علمکی

فضا زمان

به نام خدا

در علم فیزیک و ریاضی، فضا-زمان (به انگلیسی: Spacetime) (و نه فضا و زمان‌) به هر‌گونه مدل ریاضی گفته می‌شود که زمان و مکان را به صورت ساختاری واحد و درهم‌پیوسته با یکدیگر ترکیب کند. بر اساس فرضیات مفهوم فضای اقلیدسی، جهان، سه بعد مکانی و یک بعد زمانی مستقل از هم دارد.

در فضا-زمان سه بعد فضا و یک بعد زمان درهم ادغام می‌شوند و یک محیط پیوستهٔ چهار بعدی 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 بعد اتمی ساده‌سازی کنند.

بهتر است که در مکانیک کلاسیک، هنگامی که زمان به عنوان یک معیار ثابت و جهانی، مستقل از حالت حرکت مشاهده‌گر درنظر گرفته می‌شود؛ از دستگاه اقلیدسی به جای فضا-زمان استفاده کنیم. با این حال در فیزیک نسبیتی، زمان نمی‌تواند جدا از سه بعد فضا باشد. بر اساس نسبیت خاص نرخ گذر زمان برای جسمی که مشاهده می‌شود بستگی به نسبت سرعت جسم و سرعت مشاهده‌گر دارد. بر اساس نسبیت عام شدت میدان گرانشی نرخ گذر زمان را کاهش می‌دهد.


مفهوم و بُعدها

طرح کلی در فضا-زمان، ادغام فضا و زمان با یکدیگر و درنتیجه ایجاد یک محیط یکپارچه با دستگاه مختصاتی یکتا است. برای این کار به سه بُعد مکانی معمول(طول، عرض، ارتفاع) و یک بُعد زمان نیاز داریم؛ این بُعدها مؤلفه‌های مستقل لازم برای مشخص کردن یک نقطهٔ خاص در یک فضای تعریف شده‌اند. مثلا در محیط کرهٔ زمین طول و عرض جغرافیایی دو مؤلفهٔ مستقل دستگاه مختصات‌اند که تنها به‌وسیلهٔ هر دوی آن‌ها باهم می‌توان یک نقطهٔ خاص را تعیین موقعیت کرد؛ حال در فضا-زمان، شبکه مختصاتی ۱+۳ بعد را پوشش می‌دهد و چون زمان به عنوان مؤلفهٔ جدید اضافه شده‌است، درنتیجه دستگاه مختصات نه تنها می‌تواند نقاط را در محیط مکان‌یابی کند بلکه می‌تواند رویداد‌هاکی و کجا یک رویداد اتفاق افتاده است. در فضا زمان نمی‌توانیم محور زمان را به صورت جداگانه نشان دهیم اگر بخواهیم محور زمان را در دستگاه مختصات نشان بدهیم ناگزیریم که محور زمانی و مکانی را هر دو باهم، و در یک دستگاه مختصات قرار دهیم و این به دلیل ماهیت یکپارچهٔ فضا-زمان و آزادی در انتخاب دستگاه مختصات است. برخلاف دستگاه مختصات فضایی معمولی، محدودیت‌هایی برای چگونگی اندازه‌گیری‌های مکانی و زمانی وجود دارد؛ این محدودیتها به مدل زیاضی خاص آن و تفاوتهایش با ریاضیات و هندسهٔ اقلیدسی برمی‌گردد.

تا آغاز قرن بیستم گذر زمان مستقل از حرکت در نظر گرفته می‌شد و فرض این بود که در تمام دستگاه‌های مختصات، زمان تنها در یک محور مشخص با سرعت ثابت پیش می‌رود؛ اما تجربیات بعدی نشان داد که زمان در سرعت‌های بالا کندتر حرکت می‌کند (کاهش سرعت زمان با عنوان تاخیر زمان در نسبیت خاص توضیح داده شده‌است)؛ برای مثال یک ساعت اتمی را بر روی یک شاتل فضایی نصب کردند و دیدند که زمان برای ساعت روی شاتل کندتر از زمان در سطح زمین می‌گذرد.

عبارت فضا-زمان به عنوان یک مفهوم عمومی فراتر از رویداد‌های فضا-زمان در ۱+۳ بُعد معمولی در نظر گرفته می‌شود، فضا-زمان واقعا ترکیبی از مکان و زمان است اما برخی دیگر پیشنهاد کرده‌اند که بُعدهای جدیدی که بعدها اضافه می‌شود هم در مجموعهٔ تئوری فضا-زمان قرار گیرد (نظریه‌های دیگری وجود دارند که توانسته‌اند بُعدهای جدیدی را اضافه کنند که این بُعدها دیگر شامل مکان و زمان نمی‌شوند)؛ اینکه واقعا چند بُعد برای توصیف جهان لازم است سوالی است که هنوز پاسخ قطعی برای آن پیدا نشده‌است. تئوری‌هایی مانند تئوری ریسمان پیش‌بینی می‌کند که ۱۰ تا ۲۶ بُعد جدید را بتوان اضافه کرد یا تئوری-م داشتن ۱۱ بُعد شامل ۱۰ بُعد مکانی و ۱ بُعد زمانی را ممکن می‌داند؛ باید به این نکته توجه داشت که: داشتن بیش از چهار بعد فقط در اندازه‌های زیر اتمی
را نیز تعیین موقعیت نماید. به این ترتیب این دستگاه مختصات می‌تواند تعیین کند که
تفاوت ایجاد می‌کند.

ریشهٔ تاریخی

مفهوم غیرریاضی فضازمان یکپارچه

اولین بار پیش از میلاد مسیح فیلون اسکندری گفته است که: «زمان زاییدهٔ جهان است، خدا جهان را خلق کرد و آن منجر به ایجاد زمان شد، همزمان با خلق جهان یا بلافاصله پس از آن».
اینکاها زمان و مکان را به عنوان یک مفهوم واحد در نظر می‌گرفتند و آن را پاشارشته کوه آند همچنان بر این باور پایدار مانده‌اند.
اندیشهٔ فضا-زمان یکپارچه توسط اِدگارآلِن پو شاعر آمریکایی در یکی از شعرهایش به نام اورکا  بیان شد: «مکان و گذر زمان هر دو یکی هستند».
در سال ۱۸۹۵ هِربرت جورج وِلز در رمان ماشین زمان چنین نوشت: «هیچ تفاوتی میان زمان و سه بُعد مکانی وجود ندارد تنها برداشت ما است که با آنها پیش می‌رود».

مفهوم ریاضی

ریاضیات بحث فضا-زمان اولین بار در سال ۱۷۵۴ از سوی ژان لروند دالامبر در دانشنامهٔ فرانسوی آنسیکلوپدی در مقالهٔ بُعدها مطرح شد. پس از آن ژوزف لویی لاگرانژ در تئوری تحلیلی توابع(۱۷۹۷ و ۱۸۱۳) بیان کرد که: «می‌توان علم مکانیک را با هندسهٔ چهار بُعدی و تحلیل‌های مکانیکی را به عنوان تعمیمی از تحلیل‌های هندسی در نظر گرفت».

پس از کشف چهارگان‌ها توسط ویلیام همیلتون وی اظهار داشت: «گفته می‌شود زمان تنها یک بُعد دارد و مکان سه بُعد... ریاضیات خاص چهارگان‌ها از همهٔ این بُعدها بهره می‌برد به زبان فنی‌تر می‌شود گفت "زمان بعلاو‌هٔ مکان" یا "مکان بعلاو‌هٔ زمان" از این جهت چهارگان یک مفهوم چهار بعدی است یا حداقل تلویحا به آن اشاره می‌کند. و این‌گونه یک بُعد زمان و سه بُعد مکان در زنحیر‌هٔ نمادها به هم می‌آمیزد». چهارگان‌های مرکب هامیلتون که از نظر جبری ظرفیت مدل کردن فضا-زمان و تقارن در آن را دارد بیش از نیم قرن قبل از اینکه نسبیت به طور رسمی ارائه شود در دست بود.

از تلاش‌های دیگری که در زمینهٔ فضا-زمان انجام شد می‌توان از کارهای جیمز کلارک ماکسول نام برد که از معادلات دیفرانسیل جزئی برای گسترش الکترودینامیک در چهار بُعد استفاده کرد. بعدها لورنتس در قرن ۱۹ چند نامتغیر از معادلات ماکسول را معرفی کرد؛ این دستاورد لورنتس بعدها، پایهٔ تئوری نسبیت خاص آلبرت اینشتین قرار گرفت. پیشتر تصور می‌شد که سنجش زمان و مکان فقط به دامنهٔ اعداد حقیقی محدود می‌شود؛ همچنین پیشنهاد اینکه سنجش زمان و مکان قابل مقایسه باشد توسط کسانی توسعه یافت که فیزیک را بنیان نهادند؛ اما حال بین این تصورات اولیه مانند نبیست گالیله و قانون ماکسول تضاد ایجاد شده‌بود. برای از بین بردن این ابهام باید به مفهوم سرعت نور بازگشت.

درحالی فضا-زمان را به عنوان نتیجه‌ای از تئوری نسبیت خاص اینشتین در سال ۱۹۰۵ در نظر می‌گیرند که ریاضیات آن توسط استاد ریاضی او هرمان مینکوفسکی انجام شد؛ وی در سال ۱۹۰۸ تلاش‌های زیادی برای گسترش کارهای اینشتین انجام داد. مفهوم فضای مینکوفسکی اولین نمایش رفتار فضا و زمان به عنوان دو نمود مختلف از یک مفهوم یکپارچه بیان شد؛ چکید‌هٔ نسبیت خاص. اندیشه فضای مینکوفسکی باعث شد که به هر دو نسبیت خاص و عام، بیشتر از دید هندسی نگاه شود. در سیزدهمین ویرایش دانش‌نامهٔ بریتانیکا در سال ۱۹۲۶ مقاله‌ای از اینشتین با عنوان "فضا-زمان" وجود دارد.

نویسنده : محمد سلاطی : ۱٢:۱۱ ‎ب.ظ ; ۱۳٩٠/۱/٢٩
Comments نظرات () لینک دائم