حرکت به سمت زمین نه تنها بر اجسام تأثیر میگذارد، بلکه به طرز شگفتانگیزی بر زمان نیز تأثیر دارد! طبق نظریه نسبیت اینشتین، هرچه میدان گرانشی قویتر باشد، زمان برای شما کندتر میگذرد نسبت به کسی که در فاصلهای دورتر از جرم قرار دارد. این پدیده «کاهش زمان گرانشی» (gravitational time dilation) نامیده میشود و فراتر از سیاهچالهها نیز وجود دارد. این پدیده در همین زمین خودمان در حال اتفاق افتادن است.
تجربهای در سال ۲۰۲۲
در سال ۲۰۲۲، چند دانشمند در JILA (یک آزمایشگاه مشترک بین NIST و دانشگاه کلرادو بولدر) تجربی برای نشان دادن این اثر انجام دادند. آنها دو ساعت اتمی را فقط یک میلیمتر به صورت عمودی از یکدیگر فاصله دادند. نتیجه نشان داد که ساعتی که نزدیکترین نقطه به مرکز گرانشی زمین بود، کمی کندتر از ساعتی که بالاتر قرار داشت، عمل میکند. این حقیقت به وضوح اثبات کرد که حتی تغییرات جزئی در ارتفاع میتواند موجب تغییر در جریان زمان شود.
این آزمایش با دقتی بیسابقه تأیید کرد که گرانش به آرامی زمان را در مقیاسهای بسیار کوچک، به اندازه یک ناخن، خم میکند. ژون یه (Jun Ye)، همکار NIST/JILA در این مورد گفت: “مهمترین و هیجانانگیزترین نتیجه این است که ما میتوانیم به طور بالقوه فیزیک کوانتوم را با گرانش مرتبط کنیم… همچنین نشان میدهد که هیچ مانعی برای ساخت ساعتهای ۵۰ برابر دقیقتر از امروز وجود ندارد — که خبر فوقالعادهای است.”
ما فقط به نظریه بسنده نکردیم، بلکه آن را به عمل درآوردیم
جالب است که JILA اولین آزمایش برای تأیید این نظریه نبود. پیشنهاد اینشتین الهامبخش بسیاری از فیزیکدانان برای ایجاد روشهای آزمایش برای کاهش زمان شد. آزمایش «پوند-رِبکا» (Pound–Rebka) که در سال ۱۹۵۹ انجام شد، اولین موفقیت بزرگ بود که در آن پرتوهای گاما را به سمت بالا در داخل برج جفرسون در هاروارد شلیک کردند. کاهش انرژی در هنگام بالا رفتن از برج دقیقاً با پیشبینیهای اینشتین در مورد کشش گرانشی زمین مطابقت داشت. این پدیده به نام «انتقال به سرخ گرانشی» (gravitational redshift) شناخته میشود و به نوعی نسبت نزدیک به کاهش زمان است.
آزمایش مستقیمتری از کاهش زمان گرانشی در سال ۱۹۷۶ با پرتاب «گراویتی پروب ای» (Gravity Probe A) انجام شد. دانشمندان از یک موشک اسکات برای ارسال یک ساعت اتمی هیدروژن به ارتفاع ۱۰,۰۰۰ کیلومتری زمین استفاده کردند. این آزمایش نشان داد که ساعت در ارتفاع بالاتر نسبت به ساعت مشابهی که در سطح زمین بود، با سرعتی حدود یک ثانیه در هر ۷۳ سال سریعتر کار میکند. شاید به نظر نرسد که این رقم زیادی است، اما این آزمایش با دقت ۰.۰۱ درصد خود، شواهد قوی برای نظریه نسبیت فراهم کرد که در زمان خود بسیار شگفتانگیز بود.
این تلاشها به تنهایی انجام نشده است؛ بلکه شروع زنجیرهای از آزمایشهای دقیقتر بوده که به ساختن یک پرونده محکم برای کاهش زمان گرانشی کمک کرده است. فیزیکدانان در سرتاسر جهان مشغول ارسال اشیاء به آسمان بودند تا ببینند آیا گرانش زمان را تغییر میدهد یا نه، و پاسخ همواره یک «بله» قاطع بوده است.
زمان ثابت نیست و ما تازه شروع به اندازهگیری آن کردهایم
پس از اینکه ماهوارهها و آزمایشهای آزمایشگاهی تأیید قطعی برای وجود کاهش زمان گرانشی به دست آوردند، محققان تصمیم گرفتند تا روی زمین تحقیق کنند. آنها میخواستند بدانند آیا این اثر میتواند در محیط روزمره ما نیز ظاهر شود یا خیر.
آزمایش «هیفل-کیتینگ» (Hafele–Keating) در سال ۱۹۷۱ شامل قرار دادن چهار ساعت اتمی سزیم بر روی هواپیماهای مسافربری در سراسر جهان بود. سپس مقایسهای بین ساعتهای هوایی و ساعتهای مرجع که در زمین باقی مانده بودند، انجام شد. نتیجه؟ ساعتهای پروازی به شکل متفاوتی سن را گذرانده بودند. ساعتهایی که به سمت شرق حرکت کردند، تحت تأثیر کاهش زمان بیشتری قرار گرفتند، در حالی که ساعتهای غربی که با چرخش زمین مخالف بودند، اثر کمتری داشتند. تغییرات زمانی این آزمایش، پیشبینیهای اینشتین را از هر دو نظریه نسبیت خاص و عمومی تأیید کرد.
هر تجربه انسانی، از پیری و حرکت گرفته تا حافظه، بر این فرض استوار است که زمان به صورت یکنواخت جریان دارد. اما فیزیک مدرن به ما نشان میدهد که اینطور نیست. زمان خم میشود: سرعت زمان به عواملی مانند مکان، سرعت حرکت و مقدار گرانش اطراف شما بستگی دارد. ما این را در GPS، ساعتها و حتی تکنولوژیهای خود میبینیم. و در نهایت، با گذشت زمان و پژوهش، ما به زودی زمان را به عنوان یک جریان یکنواخت نمیبینیم، بلکه به عنوان یک میدان پویا که میتوانیم اندازهگیری، پیشبینی و حتی حول آن برنامهریزی کنیم.
