مرگ فضازمان - پايان نسبيت

[فلفل نمك]

قبل از اينكه ذهن مخاطب آمادة دريافت مطلب ومنظور اصلي اين نوشته شود، لازم مي‌دانم موضع مكانيك كلاسيك ونظريات نسبيت خاص وعام در قبال آنچه كه فضا مي ناميم روشن شود. همچنين صرف نظر از خصوصيات مفهوم فضا مانند تخت يا خميده بودن وبطور كلي چیستی آن، به نقشي كه در توضيح مفهوم حركت وتدوين قوانين آن ايفا مي كند توجه شود.
همانطور كه مي دانيم تعريف مكانيك به طور ساده از زبان يكي از بزرگان علم فيزيك، عبارت است از نشان دادن تغيير وضعيت اجسام در فضا بازمان، براي انجام اين كار جسم صلب مراجعه كه حركت نسبت به آن سنجيده مي شود تعريف ودستگاه مختصات دكارتي برآن چنان فرض مي كنند كه هرگونه حادثه يا وضعيت حركتي جسم رجوع داده شده را بتوان نسبت به محورهاي اين دستگاه با توجه به اصول انطباق مورد سنجش قرار داد. بسياري از مقدمات ذكر نشدة اين كار از جمله تعريف واحدهاي طول و زمان بركسي پوشيده نيست. همة اين مقدمات جهت بررسي وتدوين قوانين حركت برپاية پيش فرض بديهي مفهوم حركت يعني جابجايي وانتقال جسم از يك نقطه به نقطه ديگر با گذر از فضاي بين اين دو نقطه استوار شده اند. لازم است كه فضا حتماً متصل وپيوسته باشد زيرا در غير اينصورت جسم مي بايست از يك نقطه از فضا به نقطة ديگر برود بدون گذر ازهيچ نقطه‌اي.
فضا در مكانيك نيوتني محمل تخت ماده وميدان است واجسام برطبق قانون اول او در غياب نيرو در حال سكون يا حركتي مستقيم الخط ويكنواخت در فضا هستند.

[فلفل نمك]

در نظرية نسبيت خاص نيز آنچنانكه توسط باني آن عنوان شده است، همبافتة چهار بعدي مينكوسكي به عنوان محمل ماده وميدان است واگر ايندو از ميان برداشته شوند، محمل يعني فضا-زمان باقي خواهد ماند زيرا فضا زمان وجودي مقدم برماده ومستقل است. وبالاخره در نسبيت عام ميدان بازيگر نقش محمل وفضا وهندسة جهان است.
با همة تغييراتي كه در ساختار اين مفهوم( فضا) در روند تكامل نظريات بوجود آمده است، وظيفه ونقشي كه بخاطر آن در اذهان بوجود آمد، در همة نظريات ايفا مي شود ودر توضيح وتدوين قوانين حركت دخالت دارد.
نقش اين مفهوم اغلب به دو صورت درذهن متصور مي‌شود. اول جا ومكاني كه اجسام فيزيكي وداراي واقعيت خارج از ذهن اعم از ماده وميدان درون آن قرار دارند وساكن يا متحركند. دوم نقشي است كه بعنوان يك دستگاه مراجعه به هنگام بررسي حركت يا سكون اجسام بازي مي‌كند. به اين معنا كه نقاط يا مكانهاي مختلف آن مي‌تواند محلي براي قرار گرفتن ناظر باشد. درست مانند مكان ناظري كه مي تواند خود يا جسمي را كه برآن قرار دارد در مركز يك دستگاه مختصات دكارتي فرض كند وحركات وپديده ها را نسبت به محورهاي اين دستگاه بسنجد.

[فلفل نمك]

اكنون فرض كنيم ناظري برجسمي قرار دارد كه فارغ از نيرو ولخت است به عبارت ديگر يك ناظر گاليله‌اي است. از نظر اين ناظر تمام اجسام ديگر نسبت به دستگاه مختصاتي كه او برجسم خود فرض مي‌كند ساكنند يا متحرك. تمام اجسامي كه نسبت به دستگاه اين ناظر ساكنند، خود نيز نسبت به هم ساكنند ومي‌توان همة آنها رابا اجسام صلب به هم وبه جسم اين ناظر وصل كرد وبراي همه يك دستگاه مختصات فرض كرد. مي‌توان بر روي هر جسم از اين مجموعه ناظري همراه يك دستگاه مختصات فرض كرد .چون همه نسبت به هم ساكنند، دستگاه مختصات آنها نيز نسبت به هم ساكنند ويك شبكه را تشكيل مي‌دهند. براي كل اين شبكه يك دستگاه مختصات مي‌توان تصور كرد. در واقع هريك از اين ناظرين از نقاط يا مكانهاي مختلف اين دستگاه كلي به كار نظارت مشغولند. اگر جسمي نسبت به يكي از اين ناظرين در حال حركت باشد نسبت به بقيه نيز در حال حركت است وسرعت وجهت ومسير حركت آن براي همه يكي است.

[فلفل نمك]

تاريخچة مكانيك حاكي از اين است كه در روندتكامل نظريات در مورد حركت، از آموزه هاي ارسطو تا نسبيت عام، تعريف ومفهوم حركت بدون تغيير مانده است. به اين معنا كه حركت يعني جابجايي يك جسم از يك مكان به مكان ديگر يا انتقال آن از يك نقطه به نقطة ديگر. تاپيش از اثبات نسبي بودن حركت، براي ارسطو وپيروانش كه فقط از ديدگاه ناظر زميني حركت را مورد بررسي قرار داده بودند، مكانها يا نقاطي كه جسم طي مي‌كرد نقاطي مشخص ونامتغير بودند. به اين معنا كه ازهر نقطة جهان كه به حركت يك جسم نگاه شود مسير وجهت حركت يكي است. اما معلوم شد كه از ديد ناظريني كه خود نسبت به هم در حال حركتند، سرعت، جهت ومسير حركت يك جسم متفاوت است. با اثبات نسبي بودن حركت، توصيف حركت يك جسم مقيد به ذكر دستگاه مختصاتي شد كه با مراجعه به آن حركت جسم بررسي وتوصيف شده است. اما هيچگونه تغييري در مفهوم حركت حاصل نشد. در حالي كه تمام شاخصهاي حركت يك جسم يعني سرعت، جهت ومسير حركت آن از يك دستگاه مراجعه به دستگاه يا دستگاههاي مراجعة متحرك نسبت به هم متفاوت است بازهم حركت جسم به معناي جابجايي يا انتقال تلقي شده است. در نتيجه اندازه‌هاي حاصل شده از شاخصهاي حركت يك جسم در هر دستگاه مختصات به صورت يك طرفه فقط به خود جسم نسبت داده مي‌شود واعتبار آنها در هر دستگاه مراجعه درحدي است كه پاية تمام اندازه گيريهاي بعدي همچون اندازه حركت وانرژي جسم قرار مي‌گيرد.

[فلفل نمك]

اهميت اين سؤال هنگامي بخوبي روشن مي‌شود كه هم به اهميت واعتبار اندازه‌هاي حاصل شده در هر دستگاه ودر عين حال عدم اعتبار اين اندازه‌ها براي دستگاههاي ديگر توجه كنيم وهم به هدف اعلاي مكانيك يعني توصيف فضازماني حوادث وحركات از ديدگاه دستگاههاي مراجعه مختلف.
هدف از علم مكانيك اين است كه نشان دهد اجسام چگونه جاي خود را درفضا بازمان تغيير مي‌دهند. اما اولاً تغيير مكان جسمي كه مورد بررسي قرار مي‌گيرد براي ناظرين دستگاههاي مراجعة مختلف ومتحرك متفاوت است. ثانياً نمي‌توانيم نقطه‌اي از محيطي كه اجسام درون آن جابجا مي‌شوند يعني نقطه‌اي از فضا را پيدا كنيم كه بدون دخالت در حركت اجسام جابجايي آنها را مورد بررسي قرار دهيم وهرگونه تصوري از چنين نقطه‌اي بازهم از ديدگاه ناظري خواهد بود كه باديگر اجسام در حركت نسبي است.
بنابراين وبه ناچار تغيير مكان اجسام را بايد نسبت به يك دستگاه مراجعه سنجيد وبدون اينكه از دستگاه مراجعه ذكري شود، صحبت از تغيير مكان بي معناست.

[فلفل نمك]

نكته سوم كه از اهميت بيشتري برخوردار است اينكه در مكانيك علاوه بر مختصات عددي(x,y,z) كه براي هر نقطه از نقاط مسير جسم نسبت به دستگاه مختصات بدست مي‌آيد، هر نقطه متناظر با مكان فضايي جسم نيز محسوب مي‌شود. (اصطلاح مکان فضایی در اینجا معرف نقاط فضای متصور برای ناظر قرار گرفته روی یک دستگاه است که او با تکیه بر سکون دستگاهش نسبت به آن، حرکت دستگاههای متحرک نسبت به خود را درک می کند) به عبارت ديگر هر نقطه از نقاط مسير جسم متناظر با يك عضو از دو مجموعه است. يك مجموعه مختصات عددي نقاط نسبت به دستگاه مختصات وديگري مجموعه نقاطي كه بعنوان مكانهاي فضايي جسم فرض مي‌شوند. آنچه كه تصورفضا را در ذهن ناظر يك دستگاه مختصات تشكيل مي‌دهد، در واقع تصورنقاط مجموعة اخير در همه جهات دستگاه مراجعه تا بينهايت است. هر عضو از اين مجموعه مي‌تواند مكاني براي قرار گرفتن يك جسم باشد. كه نسبت به دستگاه مختصات مراجعه ساكن است و چنانكه ذكر شد براي معنا دار بودن جابجايي يك جسم متحرك اين مجموعه بايد نسبت به دستگاه مختصات ساكن باشند. گرچه اين نقاط فقط تصورات ذهني هستند، اما چون هر نقطه مي‌تواند متناظر بايك جسم باشد كه نسبت به دستگاه مختصات ساكن است ادعاي سكون يا حركت نسبت به اين نقاط معناي مشخص فيزيكي پيدا مي‌كند. بعنوان مثال اگر دو جسم نسبت به مكان فضايي متناظر با نقطه (x,y,z) در يك دستگاه مختصات كه محل قرار گرفتن يك جسم است ساكن باشند، خود نيز نسبت به هم ساكنند. به اين ترتيب ادعاي ناظر يك دستگاه مبني برجابجايي يك جسم نسبت به دستگاه او مشروط به فرض وجود مجموعة اين مكانها كه آن را محيط انتقال مي‌ناميم وهمچنين سكون دستگاه مختصات او نسبت به اين محيط است. در غير اين صورت نه سكون دستگاه مختصات او معناي مشخص فيزيكي دارد نه انتقال جسم.

[فلفل نمك]

هيچ راه گريزي از اين مسئله نيست وهندسة فضا چه به صورتي كه نيوتن توصيف كرده است وچه به صورت همبافتة فضا زماني آن در نسبيت خاص آنچنانكه مينكوسكي توصيف كرده است به عنوان محمل ماده وميدان وصحنة وقوع حوادث وحركات، با خود حركت و اصل نسبيت در تناقض است.
موضع مكانيك كلاسيك ونظريه نسبيت خاص در قبال مسئله فضا بخوبي توسط باني نسبيت خاص بيان شده است.
« در مكانيك كلاسيك كليه حوادث فيزيكي در پيوستة چهار بعدي محاط مي‌شوند. اما اين پيوستة چهار بعدي به يك بعد زمان وسه بعد فضا تقسيم ميشد. در نسبيت خاص پيوستة چهار‌بعدي قابل تقسيم به قسمتهاي فضا وزمان نيست. ساختمان چهار بعدي وغير قابل تقسيم مينكوسكي به عنوان محمل ماده وميدان تلقي مي‌شود واگر تصور كنيم كه ماده وميدان از ميان برداشته شوند، فضا زمان باقي خواهد ماند. توصيف حالات فيزيكي برمبناي اين اصل است كه فضا زمان را وجودي مقدم بر ماده وميدان ومستقل بدانيم»

[فلفل نمك]

اين برداشت از مفهوم حركت يعني انتقال وجابجايي جسم نسبت به دستگاه مختصات مرجع واندازه گيري ميزان آن منجر به چندين اشكال مي‌شود.
اول اينكه ناظرين قرار گرفته برچندين دستگاه كه نسبت به هم در حركتند، با تلقي حركت يك جسم رجوع داده شده به آنها به معناي جابجايي آن، دستگاه مختصات خود را نسبت به نقاطي فرضي كه فقط با فرض وجود آنها جابجايي جسم معنا دارد ساكن مي‌دانند. اين نقاط خود نسبت به هم ساكنند. در نتيجه همة دستگاهها نسبت به هم ساكن خواهند بود. با اين كار نقش نيروهايي كه باعث ايجاد حركت نسبي دستگاهها شده است به كلي ناديده گرفته مي‌شود.
دوم اينكه هر ناظر اندازه گير حركت نسبي دستگاه خود وجسم رجوع داده شده را به صورت يك طرفه فقط به جسم رجوع داده شده نسبت مي‌دهد زيرا عمل انتقال وجابجايي واندازةآن فقط مربوط به جسم رجوع داده شده است. از طرفي آنچه كه باعث مي‌شود اندازه‌هاي بدست آمده از حركت جسم رجوع داده شده در دستگاههاي مختلف متفاوت باشد به دليل اعمال نيروهاي مختلفي است كه باعث ايجاد حركت نسبي دستگاههاي اندازه‌گير شده است. به عبارت ديگر هر دستگاه با دستگاه ديگر داراي تفاوتي است كه نيرو ايجاد كرده است. اما در مكانيك كلاسيك ونسبيت خاص اختلاف وتفاوت بين دو يا چند دستگاه فقط از جنس جابجايي خطي است ونقش نيرو به كلي ناديده گرفته شده است. دستگاهها وناظرين آنها در حقيقت از مكانهاي مختلف يك دستگاه مختصات كه نقاط آن نسبت به هم ساكنند اقدام به اندازه گيري حركت جسم رجوع داده شده مي‌كنند وآنچه كه ناديده گرفته مي‌شود، يعني تفاوت هردستگاه با ديگري كه در اثر وارد شدن نيرو ايجاد شده است در اندازه‌هاي بدست آمده از حركت جسم رجوع داده شده بروز مي‌كند وفقط به اين جسم نسبت داده مي‌شود. آنچنانكه بايد فكر كنيم كه اين جسم علاوه بر حركت همزمان در مسيرهاي مختلف، سرعت خود را نيز بدون هيچ دليلي نسبت به هر دستگاه اندازه گير تغيير دهد.

[فلفل نمك]

وجود فضا بعنوان زمينه ومحيطي كه حركت به معناي جابجايي در آن صورت مي‌پذيرد، از اركان وملزومات اساسي فرمولبندي قوانين حركت در مكانيك كلاسيك ونظريات نسبيت است. براي اينكه حركت جسم يا پديدة بررسي شونده به معناي انتقال آن باشد ودر نتيجه بتوان ميزان آن را اندازه گيري وبصورت يك طرفه فقط به خود آن جسم يا پديده نسبت داد، لازم است دستگاه مرجع وناظر اندازه گير همراه آن نسبت به فضايي كه جسم درون آن منتقل مي‌شود ساكن باشد ودر صورتي كه دستگاه مرجع خود نيز در حال حركت باشد ناظر همراه آن مي‌بايست بتواندميزان انتقال دستگاه خودرا نسبت به محيط انتقال يعني فضا اندازه گيري كند وسپس به تركيب وتبديل سرعتها بپردازد. در آن صورت اصل نسبيت معنا نداشت وهمة حركات وپديده ها نسبت به يك دستگاه مراجعة متماز يعني فضا بررسي واندازه گيري مي‌شد.
اما ما دو اصل متضاد وناقض هم رابا هم پذيرفته‌ايم. از يك طرف اصل نسبيت را بدرستي پذيرفته‌ايم. به اين معنا كه همة اجسام لخت گاليله‌اي هنگامي كه بعنوان دستگاه مراجعه انتخاب مي‌شوند براي تدوين وبيان قوانين طبيعي هم ارزند وهيچ دستگاه مراجعة ممتازي وجود ندارد از طرف ديگر به اشتباه وبا تكيه براحساس سكون ناظر دستگاه مرجع حركت جسم يا پديدة رجوع داده شده را به معناي جابجايي وانتقال آن تلقي كرده‌ايم. با اينكار يك دستگاه سوم وپنهان را نيز در قانون حركت دخالت داده ايم. زيرا فقط با فرض وجود نقاط اين دستگاه است كه سكون دستگاه مراجعه وجابجايي جسم رجوع داده شده معناي فيزيكي وقابل اندازه گيري پيدا مي‌كند.

[فلفل نمك]

مي‌توانيم قضاوت در مورد حركت اين دو جسم را به عهدة ناظر سوم بگذاريم. موضوع مهم مكاني است كه ناظر سوم مي‌تواند برآن قرار بگيرد. اگر اين ناظر برجسمي سوم قرار گرفته باشد چند حالت قابل تصور است: اول اينكه اين جسم نسبت به جسم اول ساكن باشد كه در اين صورت نسبت به دستگاه دوم در حال حركت خواهد بود. دوم اينكه نسبت جسم دوم ساكن باشد كه دراينصورت نسبت به دستگاه اول در حال حركت خواهد بود. امكان سوم اين است كه جسم سوم نسبت به هر دو دستگاه اول ودوم در حال حركت باشد. در همة موارد مكاني كه ناظر سوم برآن قرار دارد جسمي است كه دست‌كم با يكي از دو دستگاه اول ودوم در حال حركت نسبي است. بنابراين فقط صورت مسئله به جسم سوم ودستگاه مراجعة او تعميم داده مي‌شود وقضاوت اومنوط به حل مسئله در حركت نسبي خود با اجسام اول ودوم است. اضافه كردن جسم چهارم وپنجم و000 نيز تعميم مسئله است ومشكلي حل نمي‌شود.
آيا نقطه يا مكاني براي قرار گرفتن ناظر سوم وجود دارد كه نسبت به هيچ يك از دو جسم اول ودوم حركتي نداشته باشد؟ روشن است كه يافتن چنين مكاني غيرممكن است زيرا وجود آن منوط به سكون جسم اول ودوم نسبت به يك نقطه ودر نتيجه سكون آنها نسبت به هم ونقض حركت نسبي آنهاست. روش بررسي واندازه‌گيري حركت در مكانيك كلاسيك ونسبيت خاص منجر به فرض وجود چنين نقطه يا نقاطي مي‌شود كه وجود آنها از لحاظ نظري غيرممكن است، زيرا در مكانيك توصيف معنادار مكان يك حادثة آني(يا مدت دار) مشروط به سكون نقطه يا مكان وقوع حادثه نسبت به هر دستگاه توصيف كننده است. به عبارت ديگر لازمه وشرط توصيف دقيق مكان وقوع يك حادثة آني وهمچنين توصيف تغيير مكان يك رويداد متغير از نظر مكاني اين است كه مكان وقوع حادثه يا مكانهايي كه تغيير از آنها صورت مي‌گيرد نسبت به دستگاه مختصات اندازه‌گير بدون تغيير وساكن باشند. بنابراين بايد چنين تصور كنيم كه نقطه يا نقاطي بعنوان محل وقوع حادثه يا مكان قرار گرفتن يك جسم وجود دارند كه نسبت به دو يا چند دستگاه كه نسبت به هم درحركتند، ساكنند. ويا برعكس دو يا چند دستگاه كه نسبت به هم درحركتند نسبت به يك نقطه ساكنند. اما اين به معناي سكون دستگاهها نسبت به هم ونقض حركت آنهاست.
اين نتيجه با اين تصور رايج كه فضا متصله وپيوسته‌اي است كه همة اجسام وحوادث را در برمي‌گيرد وهر نقطه از آن را مي‌توان يك نقطة جهان ناميد در تضاد است. تصور هر ناظر از فضا در دستگاه مختصات خويش بعنوان نقاط يا مكانهايي كه محل قرار گرفتن اجسام ساكن در همة جهات دستگاه او تابينهايت است، منفصل وجدا از همين تصور ناظرين دستگاههاي مراجعه ديگر است. فضاي قابل تصور توسط ناظر هردستگاه، از نظر ناظر دستگاه ديگرهمان رفتاري را دارد كه اجسام آن دستگاه دارند. بنابراين تصور فضا بعنوان كليتي يكپارچه ومتصل آنچنانكه همة اجسام وحوادث را دربربگيرد وبتوان مختصات نقاط آن را نسبت به يك دستگاه كلي كه بريكي از نقاط آن بنا شده است تعيين كرد، امكانپذير نيست.