الشمس والأرض من المحطة الفضائية الدولية. في حين أن ضوء الأرض أقل من الثانية ، فإن عمر الشمس يزيد عن ثماني دقائق. الصورة الائتمان: ناسا / محطة الفضاء الدولية.

كيف تجربة الفوتونات الوقت؟

نراهم يتغيرون في الطول الموجي والطاقة وفي مجالاتهم الكهربائية والمغنطيسية بمرور الوقت. إذن كيف يختبرونها؟

"كل شخص لديه حلمه. أرغب في العيش حتى طلوع الفجر ، ولكني أعلم أنه لم يتبق لدي سوى ثلاث ساعات. سيكون الليل ، ولكن لا يهم. الموت بسيط. لا يأخذ ضوء النهار. فليكن ذلك: سأموت بضوء النجوم. "- المصور هوغو

أثناء السير بسرعة الضوء ، تستغرق الفوتونات المنبعثة من الشمس ما يزيد قليلاً عن ثماني دقائق للوصول إلى الأرض. إن الرحلة التي تبلغ 93 مليون ميل (150 مليون كم) عبر مساحة خالية لا تشكل عقبة أمام هذا الضوء ، لكن هذا يعني أنه عندما ننظر إلى الشمس ، فإننا نرىها كما لو كانت فترة قصيرة في الماضي ، وليس كما هو الحال من وجهة نظرنا. إذا كانت الشمس تغيب عن الوجود في الوقت الحالي ، فلن نعرف ذلك - ليس من نورها ، وليس من جاذبيتها - حتى ثماني دقائق. ولكن ماذا عن وجهة نظر الفوتون؟ نحن نعلم أنه إذا كنت تسافر بالقرب من سرعة الضوء ، فإن نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين تنطلق وتتسع مع مرور الوقت. ومع ذلك ، لا تتحرك الفوتونات بالقرب من سرعة الضوء بل في ذلك. إذن ، كم يبلغ عدد الفوتونات المنبعثة من الشمس وقت وصولها إلى الأرض؟

إذا كان الحدس الخاص بك هو أن يقول ، "ثماني دقائق" ، سأواجه صعوبة في التحدث معك. بعد كل شيء ، هذا هو مقدار عمر الفوتون بالنسبة لنا. إذا استغرق السير لمسافة 0.5 ميل (0.8 كم) إلى المتجر ثماني دقائق ، وتمشي إلى المتجر ، فعمرك ثماني دقائق. وإذا شاهد صاحب المتجر أنك تمشي إلى المتجر ، فستعرف أنك تبلغ من العمر ثماني دقائق أيضًا. إذا كان كل ما فعلناه هو الالتزام بالتعريف النيوتوني للوقت - مع فكرة أن الوقت كان كمية مطلقة - فسيكون هذا صحيحًا لأي شيء على الإطلاق في الكون: الجميع ، في كل مكان سيختبرون الوقت يمر بنفس المعدل في جميع الظروف. ولكن إذا كان الأمر كذلك ، فإن سرعة الضوء لا يمكن أن تكون ثابتة.

ساطع مصباح يدوي في الظلام. صورة الائتمان: pixabay المستخدم StockSnap.

تخيل أنك لا تزال تقف على الأرض ، وتضيء مصباحًا يدويًا في اتجاه واحد في كائن على بعد ثانية واحدة من الضوء. الآن تخيل أنك تسير نحو نفس الكائن ، وتضيء المصباح نفسه. كلما زادت سرعة تشغيلك ، كلما توقعت أن يذهب الضوء بسرعة أكبر: يجب أن يتحرك في أي سرعة تتحرك فيها الإضاءة الإضافية بالإضافة إلى السرعة التي تعمل بها.

لماذا سيكون هذا ضرورة؟

أريدك أن تتخيل أن لديك ساعة ، فقط بدلاً من وجود ساعة حيث يتدفق الترس وتتحرك الأيدي ، لديك ساعة حيث يرتفع فوتون واحد من الضوء لأعلى ولأسفل بين مرآتين. إذا كانت ساعتك في حالة راحة ، فسترى الفوتون يرتد لأعلى ولأسفل ، بينما تمر الثواني كالمعتاد. لكن إذا كانت ساعتك تتحرك ، ونظرت إليها ، فكيف سيمضي الثواني الآن؟

ستظهر ساعة ضوئية تتحرك بالقرب من سرعة الضوء ببطء أبطأ بالنسبة للمراقب أثناء الراحة. رصيد الصورة: جون د. نورتون ، عبر http://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/Special_relativity_clocks_rods/.

من الواضح تمامًا ، يستغرق الارتداد وقتًا أطول إذا كانت سرعة الضوء ثابتة دائمًا. إذا كان الوقت يمضي بنفس المعدل للجميع ، في كل مكان وتحت جميع الظروف ، فسنرى أن سرعة الضوء تكون سريعة بشكل تعسفي كلما تحرك شيء أسرع. والأمر الأسوأ من ذلك ، هو أنه إذا تحرك شيء بسرعة كبيرة ثم شغِّل مصباحًا يدويًا في الاتجاه المعاكس ، فسنرى هذا الضوء بالكاد يتحرك على الإطلاق: سيكون في حالة راحة تقريبًا.

نظرًا لأن الضوء لا يفعل ذلك - أو يغير السرعة في الفراغ تحت أي ظرف من الظروف - نحن نعرف أن هذه الصورة الساذجة خاطئة.

يبدو أن الضوء ، في فراغ ، يتحرك دائمًا بنفس السرعة - سرعة الضوء - بغض النظر عن سرعة المراقب. صورة الائتمان: مستخدم pixabay Melmak.

في عام 1905 ، طرح آينشتاين نظريته في النسبية الخاصة ، مشيرًا إلى أن تجربة مايكلسون مورلي الفاشلة وظاهرة انكماش الطول وتوسيع الوقت سيتم تفسيرها جميعًا إذا كانت سرعة الضوء في فراغ ثابتًا عالميًا ، ج. هذا يعني أن أسرع شيء يتحرك - كلما اقتربت من سرعة الضوء الذي يتحرك فيه - سيرى شخص يراقبه أثناء الراحة أوقاتهم ومسافاتهم كالمعتاد ، ولكن شخصًا ما "يركب" الكائن سريع الحركة سيرى أنه سافر لفترة أقصر المسافة وسافر لفترة زمنية أقصر من المراقب الذي بقي في راحة.

ستشاهد مركبة فضائية من طراز Soyuz ، تم تثبيتها في حجرة Pirs لرسو السفن في محطة الفضاء الدولية (ISS) ، رواد فضاء يعودون إلى الأرض بعد أن كان عمرهم أقل بقليل من بقائهم على الأرض بسبب اتساع الوقت النسبي. الصورة الائتمان: ناسا.

في الواقع ، عندما تقوم بالسير لمدة ثماني دقائق سيرا على الأقدام إلى المتجر ، وذلك بفضل النسبية لآينشتاين ، فإن الوقت على ساعتك - على افتراض أنه كان دقيقًا للغاية ومطابقًا لساعة صاحب المتجر قبل مغادرتك بالضبط - أصبح الآن يقرأ أقل بقليل من نانو ثانية قبل ساعة صاحب متجر! آثار النسبية ، على الرغم من أنها صغيرة في معظم الظروف ، هي دائمًا ما تلعب.

السبب هو أن الأشياء لا تتحرك فقط عبر الفضاء ، وأنها لا تتحرك للأمام فقط في الوقت المناسب. ذلك لأن المكان والزمان مرتبطان كجزء من نسيج موحد: الزمكان.

تزييف الفضاء من قبل الجماهير الجاذبية. رصيد الصورة: LIGO / T. بايل.

وقد تحقق ذلك لأول مرة من قبل أحد معلمي أينشتاين السابقين ، هيرمان مينكوفسكي ، في عام 1908 ، الذي قال:

إن وجهات نظر المكان والزمان التي أود أن أضعها قبل أن تخرج من تربة الفيزياء التجريبية ، وهنا تكمن قوتها. إنها جذرية. من الآن فصاعدا ، فإن الفضاء بمفرده ، والوقت بمفرده ، محكوم عليهما أن يتلاشيا مجرد ظلال ، وفقط نوع من اتحاد الاثنين سيحافظ على حقيقة مستقلة.

الطريقة التي تعمل بها هي أن كل شخص وكل ما هو موجود في جميع الأوقات يتحرك خلال وقت الزمكان ، وأنهم يتحركون دائمًا خلال وقت الفراغ بعلاقة خاصة جدًا: أنت تنقل مبلغًا معينًا من خلال الجمع بين الاثنين بغض النظر عن كيفية الانتقال بالنسبة إلى أي شيء آخر.

يوضح اتساع الوقت (L) وتقلص الطول (R) كيف يبدو الوقت بطيئًا ويبدو أن المسافات تصبح أصغر كلما اقتربت من سرعة الضوء. رصيد الصور: المستخدمون في ويكيميديا ​​كومنز Zayani (L) و JRobbins59 (R).

إذا تحركت عبر الفضاء بسرعة من وجهة نظر معينة ، فانتقلت خلال وقت أقل: ولهذا السبب ، عندما سافرت إلى المتجر ، كانت رحلتك عبر الزمن أقل بنحو 2 نانو ثانية من صاحب المتجر: لقد تحركت عبر الفضاء بسرعة أكبر مما كانت عليه فعلت ، وهكذا انتقلت عبر الزمن أقل قليلا منها. إذا تحركت بشكل أسرع ، فستكون ساعتك بعيدة إلى الأمام. في الواقع ، إذا اقتربت جدًا من سرعة الضوء - إذا انتقلت إلى 99.9999999٪ من سرعة الضوء في تلك الرحلة إلى المتجر - بغض النظر عن المسافة البعيدة لذلك المتجر ، فسوف يرى صاحب المتجر 22000 ضعف الوقت مرت لها كما مرت لك.

رحلة النسبية نحو كوكبة أوريون. رصيد الصورة: Alexis Brandeker ، عبر http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/SR/Spaceship/spaceship.html. تم استخدام برنامج StarStrider ، وهو برنامج ثلاثي الأبعاد للكوكب السماوي ثلاثي الأبعاد بواسطة FMJ-Software ، لإنتاج الرسوم التوضيحية من Orion.

الآن ، مع وضع كل ذلك في الاعتبار ، دعنا نأتي إلى الفوتون نفسه. لا يتحرك بالقرب من سرعة الضوء ، ولكن في الواقع سرعة الضوء. جميع الصيغ التي نقدمها لوصف ما يعنيه المراقب ، تعطينا أجوبة مع اللانهاية فيها عندما يتعلق الأمر بالسؤال عما يحدث في سرعة الضوء. لكن اللانهاية لا تعني دائمًا أن الفيزياء خاطئة ؛ أنها غالبا ما تعني أن الفيزياء تفعل شيئا غير بديهي. عندما تتحرك بسرعة الضوء ، فهذا يعني ما يلي:

  • لا يمكنك الحصول على كتلة. إذا قمت بذلك ، فستحمل كمية غير محدودة من الطاقة بسرعة الضوء. يجب أن تكون بلا كتلة.
  • لن تواجه أيًا من رحلاتك عبر الفضاء. سيتم تقليص جميع المسافات على طول اتجاه الحركة إلى نقطة واحدة.
  • ولن تمر بمرور الوقت. ستظهر لك الرحلة بأكملها بشكل فوري.
تستغرق المسافة بين الأرض والشمس ما يزيد قليلاً عن ثماني دقائق ليقطعها الضوء من منظورنا. لكن من منظور الفوتون ، تكون الرحلة فورية. رصيد الصورة: مستخدم ويكيميديا ​​كومنز LucasVB.

بالنسبة للمراقب هنا على الأرض ، سيتم إصدار الضوء من الشمس حوالي ثماني دقائق (أكثر مثل 8:20) قبل استلامنا له ، وإذا استطعنا "مشاهدة" سفر الفوتون ، فسيبدو أنه يتحرك بسرعة الضوء طوال رحلتها بأكملها. لكن إذا كانت هناك "ساعة" على متن هذا الفوتون ، فقد يبدو أنه قد توقف تمامًا أمامنا. في حين أن تلك الثمانينات التي تزيد عن ثماني دقائق تمر كالمعتاد بالنسبة لنا ، فإن الفوتون لن يواجه أي وقت على الإطلاق.

هذا يثير القلق بشكل خاص عندما ننظر إلى المجرات البعيدة في الكون.

The Hubble eXtreme Deep Field (XDF) ، أعمق رؤية للكون البعيد الذي تم التقاطه على الإطلاق. الصورة الائتمان: ناسا. ESA. G. Illingworth، D. Magee، and P. Oesch، University of California، Santa Cruz؛ ر. بوينز ، جامعة ليدن ؛ وفريق HUDF09.

يستغرق الضوء المنبعث منها مليارات السنين للوصول إلينا من وجهة نظرنا كمراقبين في درب التبانة. خلال هذا الوقت ، يؤدي توسع الكون إلى امتداد المساحة ، وتراجع طاقة الفوتونات المنبعثة إلى حد كبير: انزياح أحمر كوني. ومع ذلك ، على الرغم من هذه الرحلة المذهلة ، فإن الفوتون نفسه لا يواجه شيئًا مما نعرفه مع الوقت: فهو ببساطة ينبعث ومن ثم يتم امتصاصه فورًا ، ويشهد مجمل رحلاته عبر الفضاء في وقت قصير حرفيًا. بالنظر إلى كل ما نعرفه ، فإن الفوتون لا يعمر أبدًا بأي طريقة على الإطلاق.

ظهر هذا المنشور لأول مرة في فوربس ، ويتم إحضاره لك مجانًا من قبل مؤيدي باتريون. التعليق على منتدانا ، وشراء كتابنا الأول: ما وراء المجرة!