تعريف تمدد الزمن بالأمثلة

تمدد الزمن أو الإبطاء الزمني “Time dilation”

في نظرية النسبية الخاصة، يتم تمدد الوقت وتحديده بـ”التباطؤ” على مدار الساعة بواسطة المراقب الذي يكون في حركة نسبية، ويتميز المراقب في حركة قصور ذاتي بعدم التسارع، ولديه وسيلة جيدة لتحديد الأحداث التي تحدث في وقت واحد مع حدث معين، وهناك مراقب آخر لديه قصور ذاتي ويتحرك نسبيا مقارنة بالمراقب الأول، وبالتالي فإنه سيختلف مع المراقب الأول بشأن الأحداث المتزامنة مع تلك المناسبة

لا يوجد أي خطأ في تحديد المراقبين، بل يعكس خلافهما فقط حقيقة أن مفهوم التزامن يعتمد على المراقب في النسبية الخاصة، ويتطلب وجود مفهوم للتزامن لإجراء مقارنة بين معدلات الساعات التي يحملها المراقبان. إذا استخدمنا مفهوم التزامن الأول للمراقب، فسوف نجد أن ساعة المراقب الثاني تعمل ببطء مقدار الجذر التربيعي ل (1 – v2/c2)√، حيث v هي السرعة النسبية للمراقبين و c تساوي 299,792 كم في الثانية، وهي سرعة الضوء

وباستخدام مفهوم المراقب الثاني للتزامن، تم اكتشاف أن ساعة المراقب الأول تسير ببطء نفس العامل، وبالتالي يقوم كل مراقب بتحديد أن جميع الساعات المتحركة بالنسبة لهذا المراقب تسير ببطء أكبر من ساعته الخاصة.

مثال على تمدد الزمن

من الظواهر الوثيقة الصلة التي تنبأت بها النسبية الخاصة ما يسمى بالمفارقة المزدوجة، لنفترض أن أحد التوأمين اللذين يحملان ساعة يغادر على متن سفينة صاروخية من التوأم الآخر وهو مراقب ساكن وفي وقت معين ينضمان مرة أخرى في وقت لاحق، ووفقًا لتأثير تمدد الوقت سيكون الوقت المنقضي على مدار الساعة للتوأم على متن سفينة الصاروخ أصغر من الوقت الذي سيكون فيه التوأم المراقب القصور الذاتي أي أن التوأم الذى لم يجدث له قصور الذاتي سيكون عمره أقل من التوأم المراقب عندما يجتمعان مرة أخرى.

تأكد بدقة تأثير تمدد الوقت الذي تنبأت به النسبية الخاصة من خلال الملاحظات على زيادة عمر الجسيمات الأولية غير المستقرة التي تنتقل بسرعة تقريبا مثل سرعة الضوء، وتم إثبات تأثير مفارقة الساعة من خلال تجارب مقارنة الوقت المنقضي للساعة الذرية على الأرض بالوقت الذري الذي تحركت فيه ساعة ذرية في طائرة، وبالإضافة إلى ذلك، أكدت التجارب الأخيرة مساهمة الجاذبية في تمدد الوقت كما توقعت نظرية النسبية العامة.

هذه هي مُعادلة تمدد الزمن- Time Dilation

عند تحرك الجسم بسرعات نسبية، يحدث شيء غريب كما يلاحظ المراقب الثابت (مراقب في إطار مرجعي خامل)، فالساعة تتحرك ببطء الحركة وفقا لساعة أخرى لدينا، وبالتالي نحصل على قراءتين مختلفتين للساعة، ولكن أيا منهما هو الوقت الصحيح؟ يكون الجواب هو كلاهما، لأن الوقت ليس مطلقا، ولكن النسبية كذلك، ويعتمد الوقت في هذه الحالة على الإطار المرجعي.

دعونا ننظر إلى المثال الكلاسيكي التالي: هناك توأمان، الأول هو رائد فضاء والثاني يعمل للسيطرة على بعثة ناسا، يقوم الرائد الفضاء بالسفر إلى الفضاء السحيق بسرعة 95٪ من سرعة الضوء، وعند عودته يجد أن ساعته قد قاسها عشر سنوات، لكن عند لقاءه بتوأمه على الأرض، يلاحظ أن توأمه قد يبلغ من العمر 32 عاما؛ وذلك لأن الرائد الفضاء يسافر بسرعة نسبية، ويتم قياس الوقت بصورة مختلفة بالنسبة له. ويمكن حساب فرق الوقت باستخدام معادلة تمدد الوقت

t = t₀/(1-v²/c²)^1/2

t يمثل الزمن الملاحظ في إطار الرجوع الآخر

t0 = الوقت لدى المراقبين فى الإطار المرجعي الخاص

v = سرعة الكائن المتحرك

c = سرعة الضوء في فراغ.

الحد الكوني للسرعة

لقرون عديدة، اعتقد الفيزيائيون أنه لا يوجد حد للسرعة التي يمكن لجسم ما أن يسافر بها، لكن أظهر آينشتاين أن الكون لديه حدًا للسرعة، وهي سرعة الضوء في الفراغ، وأن لا شيء يمكن أن يسافر بسرعة تتجاوز 300،000 كيلومتر في الثانية الواحدة (186،000 ميل في الثانية)

يمكن للجسيمات الخالية من الكتلة، وبما في ذلك الفوتونات التي تشكل الضوء، التحرك بسرعة الضوء، ومن المستحيل تسريع أي جسم مادي ليصل إلى سرعة الضوء لأن ذلك يحتاج إلى كميات هائلة من الطاقة. وكلما سرع الجسم في الحركة، زادت كتلته وأصبح أثقل، وبالتالي يتطلب المزيد من الطاقة لزيادة سرعته، ويحتاج إلى كميات هائلة من الطاقة للوصول إلى سرعة الضوء.

أينشتاين

تم ولادة ألبرت أينشتاين في 14 مارس 1879 في أولم فورتمبرغ، ألمانيا، وتوفي في 18 أبريل 1955 في برينستون، نيو جيرسي، الولايات المتحدة. كان عالم فيزياء ألمانيا مولودا، وقام بتطوير نظريات النسبية الخاصة والعامة، وفاز بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1921 لتفسيره للتأثير الكهروضوئي. يعد آينشتاين بشكل عام الفيزيائي الأكثر تأثيرا في القرن العشرين.

النظرية النسبية

النسبية العامة هي فهم الفيزيائي ألبرت آينشتاين لتأثير الجاذبية على نسيج الزمان والمكان، وتضمنت النظرية التي نشرها آينشتاين في عام 1915 نظرية النسبية الخاصة التي نشرها قبل 10 سنوات، وتناقضت النسبية الخاصة بأن المكان والزمان مرتبطان بشكل وثيق، ولكنها لم تشمل الجاذبية، وبعد عقد من الزمن، أدرك آينشتاين أن الأجسام الضخمة تشوه نسيج الزمان والمكان، ويظهر هذا التشوه على شكل الجاذبية وفقا لوكالة ناسا.

لفهم النسبية العامة، دعونا نبدأ أولا بالجاذبية، والجاذبية هي قوة الجذب التي يمارسها جسمان على بعضهما البعض. قام السير إسحاق نيوتن بقياس الجاذبية في نفس النص الذي صاغ فيه قوانين الحركة الثلاثة، ويعرف هذا النص بـ `برينسيبيا`. تعتمد قوة الجاذبية بين جسمين على ضخامة كل منهما ومدى تباعدهما. حتى عندما يسحبك مركز الأرض نحوه وتبقى ثابتا على الأرض، ينسحب مركز كتلتك نحو الأرض. ومع ذلك، يشعر الجسم الأكبر ضخامة بالجذب بشكل ضئيل منك، بينما تجعل كتلتك الأصغر بكثيرك ثابتا بفضل تلك القوة نفسها. وعلى الرغم من ذلك، تفترض قوانين نيوتن أن الجاذبية هي قوة طبيعية للجسم يمكن أن تؤثر وتتأثر عبر مسافة معينة،

في نظرية النسبية الخاصة لألبرت أينشتاين، تقرر أن قوانين الفيزياء هي نفسها بالنسبة لجميع المراقبين غير المتسارعين، وتبين أن سرعة الضوء في الفراغ هي ثابتة بغض النظر عن سرعة المراقب. وبناء على ذلك، تمت الاستنتاجات التي تربط بين المكان والزمان في سلسلة متصلة واحدة تسمى الزمان المكاني، حيث يمكن أن تحدث الأحداث في نفس الوقت لمراقب واحد في أوقات مختلفة.

عمل أينشتاين على معادلات نظريته العامة للنسبية، وأدرك أن الأجسام الضخمة تؤثر على الزمان والمكان وتشوههما، فكر في وضع كائن ضخم في وسط ترامبولين، وأدرك أن هذا الكائن سيضغط النسيج ويسحبه لأسفل، مما سيؤدي إلى تشوهه وظهور شبه حفرة فيه

أمثلة على النسبية

في العقود التي تلت نشر نظريات آينشتاين، لاحظ العلماء عددًا كبيرًا من الظواهر التي تتوافق مع تنبؤات النسبية ولم يتم احصاؤها.

عدسة الجاذبية

ينحني الضوء حول جسم ضخم مشابه للثقب الأسود، مما يسمح له بأن يعمل كعدسة تكشف الأشياء المتواجدة وراءه. يستخدم علماء الفلك هذه الطريقة بانتظام لدراسة النجوم والمجرات الموجودة وراء الأجسام الضخمة. مثال ممتاز على العدسة الجاذبية هو صليب آينشتاين، وهو ثقب أسود في كوكبة بيغاسوس وفقا لوكالة الفضاء الأوروبية (الإيسا). هذا الثقب الأسود موجود بهذا الشكل منذ حوالي 11 مليار سنة، والمجرة الموجودة خلفه تقع على بعد 10 أضعاف مسافة الأرض تقريبا.