بخش بعدی                             فهرست محتویات                                 خرید نسخه PDF کتاب                                 بخش قبلی

نقل مطالب این کتاب با ذکر منبع آزاد است. تمام حقوق مادی این کتاب برای مترجم محفوظ است.

 

کند شدن زمان

ما پس از طی چند مرحله استدلال منطقی و درنظرگرفتن نتایج آزمایشات محکم، به نتایج عجیب فوق رسیدیم. پس کجای کار ما اشتباه بود؟ چون بهرحال نور این چراغ‌قوه هم همان نور معمولیست؛ یعنی همان امواج الکترومغناطیسی یا فوتون‌ها (یا هرچیزی که نور از آن ساخته شده) که از چراغ‌قوه خارج می‌شود. چگونه شما که با این پرتو فقط اندکی اختلاف سرعت دارید و در کنار آن حرکت می‌کنید، هنوز هم می‌بینید که با همان سرعت از شما می‌گذرد که از شخصی که ساکن ایستاده و چراغ‌قوه را در دست دارد؟ تنها راهی که ممکن است چنین چیزی اتفاق بیفتد این ‌است که زمان برای شما، نسبت به کسی که ساکن ایستاده، کندتر بگذرد. اگر شما ساعتی را در دست داشته باشید و شخصی که ساکن ایستاده بتواند با یک دوربین آن را ببیند، درآنصورت او با شمارش ثانیه‌های سپری شده خواهد دید که این ساعت از ساعتی که خودش در دست دارد آهسته‌تر حرکت می‌کند. از نظر او، حرکت تمام چیزهای که مربوط به شما هستند آهسته‌تر شده‌ است. ولی این تمام ماجرا نیست؛ اگر برای یک لحظه فراموش کنید که پرتو نور از کجا می‌آید، آنگاه اصل اول نسبیت می‌گوید که شما هم می‌توانید خود را ساکن فرض کنید و ادعا کنید که این شخص چراغ‌قوه بدست است که با سرعت سه‌چهارم سرعت نور از طرف مقابل به شما نزدیک می‌شود. بنابراین اگر شما نیز ساعت او را از دور مشاهده کنید، متوجه خواهید شد که برای او هم زمان کندتر از شما حرکت می‌کند!

نسبیت، نظریه‌ دیوانه‌واری نیست که بخواهد مفهوم نور را به مسخره بگیرد و به ما بگوید نور برای همه با یک سرعت حرکت می‌کند. مفهوم سرعت نور فراتر از آن است که بمسخره گرفته شود و اینروزها با آزمایشاتی که در دستگاه‌های شتاب‌دهنده ذرات انجام می‌‌شود، همیشه تائید شده است. این نوع دستگاه‌ها، آزمایشگاه‌های عظیمی هستند که بصورت تونل‌های دایره‌مانند در زیر زمین ساخته می‌شوند، و طول آنها چندین کیلومتر است. ذرات زیراتمی با سرعتی نزدیک نور به داخل این تونل‌ها فرستاده می‌شوند. معروفترین این آزمایشگاه‌ها مجتمع CERN در سوئیس است. کند شدن زمان (که اتساع زمان نیز نامیده می‌شود) نتیجه غیرقابل اجتناب رفتار ذراتی است که سرعت بسیار بالایی دارند.

ابتدا اجازه دهید تا اجمالاً این نوع آزمایشات ذره‌ای را بررسی کنیم. انواع بخصوصی از ذرات زیراتمی وجود دارند، که پیون[1] نامیده می‌شوند، و از خود فوتون‌های نور تابش می‌کنند. وقتی یک پیون ساکن باشد، فوتون تابیده از آن باسرعت نور خارج می‌شود (هر چه باشد خود فوتون ذره‌ای از نور است). ولی در CERN پیون‌ها می‌توانند در داخل تونل‌های طولانی زیر زمینی حرکت داده شوند، بطوریکه سرعت آنها به نور نزدیک شود. در این‌حالت نیز هنوز آنها از خود فوتون گسیل می‌کنند، فوتون‌هایی که همسو با پیون‌ها در حرکت هستند و می‌توان آنها را آشکارسازی کرد و سرعت آنها را اندازه گرفت. معلوم شده که سرعت حرکت آنها هنوز هم همانقدر است که وقتی از پیون‌های ساکن گسیل می‌شوند.

بنابراین فوتونی که از پیون متحرک خارج می‌شود، از نظر ما که در آزمایشگاه ایستاده‌ایم، و نیز از نظر خود پیون، با سرعت نور حرکت می‌کند.

تا آنجا که به کند شدن زمان مربوط می‌شود، ما می‌توانیم چگونگی آن را با در نظر گرفتن آزمایش فکری زیر مشاهده کنیم. شکل 6.1 جعبه‌ای را نشان می‌دهد که حاوی یک منبع نور، یک آشکار ساز در پائین و یک آینه در بالا است. منبع نور که بطرف بالا نشانه‌ گیری کرده پرتو نوری را از خود گسیل می‌کند که یک پالس (ضربان) نامیده می‌شود. پالس از روی آینه که در بالای جعبه قرار دارد منعکس شده و بسوی آشکارسازی که در پائین قرار دارد می‌رسد، و در آنجا با دریافت این پالس، آشکارساز علامتی را از خود بروز می‌دهد (مثلاً بوق می‌زند). حال تصور کنید که خود این جعبه با سرعتی نزدیک به نور به سویی حرکت ‌کند. از دید یک ناظر خارجی که با دوربینی به داخل این جعبه نگاه می‌کند (فرض می‌کنیم جلو جعبه از شیشه ساخته شده)، پالس نور مسیری را طی می‌کـند که طولانـی‌تر از یک مسیر رفتن به ‌بالا و برگشت ‌به‌ پائین است که  ناظر داخل جعبه شاهد آن است. از نظر این ناظر خارجی، پالس نور باید مسافت طولانی‌تری را که در شکل نشان داده شده طی کند، ولی هنوز هم او مشاهده می‌کند که نور با همان سرعت همیشگی حرکت می‌کند. ولی بدلیل اینکه حالا نور باید مسیر طولانی‌تری را طی کند (خطوط بریده)، زمان بیشتری لازم است تا دوباره به آشکار ساز برسد[2].

 بنابراین بر طبق ساعتی که بر روی زمین قرار دارد زمان بیشتری طول می‌کشد  که این مسیر طی شود، تا آن ساعتی که در داخل جعبه قرار دارد. بدلیل اینکه هر دو ساعت مشغول اندازه‌گیری یک فرآیند هستند (یعنی اندازه‌گیری مدت زمان لازم برای بالا و پائین رفتن نور در جعبه)، پس بمنظور اینکه ساعت داخل جعبه زمان کوتاه‌تری را ثبت کند بایستی زمان در آنجا آهسته‌تر شده باشد! طرفداران نسبیت خاص باید آگاه باشند که توضیحات داده شد تمام ماجرا را دربر نمی‌گیرد، زیرا برای اینکه بگوئیم کسی چیزی را «می‌بیند»، باید از آن چیز نوری به چشمان بیننده برسد، و مدت زمان معینی طول می‌کشد تا نور به او برسد.

بنابراین ساعتهای متحرک آهسته‌تر حرکت می‌کنند و مثال فوق چگونگی آن را نشان می‌دهد. وقتی مردم با چنین پدیده‌ای روبرو می‌شوند، بیشتر اوقات چنین خیال می‌کنند که حرکت سریع بر روی کارکرد ساعت تاثیر می‌گذارد؛ یعنی اینکه ساعت به طریقی به سرعتی که با آن درحال حرکت است پاسخ می‌دهد. این مسئله کاملاً اشتباه است. زیرا تمام حرکات نسبی هستند، و درحقیقت شخصی که در مثال قبل در داخل جعبه ایستاده نیز می‌تواند بحق بگوید  که  او  هیچ  حرکتی  نمی‌کند  و این ناظر خارجی اسـت  که با سرعتی

 

شکل 6.1. (a) ناظری که در داخل یک جعبهِ درحال‌حرکت قرار دارد مشاهده می‌کند که نور در سفر رفت و برگشت خود مسافتی را طی می‌کند که تقریباً دو برابر ارتفاع جعبه است. (b) ازنظر یک ناظر خارجی، نور مسافتی طولانی‌تری را طی می‌کند. جعبه‌های نشان داده شده، دربردارنده تصویرهای لحظه‌ای از سه چارچوب زمانی متوالی هستند. تصویر سمت چپ موقعیت جعبه را حالتی نشان می‌دهد که پالس نور از چراغ‌قوه گسیل شده است، تصویر میانی حالتی را نشان می‌دهد که پالس به آینه بالا رسیده و تصویر سمت راستی زمانی را نشان می‌دهد که پالس نوریِ منعکس شده از آینه به آشکارسازی که در پائین جعبه قرار دارد رسیده است. اگر هر دو ناظر بر سر سرعت نور بایکدیگر توافق داشته باشند (که باید هم اینطور باشد)، آنگاه تنها راهی که ممکن است تا نور مسافتهای مختلفی را طی کند این ‌است که آنها بپذیرند که مدت زمانی که طول می‌کشد که این سفر رفت و برگشت انجام گیرد با یکدیگر متفاوتند.

نزدیک به سرعت نور درحال حرکت است.  صحت این مسئله اینطور تائید می‌شود که او نیز حقیقتاً خواهد دید که ساعتی که بر روی زمین قرار دارد کندتر از ساعتی که در داخل جعبه قرار دارد حرکت می‌کند! این مسئله اغلب منجر به چیزی می‌شود که بنظر می‌رسد یک تناقص منطقی باشد. چگونه هر دو ساعت می‌توانند از یکدیگر کندتر حرکت کنند؟ اشخاصی که نسبیت را درک نکرده‌اند پیش خود گمان‌می‌کنند، تنها دلیلی که بنظرمی‌رسد ساعتها نسبت به یکدیگر کند شده‌اند این ‌است که مدت زمان معینی طول می‌کشد تا نور مسافت بین یک ساعت و ناظر دیگر را طی کند. همانگونه که جیمز ا. اسمیت در کتاب خودش با نام مقدمه‌ای بر نسبیت خاص می‌گوید  «هیچ چیز نتوانسته تا این اندازه نظریه نسبیت را بکلی بدنام کند». ما بعداً در تشریح پارادوکس دوقلوها خواهیم دید که با سرعت دادن ساعت، و کاهش دادن دوباره آن، چگونه می‌توانیم بطور دائم زمان را کند کنیم.

مطمئن هستم که شما پیش خود فکر می‌کنید که بهرحال این فقط یک نظریه است. ممکن است این برای نویسندگان کتابهای علمی‌تخیلی دست مایه خوبی باشد ولی مطمئناً نمی‌تواند در «جهان واقعی» جایی داشته باشد. اگر سرعت تیک زدن ساعتها اینقدر بستگی به حرکت نسبی آنها دارد، پس چرا ما برای ساختن ساعتهای فوق‌العاده دقیق، مثل ساعتهای اتمی، اینقدر به خودمان زحمت می‌دهیم؟ دلیل امر این ‌است که اینگونه موارد تنها موقعی تائیر خود را آشکار می‌کنند که ساعتها با سرعتهای فوق‌العاده زیادی نسبت به یکدیگر در حرکت باشند. هرچقدر سرعت آنها به نور نزدیکتر شود، تیک زدن آنها آهسته‌تر می‌شود. و اگر نسبت به ما با سرعت نور حرکت کنند آنگاه ما خواهیم دید که آنها بطور کامل از حرکت بازمی‌ایستند.

مثال دیگری را در این زمینه مطرح می‌کنم. دونده‌ای را درنظر بگیرید که مطابق با ساعت دقیق داور، دقیقاً ده ثانیه طول می‌کشد تا مسافت صد متر را طی کند. اگر او نیز یک کورنومتر بسیار دقیق با خود بهمراه داشته باشد، آنگاه بدلیل اینکه او در حال حرکت است و این حرکت موجب کند شدن بسیار اندک زمان می‌شود، کورنومتر او زمانی در حدود 9.999999999999995 ثانیه را نشان می‌دهد. البته این زمان بقدری به 10 ثانیه نزدیک است که ما هرگز متوجه چنین تفاوتی نمی‌شویم. ولی برای دانشمندان لازم است تا بطور دائم زمان را با اینچنین دقت‌هایی اندازه بگیرند. تفاوت ساعت دونده و ساعت داوران تنها 5 «فِمتو ثانیه»[3] است. دلیل اینکه این اختلاف اینقدر کوچک است این ‌است که دونده نسبت به نور بسیار آهسته‌تر حرکت می‌کند. حتی سریعترین موشکهای ساخت بشر نیز، کندتر از آن هستند که تاثیر قابل ملاحظه‌ای در این زمینه داشته باشند.

بنابراین آیا ما می‌توانیم عملاً شاهد یک اتساع زمان واقعی باشیم؟ خوب این چیزیست که خودم شخصاً آن را تائید می‌کنم، زیرا مانند بسیاری از دانش‌آموختگان فیزیک، من نیز هنگامیکه در دانشگاه بودم آزمایشی را انجام دادم که بر صحت این مورد دلالت داشت.  آزمایش مورد بحث با نوع دیگری از ذرات زیر اتمی به‌نام موئون[4] سرو کار داشت که بوسیله پرتوهای کیهانی[5] تولید می‌شود. پرتو‌های کیهانی ذرات بسیار پرانرژی هستند که از فضا می‌آیند و دائماً درحال بمباران کردن اتمسفر زمین هستند. هنگامی که این بمباران‌ها صورت می‌گیرد در قسمتهای بالایی اتمسفر، ذرات جدیدی شکل می‌گیرند که بیشتر آنها موئون هستند و بسمت سطح زمین حرکت می‌کنند. فیزیکدانان خواص موئون‌ها را مطالعه کرده‌اند و معلوم شده که طول‌عمر این ذرات بسیار کوتاه و درحدود یک میلیونیم ثانیه است. البته این طول‌عمر تنها حالت آماری دارد، به این شکل که برخی از موئون‌ها ممکن است مقداری بیش از یک میلیونیم ثانیه و برخی مقداری کمتر از این عمر داشته باشند. ولی اگر هزار موئون که باهم دریک زمان بوجود آمده‌اند را به حال خود رها کنیم، آنگاه پس از یک میلیونیم ثانیه تعداد آنها تقریباً به 500 عدد کاهش می‌یابد.

موئون‌های بوجود آمده در طبقات فوقانی اتمسفر زمین چنان پرانرژی هستند که با 99% سرعت نور به سمت زمین حرکت می‌کنند.ولی حتی با وجود داشتن چنین سرعت خارق‌العاده‌ای، هنوز هم زمانی که لازم است تا آنها به سطح زمین برسند (و مهم‌تر از آن، به دستگاه‌های آشکارساز موئون برسند) چندین برابر طول‌عمر آنها طول خواهد کشید. بنابراین ما باید تنها شاهد آن موئون‌هایی باشیم که طول‌عمرشان بطور غیرعادی از بقیه طولانیتر بوده و توانسته‌اند چنین مسافتی را طی کنند. ولی درعوض ما خواهیم دید که تقریباً تمامی موئون‌ها به آسانی سفر خود را کامل می‌کنند. دلیل این ‌است که زمانِ موئون‌ها (ساعت داخلی آنها که طول‌عمرشان را اندازه‌ می‌گیرد) نسبت به زمان ما آهسته‌تر می‌گذرد. بنابراین از نظر موئون‌ها تنها کسری از عمر آنها سپری شده است.

هر استدلال دیگری که بگوید موئون‌های متحرک باید به دلایلی بیش از آنهایی که ساکن هستند عمر کنند، با واقعیات موجود جور در نمی‌آید. با نگاهی دقیقتر ما خواهیم دید که اصلاً چنین چیزی نمی‌تواند درست باشد زیرا این ناقص اصل اول نسبیت است که می‌گوید: موئون تنها بطور نسبی از ما فاصله می‌گیرد.

 

بخش بعدی                             فهرست محتویات                                 خرید نسخه PDF کتاب                                 بخش قبلی

نقل مطالب این کتاب با ذکر منبع آزاد است. تمام حقوق مادی این کتاب برای مترجم محفوظ است.

 

 



[1] - pions.

[2] - زمان لازم از تقسیم کردن مسافت طی شده توسط پالس نور بر سرعت آن بدست می‌آید. و امیدوارم لازم به یادآوری نباشد که این مورد بسادگی از رابطه «زمان ÷ مسافت= سرعت» بدست می‌آید. درنتیجه هرچه مسافت بیشتری را طی کند، حرکتش زمان بیشتری طول می‌کشد.

[3] - femtoseconds. برابر 15-10 ثانیه. (مترجم)

[4] - Muon (با تلفظ انگلیسی «می‌یوآن»).

[5] - Cosmic ray.