تباطؤ الزمن.. كيف يصبح الأب أصغر من ابنه؟

حطّت مركبة فضائية تحمل رواد فضاء من الأرض على سطح كوكب “ميلرز”، وهو كوكب افتراضي اقترحه عالم الفيزياء “كيب ثورن”، المدقق العلمي لفيلم الخيال العلمي “بين النجوم” (Interstellar). تغطي سطح الكوكب طبقة ضحلة من الماء بعمق متر تقريبا، وتضربه أمواج عاتية باستمرار على أزمنة متقطّعة، نتيجة تأثير جاذبية الثقب الأسود العملاق “غرانتولا”.

يقع الكوكب قرب منطقة “أفق الحدث”، ويدور حول الثقب الأسود، بدلا من أن يدور حول نجم كما هو حال الأرض، مما يجعل تأثيرات جاذبية الثقب الأسود هائلة وجليّة عليه.

وبسبب هذه الجاذبية الشديدة، يمر الزمن على كوكب “ميلرز” مرورا مختلفا عن ما نعتاده، فتسير عقارب الساعة ببطء شديد مقارنة بالأرض، حتى تساوي الساعة الواحدة عليه نحو 7 سنوات على الأرض.

أمضى طاقم المركبة الفضائية في الفيلم قرابة 3 ساعات، محاولين دراسة ظروف العيش على سطح الكوكب النائي، ولدى عودتهم إلى المحطة الفضائية الأم، كان ينتظرهم صديقهم بعيدا عن الكوكب، ففوجئوا بأنّ 27 عاما قد مضت خلال هذه الساعات الثلاث.

حين بدأ البطل يتنقل بين النجوم، كانت طفلته المدللة تبلغ من العمر 10 سنوات في مطلع الفيلم، وعند لقائه بها في المشهد الختامي بعد فراق دام بضع سنوات عنده، وجدها قد شاخت، وملأت التجاعيد وجهها، وهي على فراش الموت، وحولها أحفادها جميعها، في مشهد مؤثر يجسد الفرق بين مرور الزمن على الأرض، ومروره عند الآباء المسافرين في الفضاء.

نظر إليها، وملامحه تعكس دهشة الإنسان أمام حتميّة الزمن، التي لا يمكن السيطرة عليها، فقالت له بصوت هادئ طالبة منه الرحيل: لا ينبغي أن يرى الآباء أبناءهم وهم يموتون.

اختتمت هذه اللقطة المؤثرة ذلك الفيلم الملحمي، مقدّما عرضا بصريا رائعا للحبكة العلمية، وملخّصا فكرة نسبية الزمن تلخيصا ميسّرا: الزمن ليس مطلقا، بل يختلف من مكان إلى آخر وفق عاملين فقط، هما تأثير حركة الجسم، وتأثير قوة الجاذبية.

تمدد الزمن في النسبية الخاصة

يعد الزمن من أبرز الاختلافات بين الفيزياء الكلاسيكية، التي صاغ قوانينها العالم الإنجليزي “إسحاق نيوتن”، وبين الفيزياء الحديثة التي أسسها العالم الألماني “ألبرت أينشتاين” بنظرية النسبية.

ففي تصور “نيوتن”، فإن الزمن مطلق، يجري بإيقاع واحد في كل ركن من أركان الكون، ويمكننا أن نتخيل مثلا أنه لو انقطع نور الشمس فجأة، فإن الأرض ستغرق في الظلام في اللحظة نفسها، وفقا لتفسير الفيزياء الكلاسيكية.

لكن “أينشتاين” قلب هذه الفكرة رأسا على عقب، فالزمن عنده ليس مستقلا، بل هو جزء من نسيج واحد متشابك مع المكان، يُسمى الزمكان. وما يحدث في الشمس لا ندركه فورا، بل بعد نحو 8 دقائق، وهي المدة التي يستغرقها الضوء في قطع المسافة بين الشمس والأرض. إذن فالزمن ليس مطلقا، بل يعتمد على حركة الأجسام وسرعة انتقال المعلومات عبر الضوء.1

ويشرح “أينشتاين” فكرته عن مفهوم الزمان في نظريته النسبية الخاصة التي وضعها عام 1905، بقوله إن حركة الأجسام تؤثر على إدراكنا للوقت، فالزمن يتباطأ عند السرعات العالية.

ووفقا للنسبية الخاصة، يمكن القول إن قوانين الفيزياء تكون ثابتة في جميع الأطر المرجعية، التي تتحرّك بسرعة منتظمة، أي من دون تسارع. وتعد هذه المرّة الأولى التي يعرّج فيها “أينشتاين” بأن القيمة القصوى للكون تعادل سرعة الضوء.

وقد شرح ذلك بقوله إن أحدنا لو ركب مركبة فضائية، وسار بسرعة قريبة من سرعة الضوء، فإنّه سيعيش الزمن طبيعيا بالنسبة لنفسه، أما من كان خارج المركبة، فإن وقت المركبة يكون أبطأ عنده. ولو أنّ رائد فضاء مثلا سافر برهة من الزمن بسرعة الضوء ثمّ عاد إلى الأرض، فسيجد أن عمره أقل ممن بقوا على الأرض، وقد تجاوزوه سنا.

ليس هذا فحسب، بل حتى المسافات نفسها -أي الطريق بين المركبة والوجهة- تنكمش عندما يسافر أحدنا بسرعات قريبة من سرعة الضوء، وهو ما يُسمى “انكماش الأطوال”.

ولو أخذنا مركز مجرّة درب التبانة مثالا على ذلك، فإنّ المسافة التي تفصلنا هي نحو 25 ألف سنة ضوئية، لكن النسبية الخاصة ترى أنه بسبب خاصية انكماش المسافات، فإنّ السفر بسرعة 0.99999 من سرعة الضوء سوف يقصّر المسافة إلى نحو 112 سنة ضوئية فقط للمركبة الفضائية.2

على كل حال، فبلوغ هذا المستوى من السرعة غير ممكن فيزيائيا وفقا لفهمنا الحالي، لأننا بحاجة إلى طاقة لا نهائية، تدفع أي جسم لبلوغ سرعة قريبة من سرعة الضوء، ويستنبط الفيزيائيون ذلك من معادلة “أينشتاين” الشهيرة “تكافؤ الكتلة والطاقة” (E = mc²).

تمدد الزمن الجاذبي في النسبية العامة

لما رأى “أينشتاين” نجاح نظريته في النسبية الخاصة، قرر أن يذهب أبعد من ذلك ويقحم ركيزة كونية أخرى، هي الجاذبية، ليبني على أساسها تصورا فيزيائيا أكثر شمولا.

وفي عام 1915، أعلن نظريته الثانية الشهيرة “النسبية العامة”، مقدّما فيها أدق وصف لماهية الجاذبية على الإطلاق. فقد رفض فكرة “نيوتن” القائلة إن الجاذبية قوة “سحب” بين الأجسام، وطرح بدلا من ذلك تصورا جديدا: الجاذبية انحناء في نسيج الزمكان، تسببه الكتلة والطاقة.

وبحسب هذا التصور، فإن الأجسام تتحرك تبعا لانحناءات الزمكان، كما تفعل الكواكب التي تدور حول الشمس، والقمر الذي يدور حول الأرض. وقد أوضح “أينشتاين” أيضا أن الزمن نفسه يتباطأ قرب الأجسام الضخمة، بسبب التشوّه الحاصل في النسيج الكوني.

ولتقريب الفكرة، يمكن مقارنة الأرض بالشمس، فالوقت يمضي عندنا طبيعيا وفق معاييرنا على سطح الأرض، أما على سطح الشمس فيتباطأ الزمن بنحو دقيقة وسبع ثوانٍ في السنة، وذلك لأن كتلتها تفوق كتلة الأرض بنحو 333 ألف مرة. وكلما زاد الفارق في الكتلة، كان الاختلاف في مرور الزمن أكبر، كما صوّر ذلك بوضوح فيلم “بين النجوم”.3

لم تكتفِ النسبية العامة بالكشف عن ظاهرة تباطؤ الزمن فحسب، بل قدّمت أيضا تصورا مدهشا لانحناء الضوء وتشوه المكان، وتنبأت بوجود أجرام كونية فائقة الضخامة والرعب، تسمى الثقوب السوداء، ولم يتأكد العلماء من وجودها إلا حديثا.

كما فتحت الباب أمام مفهوم آخر بالغ الأهمية هو موجات الجاذبية، أو “موجات الثقالة”، التي تنتقل في أرجاء الكون كله، أشبه ما تكون بتموجات الماء، أو الموجات الصوتية والضوئية، ولم يستطع العلماء رصدها تجريبيا إلا قبل أعوام قليلة فقط، مؤكّدين بذلك أحد أكثر تنبؤات “أينشتاين” جرأة.

ومن ناحية عملية، وعلى أرض الواقع، فإنّ التعامل مع عامل تباطؤ الزمن ضرورة قصوى، بل إن إهماله قد يسبب مشاكل على الصعيد التقني وفي التطبيقات العملية.

نظام الملاحة العالمي

تعد أنظمة الملاحة العالمية من أبرز مظاهر الحضارة الحديثة، ويتدرج أخف استخداماتها من التطبيقات اليومية في الهواتف والسيارات، إلى أشدّها تعقيدا في الملاحة الجوية وإدارة الحركة العسكرية والمدنية.

تعتمد هذه الأنظمة على شبكة من الأقمار الصناعية، تدور في المدار الأرضي المتوسط على ارتفاع يقارب 20 ألف كيلومتر، وتبث إشارات دقيقة إلى المستقبِلات على سطح الأرض لتحديد المواقع.

يقوم المبدأ على قياس الزمن الذي تستغرقه الإشارة في رحلتها من القمر الصناعي إلى المستقبل، فيؤدي كل انحراف زمني طفيف إلى خطأ كبير في تحديد الموقع.

لكن هذه الدقة تصطدم بتحديات، مصدرها قوانين النسبية، فالأقمار الصناعية تتحرك بسرعات عالية نسبيا، فيمر عليها الزمن أبطأ قليلا وفقا للنسبية الخاصة، فتتأخر ساعاتها الذرية عن نظيراتها على الأرض. ومع أن هذا الفارق ضئيل في الثانية الواحدة، فإن تراكمه يوميا قد يؤدي إلى أخطاء تبلغ مئات الأمتار.

ثم إن هذه الأقمار تعمل في مجال جاذبي أضعف من سطح الأرض، وهو ما تنبأت به النسبية العامة الذي صاغها “أينشتاين”، فالزمن يمرّ أسرع في المجالات الجاذبية الضعيفة، فتتسارع ساعات الأقمار مقارنة بتلك الموجودة على الأرض.

وهنا يظهر التناقض العجيب: النسبية الخاصة تجعل الساعات تتباطأ، أما النسبية العامة فتدفعها إلى التسارع.

وبجمع هذين التأثيرين معا، نحتاج تصحيحا يوميا يقارب 36 ميكروثانية، وقد يبدو هذا الفارق ضئيلا للغاية، لكنه كافٍ لأن يحدث انحرافا يقترب من 10 كيلومترات في تحديد الموقع، لو لم يُصحّح في نهاية اليوم. وبفضل هذه المعالجات الدقيقة، بات بإمكان أنظمة الملاحة أن تمنحنا دقة مدهشة، لا يتجاوز هامش الخطأ فيها بضعة أمتار.4

الساعات الذرية

نجد في الساعات الذرية مثالا آخر على حقيقة تمدد الزمن، وهي تُعد من أدق الأجهزة التي ابتكرها الإنسان لقياس الوقت، وتستخدم اليوم في تطبيقات حيوية كثيرة، منها ضبط عمل أنظمة الملاحة العالمية.

ففي عام 1971، أجرى الفيزيائي “جوزيف هافيل” والفلكي “ريتشارد كيتينغ” تجربة شهيرة، لاختبار هذه الظاهرة عمليا، فوضعا 4 ساعات ذرية من نوع السيزيوم على متن طائرات تجارية، وانطلقا برحلات حول العالم في اتجاهين مختلفين شرقا وغربا.

وعند مقارنة هذه الساعات بساعات ثابتة في مرصد البحرية الأمريكية بعد عودتهما، أظهرت النتائج أن الساعات المتجهة شرقا تأخرت بمقدار 59 نانوثانية، أما الساعات المتجهة غربا فقد تقدمت بمقدار 273 نانوثانية، وهو ما جاء متوافقا بدقة مع توقعات النسبية الخاصة والعامة.5

تعتمد الساعة الذرية على اهتزازات الذرات الطبيعية لقياس الوقت بدقة كبيرة، فالذرات -مثل السيزيوم أو الروبيديوم- تهتز بتردد ثابت جدا عند انتقال الإلكترونات بين مستويات الطاقة.

تُقاس هذه الاهتزازات للتحكم في نبضات جهاز الساعة، مما يجعل الوقت المقيس أكثر استقرارا ودقة، مقارنة بالساعات الميكانيكية أو الإلكترونية العتيقة.

ويمكن للساعة الذرية أن تقيس الوقت بخطأ لا يتجاوز جزءا من المليار من الثانية في اليوم الواحد، فذلك يجعلها أكثر من مجرد أداة تقنية متقدمة، بل أيضا أحد أقوى الأدلة التجريبية على صحة تنبؤات “أينشتاين” حول تمدد الزمن.

مصادم الهدرونات الكبير

على مستوى الفيزياء الذرّية، يُعد مصادم الهدرونات الكبير في مدينة سيرن من أعظم المنجزات العلمية الحديثة، ويُستخدم لاستكشاف أسرار الجسيمات الأولية عند طاقات هائلة.

في هذا الجهاز العملاق، تُسرَّع البروتونات إلى سرعات تقترب كثيرا من سرعة الضوء، حتى يصبح تأثير تمدد الزمن الذي تنبأت به النسبية الخاصة أمرا ملموسا لا يمكن تجاهله.

فعند هذه السرعات، تعيش بعض الجسيمات -التي يُفترض أن تتحلل في أجزاء من المليون من الثانية- زمنا أطول بكثير عند العلماء المراقبين خارج المصادم.

يشبه ذلك ما يحدث للميونات القادمة من الفضاء في طبقات الغلاف الجوي، لكنها هنا تجربة مخبرية محكمة، تتيح للباحثين التحكم في كل تفصيلة، ومراقبة التمدد الزمني بدقة مذهلة.

ولكي يتمكن الفيزيائيون من رصد هذه الفوارق الزمنية الدقيقة، يعتمدون على أجهزة قياس متطورة أشبه بساعات ذرية مصغرة، قادرة على التقاط فروقات زمنية في نطاق النانو أو حتى البيكو ثانية (جزء من تريليون من الثانية).

ومن هنا يتأكد صدق ما تنبأ به “أينشتاين” قبل أكثر من مئة عام. ومن المثير أن نتأمل الزمن بوصفه مادة متغيرة، يختلف إدراكها باختلاف المنظور، مع أن عمر الكائن الحي يستمر كما هو داخل قوقعته ونظامه المرجعي.

وإذا ذهبنا أبعد من ذلك، نجد أن ميكانيكا الكم تطرح تصورا أكثر غرابة، فبعض التفسيرات ترى أن الزمن نفسه قد لا يكون كيانا مطلقا، بل خاصية ناشئة من التفاعلات الكمية، ينشأ من العلاقات بين الجسيمات الأولية.

وإذا صح هذا التصور، فإنّ فكرة “توقف الزمن” قد لا تكون مستحيلة تماما على المستوى النظري. لكننا على كل حال سنتوقف هنا، ولن نخوض في ميكانيكا الكم، خشية أن يخطفنا الوقت أكثر مما فعل.6

مفاهيم ومصطلحات:

الزمكان: إطار رباعي الأبعاد يدمج الزمن مع الفضاء، والنسيج الكوني هو التشبيه الذي يصف هذا الإطار، بصفته نسيجا مرنا ينحني تحت تأثير الكتلة والطاقة، مسببا الجاذبية.

الإطار المرجعي: النظام الذي يُقاس به موقع أي جسم وحركته وزمنه.

الموجات الجاذبية: تموجات في نسيج الزمكان، تنتشر عندما تتحرك أجسام ضخمة بسرعة، أو عند تصادمها، مثل الثقوب السوداء.

ميكانيكا الكم: فرع الفيزياء الذي يدرس سلوك الجسيمات الصغيرة جدا، مثل الإلكترونات والفوتونات، وتختلف قوانينه عن الفيزياء الكلاسيكية.

المدار الأرضي المتوسط: مدار حول الأرض يبعد عادة بين ألفين و35 ألف كيلومترا عن سطحها، ويستخدم غالبا للأقمار الصناعية في نظام الملاحة العالمي.

المصادر:

[1] محررو الموقع (التاريخ غير معروف). ما السنة الضوئية. الاسترداد من: https://science.nasa.gov/exoplanets/what-is-a-light-year/

[2] محررو الموقع (التاريخ غير معروف). انكماش الأطوال. الاسترداد من: https://phys.libretexts.org/Bookshelves/College_Physics/College_Physics_1e_(OpenStax)/28%3A_Special_Relativity/28.03%3A_Length_Contraction#:~:text=Length%20contraction%20is%20the%20shortening,if%20the%20object%20were%20stationary

[3] محررو الموقع (التاريخ غير معروف). الفصل الأول: النظام الشمسي. الاسترداد من: https://science.nasa.gov/learn/basics-of-space-flight/chapter1-2/

[4] ميسرا، براتب (2023). داخل الصندوق: نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والنسبية. الاسترداد من: https://www.gpsworld.com/inside-the-box-gps-and-relativity/

[5] هافيل، جي. سي. وكيتنغ، آر. إي. (1972). ورقة بحثية: الساعات الذرية حول العالم: مكاسب زمنية نسبية ملحوظة. الاسترداد من: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17779918/

[6] محررو الموقع (2018). هل ينتج الزمن عن التشابك الكمي؟. الاسترداد من: https://physics.stackexchange.com/questions/394914/does-time-emerge-from-entanglement