الضوء: هو أسرع شيء في الكون، لكن لا يزال باستطاعتنا قياس سرعته لو خففنا سرعة الرسوم المتحركة، يمكننا أن نحلل حركة الضوء باستخدام مخطط الزمكان، والذي يستخدم كتاب تقليب من ألواح الرسوم المتحركة، ويقلبه على جنبه. في هذا الدرس، سنضيف حقيقة تجريبية واحدة أنه وفي أي وقت يقوم أحد ما بقياس سرعة الضوء، سيحصل على الجواب نفسه: 299,792,458 مترًا في كل ثانية، مما يعني أننا عندما نرسم الضوء على مخطط الزمكان خاصتنا، يجب أن يكون لخط العالم خاصته الزاوية نفسها دومًا. لكننا شاهدنا سابقًا أن السرعة، أو مكافؤها زاوية خط العالم، تتغير عندما ننظر إلى الأمور من منظور أشخاص آخرين. لاستكشاف هذا التناقض، لنشاهد ماذا يحصل إذا بدأت بالتحرك بينما أقف وأسلط الليزر على توم. أولًا، علينا أن ننشئ مخطط الزمكان. أجل، هذا يعني أن نأخذ كل اللوحات المختلفة التي تعرض اللحظات المختلفة من الوقت ونضعها فوق بعضها البعض. من الجانب نرى خط العالم لضوء الليزر في زاويته الصحيحة الثابتة، كما هو الحال من قبل. حتى الآن الأمور جيدة. لكن مخطط الزمكان ذلك يمثل نظرة أندرو. كيف ستبدو بالنسبة لي؟ في الدرس السابق عرضنا كيفية الحصول على منظور توم بتحريك كل اللوحات قليلًا حتى يصبح خط عالمه عموديًا تمامًا. لكن انظر بعناية إلى خط عالم الضوء. إعادة ترتيب اللوحات يعني أنها ستميل كثيرًا. وسأقيس حركة الضوء أسرع مما يقيسه أندرو. لكن كل التجارب التي قمنا بها، ولقد حاولنا بشدة، تؤكد لنا أن سرعة الضوء ثابتة عند كل من قاسه. إذًا لنبدأ من جديد. في القرن العشرين، كان عالم ذكي يدعى ألبرت آينشتاين يعمل على كيفية رؤية الأشياء بشكل صحيح، من منظور توم، والحصول على سرعة الضوء بشكل صحيح. أولًا، علينا أن نقوم بإلصاق اللوحات المختلفة سوية لتشكل قالبًا واحدًا صلبًا. وهذا يعطينا الزمكان خاصتنا، بتحويل المكان والزمان إلى مادة واحدة متواصلة بشكل سلس. والآن، إليك الخدعة. ما عليك فعله هو تمديد كتلة الزمكان خاصتك مع خط العالم الخاص بالضوء، ثم قم بهرسه بنفس الكمية، لكن بزوايا مناسبة لخط عالم الضوء، وإليك النتيجة! أصبح خط عالم توم عموديًا، إذًا هذا يمثل العالم من وجهة نظره، لكن الأهم من ذلك، لم تتغير زاوية خط عالم الضوء، إذًا سيقيس توم بشكل صحيح سرعة الضوء. هذه الخدعة الرائعة معروفة باسم تحويل لورنتز. أجل، لكن أكثر من الخدعة. قطّع الزمكان إلى لوحات جديدة وستحصل على الحركة الصحيحة فيزيائيًا. أنا ثابت في السيارة، وكل شيء آخر يتحرك باتجاهي وسرعة الضوء بنفس القيمة الثابتة التي يعرفها الجميع. من ناحية أخرى، حصل شيء غريب. لم تعد قطع السياج تبعد عن بعضها مترًا واحدًا، وأمي ستقلق لأنني أبدو نحيفًا قليلًا. لكن هذا ليس عادلًا. لماذا لا أبدو نحيفًا؟ اعتقدت أن الفيزياء من المفترض أن تكون واحدةً بالنسبة للجميع. أجل، إنها كذلك، وأنت كذلك. كل ذلك التمديد والهرس للزمكان شوّش معًا ما كنّا نفكر فيه بشكل مختلف على أنه المكان والزمان. تأثير الهرس هذا بالتحديد يعرف باسم انكماش لورنتز. حسنًا، لكني ما زلت لا أبدو نحيفًا. كلا، أجل أنت كذلك. بما أننا فهمنا أكثر عن الزمكان، فعلينا أن نعيد رسم المقطع من وجهة نظري. بالنسبة لك أبدو منكمشًا لورنتزيًا. أجل، لكن بالنسبة لك أنا أبدو منكمشًا لورنتزيًا. أجل. حسنًا، على الأقل أصبح الأمر عادلًا. بالحديث عن العدل، في نفس الوقت الذي يتشوش فيه المكان مع الزمان، يتشوش الزمان أيضًا مع المكان، بتأثير يُعرف بــتمدد الزمان. مع السرعات اليومية، كسرعة سيارة توم، تكون كل التأثيرات في الواقع أصغر بكثير مما بيناه هنا. أجل، لكن الملاحظة الدقيقة، كمشاهدة حركة الجزيئات الصغيرة مثلًا والتي تدور حول مصادم هادرون كبير تؤكد أن التأثيرات حقيقية. والآن بما أن الزمكان أصبح جزءً من الواقع مؤكدًا بالتجربة، يمكننا أن نطمح أكثر قليلًا. ماذا إذا بدأنا باللعب بمادة الزمكان نفسها؟ سنتعرف على كل ما يتعلق بذلك في الحلقة التالية.
Light: it's the fastest thing in the universe, but we can still measure its speed if we slow down the animation, we can analyze light's motion using a space-time diagram, which takes a flipbook of animation panels, and turns them on their side. In this lesson, we'll add the single experimental fact that whenever anyone measures just how fast light moves, they get the same answer: 299,792,458 meters every second, which means that when we draw light on our space-time diagram, it's world line always has to appear at the same angle. But we saw previously that speed, or equivalently world line angles, change when we look at things from other people's perspective. To explore this contradiction, let's see what happens if I start moving while I stand still and shine the laser at Tom. First, we'll need to construct the space-time diagram. Yes, that means taking all of the different panels showing the different moments in time and stacking them up. From the side, we see the world line of the laser light at its correct fixed angle, just as before. So far, so good. But that space-time diagram represents Andrew's perspective. What does it look like to me? In the last lesson, we showed how to get Tom's perspective moving all the panels along a bit until his world line is completely vertical. But look carefully at the light world line. The rearrangement of the panels means it's now tilted over too far. I'd measure light traveling faster than Andrew would. But every experiment we've ever done, and we've tried very hard, says that everyone measures light to have a fixed speed. So let's start again. In the 1900s, a clever chap named Albert Einstein worked out how to see things properly, from Tom's point of view, while still getting the speed of light right. First, we need to glue together the separate panels into one solid block. This gives us our space-time, turning space and time into one smooth, continuous material. And now, here is the trick. What you do is stretch your block of space-time along the light world line, then squash it by the same amount, but at right angles to the light world line, and abracadabra! Tom's world line has gone vertical, so this does represent the world from his point of view, but most importantly, the light world line has never changed its angle, and so light will be measured by Tom going at the correct speed. This superb trick is known as a Lorentz transformation. Yeah, more than a trick. Slice up the space-time into new panels and you have the physically correct animation. I'm stationary in the car, everything else is coming past me and the speed of light works out to be that same fixed value that we know everyone measures. On the other hand, something strange has happened. The fence posts aren't spaced a meter apart anymore, and my mom will be worried that I look a bit thin. But that's not fair. Why don't I get to look thin? I thought physics was supposed to be the same for everyone. Yes, no, it is, and you do. All that stretching and squashing of space-time has just muddled together what we used to think of separately as space and time. This particular squashing effect is known as Lorentz contraction. Okay, but I still don't look thin. No, yes, you do. Now that we know better about space-time, we should redraw what the scene looked like to me. To you, I appear Lorentz contracted. Oh but to you, I appear Lorentz contracted. Yes. Uh, well, at least it's fair. And speaking of fairness, just as space gets muddled with time, time also gets muddled with space, in an effect known as time dilation. No, at everyday speeds, such as Tom's car reaches, actually all the effects are much, much smaller than we've illustrated them. Oh, yet, careful experiments, for instance watching the behavior of tiny particles whizzing around the Large Hadron Collider confirmed that the effects are real. And now that space-time is an experimentally confirmed part of reality, we can get a bit more ambitious. What if we were to start playing with the material of space-time itself? We'll find out all about that in the next animation.