نسبیت عام چیست و به چه کار مى آید؟

نسبیت عام گرانش عبارت است از خمیده بودن فضازمان علت سخت فهم بودن نسبیت عام این است که مبتنى است بر دو ساختار ریاضى که هنوز جزء برنامه هاى درسى مدارس و دبیرستان هاى ما نشده: خمیدگى و فضازمان.     پیش بینى هاى نسبیت خاص نسبیت خاص پیش بینى هایى مى کند که براى ما بسیار عجیبند. مثلاً اینکه ساعت هاى متحرک کندتر کار مى کنند، خط کش هاى متحرک کوتاه ترند. یا اینکه ممکن است مقدارى جرم به انرژى تبدیل شود (E=mc2) . تمام پیش بینى هاى نسبیت خاص با دقت بسیار آزموده شده اند و امروزه تقریباً هیچ فیزیک پیشه مطرحى هیچ شکى درباره درست بودن نسبیت خاص ندارد. انگیزه اینشتین از پرداختن نسبیت خاص آشتى دادن نظریه الکتریسیته و مغناطیس مکسول با اصل نسبیت گالیله بود. در واقع نسبیت خاص کامل شده نسبیت گالیله اى است. از سال 1905 به این طرف همه فیزیک پیشه ها متقاعد شده اند که هر نظریه فیزیکى اى باید با نسبیت خاص سازگار باشد. چهار قرن و نیم پیش در سال 1543 نیکلاس کوپرنیکوس مرد و در همان سال کتاب معروف او De revolutionibus منتشر شد. در این کتاب نظامى جدید براى هیئت پیشنهاد شده بود، نظامى که در آن خورشید در مرکز بود و زمین و دیگر سیاره ها به دور آن مى گشتند. گالیله این ایده را پذیرفت و براى آن تبلیغ بسیار کرد. این که زمین به دور خودش و به دور خورشید مى گردد، با فلسفه رسمى آن دوران نمى خواند. استدلالى که مخالفان نظام کپرنیکى مى کردند این بود که چرا ما متوجه حرکت زمین نمى شویم. گالیله در این باره فکر کرد و کشفى کرد که بسیار مهم است. گالیله کشف کرد که با هیچ آزمایشى نمى توان حرکت یکنواخت را آشکار کرد. امروزه همه این تجربه را داریم که اگر قطارى با سرعت ثابت حرکت کند، در داخل قطار همه چیز همان طورى است که در ایستگاه است، با هیچ آزمایشى نمى توان فهمید قطار حرکت مى کند یا نه (تنها با نگاه کردن به بیرون است که مى توان این را فهمید). فیزیک پیشه ها این را اصل نسبیت گالیله مى نامند. پس از گالیله، نیوتن سه قرن پیش دو چیز بسیار مهم کشف کرد: 1- قوانین مکانیک را کشف کرد؛ قوانینى که براساس آنها مى توان فهمید که یک سیستم مکانیکى (مثلاً منظومه شمسى) در زمان هاى آینده چه وضعیتى دارد، مشروط بر آن که وضعیت آن در یک زمان مثلاً الان معلوم باشد. 2- قانون گرانش عمومى را کشف کرد؛ قانونى که مى گوید در طبیعت هر دو جسمى یکدیگر را با نیروى جذب مى کنند و این نیرو متناسب است با عکس مجذور فاصله و متناسب با جرم هر کدام از جسم ها. فیزیک پیشه ها این پدیده را گرانش و این نیرو را نیروى گرانشى مى نامند. به دلیل این نیروى گرانشى است که ماه به دور زمین و زمین به دور خورشید مى گردد. ضمناً مکانیکى که نیوتن ساخت با اصل نسبیت گالیله سازگار است. دقیقاً صد سال پیش آلبرت اینشتین با انتشار چند مقاله تاریخ ساز، انقلاب یا در واقع انقلاب هایى در علم فیزیک راه انداخت. یکى از این مقاله ها با عنوان «درباره الکترودینامیک جسم هاى متحرک» ارائه نظریه اى است که به نسبیت خاص معروف شد. نسبیت خاص پیش بینى هایى مى کند که براى ما بسیار عجیبند. مثلاً اینکه ساعت هاى متحرک کندتر کار مى کنند، خط کش هاى متحرک کوتاه ترند. یا اینکه ممکن است مقدارى جرم به انرژى تبدیل شود E=mc2 . تمام پیش بینى هاى نسبیت خاص با دقت بسیار آزموده شده اند و امروزه تقریباً هیچ فیزیک پیشه مطرحى هیچ شکى درباره درست بودن نسبیت خاص ندارد. انگیزه اینشتین از پرداختن نسبیت خاص آشتى دادن نظریه الکتریسیته و مغناطیس مکسول با اصل نسبیت گالیله بود. در واقع نسبیت خاص کامل شده نسبیت گالیله اى است. از سال 1905 به این طرف همه فیزیک پیشه ها متقاعد شده اند که هر نظریه فیزیکى اى باید با نسبیت خاص سازگار باشد. تقریباً بلافاصله پس از تکمیل نسبیت خاص این سئوال مطرح شد که آیا گرانش عمومى نیوتن با نسبیت خاص سازگار هست و پاسخ منفى بود. پس لابد نظریه گرانش نیوتن کامل نیست. بعضى از فیزیک پیشه ها به دنبال نظریه کامل ترى براى گرانش گشتند، نظریه اى که با نسبیت خاص سازگار باشد. هیچ کس نتوانست نظریه شسته رفته و موفقى براى گرانش بیابد که هم نسبیت خاصى باشد، هم با تجربه بخواند. آزمایش هاى بسیارى موید این هستند که اگر نیرویى جز گرانش در کار نباشد همه اجسام با یک شتاب مى افتند! در 1911 اینشتین از این واقعیت تجربى نتیجه گرفت1 که اگر در اتاقکى باشیم که از بالاى برجى رها شده باشد (ول شده باشد)، با هیچ آزمایشى نمى توانیم گرانش زمین را حس کنیم.2 امروزه فیزیک پیشه ها این را اصل هم ارزى مى نامند. اینشتین فهمید که کلید نظریه نسبیتى گرانش همین اصل هم ارزى است. با استدلال هایى که نبوغ از آنها مى بارد، اینشتین از این اصل چند نتیجه گرفت: 1- اینکه اگر نورى از زمین به بالا فرستاده شود وقتى به ارتفاع هاى بالاتر مى رسد طول موجش بیشتر مى شود. 2- اینکه ساعت ها در نزدیکى سطح زمین کندتر کار مى کنند تا ساعت هایى که در ارتفاع هاى بالاتر هستند. 3- اینکه اگر پرتوى نورى از کنار یک جسم سنگین مثلاً از کنار خورشید بگذرد، کمى خم مى شود. در مورد خورشید این خم شدگى حدود 1 ثانیه قوس است. پس از آن با پنج سال کار طاقت فرسا اینشتین نظریه اى براى گرانش ساخت و آن را نسبیت عام نامید. بنابر نسبیت عام گرانش عبارت است از خمیده بودن فضازمان علت سخت فهم بودن نسبیت عام این است که مبتنى است بر دو ساختار ریاضى که هنوز جزء برنامه هاى درسى مدارس و دبیرستان هاى ما نشده: خمیدگى و فضازمان. در قرن نوزدهم هندسه پیشرفت زیادى کرد. از جمله کارل فردریش گاوس هندسه سطح هاى خمیده را بررسى کرد. منظور از سطح هاى خمیده چیز هایى است مثل سطح یک توپ یا سطح یک تیوب، چرخ ماشین (که ریاضى پیشه ها به آن چنبره مى گویند) یا سطح یک زین اسب. ریاضیاتى را که گاوس پیش کشیده بود گئورگ فردریش برنهارد ریمان ریاضى پیشه دیگر آلمانى بسیار پیش برد.3 ریمان کشف کرد که آنچه در هندسه مهم است چه در هندسه اقلیدسى، چه در هندسه رویه هاى خمیده قضیه فیثاغورث براى مثلث هاى کوچک است. در هندسه اقلیدسى صفحه قضیه فیثاغورث مى گوید که اگر مثلث قائم الزاویه اى داشته باشیم که یک ضلع آن dx و ضلع دیگرش dy باشد، طول وترش ds است و داریم ds2=dx2+dy2 که در اینجا x و y مختصه هاى دکارتى متداول صفحه اند و dx2 یعنى 2(dx). ریمان کشف کرد که تمام هندسه اقلیدسى صفحه نتیجه این تساوى ds2=dx2+dy2 است. این فرمول ریاضى را ریاضى پیشه ها متریک ریمانى مى نامند. در مورد سطح خمیده کره زمین این اصطلاح متریک به شکل ds2=R2cos2dldj درمى آید. که در اینجا R شعاع زمین، l عرض جغرافیایى و j طول جغرافیایى است. Ds فاصله دو نقطه نزدیک روى سطح زمین است که عرض جغرافیایى آنها به اندازه dl و طول جغرافیایى آنها به اندازه dj فرق دارد. ضمناً این نکته بسیار مهم است که در این فرمول dj و dl باید بسیار کوچک باشند؛ اگر نه براى محاسبه فاصله باید از فرمولى پیچیده تر استفاده کرد.) تعمیم به ابعاد بیش از دو براى ریاضى پیشه اى مثل ریمان سرراست بود. در 1908 هرمان مینکفسکى که زمانى در پلى تکنیک زوریخ استاد ریاضى اینشتین بود، کشف کرد که آنچه نسبیت خاص مى گوید در واقع این است که فضا و زمان موجودیت مستقلى ندارند. آنچه موجودیت مستقل دارد چیزى است که مینکفسکى آن را فضازمان نامید. مینکفسکى در واقع براى نسبیت خاص یک تعبیر هندسى کشف کرد: فضازمان یک پیوستار چاربعدى است و ساختار این پیوست ها تعمیمى است از چیزى که هندسه اقلیدسى مى نامیم. در واقع آنچه مینکفسکى کشف کرد این بود که اولاً عنصر بنیادى که در هندسه اقلیدسى نقطه است، در نسبیت خاص رویداد است، یعنى اتفاقى که در یک لحظه خاص در یک جاى خاص روى مى دهد- براى مشخص کردن یک نقطه در صفحه اقلیدسى باید x و y آن را داد؛ حال آنکه براى مشخص کردن یک رویداد در نسبیت خاص باید x، y، z و t آن را داد. ثانیاً مینکفسکى کشف کرد که تمام نسبیت خاص در واقع بیان این است که در این فضازمان قضیه اى شبیه قضیه فیثاغورث درست است که باعث مى شود بتوان فضازمان را مثل یک هندسه ریمانى در نظر گرفت، منتها با متریک شبه ریمانى ds2=dx2+dy2+dz2-c2dt2 که در آن c سرعت نور است (سرعتى که بنابر نسبیت خاص یکى از ثابت هاى طبیعت است، همان c اى که در E=mc2 ظاهر مى شود.) به دلیل علامت منفى در کنار dt2 است که به این متریک شبه ریمانى مى گویند. اینشتین متوجه شد که گرانش یعنى اینکه متریک شبه ریمانى فضازمان به شکل ساده اى که در نسبیت خاص مى آید نیست. این گام که اینشتین برداشت گام بسیار سختى بود. اینشتین با نبوغ خود از اصل هم ارزى نتیجه گرفت که فضازمان خمیده است. اما این تازه شیوع نسبیت عام بود. اینشتین فهمید وجود ماده در فضا باعث مى شود متریک فضازمان عوض شود، اما چقدر و چگونه؟ براى یافتن پاسخ اینشتین مى بایست هندسه ریمانى فرا بگیرد. در این کار دوست ریاضى پیشه اش مارسل گرسمان (که اینشتین در 1905 پایانه نامه دکترایش را به او تقدیم کرده بود) به کمکش آمد. اینشتین از گرسمان هندسه یاد گرفت4، و توانست معادله هایى به دست آورد که با حل کردن آنها مى توان متریک را به دست آورد. این معادله ها که معادله هاى اینشتین نام دارند، مى گویند که وجود جرم و انرژى در فضا چگونه فضازمان را مى خماند. معادله هاى اینشتین بسیار پیچیده اند. نتیجه هاى فیزیکى یکى از نخستین حل هاى معادله اینشتین را فیزیک پیشه منجمى به نام کارل شوارتس شیلد به دست آورد.5 شوارتس شیلد متریک اطراف یک کره مثلاً اطراف یک ستاره را به دست آورد. این متریک که امروزه متریک شوارتس شیلد نام دارد، خاصیت بسیار عجیبى دارد: اگر شعاع ستاره از حدى کوچک تر شود، دیگر حتى نور هم از آن نمى تواند بیرون بیاید. در این حالت ستاره تبدیل به شىء عجیبى مى شود که سیاهچاله نام گرفته است. درک فیزیک سیاهچاله ها یکى از چالش هایى است که فیزیک پیشه ها بیش از نیم قرن است با آن دست و پنجه نرم مى کنند. امروزه تقریباً اکثر اخترفیزیک پیشه هاى فعال اعتقاد دارند که در دنیا از جمله در مرکز کهکشان راه شیرى سیاهچاله هست. بعد از تکمیل نسبیت عام اینشتین به این مسئله پرداخت که معادله هایى که نوشته چه چیزى براى کل جهان یا کیهان پیش بینى مى کنند. فرض هایى بسیار معقول و کلى براى کل کیهان کرد. مثلاً اینکه کیهان در مقیاس هاى بزرگ نه مرکز مرجحى دارد نه امتداد. مرجحى معادله ها را حل کرد و در کمال تعجب دید که حل ایستا ندارند: یا جهان در حال بزرگ شدن است یا در حال کوچک شدن، در گذشته اى متناهى از یک نقطه آغاز شده و ممکن است در آینده اى متناهى به یک نقطه بینجامد! از این حل خوشش نیامد. دستى در معادله هایش برد. جمله اى به آنها افزود. در این جمله ثابتى ظاهر مى شود که آن را ثابت کیهان شناختى نامگذارى کرد. اگر این ثابت که آن را با l نشان مى دهند، صفر باشد، معادله ها مى شوند همان معادله هاى قبلى اگر l مثبت باشد، جلوى انبساط عالم گرفته مى شود و اگر l منفى باشد، جهان به نحو فزاینده اى منبسط مى شود. چند سال بعد ادوین هابل منجم آمریکایى انبساط جهان را کشف کرد! پس از آن اینشتین گفت این افزودن جمله کیهان شناختى به معادله هایش بزرگ ترین اشتباه زندگى اش بوده. امروز یک نظریه بسیار موفق براى کیهان شناخت داریم موسوم به مدل استاندارد کیهان شناخت.6 یکى از سنگ هاى اصلى این بناى بسیار عظیم و زیبا نسبیت عام است.

استفاده از نانو حامل‌ها برای درمان مسمومیت‌های دارویی

مسمومیت‌های دارویی حدود ‪ ۴۰‬درصد ازکل موارد مسمومیت را به خود اختصاص داده‌اند و روش درمانی با استفاده از تزریق نانو ذرات به درون خون ابداع شده است. مسمومیت‌های دارویی حدود ‪ ۴۰‬درصد ازکل موارد مسمومیت را به خود اختصاص داده‌اند و روش درمانی با استفاده از تزریق نانو ذرات به درون خون ابداع شده است. پایگاه اینترنتی فناوری نانو در گزارشی اعلام کرد، برای تعداد کمی از داروها پادزهر وجوددارد و درمان این موارد منوط به پمپاژ معده و تخلیه آن و یا تحریک روده‌ها، تجویز زغال فعال و یا انجام همودیالیز می‌باشد. تمامی این روش‌ها تهاجمی بوده و نیاز به دستگاه‌های ویژه دارند. در این گزارش آمده است، روش جایگزین دیگری که ابداع شده است، استفاده از تزریق نانو ذرات به درون خون است. به‌گفته یکی از محققان دانشگاه "مونترال"، محققان درحال ارزیابی انواع نانو حامل‌ها جهت سمیت‌زدایی دارویی هستند. وی گفت محققان تاکنون موفق شده‌اند نشان دهند طراحی مناسب نانو حامل‌ها می‌تواند داروها را از بافت‌ها به راحتی خارج سازد. این ذرات به همراه حامل دارویی خود بعد از تخریب از بدن دفع می‌شوند. براساس این گزارش، به دلیل کوچک‌بودن اندازه این ذرات(‪ ۵۰-۱۰۰‬نانومتر) به راحتی در جریان عمومی خون گردش کرده ، بدون این که عروق خونی را مسدود سازند. این ذرات را به گونه‌ای می‌توان طراحی کرد که به یک داروی خاص متصل شده و غلظت آن را کاهش دهند. حتی آن‌ها را به گونه‌ای می‌توان طراحی نمود که بیش از یک دارو را جذب کنند و برای برداشت چند نوع دارو مناسب باشند. این افراد در یک مدل درون-برون تنی (‪ (Ex-vivo‬سمیت قلب بوسیله داروهای ضدافسردگی را مورد ارزیابی قرار دادند. محققان دریافتند که بهبود مسمومیت در حالتی که از نانوحامل‌ها استفاده شد نسبت به موقعی که از نانو ذرات استفاده نشد، سریع‌تر است. به گزارش پایگاه اینترنتی فناوری نانو، محدودیت‌های احتمالی این روش تداخل نانو ذرات با داروهای دیگری است که برای درمان مسمومیت مریض‌ها از آنها استفاده می‌شود. محققان درنظر دارند این روش را در نمونه‌های حیوانی بزرگتر نیز بررسی کنند تا به نتایج واقعی‌تری دست یابند. نتایج این مطالعه در مجله ‪ Nature Nanotechnology‬منتشر شده است

فیبر نوری

فیبر نوری یکی از محیط های انتقال داده با سرعت بالا است . امروزه از فیبر نوری در موارد متفاوتی نظیر: شبکه های تلفن شهری و بین شهری ، شبکه های کامپیوتری و اینترنت استفاده بعمل می آید. فیبرنوری رشته ای از تارهای شیشه ای بوده که هر یک از تارها دارای ضخامتی معادل تار موی انسان را داشته و از آنان برای انتقال اطلاعات در مسافت های طولانی استفاده می شود ...   فیبر نوری چیست و کاربرد و عملکرد فیبر نوری چگونه است   پیش گفتار فیبر نوری یکی از محیط های انتقال داده با سرعت بالا است . امروزه از فیبر نوری در موارد متفاوتی نظیر: شبکه های تلفن شهری و بین شهری ، شبکه های کامپیوتری و اینترنت استفاده بعمل می آید. فیبرنوری رشته ای از تارهای شیشه ای بوده که هر یک از تارها دارای ضخامتی معادل تار موی انسان را داشته و از آنان برای انتقال اطلاعات در مسافت های طولانی استفاده می شود. مبانی فیبر نوری فیبر نوری ، رشته ای از تارهای بسیار نازک شیشه ای بوده که قطر هر یک از تارها نظیر قطر یک تار موی انسان است . تارهای فوق در کلاف هائی سازماندهی و کابل های نوری را بوجود می آورند. از فیبر نوری بمنظور ارسال سیگنال های نوری در مسافت های طولانی استفاده می شود. مزایای فیبر نوری فیبر نوری در مقایسه با سیم های های مسی دارای مزایای زیر است : · ارزانتر. هزینه چندین کیلومتر کابل نوری نسبت به سیم های مسی کمتر است . · نازک تر. قطر فیبرهای نوری بمراتب کمتر از سیم های مسی است . · ظرفیت بالا. پهنای باند فیبر نوری بمنظور ارسال اطلاعات بمراتب بیشتر از سیم مسی است . · تضعیف ناچیز. تضعیف سیگنال در فیبر نوری بمراتب کمتر از سیم مسی است . · سیگنال های نوری . برخلاف سیگنال های الکتریکی در یک سیم مسی ، سیگنا ل ها ی نوری در یک فیبر تاثیری بر فیبر دیگر نخواهند داشت . · مصرف برق پایین . با توجه به سیگنال ها در فیبر نوری کمتر ضعیف می گردند ، بنابراین می توان از فرستنده هائی با میزان برق مصرفی پایین نسبت به فرستنده های الکتریکی که از ولتاژ بالائی استفاده می نمایند ، استفاده کرد. · سیگنال های دیجیتال . فیبر نور ی مناسب بمنظور انتقال اطلاعات دیجیتالی است . · غیر اشتعال زا . با توجه به عدم وجود الکتریسیته ، امکان بروز آتش سوزی وجود نخواهد داشت . · سبک وزن . وزن یک کابل فیبر نوری بمراتب کمتر از کابل مسی (قابل مقایسه) است. · انعطاف پذیر . با توجه به انعظاف پذیری فیبر نوری و قابلیت ارسال و دریافت نور از آنان، در موارد متفاوت نظیر دوربین های دیجیتال با موارد کاربردی خاص مانند : عکس برداری پزشکی ، لوله کشی و ...استفاده می گردد. با توجه به مزایای فراوان فیبر نوری ، امروزه از این نوع کابل ها در موارد متفاوتی استفاده می شود. اکثر شبکه های کامپیوتری و یا مخابرات ازراه دور در مقیاس وسیعی از فیبر نوری استفاده می نماین بخش های مختلف فیبر نوری یک فیبر نوری از سه بخش متفاوت تشکیل شده است : هسته (Core) هسته نازک شیشه ای در مرکز فیبر که سیگنا ل های نوری در آن حرکت می نمایند. روکش Cladding  بخش خارجی فیبر بوده که دورتادور هسته را احاطه کرده و باعث برگشت نورمنعکس شده به هسته می گردد. بافر رویه Buffer Coating   روکش پلاستیکی که باعث حفاظت فیبر در مقابل رطوبت و سایر موارد آسیب پذیر ، است . انواع فیبر نوری صدها و هزاران نمونه از رشته های نوری فوق در دسته هائی سازماندهی شده و کابل های نوری را بوجود می آورند. هر یک از کلاف های فیبر نوری توسط یک روکش هائی با نام Jacket محافظت می گردند. فیبر های نوری در دو گروه عمده ارائه می گردند: فیبرهای تک حالته (Single-Mode)  بمنظور ارسال یک سیگنال در هر فیبر استفاده می شود نظیر : تلفن فیبرهای چندحالته Multi-Mode بمنظور ارسال چندین سیگنال در یک فیبر استفاده می شود( نظیر : شبکه های کامپیوتری) فیبرهای تک حالته دارای یک هسته کوچک ( تقریبا" ۹ میکرون قطر ) بوده و قادر به ارسال نور لیزری مادون قرمز ( طول موج از ۱۳۰۰ تا ۱۵۵۰ نانومتر) می باشند. فیبرهای چند حالته دارای هسته بزرگتر ( تقریبا" ۵ / ۶۲ میکرون قطر ) و قادر به ارسال نورمادون قرمز از طریق LED می باشند  ارسال نور در فیبر نوری فرض کنید ، قصد داشته باشیم با استفاده از یک چراغ قوه یک راهروی بزرگ و مستقیم را روشن نمائیم . همزمان با روشن نمودن چراغ قوه ، نور مربوطه در طول مسیر مسفقیم راهرو تابانده شده و آن را روشن خواهد کرد. با توجه به عدم وجود خم و یا پیچ در راهرو در رابطه با تابش نور چراغ قوه مشکلی وجود نداشته و چراغ قوه می تواند ( با توجه به نوع آن ) محدوده مورد نظر را روشن کرد. در صورتیکه راهروی فوق دارای خم و یا پیچ باشد ، با چه مشکلی برخورد خواهیم کرد؟ در این حالت می توان از یک آیینه در محل پیچ راهرو استفاده تا باعث انعکاس نور از زاویه مربوطه گردد.در صورتیکه راهروی فوق دارای پیچ های زیادی باشد ، چه کار بایست کرد؟ در چنین حالتی در تمام طول مسیر دیوار راهروی مورد نظر ، می بایست از آیینه استفاده کرد. بدین ترتیب نور تابانده شده توسط چراغ قوه (با یک زاویه خاص) از نقطه ای به نقطه ای دیگر حرکت کرده ( جهش کرده و طول مسیر راهرو را طی خواهد کرد). عملیات فوق مشابه آنچیزی است که در فیبر نوری انجام می گیرد. تکنولوژی ( فن آوری ) فیبر نوری نور، در کابل فیبر نوری از طریق هسته (نظیر راهروی مثال ارائه شده ) و توسط جهش های پیوسته با توجه به سطح آبکاری شده ( Cladding) ( مشابه دیوارهای شیشه ای مثال ارائه شده ) حرکت می کند.( مجموع انعکاس داخلی ) . با توجه به اینکه سطح آبکاری شده ، قادر به جذب نور موجود در هسته نمی باشد ، نور قادر به حرکت در مسافت های طولانی می باشد. برخی از سیگنا ل های نوری بدلیل عدم خلوص شیشه موجود ، ممکن است دچار نوعی تضعیف در طول هسته گردند. میزان تضعیف سیگنال نوری به درجه خلوص شیشه و طول موج نور انتقالی دارد. ( مثلا" موج با طول ۸۵۰ نانومتر بین ۶۰ تا ۷۵ درصد در هر کیلومتر ، موج با طول ۱۳۰۰ نانومتر بین ۵۰ تا ۶۰ درصد در هر کیلومتر ، موج با طول ۱۵۵۰ نانومتر بیش از ۵۰ درصد در هر کیلومتر   سیستم رله فیبر نوری بمنظور آگاهی از نحوه استفاده فیبر نوری در سیستم های مخابراتی ، مثالی را دنبال خواهیم کرد که مربوط به یک فیلم سینمائی و یا مستند در رابطه با جنگ جهانی دوم است . در فیلم فوق دو ناوگان دریائی که بر روی سطح دریا در حال حرکت می باشند ، نیاز به برقراری ارتباط با یکدیگر در یک وضعیت کاملا" بحرانی و توفانی را دارند. یکی از ناوها قصد ارسال پیام برای ناو دیگر را دارد.کاپیتان ناو فوق پیامی برای یک ملوان که بر روی عرشه کشتی مستقر است ، ارسال می دارد. ملوان فوق پیام دریافتی را به مجموعه ای از کدهای مورس ( نقطه و فاصله ) ترجمه می نماید. در ادامه ملوان مورد نظر با استفاده از یک نورافکن اقدام به ارسال پیام برای ناو دیگر می نماید. یک ملوان بر روی عرشه کشتی دوم ، کدهای مورس ارسالی را مشاهده می نماید. در ادامه ملوان فوق کدهای فوق را به یک زبان خاص ( مثلا" انگلیسی ) تبدیل و آنها را برای کاپیتان ناو ارسال می دارد. فرض کنید فاصله دو ناو فوق از یکدیگر بسار زیاد ( هزاران مایل ) بوده و بمنظور برقرای ارتباط بین آنها از یک سیتستم مخابراتی مبتنی بر فیبر نوری استفاده گردد. سیستم رله فیبر نوری از عناصر زیر تشکیل شده است : فرستنده . مسئول تولید و رمزنگاری سیگنال های نوری است . فیبر نوری مدیریت سیکنال های نوری در یک مسافت را برعهده می گیرد. بازیاب نوری . بمنظور تقویت سیگنا ل های نوری در مسافت های طولانی استفاده می گردد. · دریافت کننده نوری . سیگنا ل های نوری را دریافت و رمزگشائی می نماید. در ادامه به بررسی هر یک از عناصر فوق خواهیم پرداخت . فرستنده وظیفه فرستنده، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو فرستنده پیام است . فرستنده سیگنال های نوری را دریافت و دستگاه نوری را بمنظور روشن و خاموش شدن در یک دنباله مناسب ( حرکت منسجم ) هدایت می نماید. فرستنده ، از لحاظ فیزیکی در مجاورت فیبر نوری قرار داشته و ممکن است دارای یک لنز بمنظور تمرکز نور در فیبر باشد. لیزرها دارای توان بمراتب بیشتری نسبت به LED می باشند. قیمت آنها نیز در مقایسه با LED بمراتب بیشتر است . متداولترین طول موج سیگنا ل های نوری ، ۸۵۰ نانومتر ، ۱۳۰۰ نانومتر و ۱۵۵۰ نانومتر است . بازیاب ( تقویت کننده ) نوری همانگونه که قبلا" اشاره گردید ، برخی از سیگنال ها در مواردیکه مسافت ارسال اطلاعات طولانی بوده ( بیش از یک کیلومتر ) و یا از مواد خالص برای تهیه فیبر نوری ( شیشه ) استفاده نشده باشد ، تضعیف و از بین خواهند رفت . در چنین مواردی و بمنظور تقویت ( بالا بردن ) سیگنا ل های نوری تضعیف شده از یک یا چندین " تقویت کننده نوری " استفاده می گردد. تقویت کننده نوری از فیبرهای نوری متععدد بهمراه یک روکش خاص (doping) تشکیل می گردند. بخش دوپینگ با استفاده از یک لیزر پمپ می گردد . زمانیکه سیگنال تضعیف شده به روکش دوپینگی می رسد ، انرژی ماحصل از لیزر باعث می گردد که مولکول های دوپینگ شده، به لیزر تبدیل می گردند. مولکول های دوپینگ شده در ادامه باعث انعکاس یک سیگنال نوری جدید و قویتر با همان خصایص سیگنال ورودی تضعیف شده ، خواهند بود.( تقویت کننده لیزری) دریافت کننده نوری وظیفه دریافت کننده ، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو دریافت کننده پیام است. دستگاه فوق سیگنال های دیجیتالی نوری را اخذ و پس از رمزگشائی ، سیگنا ل های الکتریکی را برای سایر استفاده کنندگان ( کامپیوتر ، تلفن و ... ) ارسال می نماید. دریافت کننده بمنظور تشخیص نور از یک "فتوسل" و یا "فتودیود" استفاده می کند

پرقدرت‌ترین پرتو لیزری دنیا تولید می‌شود

دانشمندان دانشگاه میشیگان به شیوه نوینی برای تولید قوی‌ترین و نافذترین پرتو لیزری دنیا دست یافتند.   دانشمندان دانشگاه میشیگان به شیوه نوینی برای تولید قوی‌ترین و نافذترین پرتو لیزری دنیا دست یافتند. به گزارش سرویس علمی ایسنا، این دانشمندان اظهار داشتند با این روش جدید قادر به تولید یک پرتو لیزری هستند که می‌تواند به اندازه یک اشعه متمرکز از نورخورشید که به زمین می‌تابد نافذ باشد. کارل کروشلنیک، استاد فیزیک و مهندسی در این تیم پژوهشی گفت: این لیزر قدرتمندترین لیزری است که می‌توانیم تولید کنیم و گمان نمی‌کنم که در هیچ جای دنیا نوری با این شدت و قدرت وجود داشته باشد. مدت جریان هر پرتو این لیزر یک میلیونیوم میلیاردم یک ثانیه طول می‌کشد. این دانشمندان معتقدند که چنین لیزرهای قدرتمندی می‌توانند در تولید پرتوهای بهتر پروتونی و نوترونی برای استفاده در پرتودرمانی جهت معالجه سرطان نقش مفیدی داشته باشند که البته این تنها یکی از کاربردهای لیزر جدید است. لیزر جدید می‌تواند در هر 10 ثانیه یک پرتو قدرتمند تولید کند. برای تولید چنین پرتو پرقدرتی پژوهشگران یک آمپلی‌فایر دیگر به سیستم لیزر هرکول اضافه کرده‌اند.

آهنربایی کره زمین

 

1 - زمینه با پیدایش آهنربا ، پس از گذشت زمان کوتاهی پی بردند که کرة زمین نیز خاصیت آهنربایی دارد ؛ تا آنجا که نام قطب های آهن ربا را را بر اساس نام قطب های زمین نام گذاری کردند .

به دنبال آن ، برای اولین در سال 1600 میلادی ، توسط « گیلبرت » زمین به عنوان یک آهنربای بزرگ معرفی شد .

برای دلیل وجود خاصیت مغناطیسی در کرة زمین ، نظریه های متفاوتی از آغاز شناخت آن تا کنون ، ارائه شده است و حتی بعضی می گفتند ، خاصیت مغناطیسی کرة زمین ، تحت تأثیر کره های دیگر است . اما آخرین نظریه ، این خاصیت را به مواد مذاب داخل کرة زمین مربوط می داند .

2 - خاصیت مغناطیسی کرة زمین

یکی از ویژگی های مهم کرة زمین ، وجود خاصیت آهنربایی در آن است و مانند این است که درون کرة زمین ، آهنربای بسیار بزرگی قرار داده شده است و تا کنون ، نظریه های گو ناگونی برای علت آن ارائه شده است . آخرین نظریه این است که درون کرة زمین ، مواد مذاب در حال حرکت وجود دارد و بیشتر این مواد ، از جنس آهن و نیکل هستند . هنگامی که این مواد حرکت می کنند ، در اطراف جریان های الکتریکی ضعیفی به وجود می آورند که در مجموع ، باعث می شود کرة زمین ، خاصیت آهنربایی پیدا کند و در اطراف کرة زمین ، میدان مغناطیسی به وجود می آید . ما روی آهنربای بزرگی به نام «زمین » زندگی می کنیم .

چندین سیارة دیگر از سیاره های منظومه شمسی نیز ، میدان مغناطیسی دارند که از جمله آنها می توان از عطارد و مشتری نام برد . این خاصیت در خورشید و بسیاری ستاره های دیگر نیز دیده می شود .

خاصیت مغناطیسی کرة زمین ، نقش بسیار مهمی در جهت یابی کشتی ها و هواپیماها دارد . شمال و جنوب مغناطیسی زمین ثابت نیست و در فاصله های زمانی ، به میزان قابل ملاحظه ای تغییر می کند .

3 - زاویه انحراف

چنانچه به کمک عقربة مغناطیسی به طرف قطب شمال یا جنوب برویم ، به قطب شمال و جنوب واقعی کرة زمین نمی رسیم . علت این است که قطب شمال و جنوب جغرافیایی و مغناطیسی کرة زمین ، با هم یکی نیست ؛ یعنی اینکه قطب شمال مغناطیسی زمین ، درست روی قطب شمال جغرافیایی زمین قرار ندارد و اگر دو قطب جغرافیایی و مغناطیسی زمین را توسط خطی فرضی به به نام « محور » به هم وصل کنیم ، بین دو محور مغناطیسی و محور جغرافیایی زمین ، زاویه ای ساخته می شود که به آن ، زاویة انحراف گویند . این زاویه ، به مرور زمان ، جزئی تغییر می کند و ثابت نمی ماند ، و اندازة آن در نقاط مختلف زمین متفاوت است . زاویة انحراف در جهت یابی هواپیماها و کشتی ها بسیار مهم است . هم اکنون قطب شمال مغناطیسی کرة زمین ، در شمال کانادا قرار دارد .

4 - زاویه میل

مطالعة مغناطیسی زمین ، نشان می دهد که خط های میدان مغناطیسی زمین افقی نیست و با سطح زمین زاویه ای می سازد همچنین می دانیم خاصیت مغناطیسی یک آهنربا در نقاط مختلف آن متفاوت است و در دو قطب آن ، این خاصیت بیشتر است . به همین ترتیب ، خاصیت آهنربایی کرة زمین در دو قطب بیشتر است . پس اگر یک عقربة مغناطیسی آزاد باشد تا بتواند در راستای عمودی نیز حرکت کند ، نوک این عقربه نزدیک قطب ها به زمین متمایل می شود و در خط استوای مغناطیسی عقربه ، افقی قرار می گیرد و در قطب ها ، به عنوان مثال قطب شمال ، نوک عقربه N آن ، عمود بر سطح افقی خواهد شد . پس محور مغناطیسی عقربه های مغناطیسی در مکان های مختلف استوا تا قطب ، نسبت به سطح افق تغییر کرده و زاویه ای با افق می سازد ؛ این زاویه را زاویة میل گویند . پس زاویه میل ، زاویه ای است که محور مغناطیسی عقربه با سطح افق می سازد همچنین این زاویه ، در جهت یابی هواپیماها و کشتی ها نقش بسیار مهمی دارد ؛ در جغرافیا به این زاویه ، عرض جغرافیایی گویند .

5 - کشف معدن های آهنی زمین

مطالعة میدان مغناطیسی زمین برای هدف های علمی و عملی ، از اهمیت به سزایی برخوردار است . وجود میدان مغناطیس زمین ، انجام پاره ای از بررسی های مهم دیگر را میسر کرده است ؛ از آن جمله ، می توان از روش های اکتشاف و مطالعة ذخایر زمین نام برد . تحلیل دقیق میدان مغناطیسی زمین ، وسیلة توانمندی برای بررسی ذخایر معدنی زمین است . در حال حاضر ، جست و جوی مغناطیس سنجی ، روش ژئوفیزیکی مهم و گسترده ای است که برای اکتشاف و ذخایر معدنی به کار می رود .

در زمین ، نواحی ای وجود دارد که در آن جا کمیت های مغناطیسی به طور ناگهانی تغییر می کنند و مقادیری به خود می گیرند که با مقادیر مربوط به محل های مجاور ، تفاوت زیادی دارند تفاوت زیاد کمیت های مغناطیسی در این ناحیه ها ، ناشی از فشار تودة بزرگی از سنگ آهن های مغناطیسی در زیر سطح زمین است ؛ به همین دلیل ، مطالعة ناهنجاری های مغناطیسی ، دانسته های باارزشی در مورد وجود و محل مخزن های سنگ های مغناطیسی ارائه می دهد .

6- مین های دریایی

مواد مغناطیسی مانند آهن که در میدان مغناطیسی کرة زمین قرار گرفته باشند . به مرور زمان ، خاصیت مغناطیسی پیدا می کنند ؛ مثلاً یک کشتی که در آن آهن نیز به کار رفته است ، به مرور زمان آهنربا می شود . از این خاصیت برای به دام انداختن آن استفاده می شود .

عملکرد یک مین دریایی ، به گونه ای است که خاصیت آهنربایی کشتی بر آن اثر گذاشته و فرمان انفجار صادر می شود .

در یک مین دریایی ، عقربه ای مغناطیسی قرار داده اند که هنگام عبور کشتی از بالای آن ، عقربه تحت تأثیر قرار گرفته و مین از سطح زیرین دریا ، به سطح دریا می رسد و سپس منفجر می شود . برای خنثی کردن این مین ها دو روش وجود دارد .

الف ـ مغناطیس نیرومندی را با کابل های سیمی از زیر هواپیما آویزان کرده و آن را نزدیک سطح آب ، حرکت می دهند . آهنربای قوی روی مین ها اثر گذاشته و آنها را خنثی می کند . گاهی کابل سیمی دایره شکل را به طور شناور روی سطح آب قرار می دهند و جریانی را از آن می گذرانند ، که بر اثر این میدان مغناطیسی یا جریان جریان ساز و کار ، مین ها عمل کرده ، بدون هیچ خسارتی منفجر می شوند .

ب ـ حلقه هایی از سیم عایق شده را به کشتی وصل کنند و جریانی را از آنها می گذرانند ؛ به طوری که میدان مغناطیسی این جریان مساوی و در خلاف میدان مغناطیسی کشتی کشتی ( که یک مغناطیس دائمی است ) باشد . وقتی این میدان ها با هم ترکیب شوند ، یکدیگر را خنثی می کنند و کشتی بدون این که ساز و کار مین را به کار اندازند ، از روی آن می گذرد .

7 - باستان شناسی مغناطیسی

میدان مغناطیسی زمین ، منظم و پایدار نیست ؛ بلکه با گذشت سال ها در یک محل معین ، مقدار متوسط زاویة انحراف و میل تغییر می کند . این انحراف محور مغناطیسی و در نتیجه ، تغییرات زاویه انحراف و زاویه میل در یک محل نسبت به زمان ، شاخة جدیدی را در « باستان شناسی » به نام «باستانو مغناطیسی» ایجاد کرده است که توسط آن ، عمر کوره ها ، اجاق ها و آتشکده های قدیمی تعیین می شود . اساس کار ، مبتنی بر این است که بیشتر خاک رسهایی که این اجسام از آنها ساخته شده اند ، حاوی مقدار کمی مواد مغناطیسی اند . سمتگیری این مواد مغناطیسی ، با گرم شدن در موقع استفادة عادی تثبیت شده است . با مقایسة جهت فعلی میدان مغناطیسی زمین با جهت میدان مغناطیسی این مواد ، می توان قدمت باستانی تقریبی آن ها را تعیین کرد .

در مقیاس طولانی تر زمان ( دوران زمین شناسی ) ، شواهدی وجود دارد که نشان می دهد محور مغناطیسی زمین در مدت چهار میلیون سال گذشته ، نه بار کاملاً تغییر جهت داده است . این شواهد ، مبتنی بر اندازه گیری های خاصیت مغناطیسی ( ضعیف ) تثبیت شده در تخته سنگ های با عمر زمین شناسی معین هستند .