زمان و مکان در فیزیک نسبیتی (پرادوکس دوقلو ها)
وودی آلن در کتاب عوارض جانبی خود چنین می گوید:
«تند تر رفتن از سرعت نور ناممکن است، و قطعا خوشایند هم نیست، چون کلاه بر سرتان نمی ماند»
برای نخستین بار در سال 1676، ستاره شناس دانمارکی اوله کریستن سن روامر(Ole Christensen Roemer) کشف کرد که نور با سرعتی معین اما بسیار بالا حرکت می کند.
تا سال 1865 نظریه شایسته و مناسبی برای انتشار نور تدوین نگردید. در آن سال فیزیکدان انگلیسی جیمز کلارک ماکسول (James Clark Maxwell) توانست نظریه های محدود و پراکنده ای را که تا آن روزگار پیرامون نیروهای الکتریسیته و مغناطیس مطرح شده بود، در نطریه ای جامع یکپارچه گرداند. معادله ی ماکسول پیش بینی می کرد که آشفتگی های موجی شکلی که در میدان الکترومغناطیسی وجود دارد که مثل امواج آب با سرعتی ثابت در فضا منتشر می شوند.
نظریه ماکسول می گفت اواج رادیویی یا نور با سرعت ثابت و معینی منتشر می شوند. در همین زمان نظریه وجود اتر در فضا به دلیل ثابت بودن سرعت نور مطرح شد.
اینیشتین در سال 1905 در مقاله معروف خود خاطرنشان کرد که چنانچه مفهوم زمان مطلق را کنار بگذاریم، فرض وجود اتر اساسا ضرورتی ندارد.
فرض بنیادی نظریه نوین که نسبیت نام گرفت، این بود که برای همه ناظرانی که حرکت آزاد دارند، سرعتشان هر چه باشد، قوانین علم یکسان است. همچنین از اصول این نظریه این است که برای ناظران ،سرعتشان هر چه باشد، سرعت نور ثابت است.


به عقیده انیشتین، اگر شما سوار بر موشکی پر سرعت باشید، گذر زمان، نسبت به کسی که روی زمین است، باید در درون موشک آهسته تر شود. بسته به سرعت شما، زمان با آهنگ های متفاوتی می گذرد. گذشته از آن، فضا در درون آن موشک فشرده خواهد شد، پس طول خط کش می تواند بر حسب سرعت شما تغییر پیدا کند. در ضمن جرم موشک هم افزایش خواهد یافت. اگر ما با تلسکوپ به درون این موشک بنگریم، می توانیم ببینیم که ساعت های درون موشک آهسته تر کار می کنند، افراد به کندی راه میروند و گویی له و لورده شده اند.
در واقع اگر موشک با سرعت نور برود، زمان در درون موشک به ظاهر از کار می افتد، موشک تا صفر فشرده می شود، و جرم موشک سر به بی نهایت می زند. چون هیچ کدام از این مشاهدات معقول نیست، انیشتین ابراز داشت که هیچ چیزی نمی تواند دیوار نوری بشکند. (E=mc^2)
در سال 1911 میلادی پُل لانژوین (Paul Langevin) به استناد انبساط زمان، پدیده ای را مطرح ساخت که عنوان پارادوکس دو قلو را به خود گرفت. دو قلوهایی که هر یک بیست سال دارندو یکی از آنها سوار بر سفینه فضایی خود با سرعت 296000 کیلومتر بر ثانیه به مسافرت فضایی می رود. او در مسافرت فضایی خود به یکی از کهکشان های مجاور که بیست سال نوری از زمین فاصله دارد رفت و برگشت می کند. هنگام بازگشت او تقریبا 26 ساله است در صورتی که برادر دو قلویش که روی زمین ساکن و در انتظار وی مانده است، 60 سال دارد. در واقع برای برادر دوقلویی که در حرکت به طرف کهکشان مجاور است، آهنگ گذر زمان کند تر می شود.
این پدیده به علت انبساط زمان رخ می دهد. یعنی کند شدن زمان در سفینه با توجه به تبدیلات لورنس می توان به معادله زیر رسید که توجیهی بر انبساط زمان است:

که در آن T_1 زمان روی زمین و T_2 زمان در سفینه است و v معرف سرعت سفینه. پس 20 سال زمین برای برادر داخل سفینه 3/3 سال می گذرد. زیرا:

این 3/3 سال مدت زمان رفت فضانورد به سمت کهکشان مجاور است. او در زمان برگشت نیز همین زمان را طی می کند. پس زمان برای برادر فضانورد 3⁄3+3⁄3=6/6 سال می گذرد و برای برادری که در زمین است 20+20=40 سال می گذرد. به این ترتیب برادر فضا نورد 26/6 سال سن دارد در حالی که برادر دیگر 60 ساله است. احتمالا در بازگشت فضانورد، برادر دوقلو او را نمی شناسد.


هنوز تکنولوژی ساخت سفینه های فضایی به حدی نرسیده است که سفینه هایی با سرعت نزدیک به نور بسازیم. اما با آزمایش هایی که در هواپیماهای تندرو توسط ساعت های بسیار دقیق اتمی انجام شده است و یا آزمایش هایی که در شتاب دهنده های ذرات صورت می گیرد، اختلاف زمان ساعت های متحرک نسبت به ساعت های ساکن مشهود است. پس باید به دنبال راه بهتری برای سفر در زمان بود.
شاید روزی ماشینی ساخته شود که بتوان با آن به آینده سفر کرد. اما درباره ی عقب رفتن در زمان چه؟ آیا با این ماشین می توان به گذشته رفت؟
اگر می توانستیم به گذشته سفر کنیم، نوشتن تاریخ ناممکن می شد. به محض اینکه تاریخ نویسی دست به نگارش تاریخ گذشته می زد، کسی می توانست به گذشته برود و آن را از نو بنویسد. ماشین های زمان نه تنها تاریخ نویسان را بی کار می کرد، بلکه دست بردن دلخواه در روند زمان را برای ما ممکن می ساخت. مثلا اگر به زمان دایناسورها می رفتیم و تصادفا پستانداری را که قرار بود نیای ما شود زیر پا له می کردیم، شاید از سر اتفاق نژاد انسان را از میان بر می داشتیم. تاریخ سر به بی کران می زد، و رویدادهای تاریخی زیر دست و پای توریست هایی از اینده که سعی در پیدا کردن بهترین زاویه ی دوربین داشتند خرد و خاکستر می شد.

نسبیت عام
آزمایش هاى بسیارى موید این هستند که اگر نیرویى جز گرانش در کار نباشد همه اجسام با یک شتاب مى افتند! در 1911 اینشتین از این واقعیت تجربى نتیجه گرفت1 که اگر در اتاقکى باشیم که از بالاى برجى رها شده باشد (ول شده باشد)، با هیچ آزمایشى نمى توانیم گرانش زمین را حس کنیم.2 امروزه فیزیک پیشه ها این را اصل هم ارزى مى نامند. اینشتین فهمید که کلید نظریه نسبیتى گرانش همین اصل هم ارزى است. با استدلال هایى که نبوغ از آنها مى بارد، اینشتین از این اصل چند نتیجه گرفت: 1- اینکه اگر نورى از زمین به بالا فرستاده شود وقتى به ارتفاع هاى بالاتر مى رسد طول موجش بیشتر مى شود. 2- اینکه ساعت ها در نزدیکى سطح زمین کندتر کار مى کنند تا ساعت هایى که در ارتفاع هاى بالاتر هستند. 3- اینکه اگر پرتوى نورى از کنار یک جسم سنگین مثلاً از کنار خورشید بگذرد، کمى خم مى شود. در مورد خورشید این خم شدگى حدود 1 ثانیه قوس است.
پس از آن با پنج سال کار طاقت فرسا اینشتین نظریه اى براى گرانش ساخت و آن را نسبیت عام نامید. بنابر نسبیت عام گرانش عبارت است از خمیده بودن فضازمان علت سخت فهم بودن نسبیت عام این است که مبتنى است بر دو ساختار ریاضى که هنوز جزء برنامه هاى درسى مدارس و دبیرستان هاى ما نشده: خمیدگى و فضازمان.


سیاهچاله، راهی برای سفر در زمان
در چند جمله کوتاه میتوان گفت، سیاهچاله ناحیه ای از فضاست که مقدار بسیار زیادی جرم در آن تمرکز یافته و هیچ شیئی نمی تواند از میدان جاذبه آن خارج شود.از آنجا که بهترین تیوری جاذبه در حال حاضر تئوری نسبیت عام انیشتن است،در مورد سیاهچاله و جزییاتش باید طبق این تئوری تحقیق و نتیجه گیری کنیم.
حال یک جرم بسیار زیاد را که در یک ناحیه با شعاع بسیار کوچک تمرکز یافته تصور کنید. سرعت فرار چنین ناحیه ای از سرعت نور بیشتر خواهد بود و چون هیچ شیی نمی تواند سریعتر از نور سیر کند پس هیچ شیی نمی تواند از میدان جاذبه چنین ناحیه ای خارج شود ، حتی یک دسته پرتو نور.
نام سیاهچاله را برای اولین بار جان آرچیبالد ویلر پیشنهاد داد که نام مناسبی به نظر می رسید، چون از نام های پیشنهادی قبل از خودش جذاب تر بود. پیش از ویلر از این نواحی با عنوان ستاره های منجمد یاد می شد.
قبلا در بخش آموزش مقاله ای کوتا درباره سیاهچاله ها نوشته ایم. به همین منظور اگر می خواهد بیشتر درباره سیاهچاله ها بدانید کلیک کنید.



سفر در زمان با سیاهچاله:
ما در نمودار پن رز دو تکینگی مشاهده می کنیم که یکی متعلق به سیاهچاله ی این جهان است . در این نمودار دو راه A و B مشاهده می شود که اگر توسط راه A حرکت کنیم به درون سیاهچاله می افتیم و نابود می شویم ولی اگر از راه B وارد شویم آنگاه ما سفری به جهانی موازی با جهان ما خواهیم داشت . وقتی که ما به پایان این تونل برای سفر برسیم توسط جرمی به نام سفید چاله که کارش دقیقا" مخالف سیاهچاله است و نیروی دافعه دارد به بیرون پرتاب می شویم گفتنی است که سفید چاله همان تکینگی دوم در نمودار پن رز است . در این هنگام ما در جهانی دیگر خواهیم بود . به این گونه جهان ها که هنوز در حد فرضیه هستند جهان موازی می گویند . اگر ما نمودار پن رز را به این صورت ادامه دهیم می توانیم هر چه قدر که می خواهیم جهان موازی بسازیم . در این صورت ما به جهانی غیر از جهان خودمان پرتاب می شویم و در این صورت به آینده یا گذشته سفر می کنیم . البته قابل ذکر است که این گونه سیاهچاله ها که برای اینگونه سفرها هستند دوار می باشند یعنی به دور خود دوران می کنند . همچنین باید توجه داشت که سیاهچاله ها اجسام بسیار بسیار خشنی هستند و اگر ما کمی راه را اشتباه رویم آنگاه در افق رویداد آن به اسارت در خواهیم آمد و سرانجام به اتم تجزیه می شویم و بروی تکینگی آن سقوط می کنیم .

کرم چاله راهی ممکن برای سفر در زمان
شاید جالب ترین راه سفر در زمان کرمچاله باشد که تا حدودی نیز به واقعیت نزدیک است . در واقع کرمچاله تونلی فرضی است که همانند یک ماشین زمان کار می کند . برای درک این موضوع باید به نسبیت عام رجوع کرد. همانطور که گفته شد در نسبیت عام هر جسم جرم دار بر فضا – زمان اطراف خود تأثیر می گذارد و آن را خمیده می کند و سپس گرانش ایجاد می شود . اگر جرمی چنان سنگین باشد که تونلی عمیق در دل بافت فضا – زمان ایجاد کند آنگاه آن جسم نقطه ی آغاز یک کرمچاله باشد . این اجسام در واقع محدودیت سرعت نور را با حیله ای ساده پشت سر می گذارند و میان بری میان دو نقطه ایجاد می کنند . حال این میان بر می تواند به دو صورت بروز کند ؛ نخست جهان های موازی را به خاطر آورید ، جایی غیر از جهان ما ، به وسیله ی یک کرمچاله می تواند به جهان های موازی سفر کرد ، برای درک بهتر این مطلب یک ساختار انعطاف پذیر را تصور کنید که بروی آن جسم سنگینی قرار دارد هر چه جم افزایش فرورفتگی نیز افزایش می یابد ، اگر جرم آن قدر سنگین باشد که سطح جسم نتواند آن را تحمل کند در آن سطح سوراخی ایجاد می شود که به زیر سطح راه می یابد و این می تواند همان جهان موازی ما باشد همچنین اگر دو سطح انعطاف پذیر با هم موازی قرار بگیرند باز هم می توانیم بین آنها کرمچاله ای داشته باشیم .
روش دیگر بروز کرمچاله این است که دو نقطه از یک جهان به هم اتصال داده شود ؛ یعنی ، ما توسط یک کرمچاله به نقطه ای در جهان خودمان راه یابیم که چند هزار یا میلیون یا میلیارد سال با ما فاصله دارد . این فاصله به وسیله ی یک کرمچاله در چند ساعت خمیده می شود .
با این حال مشکل کرمچاله در این جا است که جسمی با چنین جرم زیادی تا کنون مشاهده نشده است که بی خطر باشد ، از این جهت بی خطر که سیاهچاله ها چنین جرمی را دارند ولی اگر کسی وارد افق آنها شود دیگر باز نخواهد گشت زیرا ابتدا جرم پاهایش چند برابر سرش می شود و سپس به اتم تجزیه شده و سپس یونیزه خواهد شد و نورانی خواهد شد .


جمع بندی


در نسبیت خاص اگر جسمی با سرعت نور حرکت کند، زمان برایش کند تر شده و می تواند آن را پشت سر بگذارد. اما سفر با سرعت نور غیر ممکن است و اگر بخواهیم به سرعت های بالا (نزدیک به سرعت نور) برسیم نیاز به تکنولوژی بالایی داریم که بشر هنوز به آن دست نیافته است. فضانوردان در سفر های خود گاهی از سرعت های بالا استفاده می کنند. اما این سرعت ها در مقایسه با سرعت نور آنقدر کم است که تنها کسری از ثانیه می توانند در زمان سفر کنند. به این ترتیب نسبیت خاص راهی تقریبا غیرممکن است.
در مفهوم نسبیت عام فضا-زمان به عنوان دو جز جدا ناپذیر؛ خمیده هستند. نخستین حل از معادله اینشتین توسط کارل شوارتس شیلد انجام شد. او ستاره های منجمدی را کشف کرد که جان آرچیبالد ویل آنها را سیاهچاله نامید. سیاهچاله ها مکان هایی از فضا هستند که حتی نور هم نمی تواند از محدوده ی آنها فرار کند. بر اساس نمودار پن رز دو تکینگی وجود دارد که یکی متعلق به سیاهچاله و دیگری متعلق به سفید چاله است. اگر از سیاهچاله به سفید چاله سفر کنیم می توان وارد جهانی دیگر شد. البته این امکان نیز وجود دارد که به اتم تجزیه شویم.
شاید محتمل ترین راه برای سفر در زمان کرم چاله ها باشند. کرم چاله بخشی از جهان است که دو نقطه را به هم متصل می کند و با کمک آنها می توان بین دو نقطه از جهان سفر کرد که چند میلیارد سال با هم فاصله دارند. البته اگر کسی وارد کرم چاله شود ابتدا جرم پا هایش چند برابر از سرش می شود و سپس به اتم تجزیه شده و در آخر نورانی می شود.

منابع
جهان های موازی: کاکو، م (1390)، ترجمه ع. هادیان، س. ایزدیار، تهران، انتشارات مازیار ( تاریخ انتشار اثر به زبان اصلی 2005)
فیزیک ناممکن ها: کاکو، م(1391)، ترجمه ر. رامبد، تهران، انتشارات مازیار ( تاریخ انتشار اثر به زبان اصلی 2008)
فیزیک دانان بزرگ: کراپر، ویلیام. اچ. (1387)، ترجمه م. ع. جعفری، تهران، نشر اختران ( تاریخ انتشار اثر به زبان اصلی 2001)
آیا اینشتین درست می گفت؟: ویل، ک. ا. (1391)، ترجمه ا. شریعتی، تهران، سازمان چاپ و انتشارات (تاریخ انتشار به زبان اصلی 1995).
تاریخچه زمان: هاوکینگ، ا. (1391)، ترجمه م. ر. محجوب، تهران، شرکت سهامی انتشار (تاریخ انتشار اثر به زبان اصلی 1988)
سایت www.hupaa.com انجمن فیزیکدانان جوان ایران

گردآورنده: مائده فرهوش