المكان والزمان المطلقان

يُعدّ مفهوم المكان والزمان المطلقان مفهوماً في الفيزياء والفلسفة يتعلق بخصائص الكون. وفي الفيزياء، قد يُفضّل استخدام المكان والزمان المطلقين كإطار مرجعي .

يمكن ملاحظة شكل من أشكال مفهوم الفضاء المطلق (بمعنى الإطار المرجعي المفضل ) في الفيزياء الأرسطية . ^{[ 1 ]} يكتب روبرت س. ويستمان أنه يمكن ملاحظة لمحة من الفضاء المطلق في كتاب كوبرنيكوس " في دوران الأجرام السماوية " ، حيث يستخدم كوبرنيكوس مفهوم كرة ثابتة من النجوم. ^{[ 2 ]}

قدّم السير إسحاق نيوتن مفهومي الزمان والمكان المطلقين في كتابه "الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية" ، وشكّلا أساسًا نظريًا سهّل الميكانيكا النيوتونية . ^{[ 3 ]} ووفقًا لنيوتن، فإن الزمان والمكان المطلقين هما جانبان مستقلان للواقع الموضوعي: ^{[ 4 ]}

الزمن المطلق، الحقيقي والرياضي، يتدفق بذاته ومن طبيعته بشكل متساوٍ دون اعتبار لأي شيء خارجي، ويُسمى أيضاً بالمدة: أما الزمن النسبي، الظاهري والمشترك، فهو مقياس محسوس وخارجي (سواء كان دقيقاً أو غير متساوٍ) للمدة عن طريق الحركة، والذي يُستخدم عادةً بدلاً من الزمن الحقيقي...

بحسب نيوتن، يوجد الزمن المطلق بمعزل عن أي مُدرِك، ويسير بوتيرة ثابتة في أرجاء الكون. وعلى عكس الزمن النسبي، اعتقد نيوتن أن الزمن المطلق غير محسوس، ولا يُمكن فهمه إلا رياضيًا. ووفقًا لنيوتن، فإن البشر لا يستطيعون إدراك سوى الزمن النسبي، وهو قياس للأجسام المتحركة (كالقمر والشمس). ومن هذه الحركات، نستنتج مرور الزمن.

الفضاء المطلق، بطبيعته، وبغض النظر عن أي شيء خارجي، يبقى دائمًا ثابتًا لا يتغير. أما الفضاء النسبي فهو بُعد متحرك أو مقياس للفضاءات المطلقة، تحدده حواسنا من خلال موقعه بالنسبة للأجسام، ويُعتبر خطأً الفضاء الثابت. الحركة المطلقة هي انتقال جسم من مكان مطلق إلى آخر، والحركة النسبية هي الانتقال من مكان نسبي إلى آخر.

تشير هذه المفاهيم إلى أن المكان والزمان المطلقين لا يعتمدان على الأحداث الفيزيائية، بل هما بمثابة خلفية أو مسرح تحدث فيه الظواهر الفيزيائية. وبالتالي، لكل جسم حالة حركة مطلقة بالنسبة للمكان المطلق، بحيث يكون الجسم إما في حالة سكون مطلق، أو يتحرك بسرعة مطلقة . ^{[ 5 ]} ولدعم آرائه، قدم نيوتن بعض الأمثلة التجريبية: فبحسب نيوتن، يمكن استنتاج أن كرة دوارة منفردة تدور حول محورها بالنسبة للمكان المطلق من خلال ملاحظة انتفاخ خط استوائها، ويمكن استنتاج أن زوجًا من الكرات المربوطة بحبل يدوران دورانًا مطلقًا حول مركز ثقلهما ( مركز الثقل ) من خلال ملاحظة الشد في الحبل.

تاريخيًا، تباينت الآراء حول مفهومي المكان والزمان المطلقين. فقد رأى غوتفريد لايبنتز أن المكان لا معنى له إلا بوصفه الموقع النسبي للأجسام، وأن الزمان لا معنى له إلا بوصفه الحركة النسبية للأجسام. ^{[ 6 ]} واقترح جورج بيركلي أنه في غياب أي نقطة مرجعية، لا يمكن تصور دوران كرة في كون فارغ، ويمكن تصور دوران كرتين بالنسبة لبعضهما البعض، ولكن ليس حول مركز ثقلهما، ^{[ 7 ]} وهو مثال طرحه ألبرت أينشتاين لاحقًا في تطويره لنظرية النسبية العامة.

قدم إرنست ماخ صيغة أحدث لهذه الاعتراضات . يقترح مبدأ ماخ أن الميكانيكا تتعلق كلياً بالحركة النسبية للأجسام، وأن الكتلة تحديداً تعبير عن هذه الحركة النسبية. فعلى سبيل المثال، ستكون كتلة جسيم واحد في كون خالٍ من الأجسام الأخرى صفراً. ووفقاً لماخ، فإن أمثلة نيوتن لا تعدو كونها توضيحاً للدوران النسبي للكرات وبقية الكون. ^{[ 8 ]}

وبناءً على ذلك، عندما نقول إن الجسم يحتفظ باتجاهه وسرعته في الفضاء دون تغيير ، فإن تأكيدنا ليس أكثر أو أقل من إشارة مختصرة إلى الكون بأكمله . — إرنست ماخ ^{[ 9 ]}

يمكن النظر إلى هذه الآراء المعارضة للمكان والزمان المطلقين من منظور حديث على أنها محاولة لإدخال تعريفات عملية للمكان والزمان، وهو منظور تم توضيحه بشكل صريح في النظرية النسبية الخاصة.

حتى في سياق الميكانيكا النيوتونية، يرى الرأي الحديث أن الفضاء المطلق غير ضروري. وبدلاً من ذلك، حظي مفهوم الإطار المرجعي العطالي بالأولوية ، أي مجموعة مفضلة من الأطر المرجعية التي تتحرك بشكل منتظم بالنسبة لبعضها البعض. وتتحول قوانين الفيزياء من إطار مرجعي عطالي إلى آخر وفقًا لنظرية النسبية الغاليلية ، مما يؤدي إلى الاعتراضات التالية على الفضاء المطلق، كما أوضحها ميلوتين بلاغويفيتش: ^{[ 10 ]}

• إن وجود الفضاء المطلق يتعارض مع المنطق الداخلي للميكانيكا الكلاسيكية، لأنه وفقًا لمبدأ غاليليو النسبي، لا يمكن تمييز أي من الإطارات العطالية.
• لا يفسر الفضاء المطلق قوى القصور الذاتي لأنها مرتبطة بالتسارع بالنسبة لأي إطار من إطارات القصور الذاتي.
• يؤثر الفضاء المطلق على الأجسام المادية عن طريق إحداث مقاومتها للتسارع، لكن لا يمكن التأثير عليه.

أقر نيوتن نفسه بدور الأطر المرجعية العطالية. ^{[ 11 ]}

تكون حركات الأجسام الموجودة في حيز معين متماثلة فيما بينها، سواء كان هذا الحيز ساكناً أو يتحرك بشكل منتظم للأمام في خط مستقيم.

من الناحية العملية، غالباً ما تُعتبر الأطر المرجعية العطالية أطراً تتحرك بشكل منتظم بالنسبة للنجوم الثابتة . ^{[ 12 ]} انظر الإطار المرجعي العطالي لمزيد من التفاصيل حول هذا الموضوع.

الفضاء ، كما ^هو مفهوم في الميكانيكا النيوتونية ، ثلاثي الأبعاد وإقليدي ، وله اتجاه ثابت . ويُرمز له بـ ^E3 . إذا تم تثبيت نقطة O في E3 وتعريفها كنقطة أصل ، فإن ^موضع أي نقطة P في E3 يُحدد بشكل فريد بواسطة متجه نصف قطرها .${\displaystyle \mathbf {r} ={\vec {OP}}}$(ينطبق أصل هذا المتجه على النقطة O وينتهي عند النقطة P ). الفضاء المتجهي الخطي ثلاثي الأبعاد R³ هو مجموعة جميع متجهات ^نصف القطر. يُزوَّد الفضاء R³ بضرب قياسي ⟨ ^, ⟩.

الزمن كمية قياسية متساوية في جميع الفضاء E ³ ويرمز لها بـ t . تسمى المجموعة المرتبة { t } محور الزمن.

الحركة (أو المسار أو الطريق ) هي دالة r  : Δ → R ³ التي تحدد نقطة في الفترة Δ من محور الزمن إلى موضع (متجه نصف القطر) في R ³ .

المفاهيم الأربعة المذكورة أعلاه هي الأشياء "المعروفة" التي ذكرها إسحاق نيوتن في كتابه "الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية " :

لا أُعرّف الزمان والمكان والحركة على أنها أمور معروفة للجميع. ^{[ 13 ]}

كان مفهوما المكان والزمان منفصلين في النظرية الفيزيائية قبل ظهور نظرية النسبية الخاصة ، التي ربطت بينهما وأظهرت اعتمادهما على حركة الإطار المرجعي. في نظريات أينشتاين، حلت فكرة الزمكان محل فكرة الزمان والمكان المطلقين في النسبية الخاصة ، ثم حلت فكرة الزمكان المنحني محلها في النسبية العامة .

يشير التزامن المطلق إلى تزامن الأحداث في الزمن في مواقع مختلفة في المكان بطريقة متفق عليها في جميع الأطر المرجعية . لا تتضمن نظرية النسبية مفهوم الزمن المطلق لوجود نسبية في التزامن . فالحدث المتزامن مع حدث آخر في إطار مرجعي معين قد يكون في الماضي أو المستقبل بالنسبة لذلك الحدث في إطار مرجعي آخر، ^{[ 6 ] : 59،} مما ينفي التزامن المطلق.

في اقتباس من أبحاثه اللاحقة، عرّف آينشتاين مصطلح الأثير بأنه "خصائص الفضاء"، وهو مصطلح غير شائع الاستخدام. وذكر آينشتاين أن مفهوم "الأثير" في النسبية العامة لم يعد مطلقًا، إذ أن المسار الجيوديسي ، وبالتالي بنية الزمكان، يعتمد على وجود المادة. ^{[ 14 ]}

To deny the ether is ultimately to assume that empty space has no physical qualities whatever. The fundamental facts of mechanics do not harmonize with this view. For the mechanical behaviour of a corporeal system hovering freely in empty space depends not only on relative positions (distances) and relative velocities, but also on its state of rotation, which physically may be taken as a characteristic not appertaining to the system in itself. In order to be able to look upon the rotation of the system, at least formally, as something real, Newton objectivises space. Since he classes his absolute space together with real things, for him rotation relative to an absolute space is also something real. Newton might no less well have called his absolute space “Ether”; what is essential is merely that besides observable objects, another thing, which is not perceptible, must be looked upon as real, to enable acceleration or rotation to be looked upon as something real.

Because it was no longer possible to speak, in any absolute sense, of simultaneous states at different locations in the aether, the aether became, as it were, four-dimensional, since there was no objective way of ordering its states by time alone. According to special relativity too, the aether was absolute, since its influence on inertia and the propagation of light was thought of as being itself independent of physical influence....The theory of relativity resolved this problem by establishing the behaviour of the electrically neutral point-mass by the law of the geodetic line, according to which inertial and gravitational effects are no longer considered as separate. In doing so, it attached characteristics to the aether which vary from point to point, determining the metric and the dynamic behaviour of material points, and determined, in their turn, by physical factors, namely the distribution of mass/energy. Thus the aether of general relativity differs from those of classical mechanics and special relativity in that it is not ‘absolute’ but determined, in its locally variable characteristics, by ponderable matter.

تُلغي النسبية الخاصة مفهوم الزمن المطلق (مع أن غودل وآخرين يشكّون في إمكانية صحة الزمن المطلق في بعض أشكال النسبية العامة) ^{[ 17 ]} ، وتُقلّص النسبية العامة النطاق الفيزيائي للمكان والزمان المطلقين من خلال مفهوم الجيوديسيات . ^{[ 6 ] : 207-223.} يبدو أن هناك مكانًا مطلقًا بالنسبة للنجوم البعيدة لأن الجيوديسيات المحلية تنقل المعلومات من هذه النجوم، ولكن ليس من الضروري اللجوء إلى مفهوم المكان المطلق فيما يتعلق بفيزياء أي نظام، إذ تكفي الجيوديسيات المحلية لوصف زمكانه. ^{[ 18 ]}

• الوسائط المتعلقة بالفضاء والزمان المطلقين على ويكيميديا ​​كومنز