في هذه الحلقة من سلسلة حلقات النسبية سنتحدث عن معضلة التوأم.
معضلة التوأم في النسبية الخاصة هي تجربة فكرية حيث يوجد توأمان علي الأرض بنفس العمر ثم يذهب أحدهم إلي الفضاء في مركبة تسير بسرعة عالية و تقترب من سرعة الضوء و يعود ليجد أخاه التوأم أكبر منه في العمر !
كيف يحدث هذا ؟!
حسنا, يوجد مبدآن رئيسيين في النسبية الخاصة.
الأول : يخص الإطار المرجعي العطالي Inertia l frame of reference و هو إطار يمكن نسبة الحركة والسكون إليه بشرط ألا يكون في حالة تسارع (أي أنه ثابت او يسير بسرعة منتظمة).
بمعني أنك إذا كنت داخل هذا الإطار فإنك يمكنك إعتبار نفسك ثابت و باقي الأشياء تتحرك بالنسبة إليك.
أحد الأمثلة علي ذلك الطائرة التي تسير بسرعة ثابتة دون تغير الإتجاه, إذا كنت في داخل طائرة كتلك فيمكنك وضع كوب القهوة أمامك و لن تشعر أبدا بالحركة ولن ينسكب االكوب ويمكنك القول بأنك ثابت و إن الأرض تتحرك من تحتك .
ولكي تتأكد قم بإجراء أي تجربة فيزيائية في تلك الطائرة و ستحصل علي نفس النتيجة التي ستحصل عليها إذا كنت ثابتا علي الأرض.
و لذلك يمكنك من ناحية فيزيائية القول بإن الطائرة ثابتا “نسبيا” و الأرض تتحرك بالنسبة إليك.
الأرض أيضا يمكن إعتبارها إطار مرجعي عطالي.
المبدأ الثاني : سرعة الضوء ثابتة في الفراغ و تساوي 300000 كم/ث تقريبا ومهما كانت سرعتك أو إتجاه حركتك ستظل سرعة الضوء في الفراغ ثابتة.
إذا أقتربت سرعة جسم من سرعة الضوء وإذا كنت ترصده من إطار عطالي فإن الزمن بالنسبة له يمر أبطأ من الزمن بالنسبة لك.
إذا سار الجسم بسرعة 260000 كم/ث (86.7% من سرعة الضوء تقريبا) فإن الزمن بالنسبة لهذا الجسم يمر بنصف سرعة الزمن بالنسبة لك إذا كنت علي الأرض. و إذا سار بسرعة290000 كم/ث (حوالي 96.7% من سرعة الضوء) فإن الزمن بالنسبة لهذا الجسم سيمر أبطأ بأربع مرات بالنسبة للزمن علي متن إطار مرجعي عطالي.
لكن تذكر مبدأ النسبية الأول, إذا كان هذا الجسم يسير بسرعة منتظمة فلن يشعر أي شخص عليه بالحركة بل سيشعر و كأنك أنت الذي تتحرك و الزمن يتباطأ بالنسبة لك !
بمعني ان كل منكما يشعر و كأنه ثابت و الأخر يتحرك و يتباطأ الزمن بالنسبة له.
و هكذا فإن المعضلة ليست في نسبية الزمن ( فهذا شئ تم قياسه عمليا) ولكن المشكلة تظهر عندما يتقابل التوأمان, من منهم سيكون أصغر من الثاني وفقا لمبادئ النسبية ؟!
الإجابة هي الأخ الذي سافر في الفضاء, لماذا ؟!
لأنه قام “بكسر الإطار العطالي الخاص به” عندما قام بتغيير إتجاه الحركة و عاد لمقابلة أخيه علي الأرض.
فكما قلنا سابقا من شروط الإطار العطالي المرجعي عدم التسارع و ذلك يشمل تغير إتجاه الحركة.
و هكذا فإن الأخ الأكبر يمكنه الإدعاء بإنه كان ثابتا بينما الأخ الأصغر لا يمكنه لإنه يعرف أنه قام بتغيير إتجاه الحركة للعودة إلي الأرض.
هذا التباطؤ الزمني سيسبب أيضا تباطؤ نسبي في جميع العمليات الكيميائية و الحيوية داخل الجسم مثل : التفكير, الرؤية و النمو.
قد يسبب الأمر إرتباكا لدي البعض حيث إننا لا نشاهد هذا يحدث يوميا.
لكن في الحقيقة فإن ذلك يحدث كل يوم لكن لأن نطاق السرعات أقل بكثير من سرعة الضوء فلن يلاحظ أحد ذلك.
لكن إذا وضعت ساعتين ذريتين من ساعات السيزيوم احدها في طائرة و الأخري علي الأرض سوف تلاحظ ذلك الفارق كما حدث في السبعينات في تجربة قام بها العالمان “هافيل” Hafele و “كيتينج” Keating .
معضلة التوأم في الحقيقة ليست معضلة إذا قمنا بتبني التفسير السابق.
لا تنس أن تلك المبادئ تم دمجها فيما بعد علي يد ألبرت أينشتاين لتصبح النسبية العامة والتي كانت م ننتائجها موجات الجاذبية التي تم الإعلان عنها من وقت قريب.
المصادر:
http://sc.egyres.com/iscJ2
http://sc.egyres.com/8pSOX
إعداد : Alaa Adel
تصميم: Wael Yassir
#فيزياء #نسبية #الزمن
#الباحثون_المصريون
