فضا-زمان چیست؟

MacTavish · 15/1/20

بیگ بنگ: تار و پود فضا-زمان یک مدل ِ مفهومی است که سه بُعد از فضا را با یک بُعد چهارم که زمان است، ترکیب می‌کند. بر اساس بهترین نظریات فیزیک، فضا-زمان اثرات نسبیتی غیرعادی ناشی از سفر با سرعت نزدیک به نور و همچنین حرکت ِ اشیاء پرجرم در جهان را توضیح می‌دهد.

چه کسی فضا-زمان را کشف کرد؟

فیزیکدان معروف، آلبرت اینشتین به طرح ایدۀ فضا-زمان بعنوان بخشی از نظریه‌ی نسبیتش کمک کرد. قبل از این کارِ پیشگامانه، دانشمندان دو نظریۀ جداگانه برای توضیح پدیده‌های فیزیکی مطرح کرده بودند: قوانین فیزیک آیزاک نیوتن حرکت ِ اشیاء پرجرم را توصیف کردند، در حالیکه مدل‌های الکترومغناطیسی کلرک ماکسول خواص نور را توضیح دادند.

اما آزمایشاتِ انجام شده در اواخر قرن نوزدهم نشان دادند که چیز خاصی در مورد نور وجود دارد. اندازه‌گیری‌ها حاکی از آن بودند که نور همیشه در سرعت یکسانی حرکت می‌کند و مهم نیست علتش چیست! در سال ۱۸۹۸، “هنری پوینکر” فیزیکدان و ریاضیدان فرانسوی، پیش‌بینی که سرعت نور می‌تواند یک محدودۀ غیرقابل عبور باشد. در همان زمان، محققان دیگر این احتمال را در نظر گرفتند که اشیاء با توجه به سرعت نور اندازه و جرمشان را تغییر می‌دهند.

اینشتین تمام این ایده‌ها را در نظریۀ نسبیت خاص خود در سال ۱۹۰۵ گردهم آورد و فرض کرد که سرعت نور یک ثابت جهانی است. برای اینکه این فرضیه درست باشد، فضا و زمان باید در یک شبکه که سرعت نور را برای تمام مشاهده‌گرها یکسان نگه می‌دارد با هم ادغام شوند.

فردی که در یک موشک فوق سریع قرار دارد در مقایسه با کسی که در سرعت‌های آهسته‌تری سفر می‌کند، زمان را کُندتر احساس می‌کند و طول اشیاء از نظر او کوتاه‌تر می‌شود. علت این است که فضا و زمان نسبی هستند – آنها به سرعت ِ مشاهده‌گر بستگی دارند. اما سرعت نور بنیادی‌تر از این دو است.

این نتیجه‌گیری که فضا-زمان یک تار و پود مجزا است همان نتیجه‌گیری نبود که اینشتین خودش بدست آورده باشد. این ایده متعلق به “هرمان مینکوفسکی” ریاضیدان آلمانی است که در کنفرانس سال ۱۹۰۸ گفت: «از این پس، فضا به خودی خود و زمان به خودی خود محکومند که به سایه‌هایی مطلق تبدیل شوند و فقط یک نوع ِ واحد از این دو یک واقعیت مستقل را حفظ خواهد کرد».

به گفتۀ “اتان سیگل” اخترفیزیکدان و نویسندۀ علمی، فضا-زمانی که او توصیف کرد هنوز «فضا-زمان مینکوفسکی» نامیده می‌شود و بعنوان پس‌زمینه‌ی محاسبات در نظریۀ نسبیت و نظریۀ میدان کوانتومی به کار می‌رود. نظریه‌ی میدان کوانتومی دینامیک ذرات زیراتمی را بصورت میدان‌ها توصیف می‌کند.

فضا-زمان چگونه کار می‌کند؟

امروزه، وقتی مردم دربارۀ فضا-زمان صحبت می‌کنند، اغلب آن را شبیه یک ورق لاستیک توصیف می‌کنند. این امر نیز ناشی از پژوهش‌های اینشتین است. در زمان طرح نظریۀ نسبیت عام تشخیص داد که نیروی گرانش در اثر منحنی‌هایی در تار و پود فضا-زمان به وجود آمده است.

اشیاء پرجرم – مثل زمین، خورشید یا شما – تحریفاتی را در فضا-زمان به وجود می‌آورند که باعث خمیدگی آن می‌شود. این منحنی‌ها به نوبت نحوۀ حرکت همه چیز در کیهان را منقبض می‌کنند، زیرا اشیاء باید مسیرهایی را در طول این انحنای پیچ و تاب خورده طی کنند.

مأموریت ِ ناسا تحت عنوان “حسگر گرانش بی”(GP-B) توانست در سال ۲۰۱۱ شکل ِ گردابی فضا-زمان در اطراف زمین را اندازه‌گیری کند و دریافت که این شکل، انطباق نزدیکی با پیش‌بینی‌های اینشتین دارد.

اما درک این مسئله برای بیشتر مردم دشوار بود. اگرچه می‌توانیم فضا-زمان را مشابه با یک ورق لاستیک در نظر بگیریم، این قیاس در نهایت با شکست مواجه می‌شود. یک ورق لاستیک دو بعدی است، در حالیکه فضا-زمان چهاربعدی است. این چهار بُعد، نه تنها پیچ و تاب‌های ورق را نشان می‌دهد، بلکه پیچ و تاب‌های زمان را نیز نشان می‌دهد. معادلات پیچیده‌ای که برای توضیح تمام این قضیه بکار می‌رود حتی برای فیزیکدانان نیز دشوار است.

اخترفیزیکدان پائول ساتر نوشته: «اینشتین یک دستگاه زیبا ساخت اما دقیقأ یک کتابچه راهنمای کاربر برای ما تهیه نکرد. نسبیت عام به حدی دشوار است که وقتی کسی یک راه‌حل برای معادلاتش پیدا می‌کند، این راه‌حل را به اسم او نامگذاری می‌کنند و این شخص به یک شبه‌افسانه تبدیل می‌شود.

دانشمندان هنوز چه چیزی را نمی‌دانند؟

علی‌رغم پیچیدگی نسبیت، این محاسبات هنوز بهترین راه برای توضیح پدیده‌های فیزیکی که می‌شناسیم است. با این حال، دانشمندان می‌دانند که مدل‌های آنها ناقص است، زیرا نسبیت هنوز کاملأ مطابق با مکانیک کوانتومی نیست، مکانیکی که خواص ذرات زیراتمی را با دقت بالایی توضیح می‌دهد اما نیروی گرانش را در نظر نمی‌گیرد. مکانیک کوانتومی بر اساس این حقیقت است که ذرات کوچکِ تشکیل‌دهندۀ جهان گسسته یا کوانتیزه هستند. بنابراین، فوتون‌ها، ذرات تشکیل دهندۀ نور، شبیه تکه‌های نور در بسته‌هایی مجزا هستند.

برخی از نظریه‌پردازان فرض می‌کنند که شاید فضا-زمان به خودی خود در این تکه‌های کوانتیزه وجود داشته باشد و مکانیک نسبیت و کوانتوم را تشکیل دهد. محققان ِ آژانس فضایی اروپا در بخش آزمایشگاه بین‌المللی نجوم، مأموریت اکتشاف ِ کوانتومی فضا-زمان(GrailQuest) را پیشنهاد دادند. در این ماموریت یک ماهواره به دور زمین پرواز خواهد کرد و اندازه‌گیری‌های فوق‌العاده دقیقی از انفجارات دوردست و قدرتمند ِ پرتو گاما انجام می‌دهد. این آزمایش می‌تواند ماهیت ِ دقیق فضا-زمان را از نزدیک نشان دهد. چنین مأموریتی که حداقل یک دهه و نیم دیگر آغاز می‌شود اما اگر انجام شود، شاید بتواند برخی از بزرگترین اسرار باقیمانده در فیزیک را برملا سازد.