تم نسخ هذه المقالة بإذن من حساب WeChat العام "معهد المبادئ الجديدة" (المعرف: newprincipia)
في الفيزياء ، هناك العديد من التأثيرات المذهلة ، بعضها يحدث في الحياة اليومية ، وبعضها يحدث في الفضاء البعيد البعيد ، وبعضها تم التحقق منه أخيرًا بعد سنوات عديدة ، والبعض الآخر يظل على المستوى النظري. . أدناه ، سنبدأ بالتأثير الأكثر شيوعًا ونسبح إلى أعماق الكون ...
تأثير دوبلر
سواء على الأرض أو في جميع أنحاء الكون ، فإن تأثير دوبلر موجود في كل مكان. السيارة التي تطلق بوقها يتغير من لحظة اقترابها منا عندما تبتعد عنا ، وهذا هو أكثر تأثير دوبلر شيوعًا في الحياة.
بشكل أكثر تحديدًا ، عندما يتحرك مصدر الصوت (أو مصدر الضوء) بالنسبة إلى المراقب ، يتغير تردد الموجة الصوتية (أو الموجة الضوئية) التي يستقبلها المراقب. عندما يتحرك المصدر نحو المستقبل ، يصبح الطول الموجي للمصدر أقصر ويصبح التردد أعلى ؛ إذا تحرك المصدر بعيدًا عن المستقبل ، يصبح الطول الموجي أطول ويقل التردد.
يعد تطبيق تأثير دوبلر في الفيزياء الفلكية أكثر أهمية ، حيث يمكن لعلماء الفلك الحكم على ما إذا كان جسم سماوي يتحرك بعيدًا عنا أو يقترب منا بناءً على "الانزياح الأحمر" و "الانزياح الأزرق". تردد موجات الضوء المختلفة يتوافق مع ألوان مختلفة ، بالنسبة للجرم السماوي القريب منا ، ستتحول موجة الضوء إلى ضوء أزرق ، وتتحول موجة الضوء للجرم السماوي البعيدة عنا إلى ضوء أحمر. من اكتشاف سرعة نجم أو مجرة تقترب منا أو بعيدًا عنا ، إلى اكتشاف وجود كواكب خارجية ، يلعب تأثير دوبلر دورًا مهمًا.
تأثير الفراشة
تسببت فراشة تلوح بجناحيها في حوض نهر الأمازون في حدوث إعصار غير عادي في تكساس بالولايات المتحدة الأمريكية ... تصف هذه القصة المألوفة في الواقع تغييرًا بسيطًا في حالة نظام معقد يمكن أن يتسبب في تغييرات جذرية في المستقبل القريب. تشكيلة. هذه الظاهرة تسمى تأثير الفراشة.
عندما تحدث عالم الأرصاد الجوية إدوارد لورنز عن تأثير الفراشة ، كان ما أراد أن يعبر عنه في الواقع هو مفهوم "الفوضى". في النظام الفوضوي ، قد ينتج عن تعديل صغير سلسلة من تأثيرات السلسلة ، وبالتالي تغيير النتيجة النهائية تمامًا.
ربما يكون أحد أكثر الأشياء إثارة للدهشة بشأن الفوضى هو أن علماء الفيزياء استغرقوا وقتًا طويلاً لإدراك عالميتها ، وهذه الفجوة التاريخية موجودة جزئيًا بسبب صعوبة تحليل الأنظمة الفوضوية. بالنسبة لبعض الأنظمة غير الخطية ، حتى لو تمكنا من قياس أصغر الاضطرابات بدقة عشوائية ، لا يمكننا التنبؤ بها إلا في غضون فترة زمنية محدودة.
يظهر هذا التأثير الفوضوي تقريبًا في أنظمة فيزيائية مختلفة. على سبيل المثال ، على المستوى الكمومي ، ستظهر الثقوب السوداء أيضًا سلوكًا فوضويًا مشابهًا. بالنسبة للثقب الأسود ، حتى التغيير البسيط مثل إلقاء جسيم في هذه الهاوية قد يغير تمامًا سلوك الثقب الأسود.
تأثير مايسنر
عندما تتغير مادة من حالة طبيعية إلى حالة فائقة التوصيل ، فإنها ستصد المجال المغناطيسي ، وتسمى هذه الظاهرة بتأثير مايسنر. في عام 1933 ، اكتشف والثر ميسنر وزميله ما بعد الدكتوراه روبرت أوشنفيلد هذا التأثير عند قياس توزيع المجال المغناطيسي للقصدير والرصاص المبردين إلى حالة فائقة التوصيل (ومن هنا يطلق عليه أيضًا هو تأثير Meissner-Ouchesenfeld). عندما يتم وضع المادة فائقة التوصيل في المجال المغناطيسي ، فإن التدفق المغناطيسي داخل الموصل الفائق سيتم "إفراغه" على الفور. هذا لأن المجال المغناطيسي سيتسبب في حدوث تيار فائق التوصيل على سطح الموصل الفائق ، والذي بدوره يولد مجالًا مغناطيسيًا في الموصل الفائق مساويًا في الحجم ومعاكسًا للحقل المغناطيسي الخارجي ، ويلغي المجالان المغناطيسي بعضهما البعض ، بحيث يتم تكوين تحريض مغناطيسي صفري ثابت في الموصل الفائق. قوة. لذا من الخارج ، يبدو أن الموصل الفائق أفرغ الخطوط المغناطيسية للحث في الجسم.
عندما يتم وضع مادة فائقة التوصيل على المغناطيس ، طالما أن شدة المجال المغناطيسي للمغناطيس لا تتجاوز حدًا معينًا ، يمكن تعليق الموصل الفائق فوق المغناطيس. وذلك لأن تأثير مايسنر يشوه المجال المغناطيسي ويولد قوة تصاعدية.
إذا استمرت قوة المجال المغناطيسي في الازدياد ، فإن الموصل الفائق سيفقد الموصلية الفائقة ، وتسمى هذه الموصلات الفائقة ذات تأثير مايسنر من النوع الأول ، وهي كلها موصلات معدنية فائقة. هناك أيضًا بعض الموصلات الفائقة التي ليس لها تأثير مايسنر أو جزء منه فقط ، وتسمى بالموصلات الفائقة من النوع الثاني ، وهي عادة عبارة عن مواد سبائك متنوعة تتكون من غير فلزات ومعادن ، ويمكن لهذه الموصلات الفائقة أن تحافظ على خصائص الموصلية الفائقة في ظل المجالات المغناطيسية القوية. .
تأثير أخارونوف-بوم
هذا تأثير غير معروف ولكنه مهم في الفيزياء.
في الكهرومغناطيسية الكلاسيكية ، فقط عندما تكون الجسيمات على اتصال مباشر مع المجال الكهرومغناطيسي ، ستتأثر الجسيمات بالمجال. لكن في عام 1959 ، اقترح اثنان من علماء الفيزياء النظرية ، وهما ياكير أهارونوف وديفيد بوم ، أن الجسيمات الكمومية يمكن أن تتأثر بمجال كهربائي أو مغناطيسي حتى لو لم تكن على اتصال مباشر مع مجال كهربائي أو مغناطيسي. تأثيرات. بعد طرح هذا الرأي ، تم التشكيك على نطاق واسع. المجالات الكهربائية والمغناطيسية في الكهرومغناطيسية الكلاسيكية هي الكيانات الأساسية المسؤولة عن جميع التأثيرات الفيزيائية ، ويمكن تمثيل المجال الكهرومغناطيسي بكمية تسمى الجهد الكهرومغناطيسي ، والتي لها قيمة في أي مكان في الفضاء. يمكن اشتقاق المجال الكهرومغناطيسي بسهولة من الجهد الكهرومغناطيسي. لكن مفهوم الجهد الكهرومغناطيسي كان يُنظر إليه دائمًا على أنه مفهوم رياضي بحت بدون أي معنى مادي.
ومع ذلك ، في عام 1959 ، اقترح أخارونوف وبوم "تجربة فكرية" تربط الإمكانات الكهرومغناطيسية بنتائج قابلة للقياس. في هذه التجربة الفكرية ، يتم تقسيم حزمة من الإلكترونات إلى مسارين ، يتحركان على التوالي حول جوانب مغناطيس كهربائي أسطواني (أو ملف لولبي) ، ويتركز المجال المغناطيسي داخل الملف ، ويمكن تعديل حجم المجال المغناطيسي بشكل ضعيف للغاية. لذلك ، يمكن لمساري الإلكترون المرور عبر منطقة لا يوجد فيها مجال أساسي ، لكن الإمكانات الكهرومغناطيسية لهذه المنطقة حيث لا يوجد مجال ليست صفراً.
أثبت أخارونوف وبوم نظريًا أن الإلكترونات الموجودة على هذين المسارين المختلفين ستشهد تغيرات مختلفة في الطور ، فعندما تتحد الإلكترونات على المسارين ، يمكن أن تنتج تأثير تداخل يمكن اكتشافه. . يصف تأثير Akharonov-Bohm تأثير هذا الجهد الكهرومغناطيسي الكلاسيكي القابل للقياس على الجسيمات الكمومية ، مشيرًا إلى أن الجهد الكهرومغناطيسي ليس مجرد مساعدة رياضية ، ولكنه وجود مادي حقيقي.
الآن ، لاحظ الفيزيائيون تأثير أهارونوف-بوم من خلال سلسلة من التجارب.
تأثير مضرب التنس
يصف تأثير مضرب التنس الموقف عندما يتم قلب مضرب التنس رأسًا على عقب وإلقائه في الهواء ، ثم يدور المضرب حول محور. عندما يتم تدوير المضرب حول المحور الأفقي ، يكون هناك تأثير مفاجئ: بالإضافة إلى الدوران 360 درجة حول المحور الأفقي ، يقلب المضرب دائمًا بشكل غير متوقع 180 درجة حول المحور الرأسي.
يحدث هذا التأثير بسبب الانحرافات والاضطرابات الصغيرة أثناء عملية الرمي ، وحركة الجسم الصلب ثلاثي الأبعاد تحت ثلاث لحظات مختلفة من القصور الذاتي. إذا كان جسم صلب يحتوي على ثلاثة محاور دوران "1" و "2" و "3" ، أي أنه يحتوي على ثلاثة أوضاع دوران مختلفة. من بينها ، يكون طول المحور 1 هو الأقصر وطول المحور 3 هو الأطول ، ثم يدور الكائن يعتبر دوران المحور 1 والمحور 3 هو الأكثر استقرارًا ، بينما يكون المحور 2 حول المحور الوسيط غير مستقر. هذا التأثير الغريب هو نتيجة الميكانيكا الكلاسيكية ، ويمكننا حساب هذا التأثير من خلال معادلة أويلر.
مصدر الفيديو: Plasma Ben / Youtube
يعتبر مضرب التنس الذي يدور في الهواء مثالًا نموذجيًا على هذا التأثير ، والذي يطلق عليه اسمه. يُعرف أيضًا باسم تأثير Dzhanibekov ، الذي سمي على اسم رائد الفضاء الروسي فلاديمير دزانيبيكوف. في عام 1985 ، اكتشف Dzhanibekov هذا التأثير في الفضاء.
ينطبق هذا التأثير على جميع الأجسام الصلبة ثلاثية الأبعاد التي يكون محورها 1 أصغر من المحور 2 ، والمحور 2 أصغر من المحور 3. حتى إذا كان طول المحور الوسيط قريبًا جدًا من المحور 3 ، فسيظهر هذا النوع من الدوران المستقر حول المحور الأطول والأقصر ؛ ستؤدي حركة العمود المتوسط إلى حدوث انقلاب بمقدار 180 درجة حتى مع أصغر تداخل.
التأثير الكهروضوئي
عندما يسطع الضوء على سطح المعدن ، فإنه "يطرد" الإلكترونات التي تدور حول النواة ، وهو التأثير الكهروضوئي الشهير. لكن لكي يحدث هذا ، يجب أن يكون تردد الضوء أعلى من عتبة معينة - يعتمد حجم هذه القيمة على المادة. إذا كان التردد أقل من العتبة ، بغض النظر عن مدى قوة الضوء ، لا يمكن طرد الإلكترونات.
في عام 1905 ، من أجل شرح التأثير الكهروضوئي ، اقترح ألبرت أينشتاين أن الضوء يتكون بالفعل من الكم ، أي الفوتونات ، وأن طاقة الفوتونات تتناسب مع التردد. حصل أينشتاين أيضًا على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1922 لاقتراحه التأثير الكهروضوئي.
يعتبر التأثير الكهروضوئي مهمًا جدًا ، فهو ليس أساس عملية التمثيل الضوئي فحسب ، بل هو أيضًا الأساس النظري للعديد من الأجهزة الإلكترونية الحديثة ، مثل الصمامات الثنائية الضوئية والألياف الضوئية وشبكات الاتصالات والخلايا الشمسية وما إلى ذلك.
تأثير هول
في عام 1879 ، اكتشف إدوين هول ، الذي كان يبلغ من العمر 24 عامًا فقط ، ظاهرة خارقة. لقد لاحظ أنه إذا تم وضع صفيحة معدنية يتدفق من خلالها التيار في مجال مغناطيسي وتمر خطوط الحث المغناطيسي عبر سطح الصفيحة المعدنية بزاوية متعامدة ، فسوف تتولد في الاتجاه العمودي لكل من المجال المغناطيسي والتيار. فرق محتمل ، هذه الظاهرة هي تأثير هول. يحدث ذلك لأن الجسيمات المشحونة ستتأثر بقوة لورنتز في المجال المغناطيسي ، مما يؤدي إلى انحراف اتجاه حركتها.
تم إجراء تجربة Hall في درجة حرارة الغرفة ومجال مغناطيسي متوسط القوة (أقل من 1T). بحلول نهاية السبعينيات ، بدأ الباحثون في استخدام مواد أشباه الموصلات لدراسة تأثير هول تحت درجة حرارة منخفضة (قريبة من الصفر المطلق) ومجالات مغناطيسية قوية (حوالي 30T). في مواد أشباه الموصلات منخفضة الحرارة ، تتمتع الإلكترونات بحركة قوية ، لكن لا يمكنها التحرك إلا في مستوى ثنائي الأبعاد. وقد أدى هذا التحديد الهندسي إلى العديد من التأثيرات غير المتوقعة ، أحدها تغيير خصائص تأثير هول ، ويمكن ملاحظة هذا التغيير عن طريق قياس تغيرات مقاومة القاعة مع شدة المجال المغناطيسي.
في عام 1980 ، اكتشف الفيزيائي الألماني كلاوس فون كليتزينج في ظل ظروف تجريبية مماثلة أن تغير مقاومة هول مع شدة المجال المغناطيسي لم يكن خطيًا ، بل تم تصعيده. لا علاقة للموضع الذي تظهر فيه الخطوات بخصائص المواد ، ولكن مع بعض الثوابت الفيزيائية الأساسية مقسومة على عدد صحيح. هذا هو تأثير هول الكمي الصحيح ، وهو أحد أهم وأساسيات التأثيرات الكمومية في مجال فيزياء المادة المكثفة بأكمله. حصل هذا الاكتشاف أيضًا على جائزة نوبل في الفيزياء لفون كليتزينج في عام 1985.
في دراسة متابعة لتأثير الكم الكمي ، فوجئ الباحثون بسرور عندما وجدوا سلمًا جديدًا لمقاومة هول ، أعلى بثلاث مرات من أعلى مقاومة وجدها فون كليتزينج. بعد ذلك ، وجد الباحثون المزيد والمزيد من هذه الخطوات الجديدة ، يمكن التعبير عن ارتفاع جميع الخطوات الجديدة من خلال الثابت السابق ، ولكن يجب تقسيمها على درجات مختلفة. ولهذا السبب سمي الاكتشاف الجديد بتأثير هول الكمي الكسري.
تأثير النفق الكمي
في الحياة اليومية ، إذا وضعنا قطعة من الرخام في صندوق مغلق ، فمن الواضح أنه من المستحيل على الرخام أن يهرب من الصندوق. ولكن عندما نحول الكرة إلى جسيم كمي ونستبدل الصندوق بصندوق كمي ، يمكن للجسيم أن يهرب باحتمالية معينة ، وتسمى هذه الظاهرة بتأثير النفق الكمي.
يشير المربع الكمومي للجسيمات المحاصرة في الواقع إلى حاجز الطاقة. نفق الكم ممكن لأن الإلكترونات لها خصائص موجية. تعطي ميكانيكا الكم كل جسيم خصائص الموجات ، واحتمال اختراق الموجات للعقبات محدود دائمًا.
على الرغم من أن هذا يبدو غير بديهي ، إلا أنه له تأثير حقيقي. ربما سمعت أن ضوء الشمس يستغرق 8 دقائق للوصول إلى الأرض. ومع ذلك ، إذا لم يكن هناك تأثير نفق كمي ، فلن تصدر الشمس هذه الفوتونات أبدًا. في هذا النوع من اندماج الهيدروجين في النجوم ، كلا البروتونات مشحونة بشكل إيجابي وتتنافر. سيمنع التنافر هذين الجسيمين من الاندماج بالقرب من قلب الشمس ، لكن النفق الكمومي يسمح لهذه الجسيمات "بالمرور عبر" الحاجز ، مما يسمح بحدوث الاندماج.
تأثير كازيمير
هذا تأثير يظهر أن "الفراغ" ليس "فارغًا".
نعلم جميعًا أنه إذا اقتربت صفيحة معدنية سالبة الشحنة وشحنة موجبة من بعضهما البعض ، فسيكون هناك جاذبية متبادلة بينهما. ولكن ماذا لو لم يكن اللوحان المعدنيان حيين؟ اكتشف الفيزيائيون أنهم يجذبون بعضهم البعض أيضًا في الفراغ. هذا هو تأثير كازيمير.
في عام 1948 ، تنبأ هندريك كازيمير أن لوحين معدنيين غير مشحنتين في فراغ سوف ينجذبان بتأثير التقلبات الكمومية في المجال الكهرومغناطيسي ، ويتناسب حجم القوة عكسياً مع القوة الرابعة للمسافة بين الصفائح المعدنية. توجد هذه القوة لأن الصفائح المعدنية مملوءة بموجات كهرومغناطيسية تحتوي على طاقة ، وعندما تكون قريبة من بعضها البعض ، فإن بعض الموجات في الفراغ سوف تنضغط تدريجياً ، مما يجعل الطاقة في الفضاء المحيط أعلى من تلك الموجودة بين الصفائح المعدنية. تدفعهم الطاقة للاستمرار في الاقتراب ، وبالتالي يتصرفون كما لو كان هناك جاذبية.
إن جاذبية توقع تأثير كازيمير ضعيفة للغاية بحيث يمكن تجاهلها في معظم الحالات. لم يكن لدى الفيزيائيين حتى عام 1997 وسائل دقيقة بما يكفي للتأكيد المباشر لوجود تأثير كازيمير.
بعد فترة وجيزة من اقتراح تأثير كازيمير ، بدأ الفيزيائيون في التفكير فيما إذا كان تأثير كازيمير يمكن أن ينقلب الجاذبية إلى تنافر. في عام 2010 ، اقترح بعض العلماء أنه يجب أن تكون هناك طريقة لجعل القوى الجذابة والمنافِرة تلغي بعضها البعض ، وذلك لتحقيق التوازن بين السطحين. في عام 2019 ، حقق البروفيسور تشانغ شيانغ من جامعة كاليفورنيا في بيركلي وفريقه ذلك.
تأثير هوكينج
الثقب الأسود هو أكثر الأجرام السماوية غموضًا في الكون ، وجاذبيته قوية جدًا لدرجة أنه بمجرد دخول أي شيء أفقه ، لم يعد بإمكانه الهروب. في السنوات الأخيرة ، لم يكتشف العلماء موجات الجاذبية التي يشعها اندماج الثقوب السوداء فحسب ، بل اكتشفوا أيضًا أول صورة للثقب الأسود.
في أوائل السبعينيات ، اكتشف ستيفن هوكينج التأثير الأكثر روعة للثقوب السوداء. أثبت أن الثقوب السوداء لها درجة حرارة ، وأشار إلى أن درجة حرارة الإشعاع الحراري المنبعث من الثقوب السوداء تتناسب عكسياً مع كتلة الثقوب السوداء. هذا هو أشهر إنجازاته العلمية: إشعاع هوكينغ.
وفقًا لنظرية المجال الكمومي ، فإن ما يسمى بالفراغ ليس فارغًا تمامًا ، ولكنه مليء بالتقلبات الكمية - ستستمر أزواج الجسيمات الافتراضية في الظهور والقضاء. عندما تظهر أزواج الجسيمات الافتراضية هذه بالقرب من أفق الحدث للثقب الأسود ، سيتم التقاط أحد أزواج الجسيمات الافتراضية بواسطة الثقب الأسود ، وسيهرب الآخر. يجب أن يكون للجسيمات التي تسقط في الثقب الأسود طاقة سالبة من أجل الحفاظ على الطاقة الكلية ثابتة. بالنسبة للمراقبين الخارجيين ، أطلق الثقب الأسود للتو جسيمًا.
ومع ذلك ، من الصعب جدًا محاولة قياس هذا التأثير ، لأن إشعاع هوكينغ ضعيف جدًا ويمكن بسهولة محوه تمامًا بواسطة إشعاع الخلفية الكونية الميكروي الذي يخترق الكون بأكمله.
النص: الحاكم الثاني
الصورة: يو يو
مصدر مرجعي:
https://www.sciencenews.org/article/douglas-stanford-sn-10-scientists-watch
https://www.ias.edu/ideas/2017/stanford-black-holes-butterfly-effect
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2003/popular.html
https://physics.aps.org/story/v28/st4
https://phys.org/news/2017-07-quantum-world-tennis-racket.html
https://sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/tennis-racquet-flip
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1921/einstein/facts/
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1998/press-release/
https://archive.briankoberlein.com/2014/03/30/memory-hole/
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.99.125403
https://www.nature.com/articles/d41586-019-03729-4
العنوان الأصلي: عشرة تأثيرات فيزيائية
المصدر: معهد المبادئ الجديدة
المحرر: مي لاو ماو
