بزرگنمايي:
راه ترقی - خراسان / «اتساع زمان» یکی از مفاهیم جذابی است که به نسبی بودن بُعد چهارم برای ناظرهای مختلف که سرعت یا جاذبه بیشتری را تجربه می‌کنند، اشاره دارد و برای خیلی ها به فانتزی‌های شگفت‌انگیزی مثل سفر در زمان گره می‌خورد؛ این موضوع جذاب را با بیانی ساده و برپایه نسبیت خاص و عام اینشتین، بررسی کرده‌ایم
آیا می‌توان زمان را کُند کرد؟ یا می‌توان در زمان به عقب برگشت؟ آیا ممکن است زمان برای عده‌ای سریع‌تر بگذرد؟ اصلاً سفر در زمان ممکن است؟ شاید همه سوالات بالا در نگاه اول یک سری فانتزی و تخیل ساده و جذاب به نظر برسند، اما برای هرکدام پاسخ‌های جالب و دقیقی براساس نظریات نسبیت خاص و عام اینشتین وجود دارد. نظریاتی که ما را به سمت یک مفهوم جالب به نام «اتساع زمان» سوق می‌دهند. مفهومی که براساس آن، گذر زمان برای آدم‌های مختلف به دلیل تجربه متفاوتی که در سرعت یا جاذبه دارند، متفاوت است. اگر اتساع زمان به دلیل تفاوت سرعت را بررسی کنیم، از دید دو ناظر با سرعت متفاوت، گذر زمان متفاوت خواهد بود. ناظری که با سرعت بیشتری حرکت می‌کند زمان برایش کندتر سپری می‌شود، البته نه مثل صحنه آهسته فیلم‌ها بلکه اودرک عادی از زمان خواهد داشت، اما وقتی که متوقف شود، می‌فهمد زمان بیشتری برای ناظری که سرعت کمتری داشته سپری شده و به‌عبارتی زمان برای‌شان تندتر گذشته است. خب بیشتر ما تجربه سفر با هواپیما را داشته ایم، اما وقتی به مقصد رسیدیم و به‌ساعت‌مان نگاه کردیم نسبی بودن زمان به‌خاطر سرعت هواپیما را حس نکردیم. پس قانون نسبیت اینشتین چه‌زمانی کاربرد دارد؟ آیا امکان سفر با سرعت نور و لمس تجربه بسیار متفاوت از نسبی بودن زمان هست؟ اگر با سرعت نور حرکت کنیم، در بازگشت، زمان برای دیگران که ساکن بودند، چطور گذشته؟ آیا به‌نوعی چنین تجربه‌ای مثل سفر به آینده است؟ با ما باشید تا به‌طور مختصر و با بیانی ساده به این سوالات پاسخ دهیم.
آلبرت با نسبیت خاص و عام وارد می‌شود
مطالعه در بحث سرعت نور، اتساع زمان و... می‌تواند در کاوش‌های فضایی، ماموریت‌های اکتشافی در منظومه شمسی و ماه کمک کند. در هر ماموریت فضایی انسان‌ها و ابزارهای زیادی تحت تاثیر اتساع زمان خواهند بود، اما واقعیت این است که این مفهوم در علم بسیار تازه است. تا زمانی که دنیای علم برمبنای قوانین نیوتن بود، درکی از چنین مفاهیمی ایجاد نمی‌شد، اما نسبیت خاص انقلابی ایجاد کرد و باعث شد چالش‌های تازه‌ای پیش‌روی علم قرار بگیرد و حجم کنجکاوی‌ها بیشتر شود. گام اول این جهش بزرگ نسبیت خاص بود. آلبرت اینشتین نابغه دنیای فیزیک سال 1905 میلادی با «نسبیت خاص» جرقه اتساع زمان ناشی از تفاوت در سرعت را زد. بر اساس نسبیت خاص شما بسته به سرعتی که دارید، درک متفاوتی از زمان خواهید داشت. دوقلوهای همسانی را تصور کنید که یکی فضانورد است و یکی شغل معمولی روی زمین دارد. یکی از آن‌ها برای سال‌ها با سرعت زیادی به یک سفر فضایی می‌رود و وقتی به‌زمین برمی‌گردد بسیار جوان‌تر از برادرش خواهد بود که روی زمین قرار دارد. خب اولین جایی که ذهن ما می‌رود بحث سفرهای هوایی معمولی و با سرعت هواپیماهای امروزی است. واقعیت این است که این اتفاق همیشه می‌افتد ولی وقتی تفاوت سرعت‌ها کم باشد، نسبی بودن زمان خودش را در حد بسیار کمی نشان می‌دهد که دو ناظر مختلف اصلاً آن‌را حس نمی‌کنند، اما هرچه اختلاف سرعت بیشتر باشد، اتساع زمان هم محسوس‌تر خواهد بود.
پای جاذبه هم در میان است: اینشتین به‌همین بسنده نکرد و سال 1915 میلادی با «نسبیت عام» یک تکان دیگر به دنیای علم داد. نسبیت عام بحث اتساع زمان را به دلیل تفاوت در جاذبه‌ای که به دو ناظر مختلف وارد می‌شود، مطرح می‌کند. البته روی سیاره هم این تفاوت خیلی ناچیزتر از آن است که ما حس کنیم.نسبیت عام می‌گوید جایی مثل افق‌رویداد یک سیاه چاله که جاذبه بسیار قوی دارد، گذر زمان کندتر خواهد بود. راستی فضانوردان در ایستگاه‌های فضایی خارج از سیاره، چون میدانِ جاذبه کمتری را درک می‌کنند زمان برای‌شان کندتر خواهد گذشت. به چهره دو فضانورد دوقلو دقت کنید.به‌نظرتان کدام یک در ماموریت بیشتری بوده؟
اگر جاذبه زیادی را درک کنیم: تصور کنید در محدوده جاذبه یک سیاه چاله عظیم هستید که حتی نور را هم می‌بلعد، جاذبه زیاد باعث نسبی بودن زمان یا اتساع گرانشی آن می شود. یک تشک نرم را تصور کنید. اگر یک گوی سنگین رویش بگذارید تشک گود می‌شود و اگر چند تیله روی تشک قِل بدهید، مسیرشان به سمت گوی که در صافی تشک اعوجاج ایجاد کرده؛ تغییر خواهد کرد. این همان رفتاری است که جاذبه یک سیاره یا سیاه چاله با زمان و نور انجام می‌دهد. نسبیت عام روی سطح سیارات فرضی که در دوردست قرار دارند و جاذبه‌شان با زمین متفاوت است هم صدق می‌کند. یعنی اگر روی سیاره‌ای باشیم که جاذبه بیشتری از زمین داشته باشد، بعد از بازگشت به زمین ما از اهالی زمین جوان‌تر خواهیم بود. به‌نوعی می‌شود گفت به آینده سفر کرده‌ایم.
نسبیت چه ابعاد دیگری دارد؟: سرعت و جاذبه مولفه‌هایی هستند که روی نسبی بودن زمان اثر می‌گذارند. البته نسبی بودن بسیاری از شاخص‌ها متناسب با وضعیت ناظران، متفاوت است. به‌طور مثال خودرویی که با سرعت 200 کیلومتر در ساعت حرکت می‌کند، از خودرویی که با 100 کیلومتر در ساعت در جهت مخالف حرکت می‌کند با سرعت 300 کیلومتر در ساعت دور می‌شود و برای ناظر ساکن یا همراستا سرعت دیگری دارد، اما آن‌چه مهم و جذاب است این است که ماجرای اتساع زمان بازهم در این بازه‌ها کاربرد چندانی ندارد، اما اگر به سرعت نور نزدیک شویم داستان متفاوت است. یعنی از درک نسبی بودن سرعت، به نسبی بودن زمان هم می‌رسیم و در نهایت همه این‌ها به جرم منتهی می‌شود. هرچند هیچ ماده‌ای نمی‌تواند با سرعت نور حرکت کند، اما اگر یک انسان بتواند به سرعت نور نزدیک شود از سوراخ در هم رد می‌شود. چون جرمش متفاوت خواهد بود.
نتایج نسبیت خاص و عام: کاربردهای عملی نظریه‌های اینشتین فراتر از انتظار است و افق‌های جذابی را پیش‌روی علم قرار می‌دهد، اما در کنار کاربردها نباید از نتایج این نظریه‌ها غافل شد. یکی از نتایج مفاهیم مرتبط با نسبیت خاص، فرمول معروفی است که رابطه بین انرژی، جرم و سرعت را نشان می‌دهد یعنی E = mc2. این فیزیک‌دان برجسته با نسبیت خاص به دنیا نشان داد که قوانین فیزیک نیوتن وقتی سرعت اجسام زیاد می‌شود، کاربرد ندارد و در ادامه مشخص شد قانون جاذبه نیوتن هم وقتی پای میدانی با جاذبه بالا در میان باشد، کاربرد سابق را ندارد. نیوتن معتقد بود نور در یک مسیر مستقیم حرکت می‌کند، اما نسبیت عام نشان داد جاذبه قوی حتی نور را هم منحرف می‌کند. به‌این شکل معمای مربوط به انحراف نور برخی اجرام هم حل شد.
مفهوم تازه‌ای از فضا و زمان| زمان و فضا طبق نظریه‌های اینشتین به هم بافته شده و ساختاری 4 بُعدی را ایجاد کرده‌اند. هر جرم سنگینی در این ساختار انحنا ایجاد می‌کند و وقتی جاذبه و سرعت در این ساختار زیاد باشد بُعد آخر یعنی زمان هم تغییر محسوسی خواهد داشت. به این شکل مشکل عدسی‌های گرانشی، سراب کیهانی، ویژگی سیاه چاله‌ها و... حل شد و مفهوم جذابی شکل گرفت به‌نام اتساع زمان که طبق آن زمان دیگر مثل سابق یک شاخص ساده نبود بلکه برای ناظران مختلف کیفیت متفاوتی دارد.
معمای سفر در زمان
اتساع زمان نتایج زیادی برای علم دارد و افق‌های تازه‌ای را پیش‌روی دانشمندان قرار می‌دهد؛ اما بخش جالب آن برای آدم‌های معمولی داستان «سفر در زمان» است. هرچند اتساع زمان به نسبی بودن بُعد چهارم یعنی زمان اشاره دارد ولی نمی‌شود تا این‌جای ماجرا را جدی گرفت و وارد بحث «غلبه بر بُعد چهارم» نشد. موضوعی که ابعاد علمی و فلسفی پرچالشی هم دارد. به‌طور مثال آیا ما با غلبه بر زمان و تغییر گذشته، زمان حال و آینده را هم تغییر می‌دهیم یا صرفاً واقعیت تازه‌ای به آن اضافه می‌کنیم که مسیر خودش را فارغ از واقعیت‌های قبلی ادامه می‌دهد؟
نوع خاصی از سفر به آینده
همان‌طور که گفتیم هرچه اختلاف سرعت بیشتر باشد، اتساع زمان محسوس‌تر خواهد بود و اگر به سرعت نور نزدیک شویم ماجرا به‌شدت جالب می‌شود. تصور کنید با سرعتی معادل 99 درصد سرعت نور که بیشترین سرعت ممکن در کیهان است به یک سفر فضایی می‌روید. حالا اگر سفر شما سه سال طول بکشد، وقتی به زمین برگردید شما فقط 3 سال پیر شده‌اید اما دیگران شایدحدود 21 سال. انگار بعد از اتمام سفر فضایی، به‌نوعی به آینده هم سفر کرده‌اید. هرچند این سفر شبیه فیلم‌های علمی و تخیلی نیست که وارد یک دروازه یا ماشین شوید و از آن طرف سر از آینده دربیاورید؛ اما در نوع خودش هم جالب است.
بی انتهایی کیهان
جالب است که نزدیک‌ترین کهکشان که یکی از میلیاردها کهکشان کیهان است فاصله‌ای حدود 2.5 میلیون سال نوری با ما دارد، در حالی که عمر انسان شهرنشین فقط 10 هزار سال است. یعنی اگر ما میانبری برای حرکت در زمان و فضا داشته باشیم که دو نقطه را به هم وصل کند، می‌توانیم به‌چیزی فراتر از تصور دسترسی داشته باشیم. این جاست که ایده کرم‌چاله‌ها به میان می‌آید؛ درگاه‌های زمان و مکان که مثل یک میان‌بُر بُعدهای مختلف را به هم وصل می‌کنند. هرچند کرم‌چاله‌ها هم ایده‌ای نظری هستند و هنوز شواهدی از وجودشان وجود ندارد، در عوض طی دو سه سال اخیر شواهد زیادی از وجود سیاه چاله‌ها به دست آمده اما ورود به آن‌ها هم به دلیل جاذبه قوی که دارند هیچ خروجی ندارد. در فیلم «بین ستاره‌ای» کریستوفر نولان، شخصیت‌های داستان برای سفر به نقاط دور کیهان از یک کرم‌چاله استفاده کردند تا مسافت‌هایی معادل چند میلیون سال نوری را در زمان کمی طی کنند. در انتها هم وارد نوع خاصی از سیاه چاله با جاذبه زیاد شدند که امکان خروج از آن وجود داشت. جالب‌تر این‌که با ورود به سیاه چاله توانستند با تسلط بر بُعد زمان، کدهایی را به گذشته ارسال و با خودشان در زمان گذشته ارتباط برقرار کنند. هرچند فیلم‌نامه «بین ستاره‌ای» با مشارکت یک فیزیک‌دان برجسته نگارش شده بود تا برای تمام ایده‌های داستانی، فکت‌های علمی وجود داشته باشد ولی باز هم حداقل با دانش امروز بشر، امکان عملی چنین اتفاق‌های ممکن نیست، اما راه‌های دیگری هم برای غلبه بر بُعد زمان وجود دارد. مثل حرکت با سرعتی بیشتر از سرعت نور.
جرم‌های موهوم!
سرعت نور حدود 300 هزار کیلومتر بر ساعت است، اگر روزی بتوانیم با این سرعت حرکت کنیم می‌توانیم تنها در یک ثانیه 7 بار دور زمین بچرخیم اما در ابعاد بین‌ستاره‌ای، همان‌طور که گفتیم با همین سرعت برای رسیدن به نزدیک‌ترین کهکشان 2.5 میلیون سال وقت نیاز داریم. جالب این‌جاست که اگر فردی بتواند با سرعتی بیشتر از آن حرکت کند، در زمان به عقب برمی‌گردد، اما مشکل این جاست که هیچ چیزی نمی‌تواند بیشتر از نور حرکت کند مگر این‌که جرمی نداشته باشد. طبق فرمول معروف اینشتین، اگر بخواهیم جسمی حرکت کند باید به آن انرژی بدهیم، هرچه انرژی بیشتری بدهیم، سرعت بیشتری هم خواهیم داشت، اما برای رساندن یک جرم بسیار کوچک به سرعت نور، نیاز به انرژی بی‌نهایت داریم. حتی شتاب‌دهنده ذرات هادرون هم برای رساندن سرعت ذرات زیراتمی به سرعت نور موفق نبود، حالا تصور کنید پای انسان با چنین جرمی در میان باشد، آن‌وقت تامین انرژی لازم غیرممکن و فراتر از تصور است. به همین دلیل جسم مادی به سرعت نور نزدیک هم نمی‌شود چه رسد به آن‌که سرعت بیشتری داشته باشد تا در زمان به عقب برگردد، اما اگر با ذره‌ای مواجه باشیم که جرم موهوم یا منفی داشته باشد، چه؟ تاکیون‌ها جرم موهوم دارند و وجودشان به صورت نظری اثبات شده است. جالب است بدانید تاکیون‌ها نمی‌توانند کمتر از سرعت نور حرکت کنند چون جرم ندارند و برای همین همیشه بیشتر از سرعت نور حرکت می‌کنند، پس مدام در زمان به عقب برمی‌گردند. حالا اگر سفینه‌ای ساخته شده از تاکیون‌ها داشته باشیم به عقب برمی‌گردیم؟
تلاش برای رسیدن به سرعت نور
طی سال‌های اخیر ناسا پیشنهادهای زیادی برای رساندن یک ذره به سرعت نور مطرح کرد که معروف‌ترینش میدان الکترومغناطیسی بود. این میدان‌ها با باردار کردن ذرات به‌آن‌ها شتاب می‌دهند، اما تابه‌حال تلاش‌های بشر برای رسیدن به این مهم بی‌نتیجه مانده است. پیشرانه‌هایی بدون سوخت تلاش دیگری بود. مرکز فضایی جانسون حدود 7 سال قبل اعلام کرد تلاشی در این زمینه داشته که اثربخش نبوده است. خیلی‌ها هم سرمایه‌گذاری روی تولید پادماده را کلید رسیدن به این سرعت می‌دانند، اما چالش‌هایی مثل هزینه زیاد و نابودی پادماده درصورت برخورد با ماده وجود دارد. پادماده به‌طور طبیعی در سیاره ما وجود ندارد و فقط در مقیاس آزمایشگاهی امکان تولیدش هست.
پاسخ به چند کنجکاوی جالب
چرا اثر اتساع زمان را به‌خاطر اختلاف سرعت و ارتفاع درک نمی‌کنیم؟
به‌پوست صاف و شفاف افرادی که در ارتفاعات زندگی می‌کنند دقت کرده‌اید؟ هیچ تفاوتی با دیگران ندارد؟ البته همان‌طور که گفتیم اثر سرعت و جاذبه روی سیاره ما ناچیز است و آن‌قدر محسوس نخواهد بود. پس اگر یک خلبان یا مهماندار همیشه در سفر باشد، در نهایت طی تمام عمرش شاید کمتر از یک روز اثر اتساع زمان برایش اتفاق بیفتد که آن‌قدر چشمگیر نیست که حس کنیم، اما چشمگیر نبودنش دلیل بر نبودنش نیست.
آیا آزمایشی برای اثبات اتساع زمان انجام شده؟
هرچند فرمول‌بندی ماجرا از لحاظ نظری اثبات شده و دقیق است، اما در سال 1971 آزمایشی با عنوان هیفل کیتنیگ انجام شد و دو ساعت اتمی بسیار دقیق درون دو هواپیما که خلاف جهت هم حرکت می‌کردند، گذاشته شد و اثر اتساع زمان در ایجاد اختلاف زمانی دیده شد.
جاذبه یک سیاه‌چاله چه اثری بر زمان دارد؟
فرض کنید در مدار یک سیاه چاله قرار دارید و امکان فرار هم دارید، اگر جاذبه این سیاه چاله زیاد باشد، به راحتی یک ساعت حضور در آن مدار برای ساکنان زمین معادل 10 سال خواهد بود. البته این اعداد فرضی است و برای درک اثر جاذبه بر زمان مطرح می‌شود وگرنه ممکن است براساس بزرگی سیاه چاله، میزان جاذبه و متغیرهای دیگر، اثر آن میدان بر زمان کمتر و حتی خیلی بیشتر هم باشد.
اتساع زمان شامل ذرات کوانتومی هم می‌شود؟
آزمایش‌های محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا گویای آن است که اتساع زمان گرانشی یا همان اثر جاذبه بر زمان، حتی برای ذراتی که از قوانین کوانتومی پیروی می‌کنند هم وجود دارد.