اتساع زمان؛ چرا در هواپیما کُندتر پیر می‌شوید

فرارو- کریس لینتوت؛ اخترفیزیکدان، نویسنده و برنامه ساز بریتانیایی است. او استاد اختر فیزیک در گروه فیزیک در دانشگاه آکسفورد است. تحقیقات او بر تکامل کهکشان‌ها و کاربرد مدل‌های نجومی شکل گیری ستاره‌ها در کهکشان‌های فراتر از راه شیری به ویژه استفاده از ترکیبات گوگردی به عنوان نشانه ستاره‌هایی که در حال شکل گیری هستند متمرکز بوده است. لینتوت در تعدادی از پروژه‌های علمی محبوب با هدف آموزش مفاهیم نجوم به مخاطبان عادی شرکت داشته و مجری اصلی سریال تلویزیونی "آسمان در شب" در بخش جهانی شبکه خبری بی بی سی بود. لینتوت یکی از اعضای انجمن سلطنتی نجوم بریتانیاست. در سال ۲۰۱۱ میلادی جایزه آن انجمن به دلیل "تعامل عالی با جامعه در مورد مسائل علمی و بعد اجتماعی آن" به لینتوت اعطا شد. لینتوت در سال ۲۰۱۳ میلادی جایزه جامعه اینترنت آکسفورد به دلیل "کمک برجسته به تحقیقات و در دسترس قرار دادن مجموعه داده‌های بزرگ آنلاین برای شهروندان" اعطا شد. او در سال ۲۰۱۴ جایزه بئاتریس ام تینزلی را برای "بینش و خلاقیت در درگیر کردن غیر دانشمندان در تحقیقات پیشرفته و ایجاد رویکردی دگرگون کننده نسبت به علم" دریافت کرد.

به گزارش فرارو به نقل از بخش جهانی شبکه خبری بی بی سی، در سال ۱۹۷۱ میلادی "جوزف هیفل" فیزیکدان و "ریچارد کیتینگ" اخترشناس با چهار ساعت اتمی سزیمی سوار بر خطوط هوایی تجاری پرواز کردند. آن‌ها دو بار دور دنیا پرواز کردند یک بار به سمت شرق و یک بار به سمت غرب و ساعت‌ها را با ساعت‌های دیگری که در رصدخانه نیروی دریایی ایالات متحده قرار داشتند مقایسه نمودند. وقتی این ساعت‌ها کنار یکدیگر قرار گرفتند سه مجموعه ساعت با یکدیگر اختلاف داشتند و این اختلاف با پیش بینی‌های نسبیت عام و نسبیت خاص همخوانی داشت. در واقع، نکته قابل توجه آن بود که ساعت‌ها مخالف بودند: عمل سفر ظاهرا گذر زمان را تغییر داده بود.

این آزمایش آزمایشی برای یک اصل اساسی نظریه نسبیت اینشتین بود که زمان جهانی نیست. هر چه سریع‌تر سفر کنید زمان کم تری برای شما می‌گذرد. اثر آن کوچک است. اگر از لندن به نیویورک با یک پرواز ترنس آتلانتیک بروید و ساعت شما یک ده میلیونیوم ثانیه از ساعتی که روی زمین باقی مانده است فاصله خواهد داشت، اما با این وجود شما نسبت به زمانی که در خانه می‌ماندید قدری کُندتر پیر خواهید شد و هیفل و کیتینگ می‌توانستند آن را اندازه گیری کنند.

یکی دیگر از پیش‌بینی‌های نسبیت اشاره می‌کند که گرانش نیز تاثیر دارد. اگر از کشش گرانشی زمین دورتر شوید زمان سرعت بیشتری خواهد گرفت. این ویژگی بر روی بدن ما تاثیر می‌گذارد بدان معنا که سر شما قدری بزرگتر از پا‌های شماست. بار دیگر می‌بینید که تاثیر فوق العاده کوچک است، اما در فواصل بیش‌تر از زمین اهمیت پیدا می‌کند. سیستم GPS که همه ما برای جابجایی و حمل و نقل به آن وابسته هستیم با ماهواره‌های آن در ۲۰ هزار کیلومتری بالاتر از سطح زمین باید این موضوع را در نظر بگیرد تا بتواند به درستی کار کند.

علیرغم این پدیده‌ها زمین در نهایت سیاره‌ای کوچک در یک کیهان بزرگ است. در اطراف سیاه چاله‌ها اجرام عظیمی که کشش گرانشی آن‌ها از هر سیاره‌ای کوتوله‌ها را می‌کِشد این اثرات نسبیتی به مراتب بارزتر می‌شوند.

برای درک دلیل آن تصور کنید که به سمت یک سیاهچاله سقوط می‌کنید. فرض می‌کنیم در یک فضاپیمای جادویی هستید که شما را از اثر ناراحت کننده "اسپاگتی شدن"* مصون می‌دارد کشش انتهایی که برای هر چیزی که خیلی به سیاهچاله نزدیک شود رخ می‌دهد. زمانی که سقوط می‌کنید هیچ تفاوتی از نظر زمانی برای خود یا اطرافیان نزدیک تان احساس نمی‌کنید. با نگاه کردن به ساعت یا احساس نبض خود همان ضربان ثابتی را که ثانیه به ثانیه نزدیک به عذاب تقریبا قطعی می‌شوید درک می‌کنید. اگر ابزار فضاپیمایتان به شما اجازه می‌دهد به عقب نگاه کنید تا جهان را در خارج از سیاهچاله مشاهده کنید. در آن صورت ممکن است متوجه چیز عجیبی شوید به نظر می‌رسد که رویداد‌های خارج از آنجا در حال سرعت گرفتن هستند. اگر می‌توانستید زمین را از طریق تلسکوپ تماشا کنید آینده سیاره و گونه‌های ما را مشاهده می‌کردید که برای لذت بردن شما به نمایش در می‌آیند مانند یک فیلم سریع تر. اگر می‌توانستید سیگنال تلویزیونی بگیرید قادر بودید سایر برنامه‌های بشریت را نیز تماشا کنید البته زمانی که تکامل خورشید به یک غول سرخ به سرعت سیاره را می‌بلعید.

اکنون دیدگاه را تغییر دهید. تصور کنید در یک ایستگاه فضایی هستید که در فاصله‌ای مطمئن از سیاهچاله در حال چرخش هستید و سقوط همکار شجاع یا بدبخت خود را تماشا می‌کنید. لبه سیاهچاله مانند آنچه که هست افق رویداد است نقطه‌ای که حتی اشیاء در آن سفر با سرعت نور نمی‌توانند فرار کنند و منطقی به نظر می‌رسد که انتظار داشته باشیم دوست در حال عقب نشینی ما به این نقطه برسد و سپس ناپدید شود. چیزی که شما واقعا می‌بینید عجیب‌تر است اگر آنان برای ما دست تکان دهند ما شاهد تکان‌های آهسته‌تر آن‌ها خواهیم بود، زیرا در عمق چاه گرانشی سیاهچاله فرو می‌روند. به نظر می‌رسد ساعتی که در قسمت بیرونی فضاپیمای آنان نصب شده است در مقایسه با ساعتی که به طور ایمن در ایستگاه ما نصب شده کُندتر کار می‌کند.

این اثر در فیلم "میان ستاره ای" (Interstellar) به نمایش درآمده جایی که فضانوردانی که سیاره‌ای در نزدیکی یک سیاهچاله را کاوش کرده اند ظاهر می‌شوند تا جهان تغییر یافته‌ای را بیابند که بدون آنان حرکت کرده است. همان طور که فیلم نشان می‌دهد این پرسش که آیا زمان گذراندن نزدیک سیاهچاله یا دورتر از آن زمان درست است پرسشی منطقی نیست. نسبیت به ما می‌گوید که چنین چیزی وجود ندارد. این فیلم هم چنین به دلیل دقت علمی و به تصویر کشیدن اختر فیزیک نظری از سوی بسیاری از ستاره شناسان مورد تحسین قرار گرفت.

اگرچه ما هرگز این را از بیرون نخواهیم دید، اما مسافر محکوم به فنای ما در نهایت از افق رویداد سیاهچاله عبور خواهد کرد مرزی که هیچ نوری یا هیچ چیز دیگری نمی‌تواند از آن عبور کند. این نقطه بدون بازگشت است و فراتر از آن مسافر مجبور می‌شود به سمت مرکز سیاهچاله برود. این بدان معناست که تجربه آن‌ها از زمان می‌تواند اساسا تغییر کند و حتی ممکن است بتوانند در زمان به عقب و جلو حرکت کنند.

علت آن چیست؟ در زندگی معمولی مان با خیال راحت خارج از سیا‌هچاله می‌توانیم هر طور که دوست داریم در سه بعد فضا حرکت کنیم، اما باید بی‌وقفه در بعد چهارم به سمت جلو حرکت کنیم: زمان. با این وجود، در افق رویداد یک سیاهچاله، همه چیز به سوی عقب در حال حرکت است. یک فضانورد مجبور می‌شود بی وقفه در فضا به سمت مرکز سیاهچاله سفر کند که به این معنی است که برخی فکر می‌کنند ممکن است بتوانند در زمان حرکت کنند. از این نظر یک سیاهچاله می‌تواند مانند ماشین زمان عمل کند و به هر کسی که به اندازه کافی شجاع باشد اجازه می‌دهد وارد شود تا به زمان‌هایی مدت‌ها قبل از عبور از افق رویداد به زمان ایجاد خود سیاهچاله بازگردد سفر کند.

تنها نکته آن است که تا آنجا که ما می‌توانیم بگوییم هیچ راهی برای خروج از سیاهچاله وجود نخواهد داشت. بنابراین، هیچ مسافر زمانی از آینده نمی‌تواند از این ترفند برای آمدن و دیدن ما در اینجا در سطح زمین استفاده کند. با این وجود، درک آن چه ممکن است و تفکر در مورد این که چگونه سیاهچاله‌ها فضا و زمان اطراف خود را دستکاری می‌کنند می‌تواند دقیق‌ترین آزمون‌های نظریه‌های اینشتین را در اختیار فیزیکدانان قرار دهد و ممکن است به درک عمیق تری از آن چه که ما آن را زمان می‌نامیم منجر شود.

*اتساع زمان یا فراخش زمان یکی از مفاهیم فیزیکی مربوط به نظریه نسبیت خاص آلبرت اینشتین است که مبنی بر پایه نسبیت این گونه بیان می‌شود که از دید دو ناظر با سرعت متفاوت گذر زمان متفاوت بررسی می‌شود.
* در اخترفیزیک اثر اسپاگتی یا اثر نودل کشیدگی عمودی و فشردگی افقی اجسام به گونه‌ای است که به اجسامی دراز و نازک (شبیه اسپاگتی) در یک میدان گرانشی بسیار قوی و غیر یکنواخت تبدیل شوند. اثر اسپاگتی بر اثر نیروی‌های بسیار بزرگ کشندی ایجاد می‌شود. در موارد باشدت بسیار بالا نزدیک سیاهچاله‌ها کشیدگی به اندازه‌ای بالاست که هیچ جسمی نمی‌تواند آن را تاب بیاورد و اهمیتی ندارد که اجزا آن جسم چه اندازه مستحکم باشند در ناحیه‌ای کوچک فشردگی افقی و کشیدگی عمودی به تعادل می‌رسند به گونه‌ای که اجسام کوچکی که اسپاگتی می‌شوند تغییر حجم خالصی ندارند.