إبطاء زمني

الإبطاء الزمني في الفيزياء (بالإنجليزية :Time dilation) يشاهد الإبطاء الزمني بين مشاهدين يتحركان بسرعة نسبية (نسبية لبعضهما البعض) ،أوقد يكون جميع منهما بالقرب من كتلة مختلفة (أيقد يكون جميع منهما في مجال جاذبية مختلف عن الآخر ، مثال : مشاهد على الأرض ومشاهد على كوكب المشتري ). فيشاهد احدهما ساعة الآخر تدق بمعدل أبطأ عن ساعته . ولا ينشأ هذا عن تقنية الساعتين وإنما ينشأ هذا الاختلاف فقط بسبب طبيعة الزمكان كما تصفها النظرية النسبية الخاصة.

الساعة الضوئية

سنستخدم لشرح الظاهرة هنا الساعة الضوئية للتسهيل .

ساعة ضوئية, إلى اليسار الساعة ساكنة , وإلى اليمين الساعة تسير بسرعة 25 % من سرعة الضوء في اتجاه اليمين .

تتكون الساعة الضوئية من مرآتين عاكستين بينهما مسافة ${\displaystyle d\$ , تنعكس بينهما نبضة ضوئية ، - فكّر في تلك التجربة العالمان جيلبرت لويس و ريشارد تولمان عام 1909بناءا عن نظرية أينشتاين عن النسبية .

بالنسبة للساعة أ والتي يتحرك معها أحمد فهويشاهد حتى نبضة ضوئية تنعكس بين المرئتين خلال زمن قدره ${\displaystyle T_{0 =d/c\$ حيث حتى المسافة بينهما d وسرعة الضوء c. يسجل زمن الانعكاس عند جميع مرآة ويكون الزمن الكلي ${\displaystyle 2T_{0 \$ هومجموع تلك المراحل .

وعندما نحرك ساعة ضوئية ثانية ب عموديا على الخط الواصل بين المرأتين بسرعة قدرها ${\displaystyle v\$ فإن المشاهد الواقف بجانب الساعة أ وهوأحمد يرى حتى نبضة الضوء تبتر مسافة أكبر بين المرآتين عن المسافة في ساعتة أ. وباعتبار سرعة الضوء ثابتة لا تتغير فإن أحمد يشاهد حتى الساعة ب تتباطأ عن الساعة أ . وتقدر الفترة الزمنية ${\displaystyle T'=d'/c\$ , التي تبتر خلالها النبضة الضوئية المسافة ${\displaystyle d'\$ بين المرآتين بالمعادلة :

{\displaystyle d'^{2 =d^{2 +(vT')^{2 \

.

وبالتعويض عن المسافتين ${\displaystyle d\$ و ${\displaystyle d'\$ وحل المعادلة للحصول على ${\displaystyle T'\$ نحصل على :

{\displaystyle T^{' ={\frac {T_{0 {\sqrt {1-{\frac {v^{2 {c^{2

وبالتالي

(2)

{\displaystyle T_{0 =T^{' \cdot {\sqrt {1-{\frac {v^{2 {c^{2 .

ومن وجهة أخرى فيمكن لمشاهد بجوار الساعة ب ويتحرك بسرعتها حتى يدعي - طبقا لمبدأ النسبية - أنه هوفي حالة ثبات . هذا يعني حتى ساعته ب انما تستغرق الزمن ${\displaystyle 2T_{0 ^{' \$ لحركة النبضة الضوئية ، كما يرى حتى النبضة الضوئية في الساعة أ التي تتحرك بالنسبة له تبتر مسافة أكبر وتستغرق زمنا قدره :

{\displaystyle T={\frac {T_{0 ^{' {\sqrt {1-{\frac {v^{2 {c^{2

وبالتاليقد يكون:

(1)

{\displaystyle T_{0 ^{' =T\cdot {\sqrt {1-{\frac {v^{2 {c^{2 .

.

رحلة إلى نجم بعيد

نفترض مركبة فضائية تنطلق من الأرض لزيارة كوكب بعيد ثم العودة إلى الأرض. ونختار حتى المركبة الفضائية تتسارع بعجلة ثابتة قدرها ${\displaystyle g=9{, 81\,{\frac {\mathrm {m {\mathrm {s ^{2$ وأن الكوكب يبعد عنا 28 سنة ضوئية (وقد اخترنا السرعة مساوية ${\displaystyle g1$

يبقي رواد الفضاء على سطح الكوكبستة أشهر ثم يعودون بنفس الطريقة إلى الأرض . طبقا لمعادلة تباطؤ الزمن بالنسبة للمسافر نحصل على زمن الرحلة: 13 سنة وتسعة أشهر و16 يوم (وذلك بالنسبة لساعة رواد الفضاء على متن مركبة الفضاء). وبالنسبة للأرض عند عودة مركبة الفضاءقد يكون زمن قدره 60 سنة وثلاثة أشهر وخمسة ساعات قد مر .

ويمكن حتى يحدث ما أغرب من ذلك إذا كانت الرحلة مثلا إلى أحد الكواكب في مجرة المرأة المسلسلة (مجرة) التي تبعد عنا نحو2 مليون سنة ضوئية . فابفتراض نفس العجلة السابقة ونفس الكبح في أداء الرحلة نجد أنه عند عودة المركبة الفضائية قد يكون قد مرت أربعة مليون سنة على الأرض بينما بالنسبة لرواد الفضاءقد يكون زمن قدره 56 سنة قد مرت عليهم.

اعترض بعض الفهماء على تلك النتيجة وقت صياغة أينشتاين للنظرية النسبية ونطقوا أنه بالنسبة إلى راصد خارج الأرض ، على المريخ مثلا يشاهد المركبة الفضائية تخرج من الأرض وتؤدي رحلتها ثم تعود إلى الأرض . فرد عليهم أينشتاين حتى ظروف المركبة الفضائية وظروف الأرض تختلفان ، إذ حتى مركبة الفضاء (والرواد عليها) هم الذين عانوا عمليات التعجيل والكبح .

أي الأخين أكبر ؟

نفترض حتى أحمد عمره 31 سنة وعمر أخيه هشام 30 سنة . ونفترض حتى أحد ركب مركبة فضائية وقام بسفرية استغرقت وفق ساعته على الصاروخ سنتين فأصبح سنه 33 سنة ، في نفس الوقت قد يمر على هشام على الأرضخمسة سنوات فيصبح سنه 35 سنة . عملا يمكن حتى يحدث ذلك وأكثر عندما يتحرك أحمد بسرعة مقاربة من سرعة الضوء ويظل هشام على الأرض.

تباطؤ الزمن بالجاذبية

يصف التباطؤ الزمني المتعلق بالجاذبية الاستغراق الزمني النسبي لأنظمة مختلفة (إطار مرجعي عطالي) حيث تجري على مسافات مختلفة من مركز جاذبية وتكون ثابتة بالنسبة له . مع الفهم بأن تباطؤ الزمن الناتج عن الجاذبية ليس بسبب تأثير ميكانيكي على الساعات ولكنه بسبب خصائص الزمكان نفسه. فكل راصد ثابت بالنسبة إلى مركز الجاذبية يقيس الاستغراق الزمني لعملية معينة طبقا لمرجعه الزمني الخاص به الذي يتغير بتغير بعده عن مركز الجاذبية . من أحد تبعات خاصية تباطؤ الزمن الناتج عن الجاذبية ظاهرة الانحياز الأحمر الجذبوي .

انظر أيضا

معامل لورنتس
انكماش الأطوال
تحويل لورنتس

أشخاص: آرثر إدنجتون | ألبرت آينشتاين | هندريك لورنتس | هرمان مينكوفسكي | برنارد ريمان | هنري بوانكاريه | ألكسندر مكفارلين | هاري باتيمان | روبرت شانكلاند | بلوويلر
النسبية: نظرية النسبية.