چرا سیب از درخت می‌افتد؟

آیا فکر می‌کنید که جواب را می‌دانید؟ اولین جواب شما به احتمال زیاد جاذبه یا گرانش است. خب درست. اما گرانش چیست؟ گفتن اینکه سیب می‌افتد چون گرانش وجود دارد، جوابی بسیار مختصر است. بلی، گرانش وجود دارد اما دقیقا چطوری سیب را می‌کشد؟ این نیروی کشش چیست؟ خب بگذارید تا خیالتان را راحت کنیم و بگوییم که اساسا چیزی به به اسم نیروی گرانش وجود خارجی ندارد. گرانش وجود دارد، اما نیرویی در کار نیست.

istock large

تفکر نادرستی که نسبت به گرانش وجود دارد آن را با نیروهایی مانند نیروی الکترو مغناطیس که یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند مقایسه می‌کنند. برای درک درست اینکه گرانش چیست باید خود را مجبور کنید تا جهان را جوری دیگر ببینید. اگر آماده یک شوک علمی هستید پس با ما همراه شوید.

خب سیب چرا از درخت می‌افتد؟ این سوالی بود که احتمالا ذهن بسیاری را در طول تاریخ به خود مشغول ساخته ولی تنها آیزاک نیوتن حوصله پرداختن به این اتفاق روزمره را داشت و هم اکنون بسیاری نیوتن را کاشف جاذبه می‌دانند. ولی این ادعا کمی مشکل دارد. گرچه نیوتن نخستین کسی بود که توانست جاذبه را محاسبه کند و با تکیه بر روابط ریاضی بتواند حرکت اجرام مختلف را در فضا پیش‌بینی کند، اما قادر به توضیح چیستی گرانش نبود. او گرانش را « Force acting at a distance» نامید. یعنی نیرویی که از فاصله اثر می‌گذارد. نیوتن قادر نبود تا فرای ریاضیات، ماهیت گرانش را توضیح دهد و از همین رو آن را خصلت ذاتی اجسام می دانست.

یعنی هر جسمی یا هر جرمی، دارای نیرویی است که دیگر اجرام و اجسام را به خود جذب می کند. البته این مانعی برای محاسبه حرکت اجسام و حل مشکلات روزمره نبود. اکثر نیازهای مهندسی آن زمان با نبوغ نیوتن پاسخ داده می‌شد. اما وقتی که لازم بود تا حرکت اجرام آسمانی بزرگ تر و دور از زمین پیش‌بینی شود، پای این محاسبات کمی می‌لنگید. این ناشی از عدم درک چیستی گرانش بود. اینکه چرا و چه گونه دو جسم همدیگر را می‌ربایند پاشنه آشیل نیوتن بود. برای سالیان طولانی این سوال در ذهن کسی نقش نبسته بود و اگر هم بود، شاید در توضیح آن می‌ماندند. چه بسا که پاسخ در چنگ زمان است.

این آلبرت اینشتین بود که توانست با درک ماهیت فضا و زمان به چیستی گرانش برسد. برای سادگی به جزئیات چگونگی  آن نمی‌پردازیم. از این نقطه به بعد باید درک پیشین خود از جهان را کنار گذاشته و آماده دید نوینی باشید.

چیزی که اینشتین به آن پی برد این بود که گرانش نیروی جادویی که نیوتن می‌پنداشت نبود. اصلا گرانش نیرو نبود بلکه صرفا عارضه‌ی جانبی خم شدن بافت فضا است!  برای درک بهتر باید متوجه باشید که فضا بافت دارد که می‌تواند مانند یک خمیر نان کوچک و بزرگ شود. بله، بافت فضا مانند سطح یک پارچه کشی است که قابلیت تغیر شکل را دارد. اما چطور؟ خب این تغیر شکل یا به اصطلاح distortion تحت تاثیر جرم ماده اتفاق می‌افتد. هرجای کیهان ما که جرمی وجود داشته باشد می‌تواند بافت فضا را (عرض، طول، ارتفاع) را خمیده کند.

عکس شماره یک

به این عکس (عکس۱) دقت کنید. خورشید و زمین هر دو بر روی بافت فضا قرار دارند. (در اینجا ما سه بعد فضا را به یک بعد کاهش دادیم تا درک آن آسان‌تر شود). این دو جسم چون دارای جرم هستند، یعنی اتم دارند، باعث می شوند که بافت فضا از حالت معمولی خود خارج شده و خمیدگی پیدا کند. این خصلت بافت فضا است که در مقابل هر جرمی واکنش نشان دهد. بله حتی بدن شما و موبایلی که در درست دارید چون جرم دارد بافت فضا را کمی تحریف می‌کند (گرچه این خمیدگی بسیار ناچیز است). خب تا اینجا متوجه شدیم که بافت فضا می تواند مانند ژله یا یک پارچه کشی تحت تاثیر جرم تغییر شکل دهد. صبور باشید زیرا در حال نزدیک شدن به سوال اولیه‌مان هستیم.

حال به تصویر زیر بنگرید (عکس۲). فرض بگیرید این صفحه تک بعدی در اصل بافت(طول، عرض، ارتفاع) فضا است و آن نقطۀ قرمز سیب ماست. سیب ما در حال حرکت در مسیر مستقیم خود است و بدون هیچ مزاحمی(نیروی وارده) در مسیر فضا به حرکت مستقیم خود ادامه می‌دهد. اگر نیرویی به آن وارد نشود از مسیر خود منحرف نمی‌شود(اینرسی). اما بگذارید این سناریو را کمی دست کاری کنیم.

digital blue grid
عکس شماره دو

حال اگر سیب ما در مسیرش به خورشید، که به دلیل جرم زیادش بافت فضا به طور قابل توجه منحرف می‌کند، برسد  به سمت خورشید حرکت می کند(عکس ۳). اشتباه نکنید خورشد آن را نمی‌کشد و به سیب هیچ نیرویی وارد نمی‌شود. سیب در حال حرکت در مسیر مستقیم خودش است و مسیرش دیگر مستقیم نیست چون جرم خورشید فضا را خمیده کرده. وقتی که فضا خمیده شود، سیب هم چون در فضا حرکت می‌کند به سمت خودش می‌رود. مانند سیبی که در پیچ روخانه می‌پیچد، نیرویی بر سیب وارد نشده است، اما مسیر رودخانه تغیر کرده و سیب هم به ناچار از آن تبعیت می‌کند.

به همین دلیل است که زمین حول خورشید در مدار است. زمین در حال حرکت درمسیر مستقیم خود بوده ولی جرم خورشید چنان بافت فضا را خم کرده که و به دور خود پیچیده که زمین به دور خورشید می‌چرخد. این اتفاق را گرانش می‌گوییم. گرانش چیزی جز تغیر مسیر اجسام به علت خمیدگی بافت فضا توسط جرم نیست. پس گرانش یک نیرو نیست تغیر هندسۀ بافت فضا است. چیزی به اسم میدان گرانش در واقعیت وجود ندارد، بلکه این محدوده بافت فضا در جوار یک جسم جرم‌دار است که مسیر اجسام را به خود منحرف می‌کند.

spacetime curvature
عکس شماره سه

چیزی دیگری که باید تصحیح شود این است که در مثال ما مجبور بودیم تا سه بعد فضا را برای سادگی به یک بعد کاهش دهیم، ولی باید متوجه باشد که فضا سه بعد دارد و اجسام را در بر می‌گیرد، پس وقتی که یک جسم فضا را خم می‌کند از همه طرف فضا را خم می‌کند.(عکس ۴)

dccfdedaece
عکس شماره چهار

پس هر جسمی که از هر کجای زمین یا خورشید رد شود در مسیر خمیده فضا به سمت آن را می رود چون بافت فضا دور تا دور آن جسم خمیده شده است(عکس ۵).

hqdefault
عکس شماره پنج

اما هنوز یک مشکل وجود دارد تا بفهمیم چرا سیب از درخت می‌افتد. در این مثال سیب فضانورد ما در حال حرکت است که وقتی مسیرش تغیر می‌کند به سمت خورشید می رود. اما اجسام دو حالت اولیه (اینرسی) دارند. قانون اول نیوتن را یادتان هست؟

“وقتی برآیند نیروهای وارد بر جسم صفر باشد(یعنی نیرویی به آن وارد نشود)، اگر جسم در حالت سکون باشد تا ابد ساکن می‌ماند، و اگر جسم در حال حرکت (با سرعت ثابت) باشد تا ابد با همان سرعت و در همان جهت به حرکت ادامه می‌دهد. به این قانون، قانون لختی یا اینرسی هم می‌گویند”.

خب ما حالت دوم را در نظر گرفتیم که سیب در حال حرکت با شتاب ثابت است. اما اگر سیب در حالت سکون باشد چه؟ وقتی که در حالت سکون باشد دیگر اگر مسیرش هم تغیر کند نتیجه‌ای نخواهد داشت و به سمت آن جرم تغیر مسیر نمی‌دهد. مانند سیبی که از شاخه درخت آویزان است. اما اگر ما شاخه را ببریم چرا سیب به سمت زمین می‌افتد؟ مگر سیب در حرکت بوده که در مسیر خمیده فضا به سمت زمین منحرف شود؟ بله در حرکت بوده. اما نه در بعد سه بُعد فضا بلکه در بُعد چهارم، زمان.

در اینجا به آخرین پله ی رسیدن به جوابمان هستیم پس خوب دقت کنید. دوستان چیزی که اینشتین در مدل نسبیت عام خود ارائه داد یکپارچگی بافت فضا و زمان بود. زمان پدیده‌ای جدای سه بُعد فضا نیست، بلکه بعد دیگری است که فقط ما قادر به دیدن و حس کردن آن نیستیم و فقط تاثیر آن را روی ماده می‌بینیم. مغز ما قادر به پردازش گذشته و آینده نیست و فقط می توانند برش محدود “اکنون” را درک کند. زمان در کنار سه بُعد دیگر عرض، طول و ارتفاع، چهار بُعد بافت فضا-زمان را تشکیل می دهد. ولی ما نمی‌توانیم هیچ جوره این چهارمین بعد را به تصویر بکشیم، زیرا در بند سه بعد فضایی محدودیم. اما شاید بهترین نزدیک‌ترین مثال همان مثال روخانه باشد.

tumblr ncfkoqsixwtvqiho

یک رودخانه دارای سه بُعد طول و عرض و ارتفاع (عمق آن) هست و آبی را که در آن می گذرد را بعد زمان فرض می گیریم. حال اگر شما با دستتان سیبی را در آب روخانه نگه دارید سیب نسبت به سه بُعد فضایی دارای سکون است اما نسبت به جریان آب چه؟ خیر، آب (یا همان جریان زمان) بر سیب می‌گذرد و از آن جایی که جریان زمان، امری نسبی است پس می‌شود گفت که سیب در آب هم در حال حرکت است حتی با اینکه شما آن را گرفته‌اید و نسبت به بستر رودخانه سکون دارد.

در واقعیت هم همین امر اتفاق می‌افتد. تمام اجسامی که در سه بُعد فضا سکون دارند و از نظر ما بی‌حرکت‌اند، در بعد زمان در حالت حرکت هستند، ولی ما این حرکت را حس نمی‌کنیم چون مغز ما جسمی سه بُعدی است و مادۀ سه بُعدی نمی‌تواند فرای این سه بُعد را تجسم کند. مانند اینکه شما بخواهید پارچ آبی را درون یک مربع دو بُعدی که بر روی کاغد نقاشی کرده‌اید، جای دهید.

پس زمان یه مفهوم انتزاعی نیست و بعد دیگری از واقعیت است که بر همه اجسام در حال گذر است حتی اجسامی که در حالت سکون هستند(اگر سیب تا ابد هم تکان نخورد ولی فاسد که می شود چون زمان بر آن جریان دارد). خب سیبی که از شاخه ی درخت آویزان است با اینکه حرکت فضایی ندارد ولی حرکت زمانی دارد. و از آن جایی که زمان هم بعد دیگری از فضا است، وقتی که مسیر فضایی سیب در اثر وجود جرم خمیده شود، مسیر زمانی آن را خمیده شده (یا به عبارتی زمان بر آن جسم آهسته‌تر می‌گذرد). وقتی که سیب به هر دلیلی از شاخه ی درخت رها شود، حرکت زمانی آن به حرکت فضایی هم انتقال می یابد. یا در مثال رودخانه ما، وقتی که سیبی را که با دست درون آب بگه داشته‌اید رها کنید، جریان آب(زمان) سیب را در مسیر بستر رودخانه (سه بعد فضا) حرکت می دهد.

پس بیاییم در اینجا یک جمع بندی انجام دهیم. ما بافت فضا-زمان را در کیهان داریم که سه بعد فضایی و یک بُعد زمانی دارد. این بافت از هم جدا نیست و هرچه سرش بیاید بر هر چهار بعد تاثیر دارد. اگر جرمی در این بافت قرار بگیرد (زمین، خورشید…) این بافت را به سمت خود خمیده می‌کند( مانند وزنه ای که روی خمیر نان می گذارید). وقتی که بافت فضا-زمان (هر چهار بُعد) خمیده شود مسیر تمام اجسامی که در حال حرکت با شتاب در خط مستقیم هستند هم تغیر می‌کند و به سمت آن جسم می‌روند. حتی اگر جسمی در حالت سکون (فضایی) باشد، با این حال چون در بعد زمان در حرکت است به سمت آن جسم تمایل دارد و به محض اینکه از سکون خارج شود( سیب از شاخه رها شود) به سمت زمین سقوط می‌کند. و بدین صورت سیب از درخت می‌افتد.

در اینجا به پایان توضیح رسیدیم. ممکن است که هنوز دچار سردرگمی و ابهام باشید که طبیعی است. برای درک پدیده گرانش نیاز است تا درک پیشین و سنتی از فضا، زمان، و حرکت را تغیر دهیم که این کمی دشوار است. باید متوجه بود که فضا قابل تغیر شکل است و زمان یک پدیدۀ ثابت نیست بلکه بعد یا مسیری مضافی بر سه بعد فضا است که آن هم قابل تغیر است. باید درک از حرکت را تغیر دهیم و بدانیم اجسام در حالت سکون در زمان در حرکت‌اند. بخاطر همین میوه‌ها می‌پوسند و آدم‌ها پیر می‌شوند و فلزات زنگ می‌زنند. بله این چیزها ناشی از تغیرات شیمیایی هستند، اما این تغیرات شیمیایی چیزی جز حرکت مولکول‌ها هستند؟ خیر حرکت این مولکول و اتم و ذرات زیر اتمی هستند که باعث تغیر می‌شوند. این تغیر را زمان می‌گوییم. بخاطر همین است که نباید حرکت و فضا را مجزای بحث زمان دانست.  همۀ اینها صورت های مختلف یک چیز هستند.

امیدواریم که توانسته باشیم بحث گرانش را برای شما باز کنیم، اما برای این کار مجبور بودیم شما را به سفری در عمق فضا-‌زمان ببریم.

فیسبوک توییتر گوگل + لینکداین تلگرام واتس اپ کلوب

دیدگاهتان را بنویسید