فضا-زمان چیست؟

معمولاً وقتی صحبت از فهم جهان می‌شود؛ چند مورد خاص مانند آزمایش گربه‌ی شرودینگر، پارادوکس دوقلوها و فرمول E=MC² هستند که مطمئناً همگان درباره‌ی آن‌ها شنیده‌اند. اما جهان ما در این سه مورد خاص خلاصه نمی‌شود. حدود ۱۰۰ سال پیش بود که آلبرت اینشتینمسئله‌ی نسبیت عام را تشریح کرد و شاید بتوان گفت که نسبیت عام بزرگ‌ترین دستاورد وی در طول حیاتش بود؛ اما نسبیت عام تنها نام ساده‌ای دارد و فهم آن برای افراد معمولی، دانش‌آموزان و دانشجویان بسیار دشوار است. ما در این مطلب قصد داریم نسبیت عام و ماهیت فضا-زمان را به زبان ساده بیان کنیم تا بتوانید با یکی از مشهورترین نظریه‌های جهان آشنا شوید.

پیش از توضیح خود نظریه و اینکه مفهوم فضا-زمان چیست؛ بگذارید با این موضوع شروع کنیم که در اصل ما چگونه جهان را تصور می‌کنیم و می‌شناسیم.

نخستین چیزی که باید بدانید این است که جهان ما بر پایه‌ی «کوانتا» ساخته شده است و این ذرات امکان تعامل با یکدیگر دارند. ماکس پلانک، فیزیک‌دان آلمانی،‌ برای نخستین بار از کلمه‌ی کوانتا برای جمع‌ بستن بسته‌های کوانتوم استفاده کرد؛ این بسته‌ها همگی دارای خواصی فیزیکی مانند وزن، بار، حرکت و… هستند. یک کوانتوم می‌تواند ذره باشد، یک موج باشد یا هر چیز عجیب و غریبی که شما فکر کنید؛ فرم یک کوانتوم به این بستگی دارد که شما چگونه به آن می‌نگرید. وقتی که دو یا چند کوانتا با یکدیگر در تعامل هستند، می‌توانند ساختارهای بسیار پیچیده‌ نظیر فوتون‌ها، اتم‌ها و مولکول‌ها را به وجود آورند. فیزیک کوانتوم شاخه‌ای جدید از علم فیزیک است که در قرن ۲۰ به وجود آمد؛ اما ایده‌ی ساخت جهان از ذراتی نامرئی که با یکدیگر در تعامل هستند، به حدود ۲۰۰۰ سال پیش و زمان دموکریت باز می‌گردد.

بحث ما ماهیت فضا-زمان است، پس وارد جزئیات ساختار جهان و ذرات تشکیل‌دهنده‌ی آن نمی‌شویم؛ آن‌چه برای ما اهمیت دارد، این است که بدانیم ذرات تشکیل‌دهنده‌ی جهان بر چه اساسی با یکدیگر تعامل دارند و آیا این تعامل بر دیگر پدیده‌ها نیز اثر می‌گذارد یا خیر.

وقتی که آیزاک نیوتن مدل جهانی خود را در کتاب اصول فلسفه‌ی طبیعی توضیح داد، همه چیز را مطلق فرض کرد؛ وی گفت فضا در ذات خود مطلق است و بدون نیاز به چیزی خارجی، در همه جا یکسان است. دیدگاه وی در فیزیک کلاسیک پذیرفته شد و حتی بسیاری از ابهامات مکانیک نیوتنی را از بین برد؛ اما بیش از هر چیزی به دستگاه مختصات سه بعدی دکارتی شبیه بود (دستگاه مختصاتی با سه محور X؛ Y؛ Z). در جهان نیوتنی، زمان همواره با نرخی ثابت در حرکت است و همانند فضا، با هیچ چیز خارجی ارتباط ندارد و در ذاتش مطلق است. گفته‌ی نیوتن نشان می‌داد که تجربه فضا و زمان برای امواج، ذرات، کوانتوم و حتی افراد یکسان است و تحت هیچ شرایطی تغییر نمی‌کند.

در اواخر قرن ۱۹ میلادی، دانشمندان به این موضوع پی بردند که دیدگاه نیوتن درباره جهان ناقص است. فیزیک‌دانان بیان کردند که اگر ذره‌ای با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت کند در مقایسه با ذره‌ای که ایستاده یا با سرعت کم‌تری حرکت می‌کند، فضا و زمان را به شکل متفاوتی احساس خواهد کرد. به عبارت دیگر، انرژی یا حرکت یک ذره با چگونگی رفتار آن در این جهان ارتباط مستقیم دارد؛ این نشان می‌دهد که فضا و زمان مقادیر مطلقی نیستند و چگونگی تجربه‌ی جهان برای شما، به این موضوع بستگی دارد که چگونه در آن حرکت می‌کنید.

در این برهه از تاریخ بود که آلبرت اینشتین، نظریه‌ی نسبیت خاص را مطرح کرد. طبق این نظریه، برخی چیزها مانند سرعت نور یا جرم کلی ذرات، کمیت‌هایی ثابت هستند؛ اما مقدار سایر چیزها به این موضوع بستگی دارد که چگونه در فضا و زمان حرکت می‌کنند. در سال ۱۹۰۷، پروفسور هِرمان مینکوفسکی که استاد اینشتین نیز به شمار می‌رفت، به یک موفقیت خارق‌العاده دست یافت؛ وی نشان داد که می‌توان فضا و زمان را در قالب یک فرمول تصور کرد. وی پس از بیان این موضوع، بلافاصله یک فرمول توسعه داد که در آن فضا و زمان نیز حضور داشتند. این فرمول، پایه و اساس چگونگی حرکت و تعامل ذرات را در جهان نشان می‌داد؛ بدون آن‌که جاذبه‌ به‌عنوان یک نیرو در نظر گرفته شود. مدلی که وی نشان داد هنوز هم وجود دارد و با نام «فضای مینکوفسکی» شناخته می‌شود و حتی نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین نیز بر پایه‌ی آن فرمول‌بندی شده است. فضای مینکوفسکی امروزه پایه و اساس بسیاری از محاسبات نظریه میدان‌های کوانتومی است.

اگر در جهان چیزی به نام نیروی گرانش وجود نداشته باشد، مدل فضای مینکوفسکی می‌تواند پاسخگوی هر آن‌چه می‌خواهیم باشد. 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. اما همه‌ی ما می‌دانیم تنها راه شتاب‌گرفتن، در تعامل بودن با چیز دیگری است؛ به عبارت دیگر، یک ذره برای شتاب‌ گرفتن باید به‌طور دائم با چیز دیگری در تعامل باشد، حتی اگر آن چیز خاص دیده نشود. در جهانی که ما در آن زندگی می‌کنیم، نیرویی به نام «گرانش» وجود دارد که اساس بسیاری از پدیده‌ها به‌شمار می‌رود. اصل هم‌ارزی اینشتین، نیروی گرانش را به‌عنوان یک عامل نامرئی این چنین توصیف می‌کند:

گرانش، به‌عنوان یک عامل شتاب‌دهنده‌ی نامرئی عمل می‌کند و به شما یا هر چیز دیگری به‌طور یکسان شتاب می‌دهد؛ مگر آن‌که عامل شتاب‌دهنده‌ی دیگری نیز وجود داشته باشد.

اینشتین مفهوم گرانش در فضا-زمان و اهمیت آن را بیان کرد و سپس با تکیه بر مدل فضای مینکوفسکی و انجام معادلات ریاضی لازم، نظریه‌ی نسبیت عام را مطرح کرد. بین مدل فضای مینکوفسکی و فضای خمیده که در نظریه‌ی نسبیت عام به آن پرداخته می‌شود، یک تفاوت ویژه وجود دارد و آن هم یک فرمول ریاضی است که با نام «تانسور ریمان» شناخته می‌شود. گئورگ فردریش برنهارد ریمان، یک ریاضی‌دان آلمانی است که در قرن ۱۹ میلادی زندگی می‌کرد و از شاگردان یکی از بزرگ‌ترین ریاضی‌دانان تاریخ، یعنی کارل فریدریش گاوس بود. ریمان یک فرمول بسیار مهم را ارائه کرد؛ این فرمول بیان می‌کند چگونه میدان‌ها، خطوط، فاصله‌ها، قوس‌ها و… می‌توانند وجود داشته باشند و در فضایی خمیده با بی‌شمار ابعاد مختلف، به‌خوبی تعریف شوند. چیزی در حدود یک دهه زمان برد تا اینشتین و همکاران او توانستند بر پیچیدگی‌های بسیار زیاد محاسبات ریاضی این فرمول غلبه کنند؛ اما وقتی کار با موفقیت به اتمام رسید، اینشتین نظریه‌ی نسبیت عام را مطرح کرد؛ نظریه‌ای که جهان ما را در سه بُعد به همراه یک بُعد دیگر به نام زمان توصیف می‌کند و این‌بار جاذبه نیز در نظر گرفته می‌شود. این بزرگ‌ترین دستاورد اینشتین بود و همانند یک بمب در دنیای فیزیک صدا کرد؛ این یک دستاورد بزرگ برای بشریت بود.

از نظر مفهومی، تانسور ریمان بیان می‌کند چگونه فضا-زمان در ذات خود خمیده است. انحنای فضا-زمان به ماده، انرژی و فشارهایی که در فضا هستند بستگی دارد؛ به عبارت دیگر، آن‌چه در این جهان است، انحنای فضا-زمان را تعریف می‌کند. با این تفاسیر، پاسخ این سؤال که جهان شما چگونه انحنا یافته است؛ به این بستگی دارد که ماده و انرژی چگونه در آن حرکت می‌کنند.

نیوتن در قانون اول خود که با نام قانون لختی (اینرسی) شناخته می‌شود، بیان می‌کند که اگر به جسمی ساکن نیرو وارد نشود، آن جسم همواره ثابت می‌ماند و اگر به یک جسم در حال حرکت روی خط راست، نیرویی وارد نشود آن جسم با سرعت ثابت به حرکت خود ادامه می‌دهد. این قانون در فضا-زمان خمیده نیز برقرار است؛ اما با یک تفاوت: در قانون اول نیوتن، ما مسیر حرکت را یک خط راست فرض می‌کردیم؛ اما در فضای خمیده، این خط راست می‌تواند یک منحنی باشد. فضا-زمان خمیده به ما می‌گوید حرکت در فضای خمیده می‌تواند با سرعت ثابت انجام شود و در مسیری خمیده و ژئودزیک (کوتاه‌ترین مسیر بین دو نقطه) باشد. با این تفاسیر،‌ حرکت یکنواخت در فضا-زمان الزاماً در مسیر مستقیم نیست و می‌تواند در مسیری خمیده و ژئودزیک نیز انجام شود. این پدیده در مقیاس کیهانی نیز وجود دارد؛ به‌عنوان مثال، اجرام سنگینی همچون کهکشان‌ها می‌توانند به کمک جرم خود، نوری را که در پس زمینه است، خم کنند و گاهی اوقات چند تصویر ایجاد کنند. گاهی اوقات این خمیدگی باعث به‌وجودآمدن پدیده‌ی لنز گرانشی می‌شود که ما از آن برای مشاهده‌ی عوالم اولیه استفاده می‌کنیم!

از نظر علم فیزیک، عوامل مختلفی به‌صورت مستقیم در تانسور متریک نظریه نسبیت عام دخیل هستند. فیزیک‌دانان بر این باورند که گرانش حاصل جرم است؛ به این صورت که مکان‌ها و یا توده‌های بسیار بزرگ، میزان نیروی گرانشی را تعیین می‌کنند. در تانسور متریک، ۱۶ عامل، از جمله فشار (مانند فشار خلأ، فشار تابشی و فشار ایجادشده توسط ذراتی که با سرعت بالا حرکت می‌کنند) دخیل هستند؛ اما آن‌چه برای ما اهمیت دارد، هدف این مجموعه است. این عوامل به ما می‌گویند که در حضور نیروهای کشندی (جزر و مدی) و توده‌های بزرگ، حجم چگونه می‌تواند تغییر کند یا شکل ظاهری یک جرم در حال حرکت، تحت تأثیر این نیروها چگونه تغییر می‌کند. این قوانین و عوامل روی همه چیز؛ از سیاره‌ی زمین و ستاره‌های نوترونی گرفته تا امواج بی‌وزنی (تابش گرانشی) که در فضا حرکت می‌کنند، تأثیر می‌گذارند.

تانسور متریک به ما رابطه‌ی میان انحنای فضا-زمان با تمام ماده و انرژی موجود در جهان را نشان می‌دهد. در واقع، نظریه‌ی نسبیت عام به ما می‌گوید اگر شما تمام ماده و انرژی موجود در جهان را شناخته باشید و بدانید که در هر لحظه به چه شکل هستند و چه می‌کنند؛ آن‌گاه تاریخ تکامل تمام عالم، چه در زمان گذشته و چه در زمان حال و آینده برای شما آشکار می‌شود. به عبارت دیگر؛ از ازل تا ابد جهان را، از لحظه‌ای که نور و زمان متولد شدند تا زمانی که از بین می‌روند، می‌بینید و سرنوشت را می‌فهمید.

عالم یک بازی با قوانین خاص خود است؛ در هر لحظه یک اتفاق تازه رخ می‌دهد، ذرات به‌طور دائم با یکدیگر در تعامل هستند و فضا-زمان نیز به‌عنوان یک بستر همواره حضور دارد. شاید درک فضا-زمان کمی سخت و زمان‌بر باشد؛ اما این نکته را فراموش نکنید که چگونگی تجربه‌ی جهان برای شما، به این موضوع بستگی دارد که چگونه در آن حرکت می‌کنید. به دنبال کشف اسرار ماده و انرژی باشید تا اسرار تکامل جهان را از لحظه‌ی مهبانگ و تولد نور تا لحظه‌ای که دوباره خاموشی بر همه جا حکم‌فرما می‌شود، ببینید.

شما تا چه اندازه با مفهوم فضا-زمان آشنایی دارید؟