أينشتاين في الحياة اليومية

هل تتنقل باستخدام GPS؟ تعليق الصور بمستوى الليزر؟ هل تقوم بتصوير المستندات؟ قل شكرا لأينشتاين

بقلم: فيليب يوم، مجلة ساينتفيك أمريكان، سبتمبر 2004، الصفحة 51

الأقمار الصناعية لتحديد المواقع المدارية - بفضل أينشتاين

سكان مانهاتن هم سكان المقاطعات. بالنسبة لهم، تعد منطقة كوينز مجرد مكان توجد فيه مطارات نيويورك، ويلعب فريق نيويورك ميتس البيسبول. بعد ظهر أحد أيام السبت، بينما لم أكن مضطرًا للسفر إلى أي مكان وكان فريق ميتس يلعب مباراة خارج أرضه، صادفت الجزء الشمالي الشرقي من كوينز - وبشكل أكثر دقة، حي كوليدج بوينت. وهناك، في المركز التجاري الممتد على طول شارع العشرين المزدحم، بدأت أبحث عن ألبرت أينشتاين.
يعلم الجميع أن أفكار أينشتاين تلعب أدوارًا حيوية في أنواع مختلفة من البحث العلمي: فبفضلها، يقوم الفيزيائيون بتسريع جزيئاتهم إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء، ويقوم علماء الفلك بقياس الظواهر السماوية وبناء نماذج لها بمساعدتهم. لكن مساهمات أينشتاين، طوال حياته، تعطي إشاراتها العميقة حتى في لقاءاتنا اليومية مع التكنولوجيا. لقد كان أينشتاين هو من شرح كيف يمكن رؤية الضوء على أنه مكون من جسيمات، وكيف يمكن للذرات أن تبعث إشعاعات، وكيف تؤثر السرعة والجاذبية على معدل حركة الساعات. كل هذه الأشياء مهمة لتشغيل الأجهزة التي نستخدمها اليوم.
في كوليدج بوينت مول، صادفت أينشتاين لأول مرة عندما دخلت متجر تارجت الذي يقدم تخفيضات كبيرة. فتحت الأبواب من تلقاء نفسها، لأن الخلية الكهروضوئية - "العين الكهربائية" - لاحظتني عندما اقتربت. يتكون هذا المستشعر من شبه موصل يقع بين قطبين كهربائيين ويتفاعل مع الضوء. عندما تتغير شدة الضوء - بسبب انقطاع شعاع الضوء مثلا، أو انخفاض مستوى الإضاءة العام - تتغير كمية التيار الناتج عن الحساس. عندما تصل المعلومات الخاصة بتغير التيار إلى الدوائر الإلكترونية المناسبة، يؤدي ذلك إلى فتح الأبواب.
تمثل هذه المستشعرات تطبيق التأثير الكهروضوئي: الضوء الذي يضرب المعدن يؤدي إلى انبعاث الإلكترونات منه. ولم يكتشف أينشتاين هذه الظاهرة التي تم اكتشافها لأول مرة في فرنسا عام 1839. لكنه أعطاها التفسير الصحيح، عندما تساءلت عن حسابات الفيزيائي الألماني ماكس بلانك. في عام 1900، قام بلانك بالحسابات ووجد، بناءً على الملاحظات، أنه إذا تم تسخين الجسم فإنه يبعث الضوء بتردد معين (أي بلون معين)، في أجزاء ثابتة تسمى الكوانتا. قام بلانك بحساب قيمة ثابته الشهير، الذي يرمز له بـ h، لموازنة معادلاته التي تصف هذا الإشعاع، الذي يسمى إشعاع الجسم الأسود.
لكن أينشتاين تعمق في المبدأ الكامن وراء الأشياء، وأدرك أن h ليست مجرد خدعة رياضية. وذكر أن الضوء لا يتدفق كموجة مستمرة من الطاقة، بل يتحرك في "حزم". في هذا الوصف الذي كتبه عام 1905، وفي المقالات التي نشرها في السنوات اللاحقة، أظهر أينشتاين أن الضوء قد يتصرف كتيار من الجسيمات؛ وهذا التيار ينثر الإلكترونات من سطح معدني، بنفس الطريقة التي تبعثر بها كرة البلياردو البيضاء مثلث الكرات الحمراء عندما تصطدم بها.
كان أينشتاين أيضًا قادرًا على شرح الجانب المحير من التأثير الكهروضوئي. وعلى الرغم من أن زيادة شدة الضوء تزيد من عدد الإلكترونات المنبعثة من المعدن، إلا أن سرعة الإلكترونات المنطلقة تظل كما هي، سواء كان الضوء ساطعًا أو خافتًا. الطريقة الوحيدة لتغيير سرعة الإلكترونات هي استخدام ضوء بلون مختلف. ولتفسير هذه الملاحظة ذكر أينشتاين أن طاقة كل فوتون، كما يسمى جسيم الضوء، تعتمد على تردده مضروبًا في h. وبعد ذلك أجريت التجارب التي أثبتت صحة توقع أينشتاين، وللتفسير الذي قدمه للتأثير الكهروضوئي، حصل أينشتاين على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1921.
اليوم، يعد التأثير الكهروضوئي بمثابة الأساس للأجهزة التي تضيء أضواء الشوارع عندما يحل الظلام، والتي تنظم كثافة ألوان الطباعة في آلات النسخ وتحدد مدة التعرض في الكاميرات - في الواقع، يوجد هذا التأثير في كل مكان تقريبًا. جهاز إلكتروني يتحكم في الضوء أو يتفاعل معه. توجد مكونات كهروضوئية حتى في جهاز قياس الكحول الذي تستخدمه الشرطة للكشف عن السائقين المخمورين - حيث تلتقط العين الكهربائية تغيرات اللون التي تحدث في الغاز الموجود في الجهاز، عندما يتفاعل مع الكحول الموجود في فم السائق. يعتمد اختراع مضاعف الضوء أيضًا على هذا التأثير - أنبوب زجاجي فارغ من الهواء، وبداخله صف من "الدرج" المعدني. تنبعث من الخطوات المزيد والمزيد من الإلكترونات بعد وصول الفوتونات إلى الخطوة الأولى، وبالتالي من الممكن تضخيم إشارة ضوئية ضعيفة. وتستخدم مضاعفات الضوء في أجهزة الكشف الفلكية وكاميرات التلفزيون.
التطبيق الأكثر وضوحًا للتأثير الكهروضوئي هو الخلية الشمسية، والتي تسمى أيضًا الخلية الكهروضوئية. هذه الخلايا، التي تم بناؤها لأول مرة في الخمسينيات من القرن الماضي، تحول 15 إلى 30 بالمائة من الضوء الذي يصل إليها إلى تيار كهربائي، وتوفر الطاقة للآلات الحاسبة وساعات اليد والسخانات الشمسية والأقمار الصناعية في المدار والمركبات التي تتجول على سطح المريخ.
التفكير القسري.

سوف نعود إلى المركز التجاري. في قسم الإلكترونيات في Target، بعد مرور 30 ​​عملية دفع عند الخروج، رأيت مجموعات من مشغلات DVD ومشغلات الأقراص المضغوطة المحمولة، والتي لا يتكلف بعضها سوى 12.99 دولارًا. تستخدم كل من آلات تسجيل النقد ومشغلات الأقراص المضغوطة عينًا كهربائية من نوع أو آخر، ولكن الأمر الأكثر إثارة للاهتمام من وجهة نظر أينشتاين هو الضوء الأحمر الذي تنبعث منه في شعاع متماسك. هذا هو الليزر الموجود في كل زاوية، ويعود الفضل في وجوده إلى الإطار النظري الذي بناه أينشتاين في عام 1917.
في مقالته "حول نظرية الكم للإشعاع" واصل أينشتاين أبحاثه في العلاقة بين الضوء والمادة. وبشكل أساسي، فقد فهم أن الذرات تصبح مثارة - أي تقفز إلى مستوى طاقة أعلى - عندما تمتص الضوء. وهي تبعث الضوء تلقائيًا لتعود إلى مستوى أدنى.
إلى جانب الامتصاص والانبعاث التلقائي، استنتج أينشتاين أنه لا بد من وجود نوع ثالث من التفاعل، حيث يجبر الفوتون الذرة على إصدار فوتون آخر. يمكن لهذين الفوتونين الآن إجبار الذرات الأخرى على إصدار فوتونات، مما ينتج عنه أربعة فوتونات. وهؤلاء الأربعة يلدون ثمانية آخرين، وهكذا.
هذه الحيلة، التي تؤدي إلى إنشاء شعاع متماسك، تسمى "الانعكاس السكاني" - مما يخلق حالة يكون فيها عدد الذرات المثارة أكبر من عدد الذرات غير المثارة. هناك أيضًا حاجة إلى طريقة تسمح للفوتونات المنبعثة بالتراكم في شعاع مركز. لم تؤت هذه الأفكار ثمارها إلا في عام 1954، عندما قام تشارلز تاونز من جامعة كولومبيا وزملاؤه ببناء سلف الليزر، والذي أطلق عليه اسم الميزر (الاختصار الإنجليزي لعبارة "تضخيم الموجات الدقيقة عن طريق الانبعاث القسري للإشعاع").
إذا نظرنا إلى الوراء، فإن "العجب هو أن الأمر استغرق وقتا طويلا حتى اختراع الليزر"، كما كتب تاونز في مذكراته، "كيف حدث الليزر"، التي نشرت في عام 1999. "كان من الممكن أن يظهر الليزر قبل 30 عامًا." كأحد التفسيرات للتأخير، يمكن الإشارة إلى أن معادلات أينشتاين توضح أن الانبعاث القسري يخلق فوتونات إضافية، لكنها لا تنص صراحة على أنه يخلق نسخًا متطابقة تمامًا - ليس فقط في التردد، ولكن أيضًا في التردد. تخلق مصادر الضوء العادية، مثل الشمس أو ملفات التنغستن في المصابيح الكهربائية، وفرة من الفوتونات بنفس التردد، لكنها لا تتحرك بتنسيق؛ الضوء الذي نراه هو المعادل البصري للضوضاء العشوائية. لكن إذا قمت بجلب كل الفوتونات إلى حالة متماسكة -أقنعتهم بعزف نغمة واحدة- فإن النتيجة هي هدير واحد، بدلاً من حفيف باهت.
ويقول تاونز، الذي يعمل الآن في جامعة كاليفورنيا في بيركلي: "لم يكن أينشتاين مهتمًا بالتماسك على الإطلاق". لكن "أنا مقتنع بأنه لو طرح السؤال عليه، لكان أينشتاين قد استنتج على الفور أنه لا بد من وجود تماسك، وأنه إذا كان هناك ما يكفي من الذرات في الحالة الأعلى المناسبة، فيمكن الحصول على تضخيم صافي".
لقد فهم بعض الفيزيائيين أن الفوتونات ستكون متماسكة، لكن حسابات أينشتاين أظهرت أن الانبعاث القسري لا يمكن أن يحدث إلا في حالات نادرة. يقول كارلوس ر. ستراود، عالم الفيزياء في مجال البصريات الكمومية بجامعة روتشستر: "كان التأثير الذي تنبأ به أينشتاين صغيرًا بشكل لا يصدق، وبسبب ذلك، أعتقد أنه لم يفهم أحد أهميته حقًا". ومع ذلك، كما يقول إميل وولف، زميل ستراود، "كان أينشتاين متقدمًا على الجميع بسنوات وسنوات".
وفي العقود التي مرت على مقالة 1917، ذكر البعض هنا وهناك إمكانية إحداث طرد قسري، لكن لم يحاول أحد فعلياً الترويج للفكرة. إن العنصر الأساسي لتوليد إشعاع متزايد، كما أدرك تاونز في أوائل الخمسينيات، هو تجويف الرنين. وفي أجهزة الليزر -التي تم اختراعها بعد الميزر ببضع سنوات- لا تكون المساحة أكثر من مسافة بين مرآتين يتناثر بينهما الضوء ذهابا وإيابا، وفي العملية تزداد كثافته حتى يخرج شعاع من إحدى المرايا (مصنوعة من مادة شفافة جزئيا).
بناءً على هذه المبادئ، وجد المهندسون أنه من الممكن صنع أشعة ليزر من مواد مختلفة - حتى من هلام صالح للأكل منقوع في صبغة الفلورسنت، أو من الماء المقوي. لقد أصبح استخدام الليزر واسع الانتشار بشكل لا يصدق بفضل نمو صناعة أشباه الموصلات وظهور الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs)، واليوم نجد الإشعاع القسري في مجموعة متنوعة لا تصدق من المنتجات. وإلى جانب مشغلات أقراص الفيديو الرقمية (DVD)، ومستويات الليزر ومؤشرات الليزر، يمكن العثور على مثل هذه الإشعاعات في الجيروسكوبات الحلقية للطائرات، وفي آلات القطع الصناعية، وفي المعدات الطبية، وفي إشارات الاتصالات التي تمر عبر الألياف الضوئية. في العلوم، أصبح الليزر عنصرًا لا غنى عنه، وقد فاز العديد من الباحثين بجوائز نوبل لاستخدامه، من بين أمور أخرى، في مراقبة التفاعلات الكيميائية والتعامل مع الأجسام المجهرية. تعمل أجهزة الميزر كساعات دقيقة في مرصد البحرية الأمريكية، حيث تعمل على تضخيم الإشارات الراديوية الخافتة في الدراسات الفلكية.
تحديد المواقع والملاحة
محطتي التالية، التي لا تزال داخل Target، كانت قسم الرياضة واللياقة البدنية، لكنني لم أتمكن من العثور على ما أريد هناك وعدت مباشرة إلى قسم الإلكترونيات. "هل لديك أجهزة استقبال GPS؟" سألت في العداد. أجابوني: "ليس بعد الآن".
لكن في المتجر المجاور عرضوا علي عدة موديلات سعرها أقل من 200 دولار. تشير هذه الأجهزة المحمولة باليد إلى خطوط الطول والعرض والارتفاع الجغرافي وفقًا لإشارات التوقيت التي تتلقاها من الأقمار الصناعية للنظام العالمي لتحديد المواقع (GPS). تتطلب قياسات المسافة الدقيقة ساعات دقيقة، ولهذا السبب تم تجهيز كل من الأقمار الصناعية الأربعة والعشرين لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) بساعة ذرية [انظر: "تحديث نظام تحديد المواقع العالمي"، بقلم بير أنجا، مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل، العدد 24، أكتوبر - نوفمبر 13).
معظم أجهزة استقبال GPS التي يمكنك شراؤها من المتاجر هذه الأيام قادرة على الإشارة إلى الموقع بدقة تصل إلى 15 مترًا. يشير الفيزيائي نيل أشبي من جامعة كولورادو في بولدر إلى أن مستوى الدقة الذي يقل عن 30 مترًا يُظهر دون أدنى شك أن النظرية النسبية تشارك بطريقة ما في تشغيل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). يوضح كليفورد إم ويل، عالم الفيزياء في جامعة واشنطن: "إذا لم نأخذ النسبية بعين الاعتبار، فإن الساعات الموجودة في الأعلى لن تكون متزامنة مع الساعات الموجودة هنا". تنص النظرية النسبية على أن الأجسام التي تتحرك بسرعة عالية تتقدم في السن بشكل أبطأ من الأجسام الثابتة. تتسارع أقمار نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) بسرعة تبلغ حوالي 14,000 كيلومتر في الساعة، وبالتالي فإن الساعات الذرية الموجودة بداخلها تتأخر عن دقات الساعات الأرضية بحوالي سبعة ميكروثانية يوميًا، وفقًا لحسابات ويل.
لكن التأثير النسبي للجاذبية على حساب الوقت له أهمية أكبر. على ارتفاع متوسط ​​يبلغ 20,000 كيلومتر، فإن قوة الجاذبية المؤثرة على القمر الصناعي لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لا تمثل سوى ربع القوة التي كان من الممكن أن يكون عليها لو استقر على سطح الأرض. ولهذا السبب، يتم تسريع ساعات الأقمار الصناعية بمقدار 45 ميكروثانية يوميًا. مجتمعة، ينبغي أن تتضمن حسابات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) فرقًا قدره 38 ميكروثانية. يوضح أشفي: "إذا لم يكن هناك تغيير في تردد الأقمار الصناعية [التنسيق بين الساعات]، فإن الخطأ التراكمي سيكون 11 كيلومترًا في اليوم". (من الناحية العملية، تكون الحسابات أكثر تعقيدا، لأن الأقمار الصناعية تتحرك في مدارات غريبة الأطوار - أقرب إلى الأرض في بعض الأحيان، وبعيدا عنها في أوقات أخرى).
لم تكن الحاجة إلى أخذ النظرية النسبية بعين الاعتبار واضحة بالنسبة لمصممي نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الأوائل، الذين كانوا في الغالب مهندسين عسكريين، في السبعينيات. يقول آشبي، الذي كان يعمل مستشاراً في ذلك الوقت: "كان هناك نزاع". "كان هناك أشخاص يعتقدون أنه ينبغي أن يؤخذ في الاعتبار؛ وقال آخرون ليست هناك حاجة ". وأدت الاختلافات في الرأي إلى إطلاق أول قمر صناعي لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) دون تغيير التردد، ولكن تم تركيب قاطع الدائرة الكهربائية لتفعيل التحول إذا لزم الأمر. يقول آشبي إنه سرعان ما أصبح من الواضح أنه يجب بالفعل استخدام قاطع الدائرة الكهربائية.
لا تعتمد أساليب نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الحديثة كثيرًا على الحاجة إلى التعويض عن التأثيرات النسبية، على الأقل فيما يتعلق ببيانات الموقع. في نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) التفاضلي، استنادًا إلى أجهزة الاستقبال في نقاط معروفة بدقة على الأرض بالإضافة إلى جهاز الاستقبال اليدوي، يتم تعويض أخطاء الإزاحة فعليًا. (تسمى هذه الطريقة النظام المحسن واسع النطاق، والمختصر: WAAS). لكن أولئك الذين يستخدمون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لقياس الوقت، مثل علماء الفلك الراديوي، لا يزال يتعين عليهم الاعتماد على أينشتاين.
أينشتاين كمخترعلسوء الحظ، لم يتم العثور على أحد اختراعات أينشتاين في المركز التجاري الذي قمت بزيارته - أو في أي مركز تجاري آخر، في الواقع. لم تؤد تجاربه في بناء الأجهزة إلى منتجات استهلاكية مستدامة، ولكن تم تسجيل العديد من الآليات التي اخترعها والتي لها استخدامات في مجالات أخرى كبراءات اختراع باسمه. وفي العشرينيات، قام أينشتاين مع زميله ليو زيلارد بوضع خطة لبناء ثلاجة كهربائية. اعتمد اختراعها على المضخات الكهرومغناطيسية التي لا تتسرب (كانت غازات التبريد في تلك الأيام سامة). وفي وقت قصير تم اختراع المبردات الآمنة، وفقدت المضخة المانعة للتسرب أهميتها. ولهذا السبب، لا يمكن العثور على ثلاجات أينشتاين في متاجر الأدوات الكهربائية اليوم. لكن المضخة لا تزال موجودة، وتستخدم لحقن الصوديوم في تبريد المفاعلات النووية من النوع المسمى "مفاعلات الحاضنة السريعة" [انظر "ثلاجات أينشتاين-زيلارد، بقلم جين دينان، مجلة ساينتفيك أمريكان باللغة الإنجليزية، يناير 1997.]
وبطبيعة الحال، لم تكن الرغبة في الاختراع هي التي حفزت أينشتاين، إذ كان يسعى أولا وقبل كل شيء إلى فهم الطبيعة. لقد ترك الآثار التكنولوجية لتفكيره للآخرين. ويمكن قول ذلك، على سبيل المثال، عن العلاقة والذي ظهر من ورقته البحثية حول النظرية النسبية عام 1905. يقول ستراود: "قبل ذلك، لم يكن أحد يعتقد أن المادة يمكن أن تتحول إلى طاقة بأي شكل من الأشكال". تتميز المعادلة بالبساطة الجذابة - اضرب كمية صغيرة من الكتلة في مربع سرعة الضوء، وستحصل على الكثير من الطاقة - لذا أدرك الكثيرون أنه لا بد من وجود طريقة ما لرؤيتها على أرض الواقع. يقول ويل: "أتصور أن الكثير من الناس بدأوا يفكرون في الأمر".
من المؤكد أنه عندما قام علماء مشروع مانهاتن ببناء القنبلة الانشطارية، لم يكن طموحهم الأول هو تقديم دليل على أن E يساوي بالفعل m في C تربيع؛ لكن الأمور الأكثر أهمية كانت تشغلهم. هذا هو أحد موروثات أينشتاين التكنولوجية التي لا يزال بإمكانها تغيير عالمنا من النهاية إلى النهاية، ولكن نأمل ألا يتم عرضها للبيع في مراكز التسوق أبدًا.