فضا و محاسبات انیشتین

در علم فیزیک و در ریاضی، فضا-زمان (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.

گرانش، همان چیزی که وقتی می خواهید از یک بلندی بپرید شما را به زمین می رساند. همان چیزی که باعث می شود در حین کج کردن لیوان محتویاتش به دهان شما رود. همان چیزی که جوهر خودکار را به پایین فرامی خواند، تا شما بتوانید با آن بنویسید. و اگر این نیرو نبود، هیچ یک از این کارها ممکن نبود. خلاصه این که این نیروی عظیم هر چیزی را تحت سلطه ی خود دارد، حتی خطوط زمان هم تحت تاثیر گرانش خمیده می شوند، یا به عبارتی گرانش عاملی بر تغییر سرعت زمان است!
بر اساس نظریه اینشتین، خمیدگی، به علت وجود جرم و انرژی ایجاد می‌شود. هر جسم پرجرم بسیار بزرگ، در خمیدگی فضا ـ زمان، نقش دارد. اجسامی که در «امتداد خطی مستقیم در جهان حرکت می‌کنند»، مجبور به دنبال کردن مسیرهای خمیده‌ای هستند.

فضا و زمان بر طبق نظریه نسبیت اینشتین به یکدیگر بافته شده اند و ساختار تار و پودی چهاربعدی به نام فضا-زمان را به وجود آورده اند.جرم قابل توجه زمین ، این ساختار را به شکل یک گودی در می آورد.مانند شخص سنگینی که وسط یک تشک بادی نشسته باشد (هر چند که چنین خمیدگیهای فضا-زمان را اغلب در محیط اطراف اجرام بسیار پر جرم تر و فشرده تری مانند سیاهچاله ها، ستاره های نوترونی، و کوتوله های سفید سراغ داریم اما اگر با دقت کافی محیط اطراف اجرام بسیار کم جرم تری مانند زمین را نیز بررسی کنیم خمیدگی فضا-زمان ناشی از جرم زمین را می توانیم بیابیم).

بر طبق نظریه نسبیت عام اینشتین ، حرکت اجسام در ساختار تار و پودی فضا-زمان صورت می گیرد. 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 می شود و در نتیجه حرکت جسم نیز بر اثر میدان گرانشی تغییر می کند. می توان گفت که به زبان اینشتین گرانش در اصل حرکت اجسام در مسیر خمیدگی ساختار فضا-زمان در اطراف جسم پرجرم 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 می شود.
نظریه اینشتین، پیش‌گویی می‌کند که چیزهای دیگری بجز ماه و سیارات نیز، تحت تأثیر خمیدگی فضا ـ 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 ـ زمان در نزدیکی خورشید موجب می‌شود که این مسیر اندکی به طرف خوردشید خمیده شود

اگر زمین ثابت بود، ضرورتی برای انجام این کاوش نبود، ولی از آنجا که زمین به دور خود حرکت دورانی دارد ، این خمیدگی نیز باید همراه با زمین بچرخد.زمین با پیچ و تاب دادن ساختار فضا-زمان به دور خود به آرامی آن را به صورت یک ساختار چرخشی ۴ بعدی در می آورد.این همان چیزی است که ماهواره گرانش کاو یا GP-B برای آزمایش آن به فضا فرستاده شده است.

این آزمایش براساس فکر بسیار ساده ای انجام می شود: یک ژیروسکوپ (گردش نما) در حال چرخش در مداری در نزدیکی زمین قرار می دهند ، در حالی که محور چرخش آن به سمت یک ستاره بسیار دور -در نقش یک مرجع ثابت و بدون حرکت- نشانه رفته است. بدون وجود نیروهای خارجی، محور ژیروسکوپ باید تا ابد به سمت همان ستاره ثابت بماند.ولی چون فضا-زمان در نزدیکی زمین خمیده است، جهت محور ژیروسکوپ به مرور زمان تغییر می کند.با اندازه گیری بسیار دقیق تغییرات جهت محور ژیروسکوپ نسبت به ستاره، می توان میزان خمیدگی فضا-زمان را در نزدیکی زمین اندازه گرفت.

گرانش چگونه فضا-زمان را خمیده می کند؟

اینشتین توضیح جالبی برای گرانش آورده. او آمده فضا و زمان را به صورت خطوط عمود بر هم در نظر گرفته و اسم شان را گذاشته “خطوط فضا- زمان” و اجسام هر یک به اعتبار جرم شان انحنایی در فضا- زمان ایجاد می کنند.

برای تصور این توضیحات می توانید چهار گوشه ی یک تکه پارچه را به عنوان فضا- زمان بگیرید. بعد یک جسم با جرم قابل ملاحظه ای روی پارچه قرار دهید، خمیدگی قسمتی از پارچه که جسم روی آن قرار گرفته، همان خمیدگی فضا- زمان است. و این کاملا واضح است که وقتی یک جسم کوچک تری روی پارچه قرار دهیم، به سمت جسم قبلی که سنگین تر است می رود. این دراقع دلیل کشش یک جسم به سمت جسم سنگین تر است، مثلا کشش زمین به سمت خورشید.

خوب شاید بگویید بنا به این تعریف هر یک از ما هم برای خودمان جرمی داریم پس باید چیزهای دیگر را به سمت خود جذب کنیم. باید اعتراف کنم که این کاملا صحیح است. همین الان هر کجا که نشسته اید، دارید اجسام آن جا را تحت تاثیر خود قرار می دهید و آن ها را به سمت خود می کشانید و البته آن ها هم همین رفتار را نسبت به شما دارند، به این خاطر است که تاثیرات تا جایی خنثی می شود و همچنین به خاطر بسیار کم بود این گرانش ها، دیگر کشش ها قابل مشاهده نیستند. پس یادتان باشد که همه ی ما ذاتا جذاب هستیم!

تا اینجا از خمیده شدن مکان صحبت کردیم. و اما زمان. فکر می کنید زمان چگونه خمیده می شود؟ طبق نوشته های ادبی شاید تصور کنید زمان سرش را انداخته پایین و همین طور برای خودش می رود، بدون این که به جایی توجه کند. باید بگویم متاسفم، چون دانشمندان این توضیح را رد کرده اند. زمان تحت تاثیر گرانش خمیده می شود و این خمیدگی سرعت گذر زمان را کم می کند. کم شدن سرعت زمان به معنی کند شدن حرکت عقربه های ساعت مچی شما ست. و این مساوی است با دیرتر پیر شدن شما!

اگر بخواهید می توانید تا ابد در همین سنی که هستید بمانید. چه طور؟ فقط کافی ست به یک تکینگی راه پیدا کنید. تکینگی جایی ست که گرانش در آن چنان قوی است که خطوط زمان را آنقدر خمیده کرده تا به صورت راس یک زوایه درآمده. مثلا سیاهچاله. سرعت زمان در تکینگی ها صفر است، یعنی عقربه های ساعت شما به هیچ وجه حرکت نمی کنند. گفتیم که خطوط فضا- زمان بر هم عمود هستند، بنابراین خطوط مکان هم باید خمیده شوند. این خمیدگی باعث کاهش ابعاد مکان می شود. شما الان سه بعدی هستید، اگر به درون یک تکینگی بیافتید دو بعدی و تک بعدی خواهید شد. بنابراین پیشنهاد می دهم فکر ماندن در یک سن خاص را از سرتان خارج کنید.

اینشتین راست می گفت !

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