وقد ثبتت صحة نظرية أينشتاين خلال تجارب مختلفة عملية عديدة. مثل وضع ساعة في طائرة نفاثة تطير بسرعة أكبر من سرعة الصوت لمدة ساعات ثم عودتها إلى المطار. فقد وجد أن الساعة التي كانت في الطائرة توخر جزءا من الثانية بالمقارنة بالساعة الموجوة على الأرض الذي لم تتحرك.

كذلك رواد الفضاء الذين يسبحون في الفضاء بسرعات قد تبلغ 29.000 كيلومتر في الساعة، هؤلاء يمر عليهم الزمن أبطأ مما يمر على سكان الأرض، وعند عودتهم إلى الأرض يكون الرائد أصغر عمرا ممن على الأرض، وقد يبلغ هذا الفرق عدة ثوان أو أكثر كثيرا، وهذا يعتمد على سرعة تحركهم بالنسبة إلى سرعة الضوء. 

وويكيبيديا

السفر عبر الزمن هو مفهوم الانتقال إلى الوراء أو إلى الأمام من نقاط مختلفة في الزمن، بشكل يماثل الانتقال خلال المكان. إضافة إلى ذلك، بعض التفسيرات للسفر عبر الزمن توحي بأنه من الممكن الانتقال بين أكوان متوازية.^[1] مثلت فكرة السفر عبر الزمن أداة مشتركة في القصص الخيالية في القرن التاسع عشر، وكان السفر عبر الزمن هو إلى المستقبل فقط تماشياُ مع ظاهرة التمدد الزمني في النظرية النسبية. يطلق على أي وسيلة تقنية سواءً كانت خيالية أم افتراضية تُستعمل للسفر عبر الزمن تسمى آلة الزمن.

 

النسبية وهي النظرية التي أضافت الزمن كبعد رابع بالإضافة إلى الأبعاد المكانية الثلاثه، تقول أن الزمان والمكان مرتبطان معاً ولا يمكن أن يوجد أحدهما بمعزل عن الاخر. نسبياً، نعلم أننا نستطيع أن نتحرك في هذه الأبعاد-المكانية- بكل حرية حيث نستطيع السير يمينا أو يسارا أو إلى الأمام أو الخلف أو إلى أعلى أو أسفل. ويمكننا ركوب آلات مثل الطائرة أو الصاروخ التي تنقلنا في البعد المكاني الثالث “الارتفاع” ومن هذه الفكرة البسيطة عن الأبعاد يتضح أنه بإمكاننا أن نتنقل عبر الزمن بهذه الصورة. لكن النظر إلى ما سبق يعد مفهوماً كلاسيكياً فحسب حيث يفترض أن الزمن مقياس مطلق لسرعة حركة هذه الأجسام. في النسبية يبدو الزمن نفسه على أنه دالة في السرعة النسبية بين الأجسام ويتباطأ أكثر فأكثر كلما كان الفرق في السرعة النسبية بين الأجسام أقرب إلى سرعة الضوء ويمكن أن يتوقف تماماً إذا ما وصلت هذه السرعة النسبية إلى سرعة الضوء.

لو افترضنا أن رائدا للفضاء غادر الأرض وعمره 25 سنة آنذاك، وترك أخاه الصغير البالغ من العمر 22 سنة وغاب في رحلته الفضائية مدة عشرة سنوات بحسب توقيته على الصاروخ المسافر بسرعة قريبة جداً من سرعة الضوء بحسب ما يرصد أخوه، فإنه يجد عند عودته من رحلته في سن 35 سنة أن أخاه الذي كان أصغر منه عمراً قد أصبح في سن الأربعين أو الخمسين على حسب سرعة الصاروخ التي تحرك بها.

 

تعطي النظرية النسبية الخاصة المعادلة التالية لاعتماد الزمن على السرعة :

حيث:

الزمن بين حدثين طبقا لساعة المشاهد،

الزمن بين نفس الحدثين التي يسجلها المسافر على صاروخ يتحرك بسرعة v،

السرعة النسبية بين المشاهد وراكب الصاروخ،

سرعة الضوء،

يتبين من تلك المعادلة أن الساعة على صاروخ تمشي ببطء إذا ما قورنت بساعة أخرى واقعة في إطار غير متسارع. يمكن الرجوع لدراسة مفارقة التوأم لمعرفة المزيد.

وتبلغ السرعات المعتادة على الأرض، حيث  وهي سرعات صغيرة لا نستطيع من خلالها ملاحظة تلك الفوارق. حتى بافتراض السفر بسرعة الصاروخ فتلك سرعات قليلة أيضا ولا تُحدث فرقا ملحوظا، وإنما نبدأ ملاحظة تلك الفروق الزمنية عند سرعة 30,000 كيلومتر /ثانية، أي عند 1/10 سرعة الضوء وهي سرعة كبيرة جدا.

 

“تمدد” الزمن في هذا السياق ليس مفهومًا فيزيائيًا نظريًا خاصة في الأجسام الدقيقة دون الذرية، وإنما هو تمدد حقيقي في الزمن الذي يحيا فيه الإنسان. وتبين المعادلة السابقة أن الزمن يتمدد بالنسبة للمشاهد على الأرض (طبقا لساعته) بينما يظل نفسه بالنسبة للمسافر في الصاروخ (طبقا لساعته). فلو زادت سرعة إنسان ما (في سفينة فضاء مثلا) إلى حوالي 87% من سرعة الضوء, فإن الزمن يبطؤ لديه إلى الضعف. مع ذلك فالمعادلة لا تنطبق على مفهوم العودة بالزمن للوراء أو الزمن السالب والذي ينتشر بين عدد من قراء النسبية بشكل سطحي. يعتقد البعض أن النسبية تسمح بعودة الزمن للوراء إذا ما تم تجاوز سرعة الضوء في حين أن تطبيق المعادلة السابقة يعني أن سرعات تفوق سرعة الضوء تفضي إلى أزمنة ذات قيم تخيلية وليس قيما سالبة.

تمدد الزمن أو الإبطاء الزمني في الفيزياء (بالإنجليزية: Time dilation) عرفنا الإبطاء الزمني من النظرية النسبية الخاصة لأينشتاينحيث قام بدراسة السرعات العالية جدا جدا والقريبة من سرعة الضوء. يشاهد الإبطاء الزمني بين مشاهدين يتحركان بسرعة نسبية كبيرة جدا (نسبية لبعضهما البعض) تكون قريبة من سرعة الضوء. كما من الممكن حدوث الإبطاء الزمني عندما يكون أحدهما بالقرب من كتلة كبيرة جدا جدا (أي يكون كل منهما في مجال جاذبية مختلف عن الآخر ويكون الاختلاف كبيرا جدا جدا). مثال : مشاهد على الأرض ومشاهد على كوكب المشتري). فيمر على الواقف على الأرض وقتا أطول مما يمر على الواقف في جاذبية المشتري ، فإذا مر على الواقف على الأرض مثلا ساعة من الزمن مر على الواقف على المشتري أربعين دقيقة فقط ، ويرجع ذلك إلى شدة الجاذبية البالغة على المشتري. ولا ينشأ هذا عن تقنية الساعتين وإنما ينشأ هذا الاختلاف فقط بسبب طبيعة الزمكانكما تصفها النظرية النسبية الخاصة.

وقد ثبتت صحة نظرية أينشتاين خلال تجارب مختلفة عملية عديدة. مثل وضع ساعة في طائرة نفاثة تطير بسرعة أكبر من سرعة الصوت لمدة ساعات ثم عودتها إلى المطار. فقد وجد أن الساعة التي كانت في الطائرة توخر جزءا من الثانية بالمقارنة بالساعة الموجوة على الأرض الذي لم تتحرك.

كذلك رواد الفضاء الذين يسبحون في الفضاء بسرعات قد تبلغ 29.000 كيلومتر في الساعة، هؤلاء يمر عليهم الزمن أبطأ مما يمر على سكان الأرض، وعند عودتهم إلى الأرض يكون الرائد أصغر عمرا ممن على الأرض، وقد يبلغ هذا الفرق عدة ثوان أو أكثر كثيرا، وهذا يعتمد على سرعة تحركهم بالنسبة إلى سرعة الضوء.

كيف يبدو صوت العائد من السفر لمن يستمع إليه على الأرض

لنفترض أن المسافر الذي ذكرناه آنفا قد قرر العودة إلى الأرض بعد أن قطع مسافة خمسمائة وأربعين مليون كيلومتر وهي المسافة التي قطعها الصاروخ في ساعة واحدة حيث افترضنا أنه يسير بسرعة مائة وخمسين ألف كيلومتر في الثانية. ولقد طلب من المسافر أن يتكلم لمدة ساعة ابتداء من أول لحظة في رحلة العوده ومن خلال نظام الاتصالات اللاسلكي لكي يستمع إليه من على الأرض. إن أول كلمة ينطق بها المسافر ستصل إلى الأرض بعد مرور نصف ساعة وذلك لأن الموجة الكهرومغناطيسية التي تحمل صوت المسافر تسير بسرعة الضوء وهي ضعف سرعة الصاروخ. وأما آخر كلمة من الخطاب فستصل إلى المستمع على الأرض بعد ساعة واحدة وهي اللحظة التي سيصل فيها الصاروخ إلى الأرض. وعليه فإن مدة الخطاب لمن يستمع إليه على الأرض ستكون نصف ساعة فقط بينما طول مدة الخطاب حسب ساعة المسافر هو ساعة واحدة وهو ما يسمى بتقلص الزمن في نظرية النسبية. وفي هذه الحالة سيبدو صوت المسافر للمستمع الأرضي سريعا ورقيقا بسبب ضغط محتويات الخطاب في نصف ساعة وبدون فقد لأي من معلومات الخطاب. إن هذا التقليص لمدة الخطاب يناظر زيادة سرعة محرك مسجل الكاسيت إلى ضعف سرعته الاعتيادية في المثال الذي ضربناه آنفا.
تأثير دوبلر وتفسير ظواهر تمدد وتقلص الزمن في نظرية النسبية
لقد ذكرت في مقالة النسبية الخاصة أن تأثير دوبلر (Doppler effect) هو أحد أشكال نظرية النسبية الخاصة. وملخص هذا التأثير أن قيمة تردد الموجة (frequency) الذي يقيسه مراقب ما يزيد أو ينقص عن التردد الذي يولده مصدر هذه الموجات في حالة وجود حركة نسبية بين المراقب والمصدر حيث يزداد التردد عند تقاربهما وينقص عند تباعدهما. ويمكن تفسير ظواهر تمدد وتقلص الزمن باستخدام تأثير دوبلر لمن عنده خلفية في علم الإشارات الكهربائية (electric signals). فمثال تمدد خطاب المسافر من ساعة إلى ساعة ونصف يمكن تفسيره على أن الترددات المكونة للطيف الترددي لصوت المتكلم قد انخفضت بسبب تأثير دوبلر إلى ثلثي قيمتها الأصلية بسبب الحركة النسبية بين المتكلم في الصاروخ وبين المستمع على الأرض. إن أحد قوانين علم الإشارات الكهربائية ينص على أن التقلص في عرض نطاق ترددات الإشارة يقابله تمدد في زمن إرسالها بحيث يبقى حاصل ضربهما ثابت. وعليه فإن تقلص عرض النطاق لصوت المسافر إلى الثلثين يتطلب زيادة زمن الإرسال إلى مرة ونصف أي ساعة ونصف في مثالنا السابق. وأما بالنسبة للعائد من السفر فإن عرض النطاق سيزيد إلى الضعف بسبب تقارب مرسل ومستقبل الإشارات وعليه فإن زمن الإرسال سيقل إلى النصف أي نصف ساعة في المثال.
كيف تبدو صورة المسافر أو العائد لمن يراه على الأرض
لمعرفة تأثير النسبية على صورة المسافر يتم تثبيت كميرة تلفزيونية في الصاروخ الذي يحمل مسافرنا في مثالنا السابق ليتم نقل صورته وصوته إلى الأرض من خلال نظام اتصالات لاسلكي. ومن السهل توضيح ما سيحدث لصورة المسافر عند سفره بسرعة مائة وخمسين ألف كيلومتر في الثانية باستخدام تأثير دوبلر. فلو افترضنا أن عرض نطاق الإشارة التلفزيونية الملتقطة للمسافر بالنسبة لإطاره المرجعي وهو الصاروخ يساوي ستة ميغاهيرتز فإن عرض النطاق للمشاهد على الأرض سينخفض إلى أربعة ميغاهيرتز أي ثلثي القيمة الأصلية بسبب تأثير دوبلر. وبما أن زمن إرسال الإشارة يتناسب عكسيا مع عرض النطاق فإنه سيزيد بمرة ونصف عن زمن الإرسال في الإطار المرجعي الأصلي أي أن الإشارة التلفزيونية التي مدتها ساعة في داخل الصاروخ ستستغرق ساعة ونصف لمشاهدتها على الأرض. وكما هو الحال مع الصوت في المثال السابق سيرى المشاهد الأرضي أن جميع حركات المسافر بطيئة بالنسبة لحركاته الفعلية. وأما العائد من السفر إلى الأرض بنفس السرعة فإن مدة إرسال الإشارة ستنخفض إلى النصف أي نصف ساعة بدلا من ساعة وستبدو حركات المسافر سريعه كما هو الحال مع صوته.
هل يطول عمر الإنسان عند السفر بسرعات عالية
لنفترض أنا قمنا بإرسال إنسان منذ ولادته إلى الفضاء على ظهر مركبة فضائية تسير بسرعة مائة وخمسين ألف كيلومتر في الثانية وقمنا بوضع كميرة تلفزيونية تقوم بإرسال صوره إلى الأرض من خلال نظام اتصالات لاسلكي. ولو افترضنا أن هذا الإنسان قد عاش ستين عاما وذلك حسب الساعة الموجودة في المركبة فإن عمره لمن يشاهده على الأرض سيكون تسعين عاما وذلك بناءا على الحسابات التي قمنا بها في الأمثلة السابقة. إن جميع الحركات والسكنات التي مرت على هذا الإنسان في المركبة سيشاهدها المراقب الأرضي إلا أنها تمت في مدى ستين عاما في المركبة وفي مدى تسعين عاما على شاشة التلفزيون على الأرض. وأعتقد أن القارئ بعد قراءته للأمثلة السابق أصبح قادر على التوفيق بين هاتين الحالتين المتناقضتين وذلك لعلمه أن الأحداث التي يشاهدها المراقب الأرض تبدو بطئية بالمقارنة بما يجري داخل المركبة!

المصدر / مقالة الدكتور منصور ابو شريعة العبادي _جامعة العلوم والتكنولوجيا الاردنية

“تمدد” الزمن في هذا السياق ليس مفهومًا فيزيائيًا نظريًا خاصة في الأجسام الدقيقة دون الذرية، وإنما هو تمدد حقيقي في الزمن الذي يحيا فيه الإنسان. وتبين المعادلة أن الزمن يتمدد بالنسبة للمشاهد على الأرض (طبقا لساعته) بينما يظل نفسه بالنسبة للمسافر في الصاروخ (طبقا لساعته). فلو زادت سرعة إنسان ما (في سفينة فضاء مثلا) إلى حوالي 87% من سرعة الضوء, فإن الزمن يبطؤ لديه إلى الضعف. مع ذلك فالمعادلة لا تنطبق على مفهوم العودة بالزمن للوراء أو الزمن السالب والذي ينتشر بين عدد من قراء النسبية بشكل سطحي. يعتقد البعض أن النسبية تسمح بعودة الزمن للوراء إذا ما تم تجاوز سرعة الضوء في حين أن تطبيق المعادلة السابقة يعني أن سرعات تفوق سرعة الضوء تفضي إلى أزمنة ذات قيم تخيلية وليس قيما سالبة.