ه‍.ش. ۱۳۹۴ فروردین ۱۲, چهارشنبه

فضازمان

گردآوری از: محمد محمدی

مفاهیم بنیادین فیزیک

فضازمان




فضازمان

در علم فیزیک و در ریاضی، فضا-زمان ()‏ (و نه فضا و زمان‌) به هر‌گونه مدل ریاضی گفته می‌شود که زمان و مکان را به‌صورت ساختاری واحد و درهم‌پیوسته با یکدیگر ترکیب کند. بر اساس فرضیات مفهوم فضای اقلیدسی، جهان، سه بُعد مکانی و یک بُعد زمانی مستقل از هم دارد. در فضا-زمان سه بُعد فضا و یک بُعد زمان درهم ادغام می‌شوند و یک محیط پیوستهٔ چهار بُعدی را ایجاد می‌کنند. با ترکیب فضا و زمان و ایجاد یک محیط خمیدهٔ واحد، فیزیکدان‌ها توانسته‌اند تئوری‌های فیزیک را هم در سطح کیهانی و هم در بُعد اتمی ساده‌سازی کنند.

گرانش، همان‌چیزی که وقتی می‌خواهید از یک بلندی بپرید شما را به زمین می‌رساند. همان‌چیزی که باعث می‌شود در حین کج کردن لیوان محتویاتش به دهان شما رود. همان‌چیزی که جوهر خودکار را به پایین فرامی‌خواند، تا شما بتوانید با آن بنویسید. و اگر این نیرو نبود، هیچ‌یک از این کارها ممکن نبود. خلاصه این که این نیروی عظیم هر چیزی را تحت سلطه‌ی خود دارد، حتی خطوط زمان هم تحت تاثیر گرانش خمیده می‌شوند، یا به‌عبارتی گرانش عاملی بر تغییر سرعت زمان است!

بر اساس نظریه اینشتین، خمیدگی، به‌علت وجود جرم و انرژی ایجاد می‌شود. هر جسم پُر جرم بسیار بزرگ، در خمیدگی فضا-زمان، نقش دارد. اجسامی که در «امتداد خطی مستقیم در جهان حرکت می‌کنند»، مجبور به‌دنبال کردن مسیرهای خمیده‌ای هستند.

فضا و زمان بر طبق نظریه نسبیت اینشتین به یکدیگر بافته شده‌اند و ساختار تار و پودی چهاربُعدی به‌نام فضا-زمان را به‌وجود آورده‌اند. جرم قابل توجه زمین، این ساختار را به‌شکل یک گودی در می‌آورد. مانند شخص سنگینی که وسط یک تشک بادی نشسته باشد (هر چند که چنین خمیدگی‌های فضا-زمان را اغلب در محیط اطراف اجرام بسیار پُر جرم‌تر و فشرده‌تری مانند سیاهچاله‌ها، ستاره‌های نوترونی، و کوتوله‌های سفید سراغ داریم اما اگر با دقت کافی محیط اطراف اجرام بسیار کم جرم‌تری مانند زمین را نیز بررسی کنیم خمیدگی فضا-زمان ناشی از جرم زمین را می‌توانیم بیابیم).

بر طبق نظریه نسبیت عام اینشتین، حرکت اجسام در ساختار تار و پودی فضا-زمان صورت می‌گیرد. یعنی جسم در حال حرکت تابع شکل فضا-زمانی است که در آن واقع شده است. بر اساس این نظریه، گرانش باعث تغییر شکل ساختار فضا-زمان می‌شود و در نتیجه حرکت جسم نیز بر اثر میدان گرانشی تغییر می‌کند. می‌توان گفت که به‌زبان اینشتین گرانش در اصل حرکت اجسام در مسیر خمیدگی ساختار فضا-زمان در اطراف جسم پُر جرم است. یعنی وقتی زمین در مداری به دور خورشید در گردش است از دید نسبیتی به دلیل انحنای فضا-زمان اطراف خورشید در این مسیر هدایت می‌شود.

نظریه اینشتین، پیش‌گویی می‌کند که چیزهای دیگری به‌جز ماه و سیارات نیز، تحت تأثیر خمیدگی فضا-زمان قرار می‌گیرند. مثلاً فوتون‌ها (ذرات نور)، باید در فضای خمیده حرکت کنند. اگر باریکه نوری که از ستاره‌ای دور سیر می‌کند، مسیر آن از نزدیکی خورشید بگذرد، خمیدگی فضا-زمان در نزدیکی خورشید موجب می‌شود که این مسیر اندکی به‌طرف خورشید خمیده شود

اگر زمین ثابت بود، ضرورتی برای انجام این کاوش نبود، ولی از آن‌جا که زمین به‌دور خود حرکت دورانی دارد، این خمیدگی نیز باید همراه با زمین بچرخد. زمین با پیچ‌وتاب دادن ساختار فضا-زمان به‌دور خود به آرامی آن‌را به‌صورت یک ساختار چرخشی ۴ بعدی در می‌آورد. این همان‌چیزی است که ماهواره گرانش کاو یا GP-B برای آزمایش آن به فضا فرستاده شده است.

این آزمایش براساس فکر بسیار ساده‌ای انجام می‌شود: یک ژیروسکوپ (گردش‌نما) در حال چرخش در مداری در نزدیکی زمین قرار می‌دهند، در حالی‌که محور چرخش آن به‌سمت یک ستاره بسیار دور - در نقش یک مرجع ثابت و بدون حرکت - نشانه رفته است. بدون وجود نیروهای خارجی، محور ژیروسکوپ باید تا ابد به‌سمت همان ستاره ثابت بماند. ولی چون فضا-زمان در نزدیکی زمین خمیده است، جهت محور ژیروسکوپ به مرور زمان تغییر می کند. با اندازه‌گیری بسیار دقیق تغییرات جهت محور ژیروسکوپ نسبت به ستاره، می‌توان میزان خمیدگی فضا-زمان را در نزدیکی زمین اندازه گرفت.


گرانش چگونه فضا-زمان را خمیده می‌کند؟

اینشتین توضیح جالبی برای گرانش آورده. او آمده فضا و زمان را به‌صورت خطوط عمود بر هم در نظر گرفته و اسم‌شان را گذاشته «خطوط فضا-زمان» و اجسام هر یک به اعتبار جرم‌شان انحنایی در فضا-زمان ایجاد می‌کنند.

برای تصور این توضیحات می‌توانید چهارگوشه‌ی یک تکه پارچه را به‌عنوان فضا-زمان بگیرید. بُعد یک جسم با جرم قابل ملاحظه‌ای روی پارچه قرار دهید، خمیدگی قسمتی از پارچه که جسم روی آن قرار گرفته، همان خمیدگی فضا-زمان است. و این کاملاً واضح است که وقتی یک جسم کوچک‌تری روی پارچه قرار دهیم، به‌سمت جسم قبلی که سنگین‌تر است می‌رود. این در واقع دلیل کشش یک جسم به‌سمت جسم سنگین‌تر است، مثلاً کشش زمین به‌سمت خورشید.

خوب شاید بگویید بنا به این تعریف هر یک از ما هم برای خودمان جرمی داریم پس باید چیزهای دیگر را به‌سمت خود جذب کنیم. باید اعتراف کنم که این کاملاً صحیح است. همین الان هر کجا که نشسته‌اید، دارید اجسام آن‌جا را تحت تاثیر خود قرار می‌دهید و آن‌ها را به‌سمت خود می‌کشانید و البته آن‌ها هم همین رفتار را نسبت به‌شما دارند، به این‌خاطر است که تاثیرات تا جایی خنثی می‌شود و هم‌چنین به‌خاطر بسیار کم بود این گرانش‌ها، دیگر کشش‌ها قابل مشاهده نیستند. پس یادتان باشد که همه‌ی ما ذاتا جذاب هستیم!

تا این‌جا از خمیده‌شدن مکان صحبت کردیم. و اما زمان. فکر می‌کنید زمان چگونه خمیده می‌شود؟ طبق نوشته‌های ادبی شاید تصور کنید زمان سرش را انداخته پایین و همین‌طور برای خودش می‌رود، بدون این‌که به‌جایی توجه کند. باید بگویم متاسفم، چون دانشمندان این توضیح را رد کرده‌اند. زمان تحت تاثیر گرانش خمیده می‌شود و این خمیدگی سرعت گذر زمان را کم می‌کند. کم‌شدن سرعت زمان به‌معنای کند شدن حرکت عقربه‌های ساعت مچی شما ست. و این مساوی است با دیرتر پیرشدن شما!

اگر بخواهید می‌توانید تا ابد در همین سنی که هستید بمانید. چه‌طور؟ فقط کافی‌ست به یک تکینگی راه پیدا کنید. تکینگی جایی‌ست که گرانش در آن چنان قوی است که خطوط زمان را آن‌قدر خمیده کرده تا به‌صورت راس یک زوایه درآمده. مثلاً سیاه‌چاله. سرعت زمان در تکینگی‌ها صفر است، یعنی عقربه‌های ساعت شما به‌هیچ وجه حرکت نمی‌کنند. گفتیم که خطوط فضا-زمان بر هم عمود هستند، بنابراین خطوط مکان هم باید خمیده شوند. این خمیدگی باعث کاهش ابعاد مکان می‌شود. شما الان سه بُعدی هستید، اگر به درون یک تکینگی بیافتید دو بعدی و تک بُعدی خواهید شد. بنابراین پیشنهاد می‌دهم فکر ماندن در یک سن خاص را از سرتان خارج کنید.


اینشتین راست می‌گفت!

همین چند روز پیش بود که دانشمندان با استفاده از تلسکوپ بسیار بزرگ رصدخانه‌ی جنوبی اروپا (ESO) و مشاهدات امواج گرانشی تلسکوپ رادیویی توانستند با بررسی ساختار ستارگان نوترونی، بی‌نظمی‌های ایجاد شده در پوسته آن‌ها را که می‌تواند موجب تشعشعات گرانشی شود شناسایی کرده و در مورد تأثیر آن‌ها در خمیدگی فضا-زمان تحقیق کنند. بر اساس نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین که گرانش را نتیجه‌ی انحنای فضازمان در اثر وجود ماده و انرژی می‌داند. دانشمندان مشاهدات‌شان از کوتوله سفید و تپ اختر را با زمان‌بندی دقیق با هم ترکیب کردند و متوجه شدند سیستم دوتایی نزدیک به‌هم، امواج گرانشی گسیل می‌کند و در نتیجه فرآیند، این ستارگان انرژی از دست داده، به یکدیگر نزدیک‌تر می‌شوند و همان‌طور که اینشتین پیش‌بینی کرده، دوره مداری کوتاه‌تر می‌شود. در نتیجه فرمول‌ها و محاسبات اینشتین و نظریه نسبیت از این آزمون سخت هم سربلند شد.


[] يادداشت‌ها




[] پی‌نوشت‌ها





[] جُستارهای وابسته

1 2


[] سرچشمه‌ها

وب‌گاه اخبار ناسا (ما و فرازمینی‌ها)