همه چيز درباره زمان

 

 

زمان دوره اي است كه يك عمل يا يك رويداد رخ مي دهد .از هر چيزي كه تغييرات منظم دارد مي توان براي سنجش زمان استفاده كرد .  زمان مانند طول و جرم يك مفدار بنيادي در فيزيك است و بعد چهارم آن محسوب مي شود . براي اندازه گيري زمان سه روش موجود است . دو روش اول بر مبناي حركت روزانه ي زمين به دور محورش است . اين روش ها به وسيله ي حركت ظاهري خورشيد در آسمان ( زمان خورشيدي ) يا حركت ظاهري ستارگان در آسمان     ( زمان نجومي ) تعيين مي شود . روش سوم اندازه گيري زمان مبني بر دوران كامل زمين به دور خورشيد ( زمان زيجي ) است .

زمان خورشيدي :

حركت ظاهري خورشيد از عرض آسمان براي مدت هاي طولاني براي اندازه گيري زمان استفاده مي شد . در تمام مكان ها وقتي كه خورشيد به بالاترين نقطه ي آسمان مي رسيد ظهر محسوب مي شود . اين نقطه نصف النهار است . فاصله ي ميان گذر پياپي خورشيد از عرض نصف النهار يك روز است و اين روز طبق عادت به 24 ساعت تقسيم شده است .طول روز مطابق با خورشيد در تمام سال يكسان نيست . اين متغير بودن به دليل بيضوي بودن مدار زمين و ميل دايرةالبروج نسبت به معدل النهار ( استواي آسمان ) است . اين اختلاف گاهي به 16 دقيقه هم مي رسد . با اختراع ساعتي دقيق در قرن 17 اين اختلاف معني دار شد . به اين ترتيب زمان خورشيدي  ( كه مبني بر حركت فرضي خورشيد با سرعت هموار در سراسر سال مي باشد )  اختراع شد .  

زمان استاندارد :

نيم روز هر محل زماني است كه خورشيد به بالاترين نقطه خود در آسمان رسيده باشد . هنگامي كه مردم ساكن در نقاط غربي يك محل هنوز به نيمه ي روز نرسيده اند ساكنان نقاط شرقي عصر را از سر گذرانده اند . با چرخش زمين نقاط مختلف از شرق به غرب به ترتيب به نيمه روز مي رسند . زمان استاندارد ( كه مبني بر زمان خورشيدي است ) در سال 1883 طي موافقت نامه اي بين المللي براي پرهيز از پيچيدگي  كه در اثر استفاده ي هر جامعه از ساعت محلي خود بوجود آمده بود معرفي شد . طي اين موافقت نامه زمين به 24 ناحيه ي زماني دسته بندي شدكه هر ناحيه 15 درجه ي طول جغرافيايي را به خود اختصاص مي دهد. كه اين تقسيم بندي يك تقسيم بندي طبيعي است زيرا سياره ي زمين با سرعت 15 درجه در ساعت به دور خودش مي گردد.منطقه ي اصلي نصف النهار صفر درجه است كه از رصدخانه ي سلطنتي گرينويچ در انگلستان مي گذرد. مناطق زماني ديگر بر حسب فاصله از غرب يا شرق گرينويچ دسته بندي شد . در هر منطقه ي زماني تمام ساعت ها يك عدد را نشان مي داد . در سال 1966 كنگره ي آمريكا از تصويب نامه ي زماني متحدالشكل كه باعث بنا شدن 8 منطقه ي زماني براي آمريكا و متصرفاتش شده بود اجتناب كرد . در سال 1983 چندين   كرانه ي منطقه ي زماني تغيير كرد و به همين دليل آلاسكا كه قبلا تحت پوشش 4 منطقه ي زماني بود تحت پوشش يك منطقه ي واحد در آمد . در كشتيراني ساعت ها معمولا زمان محلي گرينويچ را كه ميانگين زمان گرينويچ (GMT) مي گويند نشان مي دهند . منجمان اين سيستم را با نام زمان جهاني (UT) به كار مي برند .

زمان نجومي :

مكان اصلي آن اعتدال بهاري ( يك مكان خيالي در آسمان كه با صحت زياد توسط منجمان اندازه گيري مي شود ) است. موقعيت اعتدال بهاري توسط ستارگان ثابت تعيين مي شود . (يك روز نجومي زماني آغاز مي شود كه فلان ستاره ي معين از يك نصف النهار عبور مي كند و درست در لحظه اي كه همان ستاره دوباره از همان نقطه عبور مي كند اين روز به پايان ميرسد . اين روز 23 ساعت و 56 دقيقه و 09/4 ثانيه است كه 4 دقيقه كوتاهتر از روز خورشيدي متوسط است)زمان خورشيدي را كه مبني بر مكان ستاره ها است را زمان نجومي مي گويند . ساعتي را كه براي اندازه گيري زمان نجومي تنظيم شده باشد را ساعت نجومي گويند . رصد خانه ي نيروي دريايي آمريكا در واشنگتن از جدول هاي رياضي براي نتيجه گرفتن زمان خورشيدي ميانگين از زمان نجومي ميانگين استفاده مي كند. زمان خورشيدي ميانگين بدين گونه داراي خطاهايي در حد 1 در ميليون است . بين ساعت خورشيدي ميانگين و ساعت نجومي اختلافي وجود دارد كه اين اختلاف به دليل چرخش هم زمان زمين به دور خود و به دور خورشيد به وجود مي آيد . مطابق با زمان نجومي ميانگين زمين بعد از 365 روز و 6 ساعت و 9 دقيقه و 54/9 ثانيه و مطابق با زمان خورشيدي ميانگين زمين بعد از 365 روز و 5 ساعت و 48 دقيقه و 5/45 ثانيه به اعتدال بهاري برميگردد . اين اختلاف 20 دقيقه و 04/24 ثانيه مي باشد.

زمان زيجي :

زمان خورشيدي ميانگين و زمان نجومي ميانگين هيچ كدام صحيح نيستند . كه اين به دليل نامنظم بودن حركت زمين در مدارش است. اختلاف در سرعت چرخش زمين به مقدار 1 يا 2 ثانيه در سال مي رسد . مجموع اين اختلاف در 200 سال گذشته به 30 ثانيه رسيد بعلاوه سرعت حركت زمين رفته رفته به ميزان 1000/1 در ثانيه در هر 100 سال كاهش مي يابد.بعضي از اين دگرگوني ها مي توانند به حساب بيايند اما دگرگوني هايي كه نامنظم هستند نمي توانند به حساب بيايند.اين اشكالات در سال 1940 با معرفي زمان زيجي كنار گذاشته شد . زمان زيجي به طور عمده توسط منجمان براي محاسبه ي دقيق محل سيارات و ستاره ها استفاده مي شود. زمان زيجي مبني بر دوران سالانه ي كامل زمين به دور خورشيد است.عصر زمان زيجي 4 ثانيه  ديرتر از عصر زمان جهاني است .بنابر اين زمان زيجي هر لحظه با فرمول زير براي طول ميانگين هندسي خورشيد تعريف مي شود :

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

 

        در اينجا T  زمان زيجي است كه بر حسب قرن ژولياني برابر 36525 روز زيجي ، از عصر بنيادي اندازه گيري مي شود .
به واسطه ي استفاده از جدول رياضي زمان زيجي تبديل به زمان خورشيدي ميانگين شد.

 

روز و ساعت :

 

روز مهمترين دوره ي زماني براي انسان هاست . روز به 24 ساعت مساوي تقسيم مي شود . البته ساعت هاي روز هميشه مساوي نبودند . قبل از بكارگيري ساعت هاي مكانيكي در قرن 14 ميلادي هر ساعت يك دوازدهم دوره ي روشنايي روز بود و ساعت ها در زمستان كوتاهتر از تابستان بود . عدد 24 از گذشته هاي دور به يادگار مانده است و ممكن بود هر عدد ديگري باشد . مبناي شمارش در تمدن بابلي هاي باستان به جاي ده كه امروزه به كار مي بريم شصت بود و تقسيم ساعت به 60 دقيقه و دقيقه به 60 ثانيه از آن جا سرچشمه گرفته است .

اولين ساعت ها :

طلوع و غروب خورشيد اولين واحد هاي زمان براي بشر بودند . بلند و كوتاه شدن سايه هاي قطعات چوب، سنگ ها و درخت ها نيز براي بشر زمان را در روز نشان مي دادند . با حركت ستارگان آنها داراي يك نوع ساعت بسيار بزرگ شده بودند. بشر متوجه شده بود كه در هنگام شب ستارگان مختلفي ظاهر مي شوند . مصريان قديم    

       بر اساس طلوع 12 ستاره ، شب را به 12 مرحله ي زماني تقسيم كردند . آنها روز را نيز به 12 قسمت تقسيم كردند و شبانه روز 24 ساعت ما بر پايه ي تقسيمات شب و روز مصريان است . مصريان همچنين با قطعاتي از چوب همراه با عقربه ساعت هاي آفتابي مي ساختند . اين ساعت ها داراي 12 دوره ي زماني براي تقسيم روز بوده و اولين ساعت هاي ساخته شده بودند . شكل بعدي و تكامل يافته ساعت ، بوسيله ي بشر كه از آب و آتش استفاده مي كرد ، ايجاد شد . يك شمع با فرو رفتگي هايي بر روي بدنه ، در هنگام سوختن از يك فرورفتگي تا فرورفتگي ديگر ، زمان را اندازه مي گرفت . يك ظرف با سوراخ كوچكي در كف ، مي تواند روي آب قرار گيرد . پس از گذشت زمان معين ظرف از آب پر شده و فرو مي رود . در حدود 2000 سال پيش بشر ساعت ديگري را ساخت و آن عبارت بود از دو ظرف شيشه اي توخالي متصل به يكديگر بطوريكه شن مي توانست از يك ظرف به ظرف ديگر جاري شود . ظرف بالا با مقدار كافي شن كه در عرض يك ساعت از سوراخ جاري مي شد . در حدود 140 سال قبل از ميلاد ، يونانيان و رومي ها از چرخ هاي دندانه دار براي اصلاح ساعت آبي استفاده كردند ،يك جسم شناور در يك ظرف ديگر قرار گرفته و با چكيدن آب به داخل ظرف ، اين جسم بالا مي رود . اين جسم به يك چرخ دندانه دار وصل بوده و اين چرخ عقربه اي را كه روي درجات تعيين شده قرار داشت ، مي -چرخاند.

سـاعت آبي:

در اين نوع ساعت، از جريان يك نواخت آب استفاده ميشده، به اين ترتيب كه داخل ظرف مدرج سوراخ دار را با آب پر ميكردند كه آب قطره قطره از سوراخ كوچك مي چكيده، و با توجه بمقدار آب خروجي، زمان تا حدودي معلوم ميشده است .

ساعت شني يا ماسه اي:

از دو حباب شيشه اي چسبيده به هم تشكيل ميشده كه ميان آن، سوراخ باريكي برايرد شدن شن يا ماسه تعبيه ميكردند، تا شنها بتدريج از حباب بالا به حباب پايين جمع شود . بعد ظرف را وارونه ميكردند و همان عمل تكرار ميشد . با معلوم شدن تعداد دفعات جابجا شده شن ها در حبابها، حدود تقريبي زمان مشخص ميگرديد .

ساعت شمعي:

در اين نوع ساعت، بدنه شمع مدرج مي شد و با سوختن شمع و كوتاه شدن آن زمان را محاسبه مي كردند.

اشكال جديدتر ساعت :

با پيشرفت علم و دانش بشري، بتدريج ساعتهاي دقيق تر مكانيكي، وزنه اي، فنردار، برقي، باطري دار و كامپيوتري جاي ساعتهاي آبي، آفتابي و ماسه اي را گرفتند . مخصوصا" از زمان استفاده انسان از فنر جهت راه انداختن چرخ هاي دندانه دار، كه به ساعت شمار و دقيقه و حتي ثانيه شمار متصل هستند، سنجش دقيق زمان براي همه بطور ساده امكان پذير گرديد . در اوايل قرن شانزدهم اولين ساعت مچي آهني، كه نسبتا" زمخت بوده، توسط يكنفر آلماني ساخته شد . بعدها اواخر قرن هجدهم با استفاده از فنر و چرخ دندانه هاي بسيار كوچك،امكان ساختن ساعتهاي مچي ظريف بوجود آمد، بطوريكه اولين ساعتهاي مچي شبيه ساعتهاي امروزي، در كشور سوئيس «از سالهاي 1790 به بعد» ساخته شد .
بين سالهاي 1865 تا 1868 بزرگترين، حجيم ترين و جسيم ترين ساعت ديواري جهان، در كليساي سن پير در فرانسه نصب گرديد ارتفاع ساعت 1/12 متر عرض آن 09/6 متر و ضخامتش 7/2 متر بوده كه از 90000 قطعه تشكيل يافته . در مقابل بزرگترين ساعت، ظريف ترين ساعت دنيا فقط 98/0 ميلي متر قطر دارد .

ساعت آفتابي :يكي از كهن ترين روشهاي تشخيص زمان ، گردش روزانه خورشيد در آسمان بود. روميان ، روز را هشت قسمت مي كردند و هر قسمت را يك ساعت مي ناميدند. ساعتهاي آنها در زمستان كوتاه و در تابستان طولاني بود. با استفاده از يك ساعت آفتابي به راحتي مي توان زمان را از حركت خورشيد به دست آورد. يك ميله كه در جايي نصب شده باشد، سايه ايجاد مي كند. در تمام مدت روز كه خورشيد در آسمان گردش مي كند. مكان سايه نيز به آرامي عوض مي شود. از مكان سايه مي توان فهميد كه ساعت چند است. پيش از اختراع ساعتهاي ارزان قيمت امروزي ، بسياري از مردم براي نگاه داشتن زمان از ساعتهاي آفتابي استفاده مي‌كردند.

دقيق ترين زمان سنج :

دو زمان سنج اتمي كه در 1964 در آزمايشگاه پژوهشي نيروي دريايي آمريكا در شهر واشنگتن نصب شده اند ، دقيق ترين زمان سنج جهان به شمار مي آيند . اين دو زمان سنج كه بر مبناي دوره ي انتقالي اتم هيدرژن ( 649/1420450751 سيكل در ثانيه ) عمل مي كنند ، داراي خطاي 1 ثانيه در 1700000 سال مي باشند .

شب و روز:

خورشيد هر روز از مشرق طلوع مي كند و به آرامي بالا مي آيد. مسير حركت آن در آسمان به شكل يك نيم دايره است. پس از پيمودن اين مسير ، در افق فرو مي رود. و شب آغاز مي شود. زندگي انسان ، جانوران و گياهان تحت تاثير گردش شب و روز است. به هنگام روز ، برخي از جانواران استراحت مي كنند و شب به جستجوي غذاي خود مي پردازند. انسان و برخي از جانوران عكس آنها عمل مي كنند. با شروع روز بسياري از گلها ، گلبرگهاي خود را باز مي كنند و شب آنها را مي بندند.

عوامل پيدايش شب و روز:

در زمانهاي قديم ، مردم عقيده داشتند كه خورشيد واقعا در آسمان حركت مي كند و شب و روز به وجود مي آورد. مثلا مصريان بر اين باور بودند كه خداي خورشيد به نام «رع» ارابه آتشين خود را هر روز در آسمانها مي راند. امروزه مي دانيم كه اين خورشيد نيست كه حركت مي كند بلكه سياره ما زمين ، مانند فرفره از غرب به شرق مي چرخد. ما در اثر چرخش زمين تصور مي كنيم كه خورشيد در آسمان حركت مي كند. هنگامي كه يك بخش رو به خورشيد قرار مي گيرد، روز در آن آغاز مي شود. در همان هنگام ، بخش ديگر زمين كه رو به خورشيد نيست در تاريكي فرو مي رود. يك بار چرخش زمين به دور خود، يك شبانه روز است.

طولاني ترين مقياس زمان : 

در تاريخ شماري و تقويم هندو مقياسي به نام كالپا   (kalpa ) وجود دارد كه معادل 4320 ميليون سال كره ي زمين است . در علم نجوم سال كيهاني مدت زمان يكبار گردش خورشيد دور مركز كهكشان راه شيري است . ( معادل 225 ميليون سال ما در كره ي زمين )       در اواخر دوره ي كرتاسه يعني حدود 85 ميليون سال پيش ، سرعت چرخش زمين به دور خورشيد بيشتر بود و از اينرو يك سال 3/370 روز را در بر مي گرفت . در دوران كامبرين يعني حدود 600 ميليون سال پيش ، يك سال 425 روز را شامل مي شد.

كوتاهترين مقياس زمان :

از آنجايي كه نيروي كشندي ( جزر و مدي ) ماه طول روز را در كره ي زمين دچار نوسان مي كند و در نتيجه در هر قرن يك ثانيه به طول روز اضافه مي گردد ، لذا از سال 1960 به اينطرف در تعريف ثانيه براي مقياس زمان تجديد نظر شد . در گذشته يك ثانيه معادل يك قسمت از 86400 قسمت ميانگين يك سال خورشيدي بود حال آنكه اينك برابر يك قسمت از 31556925974 قسمت ميانگين يك سال خورشيدي مي باشد كه از نقطه نظر تقويم نجومي سال 1900 ميلادي به عنوان معيار انتخاب شده است .در آوريل 1982 چارلز چنگ موفق شد در آزمايشگاه بل در ايالت نيوجرزي در آمريكا يك ضربان نور ليزري توليد كند كه زمان پايداري آن فقط 30 فمتو ثانيه بود . طول اين ضربان نوري 9 ميكرومتر يعني 14 طول موج محاسبه گرديد .      

روشنايي روز-صرفه جويي در زمان :

طي جنگ جهاني اول در بريتانيا و آمريكا ساعت ها را يك ساعت از زمان استاندارد جلوتر كشيدند . دليل اين كار استفاده از روشنايي روز براي كار و صرفه جويي در مصرف برق بود . جلو كشيدن ساعت براي افراد بسيار راحت تر است تا اين كه يك ساعت زودتر سر كار حاضر شوند . در بريتانيا هنوز در ماه هاي تابستان از ساعت تابستاني كه يك ساعت جلوتر از ساعت گرينويچ است استفاده مي شود . دولت روزي را كه بايد ساعت ها جلو يا عقب كشيده شود تعيين مي كند.

پيكان زمان :

هنگامي كه انسان مي كوشيد تا جاذبه ي گرانشي را با مكانيك كوآنتوم يكي كند بايد نظريه ي «زمان موهومي » را نيز در آن دخالت مي داد . زمان موهومي راستا و جهت هاي قابل تشخيصي در فضا ندارد . اگر كسي بتواند بر حسب زمان موهومي بسمت شمال برود الزاما بايد بتواند به عقب برگشته و از جنوب سر درآورد ، به همين نحو اگر كسي بر حسب زمان موهومي بتواند به سمت جلو برود الزاما بايد بتواند عقبگرد كرده و بسوي عقب برود . اين به معني آن است كه در زمان موهومي بين سمت هاي پس و پيش تفاوت مهمي وجود ندارد . از سوي ديگر ، همانطور كه همه مي دانيم ، در « زمان حقيقي » بين سمت هاي جلو و عقب اختلاف فاحشي موجود است . قوانين علم بين گذشته و آينده تمايزي بوجود نمي آورد . با وجود اين هنوز هم در زندگي معمولي ، بين راستاهاي سمت جلو و سمت عقب در زمان حقيقي اختلاف بزرگي موجود است . براي توضيح بيشتر ليواني را در نظر آوريد كه از روي ميز بر كف زمين بيفتد و تكه تكه شود . اگر شما فيلمي از اين واقعه برداشته و به نمايش بگذاريد خواهيد ديد كه قطعات ليوان به ناگاه روي زمين جمع شده و به صورت ليوان سالم و كاملي در آمده و بر روي ميز پس مي جهد . حتي اگر شما از جريان هم قبلا اطلاعي نداشته باشيد باز مي توانستيد به سادگي بگوييد كه فيلم به عقب برگشته است زيرا چنين ماجرايي هرگز در زندگي معمولي سابقه ندارد . توضيحي كه مي توان به اين پرسش داده مي شود كه چرا جمع و جور شدن تكه هاي ليوان از كف زمين و پس پرش آن بر روي ميز به حقيقت نمي پيوندد و ما آن را نمي بينيم اين است كه چنين چيزي مخالف قانون دوم ترموديناميك است . اين قانون گوياي آن است كه پيوسته در هر سيستم بسته مقدار بي نظمي يا انتروپي نسبت به زمان افزايش مي يابد . به عبارت ديگر اين حالت شكلي از قانون مرفي مي باشد كه مي گويد :« اشياء هميشه تمايل به كجروي دارند ! » ليوان سالمي كه بر روي ميز قرار گرفته است نمايانگر حالتي از نظم غايي است ، ولي ليوان شكسته اي كه بر كف زمين پراكنده شده است نمودار حالتي از بي نظمي است . افزايش بي نظمي يا انتروپي نسبت به زمان ، مثالي است از آنچه پيكان زمان ناميده مي شود و چيزي است كه گذشته را از آينده متمايز ساخته و سمت و جهتي به زمان مي دهد . دستكم سه پيكان مختلف از زمان وجود دارند كه عبارتند از : 1- پيكان ترموديناميك زمان و آن سويي از زمان است كه در آن بي نظمي يا انتروپي افزايش مي يابد .     2- پيكان روانشناختي زمان و آن سويي است كه ما گذشت زمان را در آن احساس مي كنيم  و جهتي كه ما گذشته را به ياد مي آوريم و نه آينده را .   3- پيكان كيهان شناسي زمان و آن سويي از زمان است كه كيهان در آن جهت بجاي انقباض در حال انبساط است .

 

نسبيت انيشتين :

 انيشتين نشان داد كه ثابت بودن سرعت نور توام با فرمول بندي دقيق تعاريف و اندازه گيريهاي مربوط به مفاهيم بنيادي طول ، زمان و جرم چگونه در بررسي سرعت هاي نزديك به سرعت نور به نتايج شگفت آوري منجر مي شود . نتايج اساسي كشف انيشتين چنين است : اگر جسمي سرعت بگيرد و به سرعت نور نزديك شود زمان اندازه گيري شده به وسيله ي ناظر ساكن با زمان اندازه گيري شده توسط شخصي كه با آن جسم حركت مي كند متفاوت مي شود . براي مثال اگر اتومبيلي بتواند با سرعت مثلا 90% سرعت نور حركت كند ناظر ساكن در كنار جاده احساس مي كند كه ساعت نصب شده بر روي اتومبيل درست كار نمي كند . چرا كه به نظر او اين ساعت عقب مي ماند . اما در اصل اين ساعت نيست كه كند مي شود بلكه خود زمان كند مي شود و اگر راننده خود زمان را اندازه گيري كند چيزي عجيب يا غير عادي در ساعت خود نمي بيند . با وجود اين هنگامي كه اتومبيل به نقطه ي آغاز حركت بازگردد و متوقف شود راننده ي آن ( بسته به اينكه چه مدتي در سفر بوده است ) از ناظري كه ساكن بوده است چند دقيقه جوان تر خواهد بود .    اثر شگفت آور ديگر به طول جسمي كه با سرعت نزديك به سرعت نور حركت مي كند مربوط مي شود . در همان مثال پيشين كه اتومبيل مسابقه اي ما با سرعت 90 % سرعت نور حركت مي كند ناظر ساكن با كمال تعجب مي بيند كه طول اتومبيل كوتاهتر مي شود و به نصف طول معمولي آن مي رسد ، اتومبيل پهن تر نيز ديده مي شود ، اما طول آن در راستاي حركت به طور قابل ملاحظه اي كاهش مي يابد . البته راننده اتومبيل هيچ چيز غير عادي را احساس نمي كند . فيزيكدانان ، اين اثر انقباض نسبيتي طول را نيز در آزمايشگاه اندازه گيري كرده اند . سومين اثر به جرم مربوط است . انيشتين نشان داد كه جرم جسم متحرك از نظر ناظر ساكن به سرعت حركت آن بستگي دارد . براي مثال اگر وزن اتومبيلي 500 كيلوگرم باشد هنگامي كه سرعت اتومبيل به 90 % سرعت نور برسد وزن آن نيز دو برابر مي شود و به 1000 كيلوگرم مي رسد.اتساع زمان :   اثري كه نظريه خاص ‌نسبيت ‌ پيشگوئي كرده است . ناظري گذشت زمان t را با ساعتي اندازه مي‌گيرد كه در سفر با خود همراه دارد. ناظر ديگري كه با سرعت v نسبت به ناظر اول حركت ميكند ساعت مشابهي همراه دارد.به نظر ناظر اولي خواهد رسيد كه بر ساعت ناظر دوم زمان    سپري خواهد شد( C ‌سرعت نور‌ است ). اين اثر فقط در ‌سرعتهاي نسبيتي‌ نمايان مي‌شود و فقط در حركات بعضي ‌موئون‌ها، كه عمري دارزتر از سرعت هاي نسبيتي دارند، مشهود شده است . اتساع زمان ناشي از گراني زمين بسيار كوچك است  : ساعتي كه روي سطح زمين جاي دارد در قياس با ساعتي كه بسيار بالاتر از اين سطح باشد ، تنها 1 در 10⁹ عقب مي افتد . اما حتي اين اثر هاي كوچك در محدوده ي دقت ساعت هاي اتمي بسيار دقيق هستند . در 1972 دانشمندان رصد خانه ي نيروي دريايي آمريكا با حمل ساعت هاي اتمي قابل حمل به ارتفاع حدود m10000 و مقايسه ي آنها با ساعت هاي همساني در روي زمين اتساع گرانشي زمان را ثابت كردند . ساعت ها را جت هاي شركت هاي هوايي بازرگاني حمل مي كردند .- آزمايندگان تنها براي سفر دور دنيا با پان آمريكن ، تي دبليو اي و هواپيمايي آمريكا بليت خريدند . يكي سفر دور زمين به سوي شرق و يكي به سوي غرب داشتند و هر سفر حدود سه روز طول كشيد كه دو روز آن در آسمان گذشت . چهار ساعت باريكه ي سزيم را در اين سفر همراه بردند . مقايسه ي مداوم اين ساعت هاي مسافر حفاظي بود در مقابل جهش هاي ناگهاني كوچك كه گهگاهي در ساعت هاي سزيم اتفاق مي افتد . هنگامي كه ساعت در سفر به زمين آورده شده و با ساعت رصد خانه ي نيروي دريايي آمريكا در شهر واشنگتن مقايسه شدند معلوم شد كه حدود   ^7-10× 5/1s  جلو افتادند .  از اصل نسبيت فهميديم كه ساعتي كه نسبت به يك چارچوب مرجع لخت در حركت است ، در مقايسه ي با ساعت هاي ساكن در آن چارچوب مرجع كند تر كار مي كند .ضريب اتساع زمان  هنگامي كه سرعت به سرعت نور نزديك مي شود به بي نهايت ميل مي كند . كند شدن آهنگ گذر زمان براي همه ي فرايند هاي فيزيكي صورت مي گيرد – فرآيندهاي اتمي ، هسته اي ، زيست -شناسي و ... . در سرعت هاي كم ، اثر اتساع زمان ناچيز است اما در سرعت هاي قابل مقايسه با سرعت نور ، كاملا بزرگ مي شود .در واپاشي ذرات بنيادي كم عمر ، اثرات بسيار جدي اتساع زمان مشاهده شده است . براي مثال ذرات موئون داراي نيم عمر متوسطي در حدودs  ^6-10×2/2  هستند . اما اگر موئون ها با سرعت زياد در آزمايشگاه حركت كنند آنگاه فرآيندهاي دروني كه واپاشي را ايجاد مي كنند ، كند خواهند شد و همان طور كه ساعت هاي آزمايشگاه قضاوت مي كنند ، موئون ها زمان طولاني تري زندگي مي كنند . در تجارب دقيق تر كه در آزمايشگاه شتابدهنده ي سازمان اروپايي تحقيقات هسته اي ترتيب داده شد ، ديده شده است كه موئون هايي با تندي 94/99% سرعت نور داراي نيم عمر متوسطي هستند كه 29 برابر بيشتر از نيم عمر موئون هاي ساكن است . در سرعت هاي روزمره اثر اتساع زمان بي اندازه كوچك است .  

محاسبه رابطه اتساع زماني :

فرض كنيد چارچوب با سرعت ثابت a نسبت به چارچوب S در امتداد محور x در حال حركت است. ناظر واقع در مبدا چارچوب كه با نشان مي‌‌دهيم، نوري را كه از چشمه‌اي به آينه‌اي كه بالاي سر اوست، مي‌‌تاباند. فاصله آينه از شخص برابر d است و مدت زمان لازم براي رفت و برگشت نور برابر 'Δt است و لذا چون نور حركت رفت و برگشت انجام مي‌‌دهد، لذا طول مسير برابر 2d است. فاصله زماني مذكور برابر Δt'=2d/C خواهد بود كه C سرعت نور است.اما زمان لازم براي رفت و برگشت مذكور در چارچوب S ، وقتي اندازه گيري مي‌‌شود، مقدار ديگري را بدست مي‌‌دهد كه آن را با Δt مشخص مي‌‌كنيم. در اين مدت چشمه نسبت به S مسافت uΔt را طي كرده است و طول مسير رفت و بر گشت برابر 2d نبوده، بلكه برابر 2 است و لذا خواهيم داشت:

از طرف ديگر بر اساس اصول نسبيت خاص بايد سرعت نور براي هر دو ناظر يكسان باشد. بنابراين بعد از كمي ‌محاسبات رياضي مي‌‌توانيم رابطه بين Δt و 'Δt را به صورت زير بيان كنيم:

      كه رابطه ي اتساع زمان به اين شكل در مي آيد :

يك مثال : اگر جسمي با سرعت 80 كيلومتر در ساعت حركت كند اتساع زمان چقدر است ؟

       ابتدا بايد سرعت نور را كه بر حسب كيلوتر بر ثانيه است به كيلومتر بر ساعت تبديل كنيم . سپس اعداد را جاگذاري كرده و حل مي كنيم.( هر دو سرعت با يك مقياس)

 

  

 

يعني يك ثانيه تبديل به حدود 99/0ثانيه تبديل شده و زمان به اندازه 01/0 ثانيه كند گشته .

 نتايج اتساع زماني :

براي دو رويداد كه در يك نقطه از فضا واقع در چارچوب به فاصله 'Δt رخ داده‌اند، ∆t فاصله زماني اين دو رويداد در S را مي‌‌توان از رابطه فوق حساب كرد. چون مخرج كسر كوچكتر از يك است (سرعت نور بالاترين سرعت است) لذا∆t همواره بزرگتر از 'Δt خواهد بود. لذا اگر ناظر در S آهنگ كاركرد ساعتي ساكن در را نيز اندازه بگيرد، آهنگ كاركرد اين ساعت از نظر ناظر S از آهنگ كاركردي كه براي آن در مشاهده مي‌‌شود، كندتر خواهد بود. اين اثر را اتساع زماني مي‌‌گويند. بنابراين ملاحظه مي‌‌شود كه دو رويدادي كه در يك چارچوب همزمان هستند، در چارچوب ديگر همزمان نيستند

آيا اتساع زمان در زندگي روزمره قابل مشاهده است؟ :

اتساع زمان را در زندگي روزمره نمي‌‌توان احساس كرد، چون سرعتهايي كه ما با آنها سر و كار داريم، به مراتب كمتر از سرعت انتشار نور هستند و لذا به راحتي مشاهده مي‌‌شود كه در چنين سرعتهايي مسئله اتساع زمان كاملا منتفي است. چون براي مشاهده اتساع زماني در اين مورد به يك ساعت اتمي ‌با دقتي در حدود 13-^10 نياز داريم. البته لازم به ذكر است كه با قرار دادن ساعتهاي اتمي ‌‌در هواپيماهاي جت اين نتايج اثبات شده است و فقط در حد تئوري و نظريه نيست و از نظر تجربي نيز به تائيد رسيده است.
دانشمندان با تحقيق در مورد تاثير اتساع زمان بر طول عمر افراد متوجه شده اند

كه افراد ورزشكار (حتي آنهايي كه فقط پياده روي مي‌‌كنند) حدود كسر بسيار كوچكي از ثانيه بيشتر از ساير افراد عمر مي‌‌كنند و كوچكي اين كسر به دليل سرعت كمي (نسبت به سرعت نور) است كه آنها نسبت به ديگران دارند.

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

 دانشمندان ناسا اعلام كردند براي اولين بار توانسته اند به شواهد مستقيمي مبني بر تأثير گذاري اجسام مدور مانند زمين بر بافت فضا- زمان پيرامون خود دست پيدا كنند. اين دانشمندان با اندازه گيري انجام شده توانسته اند انحناي ناشي از كشيده شدن بافت فضا توسط چرخش زمين را اندازه گيري كنند و نتيجه آن نظريه نسبيت عام انشتين را تأييد مي كند. به گزارش خبرگزاري رويتر , يكبار ديگر نظريه انيشتين اثبات شد. دانشمندان در واشنگتن گفتند ماهواره هايي كه به ميزان كمي از مدار خود خارج شده اند نشان مي دهند كه زمين با چرخش خود بر بافت فضا- زمان تأثير مي گذارد. آنها گفتند اين اولين بار است كه بطور مستقيم اين موضوع اندازه گيري شده است و يك جنبه بسيار مهم نظريه نسبيت عام آلبرت انيشتين را اثبات مي كند. بنا به اين نظريه گردش محوري اجسام در « بافت » تشكيل شده از سه بعد فضا و بعد چهارم زمان , انحنا به وجود مي آورد. مايكل سالامون فيزيك دان ناسا در واشنگتن گفت با گردش زمين به دور خود در واقع بافت فضا- زمان را به سمت خود مي كشد. هر چه به زمين نزديكتر مي شويم اين انحنا بيشتر مي شود. سالامون در مصاحبه تلفني به خبرنگاران گفت « انحناي فضا- زمان تا كنون هرگز بصورت مستقيم مشاهده نشده بود.
« اين اولين بار است كه شواهد مستقيمي در مورد ايجاد انحنا در بافت فضا- زمان در اثر اجسام مدور بدست مي آيد.»
اريكاس پالويس از مركز مشترك تكنولوژي سيستم زمين در ناسا و دانشگاه مريلند با همكاران خود مشاهده كردند هنگامي كه دو ماهواره در دور زمين به چرخش در مي آيند در اثر كشش ايجاد شده در فضا جابجا مي شوند.
پالويس گفت « ما فاصله زمين تا ماهواره را با دقت سانتيمتر اندازه گرفته ايم. اين تحقيقات در نشريه طبيعت گزارش شده است. ماهواره لاگئوس 1 متعلق به ناسا و ماهوار لاگئوس 2 كه مشتركاً متعلق به ناسا و سازمان فضايي ايتاليا است هر دو مجموعه اي ساخته شده از فلز است كه تعداد زيادي منعكس كننده روي آنها وجود دارد. منعكس كننده ها رديابي و اندازه گيري آنها از زمين را ساده مي كند.
مدارهاي اين ماهواره ها به گونه اي تنظيم شده اند كه در جابجايي به مثابه ژيروسكوپ چرخشي عمل خواهند كرد. نظريه انيشتين پيش بيني مي كند كه يك جسم مدور در فضاي نزديك خود انحناء بوجود مي آورد و باعث جابجايي جزئي در محور ژيروسكوپ ها مي شود. پالويس گفت نمي شود ثابت كرد كه نيروي ديگري بر ماهواره ها تأثير نمي گذارد اما اين نامحتمل است. او گفت نيرويي كه طبق نسبيت عام تأثير گذارد بايستي بسيار زيرك باشد. وي ما تمامي نيروهايي كه مي شناخته ايم را حذف كرده ايم. پالويس اين تأثير گذاري را به تأثير چرخاندن يك قاشق در يك ظرف عسل تشبيه كرده است. او گفت به همين صورت چرخش زمين بافت فضا- زمان اطراف خود را مي كشد. اين مدار ماهواره هاي نزديك زمين را نيز تغيير مي دهد.

 

سفر در زمان:

يكي از جالبترين افكار بشر، ايده جابجايي در بعد زمان است. البته اگر از يك بعد ديگر به قضيه نگاه كنيم همه ما مسافر زمان هستيم. همين الان كه شما اين را ميخوانيد، زمان در حول و حوش و به پيش ميرود و آينده به حال و حال به گذشته تبديل ميشود. نشانه اش هم رشد موجودات است. ما بزرگ ميشويم و مي ميريم. پس زمان در جريان است.
بر طبق نظريه نسبيت اگر شيئ به سرعت نور نزديك شود گذشت زمان برايش آهسته تر صورت ميگيرد. بنابراين اگر بشود با سرعت بيش از سرعت نور حركت كرد، زمان به عقب برگردد. مانع اصلي اين است كه اگر جسمي به سرعت نور نزديك بشود جرم نسبي ان به بينهايت ميل ميكند؛ لذا نمي شود شتابي بيش از سرعت نور پيدا كرد. اما شايد يك روز اين مشكل هم حل شود. بر خلاف نويسنده ها و خيالپردازها كه فكر مي كنند سفر در زمان بايد با يك ماشين انجام شود، دانشمندان بر اين عقيده هستند كه اينكار به كمك يك پديده طبيعي صورت مي گيرد. در اين خصوص سه پديده مد نظر است: سياهچاله هاي دوار، كرمچاله ها و ريسمانهاي كيهاني.

سياهچاله ماشيني براي سفر به زمان :

اگر يك ستاره چند برابر خورشيد باشد و همه سوختش را بسوزاند، از آنجا كه يك نيروي جاذبه قوي دارد لذا جرم خودش در خودش فشرده مي شود و يك حفره سياه رنگ مثل يك قيف درست مي كند كه نيروي جاذبه فوق العاده زيادي دارد طوري كه حتي نور هم نمي تواند از آن فرار كند. اما اين حفره ها بر دو نوع هستد. يك نوعشان نمي چرخند لذا انتهاي قيف يك نقطه است. در آنجا هر جسمي كه به حفره مكش شده باشه نابود ميشود. اما يك نوع ديگر سياهچاله نوعي است كه در حال دوران است و براي همين ته قيف يك قاعده داره كه به شكل حلقه است. مثل يك قيف واقعي است كه ته آن باز است. همين نوع سياهچاله است كه مي تواند سكوي پرتاب به آينده يا گذشته باشد. انتهاي قيف به يك قيف ديگر به اسم سفيدچاله مي رسد كه درست عكس آن عمل مي كند. يعني هر جسمي را به شدت به بيرون پرتاب مي كند. از همين جاست كه مي توانيم پا به زمان ها و جهان هاي ديگر بگذاريم.

كرم چاله ماشيني براي سفر به زمان  :

يك سكوي ديگر گذر از زمان است كه مي تواند در عرض چند ساعت ما را چندين سال نوري جابجا كند. فرض كنيد دو نفر دو طرف يك ملافه رو گرفته اند و مي كشند. اگر يك توپ تنيس بر روي ملافه قرار دهيم يك انحنا در سطح ملافه به سمت توپ ايجاد مي شود. اگر يك تيله به روي اين ملافه قرار دهيم به سمت چاله اي كه آن توپ ايجاد كرده است مي رود. اين نظر انشتاين است كه كرات آسماني در فضا و زمان انحنا ايجاد مي كنند؛ درست مثل همان توپ روي ملافه. حالا اگه فرض كنيم فضا به صورت يك لايه دوبعدي روي يك محور تا شده باشد و بين نيمه بالا و پايين آن خالي باشد و دو جرم هم اندازه در قسمت بالا و پايين مقابل هم قرار گيرند، آن وقت حفره اي كه هر دو ايجاد مي كنند مي تواند به همديگر رسيده و ايجاد يك تونل كند. مثل اين كه يك ميانبر در زمان و مكان ايجاد شده باشد. به اين تونل ميگويند كرم چاله.
اين اميد است كه يك كهكشاني كه ظاهرا ميليون ها سال نوري دور از ماست، از راه يك همچين تونلي بيش از چند هزار كيلومتر دور از ما نباشد. در اصل مي شود گفت كرمچاله تونل ارتباطي بين يك سياهچاله و يك سفيدچاله است و مي تواند بين جهان هاي موازي ارتباط برقرار كند و در نتيجه به همان ترتيب مي تواند ما را در زمان جابجا كند

ريسمان هاي كيهاني ماشيني براي گذر به زمان:   

آخرين راه سفر در زمان ريسمانهاي كيهاني است. طبق اين نظريه يك سري رشته هايي به ضخامت يك اتم در فضا وجود دارند كه كل جهان را پوشش مي دهند و تحت فشار خيلي زيادي هستند. اين ها هم يك نيروي جاذبه خيلي قوي دارند كه هر جسمي را سرعت مي دهند و چون مرزهاي فضا- زمان را مغشوش مي كند لذا مي شود از آنها براي گذر از زمان استفاده كرد.

نقدي براي بررسي سفر به زمان :

حالا اين ها رو گفتيم ولي چند اشكال در اين كار است. اول اينكه اصلا نفس تئوري سفر در زمان يك پارادوكس است. پارادوكس يا محال نما يعني چيزي كه نقض كننده(نقيض) خودش در درونش است. يك مثال ديگر اين است كه اگر من در زمان به عقب برگردم , به تاريخي كه هنوز بدنيا نيامده بودم، پس چطور مي توانم آنجا باشم. يا مثلا اگر برگردم و پدربزرگ خودم را بكشم پس من چطور بوجود آمده ام؟ يك راه حلي كه براي اين مشكل پيدا شده است، نظريه جهان هاي موازي است. طبق اين نظريه امكان دارد چندين جهان وجود داشته باشد كه مشابه جهان ماست اما ترتيب وقايع در آنها فرق مي كند. پس وقتي كه به عقب برمي گرديم در يك جهان ديگر وجود داريم نه در جهاني كه در آن هستيم. طبق اين نظريه بينهايت جهان موازي وجود دارد و ما هر دست كاري كه در گذشته انجام بدهيم يك جهان جديد پديد مي آيد.

 منابع :  

    كتابهاي : دايره المعارف انكاترا ، بيشتر به من بگو چرا ، نجوم كروي ، ساختار ستارگان و كهكشان ها ، دانش نامه ي كودكان و نوجوانان آكسفورد ، فيزيك اهانيان ، فرهنگ لغات فرهنگ ، ترين ها 2001 و تاريخچه زمان ( از انفجار بزرگ تا سياهچاله ها )

سايت هاي :  رشد ، سيمرغ ، هوپا و iranpressnews