تأخير زمني

الشعاع الضوئي الذي يمر بالقرب من جسم ضخم ينحرف — وهذا هو تأثير العدسة الجاذبية، المألوف من صور المجرات البعيدة. اعتمد الفيزيائيون الفلكيون على ثقب أسود دوّار الثقب الأسود (زمكان كير) وأضافوا تصحيحًا صغيرًا جدًا لكيفية انتشار الضوء نفسه.

يلتقي فوتونان على مرآة نصف شفافة. إذا وصلا في نفس اللحظة تمامًا، فإنهما يخرجان معًا دائمًا — كتفًا بكتف، مثل توأمين لا يريدان الانفصال. هذا التأثير، الذي اكتُشف عام 1987، أصبح أساس مسطرة كمومية لقياس التأخيرات الزمنية المتناهية الصغر. لكن كان لهذه المسطرة عيب: بمجرد أن يتجاوز التأخير الزمني عمر الفوتون الواحد، تختفي الدقة تمامًا، مثل تموجات تختفي على سطح الماء.

لعقود، علم الفلك الراديوي كان يصغي إلى الفضاء، أملاً في التقاط إشارات راديوية ضيقة النطاق — «الصوت» التقني لكواكب خارج المجموعة الشمسية بعيدة. لكن تطورنا التكنولوجي يكشف عن مفارقة: الإشارات التماثلية الصاخبة، مثل البث التلفزيوني في الستينات، ليست سوى صرخة قصيرة لحضارة وليدة.

مسطرتان تُظهران طولًا مختلفًا قليلًا لنفس الطاولة. هذا تقريبًا هو الوضع في علم الكونيات فيما يتعلق بثابت هابل (Hubble constant) — الرقم الذي يحدد سرعة تمدد الكون.

ضع منبهين متطابقين على الطاولة وشغّلهما في الوقت نفسه. إذا كان أحدهما على سطح زلق وبدأ ينزلق ببطء، فسيختلّ ضبطه — وبعد دقيقة سيقرعان في غير تزامن. هكذا تقريبًا تعمل الطريقة الجديدة التي اقترحها علماء الفيزياء الفلكية للثقوب السوداء الهائلة الثقوب السوداء الهائلة.

في المسرعات الضخمة، تمر الجسيمات عبر الكواشف في أجزاء من مليار من الثانية، ولتمييز جسيم عن آخر نحتاج إلى ساعة توقيت فائقة الدقة. يعمل الكاشف الجديد µRWELL-PICOSEC كساعة توقيت من هذا القبيل: فهو يلتقط لحظة مرور الجسيم بدقة تصل إلى 48 بيكو ثانية، أي 48 تريليون جزء من الثانية. السر هو أن الكاشف يجمع بين ظاهرتين فيزيائيتين.

في عام 2017، رصد كاشف IceCube نيوترينو قادمًا من المجرة البعيدة TXS 0506+056. الأمر يشبه سماع رنين هاتف من عبر المحيط: الإشارة جاءت من حيث تولد الجسيمات الأكثر طاقة في الكون. بالتزامن مع النيوترينو، لاحظ علماء الفلك ومضة من أشعة غاما، وبعد سنتين إلى ثلاث سنوات، موجات راديوية.

تُلقى عملتان معدنيتان في مدينتين مختلفتين، لكنهما تسقطان دائمًا بنفس الطريقة. يسمي الفيزيائيون هذا بالتشابك (entanglement): تتصرف الجسيمات وكأن بينها خيطًا غير مرئي. ولكن ماذا لو لم يكن الخيط فوريًا، بل سريعًا جدًا، لكنه مع ذلك ليس أسرع من الضوء؟ عندها قد تتسلل إشارة ما بين القياسات، وتُفسَّر التطابقات دون أي سحر.

الموجات الثقالية هي تموجات في نسيج الزمكان، تنشأ مثلاً عن أزواج من الثقوب السوداء فائقة الكتلة التي تدور حول بعضها البعض. لالتقاطها، يراقب العلماء النجوم النابضة — وهي نجوم ميتة تُصدر نبضات راديوية بدقة الساعات. الموجة، أثناء مرورها عبر الفضاء، تضغط وتمد مسار الإشارة بالتناوب، فتصل النبضات أبكر أو أحدث قليلاً.

زوج النجوم النيوترونية يشبه كرتين ثقيلتين تقتربان ببطء في مسار حلزوني. لقد وُلدا معًا من نظام نجمي مزدوج لنجوم ضخمة، لكن قد تمر مئات الملايين من السنين قبل الاصطدام الفعلي. عندما تصطدم الكرتان أخيرًا، يشتعل انفجار غاما قصير — وهو انفجار ساطع يُرى عبر نصف الكون. جمع علماء الفلك مجموعة كبيرة من هذه الومضات وحاولوا فهم المدة التي تمر عادةً من ولادة الزوج حتى نهايته.

الزمن ليس مطلقًا: فبالقرب من الأجسام الضخمة، يسير الزمن بشكل أبطأ. هذا التأثير، وهو تمدد الزمن بفعل الجاذبية، هو نتيجة مباشرة للنظرية النسبية العامة لأينشتاين .

ضوء الكوازار PS J2305+3714 يصل إلينا بعد رحلة تزيد عن أحد عشر مليار سنة. في طريقه، يمر بالقرب من مجرة ضخمة تعمل جاذبيتها على انحناء مساره، تمامًا كما تُحدث كرة ثقيلة تقوسًا في ملاءة مشدودة. في التلسكوب، لا نرى كوازارًا واحدًا بل صورتين له — وميضين هما في الحقيقة نفس الجسم البعيد.

الكتلة تُحدث انحناءً في الزمكان، تمامًا كما يضغط حجر ثقيل على طريق إسفلتي. الضوء الذي يمر بالقرب من جسم ضخم يلتف حول هذه الانبعاج — منطقة الزمكان المنحني — فيطول مساره ويصل متأخرًا.

مسطرة من الضوء، هكذا يمكن تسمية الطريقة الجديدة لقياس التأخيرات الزمنية المتناهية الصغر. في عام 1987، لاحظ تشونغ كي هونغ وتشي-يو أوو وليونارد ماندل أنه إذا سقط فوتونان لا يمكن تمييزهما في وقت واحد على مقسم شعاع، فإنهما يخرجان معًا دائمًا من منفذ واحد.