معرفی
در فیزیک نیوتنی، فضا و زمان هویت مستقل خود را داشتند و هیچ کس هرگز آنها را با هم مخلوط نکرد. با تئوری نسبیت، در اوایل قرن بیستم بود که صحبت در مورد فضا-زمان تقریباً اجتناب ناپذیر شد. در نسبیت، دیگر درست نیست که مکان و زمان معانی جداگانه و عینی دارند. آنچه واقعاً وجود دارد، فضا-زمان است، و برش دادن آن به فضا و زمان صرفاً یک قرارداد مفید انسانی است.
یکی از دلایل اصلی که چرا نسبیت به دشواری درک شهرت دارد این است که شهود ما به ما آموزش می دهد که مکان و زمان را به عنوان چیزهای جداگانه در نظر بگیریم. ما اشیاء را به‌عنوان دارای وسعت در «فضا» تجربه می‌کنیم، و این یک واقعیت کاملاً عینی به نظر می‌رسد. در نهایت برای ما کافی است زیرا ما عموماً با سرعتی بسیار کمتر از سرعت نور در فضا حرکت می کنیم، بنابراین فیزیک ماقبل نسبیتی کار می کند.
اما این عدم تطابق بین شهود و نظریه، جهش به دیدگاه فضا-زمان را تا حدودی ترسناک می کند. بدتر از آن، ارائه‌های نسبیت اغلب رویکردی از پایین به بالا دارند - آنها با تصورات روزمره ما از فضا و زمان شروع می‌شوند و آنها را در زمینه جدید نسبیت تغییر می‌دهند.
قرار است کمی متفاوت باشیم. مسیر ما به سمت نسبیت خاص را می‌توان از بالا به پایین در نظر گرفت، که ایده یک فضا-زمان یکپارچه را از ابتدا جدی گرفته و ببینیم که چه چیزی دلالت می‌کند. ما باید کمی مغز خود را کش دهیم، اما نتیجه درک بسیار عمیق تر از دیدگاه نسبیتی در جهان ما خواهد بود.
توسعه نسبیت معمولاً به آلبرت انیشتین نسبت داده می شود، اما او سنگ بنای ساختمانی نظری را فراهم کرد که از زمانی که جیمز کلرک ماکسول الکتریسیته و مغناطیس را در یک نظریه واحد الکترومغناطیس در دهه 1860 متحد کرد، در دست ساخت بود. نظریه ماکسول توضیح داد که نور چیست - یک موج نوسانی در میدان های الکترومغناطیسی - و به نظر می رسید که اهمیت ویژه ای به سرعت حرکت نور می دهد. ایده وجود میدان به خودی خود برای دانشمندان آن زمان کاملاً شهودی نبود، و طبیعی بود که تعجب کنیم که واقعاً چه چیزی در یک موج نوری «موج می‌زند».
فیزیکدانان مختلف این امکان را بررسی کردند که نور از طریق محیطی که آنها را اتر درخشنده نامیده اند منتشر می شود. اما هیچ کس نتوانست مدرکی برای چنین اتری بیابد، بنابراین آنها مجبور شدند دلایل پیچیده‌تری اختراع کنند که چرا این ماده باید غیرقابل کشف باشد. کمک انیشتین در سال 1905 این بود که به این نکته اشاره کرد که اتر کاملاً غیر ضروری شده است و ما می‌توانیم قوانین فیزیک را بدون آن بهتر درک کنیم. تنها کاری که باید انجام می‌دادیم این بود که یک مفهوم کاملاً جدید از مکان و زمان را بپذیریم. (خوب، این مقدار زیادی است، اما کاملاً ارزشش را داشت.)
نظریه انیشتین به عنوان نظریه نسبیت خاص یا صرفاً نسبیت خاص شناخته شد. در مقاله بنیادی خود، "در مورد الکترودینامیک اجسام متحرکاو در مورد روش های جدید تفکر در مورد طول و مدت زمان بحث کرد. او نقش ویژه سرعت نور را با بیان این نکته توضیح داد که یک محدودیت سرعت مطلق در جهان وجود دارد - سرعتی که نور در هنگام حرکت در فضای خالی اتفاق می‌افتد - و همه آن سرعت را اندازه می‌گیرند تا یکسان باشد. مهم نیست چگونه حرکت می کردند. برای انجام این کار، او مجبور شد تصورات مرسوم ما از زمان و مکان را تغییر دهد.
اما او تا آنجا پیش نرفت که از پیوستن فضا و زمان به یک فضا-زمان واحد دفاع کند. این مرحله در اوایل قرن بیستم به استاد دانشگاه سابق او، هرمان مینکوفسکی سپرده شد. عرصه نسبیت خاص امروزه به عنوان فضا-زمان مینکوفسکی شناخته می شود.
هنگامی که ایده فکر کردن به فضا-زمان را به عنوان یک پیوستار چهار بعدی یکپارچه دارید، می توانید شروع به پرسیدن سؤالات در مورد شکل آن کنید. آیا فضا-زمان مسطح است یا منحنی، ایستا یا پویا، متناهی یا نامتناهی؟ فضا-زمان مینکوفسکی مسطح، ایستا و بی نهایت است.
اینشتین یک دهه کار کرد تا بفهمد چگونه می توان نیروی گرانش را در نظریه خود گنجاند. موفقیت نهایی او این بود که متوجه شد فضا-زمان می تواند پویا و خمیده باشد و تأثیرات این انحنا همان چیزی است که من و شما به عنوان «گرانش» تجربه می کنیم. ثمرات این الهام چیزی است که ما اکنون نسبیت عام می نامیم.
بنابراین نسبیت خاص نظریه یک فضا-زمان ثابت و مسطح، بدون گرانش است. نسبیت عام نظریه فضا-زمان پویا است که در آن انحنا باعث ایجاد گرانش می شود. هر دو به عنوان نظریه های "کلاسیک" به حساب می آیند، حتی اگر جایگزین برخی از اصول مکانیک نیوتنی شوند. برای فیزیکدانان، کلاسیک به معنای «غیرنسبیتی» نیست. به معنای "غیر کوانتومی" است. تمام اصول فیزیک کلاسیک در زمینه نسبیتی کاملاً دست نخورده هستند.
ما باید تمایل داشته باشیم که علاقه ماقبل نسبیت به جدایی فضا و زمان را رها کنیم و اجازه دهیم آنها در عرصه یکپارچه فضا-زمان حل شوند. بهترین راه برای رسیدن به آنجا این است که با دقت بیشتری در مورد منظورمان از "زمان" فکر کنیم. و بهترین راه برای انجام این کار این است که یک بار دیگر به نحوه تفکر خود در مورد فضا توجه کنیم.
دو مکان در فضا، مانند خانه و رستوران مورد علاقه خود را در نظر بگیرید. فاصله بین آنها چقدر است؟
خوب، این بستگی دارد، شما بلافاصله فکر می کنید. اگر بتوانیم مسیری کاملاً مستقیم را بین دو نقطه تصور کنیم، فاصله ای وجود دارد "هنگامی که کلاغ پرواز می کند". اما مسافتی نیز وجود دارد که در یک سفر دنیای واقعی طی می‌کنید، جایی که شاید محدود به رفتن به خیابان‌ها و پیاده‌روهای عمومی، اجتناب از ساختمان‌ها و سایر موانع در مسیر باشید. مسیری که طی می کنید همیشه طولانی تر از مسافتی است که کلاغ پرواز می کند، زیرا یک خط مستقیم کوتاه ترین فاصله بین دو نقطه است.
حال دو رویداد در فضا-زمان را در نظر بگیرید. در اصطلاح فنی نظریه نسبیت، یک "رویداد" تنها یک نقطه در جهان است که توسط مکان ها در مکان و زمان مشخص می شود. یک رویداد، آن را A بنامید، ممکن است «ساعت 6 عصر در خانه» باشد، و رویداد B ممکن است «ساعت 7 عصر در رستوران باشد». نمی توانم برای رسیدن به B زودتر عجله کنم. اگر ساعت 6:45 به رستوران برسید، باید دور تا دور بنشینید و تا ساعت 7 بعد از ظهر منتظر بمانید تا در فضا-زمان که ما برچسب B را گذاشته ایم، برسید.
اکنون می‌توانیم از خود بپرسیم، همانطور که برای فاصله فضایی خانه و رستوران انجام دادیم، بین این دو رویداد چقدر زمان می‌گذرد.
ممکن است فکر کنید این یک سوال ترفند است. اگر یک رویداد ساعت 6 بعد از ظهر و دیگری در ساعت 7 باشد، یک ساعت بین آنها فاصله است، درست است؟
انیشتین می گوید نه چندان سریع. مطمئناً در برداشتی کهنه و نیوتنی از جهان. زمان مطلق و جهان شمول است و اگر زمان بین دو رویداد یک ساعت باشد، تمام چیزی که باید گفت همین است.
نسبیت داستان متفاوتی را بیان می کند. اکنون دو مفهوم متمایز از معنای «زمان» وجود دارد. یکی از مفاهیم زمان به عنوان مختصاتی در فضا-زمان است. فضا-زمان یک پیوستار چهار بعدی است و اگر بخواهیم مکان هایی را در آن مشخص کنیم، راحت است که عددی به نام "زمان" را به هر نقطه از آن متصل کنیم. این همان چیزی است که وقتی به "6 بعد از ظهر" و "7 بعدازظهر" فکر می کنیم، این همان چیزی است که مقادیر مختصاتی در فضا-زمان هستند، برچسب هایی که به ما در مکان یابی رویدادها کمک می کنند. قرار است همه منظور ما را بفهمند وقتی می گوییم "ساعت 7 عصر در رستوران ملاقات می کنیم"
اما، نسبیت می‌گوید، همانطور که فاصله زمانی که کلاغ پرواز می‌کند به طور کلی با فاصله‌ای که واقعاً بین دو نقطه در فضا طی می‌کنید متفاوت است، مدت زمانی که تجربه می‌کنید معمولاً با زمان مختصات جهانی یکسان نخواهد بود. شما مقدار زمانی را تجربه می کنید که می توان آن را با ساعتی که در سفر با خود حمل می کنید اندازه گیری کرد. این زمان مناسب در طول مسیر است. و مدت زمان اندازه گیری شده توسط یک ساعت، درست مانند مسافت طی شده که با کیلومترشمار ماشین شما اندازه گیری می شود، به مسیری که طی می کنید بستگی دارد.
این یکی از جنبه های معنایی است که می گوییم «زمان نسبی است». ما می توانیم هم در مورد یک زمان مشترک از نظر مختصات فضا-زمان فکر کنیم و هم در مورد زمان شخصی که به صورت جداگانه در مسیر خود تجربه می کنیم. و زمان مانند فضا است - این دو مفهوم نیازی به همسانی ندارند. (همانطور که پیتر گالیسون مورخ اشاره کرده است، تصادفی نیست که انیشتین در زمانی که سفرهای سریع ریلی اروپایی‌ها را مجبور می‌کرد در شهرهای دیگر در سراسر قاره ساعت چند است، در یک اداره ثبت اختراع سوئیس کار می‌کرد تا ساختمان بهتر شود. ساعت ها به یک مرز مهم فناوری تبدیل شدند.)
با این حال، باید راهی وجود داشته باشد که در آن زمان مانند فضا نباشد، در غیر این صورت ما فقط در مورد فضای چهاربعدی صحبت می کنیم، نه اینکه زمان را به عنوان شایسته برچسب خود متمایز کنیم. و ما در اینجا به پیکان زمان فکر نمی کنیم - در حال حاضر، ما در یک دنیای ساده با چند قسمت متحرک هستیم، جایی که آنتروپی و برگشت ناپذیری چیزهایی نیستند که باید نگران آن باشیم.
تفاوت این است: در فضا، یک خط مستقیم کوتاه ترین فاصله بین دو نقطه را توصیف می کند. برعکس، در فضا-زمان، یک مسیر مستقیم طولانی‌ترین زمان سپری شده بین دو رویداد را ایجاد می‌کند. این چرخش از کوتاه ترین فاصله به طولانی ترین زمان است که زمان را از فضا متمایز می کند.
منظور ما از "مسیر مستقیم" در فضا-زمان، هم یک خط مستقیم در فضا و هم سرعت ثابت حرکت است. به عبارت دیگر، یک مسیر اینرسی، مسیری بدون شتاب. دو رویداد را در فضا-زمان ثابت کنید - دو مکان در فضا و لحظات متناظر در زمان. یک مسافر می تواند سفر بین آنها را در یک خط مستقیم با سرعت ثابت انجام دهد (هر چه سرعت لازم است برای رسیدن آنها در زمان مناسب باشد)، یا می توانند در یک مسیر غیر اینرسی به جلو و عقب بروند. مسیر رفت و برگشت همیشه شامل مسافت فضایی بیشتر، اما زمان مناسب کمتری نسبت به نسخه مستقیم خواهد بود.
چرا اینطوری شده؟ چون فیزیک این را می گوید. یا، اگر ترجیح می دهید، زیرا جهان این گونه است. شاید ما در نهایت دلایل عمیق تری را کشف کنیم که چرا باید اینگونه باشد، اما در وضعیت دانش فعلی ما این یکی از فرضیات پایه ای است که فیزیک را بر اساس آن بنا می کنیم، نه نتیجه ای که از اصول عمیق تر به دست می آوریم. خطوط مستقیم در فضا کوتاه ترین فاصله ممکن است. مسیرهای مستقیم در فضا-زمان طولانی ترین زمان ممکن است.
ممکن است غیرقابل تصور به نظر برسد که مسیرهای با فاصله بیشتر زمان مناسب کمتری می گیرند. اشکالی ندارد. اگر شهودی بود، برای ارائه این ایده نیازی به انیشتین بودن نداشتید.
اقتباس شده از بزرگترین ایده ها در جهان توسط شان کارول، با اجازه از داتون، اثری از Penguin Publishing Group، بخشی از Penguin Random House LLC. حق چاپ © 2022 توسط شان کارول.
