نسبيت خاص و زمان – قسمت اول

يكي از شگفت‌آورترين نتايج نظريه‌ي مخصوص نسبيت اينشتين اين است كه تصور آشناي ما از مقوله‌ي زمان اساساً غلط مي‌باشد.
دانشمندان و افراد عادي همواره زمان را همچون حركت يك نوع ساعت مخصوص ديواريِ زماني‌ِ جهاني كه بي‌رحمانه و رام‌نشدني، گذر زمان را با تيك‌تيك خود نشان مي‌دهد،‌ يا مانند ضربان قلب كيهاني و يا يك نشان و معياري كه همه‌ي ساعت‌هاي ديگر بايد بر طبق آن تنظيم گردند، در ذهن خود مجسم مي‌كردند.
با چنين تصوري، ‌زمان براي همه يكسان مي‌بود. زيرا ما همگي با همين ساعت جهاني زندگي مي‌كنيم. دراين حال همان يك پاندول با همان ميزان هر روز حركت آونگي خود را، هم امروز و هم فردا حفظ مي‌كرد. چه در لندن و چه در سيدني، هم براي شما و هم براي من.
با اين تصور فرض بر اين بود كه زمان مطلق است، منظم و جهاني است. اينشتين گفته است:

«« نه! زمان قابل تغيير و قابل انعطاف است. گسترش‌يافتني و فردي است. بنابراين ممكن است كه زمان شما با زمان من يكسان نباشد. به ويژه ساعتي كه در رابطه و يا نسبت به موقعيت شما، زمان را نشان مي‌دهد، كندتر از ساعت ايستاده‌اي كه در كنار شما قرار دارد، حركت مي‌كند. بنابراين اگر شما سوار بر يك قطار در حال حركت مي‌بوديد و من بر روي سكوي ايستگاه ايستاده بودم،‌ در حالي‌كه شما دور مي‌شديد و به ساعت مچي شما نگاه مي‌كردم، چنين در مي‌يافتم كه ساعت من كار مي‌كند.»

البته اين غير ممكن به نظر مي‌رسد، اما از نظر اينشتين اين امري مستدل و انكار ناپذير است. در ادامه خواهيم گفت چرا زمان نسبت به مشاهده‌كننده مقوله‌اي فردي است و به سرعت حركت عقربه‌ي ساعتي كه مشاهده مي‌شود وابسته است.
براي درك تأثير نظريه‌ي نسبيت خاص در رابطه با مفهوم زمان، اجازه دهيد تا مثال يك مخترع را به نام آليس و ساعت ديواري بسيار غير عادي‌اش را در نظر بگيريم.
همه‌ي ساعت‌هاي ديواري به يك تيكر يا چكش ساعت ديواري، يعني چيزي كه با ضربان منظم براي شمارش زمان به كار برده مي‌شود،‌ نياز دارند. مانند پاندولي با حركت آونگي كه شما در بعضي از ساعت‌هاي ديواري قديمي مشاهده كرده‌ايد يا مانند سيستم ريزش منظم قطره‌‌قطره‌ي آب در يك ساعت يا زمان‌سنج آبي.
در ساعت ديواري آليس، زمان‌شمار، يك پالس يا ارتعاش نوري است كه ميان دو آينه با فاصله‌ي 1/8 متر كه موازي با يكديگر قرار گرفته‌اند، منعكس مي‌شود. چون سرعت نور ثابت است،‌ آن ساعت بسيار دقيق است. اگر يك ضربه به عنوان زمان لازم براي پالس يا ارتعاش نوري جهت حركت از يك آيينه به آيينه ديگر و بازگشت آن معين شود، در اين صورت آليس متوجه مي‌شود كه زمان بين شمارش‌ها برابر است با فاصله‌اي كه نور در يك ثانيه مي‌پيمايد تقسيم بر فاصله‌ي رفت و برگشت بين دو آينه يعني 3/6 متر. بنابراين عددي برابر با 1.2 ضرب‌در 10 به توان منفي 8 ثانيه به دست مي‌آيد.
آليس ساعتش را به داخل يك واگن يك قطار مي‌برد. قطاري كه با سرعت ثابت در مسير يك خط مستقيم در حركت است. او مي‌بيند كه طول زمان لازم براي هر ضربه‌ي زمان‌شمار ثابت مي‌ماند.
بايستي توجه كرد كه سرعت هرچيزي مي‌بايست به همين صورت ثابت بماند. چون اصل نسبيت گاليله مي‌گويد كه بايد براي آليس غيرممكن باشد تا با مطالعه‌ي اجسامي كه همراه با او در حركت هستند، بگويد آيا او ساكن است يا در حال حركت؟
در همين حال، درحالي‌كه قطار با سرعت 80 درصد سرعت نور از ايستگاه مي‌گذرد، دوست آليس به نام باب بر روي سكوي ايستگاه ايستاده است. سرعت قطار 2/4 ضرب‌در 10 به توان 8 مي‌باشد. در اين حال باب مي‌تواند آليس و ساعتش را از پنجره‌ي بزرگ واگن ببيند و از نظر او،‌ ارتعاش نوري (پالس نوري) با زاويه‌اي از داخل واگن به بيرون كشيده شده است.

او ارتعاش نوري را درحالي‌كه حركت بالا و پايين را دنبال مي‌كند، مي‌بيند. اما براي او اين وضعيت همچنين در مورد راه‌هاي كناري كه همراه با قطار در حركت به نظر مي‌رسند، اين ارتعاش نوري است.
به بيان ديگر، در فاصله‌ي بين زماني‌كه نور آيينه را ترك مي‌كند تا زماني‌كه به آيينه‌ي ديگر مي‌رسد، زمان به جلو رفته است. بنابراين نور مجبور است تا يك مسير مورب را طي كند. در حقيقت از نظر باب، تا هنگامي‌كه ارتعاش نوري به آيينه‌ي بالايي رسيده است، قطار دو متر و چهاردهم راه به جلو رفته است كه اين مقدار تا به يك طول مسير مورب سه‌ متري ادامه مي‌يابد. بنابراين ارتعاش نور مجبور است تا شش متر بالا و پايين را بين ضربه‌هاي زماني‌ طي‌ كند. از آن‌جائي‌كه طبق نظريه‌ي اينشتين، سرعت نور براي مشاهده‌كننده ثابت است، بنابراين براي باب، زمان مابين ضربه‌هاي زماني بايد طولاني‌تر باشد. زيرا ارتعاش نوري با همين سرعت حركت مي‌كند، اما فاصله‌ي بيشتري را بايد طي نمايد. محاسبه‌ و درك باب از زمان، بين ضربه‌هاي زماني برابر است با مسافت 6 متر تقسيم بر سرعت نور كه برابر با 2 ضرب‌در 10 به توان منفي 8 ثانيه مي‌شود.
در اين نقطه است كه واقعيت زمان به شدت بي‌معني و كمي‌‌ آزاردهنده به‌ نظر مي‌رسد. آليس و باب با يكديگر ملاقات مي‌كنند و يادداشت‌هايي را كه تهيه‌ كرده‌اند. مورد مقايسه قرار مي‌دهند. باب مي‌گويد ديده است كه ساعت آيينه‌ي آليس در هر 2 ضرب‌در 10 به توان منفي 8 ثانيه يك‌بار ضربه‌اي زماني را زده در حالي‌كه آليس اصرار دارد كه ساعتش در هر 1.2 ضرب‌در 10 به توان منفي 8 ثانيه يك‌بار ضربه‌ي زماني زده است. تا آنجا كه به آليس مربوط مي‌شود، ساعتش همان ساعت اوليه بوده است اما آنها چنين دريافته بودند كه عمل ضربه‌ي زمان‌شمار در سرعت‌هاي متفاوت انجام مي‌گرفته است.
اينشتين فرمولي را پديد آورد كه چگونگي تغييرات زمان در مورد باب در مقايسه با آليس در هر شرايطي توضيح مي‌داد.

اين فرمول چنين مي‌گويد كه فواصل زماني‌ مشاهده شده توسط باب از فواصل زماني‌كه توسط آليس مشاهده گرديده، متفاوت است كه اين تفاوت به سرعت آليس (VA) نسبت به سرعت باب و نسبت به سرعت نور (c) بستگي دارد.

زماني اينشتين طنزي را چنين بيان كرد:
«« براي يك دقيقه دستتان را بر روي بخاري داغ نگه داريد، اين يك دقيقه، برايتان يك ساعت به نظر مي‌رسد. اما براي يك ساعت در كنار يك دختر زيبا بنشينيد، آن يك ساعت يك دقيقه به نظر مي‌رسد و اين همان نسبيت است»».

اما تئوري نسبيت خاص طنز و شوخي نبود. فرمول رياضي اينشتين توضيح مي‌داد كه هر مشاهده‌كننده‌اي هنگامي‌كه يك ساعتِ در حال كاركردن را مي‌نگرد، چگونه به درستي درمي‌يابد كه زمان به كندي مي‌گرايد. اين پديده‌اي است كه با عنوان «انبساط زماني» شناخته شده است. (Time Dilation) و اين مورد به قدري روشن و گويا، غلط به نظر مي‌رسد كه چهار سوال را بلافاصله به پرسش مي‌گذارد:

1) چرا ما هرگز اين تأثير خاص را درك نمي‌كنيم؟
2) آيا اين اختلاف در زمان واقعي است؟
3) آيا تئوري نسبيت خاص اينشتين تنها براي ساعت‌هاي ديواري كه به ارتعاش‌هاي نوري وابسته‌اند، كاربرد دارد؟
4) چرا آليس نمي‌تواند از كندشدن ساعتش و حركات خودش براي اثبات اين‌كه او دارد حركت مي‌كند، استفاده كند؟

در قسمت بعدي در مورد اين چهار سوال توضيح خواهيم داد.

ادامه دارد …..

لینک قسمت دوم