فضا-زمان چیست؟

[*ROyA]

در زندگی عادی همواره فضا را جایگزینی امن برای سایر اجسام در نظر می‌گیریم. چون فضا تنها و تهی است؛ پس در واقع، پس‌زمینه‌ای برای هر چیز دیگر است. به همین ترتیب زمان بی‌وقفه تیک تاک می‌زند. اما اگر فیزیکدانان بعد از این همه سال تلاش برای متحد کردن نظریات مختلف تنها یک چیز یاد گرفته باشند، این است که فضا و زمان ترکیبی با چنان پیچیدگی سرسام‌آوری می‌سازند که تلاش‌های شدید ما برای فهمیدن آن راه به جایی ندارد!
فضا-زمان در گذر فضا-زمان!
در گذشته هیچ ارتباطی بین فضا و زمان در نظر گرفته نمی‌شد. فضای فیزیکی، تخت بود؛ یک ساختار پیوسته‌ی سه‌بعدی که برای همه‌ی مکان‌های نقطه‌ای ممکن، ترتیبی (همان‌طور که اقلیدس فرض می‌نمود) در نظر می‌گرفت. برای چنین مفهومی از فضا، مختصات دکارتی به طور طبیعی سازگار است و خطوط مستقیم می‌توانند مکان‌های مختلف را تنظیم کنند.
زمان نیز به طور کاملا مستقل از فضا، به تنهایی بررسی می‌شد. ساختاری پیوسته و یک‌بعدی که در طول گستره‌ی بی‌نهایت خود همگن است. هر «اکنونی» در زمان می‌تواند به عنوان یک مبدا برای گذشته یا آینده‌ی هر لحظه‌ی زمانی دیگری گرفته شود. چارچوب‌های مختصاتی فضایی در حال حرکتِ یکنواخت نسبت به زنجیره‌ی زمانی یکنواخت، حرکات بدون شتابی خواهند داشت که به عنوان تعریف خاصی از چارچوب‌های عـریـ*ـان مرجع بیان می‌شود.
برای مدت‌ها جهان بر اساس این پیمان نیوتنی جلو می‌رفت. در یک جهان نیوتنی قوانین فیزیک در همه‌ی چارچوب‌های عـریـ*ـان یکسان خواهند بود به طوری که شخص ناظر نمی‌تواند کسی را که در حالت سکون مطلق است تشخیص دهد.
در اواخر قرن ۱۹ میلادی، دانشمندان احساس کردند که نظریات نیوتن درباره‌ی قوانین جهان کامل نیست. آن‌ها متوجه شدند که اگر ذره‌ای با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت کند در مقایسه با ذره‌ای که سرعتش صفر است یا با سرعت کم‌تری حرکت می‌کند، فضا و زمان را به شکل متفاوتی احساس خواهد کرد. در واقع به نظر می‌رسید انرژی یا حرکت یک ذره با چگونگی رفتار آن در این جهان ارتباط مستقیم دارد. این موضوع نشان می‌داد که فضا و زمان مقادیر مطلق و مستقلی نیستند. پس درک شما از جهان به چگونگی حرکتتان در آن بستگی دارد.
در همان دوره پروفسور هرمان مینکوفسکی، نشان داد که می‌توان فضا و زمان را به صورت یک ساختار کلی تصور کرد. او با ارائه‌ی این فرمول مفهوم جدیدی از فضا و زمان معرفی کرد. این فرمول، پایه و اساس چگونگی حرکت و تعامل ذرات را در جهان نشان می‌داد؛ اما این‌بار جایگاه گرانش متفاوت بود.
در جهان مینکوفسکی، مختصه‌ی زمانی یک دستگاه مختصات، هم بر مختصه‌ی زمانی و هم بر مختصه‌ی فضایی وابسته است. وابستگی این دو کمیت نسبت به هم بر اساس یک قاعده که تغییر ضروری مورد نیاز برای نظریه نسبیت خاص اینشتین را می‌سازد، تعیین می‌شود. در این مدل، فضا و زمان ساده هستند، خمیده نمی‌شوند و به‌سادگی بستری برای ماده فراهم می‌کنند که بتواند در آن حرکت کند و به‌صورت لحظه‌ای با دیگر ذرات تعامل داشته باشد.
اینشتین مفهوم گرانش در فضا-زمان و اهمیت آن را بیان کرد و سپس با تکیه بر مدل مینکوفسکی و انجام معادلات ریاضی لازم، نظریه‌ی نسبیت عام را مطرح کرد. بر اساس نظریه‌ی اینشتین هیچ چیزی همزمان در دو نقطه‌ی مختلف از فضا وجود ندارد؛ از این رو هیچ زمان مطلقی، آن‌گونه که در جهان نیوتنی در نظر گرفته می‌شد، وجود ندارد.
جهان مینکوفسکی نیز، شامل یک دسته‌ی متمایز از چارچوب‌های مرجع عـریـ*ـان است اما اکنون جرم و سرعت‌ها همه نسبت به چارچوب عـریـ*ـان ناظر نسبی هستند که از قوانین خاص فرمول‌بندی شده توسط هندریک لورنتس (H.A. Lorentz) پیروی می‌کنند و سپس قواعد اصلی نظریه‌ی اینشتین و نمایش مینکوفسکی آن را می‌سازند.
تنها سرعت نور در همه‌ی چارچوب‌های عـریـ*ـان یکسان است. هر دستگاه مختصات یا به طور خاص رویداد فضا-زمانی در چنین جهانی، به عنوان یک «اکنون-اینجا» یا یک نقطه‌ی جهانی توصیف می‌شود. در هر چارچوب مرجع عـریـ*ـان همه‌ی قوانین فیزیکی بی‌تغییر می‌مانند.
نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین (۱۹۱۶) هم از یک فضا-زمان چهاربعدی استفاده می‌کند اما آثار گرانشی را نیز با آن ترکیب می‌کند. گرانش دیگر به عنوان یک نیرو، آن‌گونه که در دستگاه نیوتنی وجود داشت، تصور نمی‌شود بلکه به عنوان یک نتیجه از پیچش فضا-زمان معرفی می‌گردد. اثری که به طور دقیق توسط یک دستگاه از معادلات اینشتین فرمول‌بندی شد. نتیجه‌ی حاصل یک فضا-زمان خمیده است در مقابل فضا-زمان تخت مینکوفسکی که مسیر حرکت ذرات، خطوط راستی در یک دستگاه مختصات عـریـ*ـان هستند.
در هر دو نظریه‌ی نیوتن و اینشتین، رفتار جرم‌های گرانشی به صورت میدان است. در فرمول‌بندی نیوتنی، جرم‌ها نیروی گرانشی برایند را در هر نقطه تعیین می‌کنند که توسط قانون سوم نیوتون شتاب ذره را مشخص می‌کنند. مسیر واقعی مثلا در مورد مدار یک سیاره، با حل یک معادله‌ی دیفرانسیل به دست می‌آید.
در نسبیت عام می‌بایست معادلات اینشتین را برای موقعیت داده شده و تعیین ساختار متناظر فضا-زمان حل کنید، سپس یک دستگاه معادلات دیگر را برای یافتن مسیر ذره انجام دهید. اما با فراخوانی اصل هم‌ارزی عام بین آثار گرانش و شتاب یکنواخت، اینشتین توانست آثار خاص مانند انحراف نور در گذر از جسمی سنگین مثل یک ستاره را نتیجه بگیرد.
با مشاهده‌ی ایده‌های مختلف برای حل، به نظر می‌رسید که فضا-زمان باید در حال انبساط یا انقباض باشد و به منظور این که جهانی بسازد که منبسط و منقبض نشود، اینشتین یک جمله‌ی اضافی با نام ثابت کیهان‌شناسی را به معادلاتش اضافه کرد. وقتی شواهد رصدی آشکار کردند که جهان واقعا در حال انبساط است، اینشتین از پیشنهاد خود عقب‌نشینی کرد. اما تجزیه و تحلیل‌های جدیدتر از انبساط جهان در اواخر دهه‌ی ۱۹۹۰ منجر شد تا ستاره‌شناسان احتمال دهند که یک ثابت کیهان‌شناسی باید در معادلات اینشتین افزوده گردد.
فضا-زمان چگونه کار می‌کند؟
فضا-زمان‌ همان بستری است که اجازه می‌دهد تمام رویدادهای فیزیکی اتفاق بیفتند. با این تعریف هر رویداد، نقطه‌ای در فضا-زمان که مشخصات مکانی و زمانی مشخصی دارد. جایگاه هر رویداد در ساختار فضا-زمان به وسیله‌ی چهار مولفه، سه مولفه‌ی فضایی (x,y,z) و یک مولفه‌ی زمانی (t)، به صورت (x1,x2,x3,x4) نشان داده می‌شود و تمام این مولفه‌ها از یک جنس در نظر گرفته می‌شوند.
می‌دانیم گرانش حاصل جرم است. یعنی میزان جرم هر جسم، نیروی گرانشی آن را تعیین می‌کند و هرچه جسم چگال‌تر باشد گرانش بیشتری خواهد داشت. از طرفی با توجه به نظریه‌ی نسبیت، فضا و زمان به یکدیگر بافته شده‌اند و ساختار یکپارچه‌ی چهاربعدی به نام فضا-زمان را به وجود آورده‌اند. گرانش سیاره زمین، که حاصل جرم آن است، می‌تواند این ساختار یکپارچه را در اطراف خودش گود کند. درست مانند گوی سنگینی که روی یک پارچه قرار گرفته و در یک گودی خودساخته فرورفته باشد. این نوع خمیدگی فضا-زمان در پیرامون اجرام چگال و فشرده‌تری مانند سیاه‌چاله، ستاره نوترونی و کوتوله سفید محسوس‌تر است اما به این معنی نیست که اجرام سبک‌تر مانند زمین از این ویژگی بی‌بهره‌اند.
نظریه نسبیت عام اینشتین بیان می‌کند که حرکت اجسام از ساختار فضا-زمان تاثیر می‌گیرد. یعنی هر جسم در حال حرکت تابع شکل فضا-زمانی است که در اطراف آن واقع شده است. از طرفی گرانش هر جسم ساختار فضا-زمان اطرافش را دچار تغییر و تحول می‌کند و در نتیجه حرکت جسم نیز بر اثر میدان گرانشی تغییر می‌کند. به زبان نسبیت عام، گرانش حاصل حرکت اجسام در مسیر خمیده‌ی فضا-زمان در اطراف جسم پرجرم است. یعنی وقتی سیاره‌ای در مدارش به دور خورشید می‌گردد از انحنای فضا-زمان اطراف خورشید پیروی می‌کند.
در نظریه‌ی نسبیت فضا و زمان به صورت خطوط عمود بر هم در نظر گرفته شده‌اند و هر جسم با توجه کم یا زیاد بودن جرمش می‌تواند انحنایی در این خطوط ایجاد و اصطلاحا فضا-زمان را خمیده کند. این موضوع بسیار شبیه به وقتی است که هر ۴ طرف یک پارچه را بگیرید سپس یک جسم نسبتا سنگین را روی آن قرار دهید. به این ترتیب شما خطوط صاف فضا-زمان آن پارچه را دچار خمیدگی کرده‌اید. در نتیجه وقتی یک جسم کوچک‌تر روی پارچه قرار دهیم، تحت تاثیر خمیدگی ایجاد شده، به سمت جسم قبلی که سنگین‌تر بود، می‌رود. این مثال واضح‌ترین نمایش از چگونگی گردش یک جسم سبک مانند سیاره زمین در اطراف جسم سنگین‌تر مثل خورشید است.
حتی زمان نیز تحت تاثیر گرانش خمیده می‌شود و این خمیدگی سرعت گذر زمان را کم می کند. پس در اطراف یک جرم سنگین مانند سیاه‌چاله شما دیرتر پیر خواهید شد!
پایان ماجرا کجاست؟
جهان قوانین خاص خودش را دارد. در هر لحظه از زمان یک اتفاق تازه می‌افتد و ذرات به‌طور بدون درنگ با یکدیگر تعامل می‌کنند. در این میان فضا-زمان همواره به عنوان یک بستر کلی حضور دارد.
در فیزیک و به طور عام‌تر در علوم طبیعی، فضا و زمان مبنای همه‌ی نظریات هستند. ما همچنان نمی‌توانیم فضا-زمان را به طور مستقیم ببینیم. اما حضورش را از تجربه‌ی هر روزه استنتاج می‌کنیم. ما فرض می‌کنیم که مقرون به صرفه‌ترین حساب از این پدیده که ما می‌بینیم ساز و کاری است که درون فضا-زمان عمل می‌کند. اما خط آخر درس گرانش کوانتومی این است که همه‌ی پدیده‌ها به سادگی در فضا-زمان سازگار نیستند. فیزیکدانان نیاز خواهند داشت تا برخی از ساختارهای بنیادی تازه را بیابند و وقتی یافتند، تحولی که تنها برای بیش از یک قرن پیش با اینشتین آغاز شد، کامل می‌شود.