فضا-زمان به زبان ساده؛ مفهومی که بدون آن هیچ‌چیز نبود

اگر از شما بخواهند مهم‌ترین مفهوم در فیزیک را نام ببرید، چه پاسخی می‌دهید؟ شاید بسیاری از افراد بلافاصله به فیزیک کوانتوم یا ذرات بنیادی اشاره کنند، اما مفهومی که پشت پرده، بی‌آن‌که دیده شود، زیربنای همه چیز را شکل می‌دهد، چیزی نیست جز فضا-زمان. بدون فضا-زمان، هیچ‌ بستری برای تمام پدیده‌های فیزیکی که می‌شناسیم، وجود نخواهد داشت و حتی گذر لحظات هم بی‌معنا خواهد شد.

بدون فضازمان، نه گرانشی وجود می‌داشت، نه نوری برای حرکت و نه رویدادی برای رخ‌دادن. از فروپاشی سیاه‌چاله‌ها گرفته تا پایداری مدار زمین، از شکل‌گیری کیهان تا انحنای نور در کنار اجرام عظیم، همه و همه بر دوش این ساختار شگفت‌انگیز استوارند. درست همان‌طور که هنرمند بدون بوم یا بازیگر بدون صحنه هیچ معنایی ندارد، فیزیک هم بدون فضا-زمان نمی‌تواند خود را در معرض نمایش بگذارد.

چرا فقط یک بُعد زمانی داریم و نه بیشتر؟ چرا فضا، چهار، پنج یا حتی ده بُعدی نیست؟ چه چیزی این ساختار را تعیین کرده است؟ این‌ها پرسش‌هایی هستند که ذهن بسیاری از افراد را درگیر می‌کنند. با ما همراه شوید تا در دل یکی از بنیادی‌ترین و درعین‌حال اسرارآمیزترین ستون‌های دانش فیزیک سفر کنیم؛ جایی که زمان کش می‌آید، فضا خم می‌شود و واقعیت، صورتی تازه به خود می‌گیرد.

در گذشته، فضا به‌عنوان یک فضای خالی و بی‌ماده در نظر گرفته می‌شد، چیزی مانند خلأ. اما در سال ۱۹۰۸، هرمان مینکوفسکی، ریاضی‌دان برجسته‌ی آلمانی-لهستانی‌تبار و استاد ریاضی آلبرت اینشتین ایده‌ی جالبی را مطرح کرد: زمان را می‌توان به‌عنوان بُعد چهارم به سه بُعد فضا اضافه کرد. سپس، اینشتین نشان داد که فضا-زمان نوعی هندسه است که می‌تواند خم شود و تغییر کند، به‌گونه‌ای که مسیر حرکت اجسام و گذر زمان را تحت‌تأثیر قرار دهد.

این مفهوم برای ما بدیهی است، چرا که فضا-زمان همیشه در اطراف ما حضور دارد، مثل ماهی که آب اطراف خود را بدیهی می‌داند. اما آیا واقعاً به اهمیت این عنصر کلیدی که برای وجود ما و تمام جهان ضروری است، پی برده‌ایم؟ چطور می‌شود که فضا و زمان، با اینکه یکی را با متر و دیگری را با ثانیه و دقیقه اندازه‌گیری می‌کنیم، بخشی از یک بوم مشترک به‌نام فضا-زمان باشند؟ در نگاه اول، چنین چیزی اصلاً منطقی به‌نظر نمی‌رسد.

بافت فضا-زمان، یک مدل علمی است که سه بُعد فضا (طول، عرض، ارتفاع) را با بُعد چهارم یعنی زمان ترکیب می‌کند. این مدل، به فیزیکدان‌ها کمک می‌کند تا رفتارهای غیرعادی‌ای را که هنگام حرکت با سرعت‌های نزدیک به سرعت نور دیده می‌شوند، توضیح دهند. همچنین، بافت فضا-زمان نقش مهمی در درک ما از حرکت اجرام سنگین، مانند سیارات و ستاره‌ها در جهان دارد.

طبق نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین، اجسام سنگین، فضا-زمان اطرافشان را خم می‌کنند. این خمیدگی همان چیزی است که ما به‌صورت گرانش حس می‌کنیم. حتی گذر زمان هم تحت‌تأثیر این خمیدگی قرار می‌گیرد. بنابراین، فضا-زمان فقط یک پس‌زمینه‌ی بی‌اثر نیست؛ بلکه خودش یکی از بازیگران اصلی فیزیک به حساب می‌آید.

آلبرت اینشتین، ایده‌ی فضا-زمان را به‌عنوان بخشی از نظریه‌ی نسبیت خودش معرفی کرد و دیدگاه دانشمندان را نسبت به جهان تغییر داد. قبل از اینشتین، دانشمندان برای توضیح پدیده‌های فیزیکی دو نظریه‌ی جداگانه داشتند: قوانین نیوتن برای توصیف حرکت اجسام بزرگ و سنگین و مدل‌های الکترومغناطیسی ماکسول برای توضیح ویژگی‌های نور استفاده می‌شدند.

اینشتین با ترکیب این دو حوزه نشان داد که فضا و زمان به‌صورت جداگانه عمل نمی‌کنند، بلکه با هم یک ساختار پیوسته به‌نام فضا-زمان را تشکیل می‌دهند. فیزیکدانان به‌ کمک این ایده توانستند رفتار نور، گرانش و حرکت اجسام را در فضا دقیق‌تر درک کنند، به‌ویژه زمانی که سرعت‌ها بالا یا میدان‌های گرانشی قوی هستند.

در اواخر قرن نوزدهم، آزمایش‌های انجا‌م‌شده نشان دادند که نور رفتاری متفاوت از بقیه‌ی چیزها دارد. فیزیکدانان به این نتیجه رسیدند که نور، بدون توجه به اینکه ناظر ساکن باشد یا حرکت کند، همیشه با یک سرعت ثابت حرکت می‌کند. این موضوع با تصور قبلی که فکر می‌کردند سرعت نور باید مانند بقیه‌ی اجسام به حرکت ناظر بستگی داشته باشد، تفاوت زیادی داشت.

در سال ۱۸۹۸، آنری پوانکاره، فیزیکدان و ریاضیدان فرانسوی، این احتمال را مطرح کرد که شاید سرعت نور یک مرز نهایی و عبورناپذیر باشد؛ سرعتی که هیچ‌چیزی نتواند از آن فراتر رود. در همان دوران، برخی دانشمندان ایده‌ای را بررسی کردند که براساس آن، اندازه و جرم اجسام ممکن است با افزایش سرعت تغییر کند.

اینشتین در سال ۱۹۰۵ تمام ایده‌ها را کنار هم گذاشت و نظریه‌ی نسبیت خاص را مطرح کرد. او در این نظریه بیان کرد که سرعت نور در همه‌ی شرایط و برای همه‌ی ناظران، مقدار ثابتی دارد. برای آنکه سرعت نور همیشه ثابت باقی بماند، فضا و زمان نمی‌توانند جدا از یکدیگر باشند. آن‌ها باید با هم ترکیب شوند و ساختاری واحد به‌نام فضا-زمان را بسازند. در این ساختار، فضا و زمان به‌گونه‌ای رفتار می‌کنند که سرعت نور همیشه ثابت بماند و قوانین فیزیک برای همه‌ی ناظران یکسان باشند.

ایده‌ی اینکه فضا و زمان یک چیز جدا از هم نیستند، بلکه با هم یک ساختار یکپارچه به‌نام فضا-زمان را تشکیل می‌دهند، چیزی نبود که اینشتین به‌تنهایی به آن برسد. این مفهوم را نخستین‌بار مینکوفسکی مطرح کرد. او در یک سخنرانی در سال ۱۹۰۸ گفت:

از دیدگاه کنونی، فضای سه‌بعدی و زمان به‌تنهایی محکوم به ناپدید شدن‌اند، و تنها ترکیب آن دو، یعنی فضا-زمان، واقعیتی پایدار دارد.

- هرمان مینکوفسکی، سخنرانی ۱۹۰۸

فضا-زمان را به‌زبان ساده به این صورت می‌توانیم تعریف کنیم: مجموعه‌ای از نقطه‌ها در فضا و زمان که هرکدام از آن‌ها با چهار عدد، مشخص می‌شوند. سه عدد برای تعیین موقعیت مکانی (در راستای محورهای x و y و z) و یک عدد برای زمان. این چهار عدد با هم یک رویداد را تعریف می‌کنند؛ یعنی اتفاقی که در یک مکان و در یک زمان مشخص رخ داده است.

به‌عنوان مثال، تصور کنید قرار است با کسی ملاقات کنید. شما می‌گویید: «من را در ساختمانی، نبش خیابان پنجم، طبقه‌ی ششم ببین.» اما این کافی نیست، اگر زمان دقیق را نگویید، شاید هر دو به محل برسید اما هیچ‌وقت همدیگر را نبینید. پس برای تعریف کامل یک رویداد باید مکان و زمان را با هم بدانیم.

درک فضا و زمان به‌طور جداگانه برای ما سخت نیست. ما به‌صورت شهودی سه بُعد فضایی را تجربه می‌کنیم، می‌توانیم به جلو و عقب، بالا و پایین یا چپ و راست حرکت کنیم. گذر زمان را هم با ساعت و تغییرات اطرافمان حس می‌کنیم. اما جایی که ذهن ما واقعاً به چالش کشیده می‌شود، زمانی است که بخواهیم فضا و زمان را به‌عنوان بخش‌هایی از یک ساختار یکپارچه به‌نام فضا-زمان در نظر بگیریم؛ ساختاری چهاربعدی که قوانین خاص خودش را دارد و بر پایه‌ی هندسه‌ای متفاوت تعریف می‌شود.

این ایده در نگاه اول اصلاً ساده به‌نظر نمی‌رسد، چون ما فضا را با متر یا فوت و زمان را با ثانیه یا دقیقه اندازه‌ می‌گیریم. انگار این دو، از دو دنیای کاملاً متفاوت آمده‌اند. حالا چطور ممکن است چنین کمیت‌هایی کنار هم قرار بگیرند و ساختاری واحد را بسازند؟ چطور می‌شود فاصله و زمان را در یک چارچوب فیزیکی مشترک در نظر گرفت؟ دقیقاً همین سؤال‌ها هستند که باعث می‌شوند مفهوم فضا-زمان، هم گیج‌کننده و هم به‌طرز عجیبی جذاب باشد.

برای پاسخ به این پرسش، باید به سراغ هندسه‌ی فضا-زمان برویم؛ جایی که نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین پرده از ارتباط عجیب ولی واقعی میان فضا و زمان برمی‌دارد.

برای درکِ راحت‌ترِ فضا-زمان، شاید بهتر باشد آن را با چیزی آشنا مقایسه کنیم: فضای معمولی. ازآنجاکه هر روز در فضای سه‌بعدی حرکت می‌کنیم، شناختن ویژگی‌های آن برایمان کاملاً طبیعی است. برای ساده‌تر شدن توضیح، فقط دو بُعد فضایی یعنی طول و عرض را در نظر می‌گیریم (در واقعیت، سه‌بعدی است ولی محاسباتش سخت‌تر می‌شود).

در فضای معمولی یا همان فضای اقلیدسی، اگر بخواهیم فاصله‌ی بین دو نقطه‌ی A و B را پیدا کنیم، باید بدانیم هرکدام کجای محورهای x و y قرار دارند. با داشتن این مختصات، می‌توانیم به‌سادگی و با کمک قضیه‌ی فیثاغورث، کوتاه‌ترین فاصله‌ی بین A و B را محاسبه کنیم. z کوتاه‌ترین فاصله‌ی بین دو نقطه است.

اگر به‌جای مسیر مستقیم بین A و B، مسیری خمیده یا زیگزاگی را انتخاب کنیم، مسافت طی‌شده طولانی‌تر خواهد بود. این موضوع کاملاً شهودی است و همه‌ی ما بارها آن را در زندگی روزمره تجربه کرده‌ایم.

این مثال کمک می‌کند تا قدم بعدی را برای درک فضا-زمان برداریم؛ یعنی ببینیم پس از وارد شدن زمان به ماجرا، این هندسه‌ی ساده چه تغییری می‌کند و چه چیز عجیبی در دنیای فیزیک اتفاق می‌افتد.

حالا وقت آن است که به سراغ فضا-زمان برویم. برای آنکه موضوع را ساده و قابل‌ درک نگه داریم، باز هم با یک مدل دوبعدی کار می‌کنیم؛ ولی این‌بار به‌جای دو بُعد مکانی، یکی از بُعدها، مکان (محور x) و دیگری زمان (t) است. در این مدل، نقاط A و B دیگر فقط موقعیت‌های مکانی نیستند، بلکه رویدادهایی هستند که هم مکان دارند و هم زمان. یعنی دقیقاً مشخص می‌کنند که چه چیزی، کجا و چه زمانی اتفاق افتاده است.

در اینجا نمی‌توانیم از هندسه‌ی معمولی یا هندسه‌ی اقلیدسی استفاده کنیم، زیرا در دنیای فضا-زمان، قواعد بازی تغییر می‌کنند و وارد قلمروی هندسه‌ی مینکوفسکی می‌شوند. این هندسه برای درک نسبیت خاص ضروری است و تفاوت‌های زیادی با هندسه‌ی اقلیدسی دارد.

در هندسه‌ی مینکوفسکی، خطی که دو رویداد A و B را به هم وصل می‌کند، دیگر فاصله‌ی مکانی نیست؛ بلکه زمان سپری‌شده بین دو رویداد را نشان می‌دهد. ما این زمان را با E نشان می‌دهیم. اگر خط وصل‌کننده‌ی دو رویداد مستقیم باشد، حرکت بین آن‌ها با سرعتی یکنواخت، بدون شتاب یا تغییر مسیر، انجام شده است.

شاید با خودتان فکر کنید: «خب، برای محاسبه‌ی زمان سپری‌شده، فقط باید زمان رویداد B را از زمان رویداد A کم کنیم، درست است؟» اما پاسخ این سؤال برخلاف انتظار ما، «نه» است. قضیه به این سادگی نیست. در فیزیک نسبیتی، زمان دیگر یک کمیت مطلق و یکسان برای همه نیست.

در فضا-زمان، مکان و زمان آن‌قدر به‌هم گره خورده‌اند که تغییر در یکی، می‌تواند بر دیگری تأثیر بگذارد. همین‌جا است که نظریه‌ی نسبیت خاص و مفهوم فضا-زمان ما را وارد جهانی می‌کنند که نه‌تنها حیرت‌انگیز است، بلکه با شهود روزمره‌ی ما فرق دارد و ذهنمان را به چالش می‌کشد.

برخلاف نیوتن که فکر می‌کرد زمان مطلق است و برای همه یکسان می‌گذرد، اینشتین نشان داد که چنین چیزی درست نیست. او فهمید که تیک‌تاکِ ساعت‌ها، با سرعت حرکت ناظر تغییر می‌کند. یعنی اگر کسی با سرعت حرکت کند، زمان برایش با کسی که ساکن ایستاده است، متفاوت خواهد گذشت.

برای همین، اگر از نقطه‌ی A به نقطه‌ی B حرکت کرده باشیم، زمان سپری‌شده بین این دو رویداد بستگی به سرعت ما در طول مسیر دارد. اما اگر در نقطه‌ی A مانده و در فضا حرکتی نداشته باشیم، در آن صورت می‌توان زمان رویداد A را از زمان رویداد B کم کرد و به‌راحتی مدت‌ زمان بین این دو رویداد را به‌دست آورد. اما اگر برای رسیدن از A به B در فضا هم حرکت کرده باشیم، دیگر این روش جواب نمی‌دهد. چرا؟ چون حرکت فضایی روی گذر زمان تأثیر می‌گذارد.

در این حالت، فرمول فیثاغورث که در هندسه‌ی اقلیدسی برای محاسبه‌ی فاصله استفاده می‌شود، دیگر جواب نمی‌دهد. یعنی رابطه‌ی آشنای X^2+t^2=E^2 در فضا-زمان کاربرد ندارد. اینجا با یک تفاوت کلیدی روبه‌رو می‌شویم: باید از فرمولی استفاده کنیم که در آن مربع زمان و مربع مکان از هم کم شوند، نه جمع (تصویر زیر).

علامت منفی بین t و x فقط یک تفاوت ریاضی نیست؛ بلکه دقیقاً همان چیزی است که باعث می‌شود فضا-زمان اینقدر عجیب، زیبا و متفاوت از دنیای روزمره‌ی ما باشد. این فرمول، نکته‌ای مهم و درعین‌حال شگفت‌انگیز را به ما نشان می‌دهد: هرچه فردی در بازه‌ای از زمان، بیشتر در فضا حرکت کند (یعنی مقدار X بزرگ‌تر باشد)، مدت‌‌زمانی که واقعاً برایش می‌گذرد، کمتر خواهد بود.

در هندسه‌ی معمولی (اقلیدسی)، خط مستقیم، کوتاه‌ترین مسیر بین دو نقطه است؛ اما در فضا-زمان مینکوفسکی، خط مستقیم بین دو رویداد، بلندترین مدت‌‌زمان ممکن یا همان بیشترین زمان سپری‌شده را نشان می‌دهد.

اگر کسی از رویداد A به B فقط در بُعد زمان حرکت کرده باشد و در فضا هیچ جابه‌جایی‌ای نداشته باشد، بیشترین زمان ممکن را تجربه می‌کند؛ اما اگر مسیر او بین این دو رویداد شامل حرکت در فضا هم بوده باشد (به‌صورت منحنی یا زیگزاگ)، در این حالت بخشی از حرکت صرف جابه‌جایی مکانی شده و در نتیجه، زمان کمتری برای او گذشته است. به زبان ساده‌تر، هرچه بیشتر در فضا حرکت کنیم، سهم کمتری از حرکتمان به زمان اختصاص پیدا می‌کند.

برای درک بهتر این موضوع، مثال ساده‌ای را با یکدیگر بررسی می‌کنیم. تصور کنید یک خواهر یا برادر دوقلو دارید. او روی زمین مانده است، اما شما با سرعت بالا به سفری در فضا رفته‌اید و سپس به زمین برگشته‌اید. در این حالت، شما کمتر از دوقلوی خودتان پیر شده‌اید. چرا؟ چون شما در طول این مدت در بُعد فضا جابه‌جا شده‌اید و طبق نظریه‌ی نسبیت خاص، هرچه جابه‌جایی فضایی بیشتری داشته باشید، زمان کمتری برایتان سپری می‌شود.

به بیان دیگر، قًل شما چون فقط در بُعد زمان حرکت کرده، زمان بیشتری را تجربه کرده و بیشتر پیر شده است. این پدیده به‌خوبی نشان می‌دهد که فضا و زمان با هم پیوسته‌اند و رفتارشان به‌طور مستقیم به سرعت حرکت بستگی دارد.

احتمالاً از خود پرسیده‌اید که تفاوت بین E (مدت‌زمان سپری‌شده) و t (مختصات زمانی) دقیقاً چیست. E همان زمانی است که فردی که از نقطه‌ی A به نقطه‌ی B حرکت کرده، روی ساعت مچی یا ابزار شخصی خودش اندازه‌گیری می‌کند (زمان سپری‌شده برای فرد). اما t فقط یک مختصات زمانی در چارچوب فضا-زمان به شمار می‌آید؛ مفهومی شبیه به زمان جهانی یا زمان مرجع.

البته چنین زمانی در واقعیت فیزیکی وجود ندارد و تنها به‌عنوان یک قرارداد ذهنی برای ساده‌تر شدن محاسبات استفاده می‌شود. به‌صورت تقریبی می‌توانیم آن را زمانی فرض کنیم که ناظرِ ساکن اندازه می‌گیرد.

در فیزیک نیوتونی، یعنی پیش از مطرح شدن نظریه‌ی نسبیت خاص، دانشمندان t و E را کاملاً یکسان و به‌عنوان زمان مطلق در نظر می‌گرفتند. اما اینشتین نشان داد که زمان، مفهومی نسبی دارد و برای ناظران مختلف، با سرعت متفاوتی سپری می‌شود.

سؤال مهم دیگری نیز وجود دارد: چطور می‌توان زمان و مکان را در یک فرمول واحد قرار داد؟ مگر می‌شود کمیتی مثل ثانیه را که برای سنجش زمان به‌کار می‌رود، با متر که برای اندازه‌گیری فاصله استفاده می‌شود، ترکیب کرد؟ این پرسش کاملاً منطقی و بسیار کلیدی است، در ادامه به آن پاسخ می‌دهیم.

پاسخ‌ این پرسش کاملاً علمی و منطقی و نکته‌ی کلیدی آن در یک عامل تبدیل بسیار مهم نهفته است؛ عاملی که ارتباطی واقعی و قابل‌ محاسبه بین زمان و مکان برقرار می‌کند. این عامل چیزی جز سرعت نور نیست؛ سریع‌ترین سرعتی که در جهان هستی وجود دارد.

در فیزیک، سرعت نور را با c نشان می‌دهند و مقدار آن تقریباً برابرِ ۲۹۹٬۷۹۲٬۴۵۸ متر بر ثانیه است. همان‌طور که از فیزیک دبیرستان می‌دانیم، سرعت، از تقسیم فاصله بر زمان طی کردن فاصله به‌دست می‌آید. بنابراین، با ضرب کردن سرعت در زمان، به فاصله می‌رسیم:

فاصله = سرعت × زمان → فاصله = c × t

این رابطه دقیقاً همان چیزی است که به ما اجازه می‌دهد تا زمان را در معادلات فیزیکی به زبان مکان ترجمه کنیم و زمان و مکان را در یک فرمول مشترک قرار دهیم. نکته‌ی جالب‌تر اینکه می‌توان سرعت نور را به‌‌جای متر بر ثانیه، به‌شکل ساده‌تری نوشت: یک ثانیه‌نوری در هر ثانیه.

حالا اگر همه‌ی فاصله‌ها را به‌جای متر، با واحد ثانیه‌نوری بیان کنیم، زمان و مکان در یک سیستم واحد قرار می‌گیرند. با انجام این کار، محاسبات ریاضی در فرمول‌های فضا-زمان راحت‌تر و منسجم‌تر انجام می‌شوند، چون دیگر لازم نیست نگران تبدیل بین متر و ثانیه باشیم.

مدلی که تا اینجا بررسی کردیم، نمونه‌ای دوبُعدی از فضا-زمان بود (یک بُعد برای فضا و یکی برای زمان). اما در واقعیت، ما در فضا-زمانی چهار بُعدی زندگی می‌کنیم که شامل سه بُعد مکانی و یک بُعد زمانی است. این چارچوب، پایه‌ی نظریه‌ی نسبیت عام را شکل می‌دهد. اینشتین در این نظریه نشان داد که فضا-زمان تخت و مسطح نیست، بلکه خمیده می‌شود؛ و همین خمیدگی منشأ چیزی است که ما به آن گرانش می‌گوییم.

یعنی فضا-زمان در حضور جسمی پرجرم مانند زمین یا خورشید خمیده می‌شود؛ درست مانند توپی سنگین که وسط پارچه‌ای کشیده قرار می‌گیرد. این خمیدگی، مسیر حرکت اجسام را تغییر می‌دهد و ما آن را به‌شکل نیروی گرانش تجربه می‌کنیم.

یکی از پیامدهای جالب این خمیدگی، پدیده‌ای به نام اتساع زمان (Time Dilation)‌ است. یعنی زمان در نزدیکی اجسام سنگین، کندتر می‌گذرد. به‌عنوان مثال، ساعت‌هایی که در ارتفاع پایین‌تر (نزدیک‌تر به سطح زمین) قرار دارند، نسبت به ساعت‌هایی که در ارتفاع بالاتری هستند، اندکی کندتر کار می‌کنند. این تفاوت بسیار جزئی است، اما در سرعت‌های بالا یا کنار اجرام فوق‌سنگین، اثرش بسیار محسوس می‌شود.

به این ترتیب، فضا-زمان یک بستر چهاربُعدی است که تمام اتفاقات فیزیکی روی آن رخ می‌دهند. بدون این بستر، مفاهیمی مثل حرکت، زمان، نیرو و حتی زندگی، معنایی نداشتند.

چرا جهان ما فقط سه بُعد فضایی و یک بُعد زمانی دارد؟ چرا چهار یا پنج بُعد مکانی دارد؟ اصلاً چرا فقط یک بُعد زمان داریم؟ چرا زمان هم مثل فضا، چندبُعدی نیست؟ اگر ابعاد بزرگ‌تری از فضا وجود داشتند، ابعادی که مثل طول، عرض و ارتفاع محسوس و قابل اندازه‌گیری بودند، احتمالاً تاکنون آن‌ها را شناسایی کرده بودیم؛ زیرا این ابعاد روی رفتار نور، گرانش و دیگر پدیده‌های فیزیکی تأثیر می‌گذاشتند و در آزمایش‌ها خودشان را نشان می‌دادند.

حالا بیایید به بُعد زمان فکر کنیم. داشتن بیشتر از یک بُعد زمانی شاید در نگاه اول جالب به‌نظر برسد، اما خیلی زود ما را با مشکل بزرگی روبه‌رو می‌کند: نقض علیت. اگر زمان چندبُعدی بود، ممکن بود حلقه‌های زمانی بسته شکل بگیرند. یعنی این امکان وجود داشت که کسی به گذشته برگردد. حالا تصور کنید فردی به گذشته برگردد و پدرش را قبل از تولد خودش بکشد. نتیجه چیست؟ دیگر آن فرد به دنیا نمی‌آمد که بخواهد به گذشته برگردد؛ بنابراین به پارادوکسی می‌رسیدیم که باعث می‌شد کل ساختار منطقی فیزیک فروبپاشد.

از سوی دیگر، پژوهش‌ها نشان داده‌اند که اگر تعداد ابعاد جهان از همین چهار بعدی که می‌شناسیم (سه بعد فضایی و یک بعد زمانی) کمتر یا بیشتر بود، یا امکان شکل‌گیری حیات وجود نداشت یا جهان ناپایدار می‌شد. به‌عنوان مثال، اگر اصلاً بُعد زمانی نداشتیم، هیچ‌چیزی نمی‌توانست تغییر یا تکامل پیدا کند یا حرکت داشته باشد. یعنی نه زمان می‌گذشت، نه تغییری در کار بود و نه حیاتی شکل می‌گرفت.

اگر بیش از سه بُعد فضایی داشتیم چه؟ باز هم احتمال زیادی وجود دارد که جهان دچار بی‌ثباتی می‌شد. در سال ۱۹۱۷، پائول ارنفست، فیزیکدان اتریشی، در مقاله‌ای نشان داد که اگر حتی فقط یک بُعد فضایی اضافه‌تر در جهان وجود داشت، نیروی گرانش به‌شدت ضعیف‌تر می‌شد.

از طرف دیگر، اگر تعداد ابعاد فضایی کمتر بود، مثلاً فقط یک یا دو بُعد داشتیم، جهان بیش‌ازحد ساده می‌شد. در یک بُعد فضایی، هیچ مداری نمی‌توانست شکل بگیرد، چون جایی برای چرخش وجود نداشت. در دو بُعد هم احتمالاً پیچیدگی لازم برای پیدایش حیات به وجود نمی‌آمد. بنابراین، به‌نظر می‌رسد فضا-زمان باید دقیقاً از سه بُعد فضایی و یک بُعد زمانی تشکیل شده باشد، نه کمتر، نه بیشتر. اگر ترکیب این ابعاد فقط اندکی فرق می‌کرد، ما اینجا نبودیم تا درباره‌اش فکر کنیم.

متین ترکیان

نظریه ریسمان چیست؟ نگاهی جامع به ماهیت و مفهوم آن

مطالعه '8

اینجا یک سؤال مهم‌تر مطرح می‌شود: پس نظریه‌هایی مانند نظریه‌ی ریسمان، که از وجود ابعاد بیشتر حرف می‌زنند، دقیقاً چه می‌گویند؟ پاسخ این است: نظریه‌ی ریسمان ادعا نمی‌کند که جهان ما فقط از ۳+۱ بُعد تشکیل شده است؛ بلکه می‌گوید جهان می‌تواند ۱۰ یا ۱۱ بُعد داشته باشد، اما بیشتر این ابعاد به‌قدری ریز و فشرده‌ شده‌اند که در مقیاس‌های ما قابل‌ مشاهده نیستند.

در دل تمام نظریه‌های بنیادین فیزیک، مفهومی وجود دارد که کمتر از کوانتوم شنیده شده است، اما نقشی بسیار بنیادی‌تر ایفا می‌کند: فضا-زمان. برخلاف تصور سنتی از فضا به‌عنوان یک ظرف خالی و زمان به‌عنوان جریانی مستقل، فیزیک مدرن نشان داد این دو، درهم‌تنیده‌اند و یک ساختار چهار‌بعدی یکپارچه را می‌سازند که همه‌ی پدیده‌های فیزیکی، در دل آن معنا پیدا می‌کنند.

براساس نسبیت خاص و عام اینشتین، فضا-زمان نه‌تنها یک چارچوب هندسی است، بلکه تحت‌تأثیر ماده و انرژی خم می‌شود و این خمیدگی همان چیزی است که ما آن را به‌صورت نیروی گرانش تجربه می‌کنیم. درک این چارچوب، ما را از فیزیک نیوتنی با زمان مطلق و فضای جدا، به جهانی رسانده که در آن حتی گذر زمان به وضعیت حرکتی ناظر وابسته است.

جالب‌تر اینکه پژوهش‌ها نشان می‌دهند اگر فقط یکی از ویژگی‌های فضا-زمان تغییر می‌کرد، چه تعداد ابعاد، چه نحوه‌ی رفتار زمان یا شدت گرانش، احتمالاً نه جهانی پایدار وجود داشت، نه حیاتی که بتواند آن را درک کند. همین دقت و تعادل در ساختار ابعادی جهان، پرسش‌هایی اساسی را درباره‌ی چرایی این پیکربندی خاص برمی‌انگیزد.