الــحــس الدارج غـــيـــر الـــعـــام وغـــيــر المــألـــوف لدينا : تــمـــدد الـــزمـــن.
يتبع
والآن دعنا نتقدم خطوة جريئة للأمام لنرى ماذا يحدث حقيقةً للفضاء والزمن في النسبية الخاصة. وسوف نبدأ بالزمن.
والأن لإنهاء هذا الجزء من المقال ، نريد أن نقول شيئاً واحداً ، مرةً أخرى ، لكل واحدٍ منكم جالس هناك يقرأ هذه الكلمات ويقول في نفسه "يا إلهي ، هذه اللحظة التي كنت أنتظرها ، هذا ليس شيئاً سيمكنني فهمه."
نقول لك : أنه شيء سيمكنك فهمه. إن هدفنا الإحترافي كله هو أن نجعل العلوم والفيزياء وخاصة الفلك شيئاً مفهوماً للشخص العادي. ستحتاج لأن تكون ذكياً. ستحتاج أن تكون متفتح العقل. ولكنك لن تحتاج لأن يكون عندك أية معلومات عن العلوم أو الرياضيات لكي تفهم ما سنقوم بوصفه لك. وبالتالي إذا كنت شخصاً عادياً ، غير عالمٍ ، متشوقاً للعلوم ، أبق معنا وسوف تفهم هذه النظرية.
تـــجـــربــة ســـاعــة الــضــوء الــفــكــريــة.
ما سوف نقوم به الآن هو إعطاؤك مثالاً على مايبدو أنه مصطنع إلى حدٍ ما ، سيشرح لك ماذا يحدث بالضبط للزمن بسبب كون مبدأ النسبية صحيحاً وحقيقياً.
سوف نقوم بتخيل جهازاً يسمى الساعة الضوئية أو ساعة الضوء. الساعة الضوئية عبارة عن صندوق مستطيل رأسي. في النهاية السفلية للصندوق يوجد مصدر للضوء. وفي النهاية العلوية للصندوق توجد مرآة. نحن سوف نقوم بتخيل نبضة ضوئية من الضوء مثل الفلاش تترك مصدر الضوء في الأسفل. وتتحرك باتجاه الأعلى للمرآة. وتنعكس من المرآة. وتعود مرة أخرى إلى الأسفل. وسوف نهتم نحن بالفترة الزمنية بين حدثين إثنين. وهذان الحدثان هما مغادرة النبضة الضوئية من مصدر الضوء في أسفل الصندوق ، وعودة النبضة الضوئية مرة ثانية إلى مصدر الضوء بعد إنعكاسها بواسطة المرآة.
والآن لكي نكون واضحين جداً ، هذا الجهاز هو ساعة ، وتلك هي الدقات الأساسية للساعة.
الدقة الأولى ولتكن "تيك" عندما يتحرك الضوء إلى الأعلى ، والدقة الثانية ولتكن "توك" عندما يعود الضوء للأسفل. الساعة الضوئية تقوم بهذا بشكل دوري مستمر "تيك - توك ، تيك - توك ، تيك - توك....." ، ولكننا سوف نركز فقط على دورة واحدة فقط للساعة ، فقط "تيك - توك" واحدة للساعة الضوئية. نبضة ضوئية واحدة صادرة تنعكس من المرآة وتعود إلى مصدر الضوء مرة أخرى.
هذان هما الحدثان.
مرة أخرى ، الحدثان هما : النبضة الضوئية تترك مصدر الضوء ، النبضة الضوئية تعود إلى مصدر الضوء. ونحن نريد معرفة ما هي الفترة الزمنية بين هذين الحدثين الإثنين. وعملية قياس الفترة الزمنية ستتم من إطارين مرجعيين مختلفين.
والآن تخيل الصورة الأتية ، الإطار المرجعي الأول في حالة ثبات بالنسبة للساعة الضوئية. معنى ذلك أننا في إطار مرجعي تكون فيه الساعة الضوئية في حالة ثبات بالنسبة إلينا.
إذاً في هذا الإطار المرجعي ، إليكم ما سوف يحدث.
أولاً ، الضوء سوف يترك المصدر. سوف يتحرك للأعلى وسيصطدم بالمرآة.
ثانياً ، الضوء سوف ينعكس بواسطة المرآة ويعود مرة أخرى للمصدر.
هذا هو كل ما سوف يحدث. وسوف يقطع الضوء مسافة كلية تساوي ضعف طول الصندوق. وهذا هو كل ما نحتاج معرفته الآن.
سنقول مرة أخرى ، ما هو طول طريق الضوء الذي سوف يقطعه ؟ الضوء سيترك المصدر ، سيتحرك باتجاه الأعلى للمرآة ، سينعكس عن المرآة ، سيعود مرة أخرى للمصدر ، ونحن نعلم طول هذه المسافة. الضوء قطع ضعف طول الصندوق. لا توجد مشكلة.
والآن لو كنت في حالة ثبات بالنسبة للساعة الضوئية ومر بجانبك صديق لك راكباً قطاراً سريعاً باتجاه يسارك ، إذاً بالنسبة لصديقك الساعة الضوئية ستكون في الحقيقة تتحرك باتجاه اليمين. إذاً هل الساعة الضوئية ثابتة أم لا ؟ هي ثابتة في إطار مرجعي وغير ثابتة في الإطار المرجعي الأخر. وهذا هو النحو الذي هي عليه الحالة. وهذا الوضع مقبول ولا بأس به.
والآن دعنا ننظر إلى الإطار المرجعي الثاني ونرى ماذا سيحدث. سوف ننظر إلى الوضع نفسه. الساعة الضوئية ، إنبعاث الضوء (هذا هو الحدث الأول) ، إنعكاس الضوء عن المرآة وعودته مرة ثانية للمصدر (هذا هو الحدث الثاني). سوف ننظر إلى تسلسل الأحداث هذا ، سوف ننظر الآن إلى هذين الحدثين من إطار مرجعي تكون فيه الساعة الضوئية متحركة.
إذاً ها نحن الآن ببساطة في إطار مرجعي مختلف ، في حالة حركة مختلفة صحيحة متساوية لإجراء تجارب الفيزياء. إنه إطار مرجعي والذي صادف أنه يتحرك لليسار بالنسبة للإطار المرجعي الأول الذي ناقشناه (الإطار الذي كانت فيه الساعة ثابتة). وبالتالي في هذا الإطار المرجعي الجديد ستكون الساعة الضوئية تتحرك باتجاه اليمين.
إذاً ماذا سيحدث ؟
النبضة الضوئية ستترك مصدر الضوء وستتحرك مباشرةً باتجاه الأعلى للمرآة. ولكن في هذا الإطار المرجعي المتحرك - بالنسبة لصديقك داخل القطار (من وجهة نظر صديقك) - مباشرةً باتجاه المرآة يعني التحرك بشكل قطري بزاوية ناحية اليمين. وفي الوقت الذي تصطدم النبضة الضوئية فيه بالمرآة ، ستكون المرآة في موقع مختلف. بالطبع النبضة الضوئية ستصطدم بمنتصف المرآة. الأشياء الفيزيائية نفسها يحب أن تحدث. في الإطار المرجعي الأول الذي تكون فيه الساعة ثابتة بالنسبة إليك (من وجهة نظرك) ، النبضة الضوئية تركت المصدر وإصطدمت بمنتصف المرآة وعادت مرة ثانية للمصدر. هذا أيضاً يجب أن يحدث في الإطار المرجعي الأخر الذي تتحرك فيه الساعة الضوئية بالنسبة لصديقك (من وجهة نظر صديقك). لا يوجد خلاف على ما يحدث ، لا يوجد خلاف على هذه المسألة. إنها مسألة شرح أو وصف للفترة الزمنية المنقضية بين ما يحدث. وهكذا.
إذاً ها نحن الآن وصلنا إلى منتصف هذه العملية. النبضة الضوئية إصطدمت بالمرآة العلوية. هي الآن في عملية الإنعكاس عنها. إنها تعود مرة أخرى بشكل قطري بزاوية باتجاه اليمين. وفي الوقت الذي تعود فيه للمصدر سيكون المصدر في موقع مختلف. هذان هما وصفان مختلفان لنفس تسلسل الأحداث بالضبط من وجهتي نظر مختلفتان. إطاران مرجعيان مختلفان.
هنا هي النقطة الحاسمة. في الإطار المرجعي الثاني ، (الإطار المرجعي الذي تكون فيه الساعة الضوئية تتحرك بالنسبة لصديقك) ، ومن وجهة نظر صديقك ، الطريق الذي يقطعه الضوء أطول. لماذا أطول ؟ إنه أطول لأن الضوء يتحرك بشكل قطري بزاوية لكي يصل للمرآة ، ثم ينعكس ، ثم يعود أيضاً للمصدر بشكل قطري بزاوية. إنه طريق أطول. لاحظ أنه مازال هناك الصعود والهبوط بطول صندوق الساعة الضوئية ، ولكن بالإضافة إلى ذلك هناك مكون أو عنصر أو محصلة من حركته في الإتجاه الذي يسير فيه صندوق الساعة الضوئية. ولا داعي للقول بان كل هذا من وجهة نظر صديقك.
في الفيزياء الكلاسيكية ، في فيزياء الموضة القديمة قبل فيزياء النسبية ، كنّا سنقول ، آها هذا لا بأس به وذلك لأن الضوء في هذه الحالة يتحرك بسرعة أكبر قليلاً في الإطار المرجعي المتحرك وذلك لأن السرعة الناتجة من حركة صندوق الساعة الضوئية ستضاف إليه.
ولكن الآن نحن نؤمن بمبدأ النسبية. مبدأ النسبية الذي يقول بأن قوانين الفيزياء هي نفسها لكل المراقبين في الحركة الثابتة المنتظمة ، كل قوانين الفيزياء ، بما فيها قوانين الكهرومغناطسية ، بما فيها تنبؤاتها بأن هناك موجات كهرومغناطيسية ، بما فيها تنبؤاتها بأن هناك موجات ضوئية ، بما فيها التنبؤ بأن هذه الموجات الكهرومغناطيسية بما فيها موجات الضوء تتحرك بسرعة الضوء "c".
إذاً ماذا يجب أن يكون عليه الحال ؟
يتبع