The fundamentals of space-time: Part 1 - Andrew Pontzen and Tom Whyntie

پایه و اساس فضا-زمان: قسمت ۱ - اندرو پونتستن و تام وینتی

Translator: sadegh zabihi Reviewer: masoud paktinat

Space: it's where things happen.

فضا: جایی است که اتفاقات می‌افتند.

Time: it's when things happen.

زمان: وقتی است که اتفاقات می‌افتند.

We can measure where things are

می‌توانیم مکان اجسام

and when things take place,

و زمان وقوع وقایع را اندازه بگیریم،

but in modern physics,

اما در فیزیک مدرن،

we realize when and where

فهمیده‌ایم که کی و کجا

are actually part of the same question.

در واقع بخش‌هایی از یک سوال هستند.

Because when it comes to understanding the universe,

زیرا وقتی به درک کائنات می‌رسیم،

we need to replace three-dimensional space plus time

نیاز داریم که فضای سه بعدی و زمان را

with a single concept:

با مفهومی واحد جایگزین کنیم:

four-dimensional space-time.

فضا-زمان چهار بعدی.

We'll explore and explain space-time

فضا-زمان را در این مجموعه انیمیشن‌ها

in this series of animations.

شرح می‌دهیم و کاوش خواهیم کرد.

Animations?

انیمیشن؟

Yeah.

آره.

Well, we're not very animated are we?

خوب، ما خیلی پویا نمایی نشدیم، نه؟

Sure we are! Look, I can go from here to here.

معلومه که شدیم! ببین، می‌توانم از اینجا به اینجا بروم.

Whoa! How'd you get from here to there?

وای! چطور از اینجا به آنجا رفتی؟

How fast did you go?

با چه سرعتی رفتی؟

Did you run? Walk?

دویدی؟ راه رفتی؟

Did you even go in a straight line?

حتی آیا در یک خط مستقیم رفتی؟

Ah! To answer that, you'll need to make our cartoon physics

اَه! برای جواب آن، باید کارتون فیزیکی‌مان

look more like physics physics.

بیشتر فیزیک فیزیکی به نظر بیاید.

You'll need more panels.

به تابلوهای بیشتری نیاز داری.

More panels, please!

تابلوهای بیشتر، لطفاً!

Okay, in each panel, Andrew's in a slightly different place.

خوب، در هر تابلو، اندرو در موقعیتی کمی متفاوت قرار دارد.

So I can see each one records

پس می‌توانم ببینم هر کدام ثبت کرده

where Andrew is at a different time.

که اندرو در زمان‌های مختلف کجاست.

That's great. But it would be easier to see

خیلی عالی است. اما آسان‌تر می‌شد دید

what's going on if we could cut out

چه اتفاقی می‌افتد اگر می‌توانستیم تمام صد تابلو را

all the hundreds of panels and stack them up

ببریم و به هم بچسبانیم

like a flip book.

و یک کتاب تصویر متحرک درست کنیم.

Right, now let's flip through the book

خوب، حالا بیایید کتاب را ورق بزنیم

so that we can see one panel after another

تا بتوانیم تابلوها را یکی پس از دیگری ببینیم

getting through 24 in every second.

و در هر ثانیه از ۲۴ تصویر بگذریم.

See! I told you it was an animation.

ببین! گفتم که انیمیشن است.

Now you can see me walking along.

حال می‌بینید که من راه می‌روم.

Drawing all those panels and putting them into a flip book

کشیدن تمام آن تابلوها و چسباندن آنها به هم،

is just one way of recording the way I'm moving.

تنها یکی از راه‌های ثبت نحوه حرکت من است.

It's how animation, or even movies, work.

این طرز کار انیمیشن، یا حتی فیلم‌ها است.

As it turns out, at my walking speed,

همان‌طور که مشخص شد، در سرعت راه رفتن من،

it takes two seconds to get past each fence post,

دو ثانیه طول می‌کشد تا از جلوی هر نرده بگذرم،

and they're spaced four meters apart.

و آنها هم چهار متر با هم فاصله دارند.

So we can calculate my velocity --

پس می‌توانیم سرعت من را محاسبه کنیم --

how fast I'm moving through space - -

چقدر سریع دارم در فضا حرکت می‌کنم --

is two meters per second.

که دو متر بر ثانیه است.

But I could've worked that out from the panels

اما می‌توانستم بدون ورق زدن آنها

without flipping through them.

و از خود تابلوها هم نتیجه بگیرم.

From the edge of the flip book,

از لبه کتاب تصویر متحرک،

you can see all of the copies of the fence posts

می‌توانید تمام کپی‌های نرده

and all of the copies of Andrew

و تمام کپی‌های اندرو را ببینید

and he's in a slightly different place in each one.

و او در هر کدام در مکانی کمی متفاوت است.

Now we can predict everything that will happen to Andrew

حال وقتی کتاب را با سرعت ۲۴ صفحه در ثانیه ورق بزنیم،

when we flip through 24 pages every second,

می‌توانیم تمام اتفاقاتی که برای اندرو می‌افتد

including his speed of motion,

مثل سرعت حرکت او را

just by looking.

تنها با نگاه کردن پیش‌بینی کنیم.

No need to flip through at all.

هیچ نیازی به ورق زدن نیست.

The edge of this flip book

لبه این کتاب تصویر متحرک

is known as a space-time diagram

به عنوان نمودار فضا-زمان

of Andrew's journey through, you guessed it,

از سفر اندرو در، حدس بزنید،

space and time.

فضا و زمان شناخته می‌شود.

We call the line that represents Andrew's journey

خطی که جابجایی اندرو را نشان می‌دهد را

his world line.

خط جهانی او می‌نامیم.

If i jog instead of walking,

اگر به جای راه رفتن بدوم،

I might be able to get past a fence post every second.

می‌توانم از هر نرده در یک ثانیه بگذرم.

He's not very athletic.

او خیلی ورزشکار نیست.

Anyway, when we look at this new flip book from the edge,

به هرحال، وقتی از لبه به این کتاب تصویر متحرک جدید نگاه می‌کنیم،

we can do the same analysis as before.

می‌توانیم همان تحلیل‌های پیشین را انجام دهیم.

The world line for Andrew jogging

خط جهانی دویدن اندرو

is more tilted over

شیب بیشتری

than the world line for Andrew walking.

نسبت به خط جهانی راه رفتن او دارد.

We can tell he's going twice as fast as before

بدون ورق زدن صفحه‌ها

without flipping the panels.

می‌توان گفت با سرعتی دوبرابر قبل حرکت می‌کند.

But here's the clever bit.

اما نکته هوشمندانه اینجاست.

In physics, it's always good to view things from other perspectives.

در فیزیک، همیشه خوب است که هر چیز را از نقطه نظرهای مختلف ببینیم.

After all, the laws of physics

به هر حال، قوانین فیزیک

should be the same for everyone

یا باید برای همه یکسان باشند

or no one will obey them.

یا هیچ کس از آنها تبعیت نمی‌کند.

So let's rethink our cartoon

پس بیایید دوباره به کاتون‌مان فکر کنیم

and have the camera follow Andrew jogging along

و دوربین را وقتی اندرو می‌دود با او حرکت دهیم

as the fence posts approach and pass behind him.

تا نرده پشت سر او حرکت کند.

Still viewing it as a flip book of panels,

هنوز هم می‌توانیم آن را به صورت کتاب تصویر متحرک نشان دهیم،

we don't need to redraw anything.

و نیازی نیست چیزی را از نو بکشیم.

We simply move all of the cutout frames slightly

فقط به سادگی تمام صفحات را

until Andrew's tilted world line

کمی جابجا می‌کنیم تا خط جهانی کج اندرو

becomes completely vertical.

کاملاً عمودی شود.

To see why, let's flip it.

برای درک علت، بیایید آن را ورق بزنیم.

Yes, now I'm stationery, just jogging on the spot,

بله، حالا من ثابت هستم، فقط در نقطه

in the center of the panel.

در وسط صفحه می‌دوم.

On the edge of the flip book,

در لبه کتاب تصویر متحرک،

my world line was going straight upwards.

خط جهانی من صاف به بالا می‌رفت.

The fence posts are coming past me.

نرده دارد از من رد می‌شود.

It's now their world lines that are tilted.

حالا خط جهانی آن است که کج شده است.

This rearrangement of the panels is known as a

این بازچینی صفحات به عنوان

Galilean transformation,

تبدیل گالیله‌ای شناخته می‌شود،

and it lets us analyze physics from someeone else's perspective.

و به ما اجازه می‌دهد تا فیزیک را از نقطه نظر دیگری تحلیل کنیم.

In this case, mine.

در اینجا، نقطه نظر من.

After all, it's always good to see things from other points of view,

به هر حال، همیشه خوب است که هر چیز را از نقطه نظرهای مختلف ببینیم،

especially when the viewers are moving

مخصاصاً وقتی بیننده‌ها

at different speeds.

با سرعت‌های مختلف حرکت می‌کنند.

So long as the speeds aren't too high.

پس تا وقتی که سرعت‌ها خیلی بالا نیستند.

If you're a cosmic ray moving at the speed of light,

اگر شما یک پرتو کیهانی هستید که با سرعت نور حرکت می‌کند،

our flip book of your point of view falls apart.

کتاب تصویر متحرک ما از نقطه نظر شما از هم خواهد پاشید.

To stop that from happening,

برای اینکه جلوی این اتفاق را بگیریم،

we'll have to glue panels together.

باید صفحه‌ها را به بچسبانیم.

Instead of a stack of separate panels,

به جای چندین صفحه جدا از هم،

we'll need a solid block of space-time,

به بلوک یکپارچه‌ای از فضا-زمان نیاز داریم،

which we'll come to in the next animation.

که در انیمیشن بعدی بررسی خواهیم کرد.