زمانی که بحث از شناخت طبیعت باشد، احتمالا اولین مفاهیمی که در ذهن شما تداعی می‌شود، گربه شرودینگر، پارادوکس دوقلو‌ها و $$E=mC^2$$ هستند. اما بیش از یک قرن است که نسبیت عام انیشتین مفهومی پیچیده برای عموم مردم و حتی دانشجویان فیزیک محسوب می‌شود. از این رو در این مطلب قصد داریم تا در مورد یکی از ملزومات این نظریه یعنی فضا زمان صحبت کنیم.

فضای متریک

قبل از توضیح فضا زمان باید با مفهومی تحت عنوان «فضای متریک» (Metric Space) آشنا باشید.

در حالتی بنیادی، کیهان از خاصیت‌هایی همچون جرم، بار الکتریکی و تکانه تشکیل شده است. این خاصیت‌ها می‌توانند با یکدیگر کنش داشته و روی هم تاثیر‌گذار باشند. توجه داشته باشید که یک واحد کوانتومی می‌تواند موج، ذره یا چیزی میان این دو باشد. این واحد‌های کوانتومی می‌توانند با هم ترکیب شده و پروتون، الکترون، مولکول، انسان و یا کیهان را تشکیل دهند.

مکانیک کوانتومی در اوخر قرن نوزدهم و ابتدای قرن بیستم پایه‌گذاری شده است. با این حال ایده‌ تشکیل کیهان از کمیت‌هایی نامرئی که با هم در کنش هستند، قدمتی دوهزار ساله دارد.

space-time

فارغ از این که کیهان از چه اِلمان‌هایی تشکیل شده، بستری باید وجود داشته باشد که اِلمان‌های تشکیل دهنده بتوانند روی آن حرکت کرده و در نتیجه با هم کنش داشته باشند.

فضا زمان
اولین بار کنش بین ذرات توسط نیوتن و در قالب قانون جهانی گرانش کمی سازی شد.

این بستر در دنیای نیوتنی، صاف، خالی و فضای مطلق در نظر گرفته می‌شد. در حقیقت فضا، کمیتی ثابت همچون دستگاه مختصات سه‌بعدی فرض می‌شود که از محور‌های $$ x,y,z $$ تشکیل شده بود. زمان نیز در دنیای نیوتنی با نرخ ثابتی افزایش پیدا می‌کرد و مطلق در نظر گرفته می‌شد. در مکانیک نیوتنی، ذرات، واحد‌های کوانتومی و امواج، فضا و زمان مشابهی را تجربه می‌کردند.

space-time
یکی از سوالات اساسی بشر تا قرن بیستم توجیه مدار عطارد بود؛ چرا که مکانیک نیوتنی نمی‌توانست شکل این مدار را توجیه کند.

فضا زمان

در اواخر قرن نوزدهم فیزیکدانان در طی آزمایشاتی دریافتند که مفاهیم فضا و زمان در مکانیک نیوتنی عیوبی دارد. برای نمونه ذره‌ای که در نزدیکی سرعت نور حرکت می‌کند، گذشت زمانی متفاوت را نسبت به ذره ساکن تجربه می‌کند. مشاهده می‌شود انرژی و مومنتوم ذرات به طور ناگهانی به دستگاه مختصات وابسته می‌شوند. این وابستگی به معنای آن است که فضا و زمان نمی‌توانند مطلق باشند. برای نمونه یک ساعت نوری، گذشت زمانی متفاوت را نسبت دو ناظر مختلف اندازه‌گیری می‌کند. حتی دو ناظر ساکن و متحرک، شکل متفاوتی را از ساعت متحرک می‌بینند. به این پدیده اتساع زمان گفته می‌شود که در نسبیت خاص به آن پرداخته شده است.

ساعت نوری فرض شده توسط انیشتین

این وابستگی در ابتدا در نسبیت خاص انیشتین توضیح داده شد. در این نظریه برخی از خاصیت‌ها همچون جرمِ ذره ساکن و سرعت نور، غیر قابل تغییر در نظر گرفته می‌شوند. اما برخی از ویژگی‌ها وابسته به نحوه حرکت در فضا و زمان است. در سال ۱۹۰۷ استاد سابق انیشتین، «هرمان مینکوفسکی» (Hermann Minkowski)، ایده‌ای انقلابی را مطرح کرد. او نشان داد که فضا و زمان را می‌توان در قالب یک مفهوم و یک عبارت بیان کرد. او فرمولی را ارائه داد که توصیف کننده بستر حرکت و کنش ذارت با یکدیگر هستند. این جمله به معنای آن است که تجربه شما از محیط اطراف وابسته به نحوه حرکت شما در فضا و زمان است. با این حال این رابطه گرانش را در خود نداشت. فضا زمانی که او توسعه داد امروزه تحت عنوان فضای مینکوفسکی شناخته می‌شود. از این نوع بیانِ فضا زمان در کوانتوم مکانیک نیز استفاده می‌شود.

space-time

اگر نیروی گرانش حذف شود، فضای مینکوفسکی تمامی پرسش‌ها را در مورد نحوه حرکت ذره پاسخ می‌دهد. در این حالت فضا زمان، بدون خمیدگی و خالی بوده و بستر مورد نیاز جهت حرکت و کنش ذرات را با یکدیگر فراهم می‌کند. توجه داشته باشید که زمانی شما شتاب را احساس می‌کنید که در کنش با ذره یا جسم دیگری قرار گیرید. برای نمونه ممکن است شخصی شما را هل داده و شما به سمت جلو حرکت کنید. اما در دنیای واقعی نیروی گرانش نیز عاملی است که می‌تواند به ذرات شتاب وارد کند. این آلبرت انیشتین بود که برای اولین بار با استفاده از آزمایشی ذهنی نیروی گرانش را با شتاب جایگزین کرد. برای توضیح این آزمایش، شکل زیر را در نظر بگیرید.

space-time

اگر شما روی زمین قرار گرفته باشید و توپی را از ارتفاع مشخصی رها سازید، توپ با شتابی مشخص به سمت زمین حرکت می‌کند. حال فرض کنید در فضاپیمایی در فضای تهی قرار گرفته‌اید. در این حالت اگر توپ را رها کنید، در محل خودش باقی می‌ماند. اما اگر فضاپیما شتاب داشته باشد، با رها کردن توپ می‌بینید که به صورت شتاب‌دار در خلاف جهت شتاب فضاپیما به حرکت در می‌آید.

بیان مینکوفسکی بستری از فضا زمان را توصیف می‌کند که تحت گرانش قرار نگرفته است. این در حالی است که یک جرم، فضا و زمان اطرافش را خم می‌کند. ارتباط بین فضای تخت مینکوفسکی و فضای خمیده ناشی از وجود جرم، با استفاده از نسبیت عام قابل توصیف است. فرمول‌بندی ریاضیاتی نسبیت عام، تحت عنوان تانسور متریک یا تانسور متریک انیشتین شناخته می‌شود. البته هندسه ریمانی نیز می‌تواند این فضا زمان را توصیف کند. ریمان، ریاضیدان قرن نوزدهم است که نحوه تغییر هر نوع میدان، طول، هندسه و فاصله بین نقاط را در فضای خمیده فرمول‌بندی کرده است.

انیشتین تقریبا یک دهه را روی فرمول‌بندی ریاضیاتی مفهوم گرانش وقت گذاشت و نهایتا شکل کلی معادله‌ نسبیت عام را ارائه داد. این معادله بیان می‌کند که جرم چگونه فضای اطرافش را خم می‌کند. هم‌چنین نحوه حرکت یک جرم در فضا زمان خمیده نیز با استفاده از نسبیت عام قابل توصیف است.

space-time

قانون اول نیوتن می‌گوید اگر به جسم در حال حرکت نیرویی وارد نشود، مسیر و جهت حرکت جسم ثابت خواهد ماند. بیان نسبیتی این گزاره آن است که اگر جسمی در فضا زمانی تخت در حال حرکت باشد، مسیرش تغییر نخواهد کرد. این در حالی است که جسم قرار گرفته در فضا زمان خمیده، مسیر خمیده شده را طی می‌کند. برای نمونه همان‌طور که در شکل فوق نیز نشان داده شده، خورشید فضا زمان اطرافش را خم کرده و زمین نیز روی این فضای خمیده اطراف خورشید حرکت می‌کند.

توجه داشته باشید که این اتفاق در مقیاس کیهانی نیز رخ می‌دهد. برای نمونه مجموعه‌ای از کهکشان‌هایی که نزدیک هم قرار گرفته‌اند دارای جرم بسیار زیادی بوده و در نتیجه گرانش اطراف آن‌ها زیاد است. از این رو نوری که از مجموعه کهکشان‌های دورتر به ما می‌رسد در قالب یک جسم دیده می‌شود.

space-time

از نظر فیزیکی پارامتر‌های بسیاری هستند که در تانسور متریک تاثیر‌گذارند. گرانش در نتیجه جرم و نحوه توزیع آن ایجاد می‌شود. در نسبیت عام این تاثیر را با استفاده از مفهوم چگالی مورد بررسی قرار می‌دهند. با این حال جالب است بدانید که نحوه توزیع جرم تنها یکی از ۱۶ پارامتری است که در توضیح شکل فضا زمان تاثیرگذار است. در این تانسور مولفه‌های فشاری همچون فشار تابشی، فشار خلا و فشار ناشی از حرکت سریع ذرات نیز سه مولفه‌ای هستند که در تانسور متریک تاثیرگذارند.

نهایتا ۶ مولفه‌ دیگر نحوه تغییر شکل حجم را در حضور جر‌م‌ها توضیح می‌دهند. هم‌چنین این مولفه‌ها نحوه تغییر شکل اجسام در حال حرکت را توصیف می‌کنند. رابطه بین جرم، انرژی و فضا زمان در تمامی سیستم‌ها از جمله زمین تا ستاره نوترونی و حتی برای امواج گرانشی برقرار است.

space-time
هرگاه جسمی نسبت به جسمی دیگر در صفحه فضا زمان حرکت کند، امواجی تحت عنوان امواج گرانشی ایجاد می‌شود.

توجه داشته باشید که تانسور متریک $$ \large \begin {align*} 4×4 \end {align*} $$ بوده، اما متقارن است. در حقیقت این تانسور ۴ مولفه قطری (چگالی و مولفه‌های فشار) و ۶ مولفه غیرقطری (مولفه‌های تغییر حجم) دارد که این مولفه‌ها نسبت به یکدیگر مستقل هستند. ۶ مولفه‌ دیگرِ غیر قطری با استفاده از مفهوم تقارن تعیین می‌شوند.

متریک، ارتباط بین کل ماده و انرژی موجود در عالم را برای ما توصیف می‌کند. هم‌چنین نحوه خمیدگی فضا زمان در عالم نیز با استفاده از این تانسور بیان می‌شود. در حقیقت نسبیت عام به حدی قدرتمند است که اگر شما دانسته باشید که تمام انرژی و ماده موجود در جهان کجا بوده‌ و چه فعالیتی داشته‌اند، آن‌گاه می‌توانید فرآیند عالم از گذشته، حال و آینده را درک کنید. در مطالب آینده به صورتی کمی‌تر مفاهیم مربوط به نسبیت عام و فضا زمان را توضیح خواهیم داد. با این حال در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه فیزیک، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

مجید عوض زاده (+)

«مجید عوض‌زاده»، فارغ‌ التحصیل مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک از دانشگاه تهران است. فیزیک، ریاضیات و مهندسی مکانیک از جمله مباحث مورد علاقه او هستند که در رابطه با آن‌ها تولید محتوا می‌کند.

بر اساس رای 141 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

8 نظر در “فضا زمان چیست؟ — به زبان ساده

  • عاشق انیشتین says: دی ۱۳, ۱۳۹۹ در ۹:۰۲ ب٫ظ

    متاسفانه نظر جنابعالی مقداری ایراد دارد. آنکه چیزی به نام مدار الکترونی هیدروژن وجود ندارد. طبق نظریه شرودینگر الکترون بر روی لایه ها در حال حرکت است و بین لایه ها نیز فضای کوانتومی وجود دارد. نه روی مدار…

  • (مولف گرامی در نگارش نظر قبلی اشتباهاتی رخ داد که در نوشتار فعلی تصحیح شد نوشتار فعلی را لطفا با قبلی جایگزین فرمایید قطعا نظر اینجانب هم ممکن است ناقص و یا توام با خطا باشد. با تشکر )
    با سلام و تشکر بسیار درک مفهوم زمان واقعا پیچیده و تلاش برای درک آن چالش برانگیز است. در نسبیت عام دفعتا تکرار میشه که فضا و زمان در هم پیچیده و تنبده شده اند و تصور ان به راستی سخت بود. انچه که نهایتا در مورد زمان قانع کننده یافتم زمان چیزی نیست جز حرکت در مکان. من ساده ترین ساعت را پیش خود تصور کردم : مدار اتم هیدروژن. بدین صورت که با هر یک گردش کامل الکترون در مدار اتم هیدروژن فرض کنیم ساعت ما یک واحد شمارش می کند. اگر این اتم در فضای گرانشی بسیار قوی نظیر اطراف سیاهچاله قوی قرار بگیرد مدار اتم در راستای نیروی گرانش کش می آید. (همان کش امدن فضا در نسبیت عام) این کشیدگی سبب می شود که اولا شعاع مدار اتم کشیده شده و دوره تناوب چرخش الکترون طولانی تر شود. چون در مدار شعاعی دفعتا بزرگتر با همان بار نیروی الکتریکی گردش میکند. در نتیجه هر واحد زمانی ما هم کند تر شود. پس ساعت ما و طی آن هر پدیده ای کند تر رخ می دهد. نتیجه آنکه زمان کاملا در انحنای فضا آمیخته شده. از جمله نتایج دیگر این است که زمان در مکان جهت دار است. چرا که کشیدگی مدار در راستای نیروی گرانش بیشترین و در جهت عمود بر آن کمترین است.
    با تشکر

  • مجتبی رشیدی says: مهر ۱۸, ۱۳۹۹ در ۷:۳۳ ق٫ظ

    به نظرمن مدل فضازمان اینشتین مشکل داره وبایداصلاح شودشایدمدل بهتری وجودداشته باشدکه پدیده انحنانوردرمیدانهایی باگرانش قوی راتوضیح دهدمن میتونم دراین ارتباط کمک کنم

    1. سلام، وقت شما بخیر؛

      در طول تاریخ بعد از انتشار مدل فضا-زمان اینشتین مدل‌های متفاوتی از طرف محققین اعلام شد که ما برای آشنایی شما لیست آن‌ها را در زیر آورده ایم:

      – نظریه گرانش برنس-دیک

      – گرانش القایی، مدل پیشنهادی از طرف آندری ساخاروف که طبق آن نسبیت عام ممکن است از نظریه های میدان کوانتومی ماده ناشی شود.

      – نظریه ریسمان

      – گرانش $$f(R)$$

      – نظریه هورندسکی

      – ابر گرانش

      – نظریه MOND که در آن اصلاح قانون دوم حرکت نیوتن برای شتاب‌های کوچک پیشنهاد می‌شود.

      – نظریه گرانش کیهان شناسی خودآفرینی توسط G.A. سلمانی که در آن نظریه برنس-دیک اصلاح شده است تا امکان ایجاد جرم فراهم شود

      – گرانش کوانتومی حلقه‌ای

      – گرانش غیرمتقارن

      – گرانش تانسور – بردار – اسکالر که از تصحیح نظریه MOND پیشنهاد شد.

      – نظریه «چاملون» (Chamelon)

      – نظریه Pressuron

      – گرانش همدیس یا کانفرمال

      – در نظر گرفتن گرانش به عنوان یک مفهوم و نیروی آنتروپیک

      – نظریه خلاء ابرشاره، در این نظریه گرانش و انحنای فضا-زمان به عنوان یک حالت یا مُد برانگیخته از ابرشاره غیرنسبتی پس زمینه عالم بوجود می‌آید.

      هدف از ارائه لیست بالا این بود که برای اعلام نظریه جدید در هر زمینه‌ای شما باید ابتدا با تاریخچه و نظریات مختلف در آن بحث آشنایی کامل داشته و نقاط ضعف و قوت هر نظریه را بررسی کنید تا بتوانید نظریه جدیدی اعلام کنید. در موضوع گرانش اگر بعد از مطالعه نظریات بالا متوجه شدید که نظریه شما نکاتی دارد که در این نظریات در نظر گرفته نشده است و یا مدل پیشنهادی شما ویژگی‌های پاسخ نداده در مدل‌های حاضر را پوشش می‌دهد مکاتبه با محققان داخلی مانند دکتر منصوری، دکتر شانت باغرام، محققان پژوهشگاه دانش‌های بنیادی یا محققان خارجی مانند دکتر واینبرگ و … می‌تواند در توسعه نظریه شما کمک کننده باشد.

      از اینکه با مجله فرادرس همراه هستید از شما بسیار سپاسگزاریم.

  • از میان این مباحث بحث مربوط به گربه شرودینگر برام جذابیت خاصی داره. اینکه خارج از اراده ما واقعیتی وجود نداره و واقعیت بستگی به انتخابهای ما دلاره خیلی جالبه

  • سلام وقت شما بخیر . میشه لطفا از فیزیک
    برام نیاز هایی که برای درک فیزیک در مقوله ی سیاه چاله هست رو لیست کنید؟
    یعنی چه درس هایی پیش نیاز چی ؟
    کارشناسی فناوری اطلاعات دارم، اما فیزیک اونم خیلی خوب یادنگرفتم. یعنی اونم باید دوباره بخونم. اما بعد از اون چی بخونم که بتونم درس های سیاه چاله رو بفهمم؟
    این مطالبی که بالا نوشتید رو میفهمم اما یه سری فیلم از سیاهچاله گرفتم درکی ازش ندارم . پیش نیاز اون چیه ؟
    لطفا لیست بدین و اگر نمی تونید کسی که بتونه کمکم کنه معرفی کنید . با تشکر

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *