Real Time Web Analytics فضا چیست؟ شاره فضایی و کارهای عجیب و غریبش! (قسمت دوم) | دیپ لوک

فضا چیست؟ شاره فضایی و کارهای عجیب و غریبش! (قسمت دوم)

0

در قسمت اول نوشتار سه قسمتی «فضا چیست»، سه دیدگاه رایج در مورد فضا را توضیح دادیم و اشاره کردیم فضا برخلاف چیزی که به نظر می‌رسد، نمی‌تواند ثابت و مطلق باشد. برای توضیح برخی ویژگی‌های مشاهده شده (مثل خمیدگی و گسترش فضا) در نتیجه‌ی آزمایش‌های صورت گرفته، قبول کردیم که فضا باید انعطاف‌پذیر باشد و آن را به صورت مایع غلیظی ( شاره فضایی ) درنظر گرفتیم. در این قسمت، ویژگی‌های عجیب این شاره را بررسی و در ادامه نیز در مورد انحنای فضا صحبت خواهیم کرد. با دیپ لوک همراه باشید…

شاره فضایی و کارهای عجیب و غریبش!

اول از همه، شاره فضایی می‌تواند فضا را گسترش دهد. اجازه دهید لحظه‌ای در مورد معنای گسترش فضا با دقت فکر کنیم. گسترش فضا بدان معناست که اشیا، بدون در نظر گرفتن حرکت نسبت به شاره فضایی ، از یکدیگر فاصله می‌گیرند، مثلا تصور کنید درون شاره فضایی قرار دارید و ناگهان شاره فضایی شروع به رشد و گسترش می‌کند. اگر در مقابل فرد دیگری قرار داشته باشید، این فرد از شما دورتر خواهد شد، در حالیکه هیچ یک از شما نسبت به شاره فضایی حرکتی نکرده است.

شاره فضاییشاره فضاییچطور می‌توانستیم بفهمیم که شاره فضایی گسترش یافته است؟ آیا ابزاری که برای اندازه‌گیری گسترش شاره فضایی استفاده می‌کنیم نیز گسترش نمی‌یابد؟ درست است که فضای بین تمام اتم‌ها در ابزارهای اندازه‌گیری (مثل خط‌کش) گسترش می‌یابند و آن‌ها را از هم جدا می‌کنند، اما اگر ابزار اندازه‌گیری ما از تافی فوق العاده نرمی ساخته شده بود، ابزار اندازه‌گیریمان نیز گسترش می‌یافت. اگر از یک ابزار سفت و سخت استفاده کنید، تمام اتم‌های آن به شدت یکدیگر را (با نیروهای الکترومغناطیسی) نگه می‌دارند و ابزار اندازه‌گیری در همان طول باقی می‌ماند و به شما امکان می‌دهد بفهمید فضا گسترش پیدا کرده است.

می‌دانیم که فضا می‌تواند گسترش یابد، زیرا گسترش آن را دیده‌ایم. گسترش فضا سبب کشف انرژی تاریک شد. از طرفی در جهان اولیه، فضا گسترش پیدا کرده و با سرعت زیادی انبساط یافته (نظریه‌ی تورم کیهانی) و هنوز هم گسترش می‌یابد.

شاره فضاییشاره فضایی

همچنین می‌دانیم که فضا می‌تواند خمیده شود. شاره فضایی می‌تواند تغییر شکل دهد درست مثل تافی. می‌دانیم که بر اساس نظریه‌ی نسبیت عام انیشتن، گرانش موجب خمیدگی فضا می‌شود. وقتی جسمی دارای جرم باشد، فضای اطراف آن جسم تغییر شکل می‌دهد.

هنگامی که فضا تغییر شکل می‌دهد، اجسام موجود در آن دیگر به همان شیوه‌ای که در ابتدا تصور می‌کردید، حرکت نمی‌کنند. برای مثال تصور کنید قطره‌ی بزرگی از شاره فضایی وجود دارد، اگر جسم سنگینی مانند توپ بولینگ درون آن قرار بگیرد به خاطر جرمش، شاره فضایی را خمیده می‌کند. حال اگر توپ کوچکتری مانند توپ بیسبال از شاره عبور کند چه اتفاقی می‌افتد؟ توپ بیسبال به جای حرکت در یک خط مستقیم، مسیری منحنی را طی می‌کند و حتی ممکن است در حلقه‌ای به دور توپ بولینگ حرکت کند؛ همانطوری که ماه به دور زمین یا زمین به دور خورشید می‌چرخد!

منحرف شدن مسیر حرکت اشیا را می‌توانیم با چشمان غیر مسلح خود ببینیم! مثلا وقتی نور از نزدیکی اجسام عظیمی مانند خورشید یا ماده‌ی تاریک عبور می‌کند، مسیرش خم می‌شود. اگر گرانش فقط بین اجسام دارای جرم وجود داشته باشد و باعث خمیدگی فضا نشود، پس نباید روی فوتون‌ها که بدون جرم هستند، تاثیری داشته باشد و در اینصورت نباید مسیر نور منحرف شود. تنها راه توضیح اینکه چرا مسیر نور می‌تواند خم شود، این است که آیا خود فضا خم می‌شود یا خیر.شاره فضاییدر نهایت می‌دانیم فضا می‌تواند متلاطم و مواج شود. از آنجایی که فضا می‌تواند کشیده و فشرده شود، این موضوع خیلی مبهم و عجیب نیست. اما موضوع جالب، انتشار این کِش‌آمدگی‌ها و فشردگی‌ها در شاره فضایی است. انتشار این ارتعاشات در فضا موج گرانشی نامیده می‌شود. اگر شما به‌طور ناگهانی موجب ارتعاش فضا شوید، آن ارتعاش درست مثل موجی صوتی یا موجی درون یک مایع، در فضا منتشر می‌شود. این نوع رفتار تنها زمانی می‌تواند اتفاق بیفتد که فضا ماهیت فیزیکی خاصی داشته و صرفا یک مفهوم مطلق یا گستره‌ی خالی خالص نباشد.

امواج گرانشی واقعیت دارند، زیرا اولا نسبیت عام وجود این امواج را پیش‌بینی می‌کند و ثانیا ما این امواج را واقعا مشاهده کرده‌ایم. سیا‌ه‌چاله‌های عظیم دوتایی که در حال چرخش به دور یکدیگر به هم نزدیک شده و در هم ادغام می‌‌شوند، می‌توانند امواج گرانشی تولید کنند. این سیاه‌چاله‌های دوتایی در حال چرخش به دور یکدیگر می‌توانند فضا را متلاطم کنند و موجب آشفتگی و تغییر گسترده‌ای در فضا شوند که این آشفتگی به داخل فضا منتقل می‌شود. با استفاده از تجهیزات بسیار حساس، ما این امواج فضایی را در زمین آشکارسازی کرده‌ایم. به این امواج می‌توانید به دید کِش‌آمدگی و فشردگی فضا نگاه کنید. در واقع، زمانی که این نوع موج در فضا منتشر می‌شود، فضا در یک جهت فشرده و در جهت دیگر کِش می‌آید.

شاره فضایی

این ویژگی‌ها برای شاره فضایی مضحک به نظر می‌رسد. شما مطمئن هستید؟

درست است که در نظر گرفتن فضا به صورت یک شی (و نه صرفا به صورت گستره‌ی خالی خالص) دیوانگی به نظر می‌رسد، اما آزمایش‌ها و مشاهدات ما از جهان، این ایده را تصدیق می‌کند. مشاهدات تجربی ما نسبتا روشن می‌کند که فاصله‌ی بین اشیا در فضا بر روی یک پس‌زمینه‌ی مطلق نامرئی، اندازه‌گیری نمی‌شود و به خواص شاره فضایی بستگی دارد؛ شاره‌ای که همه‌ی ما در آن زندگی می‌کنیم، شیرینی کوکی می‌خوریم و گشنیز خرد می‌کنیم. با این حال در نظر گرفتن فضا به صورت یک شی پویا با خواص و رفتارهای دینامیکی که می‌تواند پدیده‌های عجیبی مثل خمیدگی و کشیدگی فضا را توضیح دهد، تنها منجر به سوالات بیشتری می‌شود. به عنوان مثال، ممکن است بگویید آنچه که ما قبلا فضا نامیدیم اکنون باید فیزیک شاره (phgoo) نامیده شود، یعنی شاره باید درون چیزی باشد که ما اکنون می‌توانیم آن را دوباره فضا نامگذاری کنیم. این سوال بسیار هوشمندانه است، اما تا جایی که می‌دانیم، تنها به دلیل ویژگی‌های عجیبی که این شاره دارد، لازم نیست درون چیز دیگری باشد! خمیدگی شاره فضایی، ویژگی ذاتی آن شاره است که وقتی خم می‌شود ارتباط بین بخش‌های فضا را تغییر می‌دهد. لازم نیست چیزی خارج از جهان ما وجود داشته باشد تا خمیدگی شاره نسبت به آن در نظر گرفته شود. اما اینکه شاره فضایی ما نیازی به قرارگیری درون چیزی ندارد، به این معنی نیست که واقعا در داخل چیزی قرار ندارد! شاید آنچه ما اکنون فضا می‌نامیم، در واقع در داخل یک اَبَر فضای بزرگتر قرار داشته باشد و شاید این ابرفضا درست مثل گستره‌ی خالی بینهایتی باشد!

آیا امکان دارد بخش‌هایی از جهان بدون فضا باشند؟ به عبارت دیگر، اگر فضا یک شاره فضایی است، آیا جایی وجود دارد که بدون این شاره فضایی باشد؟ معنای این مفاهیم خیلی روشن نیست زیرا تمام قوانین فیزیکی ما وجود فضا را در نظر می‌گیرند، بنابراین چه قوانینی می‌توانند در خارج از فضا حاکم باشند؟ ما هیچ نظری نداریم.

شاره فضاییواقعیت این است که ایده‌ی سیال بودن فضا به تازگی به صورت یک ایده‌ی جدید به توافق رسیده و ما در ابتدای درک معنی فضا هستیم. در بسیاری از موارد، این خودمان هستیم که با تصورات حسی خود، دست و پایمان را بسته‌ایم. این تصورات تا وقتی که انسان‌های اولیه برای غذا و بازی شکار می‌کردند، به درد می‌خورد، ولی ما باید موانع را از سر راهمان برداریم و باور کنیم که فضا بسیار متفاوت از آن چیزی است که تا حالا تصور می‌کردیم.

آیا شاره فضایی تخت است؟

اگر مغز شما هنوز از مفاهیم خمیدگی فضایی خسته نشده، می‌خواهم راز دیگری در مورد فضا را برایتان فاش کنم: آیا فضا تخت است یا دارای انحنا می‌باشد (و اگر انحنا دارد، به کدام طرف)؟

شاره فضاییاین سوالات دیوانه کننده‌اند، اما پس از پذیرش این نکته که فضا انعطاف‌پذیر است، مطرح کردن این سوالات سخت نیست. اگر فضا در اطراف اجسام دارای جرم، خمیده می‌شود، آیا می‌تواند انحنای کلی داشته باشد؟ مثل این است که بپرسیم آیا شاره فضایی ما مسطح است؟ شما می‌دانید که اگر هر نقطه‌ای از شاره فضایی را فشار دهید، تغییر شکل می‌دهد، اما آیا آن در همه جا و به صورت کلی تغییر شکل می‌دهد؟ یا کاملا صاف قرار می‌گیرد؟ این سوالات را نیز می‌توانید در مورد فضا بپرسید.

شاره فضایی

پاسخ این سوالات در مورد فضا تاثیر زیادی بر تصور ما از جهانی که در آن زندگی می‌کنیم، دارد. به عنوان مثال، اگر فضا تخت باشد، بدان معناست که اگر در یک جهت مستقیم برای همیشه سفر کنید، احتمالا می‌توانید تا بینهایت به سفر خود ادامه دهید. اما اگر فضا دارای انحنا باشد، اتفاقات جالب دیگری می‌تواند رخ دهد. اگر فضا در همه جا دارای انحنای مثبت باشد، آنگاه با حرکت در یک جهت برای همیشه، دوباره به همان نقطه‌ی اولیه (این بار از جهتی مخالف) بازمی‌گردید! اگر دوست ندارید دوستتان شما را از پشت سرتان غافلگیر کند، دانستن این اطلاعات برای شما مفید خواهد بود!

شاره فضایی توضیح دادن ایده‌ی فضای دارای انحنا بسیار دشوار است، زیرا مغز ما نمی‌تواند مفاهیمی مانند این را به سادگی مجسم کند. اکثر تجربه‌های روزمره‌ی ما با یک جهان سه بعدی سر و کار دارد که جهانی ثابت به نظر می‌رسد (هر چند اگر توسط بیگانگان پیشرفته‌ای که می‌توانند انحنای فضا را اداره کنند، مورد حمله قرار گرفته باشیم، امیدواریم که آن را به سرعت کشف کنیم).

فضای دارای انحنا چه معنایی دارد؟بیایید برای مجسم کردن آن، لحظه‌ای وانمود کنیم در یک جهان دو بعدی زندگی می‌کنیم، مثلا روی یک ورق کاغذ به دام افتاده‌ایم. یعنی فقط می‌توانیم در دو جهت حرکت کنیم. حالا، اگر این ورق، در وضعیت‌های کاملا صاف باشد، می‌گوییم فضای ما مسطح یا تخت است.

شاره فضاییاما اگر به هر دلیلی، ورق کاغذ خم شود، می‌گوییم فضا دارای انحناست. دو راه برای خم شدن کاغذ وجود دارد. یا می‌تواند رو به بالا (انحنای مثبت نامیده می‌شود) خم شود و یا می‌تواند در جهتی مخالف درست مثل زین اسب (انحنای منفی نامیده می‌شود) خم شود.

شاره فضایی

در اینجا مطلبی کسل کننده وجود دارد: اگر متوجه شویم فضا در همه جا تخت است، بدان معناست که ورق کاغذ (فضا) به طور بالقوه می‌تواند برای همیشه ادامه یابد. اما اگر متوجه شویم که فضا در همه جا انحنای مثبت دارد، در آن صورت تنها شکلی که در همه جا انحنای مثبت دارد، یک کره است؛ یا یک شبه کره (به عنوان مثال یک سیب زمینی). در این حالت، می‌گوییم جهان بسته است. در صورتیکه جهان سه بعدی ما نیز (معادل یک سیب‌زمینی) در همه جا دارای انحنای مثبت باشد، همین اتفاق خواهد افتاد؛ یعنی اگر در جهتی مستقیم تا همیشه سفر کنید در آخر به همان نقطه‌ای می‌رسید که حرکتتان را شروع کرده بودید.

شاره فضایی

انحنای فضا در حدود ۰٫۴ درصد محاسبه شده و معلوم می‌شود که فضا «نسبتا تخت» است. دانشمندان از طریق دو روش بسیار متفاوت، انحنای فضا (حداقل، فضایی که می‌بینیم) را محاسبه کرده‌اند که بسیار نزدیک به صفر است. این دو روش چیست؟ یکی از روش‌ها، اندازه‌گیری مثلث‌هاست. یک چیز جالب در مورد انحنا این است که مثلث‌ها در یک فضای منحنی، از قواعد مشابهی در فضای تخت پیروی نمی‌کنند. به مثال ورق کاغذ خودمان برگردیم. مثلث رسم شده روی یک ورق کاغذ صاف، با یک مثلث رسم شده روی یک سطح دارای انحنا، فرق دارد.

شاره فضایی

دانشمندان در جهان سه بعدی با نگاه کردن به عکسی از جهان اولیه و مطالعه‌ی ارتباط فضایی بین نقاط مختلف روی آن تصویر (اندازه‌گیری مثلث‌های رسم شده) را انجام داده‌اند. آن‌ها دریافتند مثلث‌هایی که اندازه‌گیری کرده‌اند، مشابه با قواعد مثلث‌های فضای تخت هستند.روش دیگر برای اینکه بدانیم فضا اساسا تخت است، بررسی چیزی است که باعث می‌شود فضا در مکان اول خم شود: انرژی در جهان. طبق نسبیت عام، مقدار انرژی خاصی در جهان وجود دارد (در واقع، چگالی انرژی) که تعیین می‌کند انحنای فضا مثبت باشد یا منفی. نتیجه‌ی اندازه‌گیری مقدار چگالی انرژی در کل جهان قابل مشاهده، دقیقا به میزانی است که باعث می‌شود فضایی که می‌بینیم بدون انحنا باشد (با در نظر گرفتن خطای ۰٫۴ درصد).

شاید برخی از شما از اینکه در جهانی بسته (مثل یک سیب‌زمینی) زندگی نمی‌کنیم، ناراحت شده باشید؛ جهانی که در آن اگر در یک جهت مستقیم تا ابد سفر می‌کردیم دوباره به جای اول خود می‌رسیدیم. چه کسی آرزو دارد هنگام سفر به دور جهان با موتورسیکلت موشکی به دور خودش بچرخد و در فضا سرگردان باشد؟ یا شاید برخی از شما برای فرار از قبول این واقعیت که ما در یک جهان تخت خسته کننده زندگی می‌کنیم، ما را محکوم کنید. اما تا جایی که می‌دانیم، واقعیتی که ما در یک جهان تخت زندگی می‌کنیم، توافقی بزرگ در سطح کیهانی است.

شاره فضاییدر مورد آن فکر کنید. جرم و انرژی کل جهان، معیاری برای تعیین انحنای فضاست (به خاطر بیاورید جرم و انرژی، فضا را خمیده می‌کرد) و اگر جرم و انرژی جهان فقط اندکی بیشتر از آنچه که هم اکنون است، می‌بود فضا دارای انحنای مثبت می‌شد (در این حالت، جهان بسته است). و اگر جرم و انرژی جهان فقط اندکی کمتر می‌بود، فضا دارای انحنای منفی می‌شد (در این حالت، جهان باز است). اما به نظر می‌رسد مقدار جرم و انرژی جهان قابل مشاهده، درست به میزانی است که فضا را نسبتا تخت می‌کند. در واقع، مقدار دقیق آن حدود پنج اتم هیدروژن در هر متر مکعب فضاست. اگر ما چهار یا شش اتم هیدروژن در هر متر مکعب فضا داشتیم، کل جهان خیلی متفاوت می‌شد. چون انحنای فضا بر حرکت ماده و ماده بر روی انحنای فضا تاثیر می‌گذارد؛ اثرات بازخورد وجود دارد. این بدان معناست که اگر در روزهای اولیه‌ی‌ جهان، فقط اندکی ماده‌ی بیشتری وجود داشت و یا به اندازه‌ی کاملا کافی ماده در خود نداشت، فضای ما اکنون تخت نبود. اینکه فضا اکنون نسبتا تخت است بدان معناست که باید در ابتدای جهان بسیار تخت بوده باشد، یا باید چیز دیگری وجود داشته باشد که آن را تخت نگه می‌دارد. این یکی از بزرگترین اسرار فضاست. نه تنها نمی‌دانیم که فضا دقیقا چیست، بلکه این را هم نمی‌دانیم چرا این اتفاق می‌افتد. به نظر می‌رسد که دانش ما درباره این موضوع بدیهی هم، بسیار ناچیز است!

ادامه دارد…

دانشجوی دکترای فیزیک نظری در دانشگاه محقق اردبیلی. علاقمند به دینامیک سیاه‌چاله‌ها، همجوشی هسته‌ای، درهمتنیدگی کوانتومی، گرانش کوانتومی، فلسفه‌ی کوانتومی و در کل عاشق یادگیری و کشف رازهای طبیعت.

ارسال نظر

*