فضا یکی از مفاهیم بنیادی در فیزیک است که طی تاریخ تغییرات زیادی کرده است. در گذشته، این مفهوم خلئی ثابت و بدون ویژگی خاص در نظر گرفته می‌شد اما با پیشرفت نظریه‌هایی مانند نسبیت عام و مکانیک کوانتومی، دیدگاه‌های جدیدی درباره آن شکل گرفت. امروز این محیط موجودی پویا و وابسته به زمان و انرژی شناخته می‌شود. در این مقاله، به ماهیت این مفهوم عجیب را بررسی می‌کنیم.
مفهوم فضا
به گزارش دیجیاتو، مفهوم فضا از دیدگاه فیزیک کلاسیک و فیزیک مدرن متفاوت است. در فیزیک کلاسیک، این مفهوم محیطی ثابت و بی‌تأثیر در نظر گرفته می‌شد. این مفهوم را نیوتن مطرح کرده بود و بر این فرض است که این محیط در نقش ظرفی خالی عمل می‌کند که اجسام در آن قرار دارند و حرکت می‌کنند، بدون اینکه فضا تحت‌تأثیر آنها تغییر کند. در این دیدگاه، فضا هیچ تأثیری بر زمان یا حرکت اجسام ندارد و مستقل از آنها وجود دارد.
با ورود نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین، مفهوم فضا متحول شد. انیشتین نشان داد فضا نمی‌تواند جدا از زمان در نظر گرفته شود و آنها به هم پیوسته‌اند؛ به‌عبارت‌دیگر، فضا و زمان «فضایی چهاربعدی» شناخته می‌شوند که با نام «فضا-زمان» از آنها یاد می‌شود. در این دیدگاه، فضا و زمان تحت‌تأثیر گرانش قرار دارند و اجسام سنگین می‌توانند آنها را منحرف کنند؛ بنابراین، فضا به ساختاری پویا و تغییرپذیر تبدیل می‌شود.
از نظر فلسفی این مفهوم پیچیده است. برخی فلاسفه معتقدند فضا واقعیت مستقلی است که وجود دارد اما برخی دیگر آن را صرفاً توهم انسان می‌دانند.
درنتیجه، فضا از مفهومی ساده به پدیده‌ای پیچیده و چندبعدی تبدیل شده که نه‌فقط جایی برای قرارگرفتن اجسام، بلکه جزئی اساسی در درک ساختار و تکامل کیهان شناخته می‌شود.
علم کیهان‌شناسی: فضا چیست؟
فضا (Space) در کیهان‌شناسی محیطی است که ستارگان، سیاره‌ها، کهکشان‌ها و سایر اجرام آسمانی در آن قرار دارند؛ به‌عبارت‌دیگر، فضا محیطی است که در آن همه چیزهایی که می‌بینیم و نمی‌بینیم، ازجمله نور، ذرات و امواج گرانشی، در حرکت و تعامل‌اند.
در این محیط برخلاف زمین، مواد فشرده و کنار هم قرار ندارند؛ به همین دلیل، این محیط خلأ در نظر گرفته می‌شود؛ یعنی در بیشتر نواحی، ماده‌ای که اطراف ما وجود دارد (مثل هوا و گازها) وجود ندارد اما به این معنا نیست که محیط خالی است؛ فضا در واقع پر از تابش‌های مختلف، ذرات ریز و میدان‌های گرانشی است؛ بنابراین، کیهان بیشتر شبیه به محیطی رقیق است که در آن انرژی‌ها و امواج مختلف جریان دارند.
از دیدگاه کیهان‌شناسی، فضا نه‌فقط مکانی برای قرارگرفتن اجرام است، بلکه تحت‌تأثیر گرانش تغییر نیز می‌کند. گرانش باعث می‌شود اجسام سنگین مانند سیارات و ستارگان فضا را دچار اعوجاج کنند؛ به بیان ساده‌تر خم کنند. این پدیده به‌ویژه نزدیکی سیاه‌چاله‌ها یا ستارگان نوترونی که جرم بسیار زیادی دارند، به‌شدت محسوس است. همان‌طور که گفتیم، فضا در واقع انعطاف‌پذیر است و تحت‌تأثیر عوامل مختلف، ازجمله جرم و انرژی، شکل و ویژگی‌هایش تغییر می‌کند.
یکی از ویژگی‌های مهم این مفهوم در علم کیهان‌شناسی این است که درحال انبساط است. طبق نظریه انفجار بزرگ (Big Bang)، فضا از نقطه‌ای بسیار داغ و متراکم آغاز شده و هنوز هم در حال گسترش است. این انبساط به معنای این است که کهکشان‌ها و ستارگان از هم دور می‌شوند و فاصله بین آنها روزبه‌روز بیشتر می‌شود. در آینده دور، این افزایش فاصله باعث می‌شود کهکشان‌ها به‌قدری از هم دور شوند که شاید دیگر نتوان آنها را مشاهده کرد.
تجربه انسان از فضا
انسان فضا را غیرمستقیم و از طریق ارتباط با محیط‌های مختلف تجربه می‌کند؛ برای مثال، نیروی گرانش به ما کمک می‌کند روی زمین بایستیم و این تجربه را می‌توان ارتباطی غیرمستقیم در نظر گرفت.
همچنین زمانی که فضا تحت‌تأثیر میدان گرانشی شدیدی قرار دارد، ممکن است اثرات آن را در حرکت زمان یا مسیر اجسام مشاهده کنیم، ولی اینها همه اثرات غیرمستقیم هستند، نه لمس مستقیم آن.
در دنیای فناوری، وقتی فضانوردان به خارج از جو زمین می‌روند، می‌توانند برخی ویژگی‌های فضا مانند بی‌وزنی یا تغییرات زمان را تجربه کنند ولی نمی‌توانند فضا را لمس کنند. در این حالت، محیط اطراف آنها بیشتر از طریق فناوری‌هایی چون سنسورها و ابزارهای مختلف درک می‌شود، نه تماس مستقیم. در واقع، فضا بیشتر مفهومی انتزاعی درک می‌شود که اثرات آن از طریق پدیده‌های فیزیکی مشاهده می‌شود.
فضا-زمان چیست؟
در فیزیک کلاسیک، فضا و زمان دو مفهوم جدا از هم بودند. فضا به‌عنوان یک محیط سه‌بعدی و زمان به‌عنوان یک پارامتر خطی و یک‌بعدی در نظر گرفته می‌شد. این دیدگاه به‌ویژه توسط نیوتن مطرح شد که معتقد بود فضا و زمان مستقل از یکدیگر عمل می‌کنند و به‌عنوان ابزاری برای اندازه‌گیری حرکت اجسام استفاده می‌شوند.
آلبرت انیشتین با نظریه نسبیت خاص، انقلابی در درک فضا و زمان ایجاد کرد. طبق این نظریه، فضا و زمان پیوندی بنیادی دارند و ساختاری چهاربعدی به نام «فضا-زمان» را تشکیل می‌دهند؛ یعنی حرکت در فضا می‌تواند بر گذر زمان تأثیر بگذارد و بالعکس. یکی از نتایج معروف این نظریه کند شدن زمان در سرعت‌های نزدیک به سرعت نور است. این پدیده نشان می‌دهد فضا و زمان نمی‌توانند جدا در نظر گرفته شوند.
مفهوم فضا از دید نظریه‌های مختلف
فضا و نظریه ریسمان
نظریه ریسمان یکی از نظریه‌های مهم و نوین فیزیک نظری است که تلاش می‌کند 4 نیروی بنیادین طبیعت (گرانش، الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای ضعیف و قوی) را در چارچوب واحدی توضیح دهد. طبق این نظریه، ذرات بنیادی که در فیزیک کلاسیک نقاط بدون ابعاد تصور می‌شدند، در واقع ریسمان‌هایی یک‌بعدی هستند که ارتعاش می‌کنند.
این ریسمان‌ها می‌توانند به روش‌های مختلف ارتعاش کنند و هر ارتعاش می‌تواند نمایانگر نوع ذره خاصی باشد؛ بنابراین، ماهیت فضا در نظریه ریسمان فراتر از مفهومی ساده از خلأ است، بلکه فضا شامل ابعادی اضافی و ساختارهای پیچیده‌ای است که هنوز کامل قابل‌مشاهده یا اندازه‌گیری نیستند.
یکی از جنبه‌های جذاب نظریه ریسمان این است که این نظریه پیشنهاد می‌دهد فضای ما نه‌فقط سه‌بعد معمولی (طول، عرض، ارتفاع) بلکه ابعاد اضافی نیز دارد. برخی از این ابعاد اضافی ممکن است به‌طور پیچیده‌ای در مقیاس‌های میکروسکوپی برهم‌نهی داشته باشند (جمع شوند) و نتوانیم آنها را مشاهده کنیم.
طبق این نظریه، این ابعاد اضافی در واقع می‌توانند در تشکیل ساختارهای بنیادی کیهان نقش داشته باشند و بر نحوه تعاملات ذرات بنیادی اثر بگذارند. این ابعاد اضافی که در مدل‌های مختلف نظریه ریسمان پیش‌بینی می‌شوند، به فضا و زمان ویژگی‌هایی اضافه می‌کنند که درک و اندازه‌گیری آنها در مقیاس‌های بزرگ بسیار دشوار است.
نظریه چندجهانی
در دیگر نظریه‌های علم فیزیک، مانند مدل چندجهانی (multiverse) که از نظریه‌های مختلف کیهان‌شناسی ناشی می‌شود، فضا نه‌فقط در بعد مکان و زمان بلکه در بُعدهای بیشتر و جهانی فراتر از کیهان ما در نظر گرفته می‌شود. طبق این مدل‌ها، فضا ممکن است چندین جهان موازی و مستقل داشته باشد که هرکدام قوانین فیزیکی متفاوتی دنبال می‌کنند. این ایده نه‌فقط ماهیت فضا را دگرگون می‌کند، بلکه مرزهای فیزیکی و مفهومی آن را به‌سمت ابهام و پیچیدگی‌های بیشتری سوق می‌دهد.
ماهیت فضا در مقیاس‌های مختلف: از مقیاس‌های کوانتومی تا مقیاس‌های کیهانی
در مقیاس‌های کوانتومی، نسبت به مقیاس‌های کیهانی ویژگی‌های پیچیده‌تری برای این مفهوم وجود دارد. در این مقیاس، فضا نه‌فقط زمینه‌ای بی‌اثر و ثابت دیده می‌شود، بلکه تحت‌تأثیر نوسانات کوانتومی نیز قرار دارد.
خلأ کوانتومی به‌عنوان محیطی خالی که در آن ذرات موقت به وجود می‌آیند و نابود می‌شوند، نمایانگر ویژگی‌های متفاوتی از فضا در مقیاس میکروسکوپی است. در این مقیاس، مفهوم فضا پیوسته و به‌شدت درحال تغییر است و ازآن‌جاکه اصول فیزیک کلاسیک در این مقیاس‌ها جوابگو نیستند، قوانین جدیدی مانند اصول عدم‌قطعیت هایزنبرگ مطرح می‌شود.
در مقیاس‌های بزرگ، مانند مقیاس کیهانی، این مفهوم در نقش زمینه‌ای برای وجود و تعاملات اجسام بزرگ و کهکشان‌ها عمل می‌کند. در این مقیاس، فضا گسترده و پیوسته درحال گسترش است. طبق نظریه بیگ‌بنگ، پس از انفجار بزرگ، فضا شروع به انبساط کرد و این انبساط همچنان ادامه دارد. انبساط کیهان نه‌فقط موجب تغییر فاصله‌ها میان کهکشان‌ها می‌شود، بلکه ساختارهای کیهانی همچون خوشه‌های کهکشانی و سیاه‌چاله‌ها را نیز تحت‌تأثیر قرار می‌دهد.
مابین مقیاس‌های کوانتومی و کیهانی، تأثیرات گرانش و فیزیک کوانتومی باید همزمان در نظر گرفته شوند. در این مقیاس‌ها، انحنای فضا-زمان به‌طور قابل‌توجهی درحال تغییر است و ممکن است اثرات گرانش در مقیاس‌های بسیار کوچک‌تر از مقیاس کیهانی مشاهده شود. این مقیاس‌ها درحال‌حاضر یکی از چالش‌های اصلی فیزیک‌اند و تلاش‌های زیادی در زمینه نظریه‌هایی مانند نظریه ریسمان و گرانش کوانتومی برای درک بهتر این فضا در جریان است.
درنهایت، اگرچه فضا در مقیاس‌های مختلف ویژگی‌های متفاوتی دارد، باید توجه کرد که تمامی این به‌طور یکپارچه با یکدیگر در ارتباط‌اند. نظریه‌های جدید می‌کوشند تئوری‌های مختلف فیزیک را به‌گونه‌ای ترکیب کنند که بتوانند ارتباط این مقیاس‌ها را توضیح دهند.
خلأ کوانتومی چیست؟
در فیزیک کلاسیک، خلأ به‌معنای فضایی کاملاً خالی از ماده و انرژی در نظر گرفته می‌شود؛ به‌عبارت‌دیگر، خلأ در فیزیک کلاسیک فضایی بدون هیچ ماده، امواج یا نیرویی است. در فیزیک کوانتومی، خلأ مفهومی پیچیده‌تری دارد. خلأ کوانتومی به فضای خالی گفته می‌شود که در آن ذرات پیوسته و موقت از هیچ چیزی به وجود می‌آیند و نابود می‌شوند. این ذرات به‌طور طبیعی در مدت بسیار کوتاهی وجود دارند و در فرایندی به نام «افت‌و‌خیزهای کوانتومی» دائم به وجود می‌آیند و می‌میرند.
در خلأ کوانتومی، هیچ‌گاه فضایی کاملاً خالی وجود ندارد. حتی در خلأ مطلق، نوسانات کوانتومی مداوم اتفاق می‌افتند. این نوسانات ذرات و پادذرات موقت ایجاد می‌کنند که به‌سرعت با یکدیگر نابود می‌شوند. این پدیده تأثیرات مهمی بر فیزیک ذرات بنیادی دارد و یکی از دلایل این است که هیچ‌گاه نمی‌توان خلأ را کامل خالی در نظر گرفت. علاوه‌بر این، خلأ کوانتومی پدیده‌هایی نظیر «انرژی خلأ» را ایجاد می‌کند که آن را منبع انرژی مرموز و مبهمی می‌دانند و در مقیاس‌های کیهانی ممکن است تأثیرات قابل‌توجهی بگذارد.
خلأ کوانتومی علاوه‌بر اینکه یکی از اجزای کلیدی فیزیک ذرات و مکانیک کوانتومی است، در برخی نظریه‌های مدرن فیزیک مانند نظریه ریسمان و مدل‌های کیهان‌شناسی نیز نقش دارد؛ برای مثال، انرژی خلأ می‌تواند اثراتی در انبساط کیهان بگذارد. در مدل‌های کیهان‌شناسی که به انرژی تاریک و انبساط شتابدار اشاره می‌کنند، خلأ کوانتومی منبع انرژی شناخته می‌شود که موجب تسریع انبساط کیهان در مقیاس‌های بزرگ می‌شود. این مفهوم یکی از بزرگ‌ترین معماهای کیهان‌شناسی معاصر است.
هندسه فضا به چه شکل است؟
فضا-زمان، مطابق تعریف نظریه نسبیت عام اینشتین، به‌صورت هندسه‌ای پیچیده و خمیده عمل می‌کند که تحت‌تأثیر جرم و انرژی دچار تغییر می‌شود؛ به بیان ساده‌تر، هر جسم سنگینی مانند ستاره یا سیاره می‌تواند ساختار هندسی فضا-زمان را منحرف کند و این انحراف باعث می‌شود اجسام اطراف آنها حرکت کنند؛ بنابراین در این نظریه، گرانش نه نیرویی کلاسیک، بلکه تغییری هندسی در فضا-زمان درک می‌شود.
در نظریه‌های فیزیک مدرن، هندسه کیهان می‌تواند به 3 حالت اصلی تقسیم شود: هندسه تخت (Euclidean)، هندسه کره‌ای و هندسه منفی یا هذلولی. هندسه تخت به این معناست که فضا مسطح است و قوانین هندسی معمولی بر آن حاکم است. در مقابل، هندسه کره‌ای به این معناست که فضا خمیده و شبیه سطح کره است. کیهان ما ممکن است هندسه‌ای کره‌ای داشته باشد که در آن مسیرهای نوری پس از حرکت از یک نقطه، به همان نقطه بازمی‌گردند.
یکی از جنبه‌های کلیدی ساختار هندسی کیهان در برخی مدل‌ها، انحناست. طبق مدل‌های مختلف کیهان‌شناسی، فضا می‌تواند مستقیم یا منفی منحنی شود و این انحنا می‌تواند روی شکل‌گیری ساختارهای بزرگ کیهانی نظیر کهکشان‌ها، خوشه‌های کهکشانی و حتی رفتار نور تأثیر بگذارد. همچنین گسترش کیهان نیز مستقیم با هندسه فضا ارتباط دارد.
مشاهدات نجومی مانند تابش زمینه کیهانی (Cosmic Microwave Background) و حرکت کهکشان‌ها مستقیم تأثیرات هندسی ساختار کیهان را نشان می‌دهند. این مشاهدات به ما کمک می‌کنند بفهمیم فضا مسطح است یا انحناهایی دارد. اندازه‌گیری دقیق این انحناها و بررسی ویژگی‌های فضا از طریق ابزارهای پیشرفته، به محققان کمک می‌کند مدل‌های هندسی دقیق‌تری از کیهان را بسازند و درک بهتری از تاریخچه و آینده آن داشته باشند.
جمع‌بندی
فضا در فیزیک مفهومی بنیادین است که در نظریه‌های مختلف تعاریف و ویژگی‌های متفاوتی دارد. در مکانیک کلاسیک، این مفهوم چارچوبی مطلق و ایستا در نظر گرفته می‌شود که در آن اجسام حرکت می‌کنند. نظریه نسبیت اینشتین این دیدگاه را تغییر داد و فضا را با زمان ترکیب کرده و ساختاری پویا معرفی کرد که تحت‌تأثیر جرم و انرژی خمیده می‌شود. در مکانیک کوانتومی، مفهوم پیچیده‌تر شده و با پدیده‌هایی مانند درهم‌تنیدگی کوانتومی پیوند می‌خورد.
در نظریه‌های مدرن مانند نظریه ریسمان و گرانش کوانتومی حلقوی، فضا ساختاری گسسته یا چندبعدی دارد که در مقیاس‌های کوچک رفتارهای متفاوتی از آنچه در فیزیک کلاسیک مشاهده می‌شود، نشان می‌دهد.
