الزمكان دمج لمصطلح الزمان والمكان، عبارة عن الفضاء بجميع أبعاده الأربعة، وهي العرض والطول والارتفاع والزمن، تشكل نسيج يحمل كل شئ في الكون، بحيث لا يوجد حدث أو شيء أو جسم خارج حدوده، ويعتبر مفهوم الزمكان مفهوم حديث في الفيزياء، وقد تم اقتراحه لأول مرة عام 1908، وفي هذا المقال سنوضح ما هو مفهوم الزمكان
ما هو مفهوم الزمكان
تعريف الزمكان:
الزمكان، في العلوم الفيزيائية، مفهوم يعترف بتوحيد المكان والزمان، الذي اقترحه عالم الرياضيات هيرمان مينكوفسكي لأول مرة عام 1908، كطريقة لإعادة صياغة نظرية النسبية الخاصة لألبرت أينشتاين 1905.
الحدس المشترك يفترض سابقا أي صلة بين المكان والزمان، تم اعتبار أن المساحة المادية عبارة عن سلسلة متصلة ثلاثية الأبعاد مسطحة، أي ترتيب لجميع مواقع النقاط المحتملة، التي تنطبق عليها افتراضات الإقليدية.
لمثل هذا المنوع المكاني، بدت الإحداثيات الديكارتية أكثر تكيفًا بشكل طبيعي، ويمكن استيعاب الخطوط المستقيمة بشكل ملائم.
كان يُنظر إلى الوقت بشكل مستقل عن المكان، باعتباره استمرارية منفصلة أحادية البعد، ومتجانسة تمامًا على امتداد مداها اللانهائي، يمكن اعتبار أي “الآن” في الوقت المناسب أصلًا يمكن أن تستغرق منه الفترة الماضية أو المستقبلية لأي لحظة زمنية أخرى.
تمثل أنظمة الإحداثيات المكانية المتحركة بشكل موحد، والمتصلة بكونوا زمنية متماثلة جميع الحركات غير المسرعة، الفئة الخاصة من الأطر المرجعية بالقصور الذاتي، كان الكون وفقًا لهذه الاتفاقية يدعى النيوتونية.
النظرية النسبية:
تستفيد نظرية أينشتاين العامة للنسبية (1916)، مرة أخرى من الفضاء الزماني ثلاثي الأبعاد، لكنها تضم تأثيرات الجاذبية، لم يعد يُنظر إلى الجاذبية كقوة، كما هو الحال في النظام النيوتوني، ولكن كسبب “للتزييف” في الزمكان، وهو تأثير تم وصفه صراحةً بواسطة مجموعة من المعادلات التي وضعها آينشتاين.
والنتيجة هي فضاء “منحني”، على عكس زمكان مينكوفسكي “المسطح”، حيث مسارات الجسيمات هي خطوط مستقيمة، في نظام إحداثي بالقصور الذاتي.
الفضاء المنحني:
في زمن أينشتاين المنحني، امتداد مباشر لمفهوم ريمان عن الفضاء المنحني (1854)، يتبع الجسيم خطًا عالميًا، أو الجيوديسيا، يشبه إلى حد ما الطريقة التي تتبعها كرة البلياردو، على سطح مشوه في اتباع مسار يحدده تزييفها أو التقويس السطح.
أحد المبادئ الأساسية للنسبية العامة هو أنه داخل الحاوية التي تتبع الجيوديسيا الزمكان، مثل المصعد في السقوط الحر، أو القمر الصناعي الذي يدور حول الأرض، فإن التأثير سيكون هو نفسه الغياب التام للجاذبية. مسارات الأشعة الضوئية هي أيضًا جيولوجيا في الزمكان، من نوع خاص تسمى “الجيوديسيا الفارغة”، سرعة الضوء مرة أخرى لها نفس السرعة الثابتة c.
النظرية النيوتونية:
في كل من نظريتي نيوتن وأينشتاين، فإن الطريق من كتل الجاذبية إلى مسارات الجسيمات هو طريق ملتوي، في الصيغة النيوتونية، تحدد الجماهير قوة الجاذبية الكلية في أي وقت، والتي تحدد بموجب قانون نيوتن الثالث تسارع الجسيم، تم العثور على المسار الفعلي، كما هو الحال في مدار الكوكب، من خلال حل المعادلة التفاضلية.
في النسبية العامة، يجب على المرء أن يحل معادلات آينشتاين، لموقف معين لتحديد البنية المقابلة للزمان، ثم حل مجموعة ثانية من المعادلات لإيجاد مسار الجسيم، ومع ذلك، من خلال استخدام مبدأ التكافؤ العام بين آثار الجاذبية والتسارع الموحد، كان آينشتاين قادرًا على استنتاج تأثيرات معينة، مثل انحراف الضوء عند تمرير جسم ضخم، مثل النجم.
الزمكان في نظرية أينشتاين:
تم تنفيذ أول حل دقيق لمعادلات آينشتاين، بالنسبة لكتلة كروية واحدة، بواسطة عالم فلك ألماني، كارل شوارزشيلد (1916).
بالنسبة إلى ما يسمى بالجماهير الصغيرة، لا يختلف الحل كثيرًا عن الحل الذي يوفره قانون الجاذبية لنيوتن، ولكنه يكفي لمراعاة الحجم غير المبرر سابقًا لتقدم الحضيض لعطارد. أدت الملاحظات الفلكية لنجوم الأقزام في نهاية المطاف الفيزيائيين الأمريكيين، روبرت أوبنهايمر و سنايدر (1939)، إلى افتراض حالات كثيفة للمادة.
تطبيق ورقة لاحقة من أينشتاين (1917) نظرية النسبية العامة على علم الكونيات، وفي الواقع تمثل ولادة علم الكونيات الحديث، في ذلك يبحث أينشتاين عن نماذج للكون بأسره، ترضي معادلاته وفقًا لافتراضات مناسبة حول بنية الكون على نطاق واسع، مثل “تجانسه” ، مما يعني أن الزمكان يبدو كما هو في أي جزء مثل أي جزء آخر، (“المبدأ الكوني”). في ظل هذه الافتراضات، بدا أن الحلول تعني أن الزمكان إما يتمدد أو ينكمش، ومن أجل بناء عالم لم يفعل ذلك، أضاف آينشتاين مدة إضافية معادلاته، ما يسمى “الثابت الكوني”. كشفت أدلة في وقت لاحق أن الكون لم يتوسع في الواقع، سحب أينشتاين هذا الاقتراح، ومع ذلك، فإن التحليل الدقيق لتوسع الكون خلال أواخر التسعينيات، دفع مرة أخرى علماء الفلك إلى الاعتقاد بأن ثابتًا فلكيًا ينبغي إدراجه بالفعل في معادلات آينشتاين.
المراجع
