< مجتمع كيونوتك أندرويد

- علوم خلف التقنية ٣.. ال gps , و نسبية أنيشتاين ..

علوم خلف التقنية ٣.. ال gps , و نسبية أنيشتاين ..

الكاتب: أحمد الراعي 17-10-2014



السلام عليكم ورحمة الله وبركاته ..






سلسلة علوم خلف التقنية ، هي سلسلة تعنى بشرح التقنية بتفاصيلها الدقيقة العلمية من كيمياء و فيزياء وطبيعيات ، وتتحرى طريقة عمل التكنولوجيا الحديثة وما يقف ورائها من علوم ..










موضوع مقال اليوم:

نظام تحديد المواقع ، gps ..
global positioning system ..








الجميع يعلم ما هو نظام تحديد المواقع ، gps , و انا متأكد ان اغلبكم يعرف طريقة عمله ..



لست هنا لأخبركم ، ان مجموعة من الاقمار ، تحديدا اربعة ، تتلقى اشارة من جهاز gps , و ترسلها عائدة اليه ، محتسبة بذلك فقط توقيت وصول الاشارة لتعرف بعدها عن المصدر، و بهذه الطريقة يتم تحديد الموقع بإحداثيات ثلاثية الابعاد x y z مسقطة على الزمن t .






هذا امر اعتقد الكل يعلمه ، ما اريد توضيحه هنا ليس تقنية ال gps , بحد ذاتها ، ولكن العلم والسحر الذي يجعلها ممكنة !!



ستعرفون بعد قليل لم اقول يجعلها ممكنة !!





الاقمار الصناعية هي كأساس عملي ،مجرد ساعات clocks تحوم في الفضاء ، مزودة بأجهزة ارسال و استقبال.في الواقع هي تستعمل ساعات خاصة تسمى الساعة الذرية .

اريد قبل البدء بالشرح ان اذكر شيئا سريعا عن الساعات الذرية ، atomic watch ، لأني سأحتاجه لاحقا..






هذه الأخيرة هي ساعات فائقة الدقة ، فائقة الأداء، تم ابتكارها سنة 1949 ، و أعاد العالم لويس إسين تشكيلها عام 1955 لتصبح تعمل على ذرة السيزيوم atom cesium ..


ساعة السيزيوم الذرية ، والتي هي الآن المعتمدة بأنظمة الاقمار والبث الفضائي و المزامنة الهاتفية ووكالة التوقيت العالمي ، وكل شيي يحتاج لدقة عالية ، تتمتع بمعدل خطأ صغير للغاية و مبهر ، يبلغ معدل خطأها ثانية واحدة ، كل ثلاثين مليون سنة !
1 sec / 30 000 000 years !!


هي اكثر ما وصل اليه الانسان من دقة في الوقت ، ولا يسعني هنا شرح طريقة عملها ، يحتاح لموضوع منفرد ولكن يهمني ان تعرفوا دقتها المتناهية ..

لمذا ؟


حسنا ببساطة، لأن ،

الاقمار الصناعية لتعمل بشكل مجدي كنظام لتحديد المواقع عليها ان تتمتع بنظام توقيت دقيق للغاية ، على الساعة المرفقة بالقمر ان لا تخطأ بأكثر من بضعة اجزاء من مليون من الثانية في اليوم الواحد ، يعني تحتاج لدقة نانو ثانية .. ذلك يساوي 0.0000000001 ثانية خطأ في اليوم الواحد ..

اي خطأ يتجاوز بضعة نانو من الثواني سيكون كارثيا في قراءة الموقع ، وسيعطي قراءات فكاهية للغاية بحيث قد يخبرك انك تقف في نيودلهي على ارتفاع الف قدم في الهواء ، وانت تركن سيارتك في باحة منزلك في الرياض .





ولكن ما علاقة العالم ألبرت أنشتاين بالموضوع !!






المشكلة محلولة ،قلت لنا نظام الgps ، يحتاج ساعة دقيقة للغاية ،و اخبرتنا منذ قليل عن دقة الساعة الذرية ، اذا حلت المشكلة ، ضع تلك الساعة على متن القمر الصناعي و انتهى.



لم عليك اقحام انشتاين في كل شيئ ..




في الواقع قبل البدء بإرسال الاقمار الصناعية كنظام لتحديد المواقع ، و لحسن حظ العالم ، ان العالم العبقري ، ألبرت انشتاين ، كان قد سبق و طرح نظريتيه النسبية العامة و النسبية الخاصة اللتين تكلمتا و بشكل خاص عن ظاهرة ال time-dilation , التمدد الزمني ..


وضع انشتاين افكاره حول كون الزمان و المكان ، كوناً واحدا لا يمكن تمييزه عن بعضه او فصله ، في ما اسماه space-time , اي الزمان المكان ، و وضع اسس معادلاته ، بكونهما اي الزمان والمكان نسبيين ، وليسا ثابتين ، ويتعرضان للإنثناء و التغير بفعل عاملين هما الجاذبية ، والسرعة ..




ولكن لنتجاوز أنشتاين لبرهة لو اردتم ، لا مشكلة ، السوڤيات فعلوها وحاولوا تجاهل نظريته ، لم لا نفعلها نحن ايضا ..



الاتحاد السوڤياتي ، قرر وضع ساعة ذرية على متن قمر صناعي ، وارساله ببساطة للفضاء ، بدون الالتفات لمعادلات عالمٍ ألمانيٍّ غريب الأطوار .







النتيجة : بعد دقيقتين فقط!!
بدأ نظام تحديد المواقع يخفق في تحديد المواقع بدقة ، و عند نهاية اليوم الأول كان الخطأ يتجاوز ال ٩ كلم !!
وبعد اسبوعين اصبح قصر الرئيس الروسي بحسب معطيات النظام ، يقبع في مكان ما في القارة القطبية الجنوبية..

اذاً أدق ساعة عرفها الانسان ، فشلت في الحفاظ على دقتها !!



في الواقع لا ، الخطأ لم يكن من الساعة ، ولم يكن خطأ من أي معدات أخرى ، كل شيئ كان مثاليا للحقيقة في معدات السوڤيات ..



ولكن اين فك الأحجية !!



فلنعود الى أنشتاين .






نظرية النسبية العامة :



*الوقت في حقل جاذبية أقوى ، يمر ببطئ اكثر منه في حقل جاذبية أضعف ..








الجاذبية ، هي حقل تنتجه الكتل ، هذا معروف ،
طبعا كل جسم ينتج حقل جاذبية ، و حقل جاذبية الارض هو بسبب كتلتها و ووزنها ، كما للقمر جاذبيته الناتجة عن كتلته ..
منذ نيوتن ، عرّف الانسان الجاذبية بأنها تسحب الاشياء ذات الاوزان نحوها ..
ولكن مع مرور الوقت اكتشفنا ان للجاذبية تأثيرات أخرى غير جذب المواد الصلبة .

أنشتاين بنظريته و بشكل رياضي بحت ، أثبت ان للجاذبية تأثير على الوقت ، بحيث كلما زادت الجاذبية اصبح مرور الوقت اسرع ..و العكس صحيح ..



ولكن لماذا الوقت يتأثر بالجاذبية !!




هنا نعود لشكل الكون الذي طرحه أنشتاين ، و أثبت ذلك لاحقا بعدة معادلات ، انه كون رباعي الابعاد ، هو بمثابة نسيج، متقن من أربع أبعاد ، الوقت فيه بعد مثله مثل الطول و العرض و الارتفاع، و يتعرض للانثناء ، عندما يتعرض ال space time , للانثناء..





لفهم ذلك عليكم التجرد من الفكر التقليدي حول الوقت ، وٱعتباره ، كما أثبت العلم و التجارب، بعداً رابعا ً لا يمكن تمييزه عن الابعاد الثلاثة الا بأنه أحادي الإتجاه ..
يمكنكم العبور فيه بأي سرعة ، و لكن لا يمكنكم الرجوع ..



نعود للسؤال ، كيف يؤثر الوقت على الجاذبية ،

مفهوم الجاذبية اللذي يلقى قبول علمي اليوم ، هو انها انحنائات او انثنائات في زمان المكان ، space-time ..
تخيل الفضاء كنسيج من الأبعاد الأربع ، كل ما يؤثر على هذا النسيج ، يؤثر على أبعاده ، ومنها الزمان، او الوقت ..





كل شيئ له كتلة ، و بحسب حجم كتلته ،تكون الجاذبية اقوى ، فيتعرض النسيج الذي تكلمنا عنه في الاعلى الى الانحناء ، هذا الانحناء يتضمن الوقت بكونه بعدا رابعا ، فينتج عن ذلك ان الوقت كلما زادت الجاذبية ، اي كلما اقتربنا من مصدر الجاذبية ، كوكب الارض مثلا ، يمر الوقت عندها بشكل ابطئ ..
هذه الظاهرة تسمى ، gravitational time dilation..
او التمدد الزمني بفعل الحاذبية ..


وعودة لمسألة القمر الصناعي ، فإنه و بكونه أبعد عن سطح الكوكب ، فإن الوقت يمر بشكل اسرع ، والساعة التي على متن الستالايت ستعاني من عدم مزامنة مع الساعات الأرضية ..

اكرر هنا ..الخطأ ليس من الساعة نفسها ، وليس تأثيرا على اجزاء الساعة الداخلية او نحوه ، و ليس شعورا بمرور الوقت بشكل اسرع ،
المسألة ان الوقت بحد ذاته يكون انثنائه اقل ، ويكون المرور به اسرع .



عند العودة للأرقام ، وعلى ارتفاع مدار القمر الصناعي الافتراضي ، الساعة ستكون اسرع ب خمسة و أربعين الف نانو ثانية ، 45900 nano/sec , وهذا الرقم هو من نتاج معادلات انشتاين ، وليس من التجربة ، ولكن التجربة اظهرت انه دقيق للغاية !!



هذا الفرق في الوقت هو فرق حقيقي ، و ليس نتاج اي خطأ ، و عند تحميل الساعات على القمر الصناعي يتم تعديلها لتخطي هذا الفارق ، سأشرح ذلك بعد قليل..



لأن ليس هذا كل شيئ..

للنسبية الخاصة كلام هنا ايضا يضاف لما قدمته النسبية العامة ..





النسبية الخاصة :


*الاجسام التي تتحرك بسرعة اكبر نسبة لنظام حركي نظري ، تمر بالوقت بطريقة ابطأ ..









هذا يعني انه كل ما زادت سرعة حركة الجسم ، فهو يعبر الوقت بطريقة ابطأ ، وأعيد و أكرر ، لا أتكلم هنا عن شعور بمرور الوقت ، اتكلم عن الوقت نفسه ..



ستجد صعوبة في فهم المسألتين ان لم ترضخ لحقيقة ان الوقت بعدٌ آخر مثله مثل الابعاد الأخرى، و الاجسام تعبر خلاله ..



عندما تعبر الاجسام بسرعة اكبر ، فإنها فعليا تتعرض لما يعرف بال time bend , ويكون مرورها في البعد الزمني ابطأ بالنسبة لجسم ثابت او متحرك اقل سرعة..






طبعا السرعات التي وصل لها الانسان ليست كافية لخلق تفاوت زمني كبير ، مثلا مركبة iss الأميركية ، وبعد ستة شهور دوران بسرعة ثمانية كيلومترات بالثانية تقريبا ، عادت حوالي 0.007 ثانية أصغر ..


لفهم هذه الظاهرة تخيل انك تحمل عدادا ، و صديقك يحمل عدادا ، و هو يركب صاروخا بسرعة ستين الف كيلومتر بالثانية ..
اتفقت انت وهو انه عند كل مرور لعشر ثواني من انطلاقه سيضغط على العداد الذي بدوره سيرسل اشارة لك ، وانت بدورك ستضغك كل عشر ثواني على العداد ..

ما سيحصل هو ان صديقك سيعد عشر ثواني و يضغط ، و ستظهر عندك ان صديقك ضغط عند الثانية السابعة ، وليس العاشرة !!



مع انه ضغط عند العاشرة تماما بالنسبة له ، ولنلغي هنا وقت وصول الاشارة و قرائتها و نحوه ، لا علاقة لذلك بالأمر ، الامر ان صديقك وانت تتعرضان لٱنثناءات زمانمكانية مختلفة ، وجراء سرعته يكون الوقت عنده ابطأ ..



القمر الصناعي يمشي بسرعة حوالي 14،000 كلم بالثانية ، و بالتالي يتعرض لتأثير التمدد الزمني الحركي بشكل اكبر من المركبة iss ..



في الحقيقة بالظبط هو يتأخر بحوالي سبعة آلاف نانو ثانية .. 7000 نانو ثانية كل يوم ..

هذا تأثير معاكس للذي ينتجه الابتعاد عن الجاذبية على القمر الصناعي نفسه..

احد التأثيرين يمدد الزمان بٱتجاه واحد ، و الآخر بٱتجاه آخر.



لٱحتساب التأثير الفعلي في الزمن ، من جراء سرعة القمر و ارتفاعه يجب طرح الرقمين من بعضهما ..
الناتح عن الجاذبية ، و الناتج عن السرعة ..


45000
- 7000
= 38000



والفوز لمصلحة الارتفاع في حالة الستالايت هنا، بحيث يمر الوقت اسرع على القمر الصناعي بمقدار 38000 نانو ثانية .. طبعا نتكلم في يوم واحد هنا وفي جميع القياسات اعلاه..



تقنية تحديد المواقع تحتاج اقله لدقة لا تزيد عن معدل خطأ ، عشرين نانو ثانية في اليوم ، و ها هو القمر يتعرض لتأثير التمدد الزمني و ينحرف بالبعد الزمني 38 ألف نانو ثانية !! في اليوم ، و هذا آلاف اضعاف ما يمكن ان يؤثر على النظام ..




اذا ما الحل ؟




الساعات الذرية يمكن التحكم بسرعتها للحقيقة، بدون التأثير على دقتها لأنها تعمل على ترددات الذرات، و مع الابقاء على معدل الخطأ الجميل الذي تتمتع به ، واحد ثانية كل ثلاثين مليون سنة ..





عبر جعل الساعة تعمل بشكل ابطأ قبل ارسالها للفضاء ، بقيمة تساوي القيمة المحتسبة اعلاه ، يمكن جعل الساعة في الفضاء على ذلك الارتفاع متزامنة مع الساعات الارضية ، و بهذه الطريقة الوقت في الساعة الفضائية لا يتقدم عن الوقت على الأرض بفعل بطى مرور الوقت في مدار القمر الصناعي ..






طبعا كل كلامي في الأعلى هو شرح ، بالكلام ، لمعادلات هي بالأصل رياضية تأخذ صفحات و صفحات من الحلول ، و يتدارسها لحد اليوم العلماء ، لا يمكن استعراضها هنا ، ولكن بغض النظر عن ذلك ، معادلات أنشتاين الرياضية و لحد اليوم تاريخ كتابة المقال ، أثبتت صحتها ، و الأرقام التي قدمتها النظرية النسبية كتصحيح لتأثير ظاهرة التمدد الزمني ، أعطت تفنية تحديد المواقع gps , قدرة لتحديد الموقع مع نسبة خطأ اقل من واحد سنتم بقليل !!




ستقول لي كيف واحد سنتم !! و جهازي الخليوي يقول لي انها دقيقة لغاية امتار فقط ..




نعم جهازك دقيق لغاية امتار فقط، و ليس التقنية بحد ذاتها ، جهاز gps , متطور قد لا يتسع داخل حقيبة سفر كبيرة ، فما بالك بجهاز خليوي ..






في النهاية ، هذه التقنية ، gps , هي واحدة من عشرات ، بل مئات أخرى لم يكن ليكون لوجودها اي قيمة لولا فضل معادلات العالم ألبرت انشتاين و تفكيره الغير تقليدي ..


وفي كل مرة تستعمل نظام تحديد المواقع ، تذكر ان ذلك اصبح ممكنا بسبب معادلات علمية معقدة و غير تقليدية القاها شخص عبقري ، في زمن الفيزياء الذهبي ..






وكان هذا الجزء الثالث من علوم خلف التقنية ، وآسف للإطالة ..















اذا أعحبك الموضوع ، اضغط على اعجبني متكرما، ليستمر الموضوع اطول فترة ممكنة ، بغياب سياسة لتثبيت المواضيع ..

60
أعجبني!

التعليقات (22)

ابداع اهنيك على هذا المقال
هذه هي المواضيع الحقيقية التي افتقر اليها كيونتك حوالي السنة والنصف اشكرك على الموضوع الاكثر من رائع.
وانا اقدر تعبك عليه.
معلومات جميلة
مواضيع الي زي كذا ممتازة ياريت مجتمع كيونوتك والاخوان يكثرون منها ويثقفونا معاهم ... عمل اكثر من رائع ومتعوب عليه اخ احمد
تشكر أخي ع الموضوع......
بس أطلت أكثر من الازم لشرح.....وهوه غير كافي أصلى


لو تضع مصدر...
موضوعك لو تلخصة وتعطي أسلوب تشويق
للمصدر كان جذبت القراء للمقال الشيق....

تقبل مروري
يااخي احس نفسي بدرس فيزيا ء… ..



لكن موضووع روووووعه
موضوع رااائع فعلا ..شاهدته كتقرير على اليوتيوب عن ظاهرة "الزمكان " و التمدد الزمني و كان تقرير ممتع للغاية ..اشجعك و اثني عليك ...استمر في طرح مواضيعك
رهيب والي الامام دائما
موضوع أكثر من رائع ونريدك أن تستمر
معلومات تفيــدنا الاجانب قمه الابتكار
ابداع
اتمنى زيادة هذه المواضيع لإثراء مجتمع كيونوتك بهذه المعلومات القيمة
مشكور اخي علی المعلومات
الوقت يتأثر بالجاذبية ؟
يقولو عن اينشتاين مجنون لكن طلعو الصاحيين همة المجانين ......
مبدع يا أحمد
مقال رائع وشكرا لك
لكن مصدرك مقالك اين؟؟؟
المقال أخذ معي ساعة كتابة و ربما اكثر سيد مصطفى ، وهو من معلومات مكتسبة من هنا و هناك ، و بجزء منه من دراستي ، فمذا اضع المصدر ؟؟!!

الشيئ الوحيد اللذ اضطر لسحبه من النت هو الصور ،التي ابحث عنها كلاٌ على حدة لتتناسب مع ما أشرح من فكرة ، و الارقام التي قد أنساها بعض الأحيان فأعود و أبحث عن مكان ذكرت فيه لأتأكد منها .. وحسبي محرك البحث او ويكيبيديا ..

شكرا لمرورك وأرجوا ان يكون الموضوع قد نال اعجابك .
شكرا لك
اتمنی لو كنت كاتب بنهايه المقال الموضوع من تعبك وجهدك
وبصراحه ترتيب المقال رائع
واستمر في مقالاتك الرائعه
أهنيك أهنيك أخي أحمد على تنويع المعلومات من كيمياء إلى فيزياء , ... إلخ

معلوماتك دقيقة و مترابطة على شكل سلسلة معلومات متتابعة مع ارفاق صور محاكية للشرح ..
كما هو متوقع من أحمد الراعي مقال جذاب و يستحق القراءة ؛

أشكرك أخي أحمد على تعويضنا بهذا المقال لا شك أنه أخذ الكثير من وقتك
تحياتي لك .
موضوع شيق جدا من معلومات وصور
ما شاء الله ابداااع
حلو ضلك كمل الموضوعات هاي انا بقرئها كلمة كلمة ممتازة
يتم تحميل باقي التعليقات..
يجب عليك تسجيل الدخول أولا لتتمكن من التعليق. (تسجيل الدخول) (تسجيل عضو جديد)
مواضيع ذات صلة من مجتمع كيونوتك ..
آخر اخبار التكنولوجيا
أجهزة ذكية