فضاء

تُشكّل نظريات غاليليو وديكارت حول المكان والمادة والحركة أساس الثورة العلمية ، التي يُعتقد أنها بلغت ذروتها بنشر كتاب نيوتن " الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية" عام 1687. ^{[ 6 ]} ساعدت نظريات نيوتن حول المكان والزمان في تفسير حركة الأجسام. وبينما تُعتبر نظريته في المكان الأكثر تأثيرًا في الفيزياء، فقد انبثقت من أفكار أسلافه حول نفس الموضوع. ^{[ 7 ]}

بصفته أحد رواد العلوم الحديثة ، نقّح غاليليو الأفكار الأرسطية والبطلمية الراسخة حول مركزية الأرض في الكون. فقد أيّد نظرية كوبرنيكوس القائلة بأن الكون مركزه الشمس ، حيث تقع الشمس في المركز وتدور الكواكب - بما فيها الأرض - حولها. وإذا كانت الأرض تتحرك، فإن الاعتقاد الأرسطي بأن ميلها الطبيعي هو السكون يصبح موضع شك. أراد غاليليو أن يثبت بدلاً من ذلك أن الشمس تدور حول محورها، وأن الحركة طبيعية للجسم كحالة السكون. بعبارة أخرى، بالنسبة لغاليليو، فإن الأجرام السماوية، بما فيها الأرض، تميل بطبيعتها إلى الدوران في دوائر. وقد أزاحت هذه الرؤية فكرة أرسطية أخرى، وهي أن جميع الأجسام تنجذب نحو مكانها الطبيعي المحدد. ^{[ 8 ]}

سعى ديكارت إلى استبدال النظرة الأرسطية للعالم بنظريةٍ حول المكان والحركة تُحددها القوانين الطبيعية . بعبارة أخرى، سعى إلى إيجاد أساس ميتافيزيقي أو تفسير ميكانيكي لنظرياته حول المادة والحركة. كان الفضاء الديكارتي إقليديًا في بنيته - لانهائيًا، منتظمًا، ومسطحًا. ^{[ 9 ]} وقد عُرِّف بأنه ما يحتوي على المادة؛ وعلى العكس، فإن المادة بحكم تعريفها لها امتداد مكاني، بحيث لا يوجد شيء اسمه فراغ. ^{[ 6 ]}

يرتبط مفهوم ديكارت للفضاء ارتباطًا وثيقًا بنظرياته حول طبيعة الجسد والعقل والمادة. اشتهر ديكارت بمقولته "أنا أفكر، إذن أنا موجود"، أو فكرة أننا لا نستطيع أن نتيقن إلا من قدرتنا على الشك، وبالتالي التفكير، وبالتالي الوجود. تنتمي نظرياته إلى المدرسة العقلانية ، التي تُرجع المعرفة بالعالم إلى قدرتنا على التفكير لا إلى تجاربنا، كما يعتقد التجريبيون . ^{[ 10 ]} وقد طرح ديكارت تمييزًا واضحًا بين الجسد والعقل، وهو ما يُعرف بالثنائية الديكارتية .

بعد غاليليو وديكارت، تمحورت فلسفة المكان والزمان خلال القرن السابع عشر حول أفكار غوتفريد لايبنتز ، الفيلسوف والرياضي الألماني، وإسحاق نيوتن ، اللذين طرحا نظريتين متناقضتين حول ماهية المكان. فبدلاً من اعتباره كيانًا قائمًا بذاته بمعزل عن المادة الأخرى، رأى لايبنتز أن المكان ليس إلا مجموعة العلاقات المكانية بين الأشياء في العالم: "المكان هو ما ينتج عن الأماكن مجتمعة". ^{[ 11 ]} المناطق غير المأهولة هي تلك التي يمكن أن تحتوي على أشياء، وبالتالي علاقات مكانية مع أماكن أخرى. بالنسبة للايبنتز، كان المكان تجريدًا مثاليًا للعلاقات بين الكيانات الفردية أو مواقعها المحتملة، ولذلك لا يمكن أن يكون متصلًا بل منفصلًا . ^{[ 12 ]} يمكن التفكير في المكان بطريقة مشابهة للعلاقات بين أفراد الأسرة. فعلى الرغم من أن أفراد الأسرة مرتبطون ببعضهم البعض، إلا أن هذه العلاقات لا توجد بمعزل عنهم. ^{[ 13 ]} جادل لايبنتز بأن الفضاء لا يمكن أن يوجد بمعزل عن الأجسام في العالم، لأن ذلك يستلزم وجود فرق بين كونين متطابقين تمامًا باستثناء موقع العالم المادي في كل كون. ولكن بما أنه لا توجد طريقة رصدية للتمييز بين هذين الكونين، فإنه وفقًا لمبدأ هوية ما لا يمكن تمييزه ، لن يكون هناك فرق حقيقي بينهما. وبناءً على مبدأ السبب الكافي ، فإن أي نظرية للفضاء تفترض وجود هذين الكونين المحتملين لا بد أن تكون خاطئة. ^{[ 14 ]}

اعتبر نيوتن أن الفضاء يتجاوز مجرد العلاقات بين الأجسام المادية، وبنى موقفه على الملاحظة والتجربة. بالنسبة للمنظور العلائقي، لا يمكن التمييز بين الحركة القصورية ، حيث يتحرك الجسم بسرعة ثابتة ، والحركة غير القصورية ، حيث تتغير السرعة مع الزمن، لأن جميع القياسات المكانية نسبية إلى أجسام أخرى وحركاتها. لكن نيوتن جادل بأن الحركة غير القصورية، بما أنها تولد قوى ، يجب أن تكون مطلقة. ^{[ 15 ]} استخدم مثال الماء في دلو دوار لتوضيح حجته. يُعلق الماء في دلو بحبل ويُدار، فيبدأ بسطح مستوٍ. بعد فترة، ومع استمرار دوران الدلو، يصبح سطح الماء مقعرًا. إذا توقف دوران الدلو، يبقى سطح الماء مقعرًا مع استمرار دورانه. لذلك، من الواضح أن السطح المقعر ليس نتيجة حركة نسبية بين الدلو والماء. ^{[ 16 ]} بل جادل نيوتن بأن ذلك لا بد أن يكون نتيجة حركة غير قصورية بالنسبة للفضاء نفسه. ولعدة قرون، اعتُبرت حجة الدلو حاسمة في إثبات أن الفضاء يجب أن يوجد بشكل مستقل عن المادة.

في القرن الثامن عشر، نشر الفيلسوف الألماني إيمانويل كانط نظريته عن المكان باعتباره "خاصية من خصائص عقولنا"، والتي من خلالها "نُصوّر لأنفسنا الأشياء على أنها خارجة عنا، وكل شيء على أنه في المكان" في كتابه " نقد العقل الخالص " ^{[ 17 ].} ويرى كانط أن طبيعة الصفات المكانية هي "علاقات لا ترتبط إلا بشكل الحدس وحده، وبالتالي بالبنية الذاتية لعقولنا، والتي بدونها لا يمكن ربط هذه الصفات بأي شيء على الإطلاق" ^{[ 18 ]} . ويُطوّر هذا نظريته في المعرفة ، حيث يمكن أن تكون المعرفة بالمكان نفسه قبلية وتركيبية في آنٍ واحد ^{[ 19 ]} . ووفقًا لكانط، فإن المعرفة بالمكان تركيبية لأن أي قضية تتعلق بالمكان لا يمكن أن تكون صحيحة لمجرد معنى المصطلحات الواردة فيها. فعلى سبيل المثال، القضية "جميع الرجال غير المتزوجين عُزّاب" صحيحة بحكم معنى كل مصطلح فيها. علاوة على ذلك، فإن المكان قبلي لأنه شكل من أشكال قدراتنا الاستقبالية على تلقي المعلومات عن العالم الخارجي. فعلى سبيل المثال، يستطيع الشخص الكفيف إدراك الخصائص المكانية عن طريق اللمس والسمع والشم. إن معرفة المكان معرفة فطرية ، لأنها جزء من التكوين الذاتي لعقولنا، باعتبارها شكلاً أو طريقةً لإدراكنا البديهي للأشياء الخارجية.

احتوى كتاب أصول إقليدس على خمس مسلمات تُشكل أساس الهندسة الإقليدية. إحدى هذه المسلمات، وهي مسلمة التوازي ، كانت موضع نقاش بين علماء الرياضيات لقرون عديدة. تنص هذه المسلمة على أنه في أي مستوى يوجد فيه خط مستقيم L1 ونقطة P لا _تقع على _L1 ، يوجد خط مستقيم واحد فقط L2 ​​على _نفس المستوى يمر بالنقطة P ويكون موازيًا للخط المستقيم L1 _. حتى القرن التاسع عشر، لم يشكك أحد تقريبًا في صحة هذه المسلمة؛ بل انصب النقاش على ما إذا كانت ضرورية كمسلمة، أو ما إذا كانت نظرية يمكن اشتقاقها من المسلمات الأخرى. ^{[ 20 ]} ولكن في حوالي عام 1830، نشر المجري يانوش بولياي والروسي نيكولاي إيفانوفيتش لوباتشيفسكي، كلٌ على حدة، أطروحتين حول نوع من الهندسة لا يتضمن مسلمة التوازي، يُسمى الهندسة الزائدية . في هذه الهندسة، يمر عدد لا نهائي من الخطوط المتوازية بالنقطة P. وبالتالي، فإن مجموع زوايا المثلث أقل من 180 درجة ، ونسبة محيط الدائرة إلى قطرها أكبر من π . في خمسينيات القرن التاسع عشر، وضع برنارد ريمان نظرية مكافئة للهندسة الإهليلجية ، حيث لا تمر أي خطوط متوازية بالنقطة P. في هذه الهندسة، تكون زوايا المثلثات أكبر من 180 درجة، ونسبة محيط الدائرة إلى قطرها أقل من π.

على الرغم من وجود إجماع كانطي سائد في ذلك الوقت، إلا أنه بمجرد صياغة الهندسات غير الإقليدية، بدأ البعض يتساءل عما إذا كان الفضاء المادي منحنيًا أم لا. وكان كارل فريدريش غاوس ، عالم الرياضيات الألماني، أول من فكر في إجراء دراسة تجريبية للبنية الهندسية للفضاء. وقد فكر في اختبار مجموع زوايا مثلث نجمي ضخم، وهناك تقارير تفيد بأنه أجرى بالفعل اختبارًا، على نطاق صغير، عن طريق تحديد مواقع قمم الجبال في ألمانيا. ^{[ 21 ]}

قدّم هنري بوانكاريه ، عالم الرياضيات والفيزياء الفرنسي في أواخر القرن التاسع عشر، رؤيةً مهمةً حاول من خلالها إثبات عبثية أي محاولة لاكتشاف أي هندسة تنطبق على الفضاء عن طريق التجربة. ^{[ 22 ]} وقد تناول المأزق الذي سيواجه العلماء إذا ما اقتصرت أبحاثهم على سطح كرة كبيرة وهمية ذات خصائص معينة، تُعرف باسم " عالم الكرة" . في هذا العالم، يُفترض أن درجة الحرارة تتغير بطريقة تجعل جميع الأجسام تتمدد وتنكمش بنسب متقاربة في أماكن مختلفة على سطح الكرة. ومع انخفاض مناسب في درجة الحرارة، إذا حاول العلماء استخدام قضبان القياس لتحديد مجموع زوايا المثلث، فقد يُخدعوا فيعتقدون أنهم يسكنون سطحًا مستويًا، بدلًا من سطح كروي. ^{[ 23 ]} في الواقع، لا يستطيع العلماء من حيث المبدأ تحديد ما إذا كانوا يسكنون سطحًا مستويًا أم كرة، وقد جادل بوانكاريه بأن الأمر نفسه ينطبق على النقاش الدائر حول ما إذا كان الفضاء الحقيقي إقليديًا أم لا. بالنسبة له، كان اختيار الهندسة المستخدمة لوصف الفضاء مسألة اصطلاحية . ^{[ 24 ]} ولأن الهندسة الإقليدية أبسط من الهندسة غير الإقليدية، فقد افترض أن الأولى ستُستخدم دائمًا لوصف الهندسة "الحقيقية" للعالم. ^{[ 25 ]}

في عام ١٩٠٥، نشر ألبرت أينشتاين نظريته النسبية الخاصة ، التي أدت إلى ظهور مفهوم مفاده أن المكان والزمان يُمكن اعتبارهما بنية واحدة تُعرف باسم الزمكان . في هذه النظرية، تكون سرعة الضوء في الفراغ متساوية لجميع المراقبين، مما يعني أن حدثين يبدوان متزامنين لمراقب معين لن يكونا متزامنين لمراقب آخر إذا كان المراقبون يتحركون بالنسبة لبعضهم البعض. علاوة على ذلك، سيلاحظ المراقب أن الساعة المتحركة تدق ببطء أكثر من الساعة الثابتة بالنسبة له؛ كما تُقاس الأجسام أقصر في اتجاه حركتها بالنسبة للمراقب.

لاحقًا، عمل أينشتاين على نظرية النسبية العامة ، وهي نظرية تشرح كيفية تفاعل الجاذبية مع الزمكان. فبدلًا من اعتبار الجاذبية مجال قوة يؤثر في الزمكان، اقترح أينشتاين أنها تُعدّل البنية الهندسية للزمكان نفسه. ^{[ 26 ]} ووفقًا لهذه النظرية، يمر الزمن ببطء أكبر في المناطق ذات الجهد الجاذبي المنخفض، وتنحني أشعة الضوء في وجود مجال جاذبي. وقد درس العلماء سلوك النجوم النابضة الثنائية ، مؤكدين بذلك تنبؤات نظريات أينشتاين. ^{[ 27 ]} ويُستخدم عادةً علم الهندسة غير الإقليدية لوصف الزمكان. ^{[ 28 ]}

قبل أعمال ألبرت أينشتاين في الفيزياء النسبية، كان يُنظر إلى الزمان والمكان كبعدين مستقلين. أظهرت اكتشافات أينشتاين أنه بفضل نسبية الحركة، يمكن دمج المكان والزمان رياضيًا في كيان واحد هو الزمكان . اتضح أن المسافات في المكان أو في الزمان بشكل منفصل ليست ثابتة بالنسبة لتحويلات إحداثيات لورنتز، لكن المسافات في فضاء مينكوفسكي على امتداد فترات الزمكان ثابتة ، وهو ما يبرر التسمية.

بالإضافة إلى ذلك، لا ينبغي اعتبار بُعدي الزمان والمكان متكافئين تمامًا في فضاء مينكوفسكي. إذ يمكن للمرء أن يتحرك بحرية في المكان، لكن ليس في الزمان. وبالتالي، تُعامل إحداثيات الزمان والمكان بشكل مختلف في كل من النسبية الخاصة (حيث يُعتبر الزمان أحيانًا إحداثيًا تخيليًا ) والنسبية العامة (حيث تُخصص إشارات مختلفة لمكونات الزمان والمكان في مقياس الزمكان ).

علاوة على ذلك، تفترض نظرية النسبية العامة لأينشتاين أن الزمكان مشوه هندسياً - منحني - بالقرب من الكتل ذات الأهمية الجاذبية. ^{[ 30 ]}

إحدى نتائج هذه الفرضية، المستمدة من معادلات النسبية العامة، هي التنبؤ بوجود تموجات متحركة في الزمكان، تُعرف باسم موجات الجاذبية . ورغم وجود أدلة غير مباشرة على وجود هذه الموجات (في حركة نظام هولس-تايلور الثنائي ، على سبيل المثال) ^، فإن التجارب التي تسعى إلى قياس هذه الموجات بشكل مباشر لا تزال جارية في تعاوني ليغو وفيرجو . وقد أعلن علماء ليغو عن أول رصد مباشر لموجات الجاذبية في 14 سبتمبر 2015. [ ^{31 ] [ 32 ]}

تقودنا نظرية النسبية إلى السؤال الكوني حول شكل الكون وأصل الفضاء. يبدو أن الفضاء قد نشأ في الانفجار العظيم قبل 13.8  مليار سنة ^{[ 33 ]} ، وهو يتوسع منذ ذلك الحين. لا يُعرف الشكل العام للفضاء، لكن من المعروف أنه يتوسع بسرعة كبيرة نتيجة للتضخم الكوني .