علوم پایه , فیزیک 828 بازدید

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 1۹۰۷ 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 1۶ 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 4 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:

^^

بر اساس رای 3 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

یک نظر ثبت شده در “فضا زمان چیست؟ — به زبان ساده

  1. وااااااااای چه باحال. راس میگیا. تو آسانسور که سقوط میکنی انگار نیرویی بت وارد نمیشه. بازم از این مطالب بذارید

نظر شما چیست؟

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