تزامن أينشتاين

تزامن أينشتاين (أو تزامن بوانكاريه - أينشتاين ) هو اصطلاح لمزامنة الساعات في أماكن مختلفة عن طريق تبادل الإشارات. استخدم التلغرافيون هذه الطريقة في منتصف القرن التاسع عشر، لكنها انتشرت على نطاق واسع بفضل هنري بوانكاريه وألبرت أينشتاين ، اللذين طبقاها على الإشارات الضوئية وأدركا دورها المحوري في نظرية النسبية . وتكمن أهميتها الرئيسية في ضبط الساعات ضمن إطار مرجعي قصوري واحد.

وفقًا لوصفة ألبرت أينشتاين من عام 1905، يتم إرسال إشارة ضوئية في وقت${\displaystyle \tau _{1}}$من الساعة 1 إلى الساعة 2 ثم العودة فورًا، مثلاً باستخدام مرآة. وقت وصولها إلى الساعة 1 هو${\displaystyle \tau _{2}}$يضبط هذا الاتفاق على التزامن الساعة 2 بحيث يكون الوقت${\displaystyle \tau _{3}}$يُعرَّف انعكاس الإشارة بأنه ^{[ 1 ]}$${\displaystyle \tau _{3}=\tau _{1}+{\tfrac {1}{2}}(\tau _{2}-\tau _{1})={\tfrac {1}{2}}(\tau _{1}+\tau _{2}).}$$

يُمكن تحقيق التزامن نفسه بنقل ساعة ثالثة من الساعة 1 إلى الساعة 2 "ببطء" (أي، مع الأخذ في الاعتبار الحد الأقصى عندما تقترب سرعة النقل من الصفر). وتناقش المراجع العلمية العديد من التجارب الفكرية الأخرى لتزامن الساعات التي تُعطي النتيجة نفسها.

تكمن المشكلة في ما إذا كان هذا التزامن ينجح فعلاً في إسناد تسمية زمنية لأي حدث بطريقة متسقة. ولتحقيق ذلك، ينبغي إيجاد الشروط التي بموجبها:

إذا تحققت النقطة (أ)، فمن المنطقي القول إن الساعات متزامنة. وبالنظر إلى (أ)، إذا تحققت الشروط (ب1) - (ب3)، فإن التزامن يسمح لنا ببناء دالة زمنية عامة t . وتُسمى الشرائح التي يكون فيها t ثابتًا "شرائح التزامن".

لم يُقرّ أينشتاين (1905) بإمكانية اختزال (أ) و(ب1) – (ب3) إلى خصائص فيزيائية سهلة التحقق لانتشار الضوء (انظر أدناه). بل كتب ببساطة: " نفترض أن هذا التعريف للتزامن خالٍ من التناقضات، وممكن لأي عدد من النقاط؛ وأن العلاقات التالية (أي ب2 – ب3) صالحة عالميًا ".

كان ماكس فون لاو أول من درس مشكلة اتساق تزامن أينشتاين. ^{[ 2 ]} وقدّم لودويك سيلبرشتاين دراسة مماثلة، مع أنه ترك معظم ادعاءاته كتمرين لقراء كتابه الدراسي عن النسبية. ^{[ 3 ]} ثم تناول هانز رايشنباخ حجج ماكس فون لاو مرة أخرى ، ^{[ 4 ]} وبلغت شكلها النهائي في عملٍ لألان ماكدونالد. ^{[ 5 ]} ويتلخص الحل في أن تزامن أينشتاين يُلبي المتطلبات السابقة إذا وفقط إذا تحقق الشرطان التاليان:

• لا يوجد انزياح أحمر : إذا تم إطلاق ومضتين من النقطة A يفصل بينهما فاصل زمني Δ t كما تم تسجيله بواسطة ساعة عند A، فإنهما تصلان إلى B يفصل بينهما نفس الفاصل الزمني Δ t كما تم تسجيله بواسطة ساعة عند B.
• شرط رايشنباخ ذهابًا وإيابًا : إذا تم إرسال شعاع ضوئي فوق المثلث ABC، بدءًا من A وانعكاسه بواسطة مرايا عند B و C، فإن وقت وصوله مرة أخرى إلى A مستقل عن الاتجاه المتبع (ABCA أو ACBA).

بمجرد مزامنة الساعات، يمكن قياس سرعة الضوء في اتجاه واحد . مع ذلك، فإن الشروط السابقة التي تضمن إمكانية تطبيق مزامنة أينشتاين لا تعني بالضرورة أن سرعة الضوء في اتجاه واحد ستكون متساوية في جميع أنحاء الإطار المرجعي.

• شرط لاو-ويل للذهاب والإياب : الوقت اللازم لشعاع ضوئي لاجتياز مسار مغلق طوله L هو L / c ، حيث L هو طول المسار و c ثابت مستقل عن المسار.

تنص نظرية ^{[ 6 ]} (التي يعود أصلها إلى فون لاو وهيرمان فايل ) ^{[ 7 ]} على أن شرط لاو-فايل للرحلة ذهابًا وإيابًا يتحقق فقط إذا أمكن تطبيق تزامن أينشتاين باستمرار (أي تحقق الشروط (أ) و(ب1) - (ب3))، وكانت سرعة الضوء في اتجاه واحد بالنسبة للساعات المتزامنة ثابتة في جميع أنحاء الإطار المرجعي. تكمن أهمية شرط لاو-فايل في إمكانية قياس الزمن المذكور فيه باستخدام ساعة واحدة فقط؛ وبالتالي، لا يعتمد هذا الشرط على اصطلاحات التزامن، ويمكن التحقق منه تجريبيًا. في الواقع، تم التحقق تجريبيًا من أن شرط لاو-فايل للرحلة ذهابًا وإيابًا يتحقق في جميع أنحاء الإطار المرجعي العطالي.

بما أنه من غير المجدي قياس سرعة في اتجاه واحد قبل مزامنة الساعات البعيدة، فإن التجارب التي تدعي قياس سرعة الضوء في اتجاه واحد يمكن إعادة تفسيرها في كثير من الأحيان على أنها تحقق من شرط لاو-ويل للذهاب والإياب.

يبدو تزامن أينشتاين طبيعيًا بهذا الشكل فقط في الأطر المرجعية العطالية . قد يغيب عن بالنا بسهولة أنه مجرد اصطلاح. في الأطر المرجعية الدوارة، حتى في النسبية الخاصة، يقلل عدم تعدي تزامن أينشتاين من جدواه. إذا لم تتم مزامنة الساعة 1 والساعة 2 مباشرةً، بل باستخدام سلسلة من الساعات الوسيطة، فإن التزامن يعتمد على المسار المُختار. ينتج عن التزامن حول محيط قرص دوار فرق زمني غير معدوم يعتمد على الاتجاه المُستخدم. هذا مهم في تأثير ساغناك ومفارقة إهرنفست . ويُراعي نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) هذا التأثير.

يعود الفضل في مناقشة جوهرية لشرعية تزامن أينشتاين إلى هانز رايشنباخ . وتُعتبر معظم المحاولات الرامية إلى دحض شرعية هذا التزامن مرفوضة، باستثناء حجة ديفيد مالامنت التي مفادها أنه يمكن استنتاجه من اشتراط علاقة متناظرة للترابط السببي. ولا يزال الجدل قائماً حول ما إذا كان هذا يحسم المسألة.

ناقش هنري بوانكاريه بعض سمات اصطلاحية التزامن . ^{[ 8 ] [ 9 ]} في عام 1898 (في ورقة بحثية فلسفية)، جادل بأن افتراض ثبات سرعة الضوء في جميع الاتجاهات يُسهّل صياغة القوانين الفيزيائية بطريقة بسيطة. كما بيّن أن تعريف تزامن الأحداث في أماكن مختلفة ليس إلا اصطلاحًا. ^{[ 10 ]} استنادًا إلى هذه الاصطلاحات، ولكن في إطار نظرية الأثير التي تم تجاوزها الآن ، اقترح بوانكاريه في عام 1900 الاصطلاح التالي لتعريف تزامن الساعات: مراقبان، أ و ب، يتحركان في الأثير، يُزامنان ساعاتهما بواسطة إشارات ضوئية. وبسبب مبدأ النسبية، يعتقدان أنهما في حالة سكون في الأثير، ويفترضان أن سرعة الضوء ثابتة في جميع الاتجاهات. لذلك، عليهما فقط مراعاة زمن انتقال الإشارات، ثم مقارنة ملاحظاتهما للتحقق مما إذا كانت ساعاتهما متزامنة.

لنفترض وجود مراقبين في نقاط مختلفة، يقومون بمزامنة ساعاتهم باستخدام إشارات ضوئية. يحاولون ضبط زمن انتقال الإشارات المقاس، لكنهم يجهلون حركتها المشتركة، وبالتالي يعتقدون أن الإشارات تنتقل بنفس السرعة في كلا الاتجاهين. يقومون برصد الإشارات المتقاطعة، إحداها تنتقل من النقطة أ إلى النقطة ب، تليها إشارة أخرى تنتقل من النقطة ب إلى النقطة أ.${\displaystyle t'}$هو الوقت الذي تشير إليه الساعات التي تم ضبطها على هذا النحو. إذا${\displaystyle V={\tfrac {1}{\sqrt {K_{0}}}}}$هي سرعة الضوء، و${\displaystyle v}$هي سرعة الأرض التي نفترض أنها موازية لـ${\displaystyle x}$المحور، وفي الاتجاه الموجب، إذن لدينا:${\displaystyle t'=t-{\tfrac {vx}{V^{2}}}}$[ ^{11 ]​}

في عام 1904، قام بوانكاريه بتوضيح الإجراء نفسه بالطريقة التالية:

تخيل مراقبين يرغبان في ضبط ساعاتهما باستخدام إشارات ضوئية؛ يتبادلان الإشارات، ولكنهما يعلمان أن انتقال الضوء ليس فوريًا، لذا يحرصان على تقاطعها. عندما تستقبل المحطة "ب" الإشارة من المحطة "أ"، يجب ألا تشير ساعتها إلى نفس الساعة التي أشارت إليها المحطة "أ" لحظة إرسال الإشارة، بل إلى هذه الساعة مضافًا إليها ثابت يمثل مدة الإرسال. لنفترض، على سبيل المثال، أن المحطة "أ" ترسل إشارتها عندما تشير ساعتها إلى الساعة صفر، وأن المحطة "ب" تستقبلها عندما تشير ساعتها إلى الساعة 10.${\displaystyle t}$يتم ضبط الساعات إذا كان التأخير المساوِ لـ t يمثل مدة الإرسال، وللتحقق من ذلك، ترسل المحطة B بدورها إشارة عندما تشير ساعتها إلى 0؛ ثم يجب أن تستقبلها المحطة A عندما تشير ساعتها إلى${\displaystyle t}$ثم تُضبط الساعات. وفي الواقع، تُشير إلى الساعة نفسها في اللحظة نفسها، ولكن بشرط واحد، وهو ثبات المحطتين. وإلا فلن يكون زمن الإرسال متطابقًا في الحالتين، إذ أن المحطة (أ)، على سبيل المثال، تتقدم لتلتقي بالتشويش البصري المنبعث من المحطة (ب)، بينما تبتعد المحطة (ب) عن التشويش المنبعث من المحطة (أ). وبالتالي، فإن الساعات المضبوطة بهذه الطريقة لن تُشير إلى الوقت الحقيقي، بل ستُشير إلى ما يُمكن تسميته بالتوقيت المحلي ، بحيث تكون إحداهما متأخرة عن الأخرى. ^{[ 12 ]}

• نسبية التزامن
• سرعة الضوء في اتجاه واحد

• داريجول ، أوليفييه (2005)، “نشأة النظرية النسبية” (PDF) ، Séminaire Poincaré ، المجلد.  1، الصفحات من 1 إلى 22، بيب كود : 2006eins.book....1D ، دوى : 10.1007 / 3-7643-7436-5_1 ، ISBN  978-3-7643-7435-8
• د. ديكس ، الصيرورة، النسبية والمحلية ، في أنطولوجيا الزمكان ، على الإنترنت
• د. ديكس (محرر)، أنطولوجيا الزمكان ، إلسيفير 2006، رقم ISBN 0-444-52768-0
• D. Malament, 1977. "نظريات السببية للزمن وتقليدية التزامن"، Noûs 11، 293 – 300.
• Galison، P. (2003)، ساعات أينشتاين، خرائط بوانكاريه: إمبراطوريات الزمن، نيويورك: WW Norton، ISBN 0-393-32604-7
• أ. غرونباوم. ديفيد مالامنت وتقليدية التزامن: رد ، منشور على الإنترنت
• س. ساركار ، ج. ستاشيل ، هل أثبت مالامنت عدم تقليدية التزامن في النظرية النسبية الخاصة؟، فلسفة العلوم، المجلد 66، العدد 2
• هـ. رايشنباخ، وضع بديهيات نظرية النسبية ، مطبعة جامعة بيركلي، 1969
• هـ. رايشنباخ، فلسفة المكان والزمان ، دوفر، نيويورك، 1958
• إتش بي روبرتسون، الفرضية مقابل الملاحظة في النظرية النسبية الخاصة ، مراجعات الفيزياء الحديثة ، 1949
• ر. ريناسيفيتش، التعريف، والاتفاقية، والتزامن: نتيجة المأزق ودحضها المزعوم من قبل ساركار وستاشل ، فلسفة العلوم، المجلد 68، العدد 3، ملحق، متاح على الإنترنت
• هانوخ بن يامي، السببية والترتيب الزمني في النسبية الخاصة ، المجلة البريطانية لفلسفة العلوم، المجلد 57، العدد 3، الصفحات  459-479 ، ملخص متاح على الإنترنت

• موسوعة ستانفورد للفلسفة، تقليدية التزامن(يحتوي على قائمة مراجع شاملة)
• نيل آشبي، النسبية في نظام تحديد المواقع العالمي ، مراجعة حية للنسبية 6، (2003)،
• كيفية معايرة ساعة مثالية من جون دي بيليس : رسوم متحركة تفاعلية بتقنية فلاش توضح كيف يمكن لساعة ذات معدل دقات منتظم أن تحدد بدقة فاصل زمني مدته ثانية واحدة.
• مزامنة خمس ساعات من جون دي بيليس. عرض متحرك تفاعلي بتقنية فلاش يوضح كيفية مزامنة خمس ساعات ضمن إطار مرجعي قصوري واحد.