همه چیز درباره زمان

 نوشته : سید محمد سیادت

زمان دوره ای است که یک عمل یا یک رویداد رخ می دهد .از هر چیزی که تغییرات منظم دارد می توان برای سنجش زمان استفاده کرد .  زمان مانند طول و جرم یک مفدار بنیادی در فیزیک است و بعد چهارم آن محسوب می شود . برای اندازه گیری زمان سه روش موجود است . دو روش اول بر مبنای حرکت روزانه ی زمین به دور محورش است . این روش ها به وسیله ی حرکت ظاهری خورشید در آسمان ( زمان خورشیدی ) یا حرکت ظاهری ستارگان در آسمان     ( زمان نجومی ) تعیین می شود . روش سوم اندازه گیری زمان مبنی بر دوران کامل زمین به دور خورشید ( زمان زیجی ) است .

زمان خورشیدی :

حرکت ظاهری خورشید از عرض آسمان برای مدت های طولانی برای اندازه گیری زمان استفاده می شد . در تمام مکان ها وقتی که خورشید به بالاترین نقطه ی آسمان می رسید ظهر محسوب می شود . این نقطه نصف النهار است . فاصله ی میان گذر پیاپی خورشید از عرض نصف النهار یک روز است و این روز طبق عادت به 24 ساعت تقسیم شده است .طول روز مطابق با خورشید در تمام سال یکسان نیست . این متغیر بودن به دلیل بیضوی بودن مدار زمین و میل دایرةالبروج نسبت به معدل النهار ( استوای آسمان ) است . این اختلاف گاهی به 16 دقیقه هم می رسد . با اختراع ساعتی دقیق در قرن 17 این اختلاف معنی دار شد . به این ترتیب زمان خورشیدی  ( که مبنی بر حرکت فرضی خورشید با سرعت هموار در سراسر سال می باشد )  اختراع شد .  

زمان استاندارد :

نیم روز هر محل زمانی است که خورشید به بالاترین نقطه خود در آسمان رسیده باشد . هنگامی که مردم ساکن در نقاط غربی یک محل هنوز به نیمه ی روز نرسیده اند ساکنان نقاط شرقی عصر را از سر گذرانده اند . با چرخش زمین نقاط مختلف از شرق به غرب به ترتیب به نیمه روز می رسند . زمان استاندارد ( که مبنی بر زمان خورشیدی است ) در سال 1883 طی موافقت نامه ای بین المللی برای پرهیز از پیچیدگی  که در اثر استفاده ی هر جامعه از ساعت محلی خود بوجود آمده بود معرفی شد . طی این موافقت نامه زمین به 24 ناحیه ی زمانی دسته بندی شدکه هر ناحیه 15 درجه ی طول جغرافیایی را به خود اختصاص می دهد. که این تقسیم بندی یک تقسیم بندی طبیعی است زیرا سیاره ی زمین با سرعت 15 درجه در ساعت به دور خودش می گردد.منطقه ی اصلی نصف النهار صفر درجه است که از رصدخانه ی سلطنتی گرینویچ در انگلستان می گذرد. مناطق زمانی دیگر بر حسب فاصله از غرب یا شرق گرینویچ دسته بندی شد . در هر منطقه ی زمانی تمام ساعت ها یک عدد را نشان می داد . در سال 1966 کنگره ی آمریکا از تصویب نامه ی زمانی متحدالشکل که باعث بنا شدن 8 منطقه ی زمانی برای آمریکا و متصرفاتش شده بود اجتناب کرد . در سال 1983 چندین   کرانه ی منطقه ی زمانی تغییر کرد و به همین دلیل آلاسکا که قبلا تحت پوشش 4 منطقه ی زمانی بود تحت پوشش یک منطقه ی واحد در آمد . در کشتیرانی ساعت ها معمولا زمان محلی گرینویچ را که میانگین زمان گرینویچ (GMT) می گویند نشان می دهند . منجمان این سیستم را با نام زمان جهانی (UT) به کار می برند .

زمان نجومی :

مکان اصلی آن اعتدال بهاری ( یک مکان خیالی در آسمان که با صحت زیاد توسط منجمان اندازه گیری می شود ) است. موقعیت اعتدال بهاری توسط ستارگان ثابت تعیین می شود . (یک روز نجومی زمانی آغاز می شود که فلان ستاره ی معین از یک نصف النهار عبور می کند و درست در لحظه ای که همان ستاره دوباره از همان نقطه عبور می کند این روز به پایان میرسد . این روز 23 ساعت و 56 دقیقه و 09/4 ثانیه است که 4 دقیقه کوتاهتر از روز خورشیدی متوسط است)زمان خورشیدی را که مبنی بر مکان ستاره ها است را زمان نجومی می گویند . ساعتی را که برای اندازه گیری زمان نجومی تنظیم شده باشد را ساعت نجومی گویند . رصد خانه ی نیروی دریایی آمریکا در واشنگتن از جدول های ریاضی برای نتیجه گرفتن زمان خورشیدی میانگین از زمان نجومی میانگین استفاده می کند. زمان خورشیدی میانگین بدین گونه دارای خطاهایی در حد 1 در میلیون است . بین ساعت خورشیدی میانگین و ساعت نجومی اختلافی وجود دارد که این اختلاف به دلیل چرخش هم زمان زمین به دور خود و به دور خورشید به وجود می آید . مطابق با زمان نجومی میانگین زمین بعد از 365 روز و 6 ساعت و 9 دقیقه و 54/9 ثانیه و مطابق با زمان خورشیدی میانگین زمین بعد از 365 روز و 5 ساعت و 48 دقیقه و 5/45 ثانیه به اعتدال بهاری برمیگردد . این اختلاف 20 دقیقه و 04/24 ثانیه می باشد.

زمان زیجی :

زمان خورشیدی میانگین و زمان نجومی میانگین هیچ کدام صحیح نیستند . که این به دلیل نامنظم بودن حرکت زمین در مدارش است. اختلاف در سرعت چرخش زمین به مقدار 1 یا 2 ثانیه در سال می رسد . مجموع این اختلاف در 200 سال گذشته به 30 ثانیه رسید بعلاوه سرعت حرکت زمین رفته رفته به میزان 1000/1 در ثانیه در هر 100 سال کاهش می یابد.بعضی از این دگرگونی ها می توانند به حساب بیایند اما دگرگونی هایی که نامنظم هستند نمی توانند به حساب بیایند.این اشکالات در سال 1940 با معرفی زمان زیجی کنار گذاشته شد . زمان زیجی به طور عمده توسط منجمان برای محاسبه ی دقیق محل سیارات و ستاره ها استفاده می شود. زمان زیجی مبنی بر دوران سالانه ی کامل زمین به دور خورشید است.عصر زمان زیجی 4 ثانیه  دیرتر از عصر زمان جهانی است .بنابر این زمان زیجی هر لحظه با فرمول زیر برای طول میانگین هندسی خورشید تعریف می شود :

L = 279^41'48/04"+129602768"/13T+1"/089T ²       

 

        در اینجا T  زمان زیجی است که بر حسب قرن ژولیانی برابر 36525 روز زیجی ، از عصر بنیادی اندازه گیری می شود .
به واسطه ی استفاده از جدول ریاضی زمان زیجی تبدیل به زمان خورشیدی میانگین شد.

 

روز و ساعت :

 

روز مهمترین دوره ی زمانی برای انسان هاست . روز به 24 ساعت مساوی تقسیم می شود . البته ساعت های روز همیشه مساوی نبودند . قبل از بکارگیری ساعت های مکانیکی در قرن 14 میلادی هر ساعت یک دوازدهم دوره ی روشنایی روز بود و ساعت ها در زمستان کوتاهتر از تابستان بود . عدد 24 از گذشته های دور به یادگار مانده است و ممکن بود هر عدد دیگری باشد . مبنای شمارش در تمدن بابلی های باستان به جای ده که امروزه به کار می بریم شصت بود و تقسیم ساعت به 60 دقیقه و دقیقه به 60 ثانیه از آن جا سرچشمه گرفته است .

اولین ساعت ها :

طلوع و غروب خورشید اولین واحد های زمان برای بشر بودند . بلند و کوتاه شدن سایه های قطعات چوب، سنگ ها و درخت ها نیز برای بشر زمان را در روز نشان می دادند . با حرکت ستارگان آنها دارای یک نوع ساعت بسیار بزرگ شده بودند. بشر متوجه شده بود که در هنگام شب ستارگان مختلفی ظاهر می شوند . مصریان قدیم    

       بر اساس طلوع 12 ستاره ، شب را به 12 مرحله ی زمانی تقسیم کردند . آنها روز را نیز به 12 قسمت تقسیم کردند و شبانه روز 24 ساعت ما بر پایه ی تقسیمات شب و روز مصریان است . مصریان همچنین با قطعاتی از چوب همراه با عقربه ساعت های آفتابی می ساختند . این ساعت ها دارای 12 دوره ی زمانی برای تقسیم روز بوده و اولین ساعت های ساخته شده بودند . شکل بعدی و تکامل یافته ساعت ، بوسیله ی بشر که از آب و آتش استفاده می کرد ، ایجاد شد . یک شمع با فرو رفتگی هایی بر روی بدنه ، در هنگام سوختن از یک فرورفتگی تا فرورفتگی دیگر ، زمان را اندازه می گرفت . یک ظرف با سوراخ کوچکی در کف ، می تواند روی آب قرار گیرد . پس از گذشت زمان معین ظرف از آب پر شده و فرو می رود . در حدود 2000 سال پیش بشر ساعت دیگری را ساخت و آن عبارت بود از دو ظرف شیشه ای توخالی متصل به یکدیگر بطوریکه شن می توانست از یک ظرف به ظرف دیگر جاری شود . ظرف بالا با مقدار کافی شن که در عرض یک ساعت از سوراخ جاری می شد . در حدود 140 سال قبل از میلاد ، یونانیان و رومی ها از چرخ های دندانه دار برای اصلاح ساعت آبی استفاده کردند ،یک جسم شناور در یک ظرف دیگر قرار گرفته و با چکیدن آب به داخل ظرف ، این جسم بالا می رود . این جسم به یک چرخ دندانه دار وصل بوده و این چرخ عقربه ای را که روی درجات تعیین شده قرار داشت ، می -چرخاند.

سـاعت آبی:

در این نوع ساعت، از جریان یک نواخت آب استفاده میشده، به این ترتیب که داخل ظرف مدرج سوراخ دار را با آب پر میکردند که آب قطره قطره از سوراخ کوچک می چکیده، و با توجه بمقدار آب خروجی، زمان تا حدودی معلوم میشده است .

ساعت شنی یا ماسه ای:

از دو حباب شیشه ای چسبیده به هم تشکیل میشده که میان آن، سوراخ باریکی برایرد شدن شن یا ماسه تعبیه میکردند، تا شنها بتدریج از حباب بالا به حباب پایین جمع شود . بعد ظرف را وارونه میکردند و همان عمل تکرار میشد . با معلوم شدن تعداد دفعات جابجا شده شن ها در حبابها، حدود تقریبی زمان مشخص میگردید .

ساعت شمعی:

در این نوع ساعت، بدنه شمع مدرج می شد و با سوختن شمع و کوتاه شدن آن زمان را محاسبه می کردند.

اشکال جدیدتر ساعت :

با پیشرفت علم و دانش بشری، بتدریج ساعتهای دقیق تر مکانیکی، وزنه ای، فنردار، برقی، باطری دار و کامپیوتری جای ساعتهای آبی، آفتابی و ماسه ای را گرفتند . مخصوصا" از زمان استفاده انسان از فنر جهت راه انداختن چرخ های دندانه دار، که به ساعت شمار و دقیقه و حتی ثانیه شمار متصل هستند، سنجش دقیق زمان برای همه بطور ساده امکان پذیر گردید . در اوایل قرن شانزدهم اولین ساعت مچی آهنی، که نسبتا" زمخت بوده، توسط یکنفر آلمانی ساخته شد . بعدها اواخر قرن هجدهم با استفاده از فنر و چرخ دندانه های بسیار کوچک،امکان ساختن ساعتهای مچی ظریف بوجود آمد، بطوریکه اولین ساعتهای مچی شبیه ساعتهای امروزی، در کشور سوئیس «از سالهای 1790 به بعد» ساخته شد .
بین سالهای 1865 تا 1868 بزرگترین، حجیم ترین و جسیم ترین ساعت دیواری جهان، در کلیسای سن پیر در فرانسه نصب گردید ارتفاع ساعت 1/12 متر عرض آن 09/6 متر و ضخامتش 7/2 متر بوده که از 90000 قطعه تشکیل یافته . در مقابل بزرگترین ساعت، ظریف ترین ساعت دنیا فقط 98/0 میلی متر قطر دارد .

ساعت آفتابی :یکی از کهن ترین روشهای تشخیص زمان ، گردش روزانه خورشید در آسمان بود. رومیان ، روز را هشت قسمت می کردند و هر قسمت را یک ساعت می نامیدند. ساعتهای آنها در زمستان کوتاه و در تابستان طولانی بود. با استفاده از یک ساعت آفتابی به راحتی می توان زمان را از حرکت خورشید به دست آورد. یک میله که در جایی نصب شده باشد، سایه ایجاد می کند. در تمام مدت روز که خورشید در آسمان گردش می کند. مکان سایه نیز به آرامی عوض می شود. از مکان سایه می توان فهمید که ساعت چند است. پیش از اختراع ساعتهای ارزان قیمت امروزی ، بسیاری از مردم برای نگاه داشتن زمان از ساعتهای آفتابی استفاده می‌کردند.

دقیق ترین زمان سنج :

دو زمان سنج اتمی که در 1964 در آزمایشگاه پژوهشی نیروی دریایی آمریکا در شهر واشنگتن نصب شده اند ، دقیق ترین زمان سنج جهان به شمار می آیند . این دو زمان سنج که بر مبنای دوره ی انتقالی اتم هیدرژن ( 649/1420450751 سیکل در ثانیه ) عمل می کنند ، دارای خطای 1 ثانیه در 1700000 سال می باشند .

شب و روز:

خورشید هر روز از مشرق طلوع می کند و به آرامی بالا می آید. مسیر حرکت آن در آسمان به شکل یک نیم دایره است. پس از پیمودن این مسیر ، در افق فرو می رود. و شب آغاز می شود. زندگی انسان ، جانوران و گیاهان تحت تاثیر گردش شب و روز است. به هنگام روز ، برخی از جانواران استراحت می کنند و شب به جستجوی غذای خود می پردازند. انسان و برخی از جانوران عکس آنها عمل می کنند. با شروع روز بسیاری از گلها ، گلبرگهای خود را باز می کنند و شب آنها را می بندند.

عوامل پیدایش شب و روز:

در زمانهای قدیم ، مردم عقیده داشتند که خورشید واقعا در آسمان حرکت می کند و شب و روز به وجود می آورد. مثلا مصریان بر این باور بودند که خدای خورشید به نام «رع» ارابه آتشین خود را هر روز در آسمانها می راند. امروزه می دانیم که این خورشید نیست که حرکت می کند بلکه سیاره ما زمین ، مانند فرفره از غرب به شرق می چرخد. ما در اثر چرخش زمین تصور می کنیم که خورشید در آسمان حرکت می کند. هنگامی که یک بخش رو به خورشید قرار می گیرد، روز در آن آغاز می شود. در همان هنگام ، بخش دیگر زمین که رو به خورشید نیست در تاریکی فرو می رود. یک بار چرخش زمین به دور خود، یک شبانه روز است.

طولانی ترین مقیاس زمان : 

در تاریخ شماری و تقویم هندو مقیاسی به نام کالپا   (kalpa ) وجود دارد که معادل 4320 میلیون سال کره ی زمین است . در علم نجوم سال کیهانی مدت زمان یکبار گردش خورشید دور مرکز کهکشان راه شیری است . ( معادل 225 میلیون سال ما در کره ی زمین )       در اواخر دوره ی کرتاسه یعنی حدود 85 میلیون سال پیش ، سرعت چرخش زمین به دور خورشید بیشتر بود و از اینرو یک سال 3/370 روز را در بر می گرفت . در دوران کامبرین یعنی حدود 600 میلیون سال پیش ، یک سال 425 روز را شامل می شد.

کوتاهترین مقیاس زمان :

از آنجایی که نیروی کشندی ( جزر و مدی ) ماه طول روز را در کره ی زمین دچار نوسان می کند و در نتیجه در هر قرن یک ثانیه به طول روز اضافه می گردد ، لذا از سال 1960 به اینطرف در تعریف ثانیه برای مقیاس زمان تجدید نظر شد . در گذشته یک ثانیه معادل یک قسمت از 86400 قسمت میانگین یک سال خورشیدی بود حال آنکه اینک برابر یک قسمت از 31556925974 قسمت میانگین یک سال خورشیدی می باشد که از نقطه نظر تقویم نجومی سال 1900 میلادی به عنوان معیار انتخاب شده است .در آوریل 1982 چارلز چنگ موفق شد در آزمایشگاه بل در ایالت نیوجرزی در آمریکا یک ضربان نور لیزری تولید کند که زمان پایداری آن فقط 30 فمتو ثانیه بود . طول این ضربان نوری 9 میکرومتر یعنی 14 طول موج محاسبه گردید .      

روشنایی روز-صرفه جویی در زمان :

طی جنگ جهانی اول در بریتانیا و آمریکا ساعت ها را یک ساعت از زمان استاندارد جلوتر کشیدند . دلیل این کار استفاده از روشنایی روز برای کار و صرفه جویی در مصرف برق بود . جلو کشیدن ساعت برای افراد بسیار راحت تر است تا این که یک ساعت زودتر سر کار حاضر شوند . در بریتانیا هنوز در ماه های تابستان از ساعت تابستانی که یک ساعت جلوتر از ساعت گرینویچ است استفاده می شود . دولت روزی را که باید ساعت ها جلو یا عقب کشیده شود تعیین می کند.

پیکان زمان :

هنگامی که انسان می کوشید تا جاذبه ی گرانشی را با مکانیک کوآنتوم یکی کند باید نظریه ی «زمان موهومی » را نیز در آن دخالت می داد . زمان موهومی راستا و جهت های قابل تشخیصی در فضا ندارد . اگر کسی بتواند بر حسب زمان موهومی بسمت شمال برود الزاما باید بتواند به عقب برگشته و از جنوب سر درآورد ، به همین نحو اگر کسی بر حسب زمان موهومی بتواند به سمت جلو برود الزاما باید بتواند عقبگرد کرده و بسوی عقب برود . این به معنی آن است که در زمان موهومی بین سمت های پس و پیش تفاوت مهمی وجود ندارد . از سوی دیگر ، همانطور که همه می دانیم ، در « زمان حقیقی » بین سمت های جلو و عقب اختلاف فاحشی موجود است . قوانین علم بین گذشته و آینده تمایزی بوجود نمی آورد . با وجود این هنوز هم در زندگی معمولی ، بین راستاهای سمت جلو و سمت عقب در زمان حقیقی اختلاف بزرگی موجود است . برای توضیح بیشتر لیوانی را در نظر آورید که از روی میز بر کف زمین بیفتد و تکه تکه شود . اگر شما فیلمی از این واقعه برداشته و به نمایش بگذارید خواهید دید که قطعات لیوان به ناگاه روی زمین جمع شده و به صورت لیوان سالم و کاملی در آمده و بر روی میز پس می جهد . حتی اگر شما از جریان هم قبلا اطلاعی نداشته باشید باز می توانستید به سادگی بگویید که فیلم به عقب برگشته است زیرا چنین ماجرایی هرگز در زندگی معمولی سابقه ندارد . توضیحی که می توان به این پرسش داده می شود که چرا جمع و جور شدن تکه های لیوان از کف زمین و پس پرش آن بر روی میز به حقیقت نمی پیوندد و ما آن را نمی بینیم این است که چنین چیزی مخالف قانون دوم ترمودینامیک است . این قانون گویای آن است که پیوسته در هر سیستم بسته مقدار بی نظمی یا انتروپی نسبت به زمان افزایش می یابد . به عبارت دیگر این حالت شکلی از قانون مرفی می باشد که می گوید :« اشیاء همیشه تمایل به کجروی دارند ! » لیوان سالمی که بر روی میز قرار گرفته است نمایانگر حالتی از نظم غایی است ، ولی لیوان شکسته ای که بر کف زمین پراکنده شده است نمودار حالتی از بی نظمی است . افزایش بی نظمی یا انتروپی نسبت به زمان ، مثالی است از آنچه پیکان زمان نامیده می شود و چیزی است که گذشته را از آینده متمایز ساخته و سمت و جهتی به زمان می دهد . دستکم سه پیکان مختلف از زمان وجود دارند که عبارتند از : 1- پیکان ترمودینامیک زمان و آن سویی از زمان است که در آن بی نظمی یا انتروپی افزایش می یابد .     2- پیکان روانشناختی زمان و آن سویی است که ما گذشت زمان را در آن احساس می کنیم  و جهتی که ما گذشته را به یاد می آوریم و نه آینده را .   3- پیکان کیهان شناسی زمان و آن سویی از زمان است که کیهان در آن جهت بجای انقباض در حال انبساط است .

 

نسبیت انیشتین :

 انیشتین نشان داد که ثابت بودن سرعت نور توام با فرمول بندی دقیق تعاریف و اندازه گیریهای مربوط به مفاهیم بنیادی طول ، زمان و جرم چگونه در بررسی سرعت های نزدیک به سرعت نور به نتایج شگفت آوری منجر می شود . نتایج اساسی کشف انیشتین چنین است : اگر جسمی سرعت بگیرد و به سرعت نور نزدیک شود زمان اندازه گیری شده به وسیله ی ناظر ساکن با زمان اندازه گیری شده توسط شخصی که با آن جسم حرکت می کند متفاوت می شود . برای مثال اگر اتومبیلی بتواند با سرعت مثلا 90% سرعت نور حرکت کند ناظر ساکن در کنار جاده احساس می کند که ساعت نصب شده بر روی اتومبیل درست کار نمی کند . چرا که به نظر او این ساعت عقب می ماند . اما در اصل این ساعت نیست که کند می شود بلکه خود زمان کند می شود و اگر راننده خود زمان را اندازه گیری کند چیزی عجیب یا غیر عادی در ساعت خود نمی بیند . با وجود این هنگامی که اتومبیل به نقطه ی آغاز حرکت بازگردد و متوقف شود راننده ی آن ( بسته به اینکه چه مدتی در سفر بوده است ) از ناظری که ساکن بوده است چند دقیقه جوان تر خواهد بود .    اثر شگفت آور دیگر به طول جسمی که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می کند مربوط می شود . در همان مثال پیشین که اتومبیل مسابقه ای ما با سرعت 90 % سرعت نور حرکت می کند ناظر ساکن با کمال تعجب می بیند که طول اتومبیل کوتاهتر می شود و به نصف طول معمولی آن می رسد ، اتومبیل پهن تر نیز دیده می شود ، اما طول آن در راستای حرکت به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد . البته راننده اتومبیل هیچ چیز غیر عادی را احساس نمی کند . فیزیکدانان ، این اثر انقباض نسبیتی طول را نیز در آزمایشگاه اندازه گیری کرده اند . سومین اثر به جرم مربوط است . انیشتین نشان داد که جرم جسم متحرک از نظر ناظر ساکن به سرعت حرکت آن بستگی دارد . برای مثال اگر وزن اتومبیلی 500 کیلوگرم باشد هنگامی که سرعت اتومبیل به 90 % سرعت نور برسد وزن آن نیز دو برابر می شود و به 1000 کیلوگرم می رسد.اتساع زمان :   اثری که نظریه خاص ‌نسبیت ‌ پیشگوئی کرده است . ناظری گذشت زمان t را با ساعتی اندازه می‌گیرد که در سفر با خود همراه دارد. ناظر دیگری که با سرعت v نسبت به ناظر اول حرکت میکند ساعت مشابهی همراه دارد.به نظر ناظر اولی خواهد رسید که بر ساعت ناظر دوم زمان    سپری خواهد شد( C ‌سرعت نور‌ است ). این اثر فقط در ‌سرعتهای نسبیتی‌ نمایان می‌شود و فقط در حرکات بعضی ‌موئون‌ها، که عمری دارزتر از سرعت های نسبیتی دارند، مشهود شده است . اتساع زمان ناشی از گرانی زمین بسیار کوچک است  : ساعتی که روی سطح زمین جای دارد در قیاس با ساعتی که بسیار بالاتر از این سطح باشد ، تنها 1 در 10⁹ عقب می افتد . اما حتی این اثر های کوچک در محدوده ی دقت ساعت های اتمی بسیار دقیق هستند . در 1972 دانشمندان رصد خانه ی نیروی دریایی آمریکا با حمل ساعت های اتمی قابل حمل به ارتفاع حدود m10000 و مقایسه ی آنها با ساعت های همسانی در روی زمین اتساع گرانشی زمان را ثابت کردند . ساعت ها را جت های شرکت های هوایی بازرگانی حمل می کردند .- آزمایندگان تنها برای سفر دور دنیا با پان آمریکن ، تی دبلیو ای و هواپیمایی آمریکا بلیت خریدند . یکی سفر دور زمین به سوی شرق و یکی به سوی غرب داشتند و هر سفر حدود سه روز طول کشید که دو روز آن در آسمان گذشت . چهار ساعت باریکه ی سزیم را در این سفر همراه بردند . مقایسه ی مداوم این ساعت های مسافر حفاظی بود در مقابل جهش های ناگهانی کوچک که گهگاهی در ساعت های سزیم اتفاق می افتد . هنگامی که ساعت در سفر به زمین آورده شده و با ساعت رصد خانه ی نیروی دریایی آمریکا در شهر واشنگتن مقایسه شدند معلوم شد که حدود   ^7-10× 5/1s  جلو افتادند .  از اصل نسبیت فهمیدیم که ساعتی که نسبت به یک چارچوب مرجع لخت در حرکت است ، در مقایسه ی با ساعت های ساکن در آن چارچوب مرجع کند تر کار می کند .ضریب اتساع زمان  هنگامی که سرعت به سرعت نور نزدیک می شود به بی نهایت میل می کند . کند شدن آهنگ گذر زمان برای همه ی فرایند های فیزیکی صورت می گیرد – فرآیندهای اتمی ، هسته ای ، زیست -شناسی و ... . در سرعت های کم ، اثر اتساع زمان ناچیز است اما در سرعت های قابل مقایسه با سرعت نور ، کاملا بزرگ می شود .در واپاشی ذرات بنیادی کم عمر ، اثرات بسیار جدی اتساع زمان مشاهده شده است . برای مثال ذرات موئون دارای نیم عمر متوسطی در حدودs  ^6-10×2/2  هستند . اما اگر موئون ها با سرعت زیاد در آزمایشگاه حرکت کنند آنگاه فرآیندهای درونی که واپاشی را ایجاد می کنند ، کند خواهند شد و همان طور که ساعت های آزمایشگاه قضاوت می کنند ، موئون ها زمان طولانی تری زندگی می کنند . در تجارب دقیق تر که در آزمایشگاه شتابدهنده ی سازمان اروپایی تحقیقات هسته ای ترتیب داده شد ، دیده شده است که موئون هایی با تندی 94/99% سرعت نور دارای نیم عمر متوسطی هستند که 29 برابر بیشتر از نیم عمر موئون های ساکن است . در سرعت های روزمره اثر اتساع زمان بی اندازه کوچک است .  

محاسبه رابطه اتساع زمانی :

فرض کنید چارچوب با سرعت ثابت a نسبت به چارچوب S در امتداد محور x در حال حرکت است. ناظر واقع در مبدا چارچوب که با نشان می‌‌دهیم، نوری را که از چشمه‌ای به آینه‌ای که بالای سر اوست، می‌‌تاباند. فاصله آینه از شخص برابر d است و مدت زمان لازم برای رفت و برگشت نور برابر 'Δt است و لذا چون نور حرکت رفت و برگشت انجام می‌‌دهد، لذا طول مسیر برابر 2d است. فاصله زمانی مذکور برابر Δt'=2d/C خواهد بود که C سرعت نور است.اما زمان لازم برای رفت و برگشت مذکور در چارچوب S ، وقتی اندازه گیری می‌‌شود، مقدار دیگری را بدست می‌‌دهد که آن را با Δt مشخص می‌‌کنیم. در این مدت چشمه نسبت به S مسافت uΔt را طی کرده است و طول مسیر رفت و بر گشت برابر 2d نبوده، بلکه برابر 2 است و لذا خواهیم داشت:

از طرف دیگر بر اساس اصول نسبیت خاص باید سرعت نور برای هر دو ناظر یکسان باشد. بنابراین بعد از کمی ‌محاسبات ریاضی می‌‌توانیم رابطه بین Δt و 'Δt را به صورت زیر بیان کنیم:

      که رابطه ی اتساع زمان به این شکل در می آید :

یک مثال : اگر جسمی با سرعت 80 کیلومتر در ساعت حرکت کند اتساع زمان چقدر است ؟

       ابتدا باید سرعت نور را که بر حسب کیلوتر بر ثانیه است به کیلومتر بر ساعت تبدیل کنیم . سپس اعداد را جاگذاری کرده و حل می کنیم.( هر دو سرعت با یک مقیاس)

 

  

 

یعنی یک ثانیه تبدیل به حدود 99/0ثانیه تبدیل شده و زمان به اندازه 01/0 ثانیه کند گشته .

 نتایج اتساع زمانی :

برای دو رویداد که در یک نقطه از فضا واقع در چارچوب به فاصله 'Δt رخ داده‌اند، ∆t فاصله زمانی این دو رویداد در S را می‌‌توان از رابطه فوق حساب کرد. چون مخرج کسر کوچکتر از یک است (سرعت نور بالاترین سرعت است) لذا∆t همواره بزرگتر از 'Δt خواهد بود. لذا اگر ناظر در S آهنگ کارکرد ساعتی ساکن در را نیز اندازه بگیرد، آهنگ کارکرد این ساعت از نظر ناظر S از آهنگ کارکردی که برای آن در مشاهده می‌‌شود، کندتر خواهد بود. این اثر را اتساع زمانی می‌‌گویند. بنابراین ملاحظه می‌‌شود که دو رویدادی که در یک چارچوب همزمان هستند، در چارچوب دیگر همزمان نیستند

آیا اتساع زمان در زندگی روزمره قابل مشاهده است؟ :

اتساع زمان را در زندگی روزمره نمی‌‌توان احساس کرد، چون سرعتهایی که ما با آنها سر و کار داریم، به مراتب کمتر از سرعت انتشار نور هستند و لذا به راحتی مشاهده می‌‌شود که در چنین سرعتهایی مسئله اتساع زمان کاملا منتفی است. چون برای مشاهده اتساع زمانی در این مورد به یک ساعت اتمی ‌با دقتی در حدود 13-^10 نیاز داریم. البته لازم به ذکر است که با قرار دادن ساعتهای اتمی ‌‌در هواپیماهای جت این نتایج اثبات شده است و فقط در حد تئوری و نظریه نیست و از نظر تجربی نیز به تائید رسیده است.
دانشمندان با تحقیق در مورد تاثیر اتساع زمان بر طول عمر افراد متوجه شده اند

که افراد ورزشکار (حتی آنهایی که فقط پیاده روی می‌‌کنند) حدود کسر بسیار کوچکی از ثانیه بیشتر از سایر افراد عمر می‌‌کنند و کوچکی این کسر به دلیل سرعت کمی (نسبت به سرعت نور) است که آنها نسبت به دیگران دارند.

 ایجاد انحنا در بافت فضا - زمان در اثر اجسام مدور:

 دانشمندان ناسا اعلام کردند برای اولین بار توانسته اند به شواهد مستقیمی مبنی بر تأثیر گذاری اجسام مدور مانند زمین بر بافت فضا- زمان پیرامون خود دست پیدا کنند. این دانشمندان با اندازه گیری انجام شده توانسته اند انحنای ناشی از کشیده شدن بافت فضا توسط چرخش زمین را اندازه گیری کنند و نتیجه آن نظریه نسبیت عام انشتین را تأیید می کند. به گزارش خبرگزاری رویتر , یکبار دیگر نظریه انیشتین اثبات شد. دانشمندان در واشنگتن گفتند ماهواره هایی که به میزان کمی از مدار خود خارج شده اند نشان می دهند که زمین با چرخش خود بر بافت فضا- زمان تأثیر می گذارد. آنها گفتند این اولین بار است که بطور مستقیم این موضوع اندازه گیری شده است و یک جنبه بسیار مهم نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین را اثبات می کند. بنا به این نظریه گردش محوری اجسام در « بافت » تشکیل شده از سه بعد فضا و بعد چهارم زمان , انحنا به وجود می آورد. مایکل سالامون فیزیک دان ناسا در واشنگتن گفت با گردش زمین به دور خود در واقع بافت فضا- زمان را به سمت خود می کشد. هر چه به زمین نزدیکتر می شویم این انحنا بیشتر می شود. سالامون در مصاحبه تلفنی به خبرنگاران گفت « انحنای فضا- زمان تا کنون هرگز بصورت مستقیم مشاهده نشده بود.
« این اولین بار است که شواهد مستقیمی در مورد ایجاد انحنا در بافت فضا- زمان در اثر اجسام مدور بدست می آید.»
اریکاس پالویس از مرکز مشترک تکنولوژی سیستم زمین در ناسا و دانشگاه مریلند با همکاران خود مشاهده کردند هنگامی که دو ماهواره در دور زمین به چرخش در می آیند در اثر کشش ایجاد شده در فضا جابجا می شوند.
پالویس گفت « ما فاصله زمین تا ماهواره را با دقت سانتیمتر اندازه گرفته ایم. این تحقیقات در نشریه طبیعت گزارش شده است. ماهواره لاگئوس 1 متعلق به ناسا و ماهوار لاگئوس 2 که مشترکاً متعلق به ناسا و سازمان فضایی ایتالیا است هر دو مجموعه ای ساخته شده از فلز است که تعداد زیادی منعکس کننده روی آنها وجود دارد. منعکس کننده ها ردیابی و اندازه گیری آنها از زمین را ساده می کند.
مدارهای این ماهواره ها به گونه ای تنظیم شده اند که در جابجایی به مثابه ژیروسکوپ چرخشی عمل خواهند کرد. نظریه انیشتین پیش بینی می کند که یک جسم مدور در فضای نزدیک خود انحناء بوجود می آورد و باعث جابجایی جزئی در محور ژیروسکوپ ها می شود. پالویس گفت نمی شود ثابت کرد که نیروی دیگری بر ماهواره ها تأثیر نمی گذارد اما این نامحتمل است. او گفت نیرویی که طبق نسبیت عام تأثیر گذارد بایستی بسیار زیرک باشد. وی ما تمامی نیروهایی که می شناخته ایم را حذف کرده ایم. پالویس این تأثیر گذاری را به تأثیر چرخاندن یک قاشق در یک ظرف عسل تشبیه کرده است. او گفت به همین صورت چرخش زمین بافت فضا- زمان اطراف خود را می کشد. این مدار ماهواره های نزدیک زمین را نیز تغییر می دهد.

 

سفر در زمان:

یکی از جالبترین افکار بشر، ایده جابجایی در بعد زمان است. البته اگر از یک بعد دیگر به قضیه نگاه کنیم همه ما مسافر زمان هستیم. همین الان که شما این را میخوانید، زمان در حول و حوش و به پیش میرود و آینده به حال و حال به گذشته تبدیل میشود. نشانه اش هم رشد موجودات است. ما بزرگ میشویم و می میریم. پس زمان در جریان است.
بر طبق نظریه نسبیت اگر شیئ به سرعت نور نزدیک شود گذشت زمان برایش آهسته تر صورت میگیرد. بنابراین اگر بشود با سرعت بیش از سرعت نور حرکت کرد، زمان به عقب برگردد. مانع اصلی این است که اگر جسمی به سرعت نور نزدیک بشود جرم نسبی ان به بینهایت میل میکند؛ لذا نمی شود شتابی بیش از سرعت نور پیدا کرد. اما شاید یک روز این مشکل هم حل شود. بر خلاف نویسنده ها و خیالپردازها که فکر می کنند سفر در زمان باید با یک ماشین انجام شود، دانشمندان بر این عقیده هستند که اینکار به کمک یک پدیده طبیعی صورت می گیرد. در این خصوص سه پدیده مد نظر است: سیاهچاله های دوار، کرمچاله ها و ریسمانهای کیهانی.

سیاهچاله ماشینی برای سفر به زمان :

اگر یک ستاره چند برابر خورشید باشد و همه سوختش را بسوزاند، از آنجا که یک نیروی جاذبه قوی دارد لذا جرم خودش در خودش فشرده می شود و یک حفره سیاه رنگ مثل یک قیف درست می کند که نیروی جاذبه فوق العاده زیادی دارد طوری که حتی نور هم نمی تواند از آن فرار کند. اما این حفره ها بر دو نوع هستد. یک نوعشان نمی چرخند لذا انتهای قیف یک نقطه است. در آنجا هر جسمی که به حفره مکش شده باشه نابود میشود. اما یک نوع دیگر سیاهچاله نوعی است که در حال دوران است و برای همین ته قیف یک قاعده داره که به شکل حلقه است. مثل یک قیف واقعی است که ته آن باز است. همین نوع سیاهچاله است که می تواند سکوی پرتاب به آینده یا گذشته باشد. انتهای قیف به یک قیف دیگر به اسم سفیدچاله می رسد که درست عکس آن عمل می کند. یعنی هر جسمی را به شدت به بیرون پرتاب می کند. از همین جاست که می توانیم پا به زمان ها و جهان های دیگر بگذاریم.

کرم چاله ماشینی برای سفر به زمان  :

یک سکوی دیگر گذر از زمان است که می تواند در عرض چند ساعت ما را چندین سال نوری جابجا کند. فرض کنید دو نفر دو طرف یک ملافه رو گرفته اند و می کشند. اگر یک توپ تنیس بر روی ملافه قرار دهیم یک انحنا در سطح ملافه به سمت توپ ایجاد می شود. اگر یک تیله به روی این ملافه قرار دهیم به سمت چاله ای که آن توپ ایجاد کرده است می رود. این نظر انشتاین است که کرات آسمانی در فضا و زمان انحنا ایجاد می کنند؛ درست مثل همان توپ روی ملافه. حالا اگه فرض کنیم فضا به صورت یک لایه دوبعدی روی یک محور تا شده باشد و بین نیمه بالا و پایین آن خالی باشد و دو جرم هم اندازه در قسمت بالا و پایین مقابل هم قرار گیرند، آن وقت حفره ای که هر دو ایجاد می کنند می تواند به همدیگر رسیده و ایجاد یک تونل کند. مثل این که یک میانبر در زمان و مکان ایجاد شده باشد. به این تونل میگویند کرم چاله.
این امید است که یک کهکشانی که ظاهرا میلیون ها سال نوری دور از ماست، از راه یک همچین تونلی بیش از چند هزار کیلومتر دور از ما نباشد. در اصل می شود گفت کرمچاله تونل ارتباطی بین یک سیاهچاله و یک سفیدچاله است و می تواند بین جهان های موازی ارتباط برقرار کند و در نتیجه به همان ترتیب می تواند ما را در زمان جابجا کند

ریسمان های کیهانی ماشینی برای گذر به زمان:   

آخرین راه سفر در زمان ریسمانهای کیهانی است. طبق این نظریه یک سری رشته هایی به ضخامت یک اتم در فضا وجود دارند که کل جهان را پوشش می دهند و تحت فشار خیلی زیادی هستند. این ها هم یک نیروی جاذبه خیلی قوی دارند که هر جسمی را سرعت می دهند و چون مرزهای فضا- زمان را مغشوش می کند لذا می شود از آنها برای گذر از زمان استفاده کرد.

نقدی برای بررسی سفر به زمان :

حالا این ها رو گفتیم ولی چند اشکال در این کار است. اول اینکه اصلا نفس تئوری سفر در زمان یک پارادوکس است. پارادوکس یا محال نما یعنی چیزی که نقض کننده(نقیض) خودش در درونش است. یک مثال دیگر این است که اگر من در زمان به عقب برگردم , به تاریخی که هنوز بدنیا نیامده بودم، پس چطور می توانم آنجا باشم. یا مثلا اگر برگردم و پدربزرگ خودم را بکشم پس من چطور بوجود آمده ام؟ یک راه حلی که برای این مشکل پیدا شده است، نظریه جهان های موازی است. طبق این نظریه امکان دارد چندین جهان وجود داشته باشد که مشابه جهان ماست اما ترتیب وقایع در آنها فرق می کند. پس وقتی که به عقب برمی گردیم در یک جهان دیگر وجود داریم نه در جهانی که در آن هستیم. طبق این نظریه بینهایت جهان موازی وجود دارد و ما هر دست کاری که در گذشته انجام بدهیم یک جهان جدید پدید می آید.

 منابع :  

    کتابهای : دایره المعارف انکاترا ، بیشتر به من بگو چرا ، نجوم کروی ، ساختار ستارگان و کهکشان ها ، دانش نامه ی کودکان و نوجوانان آکسفورد ، فیزیک اهانیان ، فرهنگ لغات فرهنگ ، ترین ها 2001 و تاریخچه زمان ( از انفجار بزرگ تا سیاهچاله ها )

سایت های :  رشد ، سیمرغ ، ناتیلوس و iranpressnews