عبدالحفيظ العمري
29/08/2009, 11:12 PM
ارجو تصفح هذا المقال مع ملاحظاتكم وتعليقاتكم
From the Microscopic to the Cosmic
All phenomena that we know of in our universe are defined by their time scales. Enduring or ephemeral in their character, these phenomena seem to follow an intriguing logarithmic scale of time that spans the very small (microscopic) world and the very big (cosmic)
world. The human time-scale lies almost in between, a geometric average of the two extremes.
The time of the big bang, the age of the universe, is about 12 billion years, or tens of 10+15 second (+15 on the log scale), recalling that one year is 32 million seconds.For the lightest atom, hydrogen, the time scale for the motion of an electron in its first orbit is about a tenth of a femtosecond, or a tenth of 10-15 second (-15 on the log scale). The average of the two limits is on the scale of seconds (zero on the log scale), the human heart beat–something to think about!
On this log scale, we did not consider the ultimate–shortest–time of the universe, what is now known as Planck’s time. In his attempt to give a universality to constants of nature, Planck in 1899 proposed that natural units of mass, length, time, and temperature can be constructed from the most fundamental constants: the gravitation constant G, the speed of light c, and the constant of action h (which now bears his name). By dimensional analysis, the shortest possible time becomes:
t(Planck) = (h G/c 5)1/2
which is 10-43 seconds, and the corresponding length is 10-33 cm, obtained simply by multiplying by c. Even before 1900, the year quantum mechanics began to emerge, this unity in defining Planck’s time is telling of “relationships” between quantum mechanics (h), gravity (G), and relativity (c). Implicit in this unification is the meaning of physical laws at scales below these values, and the nature spacetime with a universal speed of light – Einstein enters here!
Time, Light, and Relativity
Before Einstein, the great contribution by James Clerk Maxwell gave us a universal description of the nature of light. By a unification of electricity and magnetism ,light, as a wave, propagates in space and time with electric and magnetic (electromagnetic) disturbances.This was a brilliant contribution expressed quantitatively in Maxwell’s equations. Einstein in 1905 was concerned about two issues that relate to the nature of light–Is it really a wave? and, What happens to these waves if you can imagine running with them near the speed c?
The first issue is not our concern here, but the second one is
.Something is special.
Whichever direction a beam of light is coming from, independent of our own velocity for observation on Earth, we will always measure c for light
Einstein, in his special theory of relativity, gave the correct picture for adding velocities: For a motion of an object (say a moving ball) with velocity v in a reference frame (say a moving train) with a velocity u, an observer will see a motion not by the expected (v + u) velocity, but by (v + u) divided by the factor (1+vu/c 2); when the speeds v and u are the “normal” ones, that is, much less than c, then the total velocity is the expected (Newtonian) (v + u). However, if instead of the ball we have light with speed c, then the total velocity becomes (c + u) divided by (1 + u/c) which is exactly c. The speed of light is the same in all reference frames, in all directions, for all observers, and every observer will experience the same natural laws.
The consequences of these findings for time, length, and mass require some philosophical interpretation. As the speed of light is approached, the length of a spaceship will shrink and approach zero in the direction of the motion. Similarly, moving objects become more massive and approach infinity when the object velocity becomes near the speed of light. For time, the mystery continues.Moving clocks must slow down and stop when theobject velocity reaches the speed of light. In this “Dilation of Time,” time becomes relative:
t(moving) = t(stationary) / (1-v2/c2)1/2
where the velocity of the moving clock is v. From the expression, we note that the time of the moving clock gets longer (slowing down) as v increases, but we also note that if v is made to exceed c, we enter an imaginary world of time! Thus, within the framework of this theory, the speed of light is the ultimate speed in our world and universe.
In approaching these large scales of speed and mass,what happens to light? In his 1911-16 papers on the General Theory of Relativity, Einstein addressed the effect of gravity on light. Gravity is described as distortions in the four dimensions of space and time (three dimensions for space and one for time), and such distortions define Newton’s “force” of gravity–spacetime is actually curved. Because of this curvature, a beam of light passing near the sun would bend in the gravity of a massive object. Experimentally, it was found by Arthur Eddington during the 1919 eclipse that indeed light was bent as it passed by the sun, as predicted by the theory.
In 1922, Einstein received the 1921 Nobel Prize, not for his theory of relativity but for the photoelectric effect, a contribution that elucidated one of the two characteristics (duality) of light–a bundle of particles of quantized energy.
Symmetry of Time
Even if we consider the “normal world” when velocities,masses, lengths, and time are with no corrections–Newtonian Limits–and spacetime with no curvature, we still have problems with time, its direction and uncertainty. First let us consider the symmetry of time. Can time go forward and backward, or does it have a direction, an arrow?
In Newton’s world, the motion of objects, like you and me, should follow “symmetry of time”, that is, the equations describing motion on say the human scale, or that of the Earth around the sun, are time symmetric. There is no difference in the way they work if we make
the direction of time go “forward” or “backward”. Newtonian mechanics are deterministic and time symmetric. Because the force is related to the mass and the acceleration F=ma=m(d2x/dt2)],
the equation works equally well for positive and negative time. So, calculating the future of a physical system from its present situation is the same as calculating its past physical situation from its present one–weird and contrary to our common sense. What about microscopic systems, for example the world invisible to the eye–the atom.
For quantum systems, the equation of motion also has invariance under time reversal insofar as the positions of microscopic particles are concerned. This is true despite the deceptive appearance of a first derivative in the Schrödinger wave equation that would imply time
reversal. If you can magnify a box containing a gas and see the atoms hitting each other individually you will conclude that there is no arrow of time for every pair of collisions. So, in Newton’s mechanics and quantum mechanics, time flows in both directions, making the
apparent confusion for the meaning of past, present, and future! In our life, we feel the passage of time and we also know that matter is made of atoms, so we have a dilemma.
الترجمة
مِنْ المجهريِ إلى الكوني
ُكلّ الظواهر التي نَعْرفُ في كونِنا عرّفَ بمقياسه الزمني. الدائمي أَو العابر في خصائصا، تَبْدو هذه الظواهرِ تّابعة لمِقياس الزمن اللوغاريتمي المثير ِ الذي يشمل العالم الصغير (مجهري) والعالم الكبير جداً (كوني). المقياس الزمني الإنساني يكمن تقريباً ما بين المتوسط الهندسي للنهايتين .
إنّ زمن الانفجار الغظيم هو عُمر الكونِ حوالي 12 بليون سنةَ، أَو عشرات 10+15 ثانية (+15 على المِقياس اللوغارتمي) تذكّرُ بأنّ في السَنَةَ الواحدة 32 مليون ثانيةُ.
في الذرّةِ الأخفِّ هيدروجين، الفترة الزمنية لحركة أي ألكترونِ في مدارِه الأولِ حوالي فيمتوثانية، أَو عُشر 10-15 ثانية (-15 على المقياس اللوغارتمي). إنّ معدلَ الحدّين على مِقياسِ الثواني (صفر على المِقياس اللوغارتمي) هو دقة قلب الإنسان شيء للتَفكير بشأنه !
على هذا المِقياس اللوغارتمي ، نحن لَمْ نُعتبرْ الزمن النهائي - الأقصر - للكونِ، الذي الآن نعرفه بزمن بلانك. في محاولتِه لإعْطاء عمومية لثوابتِ الطبيعةِ بلانكفي عام 1899 إقترحْ بأنّ الوحداتِ الطبيعيةِ للكتلةِ والطول والزمن و درجة الحرارة يُمْكِنُ أَنْ تنشأ مِنْ اكثر الثوابت أساسية: ثابت الجاذبية (g)، سرعة الضوءِ(( c، وثابت التأثيرِ h (الذي يَحْملُ اسمُه الآن). بالتحليلِ البعديِ، أقصر زمن مُمْكن يُصبحُ:
t(Planck) = (h G/c 5)1/2
الذي هو 10-43 ثواني، والطول المطابق 10-33 سنتيمتر، حَصلَ على ببساطة بالضرب c .
حتى قبل 1900، بَدأَت تلك السَنَةَ ميكانيك الكمُ في الظهور هذه الوحدةِ في تعريف زمن بلانك تدعى "عِلاقات" بين ميكانيك الكمِ (h)و الجاذبية (g) والنسبية. (c) يتضمن في هذا التوحيدِ معنى القوانينِ الفيزيائية بمقاييس دون هذه القِيَمِ، والزمكان الطبيعي مع سرعة الضوء العالمية ِ - يَدْخلُ آينشتاين هنا!
الوقت، الضوء، والنسبية
قبل آينشتاين، المساهمة العظيمة مِن قِبل جيمس كلارك ماكسويل أعطتنا وصف عالمي لطبيعةِ الضوء. بتوحيد الكهرباءِ والمغناطيسيةِ،الضوء، كموجة، ينتشر في الفضاءِ والزمن مَع تغير كهربائي ومغناطيسي (كهرومغناطيسية).هذا كَانت مساهمة رائعة بدتْ بشكل مقدّر في معادلاتِ ماكسويل. آينشتاين في 1905 اهتم بشأن قضيتين التي تَتعلّقانِ بطبيعةِ الضوءِ - هَلْ هو حقَّاً موجةُ؟ ، وما الذي يَحْدثُ لهذه الموجاتِ إذا أنت أمكنك أَنْ يَتخيّلُ السفر مَعها قُرْب السرعةِ الضوء؟
القضية الأولى لَيستْ مهمة هنا، لكن الثانيَة.
الشيء خاصُّ. أَيّ إتّجاه شعاع الضوء يَجيءُ مِنْه، مستقلا عنْ سرعتِنا الخاصةِ الملحوظةِ على الأرضِ، نحن سَنَقِيسُ دائماً c للضوء. آينشتاين في نظريتِه الخاصّةِ للنسبيةِ، أعطىَ الصورة الصحيحة لإضافة السُرَعِ:
لحركة أي جسم (لنقل كرة متحركة) بسرعةِ v في إطار مرجعي (لنقل قطار متحرك) بسرعة u،أي مراقب سَيَرى حركة لَيستْ بالمتوقّعِ سرعة(v + u) ، لكن (v + u) مقسّومةَ على العاملِ (1 +vu/c 2)؛ عندما سرعة v وu كل واحدة "الطبيعيةَ"، تلك، أقل بكثير مِنْ c، ثمّ السرعة الكليّة المتوقّعة ُ(بالقانون النيوتني) هي v + u. على أية حال، إذا استبدلنا عن الكرةِ بضوءُ بسرعة c، ثمّ السرعة الكليّة تُصبحُ :
(c + u) مقسّومَ على (1 + u/c) هي تماما c. سرعة الضوءِ هي متساوية في كُلّ إطاراتِ المرجعية، في كل الإتّجاهات، لكُلّ المراقبون، وكُلّ مراقب سَيواجهْ نفس القوانينِ الطبيعيةِ.
عواقب هذه النتائجِ على الوقتِ و الطول و الكتلةَ تَتطلّبُ بَعْض التفسيرِ الفلسفيِ. اذا تم الاقتراب من سرعةَ الضوءِ فطول سفينة فضائية سيتقلص ويَقتربُ من الصفر في إتّجاهِ الحركة. بالمثل الأجسام المتحرّكة تُصبحُ أكثرَ ضخامة وتقترب من اللا نهاية عندما سرعةِ الجسمَ تُصبحُ قُرْيبة من سرعةِ الضوءِ. اما الزمن اللغز يستمرُّ.الساعات المتحركة يَجِبُ أَنْ تَبطئَ وتوقّفَ عندما تَصِلُ سرعةُ الجسمِ الى سرعةَ الضوءِ. في هذا “ تباطىء الزمن ,” يُصبحُ الزمن تقريباً:
t(المتحرك) = t(الثابت) / (1-v2/c2)1/2
حيث أنَّ سرعة الساعةِ المتحركة هي v، من المعادلة نُلاحظُ الذي زمن الساعةِ المتحركة يُصبحُ أطولُ (يتباطىء) بينما v تَزِيدُ، لَكنَّنا أيضاً نلاحظ انه إذا v تُجْعَلُ تَجَاوُزت c، نَدْخلُ في عالم الزمن الخيالي ِ! فهكذا، ضمن نطاق هذا النظرية، سرعة الضوءِ هي السرعةُ النهائيةُ في عالمنا وكوننا.
بالاقتراب من هذه النطاقات الواسعِة للسرعةِ والكتلةِ، ماذا يَحْدثُ للضوء؟ في صفحات ال1911-16 للنظرية النسبيةِ العامة، اهتم آينشتاين بتأثير الجاذبيةِ على الضوءِ. الجاذبية تصور كتشوهات في أربعة أبعادِ للفضاءِ والزمن (ثلاثة أبعادِ للفضاءِ وواحد للزمن)، ومثل هذا التشوهاتُ تُعرّفُ بـ"قوةَ" نيوتن للجاذبيةِ -الزمكان يتقوّسُ في الحقيقة. بسبب هذا التقوسِ شعاع الضوء المار بقُرْب الشمسِ يتُقوّسُ بجاذبيةَ الجسم الهائل. بشكل تجريبي، وُجِدَ ذلك مِن قِبل آرثر ادنجتون أثناء كسوفِ 1919 الذي فعلا تقوس اثناء مروره بواسطة الشمس، كما هو مُتَوَقّعة من قبل النظرية.
في 1922، إستلمَ آينشتاين جائزة نوبل 1921، لَيسَ لنظريته في النسبيةِ لكن للتأثيرِ الكهروضوئيِ المساهمة التي وضّحتْ واحدة من خصائص (ثنائية) الضوءِ ذو الحزمة من الجزيئاتِ بطاقة مكماه.
تناظر الزمن
حتى ولو نَعتبرُ "عالم طبيعي" عندما السرعات والكتل و الأطوال، والزمن بدون حدودِ تصحيحاتِ النيوتونيةِ وزمكان بدون تقوسِ، نحن ما زِال عِنْدَنا المشاكلُ مع الزمن انها إتّجاهه وعدم تعيينه. أولاً دعنا نَعتبرُ تناظرَ الزمن. هَلّ بالإمكان أَنْ الزمن يَتقدّمُ الى الامام والخلفً، أَوان لَهُ إتّجاه و سهم؟
في عالمِ نيوتن، حركة الأجسامِ، مثلك وأنا، يَجِبُ أَنْ تتبع "تناظر الزمنِ"، ذلك بان المعادلات التي تَصِفُ حركةً بالمِقياس الإنساني تقريبا، أَو تلك كدوران الأرضِ حول الشمسِ كلها لها زمن متماثلَ. ليس هناك إختلاف في الاسلوب الذي يَعْملونَ إذ نجعل إتّجاهُ الزمن "للأمام" أَو "الخلفِ". الميكانيكا النيوتونية حتمية والزمن متماثل. لأن القوةَ المتعلقة بالكتلةِ والتعجيلِ
[F=ma=m(d2x/dt2)],
تَعْملُ المعادلةُ على حد سواء للزمن الإيجابيِ والسلبيِ. لذا، نحسب مستقبلَ النظام طبيعي مِنْ وضعه الراهنِ تماماً مثلما نَحْسبُ حالتَه الطبيعيةَ الماضيةَ مِنْ الحاليِ واحد غريب ومناقض لحسنا المشترك. ماذا عن الأنظمة المجهرية، على سبيل المثال العالم المخفي عن العينِ ، الذرّة.
للأنظمةِ الكَمّيةِ، معادلة الحركةِ لَها ثبات أيضاً ضمن الزمن بشكل معاكس الى حد ما مواقع الجزيئاتِ المجهريةِ المَعْنية. هذا حقيقي على الرغم مِنْ الظهورِ الخادعِ لاول إشتقاق لمعادلة شرودنجر الموجية التي تَدْلُّ على الزمن العكس. إذا أنت يُمْكِنُ أَنْ تُكبّرَ صندوق يَحتوي غاز وتَرى الذرّاتِ وهي تضرب بعضها البعض بشكل منفرد أنت سَتَستنتجُ بأنه ليس هناك سهم الزمن لكُلّ زوج الإصطداماتِ. لذا، في ميكانيكا نيوتن وميكانيكا الكمِ يَتدفّقُ الزمنَ في كلتا الإتّجاهات، صانعا التشويش الظاهر لمعنى الماضي والحاضر والمستقبل! في حياتِنا، نَحسُّ بمرورَ الزمن ونحن أيضاً نَعْرفُ بأنّ المادة مصنوعةُ من ذرّاتِ، لذا عِنْدَنا معضلة.
From the Microscopic to the Cosmic
All phenomena that we know of in our universe are defined by their time scales. Enduring or ephemeral in their character, these phenomena seem to follow an intriguing logarithmic scale of time that spans the very small (microscopic) world and the very big (cosmic)
world. The human time-scale lies almost in between, a geometric average of the two extremes.
The time of the big bang, the age of the universe, is about 12 billion years, or tens of 10+15 second (+15 on the log scale), recalling that one year is 32 million seconds.For the lightest atom, hydrogen, the time scale for the motion of an electron in its first orbit is about a tenth of a femtosecond, or a tenth of 10-15 second (-15 on the log scale). The average of the two limits is on the scale of seconds (zero on the log scale), the human heart beat–something to think about!
On this log scale, we did not consider the ultimate–shortest–time of the universe, what is now known as Planck’s time. In his attempt to give a universality to constants of nature, Planck in 1899 proposed that natural units of mass, length, time, and temperature can be constructed from the most fundamental constants: the gravitation constant G, the speed of light c, and the constant of action h (which now bears his name). By dimensional analysis, the shortest possible time becomes:
t(Planck) = (h G/c 5)1/2
which is 10-43 seconds, and the corresponding length is 10-33 cm, obtained simply by multiplying by c. Even before 1900, the year quantum mechanics began to emerge, this unity in defining Planck’s time is telling of “relationships” between quantum mechanics (h), gravity (G), and relativity (c). Implicit in this unification is the meaning of physical laws at scales below these values, and the nature spacetime with a universal speed of light – Einstein enters here!
Time, Light, and Relativity
Before Einstein, the great contribution by James Clerk Maxwell gave us a universal description of the nature of light. By a unification of electricity and magnetism ,light, as a wave, propagates in space and time with electric and magnetic (electromagnetic) disturbances.This was a brilliant contribution expressed quantitatively in Maxwell’s equations. Einstein in 1905 was concerned about two issues that relate to the nature of light–Is it really a wave? and, What happens to these waves if you can imagine running with them near the speed c?
The first issue is not our concern here, but the second one is
.Something is special.
Whichever direction a beam of light is coming from, independent of our own velocity for observation on Earth, we will always measure c for light
Einstein, in his special theory of relativity, gave the correct picture for adding velocities: For a motion of an object (say a moving ball) with velocity v in a reference frame (say a moving train) with a velocity u, an observer will see a motion not by the expected (v + u) velocity, but by (v + u) divided by the factor (1+vu/c 2); when the speeds v and u are the “normal” ones, that is, much less than c, then the total velocity is the expected (Newtonian) (v + u). However, if instead of the ball we have light with speed c, then the total velocity becomes (c + u) divided by (1 + u/c) which is exactly c. The speed of light is the same in all reference frames, in all directions, for all observers, and every observer will experience the same natural laws.
The consequences of these findings for time, length, and mass require some philosophical interpretation. As the speed of light is approached, the length of a spaceship will shrink and approach zero in the direction of the motion. Similarly, moving objects become more massive and approach infinity when the object velocity becomes near the speed of light. For time, the mystery continues.Moving clocks must slow down and stop when theobject velocity reaches the speed of light. In this “Dilation of Time,” time becomes relative:
t(moving) = t(stationary) / (1-v2/c2)1/2
where the velocity of the moving clock is v. From the expression, we note that the time of the moving clock gets longer (slowing down) as v increases, but we also note that if v is made to exceed c, we enter an imaginary world of time! Thus, within the framework of this theory, the speed of light is the ultimate speed in our world and universe.
In approaching these large scales of speed and mass,what happens to light? In his 1911-16 papers on the General Theory of Relativity, Einstein addressed the effect of gravity on light. Gravity is described as distortions in the four dimensions of space and time (three dimensions for space and one for time), and such distortions define Newton’s “force” of gravity–spacetime is actually curved. Because of this curvature, a beam of light passing near the sun would bend in the gravity of a massive object. Experimentally, it was found by Arthur Eddington during the 1919 eclipse that indeed light was bent as it passed by the sun, as predicted by the theory.
In 1922, Einstein received the 1921 Nobel Prize, not for his theory of relativity but for the photoelectric effect, a contribution that elucidated one of the two characteristics (duality) of light–a bundle of particles of quantized energy.
Symmetry of Time
Even if we consider the “normal world” when velocities,masses, lengths, and time are with no corrections–Newtonian Limits–and spacetime with no curvature, we still have problems with time, its direction and uncertainty. First let us consider the symmetry of time. Can time go forward and backward, or does it have a direction, an arrow?
In Newton’s world, the motion of objects, like you and me, should follow “symmetry of time”, that is, the equations describing motion on say the human scale, or that of the Earth around the sun, are time symmetric. There is no difference in the way they work if we make
the direction of time go “forward” or “backward”. Newtonian mechanics are deterministic and time symmetric. Because the force is related to the mass and the acceleration F=ma=m(d2x/dt2)],
the equation works equally well for positive and negative time. So, calculating the future of a physical system from its present situation is the same as calculating its past physical situation from its present one–weird and contrary to our common sense. What about microscopic systems, for example the world invisible to the eye–the atom.
For quantum systems, the equation of motion also has invariance under time reversal insofar as the positions of microscopic particles are concerned. This is true despite the deceptive appearance of a first derivative in the Schrödinger wave equation that would imply time
reversal. If you can magnify a box containing a gas and see the atoms hitting each other individually you will conclude that there is no arrow of time for every pair of collisions. So, in Newton’s mechanics and quantum mechanics, time flows in both directions, making the
apparent confusion for the meaning of past, present, and future! In our life, we feel the passage of time and we also know that matter is made of atoms, so we have a dilemma.
الترجمة
مِنْ المجهريِ إلى الكوني
ُكلّ الظواهر التي نَعْرفُ في كونِنا عرّفَ بمقياسه الزمني. الدائمي أَو العابر في خصائصا، تَبْدو هذه الظواهرِ تّابعة لمِقياس الزمن اللوغاريتمي المثير ِ الذي يشمل العالم الصغير (مجهري) والعالم الكبير جداً (كوني). المقياس الزمني الإنساني يكمن تقريباً ما بين المتوسط الهندسي للنهايتين .
إنّ زمن الانفجار الغظيم هو عُمر الكونِ حوالي 12 بليون سنةَ، أَو عشرات 10+15 ثانية (+15 على المِقياس اللوغارتمي) تذكّرُ بأنّ في السَنَةَ الواحدة 32 مليون ثانيةُ.
في الذرّةِ الأخفِّ هيدروجين، الفترة الزمنية لحركة أي ألكترونِ في مدارِه الأولِ حوالي فيمتوثانية، أَو عُشر 10-15 ثانية (-15 على المقياس اللوغارتمي). إنّ معدلَ الحدّين على مِقياسِ الثواني (صفر على المِقياس اللوغارتمي) هو دقة قلب الإنسان شيء للتَفكير بشأنه !
على هذا المِقياس اللوغارتمي ، نحن لَمْ نُعتبرْ الزمن النهائي - الأقصر - للكونِ، الذي الآن نعرفه بزمن بلانك. في محاولتِه لإعْطاء عمومية لثوابتِ الطبيعةِ بلانكفي عام 1899 إقترحْ بأنّ الوحداتِ الطبيعيةِ للكتلةِ والطول والزمن و درجة الحرارة يُمْكِنُ أَنْ تنشأ مِنْ اكثر الثوابت أساسية: ثابت الجاذبية (g)، سرعة الضوءِ(( c، وثابت التأثيرِ h (الذي يَحْملُ اسمُه الآن). بالتحليلِ البعديِ، أقصر زمن مُمْكن يُصبحُ:
t(Planck) = (h G/c 5)1/2
الذي هو 10-43 ثواني، والطول المطابق 10-33 سنتيمتر، حَصلَ على ببساطة بالضرب c .
حتى قبل 1900، بَدأَت تلك السَنَةَ ميكانيك الكمُ في الظهور هذه الوحدةِ في تعريف زمن بلانك تدعى "عِلاقات" بين ميكانيك الكمِ (h)و الجاذبية (g) والنسبية. (c) يتضمن في هذا التوحيدِ معنى القوانينِ الفيزيائية بمقاييس دون هذه القِيَمِ، والزمكان الطبيعي مع سرعة الضوء العالمية ِ - يَدْخلُ آينشتاين هنا!
الوقت، الضوء، والنسبية
قبل آينشتاين، المساهمة العظيمة مِن قِبل جيمس كلارك ماكسويل أعطتنا وصف عالمي لطبيعةِ الضوء. بتوحيد الكهرباءِ والمغناطيسيةِ،الضوء، كموجة، ينتشر في الفضاءِ والزمن مَع تغير كهربائي ومغناطيسي (كهرومغناطيسية).هذا كَانت مساهمة رائعة بدتْ بشكل مقدّر في معادلاتِ ماكسويل. آينشتاين في 1905 اهتم بشأن قضيتين التي تَتعلّقانِ بطبيعةِ الضوءِ - هَلْ هو حقَّاً موجةُ؟ ، وما الذي يَحْدثُ لهذه الموجاتِ إذا أنت أمكنك أَنْ يَتخيّلُ السفر مَعها قُرْب السرعةِ الضوء؟
القضية الأولى لَيستْ مهمة هنا، لكن الثانيَة.
الشيء خاصُّ. أَيّ إتّجاه شعاع الضوء يَجيءُ مِنْه، مستقلا عنْ سرعتِنا الخاصةِ الملحوظةِ على الأرضِ، نحن سَنَقِيسُ دائماً c للضوء. آينشتاين في نظريتِه الخاصّةِ للنسبيةِ، أعطىَ الصورة الصحيحة لإضافة السُرَعِ:
لحركة أي جسم (لنقل كرة متحركة) بسرعةِ v في إطار مرجعي (لنقل قطار متحرك) بسرعة u،أي مراقب سَيَرى حركة لَيستْ بالمتوقّعِ سرعة(v + u) ، لكن (v + u) مقسّومةَ على العاملِ (1 +vu/c 2)؛ عندما سرعة v وu كل واحدة "الطبيعيةَ"، تلك، أقل بكثير مِنْ c، ثمّ السرعة الكليّة المتوقّعة ُ(بالقانون النيوتني) هي v + u. على أية حال، إذا استبدلنا عن الكرةِ بضوءُ بسرعة c، ثمّ السرعة الكليّة تُصبحُ :
(c + u) مقسّومَ على (1 + u/c) هي تماما c. سرعة الضوءِ هي متساوية في كُلّ إطاراتِ المرجعية، في كل الإتّجاهات، لكُلّ المراقبون، وكُلّ مراقب سَيواجهْ نفس القوانينِ الطبيعيةِ.
عواقب هذه النتائجِ على الوقتِ و الطول و الكتلةَ تَتطلّبُ بَعْض التفسيرِ الفلسفيِ. اذا تم الاقتراب من سرعةَ الضوءِ فطول سفينة فضائية سيتقلص ويَقتربُ من الصفر في إتّجاهِ الحركة. بالمثل الأجسام المتحرّكة تُصبحُ أكثرَ ضخامة وتقترب من اللا نهاية عندما سرعةِ الجسمَ تُصبحُ قُرْيبة من سرعةِ الضوءِ. اما الزمن اللغز يستمرُّ.الساعات المتحركة يَجِبُ أَنْ تَبطئَ وتوقّفَ عندما تَصِلُ سرعةُ الجسمِ الى سرعةَ الضوءِ. في هذا “ تباطىء الزمن ,” يُصبحُ الزمن تقريباً:
t(المتحرك) = t(الثابت) / (1-v2/c2)1/2
حيث أنَّ سرعة الساعةِ المتحركة هي v، من المعادلة نُلاحظُ الذي زمن الساعةِ المتحركة يُصبحُ أطولُ (يتباطىء) بينما v تَزِيدُ، لَكنَّنا أيضاً نلاحظ انه إذا v تُجْعَلُ تَجَاوُزت c، نَدْخلُ في عالم الزمن الخيالي ِ! فهكذا، ضمن نطاق هذا النظرية، سرعة الضوءِ هي السرعةُ النهائيةُ في عالمنا وكوننا.
بالاقتراب من هذه النطاقات الواسعِة للسرعةِ والكتلةِ، ماذا يَحْدثُ للضوء؟ في صفحات ال1911-16 للنظرية النسبيةِ العامة، اهتم آينشتاين بتأثير الجاذبيةِ على الضوءِ. الجاذبية تصور كتشوهات في أربعة أبعادِ للفضاءِ والزمن (ثلاثة أبعادِ للفضاءِ وواحد للزمن)، ومثل هذا التشوهاتُ تُعرّفُ بـ"قوةَ" نيوتن للجاذبيةِ -الزمكان يتقوّسُ في الحقيقة. بسبب هذا التقوسِ شعاع الضوء المار بقُرْب الشمسِ يتُقوّسُ بجاذبيةَ الجسم الهائل. بشكل تجريبي، وُجِدَ ذلك مِن قِبل آرثر ادنجتون أثناء كسوفِ 1919 الذي فعلا تقوس اثناء مروره بواسطة الشمس، كما هو مُتَوَقّعة من قبل النظرية.
في 1922، إستلمَ آينشتاين جائزة نوبل 1921، لَيسَ لنظريته في النسبيةِ لكن للتأثيرِ الكهروضوئيِ المساهمة التي وضّحتْ واحدة من خصائص (ثنائية) الضوءِ ذو الحزمة من الجزيئاتِ بطاقة مكماه.
تناظر الزمن
حتى ولو نَعتبرُ "عالم طبيعي" عندما السرعات والكتل و الأطوال، والزمن بدون حدودِ تصحيحاتِ النيوتونيةِ وزمكان بدون تقوسِ، نحن ما زِال عِنْدَنا المشاكلُ مع الزمن انها إتّجاهه وعدم تعيينه. أولاً دعنا نَعتبرُ تناظرَ الزمن. هَلّ بالإمكان أَنْ الزمن يَتقدّمُ الى الامام والخلفً، أَوان لَهُ إتّجاه و سهم؟
في عالمِ نيوتن، حركة الأجسامِ، مثلك وأنا، يَجِبُ أَنْ تتبع "تناظر الزمنِ"، ذلك بان المعادلات التي تَصِفُ حركةً بالمِقياس الإنساني تقريبا، أَو تلك كدوران الأرضِ حول الشمسِ كلها لها زمن متماثلَ. ليس هناك إختلاف في الاسلوب الذي يَعْملونَ إذ نجعل إتّجاهُ الزمن "للأمام" أَو "الخلفِ". الميكانيكا النيوتونية حتمية والزمن متماثل. لأن القوةَ المتعلقة بالكتلةِ والتعجيلِ
[F=ma=m(d2x/dt2)],
تَعْملُ المعادلةُ على حد سواء للزمن الإيجابيِ والسلبيِ. لذا، نحسب مستقبلَ النظام طبيعي مِنْ وضعه الراهنِ تماماً مثلما نَحْسبُ حالتَه الطبيعيةَ الماضيةَ مِنْ الحاليِ واحد غريب ومناقض لحسنا المشترك. ماذا عن الأنظمة المجهرية، على سبيل المثال العالم المخفي عن العينِ ، الذرّة.
للأنظمةِ الكَمّيةِ، معادلة الحركةِ لَها ثبات أيضاً ضمن الزمن بشكل معاكس الى حد ما مواقع الجزيئاتِ المجهريةِ المَعْنية. هذا حقيقي على الرغم مِنْ الظهورِ الخادعِ لاول إشتقاق لمعادلة شرودنجر الموجية التي تَدْلُّ على الزمن العكس. إذا أنت يُمْكِنُ أَنْ تُكبّرَ صندوق يَحتوي غاز وتَرى الذرّاتِ وهي تضرب بعضها البعض بشكل منفرد أنت سَتَستنتجُ بأنه ليس هناك سهم الزمن لكُلّ زوج الإصطداماتِ. لذا، في ميكانيكا نيوتن وميكانيكا الكمِ يَتدفّقُ الزمنَ في كلتا الإتّجاهات، صانعا التشويش الظاهر لمعنى الماضي والحاضر والمستقبل! في حياتِنا، نَحسُّ بمرورَ الزمن ونحن أيضاً نَعْرفُ بأنّ المادة مصنوعةُ من ذرّاتِ، لذا عِنْدَنا معضلة.