تمدد الزمن

عداءان يبدآن سباقًا على مضمار يتغير ميله. أحدهما ينطلق مبكرًا والآخر متأخرًا، والحكم يقيس سرعتيهما دون أن يعلم بفارق الانطلاق. هكذا الحال مع المتحورات الفيروسية: البيانات عنها تصل بتأخيرات، وإذا لم تكن هذه التأخيرات متساوية، فقد يكون تقدير الأفضلية التنافسية خاطئًا بشكل فادح. في علم الأحياء التطوري، تُقدَّر الأفضلية غالبًا من ميل منحنى اللوجيت لتردد النوع الغازي.

عداءان يبدآن سباقًا على مضمار يتغير ميله. أحدهما ينطلق مبكرًا والآخر متأخرًا، والحكم يقيس سرعتيهما دون أن يعلم بفارق الانطلاق. هكذا الحال مع المتحورات الفيروسية: البيانات عنها تصل بتأخيرات، وإذا لم تكن هذه التأخيرات متساوية، فقد يكون تقدير الأفضلية التنافسية خاطئًا بشكل فادح. في علم الأحياء التطوري، تُقدَّر الأفضلية غالبًا من ميل منحنى اللوجيت لتردد النوع الغازي.

عندما تدور الكواكب حول الشمس، لا تتبع مداراتها فحسب، بل تجذب بعضها البعض قليلاً. هذا يشبه رقصة يشعر فيها كل شريك بحركة الآخرين. قرر العلماء معرفة مدى تأثير هذا التجاذب الثقالي المتبادل على مسارات الكواكب. اتضح أن هناك تصحيحات صغيرة لم تكن تؤخذ في الحسبان سابقاً. تنشأ هذه التصحيحات لأن الجاذبية لا تنتشر لحظياً، بل مثل الضوء، بسرعة محدودة. هذا هو تأثير تأخر التفاعل الثقالي.

شعاع الضوء، عند مروره بالقرب من جسم ضخم، ينحرف عن مساره المستقيم — وهي ظاهرة تعرف باسم العدسة الثقالية (gravitational lensing). تشبيه تدفق الماء الذي ينحني حول حجر في جدول ينقل الفكرة بشكل جيد: جاذبية الجسم الضخم تحني مسار الفوتونات، تمامًا كما يغير العائق مسار الماء.

الحجر الملقى في الماء يفقد سرعته بسرعة بسبب مقاومة الوسط. الشهاب الذي يدخل الغلاف الجوي يجب أن يتصرف بشكل مشابه: الهواء يبطئه، والاحتكاك يسخنه ويبخر مادته. ومع ذلك، فإن كاميرات شبكة مرصد الكرة الأرضية النارية (Global Fireball Observatory) رصدت خلال عشر سنوات مئات الكرات النارية الساطعة التي تخترق السماء دون تباطؤ تقريبًا.

الموصل الفائق يطرد المجال المغناطيسي، مثلما تعصر الإسفنجة الماء. تأثير مايسنر (Meissner effect) معروف منذ ما يقرب من قرن، لكنه يُدرس عادةً في زمكان مسطح — دون أخذ الجاذبية في الاعتبار. في مجال جاذبية قوي، مثلًا بالقرب من ثقب أسود، أو عند سرعات نسبية، تتغير الصورة.

المرآة العادية تبدّل اليسار واليمين. كثير من قوانين الفيزياء لا تلاحظ هذا التبديل — فهي متناظرة مرآتيًا. لكن بعض الظواهر، مثل التآثر الضعيف، تكسر هذا التناظر. حتى الآن كان يُعتقد أن الجاذبية والضوء يكسران التناظر المرآتي كلٌّ على حدة، بشكل مستقل. افترض مؤلفو الدراسة الجديدة خلاف ذلك: ربما هذا الاستقلال مجرد مظهر ناتج عن أننا نراقب العالم من أربعة أبعاد: ثلاثة مكانية وواحد زماني.

عداد السرعة في المجرة يتجاوز الحد. النجوم الخارجية تدور بسرعة تجعلها، وفقًا لكل قوانين الجاذبية، يجب أن تتطاير بعيدًا مثل رذاذ من عجلة دوارة.

الماء الساخن أحيانًا يتجمد أسرع من الماء الدافئ — هذه الظاهرة المتناقضة تُعرف بتأثير ميمبا. الآن، اكتشفوا شيئًا مشابهًا في الفيزياء الكمومية: حالة ذات تشابك ضعيف (ارتباط كمومي خاص بين الجسيمات، حيث تكون حالاتها مرتبطة بغض النظر عن المسافة) قد تصل إلى الهدف أسرع من حالة ذات تشابك أقوى في البداية.

العالم الكمومي لا يغفر النسيان. ألقِ حجرًا في بركة — ستتموج الدوائر وتختفي، وتتبدد معلومات السقوط دون أثر. في ميكانيكا الكم الأمر مختلف: تطور النظام قابل للعكس، والماضي لا يُمحى تمامًا أبدًا. لكن كيف نميز نظامًا يسوده الفوضى الحرارية عن نظام حُبست جسيماته كلٌّ في خليتها وتذكر حالتها الابتدائية؟ وجد مؤلفو المقال طريقة.

يشبه تكتكة الساعات الذرية ضربات بندول الإيقاع، لكن بدل البندول نجد اهتزازات الإلكترونات في الذرة. ساعتان من هذا القبيل – واحدة على أيون الإيتربيوم والأخرى على ذرات السترونشيوم – وُضعتا جنبًا إلى جنب ليقارن الباحثون إيقاعهما. استغرقت القياسات نحو عامين.

أدق ساعة توقيت في العالم ما زالت تعمل بنظرة إلى البندول القديم. أجهزة المازر الهيدروجينية – أفضل "الحدافات" الراديوية (أجهزة تحفظ الإيقاع بين ومضات المعايرة مع المعيار) – تراكم الخطأ بسبب تسرب الضوضاء بين القياسات إلى الإشارة النهائية. يسمي الفيزيائيون هذا تأثير ديك، وهو يضع حدًا لدقة أي مقياس زمن مبني على الترددات الراديوية. استبدل المؤلفون الحدافة الراديوية بحدافة بصرية.

في عام 2017، رصدت كاشفات الموجات الثقالية LIGO وVirgo موجة ثقالية — تذبذبًا في نسيج الزمكان نفسه ناتجًا عن اصطدام نجمين نيوترونيين — بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة. وبعد 1.7 ثانية، رصدت التلسكوبات المدارية وميض انفجار أشعة غاما — انبعاثًا قويًا للإشعاع الكهرومغناطيسي من نفس النقطة في السماء.

التجمع الكروي (globular cluster) — سرب كثيف من مئات الآلاف من النجوم — يخترق المجرة مثل رصاصة تخترق الماء. في المادة المظلمة العادية (الكتلة غير المرئية التي تمسك المجرات)، يجب أن يفقد سرعته بسرعة بسبب الاحتكاك المدّي (dynamical friction). لكن في المجرة القزمة الكور، العديد من هذه التجمعات لم تسقط بعد نحو المركز. يسمي علماء الفلك هذا "مشكلة الزمن".

الحجر المقذوف يطير في قوس ويسقط. الكوكب حول النجم هو نفس الحجر، لكنه يسقط إلى ما لا نهاية، ملتفًا حول النجم في منحنى مغلق. في عالم نيوتن، هذا المنحنى هو قطع ناقص مثالي، ويعود الكوكب إلى نفس النقطة في كل دورة. في الواقع، يدور المدار قليلًا — نقطته الأقرب إلى النجم، الحضيض، تنزاح. عند عطارد، هذا الانزياح حوالي 43 ثانية قوسية في القرن.

الماء الساخن يتجمد أحياناً أسرع من الماء البارد. يتحول الماء المغلي إلى ثلج بسرعة أكبر. هذه المفارقة التي اكتشفها الطالب إراستو مبيمبا ظلت تشغل بال الفيزيائيين طويلاً. اتضح أنه كلما كان النظام أبعد عن التوازن، وصل إليه أسرع. لا يزال تأثير مبيمبا مثار جدل حتى اليوم: فالمتغيرات كثيرة ويصعب إعادة إنتاجه.

يسقط حجر في ماء هادئ — فتنتشر دوائر على السطح. يتصرف الثقب الأسود بطريقة مشابهة عندما يسقط فيه شيء ما أو عندما يندمج مع ثقب آخر. يبدأ الثقب في الاهتزاز، وتنتقل هذه الاهتزازات إلى الفضاء على شكل موجات ثقالية. يطلق علماء الفيزياء الفلكية على هذه العملية اسم «رنين» الثقب الأسود.

في عام 1888، قطع فنسنت فان جوخ شحمة أذنه. لا يزال كتاب السيرة والأطباء النفسيون يحاولون تفسير هذا الفعل حتى اليوم. أما علماء الرياضيات فقد تناولوا اللغز من زاوية مختلفة: قاموا بقياس كيفية تغير مشاعر الفنان في رسائله وكيف زادت "العصبية" في ضربات فرشاته — ورأوا إشارة واضحة على كارثة وشيكة. الأرجوحة التي تُدفع عادة تتأرجح ثم تهدأ بسرعة.

كرتان ألقيتا من ارتفاعات مختلفة تسقطان على الأرض بتسارع مختلف. في الفضاء، الأمور أكثر تعقيدًا: حتى الفراغ يجعل الأجسام تتحرك بشكل مختلف. أخذ مؤلفو العمل زمكانًا يحتوي على الجذب العادي للمادة وعلى التنافر الكوني الغامض (يسمى الطاقة المظلمة)، ونظروا كيف تتغير المسافة بين جسيمين يتحركان بحرية. اتضح أن هناك سطحًا حرجًا — كرة غير مرئية تقسم العالم إلى منطقتين.

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.

عندما يدور نجمان نيوترونيان حول بعضهما البعض، لا يظل جسماهما كرويين صلبين. جاذبية الشريك تمدد كل نجم، مما يخلق حدبتي مد وجزر — تمامًا كما يرفع القمر مياه محيطات الأرض. لكن على عكس الماء، هنا تتشوه مادة فائقة الكثافة: ملعقة صغيرة من هذه المادة تزن مليارات الأطنان.

تخيل راقصًا بثلاثة وجوه على قمة موجة ضوئية. وجه ماسك يلتقط الفوتونات الساقطة. ووجه مرآة مثالية تعكس الضوء للخلف. ووجه زجاج معتم ينثر الأشعة في كل الاتجاهات. ما دامت السرعة صغيرة، يبقى الرقص متناغمًا. لكن عند سرعات قريبة من سرعة الضوء، تختل تصميم الرقصة. يشبه الأمر راكب الأمواج الذي يطارد الموجة. في البداية، تدفعه المياه بقوة إلى الأمام.

أوركسترا بلا قائد: كل موسيقي يسمع جاره فقط ويتأخر أو يتعجل قليلاً. في الساعات الذرية العادية، الصورة مشابهة — الذرات تتذبذب، لكن إيقاعها يضطرب بسبب الاهتزاز الحراري، وتكون دقة السير محدودة. ومع ذلك، تمكنت مجموعة من الفيزيائيين من تحويل هذا العيب إلى ميزة. وضعوا سحابة من مائة ألف ذرة سترونشيوم بين مرآتين — في رنان بصري — وأضاءوها بالليزر.

يمكن تكبير صورة فوتوغرافية عالية الدقة لفترة طويلة — وفجأة يتحول الوجه الأملس إلى بكسلات منفصلة. شيء مشابه، وفقًا لدراسة جديدة، يحدث للزمكان نفسه. افترض المؤلفون أن الفترات الزمنية المتناهية الصغر ليست «أجزاء» جاهزة من الكون، بل نتائج قياسات. إنها تعتمد على المقياس، كما لو أن المسطرة نفسها تغير تدرجاتها اعتمادًا على ما نقيسه. هذا المنظور يؤدي إلى نتيجة مدهشة.

كاشف الفوتومتري العادي لا يميّز الفوتون الأيسر من الأيمن. لكن ما إن يبدأ في الحركة، يتغيّر كل شيء. يجدف ملّاح بين عازفي ناي يعزفان النغمة نفسها. وقد ضُبِط سمعه بدقة على هذه النغمة، وهو أصمّ عن جميع الطبقات الأخرى. بسبب الحركة، ترتفع حدة اللحن القادم من الأمام، وتنخفض حدة اللحن القادم من الخلف. تلتقط الأذن فقط النغمة التي لم يخرج انزياحها عن التردد المفضل.

حجر يُلقى في بركة يُحدث دوائر تنتشر في كل الاتجاهات. والآن تخيل أن البركة نفسها تتحول فجأة إلى هلام، وبشكل لحظي، أسرع من أن تكمل الموجة قمة واحدة. جزء من الدوائر سيواصل الانتشار لكنه سيغير إيقاعه، وجزء آخر سينعطف فجأة ويعود أدراجه نحو نقطة الرمي، وكأن الزمن قد انعكس له. هذا بالضبط ما فعله الفيزيائيون بالضوء. في الحياة العادية، ينعكس الضوء عن الحد الفاصل بين وسطين — مثل الزجاج أو الماء.

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.

تصوير محيط ثقب أسود يشبه تصوير نافورة: سرعة غالق عالية تُجمّد القطرات، وسرعة بطيئة تمزج كل شيء في خطوط ضبابية. الضوء الصادر عن الغاز المتوهج الذي يدور حول الثقب يسلك مسارات مختلفة للوصول إلينا. بعض الأشعة تنحني حوله في قوس، وأخرى تدور عدة لفات بسبب انحناء الزمكان. في الصورة الواحدة، تختلط أحداث وقعت بفارق ساعات أو سنوات.

يسقط حجر في بئر، ويصل صوت ارتطامه إلى الأذنين متأخراً. شيء مشابه يحدث للضوء عندما يبتعد عن الأرض: تتضاءل تردداته، ويبدو الشعاع وكأنه «يتعب». هذا هو الانزياح الأحمر الثقالي — الظاهرة التي تحدث عنها أينشتاين قبل مئة عام. الكوكب الضخم يبطئ الزمن نفسه، والضوء يشعر بذلك. الآن قيس هذا التأثير بدقة غير مسبوقة.

في أقبية أربعة معاهد أوروبية، وُضعت سبعة أجهزة — يمكن تشبيه كل منها بشوكة رنانة بدقة لا تُتصور. لكن بدلًا من الصوت، تصدر «دقات» من الضوء: اهتزازات ليزر محبوس على تردد معين بواسطة ذرات السترونشيوم أو الإيتربيوم أو الزئبق. هذه الذرات، المبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق، تعمل مثل دولاب موازنة ضخم لا يخطئ خطوة واحدة.

ينتقل الضوء بأسرع سرعة في الكون — وهذه ليست مجرد حقيقة، بل هي الأساس الذي تقوم عليه النظرية النسبية العامة. ولكن ماذا لو أبطأنا الضوء ذهنيًا إلى سرعة السلحفاة؟ هذا هو بالضبط التلاعب بالمعادلات الذي قام به مؤلفو الدراسة الجديدة.

ومضة الكاميرا العادية تستمر لأجزاء من الألف من الثانية. النبضة الأتوسيكندية أقصر بمقدار تريليون مرة — فخلال زمنها، يقطع الضوء مسافة أصغر من حجم الذرة. تعمل هذه الومضات كغالق فائق السرعة: فهي تجمد حركة الإلكترونات، مما يتيح رؤية كيف تقفز بين المدارات أو تشارك في تفاعل كيميائي. حتى الآن، كانت مشكلة هذه "الغواقل" هي الضوء الضعيف.

تستلقي اليد على الطاولة، وتصل إلى المعصم اهتزازتان قصيرتان — واحدة تلو الأخرى. المطلوب تحديد أيهما أقوى. تبدو المهمة بسيطة، لكن الإجابة تعتمد على أي الاهتزازين كان أولًا. إذا كانت الأولى ضعيفة والثانية قوية، يبدو الفرق أكبر مما لو عُكس الترتيب. هذا ليس نزوة انتباه، بل عمل آلية مستمرة: الدماغ لا ينتظر معلومات كاملة، بل يبني تخمينًا ويصححه أثناء الحركة.

الساعة ليست مجرد عقارب. فكل نواة ذرية هي بندول إيقاعي طبيعي: تهتز بانتظام شبه مثالي. إذا رُفعت إحدى هذه البندولات الإيقاعية بضعة أمتار، فسيتسارع إيقاعها قليلاً — وهذا هو انحناء الزمن الذي تنبأ به أينشتاين.

على الطاولة يقف جهاز حساس — ميزان الالتواء. كتلتان ثقيلتان تدوران بجانب قضيب معلق، وجاذبيتهما تسعى لتدوير هذا القضيب. لكن الكتلتين موضوعتان بحيث تلغي كل منهما جذب نيوتن العادي للآخر: إحداهما تسحب في اتجاه، والأخرى في الاتجاه المعاكس. لا يبقى سوى أثر ضعيف، وهو ما يلتقطه الجهاز. ميزان الالتواء هو ميزان حساس للغاية يقيس قوة الجذب من خلال التواء خيط رفيع.

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.

يعمل مقياس الجاذبية الذري (atomic gravimeter) كميزانٍ شديد الدقة لقياس قوة الجاذبية: فهو يقذف سحابةً من الذرات إلى الأعلى ثم يراقب سرعة سقوطها. لكن لهذه الأجهزة عائقًا خفيًّا: شكل الإشارة التي تُصدرها منحرفٌ قليلًا. هذا الانحراف، مثل حافة مسطرةٍ غير مستقيمة، يُزيح جميع القياسات دون أن يُلاحَظ.

عندما تقترب طائرة من الهبوط أو تبحر غواصة في الظلام الدامس، يحتاج الملاح إلى جهاز لا يفقد خيط الحركة. الجيروسكوبات التقليدية القائمة على الموجات الذرّية دقيقة للغاية، لكنها تتسم بنزوة: الإشارة تتكرر مثل نقش ورق الجدران، وبعد نصف خطوة يبدو النقش وكأنه نفسه. عندها يفقد الجهاز قدرته على تحديد موقعه. في الدراسة الجديدة، تم التغلب على هذه النزوة.

النفاثة الغازية فوق الصوتية تشبه تدفق السيارات على طريق سريع، حيث تندفع بعضها أسرع من الصوت بينما تزحف أخرى ببطء. قياس سرعة كل سيارة في نفس الوقت دون إعاقة الحركة مهمة صعبة. وجد العلماء طريقة: يطلقون نبضة ليزر قصيرة مدتها 200 نانوثانية (أقصر بمليون مرة من ومضة مصباح كهربائي) ويعيدون بناء صورة التدفق من الضوء المبعثر. يمر شعاع الليزر عبر النفاثة، وتقوم جزيئات الغاز بتشتيت الضوء.

هاتفان ببطاريتين متماثلتين: أحدهما يُشحن في قبو بإشارة ضعيفة — فتسير العملية أبطأ. نسبة الشحن هنا تؤدي دور عقرب الساعة. انتقل الفيزيائيون بهذا المنطق نفسه إلى العالم الكمومي. ساعتهم هي بطارية مجهرية تُراكم الطاقة. تعتمد سرعة الشحن على «نمط» كمومي خفي — تماماً كمفتاح تبديل.