نسبیت خاص و زمان – قسمت اول

یکی از شگفت‌آورترین نتایج نظریه‌ی مخصوص نسبیت اینشتین این است که تصور آشنای ما از مقوله‌ی زمان اساساً غلط می‌باشد.
دانشمندان و افراد عادی همواره زمان را همچون حرکت یک نوع ساعت مخصوص دیواریِ زمانی‌ِ جهانی که بی‌رحمانه و رام‌نشدنی، گذر زمان را با تیک‌تیک خود نشان می‌دهد،‌ یا مانند ضربان قلب کیهانی و یا یک نشان و معیاری که همه‌ی ساعت‌های دیگر باید بر طبق آن تنظیم گردند، در ذهن خود مجسم می‌کردند.
با چنین تصوری، ‌زمان برای همه یکسان می‌بود. زیرا ما همگی با همین ساعت جهانی زندگی می‌کنیم. دراین حال همان یک پاندول با همان میزان هر روز حرکت آونگی خود را، هم امروز و هم فردا حفظ می‌کرد. چه در لندن و چه در سیدنی، هم برای شما و هم برای من.
با این تصور فرض بر این بود که زمان مطلق است، منظم و جهانی است. اینشتین گفته است:

«« نه! زمان قابل تغییر و قابل انعطاف است. گسترش‌یافتنی و فردی است. بنابراین ممکن است که زمان شما با زمان من یکسان نباشد. به ویژه ساعتی که در رابطه و یا نسبت به موقعیت شما، زمان را نشان می‌دهد، کندتر از ساعت ایستاده‌ای که در کنار شما قرار دارد، حرکت می‌کند. بنابراین اگر شما سوار بر یک قطار در حال حرکت می‌بودید و من بر روی سکوی ایستگاه ایستاده بودم،‌ در حالی‌که شما دور می‌شدید و به ساعت مچی شما نگاه می‌کردم، چنین در می‌یافتم که ساعت من کار می‌کند.»

البته این غیر ممکن به نظر می‌رسد، اما از نظر اینشتین این امری مستدل و انکار ناپذیر است. در ادامه خواهیم گفت چرا زمان نسبت به مشاهده‌کننده مقوله‌ای فردی است و به سرعت حرکت عقربه‌ی ساعتی که مشاهده می‌شود وابسته است.
برای درک تأثیر نظریه‌ی نسبیت خاص در رابطه با مفهوم زمان، اجازه دهید تا مثال یک مخترع را به نام آلیس و ساعت دیواری بسیار غیر عادی‌اش را در نظر بگیریم.
همه‌ی ساعت‌های دیواری به یک تیکر یا چکش ساعت دیواری، یعنی چیزی که با ضربان منظم برای شمارش زمان به کار برده می‌شود،‌ نیاز دارند. مانند پاندولی با حرکت آونگی که شما در بعضی از ساعت‌های دیواری قدیمی مشاهده کرده‌اید یا مانند سیستم ریزش منظم قطره‌‌قطره‌ی آب در یک ساعت یا زمان‌سنج آبی.
در ساعت دیواری آلیس، زمان‌شمار، یک پالس یا ارتعاش نوری است که میان دو آینه با فاصله‌ی ۱/۸ متر که موازی با یکدیگر قرار گرفته‌اند، منعکس می‌شود. چون سرعت نور ثابت است،‌ آن ساعت بسیار دقیق است. اگر یک ضربه به عنوان زمان لازم برای پالس یا ارتعاش نوری جهت حرکت از یک آیینه به آیینه دیگر و بازگشت آن معین شود، در این صورت آلیس متوجه می‌شود که زمان بین شمارش‌ها برابر است با فاصله‌ای که نور در یک ثانیه می‌پیماید تقسیم بر فاصله‌ی رفت و برگشت بین دو آینه یعنی ۳/۶ متر. بنابراین عددی برابر با ۱٫۲ ضرب‌در ۱۰ به توان منفی ۸ ثانیه به دست می‌آید.
آلیس ساعتش را به داخل یک واگن یک قطار می‌برد. قطاری که با سرعت ثابت در مسیر یک خط مستقیم در حرکت است. او می‌بیند که طول زمان لازم برای هر ضربه‌ی زمان‌شمار ثابت می‌ماند.
بایستی توجه کرد که سرعت هرچیزی می‌بایست به همین صورت ثابت بماند. چون اصل نسبیت گالیله می‌گوید که باید برای آلیس غیرممکن باشد تا با مطالعه‌ی اجسامی که همراه با او در حرکت هستند، بگوید آیا او ساکن است یا در حال حرکت؟
در همین حال، درحالی‌که قطار با سرعت ۸۰ درصد سرعت نور از ایستگاه می‌گذرد، دوست آلیس به نام باب بر روی سکوی ایستگاه ایستاده است. سرعت قطار ۲/۴ ضرب‌در ۱۰ به توان ۸ می‌باشد. در این حال باب می‌تواند آلیس و ساعتش را از پنجره‌ی بزرگ واگن ببیند و از نظر او،‌ ارتعاش نوری (پالس نوری) با زاویه‌ای از داخل واگن به بیرون کشیده شده است.

او ارتعاش نوری را درحالی‌که حرکت بالا و پایین را دنبال می‌کند، می‌بیند. اما برای او این وضعیت همچنین در مورد راه‌های کناری که همراه با قطار در حرکت به نظر می‌رسند، این ارتعاش نوری است.
به بیان دیگر، در فاصله‌ی بین زمانی‌که نور آیینه را ترک می‌کند تا زمانی‌که به آیینه‌ی دیگر می‌رسد، زمان به جلو رفته است. بنابراین نور مجبور است تا یک مسیر مورب را طی کند. در حقیقت از نظر باب، تا هنگامی‌که ارتعاش نوری به آیینه‌ی بالایی رسیده است، قطار دو متر و چهاردهم راه به جلو رفته است که این مقدار تا به یک طول مسیر مورب سه‌ متری ادامه می‌یابد. بنابراین ارتعاش نور مجبور است تا شش متر بالا و پایین را بین ضربه‌های زمانی‌ طی‌ کند. از آن‌جائی‌که طبق نظریه‌ی اینشتین، سرعت نور برای مشاهده‌کننده ثابت است، بنابراین برای باب، زمان مابین ضربه‌های زمانی باید طولانی‌تر باشد. زیرا ارتعاش نوری با همین سرعت حرکت می‌کند، اما فاصله‌ی بیشتری را باید طی نماید. محاسبه‌ و درک باب از زمان، بین ضربه‌های زمانی برابر است با مسافت ۶ متر تقسیم بر سرعت نور که برابر با ۲ ضرب‌در ۱۰ به توان منفی ۸ ثانیه می‌شود.
در این نقطه است که واقعیت زمان به شدت بی‌معنی و کمی‌‌ آزاردهنده به‌ نظر می‌رسد. آلیس و باب با یکدیگر ملاقات می‌کنند و یادداشت‌هایی را که تهیه‌ کرده‌اند. مورد مقایسه قرار می‌دهند. باب می‌گوید دیده است که ساعت آیینه‌ی آلیس در هر ۲ ضرب‌در ۱۰ به توان منفی ۸ ثانیه یک‌بار ضربه‌ای زمانی را زده در حالی‌که آلیس اصرار دارد که ساعتش در هر ۱٫۲ ضرب‌در ۱۰ به توان منفی ۸ ثانیه یک‌بار ضربه‌ی زمانی زده است. تا آنجا که به آلیس مربوط می‌شود، ساعتش همان ساعت اولیه بوده است اما آنها چنین دریافته بودند که عمل ضربه‌ی زمان‌شمار در سرعت‌های متفاوت انجام می‌گرفته است.
اینشتین فرمولی را پدید آورد که چگونگی تغییرات زمان در مورد باب در مقایسه با آلیس در هر شرایطی توضیح می‌داد.

این فرمول چنین می‌گوید که فواصل زمانی‌ مشاهده شده توسط باب از فواصل زمانی‌که توسط آلیس مشاهده گردیده، متفاوت است که این تفاوت به سرعت آلیس (VA) نسبت به سرعت باب و نسبت به سرعت نور (c) بستگی دارد.

زمانی اینشتین طنزی را چنین بیان کرد:
«« برای یک دقیقه دستتان را بر روی بخاری داغ نگه دارید، این یک دقیقه، برایتان یک ساعت به نظر می‌رسد. اما برای یک ساعت در کنار یک دختر زیبا بنشینید، آن یک ساعت یک دقیقه به نظر می‌رسد و این همان نسبیت است»».

اما تئوری نسبیت خاص طنز و شوخی نبود. فرمول ریاضی اینشتین توضیح می‌داد که هر مشاهده‌کننده‌ای هنگامی‌که یک ساعتِ در حال کارکردن را می‌نگرد، چگونه به درستی درمی‌یابد که زمان به کندی می‌گراید. این پدیده‌ای است که با عنوان «انبساط زمانی» شناخته شده است. (Time Dilation) و این مورد به قدری روشن و گویا، غلط به نظر می‌رسد که چهار سوال را بلافاصله به پرسش می‌گذارد:

۱) چرا ما هرگز این تأثیر خاص را درک نمی‌کنیم؟
۲) آیا این اختلاف در زمان واقعی است؟
۳) آیا تئوری نسبیت خاص اینشتین تنها برای ساعت‌های دیواری که به ارتعاش‌های نوری وابسته‌اند، کاربرد دارد؟
۴) چرا آلیس نمی‌تواند از کندشدن ساعتش و حرکات خودش برای اثبات این‌که او دارد حرکت می‌کند، استفاده کند؟

در قسمت بعدی در مورد این چهار سوال توضیح خواهیم داد.

ادامه دارد …..

لینک قسمت دوم