فضا در فیزیک

تعریف فضا در فیزیک مور اختلا ف است . عقا ید متنو عی که برای تعریف فضا استفا ده شده اند شامل موارد ذیل می با شند :

· سا ختا ری که با یک مجمو عه از " ارتبا طا ت فا صله ای" بین اشیا تعریف شده است .
· یک مانیفولد که به وسیله ی یک سیستم مختصا ت ( جا یی که یک شی می تواند قرار گیرد ) تعریف شده با شند .
· یک نهاد که تمام اشیا موجود در جهان را از تما س با یکدیگر با ز می دارد .

در فیزیک کلا سیک ، فضا یک فضا ی اقلید سی سه بعدی است ، جا یی که هر مو قعیتی با استفا ده از سه مختصا ت تو صیف می شود . فیزیک نسبیت از فضا – زمان به جا ی فضا استفا ده می نما ید ، فضا – زمان بصورت یک مانیفولد چهار بعدی مدل شده است . سؤ الا ت فلسفی در با ره ی فضا شامل :
آیا قضا مطلق یا به صورت خا لص نسبیتی است؟ آیا فضا یک هندسه ی صحیح دارد یا اینکه هندسه فضا یی فقط یک قرار داد است؟ شخصیت های بر جسته ی تا ریخی مثل آ یزا ک نیو تن[1] فضا مطلق است ( لایب نیتز )[2] فضا نسبیتی است و هنری پو آنکاره ) [3] هندسه فضا یی یک قرار داد است ، از سردمدارا ن این منا زعه می با شند . فضا بخش های نسبتاً خا لی کیهان است، بیرئن از اتمسفر سیا رات . گا هی بنام " فضا ی خا رجی " نا میده می شود تا از فضا ی هوا یی مکان های خا کی تمیز داده شود .

از آنجا یی که اتمسفر زمین هیچ سرا شیبی یا بریدگی نا گهانی ندارد ، بلکه بصورت تدریجی با افزا یش ارتفا ع دقیق می شود ، هیچ مرز مشخصی بین فضا و اتمسفر وجود ندارد . در زمین به افرادی که با لا تر از ارتفا ع 80 کیلو متری ( 50 مایل) سفر می کنند ، فضا نورد می گویند . ارتفا ع 120 کیلو متری ( 400000 فوت یا 75 مایل ) مرزی را تعیین می کند که اثرات اتمسفر در هنگام با زگشت قا بل تو جه می شوند .همچنین قا لباً ارتفا ع 100 کیلو متری ( 62 ما یلی) برای مرز بین اتمسفر و فضا استفا ده می شود .
[1] Isaac Newton
[2] Gottfried Leibniz
[3] Henri Poincare

سیر تحول تاریخی فضا

فضا مفهو می است که از دیر باز توسط بسیا ری از دا نشمندان مورد توجه قرار گرفته و در دوره های مختلف تا ریخی بر اساس رویکرد های اجتما عی و فرهنگی را یج ،به شیوه های گو نا گون تعریف شده است . مصریها و هندیها با اینکه نظرات متفا وتی در مو رد فضا داشتند ، اما در این اعتقاد اشتراک دا شتند که هیچ مرز مشخصی بین فضا ی درو نی تصور ( وا قعیت ذهنی ) با فضا ی بیرونی ( وا قعیت عینی ) وچود ندارد . در وا قع فضا ی درو نی ذهنی رو یا ها ، اسا طیر و افسا نه ها با دنیا ی وا قعی روزمره ترکیب شده بود .

آنچه بیش از هر چیز در فضا ی اسا طیری توجه را به خود معطوف می کند ، جنبه سا ختنی و نظا م یا فته فضا ست ، ولی این فضا ی نظام یا فته مربو ط به نو عی صورت اسا طیری است که بر خا سته از تخیل آفریننده میبا شد . در زبان یو نا نیان با ستان ، واژه ای برای فضا وجود ندا شت . آنها بجا ی فضا از لفظ ما بین استفاده می کردند . فیلسو فان یونان فضا را شی با زتاب می خواندند.

· افلا طون مسئله را بیشتر از دید گاه تیما ئوس [1] بررسی کرد و از هندسه به عنوان علم الفضا برداشت نمود ، ولی آن را به ارسطو وا گذا شت تا تئو ری فضا (تو پو ز ) را کا مل کند.


· از نظر ارسطو فضا مجمو عه ای از مکان هاست . او فضا را به عنوان ظرف تمام اشیا تو صیف مینما ید .ارسطو فضا را با ظرف قیا س می کند و آن را جا یی خا لی می داند که با یستی پیرا مو ن آن بسته با شد تا بتواند وجود داشته با شد و در نتیجه برای آن نها یتی وجود دارد . در حقیقت برای ارسطو فضا محتوای یک ظرف بود .
· لو کریتوس[2] نیز با اتکا به نظریا ت ارسطو ، از قضا با عنوان خلا یاد نمود . او می گوید : همه ی کا ئنات بر دو چیز مبتنی است : اجرام خلا ، که اجرام در خلا مکانی مخصوص به خود را دارا بوده و در آن در حرکت اند . در یو نان و به طور کلی در عهد با ستان دو نوع تعریف برای فضا مبتنی بر دو گرا یش فکری قا بل بررسی است :

تعریف افلا طون که فضا را بصورت یک هستی ثا بت و از بین نرفتنی می بیند که هر چه بو جود آید ، دا خل این فضا جای دارد . تعریف ارسطو یی که فضا را به عنوان topos یا مکان بیا ن می کند و آن را جز ئی از فضا ی کلی تری می داند که محدوده آن با محدوده حجمی که آن را در خود جای داده است ، تطا بق دارد . تعریف افلا طون موفقیت بیشتری از تعریف ارسطو در طول تا ریخ پیدا کرد و در دوره ی رنسا نس با تعا ریف نیو تن تکمیل شد و به مفهو م فضا ی سه بعدی و مطلق و متشکل از زمان و کا لبد ها یی که آن را پر میکنند ، در آمد.

· جیور دانو برو نو [3] در قرن 16 با استنا د به نظریه کپرنیک ، نظریه هایی در مقا بل نظریه ی ارسطو عنوان کرد . به عقیده او فضا از طریق آنچه در آن قرار دارد (جداره ها) ، درک می شود و به فضا ی پیرا مو ن یا فضا ی ما بین تبدیل می گردد . فضا مجمو عه ای است از روا بط میان اشیا و آنگونه که ارسطو بیا ن دا شته است ، حتماً نمی با یست که از همه سمت محصور و همواره نها یتی دا شته با شد .

در اوا خر قرون وسطی و رنسانس ، مجدداً مفهوم فضا بر اساس اصول اقلیدسی شکل گرفت . در عا لم هنر، جیو تو نقش مهمی را در تحول مفهوم فضا ایفا کرد ، بطوری که او با کار برد پرسپکتیو بر مبنا ی فضا ی اقلیدسی ، شیوه جدیدی برای سازمان دهی و ارا ئه فضا ایجاد کرد.

دوره ی رنسانس
با ظهور دوره ی رنسا نس ، فضا ی سه بعدی به عنوان تا بعی از پرسپکتیو خطی معرفی گردید که با عث تقویت برخی از مفا هیم فضا یی قرون وسطی و حذف برخی دیگر شد . پیروزی این شکل جدید از بیا ن فضا با عث توجه به وجود اختلا ف بین جهان بصری و میدان بصری و بدین ترتیب تما یز بین آنچه بشر از وجود آن آگاه است و آنچه می بیند، شد.

در قرون هفدهم و هجدهم ، تجربه گرا یی با روک و رنسانس، مفهوم پو یا تری از فضا را بوجود آورد که بسیا ر پیچیده تر و سا زماندهی آن مشکلتر بود . بعد از رنسا نس به تدریج مفا هیم متا فیزیکی فضا از مفا هیم مکا نی و فیزیکی آن جدا و بیشتر به جنبه های متا فیزیکی آن توجه شد، ولی بر عکس در زمینه های علمی ، مفهوم مکا نی فضا پر رنگ تر گشت.
نظریه دکارت

دکارت از تاثیر گذارترین اندیشمندان قرن 17 ، در حد فا صل بین دوران شکو فا یی کلیسا از یک سو و اعتلا ی فلسفه ارو پا از سویی دیگر ، می با شد . در نظریا ت او بر خصو صیت متا فیزیکی فضا تا کید شده است ، ولی در عین حا ل او با تا کید بر فیزیک و مکا نیک ، اصل سیستم مختصات را ست گوشه (دکارتی) را برای قا بل شنا سا یی کردن فا صله ها بکار برد که نمو دی از فر ضیه ی مهم اقلیدس دربا ره فضا بود . در روش دکا رتی همه سطوح از ارزش یکسا نی بر خوردارند و اشکا ل به عنوان قسمتهایی از فضا ی نا متنا هی مطرح می شوند . تا پیش از دکارت ، فضا تنها اهمیت و بعد کیفی داشت و مکان اجسا م به کمک اعداد بیا ن نمی شد . نقش عمده او دادن بعد کمی به فضا و مکان بود.

نظریا ت لا یب نیتز و نیو تن
لایب نیتز از طرفداران نظریه فضا ی نسبی بود و اعتقاد داشت ، فضا صرفاً نو عی سیستم است که از روا بط میا ن چیزهای بدمن حجم و ذهنی تشکیل می شود. او فضا را به عنوان نظا م اشیا ی همزیست یا نظا م وجود برای تمام اشیا یی که همزمان هستند ، می دید. بر خلا ف لا یب نیتز ، نیو تن به فضا یی متشکل از نقا ط و زما نی متشکل از لحظا ت با ور داشت که وجود این فضا و زمان مستقل از اجسام و حوا دثی بود که در آنها قرار می گرفتند.

در اصل ، او قا ئل به مطلق بودن فضا و زمان (نظریه فضا ی مطلق ) بود. به عقیده نیو تن فضا و زمان اشیا یی وا قعی و ظرف هایی به گسترش نا متنا هی هستند . درون آنها کل توالی رویداد های طبیعی در جهان ، جا یگاهی تعریف شده می یا بند . بدین ترتیب حرکت یا سکون اشیا در وا قع به وقو ع می پیوندد و به را بطه آنها با تغییرات دیگر اجسام مربوط نمی شود.

نظریه کا نت
1800 سال بعد از ارسطو ، کانت فضا را بعنوان جنبه ای از درک انسا نی و متما یز و مستقل از ماده ، مورد توجه قرار داد. او جنبه های مطلق فضا و زمان در نظریه ی نیوتن را از مرحله ی دنیا ی خا رجی تا ذهن انسان گسترش داد و نظریا ت فلسفه ی خود را بر اساس آنها پا یه گذاری کرد. به عقیده ی کانت فضا و زمان مسا ئل مفهو می و شهو دی هستند که دقیقاً در ذهن انسان و در سا ختار فکری او جا ی دارند و از ارگان های ادراک محسوب می شوند و نمی توانند قا ئم به ذا ت با شند .

فضا مفهو می تجربی و حا صل تجا رب به دست آمده در دنیا ی بیرونی نیست . می توانیم صرفاً فضا را از دید گاه انسان تعریف کنیم . فرا ی وضعیت ذهنی ما ، با زنمود های فضا به هر شکلی که با شد ، معنا یی ندارد ، چون که نه نشانگر هیچ یک از ویژگی ها و مقا دیر فضا ست و نه نشانی از آنها در را بطه شان با یکدیگر.بدین ترتیب و با این دید گاه آنچه ما اشیا ی خا رجی می نا میم ، هیچ چیز دیگری جز نمود های صرف احساس های ما نیستند که شکل شان فضا ست.
دید گاه هگل
هگل به حقیقت فضا و زمان معتقد نبود . در نظر او زمان صرفاً توهمی است که نا شی از عدم توا نا یی ما در دیدن کل است . در فلسفه برگسون نیز فضا بعنوان مشخصه ماده از قطع جریا نی بر می خیزد که حقیقت است.

برعکس زمان خصو صیت اساسی زندگی با ذهن است . به عقیده ی او زمان ، زمان ریا ضی نیست بلکه تجمع همگن لحظا ت است و زمان ریا ضی در وا قع شکلی از فضا ست .
[1] timaeus
[2] lucretius
[3] Giordano Bruno

نگاه اجمالی

انسان کنجکاو همواره در جریان پیشرفت علوم مختلف از فضا ی بالا ی سر خود غا فل نبوده است . و تلا ش فو ق العا ده زیا دی را جهت گشودن اسرار آن انجام داده است . انوا ع ماهواره های فضایی ، سفینه های فضایی ، تلسکوپهای گو ناگون از جمله ابزا ر و وسا یلی هستند که در این راستا توسط انسان ایجاد شده اند .
فیزیک فضا یکی از این شاخه های علم فیزیک است که تا اندازه ای پا سخگوی هزاران سوال موجود در ذهن بشر در مورد فضا می باشد . بخشی از فیزیک فضا که در آن اجرام آسمانی مورد مطالعه قرار می گیرد، مکانیک سماوی است . در این بخش نیرو های مؤثر بر حرکت اجسامی نظیر سیارات ، ما هواره ها و پروپهای مصنوعی مورد مطالعه قرار می گیرد.

فضا وا ژه ای است که در زمینه های متعدد و رشته های گو نا گون از قبیل فلسفه ، جا معه شنا سی ، معما ری و شهر سازی بطور وسیع استفاده می شود . لیکن تکثیر کار برد واژه فضا به معنی بر دا شت یکسان از این مفهوم در تمام زمینه های فو ق نیست ، بلکه تعریف فضا از دید گا ه های مختلف قا بل بررسی است .

مطا لعا ت نشان می دهد با وجود درک مشترکی که به نظر می رسد از این وا ژه وجود دارد ، تقریباً توا فق مطلقی در مورد تعریف فضا در مبا حث علمی به چشم نمی خورد و این وا ژه از تعداد معنا یی نسبتاً با لا یی برخوردار است و تعریف مشخص و جا معی وجود ندا رد که در بر گیرنده تما می جنبه های این مفهوم با شد . فضا یک مقو له ی بسیار عام است . فضا تما م جهان هستی را پر می کند و ما را در تمام طول زندگی احا طه کرده است و .... .
فضا ما هیتی جیوه ما نند دارد که چون نهری سیال ، تسخیر و تعریف آن را مشکل می سازد . اگر قفس آن به اندا زه کا فی محکم نبا شد ، به را حتی به بیرون رسو خ می کند و نا پدید می شود . فضا می تواند چنان نا زک ووسیع به نظر می آید که احساس وجود بعد از بین می رود ( برای مثال در دشتهای وسیع ، فضا کا ملاً بدون بعد به نظر می رسد ) ویا چنان مملو از وجود سه بعدی با شد که به هر چیزی در حیطه ی خود مفهومی خا ص بخشد .

با اینکه تعریف دقیق و مشخص فضا دشوار و حتی ناممکن است ، ولی فضا قابل اندازه گیری است . مثلاً می گو ییم هنوز فضا ی کا فی مو جود است یا این فضا پر است . نزدیکترین تعریف این است که فضا را خلای در نظر بگیریم که می تواند شی را در خود جای دهد و یا از چیزی آکنده شود . نکته ی دیگری که در مورد تعریف فضا با ید خا طر نشان کرد، این است که ماهواره بر اسا س یک نسبت که چیزی از پیش تعیین شده و ثابت نیست ، ارتبا طی میان نا ظر و فضا وجود دارد . بطوریکه مو قعیت مکا نی شخص ، فضا را تعریف می کند و فضا بنا به نقطه دید وی به صو رتهای مختلف قا بل ادراک می با شد .