سفر فضایی پرسرعت چه تأثیری روی سن فضانوردان می گذارد؟

«اتساع زمان» (Time Dilation) زمانی اتفاق می افتد که گذر زمان در فضا کندتر از زمین رخ می دهد. اما گستردگی تاثیرات این مفهوم چقدر است؟ اگر سفری دوطرفه به سیاره ای نزدیک (مثلا در فاصله 10 تا 50 سال نوری) ترتیب دهیم، اتساع زمان چه تاثیری روی سن فضانورد و ساکنین زمین می گذارد؟

فضانوردی را فرض کنید که برادر دوقلویی دارد و با راکتی پرسرعت به ماموریت فضایی اعزام می شود. او پس از بازگشت به زمین متوجه می شود برادرش از او پیرتر شده است.

مفهوم اتساع زمان به تئوری نسبیت خاص اینشتین بازگشته و در مورد تاثیر سفرهای پرسرعت فضایی روی گذر زمان است. طبق این مفهوم، هر چه با سرعت بیشتری در فضای سه بعدی حرکت کنیم، حرکت در بعد چهارم (یعنی زمان) نسبت به جسم دیگر کمتر می شود.

به همین دلیل زمان برای برادران دوقلویی که ابتدای متن به آنها اشاره کردیم، به شکل متفاوتی گذر می کند. عقربه های ساعت درون فضاپیما کندتر از ساعت های زمینی حرکت می کنند و اگر بتوانیم نزدیک به سرعت نور حرکت کنیم، تاثیرات کندتر شدن زمان هم بیشتر خواهند شد.

برخلاف پارادوکس دوقلو (Twin Paradox)، اتساع زمان یک آزمایش فکری یا فرضیه نبوده و واقعی است. در آزمایش هیفل-کیتینگ (Hafele–Keating experiment) که سال 1972 انجام شد، دو ساعت اتمی درون دو هواپیما که خلاف جهت یکدیگر سفر می کردند، گذاشته شدند.

حرکت نسبی هواپیماها سبب ایجاد اختلاف زمانی در ساعت ها شد. مفهوم اتساع زمان در آزمایشات فیزیکی دیگری هم ثابت شده است؛ به عنوان مثال ذرات بنیادی میون (Moun) در صورتی که با سرعت بالایی حرکت کنند، دیرتر از بین می روند.

بنابراین فضانوردی که با سرعت های نسبیت گرایانه از فضا باز می گردد، نسبت به دوستانی که همسن و سال او هستند جوان تر خواهد بود. منظور از سرعت های نسبیت گرایانه، سرعت هایی هستند که حداقل یک دهم سرعت نور بوده و اثرات نسبیت در آنها بروز می کنند.

اینکه فضانورد دقیقا چقدر جوان تر خواهد بود به سرعت و شتاب فضاپیما بستگی دارد؛ بنابراین نمی توان به این سؤال پاسخی قطعی داد. ولی اگر فضانورد بخواهد به سیاره ای در 10 الی 50 سال نوری دورتر از زمین سفر کرده و پیش از مرگ به دلیل کهولت سن به زمین بازگردد، باید تقریباً با سرعت نور حرکت کند.

ذکر این نکته خالی از لطف نیست که اتساع زمان پیامد اثرات گرانشی است. همانطور که در فیلم «میان ستاره ای» دیدیم، نزدیک شدن به سیاه چاله سبب کندتر شدن قابل ملاحظه زمان در سیارات دیگر می شود. به عنوان مثال یک ساعت بر روی سیاره نزدیک به سیاه چاله برابر با هفت سال زمینی بود.

این شکل از اتساع زمان نیز واقعیت داشته و به تئوری نسبیت عام اینشتین باز می گردد که می گوید گرانش می تواند با خم کردن فضا-زمان، زمان را هم خم کند. به همین دلیل هر چه ساعت به منبع گرانش نزدیکتر باشد، زمان هم کندتر خواهد شد و هر چه دورتر از منبع جاذبه قرار گیرد، زمان سریع تر گذر خواهد کرد.