زمان در فضا، دستاورد تقدیری دبستان مهر آیین در بخش سمینار

دوازدهمین دوره از پروژه های دانش آموزی تبیان نیز با یاری خداوند و حضور پر شور شما دوستان و علاقمندان به پایان رسید.
در این دوره از جشنواره تعداد 161  گروه در بخش های سمینار های علمی ، غرفه های نمایشگاهی و مسابقات به عنوان گروه های تقدیری، برگزیده و معرفی شدند.
بر آن شدیم تا با معرفی پروژه های گروه های تقدیری علاوه بر قدردانی از این دوستان نوآور، زمینه ای را برای ایده پروری سایر پژوهشگران علاقمند فراهم آوریم.
مقطع: دبستان
موضوع: زمان در فضا
نام مدرسه: مهر آیین
نام استاد: خانم الهام گارسچی
دانش آموزان: سجاد زارع، نریمان احمدی،‌ علی یار محمدی،‌ سروش جلال دوست،‌ نیاسان زین العابدین
چکیده:
فضا-زمان مفهومی است که بیشتر ما با آن آشنایی نداریم. اما درک این مفهوم برای درک جهانی که در آن هستیم، لازم است.
مقدمه:
معمولاً وقتی صحبت از فهم جهان می‌شود، چند مورد خاص مانند آزمایش گربه ‌ی شرودینگر، پارادوکس دو قلوها و فرمول E=MC2  هستند که مطمئناً همگان درباره‌ی آن‌ ها شنیده ‌اند. اما جهان ما در این سه مورد خاص خلاصه نمی‌شود. حدود ۱۰۰ سال پیش بود که آلبرت اینشتین مسئله‌ی نسبیت عام را تشریح کرد و شاید بتوان گفت که نسبیت عام بزرگ ‌ترین دستاورد وی در طول حیاتش بود، اما نسبیت عام تنها نام ساده‌ ای دارد و فهم آن برای افراد معمولی، دانش ‌آموزان و دانشجویان بسیار دشوار است. ما در این مطلب قصد داریم نسبیت عام و ماهیت فضا-زمان را به زبان ساده بیان کنیم تا بتوانید با یکی از مشهورترین نظریه‌ های جهان آشنا شوید.
پیش از توضیح خود نظریه و اینکه مفهوم فضا-زمان چیست، بگذارید با این موضوع شروع کنیم که در اصل ما چگونه جهان را تصور می‌ کنیم و می ‌شناسیم.
نخستین چیزی که باید بدانید این است که جهان ما بر پایه ‌ی «کوانتا » ساخته شده است و این ذرات امکان تعامل با یکدیگر دارند. ماکس پلانک، فیزیک ‌دان آلمانی،‌ برای نخستین بار از کلمه‌ی کوانتا برای جمع‌ بستن بسته ‌های کوانتوم استفاده کرد، این بسته ‌ها همگی دارای خواصی فیزیکی مانند وزن، بار، حرکت و... هستند. یک کوانتوم می ‌تواند ذره باشد، یک موج باشد یا هر چیز عجیب و غریبی که شما فکر کنید، فرم یک کوانتوم به این بستگی دارد که شما چگونه به آن می ‌نگرید. وقتی که دو یا چند کوانتا با یکدیگر در تعامل هستند، می ‌توانند ساختارهای بسیار پیچیده‌ نظیر فوتون ‌ها ، اتم ‌ها و مولکول ‌ها را به وجود آورند. فیزیک کوانتوم شاخه‌ای جدید از علم فیزیک است که در قرن ۲۰ به وجود آمد، اما ایده ‌ی ساخت جهان از ذراتی نامرئی که با یکدیگر در تعامل هستند، به حدود ۲۰۰۰ سال پیش و زمان دموکریت باز می‌گردد.
بحث ما ماهیت فضا-زمان است، پس وارد جزئیات ساختار جهان و ذرات تشکیل ‌دهنده‌ ی آن نمی‌ شویم، آن ‌چه برای ما اهمیت دارد، این است که بدانیم ذرات تشکیل ‌دهنده ‌ی جهان بر چه اساسی با یکدیگر تعامل دارند و آیا این تعامل بر دیگر پدیده‌ ها نیز اثر می‌گذارد یا خیر.
وقتی که آیزاک نیوتن مدل جهانی خود را در کتاب اصول فلسفه‌ی طبیعی توضیح داد، همه چیز را مطلق فرض کرد، وی گفت فضا در ذات خود مطلق است و بدون نیاز به چیزی خارجی، در همه جا یکسان است. دیدگاه وی در فیزیک کلاسیک پذیرفته شد و حتی بسیاری از ابهامات مکانیک نیوتنی را از بین برد، اما بیش از هر چیزی به دستگاه مختصات سه بعدی دکارتی شبیه بود (دستگاه مختصاتی با سه محور X، Y، Z) در جهان نیوتنی، زمان همواره با نرخی ثابت در حرکت است و همانند فضا، با هیچ چیز خارجی ارتباط ندارد و در ذاتش مطلق است. گفته‌ی نیوتن نشان می‌داد که تجربه فضا و زمان برای امواج ، ذرات، کوانتوم و حتی افراد یکسان است و تحت هیچ شرایطی تغییر نمی‌کند.
در این برهه از تاریخ بود که آلبرت اینشتین، نظریه‌ی نسبیت خاص را مطرح کرد. طبق این نظریه، برخی چیزها مانند سرعت نور یا جرم کلی ذرات، کمیت ‌هایی ثابت هستند، اما مقدار سایر چیزها به این موضوع بستگی دارد که چگونه در فضا و زمان حرکت می‌کنند. در سال ۱۹۰۷، پروفسور هِرمان مینکوفسکی که استاد اینشتین نیز به شمار می ‌رفت، به یک موفقیت خارق ‌العاده دست یافت، وی نشان داد که می‌ توان فضا و زمان را در قالب یک فرمول تصور کرد. وی پس از بیان این موضوع، بلافاصله یک فرمول توسعه داد که در آن فضا و زمان نیز حضور داشتند. این فرمول، پایه و اساس چگونگی حرکت و تعامل ذرات را در جهان نشان می ‌داد، بدون آن‌که جاذبه‌ به ‌عنوان یک نیرو در نظر گرفته شود.
اگر در جهان چیزی به نام نیروی گرانش وجود نداشته باشد، مدل فضای مینکوفسکی می ‌تواند پاسخگوی هر آن ‌چه می‌ خواهیم باشد. در این مدل، فضا و زمان ساده هستند، خمیده نمی ‌شوند و به ‌سادگی بستری برای ماده فراهم می ‌کنند که بتواند در آن حرکت کند و به‌ صورت لحظه ‌ای با دیگر ذرات تعامل داشته باشد. اما همه‌ ی ما می ‌دانیم تنها راه شتاب‌گرفتن، در تعامل بودن با چیز دیگری است، به عبارت دیگر، یک ذره برای شتاب‌ گرفتن باید به‌طور دائم با چیز دیگری در تعامل باشد، حتی اگر آن چیز خاص دیده نشود. در جهانی که ما در آن زندگی می‌ کنیم، نیرویی به نام «گرانش» وجود دارد که اساس بسیاری از پدیده‌ ها به‌ شمار می‌رود. اصل هم ‌ارزی اینشتین، نیروی گرانش را به‌ عنوان یک عامل نامرئی این چنین توصیف می‌کند:
گرانش، به‌ عنوان یک عامل شتاب‌ دهنده‌ی نامرئی عمل می‌کند و به شما یا هر چیز دیگری به‌ طور یکسان شتاب می ‌دهد، مگر آن‌که عامل شتاب ‌دهنده‌ی دیگری نیز وجود داشته باشد.  
اینشتین مفهوم گرانش در فضا-زمان و اهمیت آن را بیان کرد و سپس با تکیه بر مدل فضای مینکوفسکی و انجام معادلات ریاضی لازم، نظریه‌ی نسبیت عام را مطرح کرد. بین مدل فضای مینکوفسکی و فضای خمیده که در نظریه‌ی نسبیت عام به آن پرداخته می ‌شود، یک تفاوت ویژه وجود دارد و آن هم یک فرمول ریاضی است که با نام «تانسور ریمان» شناخته می‌شود. گئورگ فردریش برنهارد ریمان، یک ریاضی ‌دان آلمانی است که در قرن ۱۹ میلادی زندگی می‌کرد و از شاگردان یکی از بزرگ ‌ترین ریاضی‌ دانان تاریخ، یعنی کارل فریدریش گاوس بود. ریمان یک فرمول بسیار مهم را ارائه کرد، این فرمول بیان می‌کند چگونه میدان ‌ها، خطوط، فاصله ‌ها، قوس‌ها و... می ‌توانند وجود داشته باشند و در فضایی خمیده با بی‌شمار ابعاد مختلف، به ‌خوبی تعریف شوند. چیزی در حدود یک دهه زمان برد تا اینشتین و همکاران او توانستند بر پیچیدگی ‌های بسیار زیاد محاسبات ریاضی این فرمول غلبه کنند، اما وقتی کار با موفقیت به اتمام رسید، اینشتین نظریه‌ی نسبیت عام را مطرح کرد، نظریه ‌ای که جهان ما را در سه بُعد به همراه یک بُعد دیگر به نام زمان توصیف می ‌کند و این ‌بار جاذبه نیز در نظر گرفته می‌شود. این بزرگ ‌ترین دستاورد اینشتین بود و همانند یک بمب در دنیای فیزیک صدا کرد، این یک دستاورد بزرگ برای بشریت بود.
    
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه: نگار تجملیان-  تنظیم: محبوبه همت