آیا میزان جاذبه بر گذر زمان اثر دارد؟

شاید این موضوع بیشتر به مسائل علمی تخیلی شبیه باشد، اما دانشمندان تاکنون مفهومی موسوم به «اعوجاج زمان» را شناسایی کرده‌اند. اعوجاج زمان در حقیقت پدیده‌ای است که جریان زمان را با کند کردن و یا سرعت بخشیدن به آن تغییر می‌دهد. جالب است بدانید که فیزیکدان‌ها بیش از صد سال است که به این مفهوم پی برده‌اند.

در سال ۱۹۰۵ آلبرت اینشتین نظریه نسبیت خاص خود را منتشر کرد؛ نظریه‌ای که مطابق آن جاذبه یک ویژگی از خمیدگی فضا – زمان است. بر اساس این نظریه هر چیزی که دارای جرم است می‌تواند در زمان تغییر ایجاد نماید.

اتساع زمان گرانشی چیست؟

اتساع زمان مفهومی است که در بسیاری از فیلم‌های علمی تخیلی دیده می‌شود؛ از جمله در بازی اورسون اسکات کارت (Orson Scott Card) در فیلم «بازی تمام‌کننده‌ها» (Ender’s Game) که در آن یک شخصیت با گذشت پنجاه سال روی زمین، تنها هشت سال در فضا پیر می‌شود. این دقیقا همان سناریوی آزمایش معروف پارادوکس دوقلو (Twin Paradox) است که بر اساس آن یک فضانورد که برادر یا خواهری دوقلو دارد، با یک فضاپیمای پرسرعت به فضا سفر می‌کند. او پس از بازگشت به خانه متوجه می‌شود که برادر یا خواهرش سریع‌تر از او پیر شده است.

درباره جهان‌های موازی چه می‌دانید؟ این مقاله را از دست ندهید؛ ما در این مقاله موضوع چالش‌برانگیز و جذاب جهان‌های موازی را به صورت علمی مورد بررسی قرار داده‌ایم.

تفاوت گذر زمان در زمین و فضا

اتساع زمان به نظریه نسبیت خاص اینشتین برمی‌گردد که مطابق آن حرکت در فضا تغییراتی را در جریان زمان ایجاد می‌کند؛ هرچه سریع‌تر در سه بعدی که فضای فیزیکی را تعریف می‌کنند حرکت کنید، در بعد چهارم یعنی زمان، کندتر حرکت می‌کنید (حداقل نسبت به یک شی دیگر). زمان برای فردی که در فضا حرکت کرده و کسی که روی زمین مانده است، به طور متفاوتی اندازه‌گیری می‌شود و اگر بتوانید نزدیک به سرعت نور سفر کنید، تأثیر آن بسیار واضح‌تر خواهد بود.

برخلاف پارادوکس دوقلو، اتساع زمان یک آزمایش فکری یا یک مفهوم فرضی نیست، بلکه امری واقعی است. طی آزمایشی مشهور به هافله-کیتینگ (Hafele–Keating) در سال ۱۹۷۱ که طی آن دو ساعت اتمی بر روی هواپیماهای در حال حرکت در جهت مخالف یکدیگر نصب شده بودند، این موضوع ثابت شد.

تاثیر حرکت نسبی قابل اندازه‌گیری بود و بین دو ساعت اختلاف زمان ایجاد کرد. چنین امری در آزمایش‌های فیزیکی دیگر نیز تایید شده است؛ برای مثال تجزیه ذرات میون (Moun) در حالت سکون و قبل از تجزیه، عمر بسیار کوتاهی در حدود ۲.۲ میکرو ثانیه دارند. با این حال، به دلیل نسبیت خاص، آن‌ها در هنگام سفر با سرعت بالا دارای عمر طولانی‌تری هستند.

اما در تعریف این مفهوم در کل باید گفت که به طور طبیعی٬ اجسام بزرگتر تغییر بیشتری در جریان زمان ایجاد می‌کنند. سیاه‌چاله‌ها که میلیاردها بار از خورشید بزرگترند، دارای وزن بسیار زیادی هستند؛ به‌این‌معنا که ظرفیت اعوجاج زمانی بسیار بالایی دارند. به‌دلیل اینکه جاذبه سیاه‌چاله باعث بسط زمان می‌شود (اتساع زمان گرانشی)، از دید یک ناظر بیرونی، زمان در نزدیکی سیاه‌چاله کندتر از نقاط دورتر سپری می‌گردد.

گذر زمان در فضا؛ زمان در فضا چگونه می‌گذرد؟

با‌این‌وجود، اگر می‌خواهید سفری به گذشته داشته باشید باید بدانید که یک سیاه‌چاله مانند ماشین زمان عمل نمی‌کند! در حقیقت، پس از گذر از نقطه‌ای مشخص به‌نام افق رویداد (Event Horizon) برای شما و هر چیزی که به‌همراه دارید دیگر راه بازگشتی نیست؛ حتی نور! نکته قابل ذکر اینکه دلیل نامگذاری سیاه‌چاله هم همین مسئله است که شدت جاذبه اجازه بازگشت نور را نیز نمی‌هد.

خورشید و زمین هم می‌توانند زمان را در مقیاس‌های قابل‌توجهی بسط دهند. در سال ۲۰۰۷ ماهواره ناسا به‌نام گرویتی پروب بی (Gravity Probe B) با مشاهده اینکه زمین چگونه فضای اطراف خود را تغییر می‌دهد٬ نظریه نسبیت عام را با دقت ۹۹ درصد به‌اثبات رساند. اینشتین در این نظریه گرانش را کاملا بر مبنای هندسه فضا و زمان شرح می‌دهد.

یک مثال عینی برای رابطه جاذبه و زمان

برای روشن‌تر شدن موضوع فرض کنید در قله کوهی بسیار مرتفع زندگی می‌کنید و دوست شما در کنار یک دریا اقامت دارد؛ جایی که کشش جاذبه قوی‌تر است و در حقیقت زمان کندتر می‌گذرد. در این حالت شما زودتر از دوستتان پیر می‌شوید. البته باید بگوییم که شما نمی‌توانید متوجه این تسریع در گذر عمر خود شوید، چرا که چنین تفاوتی بسیار ناچیز و در نتیجه نامحسوس است.

حرکت کردن با سرعت زیاد نیز می‌تواند موجب انبساط زمان شود. بر طبق نظریه نسبیت خاص، هر چه با سرعت بیشتری حرکت کنید، زمان کندتر می‌گذرد. این اعوجاج زمان که دلیلش سرعت و جاذبه است در زندگی روزانه ما، هر بار که از جی‌پی‌اس تلفن همراه خود برای مکان‌یابی استفاده می‌کنیم، دیده می‌شود.

در همین رابطه بخوانید: جاذبه و اثری که بر بدن انسان می‌گذارد+فیلم

ماهواره‌های جی‌پی‌اس مجهز به ساعت‌های فوق‌العاده دقیقی هستند که بسته به فاصله‌شان از زمین، سرعت‌های مختلفی دارند. آن‌ها همچنین دارای یک سرعت متفاوت هستند که به حرکت ماهواره مربوط می‌شود. برای اینکه جی‌پی‌اس بتواند موقعیت شما را به‌طور دقیق گزارش کند، ماهواره‌ها هنگام محاسبه زمان باید هر دو نسبیت عام و خاص را در نظر بگیرند.

البته باید گفت که این اعوجاج زمان به‌واسطه اجسام بزرگ، دقیقا آن سفر در زمانی نیست که نویسندگان داستان‌های علمی تخیلی به نوشتن درباره آن علاقه‌مندند. اینکه راه‌های دیگری برای اعوجاج زمان وجود دارد یا خیر، چندان محتمل به‌نظر نمی‌رسد. بااین‌حال، برخی فرضیه‌های ضعیف دیگر نیز در این مورد توسط دانشمندان مطرح شده است.

بنیامین شلر (Benjamin Shlaer)، پژوهشگر فیزیک در دانشگاه اوکلند (University of Auckland) نیوزیلند، می‌گوید: «اجماع ما بر این است که این راه‌حل‌های بسیار عجیب مرتبط با نظریه نسبیت عام که شامل ماشین‌های زمان می‌شوند در جهان واقعی تقریبا غیرممکن است.»

کرمچاله و موضوع سفر در زمان

باهمه‌این‌ها فرضیه‌های دیگری نیز وجود دارند که مطابق آنچه گفته شد محتمل به‌نظر نمی‌رسند. یکی از این نظریه‌ها مربوط به کرم‌چاله است؛ یک پل فرضی که ماده و نور می‌تواند از آن عبور کند و به‌واسطه‌ خمیدگی فضا ایجاد شده است. بر طبق نظرات بعضی از محققان، این کرمچاله‌ها در جهان اولیه در اندازه‌های بسیار کوچک وجود داشته‌اند، اما ظاهرا ناپایدار بوده و به‌سرعت فرو ریخته‌اند.

برای اینکه یک کرم‌چاله واقعا بتواند مانند سفر در زمان عمل کند، به نوعی مواد غیرمعمول نیاز است. برای تثبیت و پایدار ساختن یک کرم‌چاله در چنین فرضیه‌ای، نیازمند شکل ناشناخته‌ای از ماده هستیم که اساسا با هر آنچه که محیط اطراف شما را تشکیل می‌دهد، متفاوت است. این فرضیه به فشار و جرم منفی احتیاج دارد؛ چیزی که دانشمندان تاکنون ندیده‌اند و انتظار هم نمی‌رود که در آینده‌ نزدیک کشف شود.

در همین رابطه بخوانید: دانشمندان در تلاش برای ایجاد جاذبه مصنوعی در سفرهای فضایی+فیلم

فرضیه دیگر در مورد رشته‌های کیهانی (Cosmic Strings) است. رشته‌های کیهانی، مجراهای فرضی از انرژی هستند که در صورت وجود، بسیار کوچکند. مطابق این فرضیه، دو رشته که به‌نظر می‌رسد با سرعت زیادی از یکدیگر می‌گذرند، می‌توانند در زمان تغییرات عجیبی به‌وجود آورند؛ مانند ایجاد خمیدگی‌های بسته در فضا-زمان که قادرند مثل ماشین‌های زمان عمل کنند. بااین‌حال، شما به مقدار بی‌نهایتی از انرژی نیاز دارید؛ چرا که باید به این رشته‌ها آن‌قدر سرعت بدهید تا چنین اثری را مشاهده کنید.

مطابق گفته‌های بنیامین شلر، اگر امیدی برای یافتن موضوعات غیرمعمول یا اعوجاج زمان در آینده وجود داشته باشد، احتمالا از طریق کیهان‌شناسی رصدی (Observational Cosmology) بتوان به نتیجه رسید. کیهان‌شناسی رصدی به مطالعه ساختار، تکامل و منشا کیهان از طریق مشاهده با استفاده از ابزارهایی مانند تلسکوپ و آشکارساز پرتوهای کیهانی است.