فضا-زمان چیست؟
ساختار فضا-زمان یک مدل مفهومی است که سه بعد فضا را با بعد چهارم زمان ترکیب می‌کند. طبق بهترین نظریه‌های موجود در فیزیک، فضا-زمان (Space-Time) تأثیرات نسبیتی غیرعادی ناشی از سفر با سرعت نور و همچنین حرکت اشیاء عظیم در جهان را توضیح می‌دهد.
چه کسی فضا-زمان را کشف کرد؟
آلبرت انیشتین به توسعه ایده فضا-زمان کمک کرد زیرا بخشی از نظریه نسبیت بود. دانشمندان قبل از کارهای پیشگامانه وی، دو نظریه جداگانه برای توضیح پدیده‌های فیزیکی داشتند: قوانین فیزیک نیوتن که حرکت اشیاء عظیم را توصیف می‌کرد، و مدل‌های الکترومغناطیسی جیمز کلارک ماکسول (James Clerk Maxwell) که خواص نور را توضیح می‌داد.
اما آزمایشاتی که در اواخر قرن نوزدهم انجام شد، حاکی از آن بود که چیز خاصی در مورد نور وجود دارد. این اندازه گیری‌ها نشان دادند که نور همیشه با سرعت ثابت حرکت می‌کند. در سال ۱۸۹۸ فیزیکدان و ریاضیدان فرانسوی به نام هنری پونکارِ (Henri Poincaré) حدس زد که سرعت نور می‌تواند غیرقابل دسترس باشد. هم زمان با پونکارِ، محققان دیگر فکر می‌کردند که اندازه و جرم اجسام به سرعتشان وابسته است.
در سال ۱۹۰۵ انیشتین همه این نظریه‌ها را در نظریه نسبیت خاص خود جمع کرد و پیشنهاد نمود که سرعت نور ثابت است. برای صحت این مسئله باید فضا و زمان در یک چارچوب واحد ترکیب شوند تا سرعت نور برای همه ناظران یکسان باشد.
شخصی که با موشک فوق سریع حرکت می‌کند گذر زمان را کندتر احساس خواهد کرد، همچنین وی طول اجسام را نسبت به شخصی که با وسیله کم سرعت حرکت می‌کند، کوتاه‌تر خواهد دید. علت این تفاوت، این است که مکان و زمان نسبی هستند و به سرعت ناظر بستگی دارند.
این نتیجه که فضا-زمان یک ساختار منفرد است، مسئله‌ای نیست که انیشتین به آن دست یافته باشد. این ایده توسط ریاضیدان آلمانی هرمان مینکوفسکی (Hermann Minkowski) در سال ۱۹۰۸ در جریان یک کنفرانس مطرح شد، وی گفت: از این پس فضا به خودی خود، و زمان به خودی خود، محکوم به محو شدن در سایه‌های محض هستند و فقط نوعی اتحاد این دو، واقعیت مستقل را حفظ خواهد کرد.
فضا-زمانی که وی توصیف کرد، هنوز هم به عنوان فضا-زمان مینکوفسکی شناخته می‌شود و در زمینه محاسبات نظریه‌های نسبیت و نظریه میدان‌های کوانتومی به کار می‌رود. نظریه میدان‌های کوانتومی، دینامیک ذرات زیراتمی را به عنوان میادین توصیف می‌کند.
بیشتر بخوانید: سفر در زمان: نظریه‌ها، تناقضات و احتمالات
فضا-زمان چگونه کار می‌کند
امروزه وقتی افراد در مورد فضا-زمان صحبت می‌کنند، اغلب آن را به صورت یک ورقه لاستیکی توصیف می‌کنند. این ایده نیز از نظریات انیشتین ناشی می‌شود، هنگامی که وی نظریه نسبیت عام را توسعه می‌داد فهمید که نیروی گرانش، ناشی از خمیدگی‌های موجود در فضا-زمان است.
اشیاء عظیمی مانند زمین، یا خورشید در فضا-زمان اعوجاج ایجاد می‌کنند که باعث خمیدگی آن می‌شود. این خمیدگی‌ها به نوبه خود، مجراهایی را که اشیاء متحرک در جهان در آنها حرکت می‌کنند را محدود می‌کنند، زیرا اشیاء باید مسیرهایی را در امتداد این انحنای تاب خورده دنبال کنند. حرکت ناشی از جاذبه در واقع حرکت در امتداد پیچش‌ها و گردش فضا-زمان است.
ماموریت حسگر گرانش بی (Gravity Probe B) ناسا در سال ۲۰۱۱ شکل گردابی فضا-زمان را در اطراف زمین اندازه گیری کرد، در این ماموریت مشخص شد که مقادیر اندازه گیری شده با پیش بینی‌های انیشتین مطابقت دارد.
هنگام بحث درباره فضا-زمان ما آن را به صورت یک ورقه لاستیکی تشبیه می‌کنیم، اما این مقایسه درست نیست. یک ورقه لاستیکی دو بعدی است در حالی که فضا-زمان چهار بعدی می‌باشد. پیچیدگی فقط در فضا نیست که ورقه‌ها آن را نشان دهند، بلکه زمان نیز پیچیده می‌شود. کار با معادلات پیچیده‌ای که برای محاسبات این موارد به کار می‌رود حتی برای فیزیکدان‌ها نیز مشکل است. جالب است بدانید که نسبیت عام آنقدر پیچیده است که وقتی کسی راه حلی برای معادلات پیدا می‌کند، راه حل مورد نظر به نام آن فرد نامگذاری می‌شود.
بیشتر بخوانید: کرم چاله چیست؟ آیا می‌توان در فضا-زمان میانبر ایجاد کرد؟
آنچه دانشمندان هنوز نمی‌دانند
علی رغم پیچیدگی، نسبیت بهترین روش برای پاسخگویی به پدیده‌های فیزیکی است. با این حال دانشمندان می‌دانند که مدل‌های آنها ناقص است زیرا نسبیت هنوز کاملاً با مکانیک کوانتومی تطابق پیدا نکرده، که در آن خصوصیات ذرات زیر اتمی با دقت بسیار زیاد توضیح داده می‌شود اما از نیروی گرانش تبعیت نمی‌کند.
مکانیک کوانتومی بر این واقعیت که بیت‌های کوچک تشکیل دهنده جهان گسسته یا کمّی هستند، استوار است. بنابراین فوتون‌ها، (ذراتی تشکیل دهنده نور) مانند تکه‌های کوچکی از نور هستند که در بسته‌های مجزا قرار می‌گیرند.
برخی نظریه پردازان گمان می‌کنند که شاید فضا-زمان نیز در این تکه‌های کمی قرار گیرند تا به اتصال نسبیت و مکانیک کوانتومی کمک کنند. محققان آژانس فضایی اروپا ماموریت آزمایشگاه بین‌المللی نجومی پرتونگاری اشعه گاما برای کشف کوانتومی فضا-زمان (GrailQuest) را پیشنهاد داده‌اند، که در آن ماهواره به دور زمین می‌چرخد تا انفجارهای دوردست و قدرتمند ضربات پرتوی گاما را بسیار دقیق اندازه گیری کند، این طرح می‌تواند ماهیت فضا-زمان را نشان دهد.
چنین مأموریتی حداقل برای یک و نیم دهه آینده راه اندازی نمی‌شود، اما در صورت راه اندازی شاید به حل برخی از بزرگ‌ترین اسرار باقی مانده در فیزیک کمک کند.
تماشا کنید: نظریه ریسمان چیست؟ (فیلم)