فضولي الأطفال هي سلسلة للأطفال من جميع الأعمار. إذا كان لديك سؤال تريد أن يجيب عليه خبير ، فأرسله إلى [email protected].
لماذا يتغير الوقت عند السفر بالقرب من سرعة الضوء؟ – تيموثي ، 11 عامًا ، شوريفيو ، مينيسوتا
تخيل أنك في سيارة تقود في جميع أنحاء البلاد تشاهد المشهد. تقترب الشجرة الموجودة في المسافة من سيارتك ، وتمر بجوارك ، ثم تنتقل مرة أخرى في المسافة خلفك.
بالطبع ، أنت تعلم أن الشجرة لا تستيقظ فعليًا وتتجه نحوك أو بعيدًا عنك. أنت في السيارة التي تتحرك نحو الشجرة. تتحرك الشجرة فقط بالمقارنة ، أو النسبية ، لك – هذا ما نسميه الفيزيائيون النسبية. إذا كان لديك صديق يقف بجانب الشجرة ، فسيراونك تتحرك نحوهم بنفس السرعة التي تراها تتحرك نحوك.
في كتابه عام 1632 “الحوار المتعلق بالنظم العالمية الرئيسية” ، وصف عالم الفلك جاليليو جاليلي مبدأ النسبية أولاً – فكرة أن الكون يجب أن يتصرف بنفس الطريقة في جميع الأوقات ، حتى لو واجه شخصان حدثًا مختلفًا لأن أحدهما يتحرك فيما يتعلق بالآخر.
إذا كنت في سيارة وأرمي كرة في الهواء ، فيجب أن تكون القوانين الفيزيائية التي تعمل عليها ، مثل قوة الجاذبية ، هي نفسها التي تعمل على مراقب يراقب من جانب الطريق. ومع ذلك ، بينما ترى أن الكرة تتحرك لأعلى وتراجع ، فإن شخصًا ما على جانب الطريق سيرى أنها تتحرك نحوها أو بعيدًا عنها وكذلك لأعلى ولأسفل.
النسبية الخاصة وسرعة الضوء
اقترح ألبرت أينشتاين في وقت لاحق فكرة ما يُعرف الآن بالنسبية الخاصة لشرح بعض الملاحظات المربكة التي لم يكن لها تفسير بديهي في ذلك الوقت. استخدم أينشتاين عمل العديد من علماء الفيزياء وعلماء الفلك في أواخر القرن التاسع عشر لتجميع نظريته في عام 1905 ، بدءًا من مكونين رئيسيين: مبدأ النسبية والملاحظة الغريبة التي تفيد بأن سرعة الضوء هي نفسها لكل مراقب ولا شيء يمكن أن يتحرك بشكل أسرع. سيحصل كل من يقيس سرعة الضوء على نفس النتيجة ، بغض النظر عن مكان وجودهم أو مدى سرعة تحركهم.
دعنا نقول أنك في السيارة تقود بسرعة 60 ميلًا في الساعة وصديقك يقف بجانب الشجرة. عندما يرميون كرة نحوك بسرعة ما يرون أنه 60 ميلًا في الساعة ، قد تعتقد منطقياً أنك ستلاحظ صديقك والشجرة تتحرك نحوك على بعد 60 ميلًا في الساعة والكرة تتحرك نحوك على بعد 120 ميلًا في الساعة. على الرغم من أن هذا قريب حقًا من القيمة الصحيحة ، إلا أنه في الواقع خاطئ قليلاً.
هذا التناقض بين ما قد تتوقعه من خلال إضافة الرقمين والإجابة الحقيقية ينمو حيث يقترب واحد أو كلاهما من سرعة الضوء. إذا كنت مسافرًا في صاروخ يتحرك بنسبة 75 ٪ من سرعة الضوء ويرمي صديقك الكرة بنفس السرعة ، فلن ترى الكرة تتحرك نحوك بنسبة 150 ٪ من سرعة الضوء. هذا لأنه لا شيء يمكن أن يتحرك بشكل أسرع من الضوء – يبدو أن الكرة تتحرك نحوك بأقل من سرعة الضوء. في حين أن كل هذا قد يبدو غريباً للغاية ، إلا أن هناك الكثير من الأدلة التجريبية لدعم هذه الملاحظات.
تمدد الوقت والمفارقة التوأم
السرعة ليست هي العامل الوحيد الذي يتغير بالنسبة لمن يقوم بالمراقبة. والنتيجة الأخرى للنسبية هي مفهوم تمدد الوقت ، حيث يقيس الناس كميات مختلفة من الوقت يمر اعتمادًا على مدى سرعة تحركهم بالنسبة إلى بعضهم البعض.
يعاني كل شخص من الوقت بالنسبة لأنفسهم بشكل طبيعي. لكن الشخص الذي يتحرك بشكل أسرع يختبر وقتًا أقل من أجلهم أكثر من الشخص الذي يتحرك أبطأ. فقط عندما يقومون بإعادة توصيل ساعاتهم ومقارنتها ، فإنهم يدركون أن ساعة واحدة تقول إن وقتًا أقل قد مرت بينما يقول الآخر المزيد.
هذا يؤدي إلى واحدة من أغرب نتائج النسبية-المفارقة التوأم ، التي تقول إنه إذا قام أحد الزوجين برحلة إلى الفضاء على صاروخ عالي السرعة ، فسوف يعودون إلى الأرض للعثور على توأمهم أسرع مما كانوا عليه. من المهم أن نلاحظ أن الوقت يتصرف “بشكل طبيعي” كما يتصوره كل توأم (تمامًا كما تواجه الوقت الآن) ، حتى لو كانت قياساتهم لا توافق.
قد تتساءل: إذا رأى كل توأم أنفسهم ثابتة والآخر يتحرك نحوهم ، ألا يقيس كل منهما الآخر على أنه شيخوخة أسرع؟ الجواب لا ، لأنه لا يمكن أن يكون كلاهما أقدم بالنسبة إلى التوأم الآخر.
إن التوأم على سفينة الفضاء لا يتحرك فقط بسرعة معينة حيث يظل إطار المراجع كما هو ، بل يتسارع أيضًا مقارنة مع التوأم على الأرض. على عكس السرعات التي تكون بالنسبة إلى المراقب ، فإن التسارع مطلقة. إذا قمت بالتخطي على مقياس ، فإن الوزن الذي تقيسه هو في الواقع تسارعك بسبب الجاذبية. يبقى هذا القياس كما هو بغض النظر عن السرعة التي تتحرك بها الأرض عبر النظام الشمسي ، أو يتحرك النظام الشمسي عبر المجرة أو المجرة عبر الكون.
لا يختبر التوأم أي غرابة مع ساعاتهم حيث يقترب المرء أكثر من سرعة الضوء – كلاهما يعاني من وقت عادة مثلك أو. فقط عندما يلتقيون ومقارنة ملاحظاتهم بأنهم سيرون فرقًا – يتم تعريفه تمامًا من خلال رياضيات النسبية.
مرحبا يا أطفال فضوليين! هل لديك سؤال تريد أن يجيب عليه خبير؟ اطلب من شخص بالغ إرسال سؤالك إلى [email protected]. من فضلك قل لنا اسمك وعمرك والمدينة التي تعيش فيها.
وبما أن الفضول ليس له الحد الأقصى للسن – البالغين ، فأخبرنا بما تتساءل أيضًا. لن نتمكن من الإجابة على كل سؤال ، لكننا سنبذل قصارى جهدنا.
يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة ، وهي مؤسسة إخبارية مستقلة غير ربحية تجلب لك الحقائق والتحليلات الجديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتبه: مايكل لام ، معهد روتشستر للتكنولوجيا
اقرأ المزيد:
لا يعمل Michael Lam من أجل أو استشارة أو يمتلك تمويلًا من أي شركة أو مؤسسة ستستفيد من هذه المقالة ، ولم يكشف عن أي انتماءات ذات صلة تتجاوز تعيينها الأكاديمي.