تعريف تمدد الزمن بالأمثلة
تمدد الزمن أو الإبطاء الزمني “Time dilation”
تمدد
الوقت
في نظرية النسبية الخاصة و “التباطؤ” على مدار الساعة هو ما يحدده المراقب الذي يكون في حركة نسبية وفي نظرية النسبية الخاصة فإن المراقب في حركة قصور ذاتي (أي عدم التسارع) ولديه وسيلة محددة جيدًا لتحديد الأحداث التي تحدث في وقت واحد مع حدث معين وكذلك يوجد مراقب آخر لديه قصور ذاتي يتحرك نسبيًا مقارنةً بالمراقب الأول ولهذا سيختلف مع المراقب الأول بشأن الأحداث المتزامنة مع تلك المناسبة
لا أحد من المراقبين مخطئ في هذا التحديد بل إن خلافهما يعكس فقط حقيقة أن التزامن مفهوم يعتمد على المراقب في النسبية الخاصة ويلزم وجود مفهوم للتزامن من أجل إجراء مقارنة بين معدلات
الساعات
التي يحملها المراقبان، وإذا تم استخدام مفهوم المراقب الأول من التزامن سنجد أن
ساعة
المراقب الثاني تعمل أبطأ من المراقب الأول بعامل الجذر التربيعي ل (1 − v2/c2)√ حيث v هي السرعة النسبية للمراقبين و c تساوي 299,792 كم (186,282 ميل) في الثانية أي سرعة الضوء
وبالمثل باستخدام مفهوم المراقب الثاني عن التزامن وجد أن ساعة المراقب الأول تسير أبطأ بنفس العامل وهكذا، يقرر كل مراقب أن جميع الساعات المتحركة بالنسبة لذلك المراقب تسير أبطأ من ساعة ذلك المراقب نفسه.
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.
وقد تأكد بدقة تأثير تمدد الوقت الذي تنبأت به النسبية الخاصة من خلال ملاحظات على زيادة عمر الجسيمات الأولية غير المستقرة التي تنتقل بسرعة الضوء تقريبًا كما تم إثبات تأثير مفارقة الساعة من خلال تجارب تقارن الوقت المنقضي للساعة الذرية على الأرض مع الوقت الذري الذي حلقت فيه ساعة ذرية في طائرة، وعلاوة على ذلك أكدت التجارب الأخيرة مساهمة الجاذبية في تمدد الوقت كما تنبأت نظرية النسبية العامة.
هذه هي مُعادلة تمدد الزمن- Time Dilation
اتضح أنه مع تحرك
الجسم
بسرعات نسبية يحدث شيء غريب كما يلاحظ المراقب الثابت (مراقب في إطار مرجعي خامل)، ما نراه يحدث هو أن “الساعة” تتحرك ببطئ الحركة وفقًا لساعة أخرى لدينا وبالتالي يصبح لدينا قرائتين مختلفتين للساعة ولكن أي منهما هو الوقت الصحيح؟ الاجابة هى كلاهما لأن الوقت ليس مطلقًا ولكن النسبية كذلك والوقت فى هذه الحالة يعتمد على الإطار المرجعي.
دعونا ننظر إلى المثال الكلاسيكي التالي: هناك مجموعة من التوائم واحد رائد فضاء والآخر يعمل للسيطرة على بعثة ناسا، يغادر رائد الفضاء في
رحلة
إلى الفضاء السحيق مسرعًا بسرعة 95٪ من سرعة الضوء وعند عودة رواد الفضاء نجد أن ساعتهم قد قاست عشر سنوات ، ومع ذلك عندما يجتمع رائد الفضاء مع توأمه فى الأرض سيرى رائد الفضاء أن التوأم قد يبلغ من
العمر
32 عاما! ويفسر ذلك يرجع ذلك إلى حقيقة أن التوأم رائد الفضاء يسافر بسرعات النسبية وبالتالي يتم الوقت بمعدل ساعة بالنسبة له، دعونا نرى كيف يمكننا
حساب
فرق الوقت، معادلة حساب تمدد الوقت هي كما يلي:
t = t
0
/(1-v
2
/c
2
)
1/2
حيث أن t = الوقت الملاحظ في الإطار المرجعي الآخر
t0 = الوقت لدى المراقبين فى الإطار المرجعي الخاص
v = سرعة الكائن المتحرك
c = سرعة الضوء في فراغ. [1]
الحد الكوني للسرعة
لقرون اعتقد الفيزيائيون أنه لا يوجد حد للسرعة التى يمكنأن يسافر بها جسم ما ولكن آينشتاين أظهر أن الكون لديه حد للسرعة وهى سرعة الضوء في فراغ (أي الفضاء الفارغ) وأن لا شيء يمكن أن يسافر أسرع من 300،000 كيلومتر في الثانية الواحدة (186،000 ميل في الثانية)
الجسيمات الخالية من الكتلة (بما في ذلك الفوتونات) التي تشكل الضوء يمكن أن تنتقل بهذه السرعة ومن المستحيل تسريع أي جسم مادي لكى يصل إلى سرعة الضوء لأن الأمر سيستغرق كمية لا حصر لها من الطاقة للقيام بذلك، كلما أسرع الجسم في
السفر
كلما أصبح أكثر ضخامة فهو يصبح كائنًا متسارعًا مكتسبًا للكتلة وبالتالي يصبح أثقل وبهذا فإنه يأخذ المزيد والمزيد من الطاقة لزيادة سرعته وسيتطلب الأمر كمية لا حصر لها من الطاقة لجعل الجسم يصل إلى سرعة الضوء.
أينشتاين
ولد ألبرت أينشتاين في 14 مارس 1879 فى أولم فورتمبرغ ألمانيا وتوفي في 18 أبريل 1955 فى برينستون، نيو جيرسي فى الولايات المتحدة وهو عالم الفيزياء الألماني المولد الذي طور
النظر
يات الخاصة والعامة للنسبية وفاز بجائزة نوبل للفيزياء في عام 1921 لتفسيره للتأثير الكهروضوئي ويعتبر آينشتاين بشكل عام الفيزيائي الأكثر تأثيرًا في القرن العشرين.
النظرية النسبية
النسبية العامة هي فهم الفيزيائي ألبرت آينشتاين لكيفية تأثير الجاذبية على نسيج الزمان والمكان، وقد ضمت النظرية التي نشرها آينشتاين في عام 1915 نظرية النسبية الخاصة التي نشرها قبل 10 سنوات وجادلت النسبية الخاصة بأن المكان والزمان مرتبطان ارتباطًا وثيقًا ولكن هذه النظرية لم تعترف بوجود الجاذبية، أمضى آينشتاين العقد بين المنشورين في
تحديد
أن الأجسام الضخمة بشكل خاص تشوه نسيج الزمان والمكان وهو تشويه يظهر كجاذبية وفقًا لوكالة ناسا.
لفهم النسبية العامة، دعونا نبدأ أولًا بالجاذبية والجاذبية هى قوة الجذب التي يمارسها جسمان على بعضهما البعض وقد قام السير إسحاق نيوتن بقياس الجاذبية في نفس النص الذي صاغ فيه قوانين الحركة الثلاثة والذى يدعى “برينسيبيا”، وتعتمد قوة الجاذبية التي تشد بين جسمين على مدى ضخامة كل منهما ومدى تباعد الجسمين وحتى في الوقت الذي يسحبك فيه مركز الأرض نحوه (يبقيك ثابتًا على الأرض) فإن مركز كتلتك ينسحب إلى الأرض ولكن الجسم الأكثر ضخامة يشعر بالكاد بالجذب منك في حين أن كتلتك الأصغر بكثير تجعلك راسخ الجذور بفضل تلك القوة نفسها ومع ذلك تفترض قوانين نيوتن أن الجاذبية هي قوة فطرية للجسم الذي يمكن أن تؤثر وتتأثر عبر مسافة معينة،
ألبرت أينشتاين، في نظريته النسبية الخاصة قرر أن قوانين الفيزياء هي نفسها لجميع المراقبين غير المتسارعين وأظهر أن سرعة الضوء داخل الفراغ هي نفسها بغض النظر عن السرعة التي يسافر بها المراقب وفقًا ل Wired، ونتيجة لذلك وجد أن المكان والزمان متشابكان في سلسلة متصلة واحدة تعرف باسم الزمان والمكان والأحداث التي تحدث في نفس الوقت لأحد المراقبين يمكن أن تحدث في أوقات مختلفة.
كما انه عمل على المعادلات لنظريته العامة للنسبية وأدرك آينشتاين أن الأجسام الضخمة تسبب تشويهًا في الزمان والمكان، تخيل وضع كائن كبير في وسط الترامبولين فإن الكائن سوف يضغط على النسيج ويسحبه لأسفل مما يسبب وجود شبه حفرة فيه
أمثلة على النسبية
في العقود التي تلت نشر آينشتاين نظرياته، لاحظ العلماء عددا لا يحصى من الظواهر التي تتطابق مع تنبؤات النسبية.
عدسة الجاذبية
ينحني الضوء حول جسم ضخم مثل الثقب
الأسود
مما يؤدي إلى أن يكون بمثابة عدسة للأشياء التي تكمن وراءه ويستخدم علماء الفلك هذه الطريقة بشكل روتيني لدراسة النجوم والمجرات وراء الأجسام الضخمة. ومن الأمثلة الممتازة على عدسة الجاذبية هو (صليب آينشتاين) وهو ثقب اسود في كوكبة بيغاسوس وفقًا لوكالة الفضاء الأوروبية (الإيسا)، وهذا الثقب الاسود بقى على نفس الحال منذ حوالي 11 مليار سنة والمجرة التي تقع خلفه هي أقرب إلى الأرض بحوالي 10 مرات.[2]