5.3: نسبية التزامن

أهداف التعلم

في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

• أظهر من افتراضات أينشتاين أن حدثين تم قياسهما كمتزامنين في إطار واحد بالقصور الذاتي ليسا بالضرورة متزامنين في جميع الإطارات بالقصور الذاتي.
• وصف كيف أن التزامن هو مفهوم نسبي للمراقبين في إطارات القصور الذاتي المختلفة في الحركة النسبية.

هل تعتمد الفواصل الزمنية على من يراقبها؟ يبدو بديهيًا أن وقت العملية، مثل الوقت المنقضي لسباق القدم (الشكل\(\PageIndex{1}\))، يجب أن يكون هو نفسه بالنسبة لجميع المراقبين. في التجارب اليومية، تتعلق الخلافات حول الوقت المنقضي بدقة قياس الوقت. من غير المحتمل أن يجادل أحد في أن الفاصل الزمني الفعلي كان مختلفًا بالنسبة للعداء المتحرك والساعة الثابتة المعروضة. ومع ذلك، يُظهر التفكير بعناية في كيفية قياس الوقت أن الوقت المنقضي يعتمد على الحركة النسبية للمراقب فيما يتعلق بالعملية التي يتم قياسها.

الشكل\(\PageIndex{1}\): الوقت المنقضي لسباق القدم هو نفسه لجميع المراقبين، ولكن عند السرعات النسبية، يعتمد الوقت المنقضي على حركة الراصد بالنسبة إلى الموقع الذي تحدث فيه العملية التي يتم توقيتها. (تصوير: «جيسون إدوارد سكوت باين» /فليكر)

فكر في كيفية قياس الوقت المنقضي. إذا استخدمنا ساعة توقيت، على سبيل المثال، كيف نعرف متى نبدأ الساعة وإيقافها؟ إحدى الطرق هي استخدام وصول الضوء من الحدث. على سبيل المثال، إذا كنت في سيارة متحركة ولاحظت تغير الضوء القادم من إشارة المرور من الأخضر إلى الأحمر، فأنت تعلم أن الوقت قد حان للضغط على دواسة الفرامل. يكون التوقيت أكثر دقة في حالة استخدام نوع من الكشف الإلكتروني، وتجنب أوقات التفاعل البشري والمضاعفات الأخرى.

لنفترض الآن أن اثنين من المراقبين يستخدمان هذه الطريقة لقياس الفاصل الزمني بين ومضين من الضوء من مصابيح الفلاش التي تفصل بينها مسافة (الشكل\(\PageIndex{2}\)). يجلس المراقب A في منتصف الطريق على عربة قطار مع مصباحين على الجانبين المعاكسين على مسافة متساوية منها. تنبعث نبضة ضوئية من كل مصباح فلاش وتتحرك باتجاه الراصد A، كما هو موضح في الإطار (أ) من الشكل. تتحرك عربة السكك الحديدية بسرعة في الاتجاه الذي يشير إليه متجه السرعة في الرسم التخطيطي. يواجه الراصد B الذي يقف على المنصة عربة السكك الحديدية أثناء مرورها ويلاحظ وصول ومضات الضوء إليه في وقت واحد، كما هو موضح في الإطار (ج). يقيس المسافات من المكان الذي رأى فيه النبضات تنشأ، ويجدها متساوية، ويخلص إلى أن النبضات كانت تنبعث في وقت واحد.

ومع ذلك، وبسبب حركة المراقب A، فإن النبض من يمين عربة القطار، من الاتجاه الذي تتحرك فيه السيارة، يصل إليها قبل النبض من اليسار، كما هو موضح في الإطار (ب). كما تقيس المسافات من داخل إطارها المرجعي، وتجدها متساوية، وتخلص إلى أن النبضات لم تنبعث في وقت واحد.

توصل المراقبان إلى استنتاجات متضاربة حول ما إذا كان الحدثان في مواقع منفصلة جيدًا متزامنين. كلا الإطارين المرجعيين صحيحان، وكلا الاستنتاجين صحيحان. يعتمد تزامن حدثين في مواقع منفصلة على حركة الراصد بالنسبة لمواقع الأحداث.

الشكل\(\PageIndex{2}\): (أ) تنبعث نبضتان من الضوء في وقت واحد بالنسبة للمراقب B. (ج) تصل النبضات إلى موضع المراقب B في وقت واحد. (ب) بسبب حركة A، ترى النبض من اليمين أولاً وتخلص إلى أن المصابيح لم تومض في وقت واحد. كلا الاستنتاجين صحيحان.

هنا، تؤثر السرعة النسبية بين المراقبين على ما إذا كان هناك حدثان يفصل بينهما مسافة متزامنة. التزامن ليس مطلقًا. ربما خمّننا (بشكل غير صحيح) أنه إذا انبعث الضوء في وقت واحد، فسيرى مراقبان في منتصف الطريق بين المصادر الومضات في وقت واحد. لكن التحليل الدقيق يظهر أن هذا لا يمكن أن يكون هو الحال إذا كانت سرعة الضوء هي نفسها في جميع الإطارات بالقصور الذاتي.

يُظهر هذا النوع من التجارب الفكرية (باللغة الألمانية، «Gedankenexperiment») أنه يجب تغيير الاستنتاجات التي تبدو واضحة لتتوافق مع افتراضات النسبية. لا يمكن تحديد صحة تجارب الفكر إلا من خلال الملاحظة الفعلية، وقد أكدت التجارب الدقيقة مرارًا نظرية النسبية لأينشتاين.