لكي ندرك المعنى الفعلي لاصطلاح التزامن على نحو أفضل، سنعود إلى مفهوم الزمكان ونحدثه بما يتلاءم مع النسبية تذكر أننا تخيلنا الزمكان بإزالة أحد أبعاد المكان (حيث شبَّهنا المكان برقاقة أكريليك)، ثم بنينا الزمكان بكومة من هذه الرقاقات، بحيث تمثل كلٌّ منها لحظة من الزمن. يأتي ذلك الزمكان – الذي أطلقنا عليه «الزمكان في تصور جاليليو» – مزوّدًا بثلاث بنّى وهي: الهندسة المكانية (التي تحدد المسافات والزوايا في كل رقاقة) والهندسة الزمانية (التي تحدد الفاصل الزمني بين الرقاقات) والبنية القصورية (التي تختار الأطر القصورية التي تتحرك الأجسام الحرة في خطوط مستقيمة بالنسبة إليها). وفي ضوء النسبية، يمكننا أن ندرك الآن وجودَ بعد آخر ضمني، وهو «بنية التزامن»؛ وتعني أنَّه لا يمكن القول عن نقطتين في الزمكان إنهما متزامنتان إلا إذا كانتا على الرقاقة نفسها.

الطريقة الأسهل لتخيُّل الزمكان في النسبية الخاصة – وعادةً ما يطلق عليها «الزمكان في تصور منكوفسكي» نسبةً إلى عالم الرياضيات الذي اقترحها بعد عمل أينشتاين  بفترة وجيزة – هي أن تتخيل تسخين كومة من الرُّقاقات حتى تنصهر معًا، مما يترك لنا كتلة من الأكريليك لكنه يمحو ملامح الرُّقاقات الفردية. في الزمكان وفقًا للنسبية الخاصة، لا تُصنَّف الأحداثُ ضمن مجموعات تقع جميعها في الوقت نفسه، بل تندرج تلك الأحداث ضمن مجموعة رباعية الأبعاد.

لا تفتقر هذه المجموعة إلى البنية بالطبع، بل إنها بعيدة كل البعد عن ذلك. في زمكان نيوتن (الزمكان كما فهمته قبل أن تدرس مبدأ النسبية)، يمكننا أن نذكر الفاصل في الزمان والمكان بين أي حدثين بشكل منفصل. وفي زمكان جاليليو، يمكننا أن نذكر الفاصل الزمني بين أي حدثين، لكن الفاصل المكاني بينهما لا يكون محددًا (إلا بالنسبة إلى إطار ما قصوري اعتباطي ما لم يكونا متزامنين. أما في زمكان منكوفسكي، فلا معنى للفاصل المكاني بين الأحداث ولا للفاصل الزماني بينها ما لم نثبت إطارًا قصوريًا. ولهذا فإننا نستعيض عنهما بمفهوم موحد وهو: «المسافة الزمكانية» أو كما يطلق عليه في العادة «الفاصل». وقد شرحه العالم هيرمان منكوفسكي في واحدة من أشهر الفقرات في الفيزياء على النحو التالي:

ونتيجة لهذا، فإن المكان بمفرده والزمان بمفرده محكوم عليهما بالتلاشي إلى محض ظلال، ولن يحافظ على وجودِ واقع مستقل إلا نوع من الوحدة بينهما.

ما الذي يمثله هذا «الفاصل» في الحقيقة من المنظور الفيزيائي؟ عندما يمثل حدثان مرحلتين في حياة الجسم الموجود نفسه – أو بشكل أعم، عندما ينتقل جسيم سريع الحركة بين الحدثين، فإن الفاصل بين الحدثين هو زمن الرحلة الذي يمكن قياسه على ساعة انتقلت بينهما في خطّ مستقيم يُطلق على هذه الأحداث «الأحداث المفصولة زمنيا»). وعندما لا يمكن الربط بين الحدثين بجسمٍ متحرّك أو حتى شعاع ضوء (الأحداث المفصولة مكانيًا)، فسيوجد إطار قصوري يتزامن فيه الحدثان، وعندئذ يصبح الفاصل هو المسافة المكانية العادية بينهما وفقًا لقياسها في ذلك الإطار.

توجد معادلة بسيطة للغاية تعبر عن المسافة الزمكانية. اختر أي إطار قصوري، واستخدم قاعدة التزامن لأينشتاين من أجل مزامنة الساعات بما يتناسب مع ذلك الإطار. وبالتعبير عن الحدثين بالحرفين «أ» و«ب»، تصبح المعادلة كما يلي:

(الفاصل أ – ب)² = (المسافة الزمنية أ – ب)² – (المسافة المكانية أ – ب)²؛

وفيها تُقاس المسافة الزمنية بالثواني، وتُقاس المسافة المكانية بالثواني الضوئية، أو تُقاس المسافة الزمنية بالسنين والمسافة المكانية بالسنين الضوئية، وهكذا. لعلكم تلاحظون تشابها كبيرًا للغاية بين هذه المعادلة وبين معادلة فيثاغورس التي تناولناها مسبقا، لكنَّ هذه المعادلة تضم علامة سالب بالغة الأهمية. يصبح الفاصل صفرًا إذا كانت المسافة الزمنية تساوي المسافة المكانية – أي إنها تصبح صفرًا عندما يصل شعاع ضوئي بين النقطة «أ» والنقطة «ب»، متحركا بسرعة ثانية ضوئية في الثانية. (وإذا كانت المسافة المكانية أكبر من الزمن، فعلينا أن نعكس علامة السالب من أجل الحصول على معادلة منطقية).

على الرغم من وضع هذه المعادلة بالنسبة إلى إطار قصوري واحد، فإنها تُعطي النتيجة نفسها في أي إطار قصوري؛ فمن طرق صياغة معادلات النسبية استنتاج استقلال الإطار الخاص بمسافة الزمكان عن مبدأ النسبية، وعن الافتراض الخاص بسرعة الضوء الثنائية الاتجاه، وعن قاعدة التزامن لأينشتاين.

من الضروري ملاحظة أنه على الرغم من أن البنى الأساسية في زمكان منكوفسكي تختلف اختلافًا بارزًا عن البنى التي شهدناها في فيزياء نيوتن، فإنها بني أساسية بالمعنى نفسه الذي تعرفنا عليه من قبل، بمعنى أنها غير متغيرة وجوهرية في فيزياء الأجسام المادية. فمفهوم البنية القصورية على وجه الخصوص ضروري في الفيزياء النسبية وغير النسبية على سواء. وعلى الرغم من ذلك، فإن البنية القصورية ليست مستقلة عن مسافة الزمكان؛ ومن المنظور الرياضي في الحقيقة وبصرف النظر عن التفاصيل)، يمكننا استعادة الحقائق القصورية بالكامل من حقائق المسافة الزمكانية. وعما إذا كان هذا يعني من المنظور الفيزيائي أن البنية القصورية ثانوية بالنسبة إلى بنية المسافة الزمكانية أم لا، فتلك مسألة أخرى، وسنتناولها عندما نعود إلى سؤالنا المركزي: «كيف نفهم تمدد الزمن؟».

مواضيع ذات صلة

التفسيرات الهندسية والديناميكية لتمدد الزمن

اصطلاح التزامن

نشر الزمن عبر الفضاء

اتساق تمدد الزمن

تمدد الزمن ومفارقة التوأم

ازدهار النسبية

مشاكل مبدأ النسبية: الضوء بصفته موجة

القصور الذاتي والجاذبية

هل يوفّر الزمكان تفسيرًا؟

مفهوم الزمكان

الأطر المرجعية القصورية

مبدأ النسبية