمن يتضاعف.
3) كل هذا صحيح أيضًا عند السرعات المنخفضة نسبيًا، إذا كانت المسافة إلى النقطة كبيرة بدرجة كافية. بمعنى آخر، المدة والسرعة لهما تأثير، وليس مقدار التسارع.
بمعنى آخر - المفارقة موجودة، ويتم حلها في النظرية النسبية الخاصة. بشكل عام، يجب التأكيد على أن النسبية الخاصة تتعامل أيضًا مع الحركة المتسارعة.
الجزر المعتمة ذات سرعة الضوء العالية أو المنخفضة
عزيزي،
"2. هناك فرق بين الأنظمة المختلفة الموجودة في مجالات جاذبية مختلفة - في النظام الذي يوجد في مجال جاذبية أقوى، سوف يمر الوقت بشكل أبطأ."
"في هذا المقال نتحدث عن الحالة 2 - نظام يقع على قمة جبل إيفرست (أو على ارتفاع 30 سم) يواجه مجال جاذبية أضعف من نظام على مستوى سطح البحر (أو على الأرض)، وبالتالي فإن الزمن سوف تمر ببطء أكثر."
وفي الفقرة الثانية ينبغي أن يكون "وبالتالي الوقت سوف يمر بشكل أسرع فيها"
هناك مشكلة أساسية هنا لم تتم معالجتها.
تثبت التجربة تأثيرًا فقط على الطريقة التي نقيس بها الوقت.
وهذا لا يعني أن هناك تأثيرًا على الوقت نفسه. فالزمن لا يرتبط بأيون الألومنيوم والمجالات الكهربائية ولا يتكون نتيجة له. مثل هذه الساعة ليست سوى وسيلة دقيقة لقياس الوقت كما ندركه. ومن الممكن تماماً تطوير ساعة أخرى تقيس بطريقة مختلفة وليس لها أي تأثير عليها نتيجة الجاذبية.
في فهمي، تشير المفارقة إلى شيء مختلف تمامًا.
هل يصح القول أنه كلما تحركنا بشكل أسرع، تزداد الكتلة، وتزداد الجاذبية، وبالتالي يتباطأ الزمن؟
إذا كان من الممكن نظريًا التحرك بسرعة دون زيادة الكتلة، ألن يتباطأ الزمن؟
أوافق على نعمة تام، وشكري لكل من أجابني، والآن اتضحت الصورة بالنسبة لي.
شكرًا جزيلاً لتسفي وإيهود ومايكل (وآخرين) على التعليقات الواضحة والرائعة. في كثير من الأحيان تساعدني تعليقاتك كقارئ في توضيح المقالات وحتى التوسع خارج موضوع الأخبار.
(10) من يفهم يفهم ومن لا يفهم فهو مشكلته.
موتي،
مفارقة التوأم لها معنيان:
1. سوف يمر الوقت بشكل أبطأ بالنسبة للتوأم الذي سافر وسيعود إلى إسرائيل (وهذا بسبب وجوده في نظام سيتسارع تمامًا كما ذكر إيهود وميخائيل).
2. هناك فرق بين الأنظمة المختلفة الموجودة في مجالات جاذبية مختلفة - في النظام الموجود في مجال جاذبية أقوى، سوف يمر الوقت بشكل أبطأ.
وفي الواقع، فإن النتيجتين ليستا سوى نفس الشيء، لأنه وفقا لمبدأ التكافؤ، فإن الاختراعات في مجال الجاذبية تعادل الاختراعات في نظام متسارع.
نتحدث في هذا المقال عن الحالة 2 - نظام يقع على قمة جبل إفرست (أو على ارتفاع 30 سم) يواجه مجال جاذبية أضعف من نظام على مستوى سطح البحر (أو على الأرض)، وبالتالي سيمر الوقت أكثر ببطء.
توضيح آخر بخصوص التسريع:
فبالإضافة إلى أن الذي يبتعد ويعود يشعر بالتسارع نفسه، فإنه يشعر أيضًا بالنقل بينهما بطريقة مختلفة.
إن الذي يسافر ويعود يبدأ بملاحظة التغير في تردد الإرسال الذي يستقبله من الساكن – فوراً لحظة بدء العودة بينما الساكن سيشعر بحقيقة أن الآخر قد بدأ بالعودة فقط بعد تلقي الإشارات التي يرسلها المسرع في لحظة بدء العودة (أي بعد أن تكون هذه الإشارة قد قطعت المسافة الفاصلة بأكملها بما في ذلك.
موتي:
أرى أن إيهود قد أجابك بالفعل.
ومن حيث المبدأ، لا يمكن أن يعودوا ويجتمعوا دون التعجيل بواحد منهم على الأقل.
موتي،
في رأيي أن مفارقة التوأم لم يتم شرحها بشكل جيد في المقال ومن الممكن أن يكون هذا هو سبب حيرتك. في مفارقة التوأم، فإن التوأم الذي يذهب في رحلة يشيخ بشكل أبطأ من التوأم الذي يبقى على الأرض، ولكن من ناحية أخرى فإن حركتهما نسبية. يرى التوأم الموجود في السفينة الفضائية أن توأمه على الأرض يتحرك بالنسبة إليه (السرعة نسبية)، لذلك وفقًا لتقييمه، فإن التوأم (الذي على الأرض) يجب أن يتقدم في العمر بشكل أبطأ وليس أسرع. يعتقد كل توأم ظاهري أن التوأم الآخر يجب أن يتقدم في السن بشكل أبطأ، وهذه هي المفارقة. ولكن يتم حلها من خلال حقيقة عدم وجود تماثل بين التوأمين، فالتوأم الواحد (الذي في السفينة الفضائية) يمر بسلسلة من التسارع (والانتقالات) وبالتالي فإن حالته لا تساوي حالة التوأم الذي يبقى على حاله. أرض.
مايكل:
وبمساعدة الساعتين الدقيقتين كما هو موضح في المقال، يمكنك معرفة الجسم المتحرك وأي الجسم ثابت.
سيتم ربط إحدى الساعات بجسم متحرك والأخرى بجسم واقف، بناءً على الاختلافات بين الساعتين يمكن تمييز من هو الجسم المتحرك حقًا ومن هو الواقف. تقوم كل ساعة بنقل وقتها إلى الأخرى مع مراعاة سرعة نقل الاتصال.
יוסי
سؤالك صحيح، ولكن للحصول على تقدير للتصحيح النسبي من النسبية الخاصة عليك حساب السرعة النسبية التي تتحرك بها النقطة الأعلى بمقدار 30 سم بالنسبة إلى الأرض. يُظهر التقدير السريع (إذا لم أكن مخطئًا) أن هذه سرعة نسبية تبلغ 2 سم في الثانية. لحساب التصحيح النسبي، قم بقسمة هذا الرقم على سرعة الضوء وقم بتربيعه. التصحيح هو من حيث الحجم 10 أس سالب 20، وهو أصغر بكثير من قدرة الدقة في التجربة المذكورة
ملاحظة حول دقة الساعات الذرية. أحد الخبراء في هذا المجال في إسرائيل هو البروفيسور يهودا باند من قسم الكيمياء في جامعة بن غوريون، الذي كتب مقالاً عن الأنواع المختلفة للضوضاء في الساعات الذرية ومدى تقييدها للدقة التي يمكن توقعها.
ملاحظة حول دقة GPS. لا يتم تحديد دقة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) من خلال دقة الساعات وحدها، وفي الواقع يتم إجراء هذه التصحيحات النسبية (النسبية الخاصة والنسبية العامة على حد سواء) ولكن أيضًا (خاصة) من خلال التقلبات في كثافة العدد الذري. يتم تحديد الموقع على الأرض عن طريق تثليث الإشارات من عدة أقمار صناعية، عندما ينقل القمر الصناعي موقعه ووقت إرسال النبضات. يعتمد الوقت الذي ستستغرقه النبضة للوصول إلى الأرض على كثافة النطاق الذي تمر عبره، وبالتالي فإن الدقة محدودة بسبب التقلبات في كثافة الغلاف الجوي. لذا فإن الساعات الأكثر دقة لن تساهم بالضرورة في دقة أنظمة GPS.
سأحاول الإجابة على العديد من الأسئلة التي نشأت فيما يتعلق بالمقالة، على الرغم من أنها ليست في الواقع مجال خبرتي. أنا متأكد من أن تسفي يمكنه الإجابة بطريقة أكثر إقناعًا ومعقولية.
أولاً، بالنسبة لسؤال يهودا حول العوامل التي يمكن أن تحدث ضوضاء في التجربة وكيفية تجنبها. المجربون، الذين أجروا التجربة، هم من بين المجربين الرائدين في العالم في هذا المجال، ويتعلق جزء كبير من خبرتهم بتقليل وتقييم الضوضاء في التجربة حتى لا تفاجئهم أسئلة يهودا.
أولاً، فيما يتعلق بقدرة الاختلافات في درجات الحرارة على التأثير على التجربة. تم قياس الوقت في الساعات الذرية في نظام شديد البرودة يتم تبريده بالليزر (طرق التبريد تذكرنا بتلك المستخدمة لإنتاج تكثيف بوز-آينشتاين). لا يوجد اقتران على الإطلاق بين نظام الذرات والبيئة حيث أن الذرات في فراغ شبه كامل وفي درجات حرارة قريبة جدًا من الصفر المطلق.
فيما يتعلق بتأثيرات جاذبية الشمس أو القمر أو العلماء على مدار الساعة. تم إجراء تجربة الساعات على سطح الأرض حيث تم رفع إحدى الساعات عن الساعة الأخرى بحوالي 30 سم. على سطح الأرض، يكون مجال الجاذبية الرئيسي هو مجال الجاذبية الأرضية، ويكون التدرج الرئيسي في هذا المجال. إن مجال الجاذبية للقمر أو الشمس أو العلماء ضعيف جدًا بحيث لا يكاد يذكر على النظام، وعلى وجه الخصوص، ليس حساسًا لتحول قدره 30 سم، ولا حتى على مستوى الدقة المقاسة في التجربة. ولذلك ليست هناك حاجة لتحييد مثل هذه التأثيرات في التجربة. وللحصول على تقدير لمدى ضآلة هذه التدرجات في حدود 30 سم بالنسبة للشمس والقمر، يكفي أن نقول إنها صغيرة مثل أحد أجزاء المسافة إلى مركز الجسم: الشمس، القمر ومتناسب مع الكتلة (مما يحرم الباحثين من أن يكونوا عاملا حتى لو كانوا سمينين بشكل خاص).
العمر (4):
ما هذا الهراء؟
كافر:
استثمر فيما تريد ودع الآخرين يستثمرون فيما يريدون.
لم يكن الاستثمار هنا في التحقق، بل في تطوير ساعات دقيقة. هذا الاستثمار له العديد من الاستخدامات.
موتي:
لا ينبغي أن يكون الخلط.
ومن استنتاجات نظرية أينشتاين أن الزمن نسبي أيضًا. هذا كل شيء.
لا يمكن التمييز بين الجسم المتحرك بسرعة ثابتة والجسم الساكن.
إذا أشرت إلى الطريقة التي تعتقد أنه من الممكن أن تستنتج مما سبق ما هو الجسم الذي يتحرك بثبات وما هو الذي لا يتحرك - سيكون من الممكن أن أشرح لك خطأك بمزيد من التفصيل.
إذن أنا الآن في حيرة، حسب ما تعلمته، فهمت أنه لا يمكن قياس السرعة المطلقة وأن السرعة نسبية لشيء ما، أو بمعنى آخر لا يوجد فرق بين جسم يتحرك بسرعة ثابتة وجسم يتحرك بسرعة ثابتة جسم ثابت.
ووفقاً لهذه التجربة يمكن قياس السرعة المطلقة وهناك فرق بين الجسم المتحرك بسرعة ثابتة والجسم الساكن.
تجربة رائعة ولكن ليست صاخبة.
ربما بدلاً من استثمار الأموال في عمليات التحقق المتكررة - استثمار الأموال في تجارب مبتكرة في مجالات بعيدة المدى؟
الابتزاز لسرعة النشر.
وبما أن الدقة الكبيرة لأنظمة تحديد المواقع تظهر التوراة كل يوم، يبدو لي أن هذه التجربة تظهر التكنولوجيا (قدرة الدقة التي يمكن الوصول إليها) أكثر من العلم.
بالإضافة إلى ذلك، من المضحك بعض الشيء أن نطلب من التوأم مزامنة الساعات والنظر إلى الساعة. الفكرة الكاملة في كونهما توأمان هي أن ساعاتهما متزامنة منذ الولادة ويكفي أن يعود أحدهما صغيرًا عندما يكون الآخر جدًا ليدركا أن شيئًا ما قد حدث.
يمكن أن يؤثر التغير في فروق التوقيت على كمية الضوء المرئي
لذا فإن المجرة ذات الكتلة الأكبر، سوف يمر الوقت فيها بشكل أبطأ،
ولذلك، فإن كمية الضوء المرئية منه ستنخفض بشكل كبير.
وهو ما يمكن أن يفسر معنى المادة المظلمة، مع اختلاف الزمن.
يزعم المقال أن "الجاذبية: عندما تتعرض ساعتان لقوتين جاذبية غير متساويتين نتيجة لاختلاف ارتفاعهما فوق سطح الأرض، فإن الساعة الأعلى فوق سطح الأرض (وهي التي تشعر بقوة جاذبية أضعف) تتحرك بشكل أسرع. بينما تتحرك الساعة السفلية بشكل أبطأ." وعلى ما أذكر من النظرية النسبية، هناك أيضًا تأثير لسرعة الحركة (إشارة إلى الحركة بالنسبة إلى الموضع وليس إلى معدل تغير الزمن) على فروق التوقيت بين الساعتين. ولذلك فإن الساعة التي تقع في مكان أعلى من سطح الأرض لها سرعة أكبر (V) (بسبب زيادة نصف القطر عن مركز الأرض) وبالتالي يجب أن تتحرك (معدل تغير العقارب/الوقت) بشكل أبطأ . ومن المثير للاهتمام أن هذا التأثير يقلل من زيادة المعدل الناتج عن الجاذبية.
هذه الدقة مذهلة. وبدلاً من ذلك يتحدثون إلينا عن الفلسطينيين وبيبي.
يجب أن تكون هذه التجربة دقيقة للغاية. على سبيل المثال:- يمكن أن يكون لجاذبية الباحثين تأثير، انحراف في إحدى الساعات، اختلافات في درجات الحرارة، جاذبية البنية بأكملها حول التجربة، ولا أعتقد أنه لا يوجد موقع للشمس والقمر. من الصعب بالنسبة لي أن أفهم كيف تم تحييد جميع التأثيرات المذكورة أعلاه.
لكن بدل من ذلك
أتمنى لك أسبوعًا جيدًا وعطلة سعيدة للجميع!
سابدارمش يهودا