اتساع زمان

احتمالا شما نیز این مثال معروف را شنیده‌اید که اگر بتوانیم در فضا با کسری از سرعت نور سفر کنیم و بعد از مدتی به زمین برگردیم، با موضوع عجیبی روبرو خواهیم شد. اینکه در مدتی که شاید برای ما تنها چند دقیقه گذاشته باشد، سالهای بسیاری بر روی زمین سپری شده است! چیزی که از آن به عنوان «اتساع زمان» نام  می بریم.

اما آیا چنین چیزی ممکن است؟ آیا خطایی در این موضوع رخ داده است؟ اگر خطایی رخ داده و یکی از زمانها واقعی نیستند، کدام یک از آنها هستند؟

دعوت می‌کنیم در ادامه مطلب با علم بازار همراه باشید تا به پاسخ این سوالات یپردازیم.

 

زمان نسبی، در نسبیت خاص

ماکس بورن به این مطلب اشاره می‌کند که بیشتر ما در مفهوم زمان مشکل داریم. ما از ابتدا مفهوم زمان را بصورت مفهومی مطلق در نظر گرفته‌ایم. در حالیکه بنا به نظر اینشتین، زمان نسبی است.

بگذارید ابتدا به بررسی اینکه چگونه در نسبیت خاص زمان نسبی مطرح می‌شود بپردازیم.

هاوکینگ در معروفترین کتاب خود یعنی تاریخچه زمان (یکی از پرفروش‌ترین کتاب‌های تاریخ) این مطلب را به گونه‌ای استادانه شرح می‌دهد. ولی از آنجا که بیشتر خوانندگان کتاب با همین قسمت مشکل دارند، بد نیست تا مقداری در این مورد بحث بیشتری کنیم.

از دیدگاه نیوتون، مکان نسبی است (بر خلاف نظر ارسطو که مکان را مطلق می‌پنداشت). بنا به رابطه X=Vt با توجه به نسبی بودن مکان، سرعت نیز نسبی و بنابراین زمان مطلق است. به عبارت دیگر وقتی رابطه را بصورت t=X/V بنویسیم، حاصل تقسیم دو عبارت نسبی بر هم، عبارتی مطلق خواهد شد. برای بسیاری از ما مفهوم نسبی بودن مکان امری نسبتا واضح است. همچنین بارها در قوانین فیزیک کلاسیک نیوتنی سرعت نسبی را هم پذیرفته‌ایم.پس مشکل کجاست؟اگر روابط بالا درست باشند، زمان نسبی مفهومی زاید و غلط است. ولی …

اتساع زمان

اتساع زمان (عکس یک)

اینشتین در ۱۹۰۵ دو فرض اساسی را برای نظریه نسبیت خاص خود در نظر گرفت (دو اصل موضوع):

۱- سرعت نور نسبت به تمام چارچوب‌ها و ناظرها ثابت است.

۲- شکل تمام قوانین فیزیکی در تمام دستگاههای لخت یکسان است.

اصل موضوع اولی را اصل ثبات سرعت نور در نسبیت می‌گوییم. خب! وقتی سرعت نور ثابت و برابر C باشد رابطه سرعت برابر جابجایی بخش بر زمان را به گونه‌ای دیگر باید تفسیر کرد. سرعت ثابت است. پس صورت مخرج کسر X/t بایستی نسبی باشند تا حاصل تقسیم آنها عبارتی ثابت (سرعت نور) شود. به این صورت زمان نسبی بدست می‌آید.به عبارت دیگر یکی از نتایج اصل ثبات سرعت نور بدست آمدن زمان نسبی است.

این مفهوم را می‌توان با اصل موضوع دوم و به صورتی دیگر نیز تفسیر کرد. هاوکینگ به ساده‌ترین شکل ممکن می‌گوید: “نیوتن فاتحه مفهوم مکان مطلق و نسبیت فاتحه زمان مطلق را خواند! “

فرمول بدست آمده برای اتساع زمان طبق روابط نسبیتی چنین است: T=t[(1-v^2/c^2)^-1/2] ]^1/2 T=t/[1-v^2/c^2

طبق این رابطه اگر V=C باشد، مخرج کسر صفر شده و لذا T بی‌نهایت می‌شود. یعنی بازه زمانی که از دید ناظر ساکن برای جسم متحرک اندازه گرفته می‌شود به سمت بی‌نهایت میل می‌کند.

به عنوان مثال فرض کنید با کسری از سرعت نور سفر می‌کنید و زمان را یک ثانیه اندازه می‌گیرید. این زمانِ اندازه‌گیری شده توسط شما بسته یه سرعتی که دارید برای ناظر ساکن از چند دقیقه تا چند سال اندازه گرفته می‌شود. گاهی اوقات این مطلب را به عنوان سفر به آینده تفسیر می‌کنند. زمان برای ناظر متحرک در فضا نسبت به ناظر ساکن روی زمین کندتر می‌گذرد. لذا وقتی از سفر باز می‌گردد می‌بیند که روی زمین چندین سال گذشته در حالیکه او تنها جند ساعت در سفر بوده است!

در نسبیت، زمان مطلقی در کار نیست. هر ناظری زمان مخصوص به خود را اندازه می‌گیرد.

بخش نخست این مقاله را با این مطلب به پایان می‌برم: کدام یک از زمانهای اندازه‌گیری شده بایستی واقعی تلقی شود؟

به نظر من این مطلب را ماکس بورن (برنده جایزه نوبل فیزیک) در کتاب نظریه نسبیت اینشتین به بهترین وجه توضیح داده است. او می‌گوید: «فرض شود که می‌خواهم یک ورقه از تکه کالباس ببرم. اینک به حسب آنکه برش، بیشتر یا کمتر مایل انجام گیرد، ورقه کالباس کلفت‌تر یا نازک‌تر خواهد بود. پس بی‌معنا خوهد بود اگرورقه‌های کالباس به کلفتی‌های مختلف را اندازه ظاهری تلقی کنیم و مثلا نازک‌ترین ورقه که از برش عمودی بدست می‌آید اندازه واقعی بدانیم.» به نظر من این می‌تواند زیباترین تعبیری باشد که مفهوم واقعیت در نسبیت را بیان می‌کند.

بد نیست که سخنانی دیگر از ماکس بورن را به عنوان نتیجه بحث بخوانیم که انصافا با توانایی استادانه گفته شده است: «نسبی انگاشتن مفهوم‌های طول و مدت زمان برای بسیاری از افراد دشوار می‌نماید. صرفا به این دلیل که با این مفاهیم انس نگرفته‌اند. نسبی‌انگاری مفهوم‌های “پایین” و” بالا” که به دنبال شناسایی کرویت زمین جنبه عادی یافت، برای مردم آن روزگار بی‌گمان کمتر دشواری را فراهم نکرده بود. در آن زمان هم دستاورد پژوهش برخلاف مشهودات عقلی متاثر از وقوف مستقیم حکم می‌کرد. اینک مشابه همان وضع چنین می‌نماید که نسبی‌انگاری زمانی اینشتین با وقوف زمانی افراد مطابقت نداشته باشد.»

طرحی گرافیکی در مورد زمان گذشته و باقیمانده از جهان (بر اساس نظریات فعلی)

طرحی گرافیکی در مورد زمان گذشته و باقیمانده از جهان (بر اساس نظریات فعلی)

 

آزمایش میون‌ها

ولی آیا اندامهای بدن متوجه گذشت کند زمان می‌شوند؟ این مطلب جالبی است که در آزمایشی که در بخش دوم مقاله گفته خواهد شد به آن پی خواهیم برد. آزمایشی موسوم به آزمایش میون‌ها.

در طی سالها تلاش‌های بسیاری برای مشاهده انبساط زمان انجام شده است. به عنوان مثال یکی از ایده‌ها جاسازی یک ساعت اتمی در هواپیمایی پر سرعت و نگه داشتن آن در آسمان به مدت کافی بود، تا هنگامی که هواپیما به زمین مراجعت کرد و ساعت هواپیما با ساعت ساکن روی زمین مقایسه شد، اثر انبساط زمان دیده شود (این آزمایش در ایستگاه فضایی انجام شده است). اما نتیجه جالب توجه در مدت زمان طولانی بدست می‌آید. هنگامی که بتوان پارادوکس دوقلوها را اجرا کرد (این آزمایش هم در حال حاضر در حال انجام است).

بهترین و دقیقترین مشاهده اتساع زمان، آزمایشی به نام آزمایش میون‌ها است که اثر کند شدن زمان را به خوبی نشان می‌دهد. در این آزمایش شار میون‌ها در ارتفاعات مختلف از جو زمین اندازه‌گیری و با مقدار بدست آمده از محاسبات کلاسیکی مقایسه می‌شود. میون یک لپتون است که از واپاشی پیون‌ها در ارتفاعات گوناگون در جو زمین تولید می‌شود. نیم‌عمر سکون میون، ۰٫۰۰۰۰۰۱۵۶ ثانیه است. به دلیل این نیم‌عمر کوتاه،با وجود سرعت بسیار زیادی که دارند (۰٫۹۸ سرعت نور) تعداد قابل توجهی از آنها در راه رسیدن به سطح وا می‌پاشند.مقایسه میان مقدار اندازه‌گیری شده شار میون‌ها با محاسبات نسبیتی و کلاسیکی شار در سطح، تایید محکمی بر اثر انبساط زمان است. زمان غیر نسبیتی شار میون‌هایی که از فاصله ۱۰ کیلومتری در جو بالایی زمین با سرعت ۰٫۹۸ C به سطح می‌رسند از دید ناظر ساکن روی سطح چنین است: ۳۴×۱۰ ^ -۶ t = L / V

تعداد میون‌های بازمانده برابر ۰٫۲۷×۱۰ ^ -۶ می‌باشد که فقط حدود ۰٫۳ در میان یک میلیون میون است.

تعداد نسبیتی بازمانده‌ها را به دو روش متفاوت می‌توان حساب کرد:

۱- می‌توان گفت برای میون‌هایی که با سرعت نور حرکت می‌کنند پدیده اتساع زمان اتفاق می‌افتد (نسبت به ناظر ساکن، زمان برای میون‌ها کند می‌شود). بنابراین نیم‌عمر ساکن آنها با ضریب ۷٫۸×۱۰ ^-۶ افزایش می‌یابد. پس با توجه به این مطلب، تعداد میون‌های بازمانده حدود ۴۹۰۰ میون در میان یک میلیون میون بدست خواهد آمد. مقدار بدست آمده کاملا با مشاهدات مطابقت دارد.

۲- می‌توان گفت برای میون‌هایی که با سرعت‌های نسبیتی حرکت می‌کنند پدیده انقباض طول رخ داده است. به این ترتیب باید مسافت کوتاهتری را طی کنند و در زمان کمتری به سطح زمین برسند. از رابطه انقباض طول در نسبیت خاص، طول L که پیش روی میون‌ها است، ۰٫۲×۱۰ ^ ۴ بدست می آید. بنابراین ۴۹۰۰ میون در هر یک ملیون میون به سطح زمین می‌رسند.

نحوه تعبیر این مطلب بدینگونه است: میون‌هایی که با سرعت‌های نسبیتی حرکت می‌کنند،ساعت مخصوص به خود را دارند و این ساعت نسبت به ساعت ساکن روی زمین کندتر می‌گذرد. بنابراین از دید ناظر ساکن، نیم عمر میون‌ها افزایش یافته است. پس فرصت کافی برای رسیدن به سطح زمین را دارند.

هر کدام از اندامهای بدن، زمان نسبیتی را اندازه می‌گیرند

هر کدام از اندامهای بدن، زمان نسبیتی را اندازه می‌گیرند. (عکس سه)

همین مطلب در مورد مسافر فضاپیما که با سرعت نزدیک به نور حرکت می‌کند نیز صادق است. وقتی این مسافر به زمین برگردد چندین سال بر روی زمین سپری شده است. درحالیکه از دید او، سفرش تنها دقایقی طول کشیده است. به عبارت دیگر هر کدام از اندامهای بدن، زمان نسبیتی را اندازه می‌گیرند. درست مانند میون که نیم‌عمر نسبیتی را برای خود اندازه می‌گیرد. در صورتیکه تکنولوژی آن قدر پیشرفت کند که بتوان فضاپیماهایی با بیش از ۱۰ درصد سرعت نور تولید کرد، می‌توان اثرهای نسبیتی را به خوبی بر سرنشینان فضاپیما مشاهده کرد.

به هر حال، کند شدن زمان واقعیتی پیش روی ماست. شاید روزی افسار آن در اختیار انسان باشد.

 

 

منابع

منبع (کیهان شگفت انگیر)، منبع تصویر شاخص، منبع عکس یک، منبع عکس دو، منبع عکس سه

محسن الهامیان

محسن الهامیان.از حدود 6 سال پیش فعالیت‌های گروهیِ علمی خود را آغاز کرد. علم، تکنولوژی، فعالیت‌های گروهی و هر چیزی که خلاقیت و پویایی در آن باشد، چیزهایی هستند که او را به وجد می‌آورند. وی اکنون در مقطع کارشناسی رشته روانشناسی بالینی مشغول به تحصیل است.

مطالب مرتبط

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

هنوز در خبرنامه علم‌بازار عضو نشده‌اید؟

برای اطلاع از آخرین اطلاعات و بروزرسانی؛ همچنین رویداد‌های نجومی، پیشنهاد‌های رصدی، تخفیف‌های ویژه و... در خبر نامه ما عضو شوید

You have Successfully Subscribed!