چرا سیب از درخت می‌افتد؟

بيگ بنگ/ آيا فکر مي‌کنيد که جواب را مي‌دانيد؟ اولين جواب شما به احتمال زياد جاذبه يا گرانش است. خب درست. اما گرانش چيست؟ گفتن اينکه سيب مي‌افتد چون گرانش وجود دارد، جوابي بسيار مختصر است. بلي، گرانش وجود دارد اما دقيقا چطوري سيب را مي‌کشد؟ اين نيروي کشش چيست؟ خب بگذاريد تا خيالتان را راحت کنيم و بگوييم که اساسا چيزي به به اسم نيروي گرانش وجود خارجي ندارد. خير، صفحه را نبنديد، گرانش وجود دارد، اما نيرويي در کار نيست.

 تفکر نادرستي که نسبت به گرانش وجود دارد آن را با نيروهايي مانند نيروي الکترو مغناطيس که يک ميدان مغناطيسي ايجاد مي‌کند مقايسه مي‌کنند. براي درک درست اينکه گرانش چيست بايد خود را مجبور کنيد تا جهان را جوري ديگر ببينيد. اگر آماده يک شوک علمي هستيد پس با ما همراه شويد.

خب سيب چرا از درخت مي‌افتد؟ اين سوالي بود که احتمالا ذهن بسياري را در طول تاريخ به خود مشغول ساخته ولي تنها آيزاک نيوتن حوصله پرداختن به اين اتفاق روزمره را داشت و هم اکنون بسياري نيوتن را کاشف جاذبه مي‌دانند. ولي اين ادعا کمي مشکل دارد. گرچه نيوتن نخستين کسي بود که توانست جاذبه را محاسبه کند و با تکيه بر روابط رياضي بتواند حرکت اجرام مختلف را در فضا پيش‌بيني کند، اما قادر به توضيح چيستي گرانش نبود. او گرانش را « Force acting at a distance» ناميد. يعني نيرويي که از فاصله اثر مي‌گذارد. نيوتن قادر نبود تا فراي رياضيات، ماهيت گرانش را توضيح دهد و از همين رو آن را خصلت ذاتي اجسام مي دانست.

يعني هر جسمي يا هر جرمي، داراي نيرويي است که ديگر اجرام و اجسام را به خود جذب مي کند. البته اين مانعي براي محاسبه حرکت اجسام و حل مشکلات روزمره نبود. اکثر نيازهاي مهندسي آن زمان با نبوغ نيوتن پاسخ داده مي‌شد. اما وقتي که لازم بود تا حرکت اجرام آسماني بزرگ تر و دور از زمين پيش‌بيني شود، پاي اين محاسبات کمي مي‌لنگيد. اين ناشي از عدم درک چيستي گرانش بود. اينکه چرا و چه گونه دو جسم همديگر را مي‌ربايند پاشنه آشيل نيوتن بود. براي ساليان طولاني اين سوال در ذهن کسي نقش نبسته بود و اگر هم بود، شايد در توضيح آن مي‌ماندند. چه بسا که پاسخ در چنگ زمان است.

اين آلبرت اينشتين بود که توانست با درک ماهيت فضا و زمان به چيستي گرانش برسد. براي سادگي به جزئيات چگونگي  آن نمي‌پردازيم. از اين نقطه به بعد بايد درک پيشين خود از جهان را کنار گذاشته و آماده ديد نويني باشيد.

چيزي که اينشتين به آن پي برد اين بود که گرانش نيروي جادويي که نيوتن مي‌پنداشت نبود. اصلا گرانش نيرو نبود بلکه صرفا عارضه‌ي جانبي خم شدن بافت فضا است!  براي درک بهتر بايد متوجه باشيد که فضا بافت دارد که مي‌تواند مانند يک خمير نان کوچک و بزرگ شود. بله، بافت فضا مانند سطح يک پارچه کشي است که قابليت تغير شکل را دارد. اما چطور؟ خب اين تغير شکل يا به اصطلاح distortion تحت تاثير جرم ماده اتفاق مي‌افتد. هرجاي کيهان ما که جرمي وجود داشته باشد مي‌تواند بافت فضا را (عرض، طول، ارتفاع) را خميده کند.

---

بازار

---

عکس شماره يک

به اين عکس (عکس1) دقت کنيد. خورشيد و زمين هر دو بر روي بافت فضا قرار دارند. (در اينجا ما سه بعد فضا را به يک بعد کاهش داديم تا درک آن آسان‌تر شود). اين دو جسم چون داراي جرم هستند، يعني اتم دارند، باعث مي شوند که بافت فضا از حالت معمولي خود خارج شده و خميدگي پيدا کند. اين خصلت بافت فضا است که در مقابل هر جرمي واکنش نشان دهد. بله حتي بدن شما و موبايلي که در درست داريد چون جرم دارد بافت فضا را کمي تحريف مي‌کند (گرچه اين خميدگي بسيار ناچيز است). خب تا اينجا متوجه شديم که بافت فضا مي تواند مانند ژله يا يک پارچه کشي تحت تاثير جرم تغيير شکل دهد. صبور باشيد زيرا در حال نزديک شدن به سوال اوليه‌مان هستيم.

حال به تصوير زير بنگريد (عکس2). فرض بگيريد اين صفحه تک بعدي در اصل بافت(طول، عرض، ارتفاع) فضا است و آن نقطۀ قرمز سيب ماست. سيب ما در حال حرکت در مسير مستقيم خود است و بدون هيچ مزاحمي(نيروي وارده) در مسير فضا به حرکت مستقيم خود ادامه مي‌دهد. اگر نيرويي به آن وارد نشود از مسير خود منحرف نمي‌شود(اينرسي). اما بگذاريد اين سناريو را کمي دست کاري کنيم.

عکس شماره دو

حال اگر سيب ما در مسيرش به خورشيد، که به دليل جرم زيادش بافت فضا به طور قابل توجه منحرف مي‌کند، برسد  به سمت خورشيد حرکت مي کند(عکس 3). اشتباه نکنيد خورشد آن را نمي‌کشد و به سيب هيچ نيرويي وارد نمي‌شود. سيب در حال حرکت در مسير مستقيم خودش است و مسيرش ديگر مستقيم نيست چون جرم خورشيد فضا را خميده کرده. وقتي که فضا خميده شود، سيب هم چون در فضا حرکت مي‌کند به سمت خودش مي‌رود. مانند سيبي که در پيچ روخانه مي‌پيچد، نيرويي بر سيب وارد نشده است، اما مسير رودخانه تغير کرده و سيب هم به ناچار از آن تبعيت مي‌کند.

به همين دليل است که زمين حول خورشيد در مدار است. زمين در حال حرکت درمسير مستقيم خود بوده ولي جرم خورشيد چنان بافت فضا را خم کرده که و به دور خود پيچيده که زمين به دور خورشيد مي‌چرخد. اين اتفاق را گرانش مي‌گوييم. گرانش چيزي جز تغير مسير اجسام به علت خميدگي بافت فضا توسط جرم نيست. پس گرانش يک نيرو نيست تغير هندسۀ بافت فضا است. چيزي به اسم ميدان گرانش در واقعيت وجود ندارد، بلکه اين محدوده بافت فضا در جوار يک جسم جرم‌دار است که مسير اجسام را به خود منحرف مي‌کند.

عکس شماره سه

چيزي ديگري که بايد تصحيح شود اين است که در مثال ما مجبور بوديم تا سه بعد فضا را براي سادگي به يک بعد کاهش دهيم، ولي بايد متوجه باشد که فضا سه بعد دارد و اجسام را در بر مي‌گيرد، پس وقتي که يک جسم فضا را خم مي‌کند از همه طرف فضا را خم مي‌کند.(عکس 4)

عکس شماره چهار

پس هر جسمي که از هر کجاي زمين يا خورشيد رد شود در مسير خميده فضا به سمت آن را مي رود چون بافت فضا دور تا دور آن جسم خميده شده است(عکس 5).

عکس شماره پنج

اما هنوز يک مشکل وجود دارد تا بفهميم چرا سيب از درخت مي‌افتد. در اين مثال سيب فضانورد ما در حال حرکت است که وقتي مسيرش تغير مي‌کند به سمت خورشيد مي رود. اما اجسام دو حالت اوليه (اينرسي) دارند. قانون اول نيوتن را يادتان هست؟

“وقتي برآيند نيروهاي وارد بر جسم صفر باشد(يعني نيرويي به آن وارد نشود)، اگر جسم در حالت سکون باشد تا ابد ساکن مي‌ماند، و اگر جسم در حال حرکت (با سرعت ثابت) باشد تا ابد با همان سرعت و در همان جهت به حرکت ادامه مي‌دهد. به اين قانون، قانون لختي يا اينرسي هم مي‌گويند”.

خب ما حالت دوم را در نظر گرفتيم که سيب در حال حرکت با شتاب ثابت است. اما اگر سيب در حالت سکون باشد چه؟ وقتي که در حالت سکون باشد ديگر اگر مسيرش هم تغير کند نتيجه‌اي نخواهد داشت و به سمت آن جرم تغير مسير نمي‌دهد. مانند سيبي که از شاخه درخت آويزان است. اما اگر ما شاخه را ببريم چرا سيب به سمت زمين مي‌افتد؟ مگر سيب در حرکت بوده که در مسير خميده فضا به سمت زمين منحرف شود؟ بله در حرکت بوده. اما نه در بعد سه بُعد فضا بلکه در بُعد چهارم، زمان.

در اينجا به آخرين پله ي رسيدن به جوابمان هستيم پس خوب دقت کنيد. دوستان چيزي که اينشتين در مدل نسبيت عام خود ارائه داد يکپارچگي بافت فضا و زمان بود. زمان پديده‌اي جداي سه بُعد فضا نيست، بلکه بعد ديگري است که فقط ما قادر به ديدن و حس کردن آن نيستيم و فقط تاثير آن را روي ماده مي‌بينيم. مغز ما قادر به پردازش گذشته و آينده نيست و فقط مي توانند برش محدود “اکنون” را درک کند. زمان در کنار سه بُعد ديگر عرض، طول و ارتفاع، چهار بُعد بافت فضا-زمان را تشکيل مي دهد. ولي ما نمي‌توانيم هيچ جوره اين چهارمين بعد را به تصوير بکشيم، زيرا در بند سه بعد فضايي محدوديم. اما شايد بهترين نزديک‌ترين مثال همان مثال روخانه باشد.

 يک رودخانه داراي سه بُعد طول و عرض و ارتفاع (عمق آن) هست و آبي را که در آن مي گذرد را بعد زمان فرض مي گيريم. حال اگر شما با دستتان سيبي را در آب روخانه نگه داريد سيب نسبت به سه بُعد فضايي داراي سکون است اما نسبت به جريان آب چه؟ خير، آب (يا همان جريان زمان) بر سيب مي‌گذرد و از آن جايي که جريان زمان، امري نسبي است پس مي‌شود گفت که سيب در آب هم در حال حرکت است حتي با اينکه شما آن را گرفته‌ايد و نسبت به بستر رودخانه سکون دارد.

در واقعيت هم همين امر اتفاق مي‌افتد. تمام اجسامي که در سه بُعد فضا سکون دارند و از نظر ما بي‌حرکت‌اند، در بعد زمان در حالت حرکت هستند، ولي ما اين حرکت را حس نمي‌کنيم چون مغز ما جسمي سه بُعدي است و مادۀ سه بُعدي نمي‌تواند فراي اين سه بُعد را تجسم کند. مانند اينکه شما بخواهيد پارچ آبي را درون يک مربع دو بُعدي که بر روي کاغد نقاشي کرده‌ايد، جاي دهيد.

پس زمان يه مفهوم انتزاعي نيست و بعد ديگري از واقعيت است که بر همه اجسام در حال گذر است حتي اجسامي که در حالت سکون هستند(اگر سيب تا ابد هم تکان نخورد ولي فاسد که مي شود چون زمان بر آن جريان دارد). خب سيبي که از شاخه ي درخت آويزان است با اينکه حرکت فضايي ندارد ولي حرکت زماني دارد. و از آن جايي که زمان هم بعد ديگري از فضا است، وقتي که مسير فضايي سيب در اثر وجود جرم خميده شود، مسير زماني آن را خميده شده (يا به عبارتي زمان بر آن جسم آهسته‌تر مي‌گذرد). وقتي که سيب به هر دليلي از شاخه ي درخت رها شود، حرکت زماني آن به حرکت فضايي هم انتقال مي يابد. يا در مثال رودخانه ما، وقتي که سيبي را که با دست درون آب بگه داشته‌ايد رها کنيد، جريان آب(زمان) سيب را در مسير بستر رودخانه (سه بعد فضا) حرکت مي دهد.

پس بياييم در اينجا يک جمع بندي انجام دهيم. ما بافت فضا-زمان را در کيهان داريم که سه بعد فضايي و يک بُعد زماني دارد. اين بافت از هم جدا نيست و هرچه سرش بيايد بر هر چهار بعد تاثير دارد. اگر جرمي در اين بافت قرار بگيرد (زمين، خورشيد…) اين بافت را به سمت خود خميده مي‌کند( مانند وزنه اي که روي خمير نان مي گذاريد). وقتي که بافت فضا-زمان (هر چهار بُعد) خميده شود مسير تمام اجسامي که در حال حرکت با شتاب در خط مستقيم هستند هم تغير مي‌کند و به سمت آن جسم مي‌روند. حتي اگر جسمي در حالت سکون (فضايي) باشد، با اين حال چون در بعد زمان در حرکت است به سمت آن جسم تمايل دارد و به محض اينکه از سکون خارج شود( سيب از شاخه رها شود) به سمت زمين سقوط مي‌کند. و بدين صورت سيب از درخت مي‌افتد.

در اينجا به پايان توضيح رسيديم. ممکن است که هنوز دچار سردرگمي و ابهام باشيد که طبيعي است. براي درک پديده گرانش نياز است تا درک پيشين و سنتي از فضا، زمان، و حرکت را تغير دهيم که اين کمي دشوار است. بايد متوجه بود که فضا قابل تغير شکل است و زمان يک پديدۀ ثابت نيست بلکه بعد يا مسيري مضافي بر سه بعد فضا است که آن هم قابل تغير است. بايد درک از حرکت را تغير دهيم و بدانيم اجسام در حالت سکون در زمان در حرکت‌اند. بخاطر همين ميوه‌ها مي‌پوسند و آدم‌ها پير مي‌شوند و فلزات زنگ مي‌زنند. بله اين چيزها ناشي از تغيرات شيميايي هستند، اما اين تغيرات شيميايي چيزي جز حرکت مولکول‌ها هستند؟ خير حرکت اين مولکول و اتم و ذرات زير اتمي هستند که باعث تغير مي‌شوند. اين تغير را زمان مي‌گوييم. بخاطر همين است که نبايد حرکت و فضا را مجزاي بحث زمان دانست.  همۀ اينها صورت هاي مختلف يک چيز هستند.

اميدواريم که توانسته باشيم بحث گرانش را براي شما باز کنيم، اما براي اين کار مجبور بوديم شما را به سفري در عمق فضا-‌زمان ببريم.

نوشتار و ترجمه: فرهاد نامجو، ارشد مطالعات ترجمه دانشگاه شهيد باهنر کرمان
منابع بيشتر:
A new way to visualize General Relativity
Why gravity is not a force
howstuffworks.com , How does gravity work
What is gravity , space.com

به پيج اينستاگرامي «آخرين خبر» بپيونديد
instagram.com/akharinkhabar