تويت
مفارقة التوأمين : كيف يمكن إختبارها بدون استخدام مركبة فضائية ؟، دعك من الحديث عن كريمات التجميل وصبغات الشعر، إن كنت تريد أن تبقى شابا، خذ سفينة فضائية تسير بسرعة كبيرة. هذا ما أخبرنا به أينشتاين في النظرية النسبية قبل أكثر من قرن والمعروفة بـ “مفارقة التوأمين The Twin Paradox”.
Credit: andertoons, CC BY
افترض وجود توأمين كانا متشابهين في كل شيء، الأول بقى على الأرض، أما الآخر فقد سافر إلى نجم بعيد وعاد بسرعة هائلة تقارب سرعة الضوء.
حين يتقابلان، سنجد أنّ الأول الذي ظلّ على الأرض سيكون قد شاخ أكثر بكثير من الآخر. هذا بسبب ما وصفة أينشتاين بظاهرة تمدد الزمان.
لقد توقع أن الساعات التي تعيش تسارعات مختلفة ستقيس الزمن بإختلاف عن بعضهم البعض. قد يبدو هذا الشي محيّرًا ولكن تمّ اختبار آثار تمدد الزمن هذا في المختبرات عدة مرات، وتؤخذ هذه الظاهرة في الاعتبار بشكل روتيني من قبل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
يستطيع الـGPS تزويدك بمكانك عن طريق الحفاظ على تناغم إشارات الأقمار الصناعيّة بدقة عالية جدًا، ولهذا عليها الأخذ في الإعتبار ظاهرة تمدد الزمن بسبب تسارع الأقمار الصناعية المختلفة.
بالرغم من أنّ نظام تحديد المواقع العالمية (GPS) يعتبر من أدق الأنظمة البشرية إلا أنه يحدد موقع هاتفك الذكي مع هامش خطأ بضعة أمتار.
ولتحسين هذه الدقة يمكن استخدام أحد أكثر الساعات دقةً على الأرض – الساعة الكمية، لأنها تخضع لقوانين ميكانيكا الكمّ. هناك خطط من وكالات الفضاء لوضع هذه الساعات في المدارات.
من الطبيعي القول بأنّ نظام GPS يتكوّ، من ساعات كمية سيحتاج لأخذ آثار النسبية في الإعتبار. لكن يجب الوضع في الاعتبار آثار النسبية.
ولكن حتى الآن لا يستطيع العلماء أن يفهموا بشكل كامل كيفية الجمع بين ميكانيكا الكم والنسبية بنظرية شامله في واحدة من أكبر التحديات التي تواجه العلم الحديث.
التشابك الكمومي
توقع البعض في سبعينات القرن الماضي وجود ظاهرة فيزيائية تجمع معا ميكانيكا الكم والنسبية تسمى تأثير ديناميكا كازيمير (Dynamical Casimir Effect)، ولكن لم يتمّ تطوير تجربة تختبر هذا التوقع حتى عام 2011.
هذا ما تتوقعه النظرية: إذا تمّ محاصرة الضوء بين مرايا تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء فسيتم توليد ضوء أكثر مما يوجد من بداية التجربة، حتى ولو لم يكن هناك ضوء في بداية التجربة، فإن الضوء سيظهر لأن المرآة تحول الفراغ الكمي إلى جزيئات.
من المفترض أن يحدث هذا لأن الفراغ الكمي مثل بحر مُكوّن من أزواج من الجسيمات التي تبعث وتمتص الضوء بشكلٍ مستمر وبسرعة كبيرة.
يفعلون هذا بسرعات هائلة، ولكن إن كانت المرايا تتحرك بهذه السرعة أيضا قد تظهر بعض هذه الجسيمات وتنعكس على المرايا قبل أن تختفي فنتمكن من ملاحظتها. لكن التكنولوجيا المطلوبة للقيام بمثل هذه التجربة صعبة جدًا.
في 2011، تم التغلب على هذه الصعوبة التي أجراها أحد الباحثين في السّويد.
في هذه الحالة، كانت المرايا مختلفة؛ كانت مجالات مغناطيسية بداخل جهاز فيرومتري كمي فائق الموصلية (SQUID)، ولكنها كانت كالمرايا بالضبط، جاعلةً الضوء يرتد بين جانبين. بعكس المرايا، هذه المجالات يمكن تحريكها في سرعات هائلة.
اعتاد أينشتاين التفكير في الزمن على أنه ضوء يتحرك ويرتد بين المرايا، فيمكن قياس الزمن عن طريق قياس المسافة بين المرايا وبالقسمة على سرعة الضوء، لكن لم يخطر بباله الجسيمات التي يتم إنشائها من الحركة. هذا التوقع الذي ظهر بعد وفاته.
في بحث جديد، استلهم باحثون من تجربة 2011، فاقترحوا تجربة مشابهة لاختبار الأوجه المختلفة من مفارقة التوأمين باستخدام نظام فيزيائي والتي لم يتم إختبارها حتى الآن.
مع أنها لن تتضمن توأمين بشريين، إلا أنّ إحتمالية الوصول إلى سرعات وتسارعات هائلة يسمح بملاحظة تمدد الزمن في مسافات قصيرة.
أيضًا كل التجارب السابقة التي اختبرت النظرية تضمنت ساعات ذرية، مما يعني أن ما يقيس الزمن في هذه الساعات محدود في نقطة صغيرة في المكان.
في التجربة الجديدة المفترضة، سيتم استخدام شيء له طول محدد. هذا أمر مهم، لأن نسبية أينشتاين تتوقع تغيّر طول الأشياء مع الزمن أيضًا. يعتقد الباحثون أن هذه التجربة ستتيح إختبار هذا الجزء من النظرية لأول مرة.
لقد وجد العلماء أنّ خلق الجسيمات من الحركة، والتي تمّ ملاحظتها في تجربة 2011، له أثر في الفرق بين الوقت في الساعة المتحركة والأخرى الثابتة.
في التجربة الجديدة المفترضة، بينما سيمكن تأكيد وجود ظاهرة تمدد الزمن مرة أخرى، التطبيق الأكثر إثارة للاهتمام سيكون المساعدة في بناء ساعات كمّيّة أفضل، من خلال الفهم الأفضل للتفاعل بين الآثار الكمية والنسبية.
Credit: andertoons, CC BYافترض وجود توأمين كانا متشابهين في كل شيء، الأول بقى على الأرض، أما الآخر فقد سافر إلى نجم بعيد وعاد بسرعة هائلة تقارب سرعة الضوء.
حين يتقابلان، سنجد أنّ الأول الذي ظلّ على الأرض سيكون قد شاخ أكثر بكثير من الآخر. هذا بسبب ما وصفة أينشتاين بظاهرة تمدد الزمان.
لقد توقع أن الساعات التي تعيش تسارعات مختلفة ستقيس الزمن بإختلاف عن بعضهم البعض. قد يبدو هذا الشي محيّرًا ولكن تمّ اختبار آثار تمدد الزمن هذا في المختبرات عدة مرات، وتؤخذ هذه الظاهرة في الاعتبار بشكل روتيني من قبل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
يستطيع الـGPS تزويدك بمكانك عن طريق الحفاظ على تناغم إشارات الأقمار الصناعيّة بدقة عالية جدًا، ولهذا عليها الأخذ في الإعتبار ظاهرة تمدد الزمن بسبب تسارع الأقمار الصناعية المختلفة.
بالرغم من أنّ نظام تحديد المواقع العالمية (GPS) يعتبر من أدق الأنظمة البشرية إلا أنه يحدد موقع هاتفك الذكي مع هامش خطأ بضعة أمتار.
ولتحسين هذه الدقة يمكن استخدام أحد أكثر الساعات دقةً على الأرض – الساعة الكمية، لأنها تخضع لقوانين ميكانيكا الكمّ. هناك خطط من وكالات الفضاء لوضع هذه الساعات في المدارات.
من الطبيعي القول بأنّ نظام GPS يتكوّ، من ساعات كمية سيحتاج لأخذ آثار النسبية في الإعتبار. لكن يجب الوضع في الاعتبار آثار النسبية.
ولكن حتى الآن لا يستطيع العلماء أن يفهموا بشكل كامل كيفية الجمع بين ميكانيكا الكم والنسبية بنظرية شامله في واحدة من أكبر التحديات التي تواجه العلم الحديث.
التشابك الكمومي
توقع البعض في سبعينات القرن الماضي وجود ظاهرة فيزيائية تجمع معا ميكانيكا الكم والنسبية تسمى تأثير ديناميكا كازيمير (Dynamical Casimir Effect)، ولكن لم يتمّ تطوير تجربة تختبر هذا التوقع حتى عام 2011.
هذا ما تتوقعه النظرية: إذا تمّ محاصرة الضوء بين مرايا تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء فسيتم توليد ضوء أكثر مما يوجد من بداية التجربة، حتى ولو لم يكن هناك ضوء في بداية التجربة، فإن الضوء سيظهر لأن المرآة تحول الفراغ الكمي إلى جزيئات.
من المفترض أن يحدث هذا لأن الفراغ الكمي مثل بحر مُكوّن من أزواج من الجسيمات التي تبعث وتمتص الضوء بشكلٍ مستمر وبسرعة كبيرة.
يفعلون هذا بسرعات هائلة، ولكن إن كانت المرايا تتحرك بهذه السرعة أيضا قد تظهر بعض هذه الجسيمات وتنعكس على المرايا قبل أن تختفي فنتمكن من ملاحظتها. لكن التكنولوجيا المطلوبة للقيام بمثل هذه التجربة صعبة جدًا.
في 2011، تم التغلب على هذه الصعوبة التي أجراها أحد الباحثين في السّويد.
في هذه الحالة، كانت المرايا مختلفة؛ كانت مجالات مغناطيسية بداخل جهاز فيرومتري كمي فائق الموصلية (SQUID)، ولكنها كانت كالمرايا بالضبط، جاعلةً الضوء يرتد بين جانبين. بعكس المرايا، هذه المجالات يمكن تحريكها في سرعات هائلة.
اعتاد أينشتاين التفكير في الزمن على أنه ضوء يتحرك ويرتد بين المرايا، فيمكن قياس الزمن عن طريق قياس المسافة بين المرايا وبالقسمة على سرعة الضوء، لكن لم يخطر بباله الجسيمات التي يتم إنشائها من الحركة. هذا التوقع الذي ظهر بعد وفاته.
في بحث جديد، استلهم باحثون من تجربة 2011، فاقترحوا تجربة مشابهة لاختبار الأوجه المختلفة من مفارقة التوأمين باستخدام نظام فيزيائي والتي لم يتم إختبارها حتى الآن.
مع أنها لن تتضمن توأمين بشريين، إلا أنّ إحتمالية الوصول إلى سرعات وتسارعات هائلة يسمح بملاحظة تمدد الزمن في مسافات قصيرة.
أيضًا كل التجارب السابقة التي اختبرت النظرية تضمنت ساعات ذرية، مما يعني أن ما يقيس الزمن في هذه الساعات محدود في نقطة صغيرة في المكان.
في التجربة الجديدة المفترضة، سيتم استخدام شيء له طول محدد. هذا أمر مهم، لأن نسبية أينشتاين تتوقع تغيّر طول الأشياء مع الزمن أيضًا. يعتقد الباحثون أن هذه التجربة ستتيح إختبار هذا الجزء من النظرية لأول مرة.
لقد وجد العلماء أنّ خلق الجسيمات من الحركة، والتي تمّ ملاحظتها في تجربة 2011، له أثر في الفرق بين الوقت في الساعة المتحركة والأخرى الثابتة.
في التجربة الجديدة المفترضة، بينما سيمكن تأكيد وجود ظاهرة تمدد الزمن مرة أخرى، التطبيق الأكثر إثارة للاهتمام سيكون المساعدة في بناء ساعات كمّيّة أفضل، من خلال الفهم الأفضل للتفاعل بين الآثار الكمية والنسبية.