السلام عليكم ورحمة الله تعالى وبركاته

* موضوعنا اليوم اخوتي الاحباء هو:

سفر عبر الزمن

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

للسفرعبر الزمن تسمى آلة الزمن.

نسبية 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 سرعةالصاروخ

التي تحرك بها.

تباطؤ الزمن بزيادة السرعة بين المراقبين

تعطي النظرية النسبية الخاصة المعادلة التالية لاعتماد الزمن على السرعة :

$\Delta t' = \frac{\Delta t}{\sqrt{1-v^2/c^2}} \,$

حيث:

$\Delta t \,$ الزمن بين حدثين طبقا لساعة المشاهد،
$\Delta t' \,$ الزمن بين نفس الحدثين التي يسجلها المسافر على صاروخ يتحرك بسرعة v،

$v \,$ السرعة النسبية بين المشاهد وراكب الصاروخ،
$c \,$ 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 $v/c \ll 1$ 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 أو تباطؤ الزمن

"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.

مفارقة التوأم

ما سبق كان عبارة عن حديث بسيط لتقريب المفهوم ولكن الحقيقة أن هناك

مفارقات عديدة تظهر أثناء نقاش مفهوم الحركة بين المراقبين. نتيجة لذلك تحدث

بعض المفارقات المبهمة لدى البعض في تفسير ما يترتب عليه تمدد الزمن. من

هذه المفارقات اشتهرت قصة مفارقة التوأم. تبدأ هذه المفارقة بقصة طريفة بأنه

لو سافر أحد توأمين على سفينة لمدة عشرة أعوام بسرعة قريبة جدا من سرعة

الضوء - مثلا - فسيجد ابنه المولود حديثًا قد أصبح عمره عشرين عامًا، أو أن أخيه

التوأم يكبره بأقل من عشرة أعوام (اعتمادا على مدى قرابة سرعة المسافر من

سرعة الضوء). تسببت هذه المسألة في تخبط الكثير من المقبلين على تقبل مفاهيم

النسبية وظن البعض بأن هذه هي المفارقة. السبب في ذلك يعود إلى التفسير

الخاطئ لها. في النسبية لا يستطيع أي من المراقبين تمييز المتحرك من الثابت

سوى نسبيا. معنى ذلك أن المراقب على السفينة مثلا كان يبدو لأخيه التوأم متحركا

مع السفينة بسرعة قريبة من سرعة الضوء بينما العكس تماما كان يظهر من وجهة

نظر المسافر حيث أنه كان ينظر من خلال نافذة السفينة والتي تعتبر موطنا ساكنا

بالنسبة له فيلاحظ أن أخاه التوأم على الأرض هو الذي كان يتحرك مع الأرض

مبتعدا بسرعة قريبة من سرعة الضوء. هنا تكمن المفارقة الحقيقية للتوأم حيث أن

كلا منهما يعتقد بأن الآخر هو من سيكبر في السن.

سبب هذه المفارقة نجم من الافتراض غير الواقعي للأحداث. عند نقاش السفر تم

إهمال الأحداث الناجمة عن تسارع وتباطؤ الأجسام أي أننا افترضنا جدلا حركة

المراقبين النسبية بسرعة (منتظمة) قريبة من سرعة الضوء دون الخوض في

تفاصيل الزمن اللازم لتسارع المركبة من السكون وما يترتب عليه من حسابات

جديدة. في النسبية الخاصة والتي تتعامل مع الأطر المرجعية العطالية تجعل التوأم

الذي على الأرض قادرا على تطبيق معادلات النسبية الخاصة وتمدد الزمن وليس

كليهما. هنا يصبح التوأم على الأرض هو من سيكبر في السن فعلياً أكثر من

الآخر.

يعد السفر بسرعة تقترب من سرعة الضوء أمراً ممكن فيزيائيا وتكنولوجيا. وقد

استطاع العلماء تسريع جسيمات أولية مثلالإلكترون والبروتون إلى سرعات تقترب

من سرعة الضوء ولاحظوا زيادة في كتلتها، وأن تلك الزياة تتفق تماما مع

معادلاتاينشتاين.

ويرى العالم كارل ساجان أن هذا يمكن أن الوصول إليه خلال عدة مئات من

السنين. وبناء على ذلك شكلت مجموعة من العلماء يرأسها الأمريكي كيب

ثورن والروسي إيجور نوفيكوف ما أسموه بـ(كونسورتيوم) روسي - أمريكي

لتحقيق تقنية تسمح بابتكار آلة للسفر عبر الزمن.

انحناء الفضاء والنسبية العامة لأينشتاين

انحناء الزمكان بالقرب من جسم كبير كروي.

تعرف الهندسة المستوية بالهندسة

الإقليدية، نسبة إلىإقليدس الذي عاش

حوالي عام 300 ق.م وبواسطة هذه

الهندسة يمكن وصف أي شكل هندسي

بواسطة نظام الإحداثيات الكارتيزية، أي

استخدام الأسطح المستوية لوصف

الخطوط المنحنية والمجسمات الفراغية.

والفضاء طبقا لهذه الهندسة هو فضاء

مستو. ولم تكن تلك هي الهندسة الوحيدة الممكنة، فقد

طرحلوباتشفسكي عام 1828 هندسة لاإقليدية ذات أسطح منحنية مفتوحة معتمدة

على منحنى القطع الزائد. ثم طرح برنارد ريمان عام 1850 هندسة لاإقليدية

معتمدة على السطح الكروي المغلق، وطورها ويليام كليفورد عام 1870 وافترض

احتمال أن يكون الفضاء الكوني رباعي الأبعاد ينطوي على منحنيات تشابه

تضاريس سطح الأرض. ولم يكن ينقص تصور كليفورد سوى التفسير الفيزيائي

الصحيح حتى يتطابق مع النظرية النسبية العامة، التي طرحت بعد 45 عاما.

فالبعد الرابع في الفضاء لم يكن سوى الزمن وانحناء الفضاء يحدث

بتأثير جاذبية الأجسام.

وبتقديم أينشتاين النظرية النسبية الخاصة عام 1905 والتي وضع فيها معادلات

حركة الأجسام في فضاء مستو رباعي الأبعاد، وبوجود الهندسة اللاإقليدية وطرحه

لفكرة انحناء الزمان والمكان بتأثير الجاذبية، تكونت لدى آينشتين المادة الخام

لنظرية متكاملة للجاذبية يمكن أن تكون بديلاً لنظرية نيوتن. ولما كان آينشتاين

غير بارع في الرياضيات فقد لجأ لصديقه في الدراسة مارسيل جروسمان، وكان قد

أصبح آنذاك عميدا لمعهد البوليتكنيك بزيوريخ، وكان بارعا في الهندسة اللاإقليدية،

ووجد الحل في هندسة ريمان للأسطح المنحنية المغلقة. وقدم أينشتاين الصيغة

النهائية للنظرية في ثلاث جلسات في أكاديمية العلوم فيبرلين عام 1915م, وطبعت

عام 1916م.

وكان من أهم نتائج النسبية العامة تغير نظرتنا إلى الكون، فالمكان والزمان ليسا

خلفية ثابتة للأحداث، وإنما هما مساهمان نشيطان في ديناميكا الكون. والفكرة

الأساسية هي أنها تضم "بعد" الزمان إلى أبعاد المكان الثلاثة لتشكّل ما يسمى

(الزمكان). وتدمج النظرية تأثير الجاذبية بأنها "تحني" الزمكان بحيث لا يكون

مسطحا. ولما كان الزمكان منحنيا فإن مسارات الأجسام تظهر منحنية، وتتحرك كما

لو كانت متأثرة بمجال جاذبية. وانحناء الزمكان لا يؤدي فقط إلى انحناء مسار

الأجسام ولكنه يؤدي أيضاً إلى انحناء الضوء نفسه. وقد وجد أول برهان تجريبي

لذلك عام 1919 م حيث تم إثبات انحناء الضوء الصادر من أحدالنجوم عند مرور

الضوء بالقرب من الشمس بتأثير جاذبيتها. وتم ذلك بمراقبة الموقع الظاهري للنجم

خلال كسوف الشمسومقارنته بموقعه الحقيقي (خلف الشمس). فالزمكان ينحني

بشدة في وجود الأجسام ذات الكتل الضخمة مثل النجوم والشمس، ويعني ذلك أن

مسار الأجسام ينحرف في المكان أثناء الحركة وكذلك تنحني في الزمان بأن تبطئ

زمنها الخاص نتيجة لتأثيرالجاذبية الواقعة عليها. فإذا تصوّرنا فضاءا رباعي

الأبعاد

له ثلاثة أبعاد تمثل المكان وبعداَ رابعا للزمان ورسمنا خط الحركة المنحنية للجسم

مع تباطؤ الزمن على المحور الرابع، لظهر لنا الزمكان منحنياَ بتأثير الكتلة الجاذبة.

الحب الصادق

السبت، 21 سبتمبر 2013