من الصعب إيجاد تعريف مجرد "للزمن" - وقد آلت كل المحاولات حتى الآن لتعريف الزمن إلى الاستدلال بكلمة "الزمن نفسها، أو أدت إلى الدخول في متاهات لغوية لتجنب هذا التعريف وبدلاً من سلوك هذا الطريق يمكن أن نلجأ إلى وجهة نظر براغماتية لنعرف الزمن بأنه الشيء الذي تقيسه الساعة. وسيحيل هذا الأمر مشكلة التعريف إلى التعريف بكلمة "الساعة" ؛ وهنا يمكن أن نفكر بشكل غير دقيق في أن الساعة هي الجهاز الذي تحدث به حركة دورانية تامة الانتظام، وتقيس الزمن بعد عدد الدورات التي تحدثها ساعتنا. وتخضع الساعات المألوفة مثل ساعات اليد لمثل هذا التعريف فللأخيرة عقارب تتحرك في دورات منتظمة، وما نفعله في الواقع هو أننا نحسب الزمن المنصرم بعدد الدورات أو كسورها التي تحدثها العقارب بين أحداث مختارة.

ومن الطبيعي أن يتضمن معنى دورات حركة تامة الانتظام مفهوماً عن الزمن، حيث أن كلمة منتظمة تشير إلى فترات زمنية متساوية لكل دورة. ومن منطلق عملي، فإننا نتعامل مع هذا الأمر . عبر بناء ساعات من مكونات فيزيائية بسيطة، نتوقع لها – على أساس متين – أن تقوم بحركات حلقية متكررة لا تتغير بأي شكل من الأشكال من حلقة إلى أخرى. وما ساعات أجدادنا ذات البندول الذي يتأرجح يميناً ويساراً، والساعات الذرية التي تقوم على مبدأ تكرار العمليات الذرية إلا أمثلة بسيطة لذلك . وهدفنا هو فهم كيف تؤثر الحركة في مرور الزمن.

وحيث أننا قد عرفنا الزمن عملياً بمعلومية الساعات فإننا يمكن أن نحول سؤالنا إلى كيف تؤثر الحركة في دقات الساعة؟ ومن الأهمية أن نؤكد في البداية على أن نقاشنا لا يهتم بكيفية سلوك العناصر الميكانيكية لساعة معينة تجاه الاهتزاز والاصطدام اللذين ينتجان من الحركة المضطربة ، لكننا سنهتم في الواقع بأكثر أنواع الحركات بساطة وأكثرها هدوءًا - الحركة بسرعة ثابتة بشكل مطلق - ولذا لن يكون هناك أي اهتزاز أو اصطدام بتاتاً. وبالأحرى سنهتم بالسؤال الكوني عن كيفية تأثير الحركة في مرور الزمن وكيف أنها بذلك تؤثر في دقات أي وكل الساعات بصرف النظر عن تصميم أو بناء معين.

 وسنعرض هنا لهذا الغرض أكثر الساعات بساطة من حيث المفهوم (غير أنها أكثرها بعداً عن كونها عملية). وتعرف هذه الساعة بالساعة الضوئية"، وتتكون من مرآتين صغيرتين محمولتين على سنادة إحداهما في مواجهة الآخرى، وبينهما فوتون وحيد يتأرجح جيئة وذهاباً. فإذا كانت المرآتان على بعد ست بوصات فسيستغرق الفوتون حوالي جزء من مليار من الثانية ليكمل دورة كاملة (من الثانية). ويمكن أن نتخيل أن دقات الساعة الضوئية تحدث كل مرة يكمل فيها الفوتون دورته - وبذا فإن مليار دقة تعني مرور ثانية واحدة.

 ويمكن استخدام الساعة الضوئية كساعة إيقاف لقياس الزمن المنصرم بين حادثين : وببساطة نقوم بعد الدقات التي حدثت خلال الفترة المعنية ونضربها في زمن كل دقة. فمثلاً إذا كنا نسجل زمن سباق للخيل ونعد دورات الفوتون بين بداية السباق ونهايته وكانت 55 ملياراً، فيمكن القول إن السباق قد استغرق 55 ثانية.

الشكل رقم 1

تتكون الساعة الضوئية من مرآتين متوازيتين يتراقص بينهما فوتون. و"تدق الساعة كلما أكمل الفوتون دورة كاملة.

الشكل رقم (2)

ساعة ضوئية ساكنة في مقدمة الشكل بينما الساعة الضوئية الأخرى تنزلق بسرعة ثابتة.

والسبب وراء استخدام الساعة الضوئية في نقاشنا هو أن بساطتها الميكانيكية جانباً التفاصيل غير الجوهرية. وبذا فإنها تزودنا بما يكشف بأوضح ما يمكن كيفية تأثير الحركة في مرور الزمن. وحتى ندرك ذلك، لنتخيل أننا نراقب في تراخ مرور الزمن وذلك بالنظر إلى ساعة ضوئية تدق فوق منضدة مرتبة. وفجأة تبدأ ساعة ضوئية أخرى في الانزلاق على المنضدة بسرعة ثابتة). والسؤال المطروح هنا هو ما إذا كانت الساعة الضوئية المتحركة ستدق بنفس المعدل مثل الساعة الضوئية الساكنة؟

وللإجابة عن هذا السؤال، لنأخذ في اعتبارنا المسار الذي يجب أن يتخذه الفوتون في الساعة المنزلقة - وذلك من منظورنا - ليحدث دقة واحدة، يبدأ الفوتون مساره عند قاعدة الساعة الضوئية المنزلقة كما في الشكل رقم (2-2) متجها إلى المرآة العليا وحيث أن الساعة تتحرك من منظورنا، فإن الفوتون لابد أن ينتقل بزاوية كما هو مبين في الشكل رقم (2-3). فإذا لم ينتقل الفوتون عبر هذا المسار فإنه سيخطئ المرآة العليا ويضيع في الفراغ. وحيث أنه من حق الساعة المنزلقة - الحق كل الحق - أن تدعي أنها ساكنة بينما كل شيء حولها يتحرك، فإننا نعرف أن الفوتون سيصطدم بالمرآة العليا، وبذا فإن المسار الذي رسمناه له صحيح. ينعكس الفوتون على المرآة العليا وينتقل مرة أخرى في مسار قطري ليصطدم بالمرآة السفلى لتدق الساعة المنزلقة والنقطة البسيطة لكنها أساسية هي أن المسار القطري المزدوج الذي نرى الفوتون يقطعه أطول من المسار العمودي من أسفل وأعلى الذي يتخذه الفوتون في الساعة الساكنة، ويجب أن يقطع الفوتون في الساعة المنزلقة مسافة في الاتجاه الأيمن بالإضافة إلى المسافة التي يقطعها من أسفل وأعلى، وذلك من منظورنا، والأكثر من ذلك فإن ثبات سرعة الضوء ينبئنا أن فوتونات الساعة المنزلقة تنتقل بنفس سرعة فوتونات الساعة الساكنة. وحيث أن على فوتونات الساعة المنزلقة أن تنتقل مسافة أبعد لإحداث دقة واحدة، فإن معدل دقاتها سيكون أقل. ويوضح هذا الجدل البسيط كيف أن الساعة الضوئية المتحركة من منظورنا تدق أبطأ من الساعة الضوئية الساكنة، وحيث أننا كنا قد اتفقنا على أن عدد الدقات يعكس مباشرة كم مضى من الزمن، فإننا سنرى مرور الزمن قد صار أبطأ بالنسبة للساعة المتحركة.

الشكل رقم (3)

فوتون الساعة المنزلقة ينتقل في مسار قطري من منظورنا .

وقد تتساءل عما إذا كان ذلك يعكس فقط بعض السمات الخاصة للساعات الضوئية ولا ينطبق على ساعات أجدادنا أو ساعات رولكس وهل سيتباطأ الزمن المقيس بهذه الساعات المألوفة كذلك؟ والإجابة هنا هي نعم مدوية، كما هو واضح من تطبيق مبدأ النسبية لنضع ساعة رولكس على كل من الساعتين الضوئيتين ونعيد إجراء التجارب السالفة مرة أخرى وكما سبق أن ناقشنا فإن الساعة الضوئية الساكنة وساعة رولكس الموضوعة فوقها ستبينان انقضاء زمنين متماثلين بحيث تقابل كل مليار دقة من الساعة الضوئية ثانية واحدة في ساعة رولكس لكن ما هو الحال بالنسبة للساعة الضوئية المتحركة وساعة رولكس الموضوعة فوقها؟ وهل سيتباطأ معدل دقات ساعة رولكس لتتزامن مع | الضوئية الموضوعة فوقها؟ حسناً، وحتى نقوي من اقتناعنا بهذه النقطة، فلنتخيل أن الساعة الضوئية وساعة رولكس المرتبطة بها تتحركان لأنهما مثبتتان في أرضية عربة قطار بلا نوافذ ينزلق على القضبان في خط مستقيم تماماً وبنعومة فائقة وسرعة ثابتة. ولا توجد وسيلة تبعاً لمبدأ النسبية يستطيع أن يتحقق بها أي راصد داخل القطار من أي تأثير لحركة هذا القطار. لكن إذا فقدت الساعتان الضوئية ورولكس تزامنهما فسيكون لذلك تأثيراً ملحوظاً بالتأكيد. وهكذا فإن الساعة الضوئية المتحركة وساعة رولكس المثبتة عليها لابد أن تسجلا نفس الفترة الزمنية، أي أن ساعة رولكس لابد أن تتباطأ بنفس الشكل الذي تتباطأ به الساعة الضوئية. وبدون النظر إلى النوع أو الماركة أو التركيبة، فإن الساعات التي تتحرك بعضها بالنسبة لبعض تسجل مرور الزمن بمعدلات مختلفة. كما أن المناقشات حول الساعة الضوئية توضح كذلك أن الفرق الدقيق في

الزمن بين الساعة الساكنة والساعة المتحركة يعتمد على طول المسافة التي يجب أن يقطعها فوتون الساعة المنزلقة ليكمل بها كل دورة ويعتمد ذلك بدوره على سرعة حركة الساعة المنزلقة - من وجهة نظر راصد ،ساكن، فكلما ازدادت سرعة انزلاق الساعة كلما بعدت المسافة التي يجب على الفونون قطعها في اتجاه اليمين. ونستنتج من ذلك أن معدل دقات الساعة المنزلقة بالنسبة للساعة الساكنة لابد أن يصبح أقل فأقل كلما تحركت أسرع فأسرع .

وللإحساس بالمقياس المستخدم نلاحظ أن الفوتون يقطع دورة كاملة في حوالي جزء من مليار من الثانية، وحتى تتمكن الساعة من الانتقال مسافة معقولة في الزمن الذي تستغرقه دقة واحدة فلا بد وأن تنتقل بسرعة مذهلة – أي بكسر ملحوظ من سرعة الضوء. ولو كانت تنتقل بسرعة اعتيادية أكثر مثل عشرة أميال في الساعة، فإن المسافة التي ستقطعها في اتجاه اليمين في زمن دقة واحدة في غاية الضالة - حوالى 15 جزء من المليار من القدم فقط، وتصبح المسافة الزائدة ان التي يجب يقطعها الفوتون المنزلق ضئيلة جداً، وبالتالي فإن تأثيرها في معدل دقات الساعة المتحركة سيكون هو الآخر ضئيلاً جداً، ومرة أخرى، وبناء على مبدأ النسبية، فإن هذا الأمر صحيح لكل الساعات - أو بمعنى آخر للزمن نفسه. وهذا هو السبب في أن الكائنات - مثلنا - التي تنتقل بعضها بالنسبة لبعض بمثل تلك السرعات البطيئة لا تدرك التغيرات في مرور الزمن، فالتأثيرات جد ضئيلة على الرغم من تأكدنا من وجودها ومن جهة أخرى، إذا استطعنا أن نتعلق ممسكين بالساعة المنزلقة ونتحرك معها بسرعة تماثل ثلاثة أرباع سرعة الضوء مثلاً، فإنه يمكن استخدام معادلات النسبية الخاصة لتوضيح أن الراصدين ! الساكنين سيشاهدون ساعتنا المتحركة تدق بمعدل يساوي تقريباً ثلثي معدل دقات ساعتهم، وهو بالتأكيد تأثير بين.

مواضيع ذات صلة

النسبية العامة في مواجهة ميكانيكا الكم

المكان والزمان وعين الراصد

هل هي موجة أم جسيمة؟

الحاجة إلى نظرية جديدة النسبية العامة في مواجهة ميكانيكا الكم

الحركة خلال الزمكان (Spacetime)

تموجات في نسيج الزمكان: حين لحقت الجاذبية بالضوء (حل التناقض)

مرة أخرى اعوجاج الزمان(حين يتباطأ الزمن تحت ثقل الجاذبية)

التسارع واعوجاج المكان والزمان

عن الاعوجاجات والتموجات( في الزمكان )

أكثر أفكار آينشتاين إشراقاً

(الانشغال بالحياة) تأثير الحركة القريبة من سرعة الضوء على معدل انحلال الميونات وفق النسبية الخاصة

نظرية النسبية