مدار الساعة - نعلم أن الضوء أسرع شيء يتحرك في الكون؛ لكن ماذا سيحدث إذا كانت سرعة الضوء أبطأ بكثير؟
مرشدتنا في هذه الرحلة التخيُّليّة كاتبة علمية مساهمة في موقع «لايف ساينس»، تركز على البيولوجيا الجزيئية والصحة، هي آشلي ب. تايلور، مُسَلَّحَةً بدراستها علم الأحياء في كلية أوبرلين، وحصولها على درجة الماجستير في الصحافة العلمية من برنامج إعداد التقارير العلمية، والصحية، والبيئية بجامعة نيويورك.
في الفراغ تبلغ سرعة الضوء حوالي 186 ألف ميل في الثانية (ما يوازي 300 ألف كيلومتر في الثانية). وإذا أبطأت سرعة الضوء فسوف يلاحظ البشر على الفور تأثيرات هذا التباطؤ. يمكن لأي لاعبٍ استكشاف هذا السيناريو الافتراضي باستخدام لعبة كمبيوتر أنشأها جيرد كورتيماير، مدير التطوير التعليمي والتكنولوجيا في المعهد الفيدرالي للتكنولوجيا بزيورخ، بالاشتراك مع زملائه داخل الجامعة المختصة بالعلوم، والتكنولوجيا، والهندسة، والرياضيات، في سويسرا.
في اللعبة يمكنك رؤية التأثيرات الغريبة التي قد تنتج عن تباطؤ سرعة الضوء إلى مستوى أقل بكثير مما هو عليه في الواقع، مثل تغيُّر الألوان ودرجة السطوع، وحتى تغير إدراكنا لأطوال الأشياء.
الإنسان.. وسرعاته البطيئة
حتى في أسرع حركاتنا من المعلوم أن سرعة البشر أبطأ بمراحل عدة من سرعة الضوء. فأسرع حركة يمكن أن يقوم بها أي إنسان توازي 0.0037٪ من سرعة الضوء، وللوصول إلى هذه السرعة يجب أن تكون على متن مركبةٍ فضائية من نوع معين، كما يوضح عالم الأبحاث في مختبر الألعاب التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، فيليب تان.
لكن من خلال إجراء تجارب تخيُّليّة؛ خلُصَ الفيزيائيون إلى أن أشياء غير اعتيادية ستحدث إذا تمكن البشر من السفر بسرعة تقترب من سرعة الضوء، كما قال كورتيماير، أستاذ الفيزياء المشارك في جامعة ولاية ميتشيجان.
وفقًا لنظرية النسبية التي وضعها ألبرت أينشتاين – التي تشرح كيف تؤثر السرعة على الكتلة، والزمان، والمكان – سيتباطأ الوقت، وسيتغير إدراكنا للأجسام؛ فتصبح أقصر عندما نمر إلى جانبها، وسيصبح «تأثير دوبلر» (التغير الظاهري في الطول الموجي للضوء أو الصوت الناتج عن حركة المصدر، أو الراصد، أو كليهما) مرئيًا للضوء، من بين تغييرات أخرى، وستحدث هذه التغييرات نفسها إذا تباطأ الضوء بدلًا عن تزايد سرعة البشر. ففي كلتا الحالتين سنتحرك بسرعة تقترب من سرعة الضوء.
تباطؤ سرعة الضوء
بينما كان كورتماير يعمل أستاذًا زائر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، ابتكر هو وتان وزملاؤه في مختبر الألعاب لعبة كمبيوتر لتوضيح كيف سيكون شكل العالم إذا كانت سرعة الضوء بطيئة بدرجة تكفي لملاحظة النسبية الخاصة في الحياة اليومية.
في اللعبة التي صدرت عام 2012، وتسمى «سرعة أبطأ للضوء»، يتحكم اللاعب في شخصية تجمع الأجرام السماوية الشبيهة بكرة الشاطئ. وفي كل مرة تجمع فيها الشخصية واحدة من الأجرام السماوية التي يناهز عددها 100 تتباطأ سرعة الضوء.
في الواقع لن تتباطأ سرعة الضوء بالطريقة نفسها التي تتباطأ بها في اللعبة. فسرعة الضوء في الفراغ لا تتغير أبدًا، وهي ثابتة لكل مراقب. ومع ذلك فإن سرعة الضوء تتغير بحسب المواد التي يمر بها، لكن هذا لا يغير تأثيرات النسبية الخاصة (نظرية آينشتاين التي تفسر كيفية تأثير التغيير في سرعة الجسم على قياسات الوقت والمكان والكتلة)، أو كيف ندركها، كما قال كورتماير. ومع ذلك فإذا تمكنا من مشاهدة آثار النسبية الخاصة، فسنلاحظ تغيرات في الألوان، والوقت، والمسافة، والسطوع، وهي التأثيرات التي دمجها الفريق في اللعبة.
سرعة الضوء وتغيُّر اللون
عندما تقترب سرعة الحركة البشرية من سرعة الضوء؛ يصبح ما يسمى بـ«تأثير دوبلر النسبي» محسوسًا. لفهم هذا التأثير تذكّر أن الضوء يعمل كجسيم وموجة. كموجة، يتميز الضوء بطول هذه الموجة، أو المسافة من القمة إلى القمة، وهو ما يحدد لونها وترددها، أو عدد القمم التي تمر في وقت معين.
ومثل أن الاقتراب من مصدر الصوت يجعل تردده، أو درجة صوته، يبدو كما لو كان يزداد، مع وصول قمم الموجة إلى أذنك بوتيرة أسرع وأسرع، وفقًا لتأثير دوبلر، فإن التحرك نحو مصدر الضوء يجعل طول الموجة يبدو أقصر؛ مما يؤدي إلى تحويل اللون الظاهر للضوء باتجاه النهاية الزرقاء والبنفسجية لطيف الألوان التي تظهر في الصورة التالية، حسبما يوضح كورتماير.
من ناحية أخرى فإن الابتعاد عن كيانٍ ما، يغير لونه الظاهري نحو النهاية الحمراء للطيف. يختصر كورتيماير هذا التأثير قائلًا: «الشيء القادم نحوك يبدو أكثر زُرقة، أما الشيء الذي يبتعد عنك فيبدو أكثر احمرارًا».
التغييرات في الوقت والمسافة
ربما يكون أحد أشهر تأثيرات النسبية الخاصة هو أن الوقت يتباطأ بالنسبة للإنسان الذي يتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء. في هذا السيناريو، فإن الشخص الذي يتحرك بسرعة تقترب من سرعة الضوء يتقدم في العمر بوتيرة أبطأ. هذا التأثير يسمى بتمدد الزمن (أو الإبطاء الزمني).
يقول تان: في اللعبة «من الناحية الفنية، يمر اللاعب بتجربة تمدد الزمن، ولكن بدون وجود شيء لمقارنته به، فهذا الإبطاء لا يعني أي شيء في الواقع». وأضاف: «إن تمدد الزمن قد لا يكون ملحوظًا أثناء اللعبة، ولكن في النهاية، يظهر للاعبين شاشة تُعلِمهم بأن الوقت الذي مرّ عليهم داخل اللعبة أقل من الوقت الذي مر عليهم بمقياس الساعة الثابتة. يحدث هذا التمدد في الزمن، مثل التأثيرات الأخرى للنسبية الخاصة، أثناء اللعبة؛ لأن شخصية اللعبة تتحرك بالقرب من سرعة الضوء.
تأثير آخر للنسبية الخاصة هو: أن أطوال الأجسام التي تتحرك بسرعة تقترب من سرعة الضوء – أو الأجسام الثابتة عندما تمر بجوارها بسرعة تقترب من سرعة الضوء – تبدو أقصر. وهذا ما يسمى تقلُّص الطول، لكن هذا التأثير مُعَقَّد، على حد وصف كورتماير الذي يوضح أن الأجسام التي تقترب من سرعة الضوء قد تتعرض لتقلُّص في الطول، وقد تكون أقصر، وفقًا للقياسات التي أجراها مراقب ثابت، لكنها ستظهر في الواقع لفترة أطول لعينَي ذلك الشخص بسبب تأثير آخر للنسبية الخاصة يسمى «تأثير وقت التشغيل».
على سبيل المثال: لنفترض أن دراجة تتجه نحوك. ستجد أن الضوء المنبعث من مقدمة الدراجة ينتقل لمسافة أقصر حتى يصل إلى عينيك من الضوء المنبعث من الجزء الخلفي من الدراجة. هذا ما يجعلك ترى الجزء الأمامي من الدراجة أقرب إليكَ في الحاضر، والجزء الخلفي من الدراجة أبعد عنك، عندما تكون الدراجة بعيدة. «وهذا في العموم يجعل الدراجة تبدو أطول»، كما يقول كورتماير.
وفي بعض الأحيان، يمكن لهذا التأثير نفسه أن يجعل الأشياء تبدو غير منتظمة. أو بكلمات أخرى إذا كانت سرعة الضوء أبطأ بكثير فقد تبدو الأجسام التي تتحرك بسرعة تقترب من هذه السرعة أطول و/أو غير منتظمة للمراقبين الثابتين.
التغييرات في درجة السطوع
عندما تمشي تحت المطر قد تلاحظ أن ملابسكَ تبتلّ في الجزء الأمامي أكثر من الجزء الخلفي. وعندما تمشي تحت المطر، تتعرض لمزيد من القطرات أكثر مما تتعرض له حينما تقف ساكنًا، لكن الجزء الأمامي يحمي ظهرك من قطرات المطر الإضافية. يقول كورتيماير: إن شيئًا مشابهًا سيحدث إذا كنت تتحرك بسرعة تقترب من سرعة الضوء.
ذلك أن الضوء يصبح أحيانًا كمجموعة من الجسيمات، تسمى الفوتونات، التي تشبه قطرات صغيرة من الضوء. وأثناء تحركك نحو كائن ما في لعبة الكمبيوتر، يبدو أكثر سطوعًا مما يبدو عليه عندما تكون واقفًا في وضع الثبات؛ لأنك تمشي عبر فوتوناته. وهذا يسمى بـ«تأثير الكشاف».
السيد تومبكينز في بلاد العجائب
لم يكن العالمان «كورتيماير» و«تان» أول من تخيلا عالَمًا ينتقل فيه الضوء بسرعة أبطأ. ففي عام 1939 نشر الفيزيائي جورج جامو كتابًا مُصَوَّرًا بعنوان «السيد تومبكينز في بلاد العجائب»، يحكي فيه عن رجلٍ – الشخصية التي يجمل الكتاب اسمها – يتجول بدراجة عبر شوارع مدينةٍ ينتقل فيها الضوء بسرعة بطيئة ويختبر تأثيرات النسبية. وقد أحب أينشتاين «ذلك الكتيب الصغير حقًا»، بحسب كورتماير.
لكن كيف كان الفيزيائي العظيم يفكر في «سرعة أبطأ للضوء»؟ «ربما قاده الفضول إلى اللعب في المقام الأول؛ لأنه – إذا صدق المؤرخون – سأل بالفعل وهو ابن السادسة عشرة عما يمكن أن تراه إذا امتطيتَ صهوة شعاعٍ من الضوء، وهذا بالطبع لا يمكن حدوثه في الواقع، لكن يمكنك داخل اللعبة الوصول إلى سرعة الضوء تقريبًا»، كما يقول كورتماير.
ساس بوست
