خمیدگی فضا زمان چیست؟ – به زبان ساده

در این مطلب در مورد خمیدگی فضا زمان صحبت می‌کنیم. در نسبیت عام و طبق نظر اینشتین خمیدگی فضا زمان همان گرانش است که نیوتن آن را به عنوان یک نیروی بین دو جسم تعریف کرده بود. بدین منظور بعد از توضیح خمیدگی فضا زمان، در مورد فضا زمان و برخی پرسش‌های دیگر مطالبی را ارائه خواهیم داد.

خمیدگی فضا زمان چیست؟

در حقیقت باید گفت در نسبیت عام گرانش همان خمیدگی فضا زمان است. هنگامی که اینشتین اصل هم ارزی را فرمول بندی کرد، ابهامات در مورد گرانش کمی مرتفع شد. او توانست از دانش خود در مورد شتاب برای درک بهتر گرانش استفاده کند.

همان طور که می‌دانید شتاب همیشه به معنای تغییر سرعت، مانند زمانی که اتومبیل سرعت می‌گیرد و شما را به پشتی صندلی فشار می‌دهد، نیست. شتاب می‌تواند به معنای تغییر جهت حرکت باشد، مانند زمانی که در یک چرخ و فلک حرکت می‌کنید و حرکت آن باعث می‌شود به سمت کنار صندلی متمایل و فشرده شوید.

برای درک بیشتر این موضوع اجازه دهید یک ماشین استوانه‌ای را تصور کنیم که در آن شما و دیگران را به سطح داخلی آن چسبانده‌اند. با حرکت سریع و سریعتر، استوانه می‌چرخد ​​تا شتاب به مقدار حدی خود برسد و حرکت ثابت بماند. اما حتی هنگامی که سرعت ثابت است، شما هنوز حرکت شتابدار را احساس می‌کنید. در حقیقت شما احساس می‌کنید که به دیواره داخلی استوانه متصل و در حال حرکت هستید.

اگر مدار این چرخش به اندازه کافی بزرگ بود و با سرعت کافی حرکت می‌کرد، شما به عنوان کسی که در استوانه بودید نیز متوجه برخی از تغییرات و تاثیرات عجیب و غریب درون خود سواری می‌شدید. این تغییرات نه فقط از نظر شخصی که خارج از ماشین ایستاده بلکه از نظر شما که داخل آن هستید نیز قابل مشاهده است.

با هر چرخش، کسانی که در لبه سواری هستند تمام محیط استوانه را طی می‌کنند در حالی که در مرکز تقریباً هیچ حرکتی وجود ندارد. بنابراین اگر کسی بتواند در وسط سواری توسط یک طناب نگه داشته شود و سقوط نکند، متوجه همه تأثیرات عجیب و غریبی که در نسبیت خاص در مورد آن‌ها صحبت کردیم، می‌شود. او می‌بیند برای کسانی که در لبه هستند، طول انقباض پیدا می‌کند و ساعت آن‌ها با سرعت کمتری تیک (اتساع زمان) می‌زند.

در حقیقت اصل هم ارزی به ما می‌گوید که تأثیر گرانش و شتاب غیرقابل تشخیص است. با اندیشیدن به مثال سواری استوانه‌ای، می‌بینیم که حرکت شتاب دار می‌تواند باعث اختلال در فضا و زمان شود. دقیقاً در اینجا بود که اینشتین این نقطه‌ها را به هم متصل کرد و نشان داد که گرانش در حقیقت تغییر در شکل فضا زمان و خمیدگی فضا زمان است. گرانش انحنای جهان است که توسط اجسام عظیم ایجاد می‌شود و مسیری را که اجسام طی می‌کنند تعیین می‌کند. این انحنا پویا است و با حرکت آن اجسام حرکت می‌کنند.

این نظریه یعنی نسبیت عام، همه چیز را از مدار ستارگان گرفته تا برخورد سیارک‌ها تا سیب‌هایی که از شاخه‌ای به زمین سقوط می‌کنند پیش بینی می‌کند و این همان چیزی است که از نظریه گرانش انتظار داشتیم.

در فیزیک کلاسیک، زمان به طور مداوم و مستقل برای همه اجسام پیش می‌رود و خطی است. در نسبیت، فضا زمان یک پیوستار چهار بعدی است که سه بعد آشنا از فضا را با بعد زمان ترکیب می‌کند.

برای محاسبه گرانش در نسبیت، ساختار این فضا زمان چهار بعدی باید فراتر از قوانین هندسه کلاسیک گسترش یابد، جایی که خطوط موازی هرگز به هم نمی‌رسند و مجموع زوایای مثلث 180 درجه است. در نسبیت عام، فضا زمان مسطح نیست بلکه با وجود اجسام عظیم خم می‌شود.

شکل بالا، فضا زمان را به عنوان سطحی ساده و دو بعدی تجسم می‌کند، که با حضور سه جسم عظیم، که به صورت کره‌های رنگی نشان داده شده است، مختل می‌شود. خمیدگی فضا زمان ناشی از هر کره متناسب با جرم آن است.

خمیدگی فضا زمان بر حرکت اجسام عظیم درون آن نیز تأثیر می‌گذارد. به نوبه خود، با حرکت اجسام عظیم در فضا زمان، انحنا تغییر می‌کند و هندسه فضا زمان در تکامل مداوم است. در حقیقت در این تعریف گرانش تعاملی پویا بین ماده و فضا زمان را ارائه می‌دهد.

فضا زمان چیست؟

مردم همیشه فضا را بدیهی می‌دانند و آن را تنها یک فضای خالی در نظر می‌گیرند. به همین ترتیب زمان نیز چیزی است که به سادگی می‌گذرد. اما اگر فیزیکدانان از این مسیر طولانی برای یکپارچه سازی نظریات خود چیزی آموخته باشند، این است که فضا و زمان سیستمی را تشکیل می‌دهند که از پیچیدگی زیادی تشکیل شده و از تلاش شدید ما برای درکش امتناع می‌کند.

فیلم آموزش نسبیت خاص – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

آلبرت انیشتین در نوامبر 1916 آن چه را که قرار بود برای این مفاهیم رخ دهد را درک و مشاهده کرد. یک سال پیش از این زمان او نظریه نسبیت عام خود را تدوین کرده بود، که بر این فرض استوار بود که گرانش نیرویی نیست که در فضا منتشر شود، بلکه ویژگی خود فضا و زمان است. بر این اساس هنگامی که توپی را به هوا پرتاب می‌کنید، توپ به زمین باز می‌گردد زیرا زمین، فضا و زمان اطراف خود را مخدوش می‌کند و بنابراین مسیرهای توپ و زمین مجدداً با یکدیگر تلاقی می‌کنند. اینشتین در نامه‌ای به یکی از دوستان خود به چالش ادغام نسبیت عام با فرزند دیگر خود یعنی نظریه نوظهور مکانیک کوانتومی، اشاره کرده بود. این ادغام نه تنها مفهوم فضا را تحریف نمی‌کرد بلکه آن را متلاشی و بی مصرف می‌کرد. از نظر ریاضی، او به سختی می‌دانست که از کجا شروع کند. او در نامه‌اش به این موضوع نیز اشاره کرده بود که چه قدر خودش را در درک این مفهوم آزار داده است.

اینشتین در این ایده هرگز زیاد پیش نرفت. حتی امروزه تقریباً به اندازه دانشمندانی که روی این موضوع کار می‌کنند ایده‌های متقابل برای نظریه کوانتومی گرانش وجود دارد. اختلافات بر روی این موضوع یک حقیقت مهم را نشان می‌دهد که رویکردهای متقابل یکدیگر همه می‌گویند فضا از چیزی عمیق‌تر نشأت گرفته است اما این موضوع ایده‌ای که با 2500 سال درک علمی و فلسفی به دست آمده را در هم می‌شکند.

پایین‌تر از سیاهچاله چیست؟

آهنربای آشپزخانه به وضوح مشکلی را که فیزیکدانان با آن روبرو هستند نشان می‌دهد. این آهنربای ساده می‌تواند یک گیره کاغذ را در برابر گرانش کل زمین به سمت خود بکشد. گرانش ضعیف‌تر از مغناطیس یا نیروهای الکتریکی یا هسته‌ای است. هر چه اثر کوانتومی نیز در این مفهوم وجود داشته باشد باز هم اثر آن هنوز ضعیف‌تر است. تنها شواهد ملموس مبنی بر اینکه این فرایندها به طور کامل رخ می‌دهند، «الگوی تکه‌ای» (mottled pattern) ماده در جهان اولیه است و تصور می‌شود این الگو تا حدی ناشی از نوسانات کوانتومی میدان گرانشی است.

سیاهچاله‌ها بهترین مورد آزمایش گرانش کوانتومی هستند. تد جاکوبسون از دانشگاه مریلند،  عقیده دارد که این نزدیک ترین چیزی است که ما باید آن را آزمایش کنیم. او و دیگر نظریه پردازان سیاهچاله‌ها را به عنوان نقطه اتکایی نظری مطالعه می‌کنند. چه اتفاقی می‌افتد اگر معادلاتی را که در شرایط آزمایشگاهی به خوبی کار می‌کنند، در نظر بگیرید و آن‌ها را به شدیدترین حالت قابل تصور بسط دهید؟ آیا این موضوع نقص ظریف خود را نشان می‌دهد؟

نسبیت عام پیش بینی می‌کند که ماده‌ای که در سیاهچاله می‌افتد با نزدیک شدن به مرکز بدون داشتن یک مرز فشرده می‌شود و یک حفره ریاضی به نام تکینگی را شکل می‌دهد. نظریه پردازان نمی‌توانند مسیر یک شی را فراتر از تکینگی برآورد و بررسی کنند و خط زمان آن در همین جا یعنی در تکینگی پایان می‌یابد. حتی صحبت از تکینگی نیز مشکل ساز است زیرا زمان فضایی که مکان تکینگی را مشخص می‌کند دیگر وجود ندارد. محققان امیدوارند که نظریه کوانتوم بتواند یک میکروسکوپ را بر روی آن نقطه متمرکز کرده و موادی که داخل آن می‌افتند را ردیابی کند.

در مرز حفره سیاهچاله، ماده چندان فشرده نشده است و گرانش ضعیف‌تر است. بر این اساس، قوانین شناخته شده فیزیک نیز هنوز باید برقرار باشد. با این حال این موضوع بیشتر گیج کننده است که قوانین شناخته شده فیزیک در این نقطه کارایی ندارند. سیاهچاله با یک افق رویداد یعنی نقطه‌ای بدون بازگشت، مشخص شده است. در این نقطه ماده‌ای که در آن فرو می‌رود، نمی‌تواند خارج شود و سقوط به داخل این ناحیه برگشت ناپذیر است. این یک مشکل اساسی است زیرا بر اساس همه قوانین شناخته شده فیزیک بنیادی، از جمله قوانین مکانیک کوانتومی فرآیندها به طور کلی قابل برگشت هستند و حداقل بر اساس قوانین نظری، شما باید بتوانید حرکت همه ذرات را معکوس کرده و آنچه را که داشتید بازیابی کنید.

معمای مشابهی در اواخر دهه 1800 شبیه به این موضوع وجود داشت که فیزیکدانان با آن روبرو شدند. هنگامی که آنها ریاضیات یک جسم سیاه را که به عنوان حفره‌ای پر از تابش الکترومغناطیسی ایده آل بود را بررسی می‌کردند بر اساس نظریه الکترومغناطیس جیمز کلارک ماکسول پیش بینی می‌شد که چنین جسمی تمام تشعشعاتی را که به آن برخورد می‌کند جذب می‌کند و هرگز نمی‌تواند با ماده اطراف خود به تعادل برسد.

رافائل سورکین از موسسه فیزیک نظری محیط در انتاریو توضیح می‌دهد که این جسم مقدار بی نهایت گرما را از مخزنی که در دمای ثابت نگهداری می‌شود، جذب می‌کند. از نظر حرارتی، عملاً دمای آن صفر مطلق است. با این حال این نتیجه گیری با مشاهدات اجسام سیاه رنگ واقعی مغایرت داشت و در ادامه کار ماکس پلانک، اینشتین نشان داد که اگر انرژی تابشی به واحدهای گسسته یا کوانتومی تبدیل شود، یک جسم سیاه می‌تواند به تعادل حرارتی برسد.

فیزیکدانان نظری نزدیک به نیم قرن است که تلاش می‌کنند تا به تفکیک معادل سیاهچاله‌ها دست یابند. استفان هاوکینگ از دانشگاه کمبریج در اواسط دهه 1970، هنگامی که نظریه کوانتومی را در زمینه تابش در اطراف سیاهچاله‌ها اعمال کرد و نشان داد که دمای آن‌ها غیر صفر است، گامی بزرگ در این زمینه برداشت. به این ترتیب و با استفاده از این نظریه، سیاهچاله‌ها نه تنها می‌توانند انرژی را جذب کنند، بلکه می‌توانند آن را ساطع کنند. با این حال اگر چه تجزیه و تحلیل او تعریفی از سیاهچاله‌ها را در محدوده ترمودینامیک به ارمغان آورد، اما مشکل برگشت ناپذیری مواد در سیاهچاله‌ها را عمیق‌تر کرد.

بر این اساس تشعشع خروجی از خارج از محدوده حفره بیرون می‌آید و هیچ اطلاعاتی در مورد فضای داخلی ندارد. این انرژی گرمایی تصادفی است. اگر این روند را معکوس کنید و انرژی را دوباره وارد کنید، چیزهایی که داخل آن افتاده بود بیرون نمی‌آیند و فقط گرمای بیشتری دریافت می‌کنید و نمی‌توانید متوجه شوید که آیا چیزهای اصلی هنوز وجود دارند و فقط در داخل حفره سیاهچاله گیر کرده‌اند یا خیر! زیرا با انتشار تابش سیاهچاله، این مواد کوچک می‌شوند و طبق تحلیل هاوکینگ، در نهایت ناپدید می‌شوند.

این مشکل پارادوکس اطلاعات نامیده می‌شود زیرا سیاهچاله اطلاعات مربوط به ذراتی که به داخل آن می‌افتند را از بین می‌برد که این موضوع به شما اجازه می‌دهد حرکت آن‌ها را به عقب برگردانید. اگر فیزیک سیاهچاله‌ها واقعاً برگشت پذیر است، چیزی باید اطلاعات را به عقب برگرداند و ممکن است تصور ما از فضا زمان تغییر کند تا این امر امکان پذیر باشد.

اتم‌های فضا-زمان

گرما حرکت تصادفی قطعات میکروسکوپی مانند مولکول‌های یک گاز است. از آنجا که سیاهچاله‌ها می‌توانند گرم و سرد شوند، منطقی است که دارای قسمت‌هایی یا به طور کلی، ساختار میکروسکوپی باشند و از آنجا که یک سیاهچاله فقط یک فضای خالی است (طبق نسبیت عام، ماده از افق عبور می‌کند اما نمی‌تواند در آنجا ماندگار شود)، قسمت‌های سیاهچاله باید خود قسمت‌هایی از فضا باشند. هر چه وسعت فضای خالی ساده به نظر می‌رسد اما دارای پیچیدگی نهفته عظیمی است.

حتی نظريه‌هايی كه برای حفظ مفهوم معمول فضا -زمان تلاش می‌کنند به اين نتيجه رسیده‌اند كه چيزی در پشت این نما و مفهوم بدون ويژگی كمين كرده است. به عنوان مثال، در اواخر دهه 1970 استیون واینبرگ، سعی کرد گرانش را به همان شیوه دیگر نیروهای طبیعت توصیف کند. در این بررسی او دریافت که فضا-زمان در بهترین مقیاس‌های خود به طور اساسی تغییر یافته است.

فیزیکدانان در ابتدا فضای میکروسکوپی را به عنوان موزاییکی از تکه‌های کوچک فضا تجسم کردند. بر اساس این نظریه اگر روی مقیاس پلانک با اندازه تقریباً غیرقابل تصور $$10^{-35}$$ متری، بزرگنمایی انجام دهید، چیزی شبیه به صفحه شطرنج خواهید دید. اما این موضوع نمی‌تواند کاملاً درست باشد، زیرا خطوط مشبک فضای صفحه شطرنج برخی از جهات را بر سایر موارد ترجیح می‌دهد و عدم تقارن‌هایی را ایجاد می‌کند که با نظریه نسبیت خاص مغایرت دارد. به عنوان مثال، نور با رنگ‌های مختلف ممکن است با سرعت‌های متفاوتی حرکت کند درست مانند منشور شیشه‌ای، که نور را به رنگ‌های تشکیل دهنده خود تجزیه می‌کند. با این حال از آنجا که معمولاً مشاهده مقیاس‌های کوچک دشوار است اما نقض نسبیت در این نظریه کاملاً آشکار است.

ترمودینامیک سیاه چاله‌ها در مورد تصور فضا به عنوان یک موزاییک ساده تردید ایجاد می‌کند. با اندازه گیری رفتار حرارتی هر سیستمی می‌توانید قسمت‌های آن را حداقل از لحاظ تئوری شمارش کنید. یک دماسنج را تصور کنید، با بالا رفتن دما این انرژی باید بر روی تعداد کمی مولکول پخش شود. در واقع، شما در حال اندازه گیری آنتروپی سیستمی هستید که نشان دهنده پیچیدگی میکروسکوپی آن است.

اگر این تمرین را برای یک ماده معمولی انجام دهید، تعداد مولکول‌ها با حجم مواد افزایش می‌یابد. در حقیقت اصول به این صورت است که اگر شعاع یک توپ ساحلی را تا 10 برابر افزایش دهید، 1000 برابر مولکول درون آن خواهید داشت. اما اگر شعاع سیاهچاله را تا 10 برابر افزایش دهید، تعداد مولکول‌های آن فقط 100 برابر افزایش می‌یابد. تعداد مولکول‌هایی که جسم از آن تشکیل شده است متناسب با حجم آن نیست و به مساحت آن سیاهچاله ارتباط دارد. یک سیاهچاله ممکن است سه بعدی به نظر برسد، اما طوری رفتار می‌کند که گویی دو بعدی است.

این اثر عجیب تحت عنوان اصل هولوگرافیک معرفی می‌شود زیرا یادآور یک هولوگرام است که خود را به عنوان یک شیء سه بعدی به ما نشان می‌دهد اما با بررسی دقیق‌تر، به نظر می‌رسد که تصویری از یک ورق دو بعدی فیلم تهیه شده است. اگر اصل هولوگرافیک اجزای میکروسکوپی فضا و محتویات آن را شمارش کند (همانطور که فیزیکدانان زیادی، اما نه همه آن‌ها قبول دارند) ساخت فضا باید بیشتر از چسباندن قطعات کوچکی از آن طول بکشد.

به هر حال رابطه جزء با کل به ندرت به این سادگی است. یک مولکول $$H_2O$$ فقط یک قطعه کوچک آب نیست. در نظر بگیرید که آب مایع چه رفتاری دارد؟ جریان می‌یابد، قطره تشکیل می‌دهد، موج‌ها و امواج را حمل می‌کند، یخ می‌زند و می‌جوشد. یک مولکول $$H_2O$$ تنها هیچ یک از این رفتارها را انجام نمی‌دهد. در حقیقت این‌ها رفتارهای جمعی هستند. به همین ترتیب، یک جزء سازنده فضا نیازی به مشخصات فضایی ندارد. دانیله اوریتی از موسسه فیزیک گرانشی ماکس پلانک در پوتسدام، آلمان می‌گوید اتم‌های فضا کوچکترین قسمت‌های فضا نیستند. آن‌ها اجزای فضا هستند. خواص هندسی فضا، ویژگی‌های جدید، جمعی و تقریبی یک سیستم است که از تعداد زیادی اتم ساخته شده است.

اینکه این اجزا دقیقاً چه هستند بستگی به نظریه دارد. در گرانش کوانتومی حلقه، این اجزا کوانتاهای حجم ترکیب شده هستند. در نظریه ریسمان، آن‌ها میدان‌هایی شبیه به الکترومغناطیس هستند که در سطحی که توسط یک رشته متحرک یا یک حلقه انرژی ردیابی شده است زندگی می‌کنند. در نظریه M، که مربوط به نظریه ریسمان است و ممکن است زیربنای آن باشد، این اجزای سازنده نوع خاصی از ذرات هستند. در حقیقت غشایی که به نقطه کوچک تبدیل شده است. در نظریه مجموعه‌های علّی، این اجزا رویدادهایی هستند که توسط شبکه‌ای از علت و معلول مرتبط می‌شوند. در «نظریه آمپلیودرون» (amplituhedron theory) و برخی رویکردهای دیگر، هیچ سازه‌ای حداقل نه به معنای مرسوم آن وجود ندارد.

اگرچه اصول سازماندهی این نظریه‌ها متفاوت است، اما همه تلاش می‌کنند نسخه‌ای از به اصطلاح رابطه گرایی فیلسوف آلمانی قرن 17 و 18 گوتفرید لایب نیتس را حفظ کنند. به طور کلی، رابطه گرایی معتقد است که فضا از الگوی خاصی از همبستگی بین اجسام نشأت می‌گیرد. در این دیدگاه، فضا یک پازل است. شما با یک توده بزرگ از قطعات شروع می‌کنید، نحوه اتصال آن‌ها را می‌بینید و بر این اساس آن‌ها را در کنار هم قرار می‌دهید. اگر دو قطعه دارای ویژگی‌های مشابه، مانند رنگ باشند احتمالاً در مجاورت یکدیگر قرار دارند. اگر آن‌ها به شدت متفاوت هستند، شما آن‌ها را به طور آزمایشی از هم دور می‌کنید. فیزیکدانان معمولاً این روابط را به عنوان یک شبکه با الگوی اتصال مشخص بیان می‌کنند. روابط توسط نظریه کوانتوم یا سایر اصول دیکته می‌شود و ترتیب فضایی در پی آن می‌آید.

انتقال فازها یکی دیگر از موضوعات رایج است. اگر فضا مونتاژ شود، ممکن است آن را نیز جدا کنید. سپس اجزای سازنده آن می‌توانند به چیزی تبدیل شوند که هیچ شباهتی به فضا ندارد. محققان از مرکز بین المللی نجوم و اخترفیزیک در هند باور دارند که درست مانند حالت‌های مختلف ماده مانند یخ، آب و بخار آب، اتم‌های فضا نیز می‌توانند خود را در مراحل مختلف پیکربندی کنند. در این دیدگاه، سیاهچاله‌ها ممکن است مکان‌هایی باشند که فضا در آن ذوب می‌شود. نظریه‌های شناخته شده معمولاً مفهوم فضا را تجزیه می‌کنند، اما یک نظریه کلی‌تر آنچه را که در مرحله و فاز جدید اتفاق می‌افتد را توصیف می‌کند. حتی وقتی فضا به پایان خود می‌رسد باز هم فیزیک ادامه دارد.

صفحات درهم تنیده

تفکر و درک بزرگ سال‌های اخیر و آن چیزی که از مرزهای قدیمی و باورهای گذشته نشات می‌گیرد، این است که روابط شامل درهم تنیدگی کوانتومی است. به نظر می‌رسد نوعی همبستگی فوق العاده و ذاتی مکانیک کوانتومی، ابتدایی‌تر از فضا است. به عنوان مثال، یک آزمایشگر ممکن است دو ذره ایجاد کند که در جهت مخالف پرواز می‌کنند. اگر آن‌ها در هم تنیده باشند، هر چه قدر هم که فاصله داشته باشند هماهنگ می‌مانند.

از قدیم هنگامی که مردم در مورد گرانش کوانتومی صحبت می‌کردند، به گسستگی کوانتومی، نوسانات کوانتومی و تقریباً هر اثر کوانتومی دیگر اشاره کرده اما هیچ صحبتی از درهم تنیدگی کوانتومی در میان نبوده است. این موضوع با حضور سیاهچاله‌ها تغییر کرد. در طول عمر یک سیاهچاله، ذرات درهم تنیده به داخل سیاهچاله می‌افتند، اما پس از تبخیر کامل حفره، ذرات در هم تنیده آن در خارج با هیچ چیزی در هم تنیده نمی‌شوند. سمیر ماتور از دانشگاه ایالتی اوهایو می‌گوید هاوکینگ باید این مشکل را مشکل درهم تنیدگی می‌نامید.

حتی در خلاء بدون ذره در اطراف ما نیز، میدان‌های الکترومغناطیسی و سایر زمینه‌ها در داخل خود در هم تنیده شده‌اند. اگر یک میدان را در دو نقطه مختلف اندازه گیری کنید، خوانش‌های شما به صورت تصادفی اما هماهنگ یکسان می‌شود و اگر ناحیه‌ای را به دو قسمت تقسیم کنید، قطعات با هم همبستگی خواهند داشت. میزان همبستگی بستگی به تنها کمیت مشترک هندسی آن‌ها یعنی مساحت رابط آن‌ها دارد. در سال 1995 جیکوبسون استدلال کرد که درهم تنیدگی، پیوندی بین حضور ماده و هندسه فضا-زمان ایجاد می‌کند که می‌تواند قانون گرانش را توضیح دهد. او می‌گوید درهم تنیدگی بیشتر به معنای گرانش ضعیف‌تر و فضا - زمان سفت‌تر است.

اکنون چندین رویکرد برای گرانش کوانتومی بیشتر از همه، نظریه ریسمان، درهم تنیدگی را بسیار مهم می‌دانند. نظریه ریسمان اصل هولوگرافی را نه تنها در مورد سیاهچاله‌ها بلکه در کل جهان نیز اعمال می‌کند و دستورالعمل نحوه ایجاد فضا یا حداقل برخی از آن را ارائه می‌دهد. به عنوان مثال، یک فضای دو بعدی می‌تواند توسط میدان‌هایی ایجاد شود که در صورت ساختار مناسب، ابعاد بیشتری از فضا را ایجاد می‌کنند. فضای اصلی دو بعدی به عنوان مرز قلمرو وسیع‌تری شناخته شده که به عنوان فضای فله شناخته می‌شود و درهم تنیدگی چیزی است که فضای فله را به یک کل مجاور تبدیل می‌کند.

در سال 2009 مارک ون رامسدونک از دانشگاه بریتیش کلمبیا استدلال زیبایی برای این روند ارائه کرد. بر اساس نظر او فرض کنید میدان‌های موجود در مرز درهم تنیده نیستند، آن‌ها یک جفت سیستم نامربوط تشکیل می‌دهند. این دو با دو جهان مجزا مطابقت دارند و هیچ راهی برای سفر بین آن‌ها وجود ندارد. وقتی سیستم‌ها به هم می‌خورند، گویی یک تونل یا کرمچاله بین آن جهان‌ها باز می‌شود و یک سفینه فضایی می‌تواند از یکی به دیگری حرکت کند. با افزایش درجه درهم تنیدگی، کرم چاله دراز می‌شود و جهان‌ها را به هم نزدیک می‌کند تا جایی که دیگر حتی از آن‌ها به عنوان دو جهان صحبت نمی‌کنید. این فیزیکدان می‌گوید ظهور یک فضا -زمان بزرگ به طور مستقیم با درهم تنیدگی این درجات نظریه میدان آزادی مرتبط است. وقتی همبستگی‌هایی را در میدان‌های الکترومغناطیسی و سایر میدان‌ها مشاهده می‌کنیم، آن‌ها باقی مانده‌ای از درهم تنیدگی هستند که فضا را به هم پیوند می‌دهند.

بسیاری از ویژگی‌های دیگر فضا، علاوه بر مجاورت آن‌ها، ممکن است منعکس کننده درهم تنیدگی نیز باشند. در حال حاضر محققین در دانشگاه مریلند، کالج پارک استدلال می‌کنند که همه جا پیچیدگی درهم تنیدگی، گرانش جهانی را توضیح می‌دهد که بر همه اجسام تأثیر می‌گذارد و نمی‌توان آن را به نمایش گذاشت. در مورد سیاه چاله‌ها نیز محققین از دانشگاه استنفورد و موسسه مطالعات پیشرفته در پرینستون، نیویورک پیشنهاد می‌کنند که درهم تنیدگی بین سیاهچاله و تشعشعاتی که از خود ساطع کرده است، یک کرم چاله ایجاد می‌کنند که ورودی آن در پشت سیاهچاله است. این موضوع ممکن است به حفظ اطلاعات و اطمینان از برگشت پذیر بودن فیزیک سیاهچاله‌ها کمک کند.

در حالی که ایده‌های نظریه ریسمان فقط برای هندسه‌های خاص کار می‌کنند و تنها یک بعد از فضا را بازسازی می‌کنند، برخی از محققان به دنبال توضیح چگونگی ظهور تمام فضا از ابتدا هستند. به عنوان مثال فیزیکدانان و محققین در موسسه فناوری کالیفرنیا، با توصیف کوانتومی مینیمالیستی یک سیستم، بدون هیچ گونه اشاره مستقیمی به فضا-زمان یا حتی ماده، شروع می‌شوند. اگر الگوی مناسب همبستگی وجود داشته باشد، سیستم را می‌توان به اجزای تشکیل دهنده تقسیم کرد که می‌توانند به عنوان مناطق مختلف فضا-زمان شناخته شوند. در این مدل درجه درهم تنیدگی مفهومی از فاصله مکانی را تعریف می‌کند.

در فیزیک و به طور کلی در علوم طبیعی، فضا و زمان پایه و اساس همه نظریه‌ها هستند. با این وجود ما هرگز فضا -زمان را به طور مستقیم نمی‌بینیم. بلکه ما وجود آن را از تجربه روزمره خود استنباط می‌کنیم. ما فرض می‌کنیم که مقرون به صرفه ترین پدیده‌هایی که می بینیم مکانیزمی است که در فضا -زمان عمل می‌کنند. اما درس اصلی گرانش کوانتومی این است که همه پدیده‌ها به طور منظم در فضا زمان جا نمی‌شوند. فیزیکدانان باید ساختار بنیادی جدیدی را بیابند و در صورت پیدا کردن آن‌ها، انقلابی را که بیش از یک قرن پیش با اینشتین آغاز شد، به پایان می‌رسانند.

تاریخچه گرانش به اختصار

• ایزاک نیوتن اثرات گرانش را توصیف کرد، اما مکانیزمی برای نحوه عملکرد آن پیشنهاد نکرد.
• آلبرت انیشتین پیشنهاد کرد که اجسام عظیم باعث خمیدگی فضا زمان می‌شوند و در نتیجه اجسام دیگر در امتداد آن منحنی‌ها حرکت می‌کنند یا به دور آن می‌چرخند و این همان چیزی است که ما به عنوان گرانش تجربه می‌کنیم.
• این نظریه نسبیت عام منجر به تعدادی پیش بینی شده است که تا حد تست‌های آزمایشگاهی ادامه داشته است.
• یکی از پیش بینی‌های این نظریه این است که امواج گرانشی در جهان موج می‌زنند و در حال حرکت هستند، اما اینشتین تصور می‌کرد که تشخیص آن‌ها بسیار سخت است زیرا بسیار کوچک هستند.
• در فوریه 2016 اندازه گیری مستقیم امواج گرانشی مشاهده و اعلام شد. این دستاورد ابزار جدیدی را برای کاوش جهان در اختیار ما قرار می‌دهد.
• در شکل فعلی نسبیت عام با مکانیک کوانتومی ناسازگار است، این موضوع نشان می‌دهد که تغییر در درک ما ممکن است در آینده رخ دهد.

اگر اجرام عظیم باعث خمیدگی فضا زمان می‌شوند، چگونه این خمش به حالت عادی باز می‌گردد؟

ماده باعث خمیدگی فضا زمان می‌شود و فضای خمیده در نحوه حرکت تاثیر دارد. این اصل اساسی در نسبیت عام اینشتین است، که برای اولین بار پدیده گرانش را با پدیده فضا زمان و نسبیت پیوند داد.

اگر جرمی را در هر کجای عالم قرار دهید، فضای اطراف آن در پاسخ خمش پیدا می‌کند. اما اگر آن جرم را بردارید یا به جای دیگری منتقل کنید، چه چیزی باعث می‌شود که فضا زمان به حالت قبل خود بازگردد.

باید گفت چیزهای جالب زیادی در مورد این سوال وجود دارد و پاسخ به آن واقعاً می‌تواند به شما در درک نحوه عملکرد گرانش کمک کند. صدها سال قبل از اینشتین، بهترین نظریه گرانشی برای نیوتن بود. تصور نیوتن از جهان برای بسیاری ساده و بدون ابهام بود اما از نظر فلسفی ناراضی کننده بود. او ادعا کرد که هر دو توده در جهان، صرف نظر از اینکه در کجا واقع شده‌اند یا چقدر از هم دور هستند، فوراً یکدیگر را از طریق نیروی متقابل به نام گرانش جذب می‌کنند. هرچه جرم هر جسم بیشتر باشد، نیرو بیشتر است و هر چه دورتر قرار بگیرند، نیرو کمتر است. از نظر نیوتن این امر در مورد همه اجرام جهان صدق می‌کند و قانون جاذبه جهانی نیوتن، برخلاف سایر گزینه‌های ارائه شده دقیقاً با مشاهدات موافق بود.

اما او ایده‌ای را مطرح کرد که بسیاری از روشنفکران برتر آن روز نمی‌توانستند آن را بپذیرند و آن مفهوم تابع در فاصله بود. در حقیقت سوال اصلی این بود که چگونه دو جسمی که در فاصله نصف عالم واقع شده‌اند می‌توانند ناگهانی بر یکدیگر نیرو وارد کنند؟ چگونه این دو جسم می‌توانستند از راه دور بدون هیچ گونه دخالت هیچ پدیده دیگری با هم تعامل داشته باشند؟

در آن زمان دکارت نمی‌توانست این موضوع را بپذیرد و برای جایگزین رابطه‌ای را فرموله کرد که در آن چیزی در فضا وجود دارد که نیروی گرانش از طریق آن منتقل شود. او استدلال کرد که فضا مملو از یک نوع ماده است و با حرکت جرم در آن، آن ماده را جابجا کرده و گرداب ایجاد می‌کند. در حقیقت نظر دکارت نسخه اولیه از نظریه اتر بود. این اولین مورد در مسیر طولانی نظریه‌های مکانیکی (یا جنبشی) گرانش بود.

البته تصور دکارت اشتباه بود. تایید توسط آزمایش چیزی است که مفید بودن یک نظریه فیزیکی را تعیین می‌کند، نه تمایلات ما برای معیارهای زیبایی شناختی خاص. وقتی نسبیت عام ظاهر شد، تصویری را که قوانین نیوتن برای ما به روش‌های اساسی ترسیم کرده بود تغییر داد. مثلا بر اساس نسبیت عام، فضا و زمان در همه جا مطلق و یکسان نبودند، اما برای ناظری که با سرعت‌های مختلف و در مکان‌های مختلف حرکت می‌کردند به هم مرتبط و رفتار متفاوتی داشتند. همچنین نسبیت عام نشان داد که گرانش آنی نیست و با سرعتی محدود حرکت می‌کند که به آن سرعت گرانش می‌گویند و باید برابر سرعت نور باشد. همچنین این گرانش توسط جرم و موقعیت مستقیم تعیین نمی‌شود، بلکه با انحنای فضا تعیین می‌شود، که این انحنا توسط مجموعه کامل ماده و انرژی در سراسر عالم تعیین می‌شود.

بدین ترتیب بازه نیروی نامحدود از طریق فضای استاتیک نیوتن با خمیدگی فضا زمان جایگزین شد. در حقیقت اگر خورشید به سادگی از بین برود و از جهان ناپدید شود، ما در زمین تا زمانی این ناپدید شدن را درک نمی‌کنیم. بدین ترتیب با ناپدید شدن خورشید، زمین فوراً شروع به حرکت در یک خط مستقیم نمی‌کند. بلکه به مدت 8 دقیقه و 20 ثانیه دیگر به دور خورشید می‌چرخد. بر این اساس این جرم نیست که گرانش را تعیین می‌کند، بلکه انحنای فضا است که با مجموع کل ماده و انرژی موجود در آن تعیین می‌شود.

اگر بخواهید خورشید را دور کنید، فضا از حالت منحنی به مسطح تبدیل می‌شود، اما این تغییر آنی نیست. از آنجا که فضا-زمان یک بافت است، این گذار باید به نوعی در یک حرکت تکان دهنده اتفاق بیفتد، که موج‌های بسیار بزرگی یعنی امواج گرانشی را در سراسر جهان ارسال می‌کند و مانند موج‌هایی در حوضچه به بیرون منتشر می‌شود.

سرعت این امواج همان طور که سرعت هر چیزی در نسبیت تعیین می‌شود، بر اساس انرژی و جرم آن‌ها تعیین می‌شود. از آنجا که امواج گرانشی فاقد جرم هستند اما دارای انرژی محدود هستند، باید با سرعت نور حرکت کنند. این بدان معنا است که اگر در مورد آن فکر کنید، زمین مستقیماً به مکان خورشید در فضا جذب نمی‌شود، بلکه به جایی که خورشید کمی بیش از 8 دقیقه پیش در آن قرار داشت، جذب می‌شود. این امر به دلیل مطالعه دقیق منظومه شمسی بسیار عجیب و غریب است. اگر زمین 8 دقیقه پیش با استفاده از قوانین نیوتن به موقعیت خورشید جذب می‌شد، مدار سیارات با مشاهدات مطابقت نداشت. با این حال، یک روش دیگر وجود دارد که در نسبیت عام متفاوت است. شما همچنین باید سرعت گردش سیاره را در حین حرکت به دور خورشید در نظر بگیرید.

به عنوان مثال، سیاره زمین از آنجا که در حال حرکت است نوعی سواری بر روی موج‌هایی که در فضا حرکت می‌کنند، انجام می‌دهد و در نقطه‌ای متفاوت از جایی که به بالا بلند شده است فرود می‌آید. دو اثر جدید در نسبیت عام در حال رویداد است که این نظریه را بسیار متفاوت از نیوتن می‌کند اول این که سرعت هر جسم بر نحوه تجربه گرانش تأثیر می‌گذارد و دیگری تغییراتی است که در میدان‌های گرانشی ایجاد می‌شود.

اگر می‌خواهید خمیدگی فضا زمان را در هر نقطه از فضا محاسبه کنید، نسبیت عام به شما این امکان را می‌دهد، اما باید چند نکته را بدانید. در ابتدا شما باید مکان، اندازه و توزیع همه توده‌های عالم را بدانید، همان طور که نیوتن نیز به این اطلاعات نیاز داشت. اما شما همچنین به اطلاعات زیر نیز نیاز دارید:

• چگونه اجسام در حال حرکت هستند و چگونه این اجرام در طول زمان حرکت کرده‌اند.
• چگونه تمام اشکال دیگر انرژی (غیر جرم) توزیع می‌شوند.
• چگونه جسمی که مشاهده می‌کنید یا روی آن اندازه گیری انجام می‌دهید در یک میدان گرانشی متغیر حرکت می‌کند.
• و اینکه چگونه انحنای فضایی در طول زمان در حال تغییر است.

تنها با استفاده از این اطلاعات است که می‌توانید محاسبه کنید که چگونه خمیدگی فضا زمان در یک نقطه خاص به وقوع پیوسته است. هرچند این خمش و مسطح شدن باید هزینه‌ای در برداشته باشد. شما نمی‌توانید برای مثال به سیاره‌ای مانند زمین از طریق میدان گرانشی در حال تغییر خورشید شتاب دهید و نتیجه‌ای را مشاهده نکنید. در واقع، نتایج آن اگرچه کوچک است اما وجود دارد و می‌توان آن را آزمایش کرد. بر خلاف نظریه نیوتن، جایی که زمین باید به دور خورشید یک بیضی بسته را طی کند، نسبیت عام پیش بینی می‌کند که این بیضی باید در طول زمان پیشروی کند و مدار آن به آرامی از بین می‌رود. ممکن است این فرآیند بسیار بیشتر از سن جهان طول بکشد، اما به طور پیش فرض این مدار پایدار نخواهد بود.

در واقع قبل از اینکه ما امواج گرانشی را اندازه‌گیری کنیم، این اولین روش اندازه گیری سرعت گرانش بود. توجه داشته باشید نه برای زمین، بلکه برای یک سیستم قوی مانند یک سیستم مداری کوچک که حداقل دارای یک ستاره نوترونی است، این نتایج با وضوح بیشتری قابل مشاهده است.

بزرگترین اثرات برای یک جسم عظیم که با تغییرات سرعت بالا در یک میدان گرانشی قوی و در حال تغییر حرکت می‌کند، ظاهر می‌شود. این همان چیزی است که یک ستاره نوترونی دوتایی به ما می‌دهد. هنگامی که یک یا هر دوی این ستاره‌های نوترونی به دور خود می‌چرخند، حرکت پالسی دارند و هر بار که قطب یک ستاره نوترونی از خط دید ما عبور می‌کند، پالس‌ها بر روی زمین برای ما قابل مشاهده هستند. پیش بینی‌های نظریه گرانش اینشتین نسبت به سرعت انتشار بسیار حساس است، به طوری که حتی از اولین سیستم تپ اختر دوتایی کشف شده در دهه 1980، PSR 1913+16 (یا باینری Hulse-Taylor)، سرعت گرانش را معادل سرعت نور با خطای اندازه گیری تنها $$0.2\%$$ محدود کرده‌ایم!

فقط از طریق این تپ اخترهای دوتایی، متوجه می‌شویم که سرعت جاذبه باید بین $$2.933 \times 10^8$$ تا $$3.003 \times 10^8$$ متر در ثانیه باشد.ما می‌توانیم نسبیت عام را تأیید کرده و گرانش نیوتن و بسیاری از گزینه‌های دیگر را رد کنیم.

اما مکانیزمی برای توضیح اینکه چرا خمیدگی فضا زمان در زمانی که جرمی در آن نقطه نبوده، رخ نداده است و اکنون با وجود جرم این خمیدگی فضا زمان وجود دارد، لازم نیست، زیرا نسبیت عام خود، توضیح این موضوع است.

جرمی که از طریق تغییر میدان گرانشی شتاب می‌گیرد، از خود انرژی ساطع می‌کند و این انرژی تابشی در بافت فضا و موسوم به امواج گرانشی جریان دارد. بدون ماده یا انرژی دیگر چیزی برای حفظ انحنای فضا وجود ندارد. بازگشت به حالت تعادل و حالت خمیده به طور طبیعی اتفاق می‌افتد و به سادگی منجر به تابش گرانشی می‌شود. در حقیقت نیازی به توضیح بیشتر وجود ندارد و نسبیت عام همه چیز را حل می‌کند.

معرفی فیلم آموزش مبانی گرانش (Gravitation)

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش مبانی گرانش (Gravitation) کرده است. این مجموعه آموزشی از دوازده درس تشکیل شده و برای دانشجویان رشته فیزیک و افراد علاقه‌مند به کیهان شناسی و گرانش مفید است.

درس اول این مجموعه مروری بر نسبیت خاص و درس دوم به آموزش جبر تانسوری می‌پردازد. درس سوم به محاسبات تانسوری و روابط مورد نیاز برای نسبیت عام و درس چهارم به بررسی شروع نسبیت عام اینشتین اختصاص دارد. در درس پنجم استخراج معادلات اینشتین از کنش هیلبرت را خواهید آموخت و در درس ششم و هفتم به ترتیب حل شوارتسشیلد (Schwarzschild) و خواص فضا – زمان شوارتسشیلد بررسی می‌شود. در درس نهم در مورد سیاهچاله‌های باردار خواهید آموخت و در درس دهم سیاهچاله‌های باردار بررسی می‌شوند. درس یازدهم به ترمودینامیک سیاهچاله‌ها اختصاص دارد و در نهایت امواج گرانشی در درس دوزادهم بررسی می‌شوند.

• برای دیدن آموزش مبانی گرانش (Gravitation) اینجا کلیک کنید.

جمع‌بندی

در این مطلب در مورد خمیدگی فضا زمان و مفهوم آن در فیزیک صحبت کردیم. همچنین در مورد تعاریف مختلف فضا زمان توضیحاتی اراپه دادیم و به این سوال پاسخ دادیم که اگر خمیدگی فضا زمان به معنای گرانش باشد که به دلیل وجود یک جسم در آن نقطه از فضا زمان به وجود آمده باشد، با حذف جرم در آن نقطه آیا مجدداً فضا-زمان به حالت اولیه خود باز می‌گردد.