سرعت چه تأثیری روی زمان داره؟

دو تا ساعت بردار که دقیقاً با هم کوک شدن. یکی رو بذار روی میز و اون یکی رو آروم جابه‌جا کن. انتظار داری هر دو یه‌جور تیک بزنن، نه؟

پژوهشگرهای NIST آمریکا همین کار رو با دو تا ساعت اتمی کردن. یکی ساکن موند و اون یکی با سرعتی کمتر از ده متر بر ثانیه جابه‌جا شد؛ سرعتی در حد هل دادن یه بچه روی تاب. نتیجه؟ ساعتی که حرکت می‌کرد از ساعت ساکن عقب موند.

این عقب موندن اون‌قدر کوچیکه که دیدنش فقط با ساعت‌هایی ممکن شد که توی چند میلیارد سال فقط یه ثانیه خطا دارن.

چرا باید حرکت، ساعت رو کند کنه؟ جوابش توی یکی از دو اصل پایه‌ی نسبیت خاص اینشتینه: سرعت نور ثابته. هر کی اندازه‌ش بگیره، با هر حرکتی، همون عدد رو می‌گیره.

بیا با همین اصل یه ساعت ساده بسازیم. یه آینه کف یه سفینه بذار و یه آینه‌ی دیگه درست بالای سرش، روی سقف. یه جرقه‌ی نور از آینه‌ی پایین راه می‌افته، به آینه‌ی بالا می‌خوره و برمی‌گرده. هر رفت‌وبرگشت یه تیک حساب می‌شه. تو که توی سفینه‌ای، می‌بینی نور صاف بالا و پایین می‌ره.

حالا سفینه با سرعت از کنار زمین رد می‌شه و یه نفر از روی زمین نگاهش می‌کنه. تا نور از کف به سقف برسه، سفینه کمی جلو رفته و آینه‌ی بالا هم باهاش. پس از دید اون، نور یه خط کج تا آینه‌ی بالا می‌ره و یه خط کج دیگه تا آینه‌ی پایین، که اونم جلو رفته. این مسیر کج از مسیر صاف بلندتره، ولی سرعت نور برای اون هم همونه. پس از دید کسی که روی زمینه، هر تیک ساعت سفینه بیشتر طول می‌کشه.

این کندی عیب این ساعت نیست؛ خود زمان توی سفینه از دید زمین کندتر می‌گذره. برای همین هر چیزی که با آهنگ ثابتی پیش می‌ره کند می‌شه، حتی عمر ذره‌ای که بعد از مدت مشخصی از بین می‌ره. بخش بعد نمونه‌ش رو نشون می‌ده.

اینو با هواپیما هم امتحان کردن. چهار تا ساعت اتمی رو سوار پروازهای معمولی مسافربری کردن و دور زمین بردن، یه بار به سمت شرق و یه بار به سمت غرب. بعد با ساعت‌های ساکن روی زمین مقایسه‌شون کردن. ساعت‌های پرواز شرق چند ده میلیاردم ثانیه عقب موندن و ساعت‌های پرواز غرب چند صد میلیاردم ثانیه جلو افتادن. هر دو، در حد خطای آزمایش، همونی بود که نسبیت پیش‌بینی کرده بود. فقط این عددها اثر ارتفاع پرواز رو هم با خودشون دارن، نه فقط سرعت رو.

حالا سرعت رو ببر بالا. توی حلقه‌ی ذخیره‌ی میون CERN، میون‌هایی که با سرعتی نزدیک به سرعت نور دور حلقه می‌چرخیدن، به‌طور میانگین نزدیک بیست‌ونه برابر بیشتر عمر کردن.

این اثر هم‌قدم با سرعت بالا نمی‌ره: تا وقتی از سرعت نور خیلی دوری تقریباً هیچه، و نزدیک سرعت نور تند بزرگ می‌شه.

مسیریاب گوشیت هر روز با همین اثر سروکار داره. ماهواره‌های GPS هزاران کیلومتر بالای سرمون، با سرعتی حدود چهار کیلومتر در ثانیه دور زمین می‌چرخن، و همین حرکت ساعت‌هاشون رو روزی چند میلیونیم ثانیه کند می‌کنه.

ولی اون بالا گرانش ضعیف‌تره، و اثرش در جهت مخالف از اثر حرکت بزرگ‌تره. پس ساعت ماهواره در مجموع از ساعت زمینی تندتر کار می‌کنه. برای همین آهنگ هر ساعت GPS رو قبل از پرتاب، توی کارخونه تنظیم می‌کنن. اگه این اثرها جبران نشن، خطای ساعت‌ها فقط توی یه روز به خطای مکان‌یابی بیشتر از ۱۱ کیلومتر می‌رسه.

حالا اگه به‌جای ماهواره یه فضاپیمای خیلی تند بسازیم چی؟ فرض کن دو تا دوقلو داریم. یکیشون سوار این فضاپیما می‌شه، می‌ره و برمی‌گرده، و اون یکی روی زمین می‌مونه. وقتی دوباره همدیگه رو می‌بینن، اونی که سفر کرده از دوقلوی دیگه جوون‌تره.