نسيج الزمكان هو نموذج مفاهيمي يجمع بين الأبعاد الثلاثة للفضاء والبعد الرابع للزمان. وفقًا لأفضل النظريات الفيزيائية الحالية ، يفسر الزمكان التأثيرات النسبية غير العادية التي تنشأ عن السفر بالقرب من سرعة الضوء وكذلك حركة الأجسام الضخمة في الكون.
من اكتشف الزمكان؟
ساعد الفيزيائي الشهير ألبرت أينشتاين في تطوير فكرة الزمكان كجزء من نظريته النسبية. قبل عمله الرائد ، كان لدى العلماء نظريتان منفصلتان لشرح الظواهر الفيزيائية: قوانين الفيزياء إسحاق نيوتن وصفت حركة الأجسام الضخمة ، في حين أوضحت النماذج الكهرومغناطيسية لجيمس كليرك ماكسويل خصائص الضوء ، وفقًا لوكالة ناسا.
لكن التجارب التي أجريت في نهاية القرن التاسع عشر أشارت إلى وجود شيء خاص بالضوء. أظهرت القياسات أن الضوء يسير دائمًا بنفس السرعة مهما كان. وفي عام 1898 ، تكهن الفيزيائي وعالم الرياضيات الفرنسي هنري بوانكاريه بأن سرعة الضوء قد تكون حدودًا لا يمكن تجاوزها. في نفس الوقت تقريبًا ، كان باحثون آخرون يفكرون في إمكانية تغير الأشياء من حيث الحجم والكتلة ، اعتمادًا على سرعتها.
جمع أينشتاين كل هذه الأفكار معًا في نظريته النسبية الخاصة لعام 1905 ، التي افترضت أن سرعة الضوء كانت ثابتة. لكي يكون هذا صحيحًا ، يجب الجمع بين المكان والزمان في إطار واحد تآمر للحفاظ على سرعة الضوء كما هي لجميع المراقبين.
سيقيس الشخص في صاروخ فائق السرعة الوقت للتحرك أبطأ وتكون أطوال الأشياء أقصر مقارنةً بالشخص الذي يسير بسرعة أبطأ بكثير. ذلك لأن المكان والزمان نسبيان - يعتمدان على سرعة المراقب. لكن سرعة الضوء أكثر أهمية من أي منهما.
الاستنتاج القائل بأن الزمكان هو نسيج واحد لم يكن ذلك الذي توصل إليه أينشتاين بنفسه. جاءت هذه الفكرة من عالم الرياضيات الألماني هيرمان مينكوسكي ، الذي قال في ندوة عام 1908 ، "الفضاء من الآن فصاعدًا ، والوقت بمفرده ، محكوم عليه أن يتلاشى إلى مجرد ظلال ، ولن يحافظ سوى نوع واحد من الاثنين على واقع مستقل. ".
الزمكان الذي وصفه لا يزال يعرف باسم الزمكان Minkowski ويعمل كخلفية للحسابات في كل من النسبية ونظرية المجال الكمومي. يصف هذا الأخير ديناميكيات الجسيمات دون الذرية كمجالات ، وفقًا للفيزيائي الفلكي وكاتب العلوم إيثان سيجل.
كيف يعمل الزمكان
في الوقت الحاضر ، عندما يتحدث الناس عن الزمكان ، غالبًا ما يصفونه بأنه يشبه قطعة من المطاط. يأتي هذا أيضًا من أينشتاين ، الذي أدرك بينما طور نظريته في النسبية العامة أن قوة الجاذبية كانت بسبب المنحنيات في نسيج الزمكان.
الأجسام الضخمة - مثل الأرض أو الشمس أو أنت - تخلق تشوهات في الزمكان تجعلها تنحني. هذه المنحنيات ، بدورها ، تقيد الطرق التي يتحرك بها كل شيء في الكون ، لأن الأجسام يجب أن تتبع مسارات على طول هذا الانحناء المشوه. الحركة بسبب الجاذبية هي في الواقع الحركة على طول التقلبات والمنعطفات في الزمكان.
قامت بعثة ناسا تسمى Gravity Probe B (GP-B) بقياس شكل دوامة الزمكان حول الأرض في عام 2011 ووجدت أنها تتوافق بشكل وثيق مع توقعات أينشتاين.
لكن الكثير من هذا لا يزال من الصعب على معظم الناس أن يلفوا رؤوسهم. على الرغم من أنه يمكننا مناقشة الزمكان على أنه مشابه لقطعة مطاطية ، فإن التشابه ينهار في النهاية. ورقة المطاط ثنائية الأبعاد ، في حين أن الزمكان هو أربعة أبعاد. ليس فقط الاعوجاج في الفضاء الذي تمثله الورقة ، ولكن أيضا الاعوجاج في الوقت المناسب. إن المعادلات المعقدة المستخدمة لحساب كل هذا صعبة حتى بالنسبة للفيزيائيين للعمل معها.
كتب عالم الفيزياء الفلكية بول ساتر لموقع شقيقة Live Science ، موقع Space.com: "صنع أينشتاين آلة جميلة ، لكنه لم يترك لنا دليل المستخدم". "فقط لدفع هذه النقطة ، النسبية العامة معقدة للغاية عندما يكتشف شخص ما حلًا للمعادلات ، يحصل على الحل المسمى بعدها ويصبح شبه أسطوري في حد ذاته."
ما لا يزال العلماء لا يعرفون
على الرغم من تعقيدها ، تظل النسبية أفضل طريقة لحساب الظواهر الفيزيائية التي نعرفها. ومع ذلك ، يعلم العلماء أن نماذجهم غير مكتملة لأن النسبية لا تزال غير متوافقة تمامًا مع ميكانيكا الكم ، وهو ما يفسر خصائص الجسيمات دون الذرية بدقة بالغة ولكنه لا يشتمل على قوة الجاذبية.
تعتمد ميكانيكا الكم على حقيقة أن القطع الصغيرة التي يتكون منها الكون منفصلة أو محددة الحجم. إذن الفوتونات ، الجسيمات التي يتكون منها الضوء ، هي مثل قطع صغيرة من الضوء تأتي في عبوات متميزة.
تكهن بعض المنظرين أنه ربما يأتي الزمكان نفسه أيضًا في هذه القطع الكمية ، مما يساعد على سد النسبية وميكانيكا الكم. اقترح باحثون في وكالة الفضاء الأوروبية معمل الفلك الدولي لأشعة أشعة غاما مهمة استكشاف الفضاء الكمومي (GrailQuest) ، والتي ستطير حول كوكبنا وتجري قياسات فائقة الدقة للانفجارات البعيدة والقوية تسمى انفجارات أشعة غاما التي يمكن أن تكشف الطبيعة القريبة للزمكان.
لن تنطلق مثل هذه المهمة لمدة عقد ونصف على الأقل ، ولكن إذا فعلت ذلك ، فربما تساعد في حل بعض أكبر الألغاز المتبقية في الفيزياء.
