سبق أن ذكرت محتوى نظرية النسبية من حيث العلاقة بين الراصدين المختلفين في الأطر المرجعية المختلفة. على الرغم من ذلك، يمكن وصفُ تأثيراتها الفيزيائية المركزية لإطار مرجعي واحد. والتأثيران الأساسيان لها هما:

• تمدُّد الزمن في النظام المتحرّك، تتباطأ كل العمليات الفيزيائية مقارنةً بتلك العمليات نفسها في النظام الساكن من أمثلة ذلك على وجه التحديد، أن الساعة ذات الوقت المضبوط في حالة الثبات ستبطئ حينما تكون في حالة حركة.

• تقلُّص الطول الجسم المتحرك ينكمش (في اتجاه الحركة) مقارنةً بالجسم نفسه حين يكون في حالة ثبات. ومن أمثلة ذلك على وجه التحديد، أن قضيب القياس الثابت أقصر في حالة الحركة مما هو عليه في حالة السكون.

بسبب، تقلُّص الطول وتمدد الزمن، يمكنني قبول أن الراصد المتحرك يتحدث الصدق حين يقول: «لقد قست سرعة الضوء ووجدتها 300 مليون متر في الثانية»، حتى إذا توصلت إلى النتيجة نفسها عندما قستُها بنفسي. لا يوجد تناقض بين هذا وذاك لأنه – من منظوري «أنا» – أجريت قياساتك وفقًا لساعاتٍ أبطأ وقضبان قياس منكمشة؛ ومن ثمَّ فوفقًا لحالة الضوء لدي، ينبغي إعادة ضبط أدواتك كي تكون النتيجة دقيقة. تُثير هاتان الحالتان قضيتين متشابهتين إلى حدٍّ كبير، لكني سأركز على تمدد الزمن فحسب، بدافع التبسيط وضيق المجال.

يُعد تمدُّد الزمن من تنبؤات النسبية التي يمكن رصدها مباشرةً». ونظرًا لأنَّ سرعة الضوء فائقة للغاية، تتجلى هذه الظاهرة بأكبر درجةٍ في سلوك الجسيمات دون الذرية (فهي الأشياء الوحيدة التي يمكننا أن نزيد سرعتها فعليًّا إلى ما يقرب من سرعة الضوء). العديد من هذه الجسيمات غير مستقر؛ إذ تتحلل إلى جسيمات أخرى، ولها أزمنة محددة تستغرقها في التحلُّل، مما يجعلها بمثابة ساعات من نوع ما. تتنبأ النسبية بأن أزمنة التحلُّل تتباطأ كلما زادت سرعة حركة الجسيمات، وهذا ما يجري رصده بالتحديد في كلٌّ من مسرعات الجسيمات التي يبنيها الإنسان وفي التجارب الطبيعية التي تحدث، حين تضرب الأشعة الكونية السريعة الحركة الغلاف الجوي للأرض. يمكن أن يكون مقدار تمدد الزمن المتوقع كبيرًا – فقد يبلغ عشرة أضعاف في تجارب الأشعة الكونية على سبيل المثال – وتؤدي التجارب بالفعل إلى إنتاج تلك التوقعات تمامًا على الرغم من ذلك، فمن الأصعب إنتاج عمليات التمدد الزمني الكبيرة للأجسام الضخمة، لكن الساعات الذرية الحديثة تتسم بدقة بالغة، حتى إنها تستطيع قياس حتى عمليات تمدد الزمن الصغيرة الناجمة عن وضع الساعة في طائرة. وأُكرّر أن التجارب تنجح في إنتاج التوقعات.

على الرغم من ذلك، يوجد تعارض بين في فكرة تمدُّد الزمن نفسها. فقد ذكرتُ أنَّ الساعات المتحركة تبطئ، لكن الحركة نسبية. إذا كنت تتحرك بسرعة بالنسبة إليَّ، فسأتوقع أن ساعتك أبطأ. لكني «أنا» الذي أتحرَّك بسرعة بالنسبة إليك؛ ومن ثم – فوفقًا لمبدأ النسبية – ستتوقع أنت أنَّ ساعتي هي التي تبطئ. يبدو هذا وكأنه تعارض: فكيف لساعتين أن تبطئ إحداهما أكثر من الأخرى؟ إذا كانت الساعة «أ» أبطأ من الساعة «ب» بمرتين، والساعة «ب» أبطأ من الساعة «أ» بمرتين، أفلا يعني هذا أن الساعة «أ» أبطأ من الساعة «أ» نفسها بأربع مرات؟

يمكن توضيح مفارقة «الساعة» بواحدة من أشهر التجارب الفكرية في الفيزياء؛ ألا وهي «مفارقة التوأم». يحتدُّ الجدال بين توأمين، ويقلع أحدهما في صاروخ وهو غاضب (ولنقل) إنه سار بسرعة تساوي 80 بالمائة من سرعة الضوء. بعد خمس سنوات (بحساب السنين على الأرض)، يندم على غضبه ويقرّر الرجوع بالسرعة نفسها (الشكل 3-1).

يفكّر التوأم الماكث في الأرض على النحو التالي: يسافر أخي منذ عشر سنوات بسرعة تساوي 80 بالمائة من سرعة الضوء؛ وتتنبأ نظرية النسبية بتباطؤ الزمن بالنسبة إليه. وبناءً على هذا، فلن تتقدم ساعته وهاتفه الذكي وحتى عملية تقدمه في العمر (في حقيقة الأمر) إلا بمقدار ست سنوات. عندما يعود إذن، سيكون أصغر مني. (في السرعات الأدنى والتأثيرات الأكثر ضآلة تبرز هذه الصيغة بشكل فعّال في التجارب التي تُحمل فيها الساعات على متن طائرات تجوب العالم؛ ولهذا يمكن اعتبار ما يُرصد من تباطؤ الساعات المتحركة على متن الطائرات تأكيدًا تجريبيًّا على هذا التباطؤ الذي تتنبأ به النسبية.)

شكل 3-1 مفارقة التوأم.

لكن تفكير التوأم الماكث في الأرض لا يتوقف عند هذا الحد. يستمر تفكيره كما يلي: طوال هذا الوقت، كنت أسير «أنا» بسرعة تساوي 80 بالمائة من سرعة الضوء بالنسبة إليه. لذلك يحق له أيضًا أن يستنتج أنني سأكون أصغر منه. ولكن لا يمكن أن نكون نحن الاثنين أصغر من أحدنا الآخر! فمثلما الحال هو يبدو أن تجربة مفارقة الساعة، مع التوءم الفكرية لا تؤدي إلى استشكال فكرة تمدد الزمن أو إلى غموضها فحسب، بل إلى عدم اتساقها في الحقيقة.

غير أنَّ عدم الاتساق في كلٌّ من هذه الحالات يوضح التناظر الجلي بين اثنين من تفسيرات ما يجري. ففي مفارقة الساعة تبطئ الساعة المتحركة بالنسبة إلى الساعة ذلك الثابتة، وبعد يبدو أنَّ مبدأ النسبية يقضي بالمثل أن تبطئ الساعة الثابتة بالنسبة إلى الساعة المتحركة. وفي مفارقة التوأم، يتباطأ تقدم عمر التوأم المسافر بالنسبة إلى التوأم المستقر في الأرض، وبعد ذلك يبدو أنَّ مبدأ النسبية يقضي بالمثل أن يتباطأ تقدم عمر التوأم المستقر بالنسبة إلى التوأم المسافر إن إدراك كيفية الإخلال بهذا التناظر الظاهري يمثل بداية فهم ما يجري وليس نهايته.