نجوم و نوبل
حسن فتاحی.عضو هیئت تحریریه فصلنامه نقد کتاب علوم محض و کاربردی
کودکان از پرسیدن سؤالاتی که بزرگترها از پرسیدنِ آن خجالتزدهاند، هراسی ندارند.
«سِر راجر پنروز»، برنده جایزه نوبل فیزیک سال 2020
جایزه نوبل فیزیک سال 2020، کمتر از یک ماه قبل به سه دانشمند تعلق گرفت که پژوهشهایشان روی اجرامی آسمانی به نام سیاهچاله متمرکز است. فرهنگستان دانشهای سوئد سه پژوهشگر طرازاول را از میان بسیاری برگزید تا به پاس پژوهشهای پیشتازانه نظری و رصدی که قریب به 30 سال برایش وقت صرف کردهاند، شایسته اعطای مشهورترین جایزه علمی دنیا اعلام کند. فیزیکدان نظری و به تعبیری دقیقتر ریاضیفیزیکدان نامور بریتانیایی، «سِر راجر پنروز»، نیمی از جایزه را دریافت کرد و نیم دیگر به اشتراک و مقداری برابر به دو اخترفیزیکدان رصدی تعلق گرفت: «راینهارت گِنزِل» آلمانی و «آندرهآ گِز» آمریکایی. در بخش بعدی بیشتر درباره این سه دانشمند توضیح خواهم داد. ابتدا میخواهم کمی درباره مفهوم و ماهیت سیاهچاله به زبان بسیار ساده بگویم. بنابر قانون گرانش عمومی که مزیّن به نام «آیزاک نیوتن» است، ماده دارای کشش گرانشی است. هر چیزی که جرم دارد، کشش گرانشی هم دارد. هرچه جرم جسم بیشتر باشد، نیروی کشش گرانشی آن که ربایشی هم است، بیشتر خواهد شد. زمین کره ماه را در کمند گرانشی خود نگه داشته و خورشید، زمین را. احتمالا داستان سیب «نیوتن» را شنیدهاید که
زیر درخت سیبی نشسته بود. سیبی بر سرش افتاد و او به فکر فرو رفت و نیروی گرانش را کشف کرد. این داستان افسانه است و «نیوتن» این دستاورد بزرگ را در پی کارهای دانشمندان پیشینی مانند «گالیله»، «کوپرنیک» و «کپلر» به سرانجام رساند و صورتبندی ریاضی برای آن طرحریزی کرد. همه شما پرتاب یک موشک به فضا را دیدهاید. شمارش معکوس شروع میشود. موشک غولپیکر از سکوی پرتاب خود با روشنکردن موتورها و سوزاندن سوخت که به شکل شعلههای آتشین از دهانه خروجی آن خارج میشود، به سمت بالا به پرواز درمیآید. چه نیروی مرموزی است که سبب میشود سیب به راحتی روی سر عالیجناب «نیوتن» بیفتد و موشک باید با صرف سوخت فراوان از کمند آن فرار کند. آن نیروی مرموز نیروی گرانش است که روی شانههای غولهایی مانند «سِر آیزاک نیوتن»، «آلبرت اینشتین»، «راجر پنروز» و چند نفر دیگر استوار است. برای گریز از کمند گرانشی کره زمین باید انرژی جنبشی موشک به انرژی پتانسیل آن غلبه کند؛ یعنی موشک باید با سرعتی کمی بیش از 11 کیلومتر در ثانیه به سمت بالا پرواز کند تا بتواند از دام گرانش زمین بگریزد. کره ماه که تنها قمر سیاره زمین است، به دلیل جرم کمتر خود، سرعت فرار
کمتری هم دارد؛ چیزی در حدود دو کیلومتر بر ثانیه. در عوض ازآنجاییکه خورشید بسیار پرجرمتر است، سرعت گریز از سطح خورشید 620 کیلومتر بر ثانیه است. سرعت فراری 55 برابر بیشتر از زمین. یقینا همه شما خوانندگان عزیز شنیدهاید که هیچ چیز نمیتواند از سرعت نور و به عبارت دقیقتر امواج الکترومغناطیسی در خلأ سریعتر حرکت کند. در حقیقت سرعت نور حد بیشینهای است که فیزیک امروز آن را بهعنوان یک اصل نظری مبتنی بر تجربه پذیرفته است. سرعت نور 300 هزار کیلومتر در ثانیه است؛ یعنی نور مسافت بین زمین تا خورشید را که به طور متوسط 150 میلیون کیلومتر است، در هشت دقیقه میپیماید. حال تصور کنید جرمی وجود داشته باشد که سرعت فرار از سطح آن بیش از سرعت نور باشد؛ یعنی در خیال خود تجسم کنید روی جسمی ایستادهاید که مانند فضانوردان سوار بر موشکی هستید که برای گریز از سطح آن به سرعتی بیش از سرعت نور نیاز دارید. چنین چیزی در فیزیک ممکن نیست. به سیاهچالهها خوش آمدید. شما روی یک سیاهچاله ایستادهاید. شاید با خودتان فکر کنید چرا انگاره سیاهچاله به فکر «نیوتن» نرسید؟ دلیلش این است که اساسا مکانیک نیوتنی قادر به تولید سیاهچاله از دل معادلات
خودش نیست. دانشمندان تا پایان قرن هجدهم میلادی درک درستی از سیاهچالهها نداشتند؛ زیرا سازوکار تولید و شناخت سیاهچالهها نیازمند گام مهمی بود که «آلبرت اینشتین» برداشت و نسبیت عام را معرفی کرد. «اینشتین» نظریه نسبیت عام خود را 10 سال پس از نظریه نسبیت خاص، در سال 1915 ارائه داد. در واقع «نیوتن» نمیدانست علت گرانش چیست و «اینشتین» به این سؤال پاسخ داد. به زبان بسیار ساده، «اینشتین» نشان داد فضا و زمان درهمتنیده هستند و چیزی را پدید میآورند که ساختار چهاربعدیِ پیوستاری است که «فضا-زمان» مینامیم. نیروی گرانشی زاییده خمیدگی فضا-زمان پیرامون جسم دارای جرم است. «آلبرت اینشتین» خودش به وجود سیاهچالهها باور چندانی نداشت؛ اما یک سال بعد از ارائه نسبیت عام، دانشمند نامور آلمانی، «کارل شوارتسشیلد» معادلات نسبیت عام «اینشتین» را حل کرد و به دستهای از پاسخهای معنادار رسید که نویدبخش وجود واقعی و خارجی سیاهچاله بود. «شوارتسشیلد» نشان داد که میان چگالی ماده و فضا-زمان اطراف ماده رابطهای برقرار است. اگر چگالی ماده زیاد باشد، ماده متراکم چنان همه چیز را به سوی خود میکشد که گویی در ساختار فضا-زمان سوراخی پدید آمده
است و همه چیز را میبلعد. او از دل معادلات «اینشتین» مفهوم شعاع «شوارتسشیلد» را برای سیاهچالهها نهادینه کرد. اجازه دهید جمله کلیدی و مهمی را درباره سیاهچاله بگویم: ویژگی مهم سیاهچاله چگالی آن است، نه جرم آن. به زبان فنیتر آنچه باعث پدیدآمدن سیاهچاله میشود، تراکم بسیار زیاد ماده در حجمی اندک است. اگر کره زمین را با همین مقدار جرم که دارد، به اندازه یک تیله فشرده کنیم، به سیاهچاله تبدیل خواهد شد و اگر خورشید را که شعاع آن 700 هزار کیلومتر است، به توپی با شعاع سه کیلومتری فشرده کنیم، به سیاهچاله مبدل خواهد شد. «آلبرت اینشتین» در سال 1955 درگذشت و کمتر از 10 سال بعد از مرگ او فیزیکدان نیوزیلندی، «رُی کِر» نشان داد سیاهچالهها نباید ساکن باشند؛ بلکه باید در حال چرخش باشند و چند سال بعد عالیجناب «راجر پنروز» چندین مقاله مهم منتشر کرد که دو نکته مهم را در بر داشت: نخست اینکه مفهوم تکینگی را ارائه داد و مهمتر از آن نشان داد سیاهچالهها پیشبینی اجتنابناپذیر معادلات نسبیت عام هستند. این جمله را که خواندید، دلیل اصلی برندهشدن جایزه نوبل از سوی «راجر پنروز» بود.
برندگان جایزه نوبل چه کسانی هستند و چه کردند؟
قبل از اینکه به ادامه داستان سیاهچالهها بپردازم و نشان دهم این سه دانشمند چه کردند، خوب است کمی درباره هر سه نفر بیشتر بدانیم. نخستین فرد «سِر راجر پنروز» است که بسیاری از فیزیکدانان نسبیتکار و کیهانشناس از 20 سال پیش چشمانتظار اعطای جایزه نوبل فیزیک به او بودند، اما شواهد رصدی کافی برای اقناع آکادمی سلطنتی دانشهای سوئد در دست نبود تا وجود سیاهچالهها را یک بار و برای همیشه تأیید کند. «پنروزِ» بزرگ در سال 1931 در شهر اسکسِ انگلستان به دنیا آمد و در 26سالگی دکترای خود را از دانشگاه کمبریج دریافت کرد. عنوان پایاننامه دکترای او «روشهای تانسوری در هندسه جبری» و استاد راهنمایش ریاضیدان معروف «جان آرتور تاد» بود. «پنروز» برای سالهای طولانی که هنوز هم ادامه دارد، استاد برجسته دانشگاه آکسفورد است و هرچند حالا دیگر در 90سالگی بیش از پیش خانهنشین است، اما نام او همچون الماسی درخشان در میان استادان دانشگاه آکسفورد و دانشگاه سلطنتی لندن میدرخشد. او از همکاران نزدیک و طرازاول «استیون هاوکینگ» بود. اغراق نیست اگر بگوییم «پنروز» به لحاظ علمی حتی از «هاوکینگ» هم جایگاهی بالاتر داشت، اما چندان در انظار عمومی
حضور رسانهای نداشت. «پنروز» بدون هیچ شکی مرزهای فیزیک نظری را جابهجا کرده است و علاوه بر فیزیک حتی به پیشبرد علوم در حوزههای پیشتازانهای همچون علوم شناختی هم کارهای ارزندهای انجام داده و چندین کتاب به رشته تحریر درآورده است. او به شایستگی تمام جایزه نوبل فیزیک را در آستانه 90سالگی کسب کرد. «راجر پنروز» پیش از این نیز جوایز بسیار دیگری را کسب کرده بود و آلبوم افتخارات این نابغه فیزیکدان با نوبل کامل شد. در کارنامه کاری «پنروز» حتی یک کتاب را که کمی سلیقه بازاریپسند داشته باشد، پیدا نخواهید کرد. او در دنیای علم همواره پادشاهانه رفتار کرده است. «پنروز» 10 دانشجوی دکترای شاخص را هم فارغالتحصیل کرده و گفته شده خودش از دوست و همکارش «مایکل عطیه» که توپولوژیست برجستهای بود، الهام گرفته است. یکچهارم از جایزه به بانوی اخترفیزیکدان، «آندرهآ گِز» تعلق گرفت. نام دقیقتر او «آندرهآ میا گز» است. اخترشناس 55ساله آمریکایی که در سال 1965 در نیویورک به دنیا آمد. او تحصیلاتش را در انستیتو فناوری کالیفرنیا و انستیتو فناوری ماساچوست به اتمام رسانده و در حال حاضر در دانشگاه معروف یوسیالاِی استاد تمام
اخترشناسی است. این بانوی اخترفیزیکدان در سال 1993 از پایاننامه دکترای خود دفاع کرده و استاد او اخترشناس نامور جرالد نوگبائور بود. «گز» پژوهشهای خود را روی مرکز کهکشان راه شیری متمرکز کرده است و پیشازاین هم جوایزی مانند جایزه ماریا گوپرت مایر و مدال انجمن سلطنتی بکریان بریتانیا را هم از آنِ خود کرده بود. «آندرهآ گز» با بهرهگیری از رصدخانه بسیار معروف کک، در چند سال گذشته پژوهشهای مهمی را در کارگروه علمی خود به سرانجام رسانده است. شاید بد نباشد کمی هم درباره پیشینه خانوادگی او بگویم. او با زمینشناسی به نام «تام لاتورته» ازدواج کرده و صاحب دو پسر است. او شناگری حرفهای است و عضو یک گروه شنا. پیشینه خانوادگی او از سوی پدر به ایتالیا بازمیگردد. پدرش یهودی متولد ایتالیا بود که ریشههای خانوادگیاش به تونس و آلمان تعلق داشت. مادر خانم «گز» هم اصالت ایرلندی کاتولیک داشت. یکچهارم دیگر از جایزه نوبل فیزیک امسال در دستان «راینهارت گنزلِ» آلمانی قرار گرفت. او متولد 1952 در هامبورگ آلمان است؛ یعنی درست هفت سال پس از اتمام جنگ جهانی دوم و شکست آلمان. او دکترای خود را در سال 1978 از دانشگاه بُن دریافت کرد.
دانشگاه بُن در اخترفیزیک و کیهانشناسی دانشمندان ناموری دارد و محققان برجستهای تربیت کرده است. او در حال حاضر پژوهشگر استاد تمام و مدیر انستیتوی مطالعات فیزیک فرازمینی در مؤسسه ماکس پلانک، واقع در گارشینگ است. همچنین استاد تمام مدعو دانشگاه معروف لوودویگ ماکسیمیلیان مونیخ است و عضو افتخاری دانشگاه برکلی در آمریکا. «راینهارت» پیش از این هم جوایز مهمی مانند مدال آلبرت اینشتین و مدال کارل شوارتسشیلد را کسب کرده بود. به زبان دقیقتر «راینهارت» تاکنون و با احتساب جایزه نوبل فیزیک، هشت جایزه مهم را کسب کرده است. پدر «راینهارت گنزل» استاد فیزیک حالت جامد بود و اشتیاق او به علوم ریشه در خانه پدریاش دارد. او 42 سال پیش از زمان نگارش این مقاله دکترای خود را دریافت کرد و رهسپار آمریکا شد تا به مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونین بپیوندد. چند سالی را در آمریکا کار کرد تا اینکه به سال 1986، یعنی زمانی که هنوز آلمان غربی و شرقی بود، به مؤسسه ماکس پلانک پیوست. او هماکنون در 68سالگی مشغول پژوهش است. حال میخواهم به زبان بسیار ساده بگویم این سه دانشمند چرا جایزه نوبل فیزیک را از آنِ خود کردند. بالاتر اشاره کردم که
داستان سیاهچالهها از زمان «نیوتن» شروع شد و با نسبیت عام «اینشتین» به اوج خود رسید. «شوارتسشیلد» و چندین دانشمند نامور دیگر از دل معادلات «اینشتین» وجود سیاهچالهها را پیشبینی کردند. خوانندگان عزیز میتوانند برای مطالعه بیشتر درباره زندگی و دستاوردهای «شوارتسشیلد» به بخش بایگانی صفحه علم روزنامه «شرق» مراجعه و یادداشتی با عنوان «نابغهای در چنگال جنگ و مرگ» را به قلم نگارنده این مقاله بخوانند. بد نیست همینجا به دانشمندان ایرانی هم که از پژوهشگران خوب کشورمان در زمینه پژوهشهای نظری و رصدی سیاهچالهها هستند، اشاره کنم. «محمدمهدی شیخجباری» و «وحید تکوک»، هر دو استاد تمام فیزیک نظری هستند که پژوهشهای درجهیکی را درباره سیاهچالهها انجام دادهاند. «محمدمهدی شیخجباری» پژوهشگر طرازاول مرکز تحقیقات فیزیک نظری ایران است و با دانشمندان ناموری همکاری کرده است. درسنامههای ایشان در سایت درسی مکتبخانه درباره سیاهچالهها به رایگان در دسترس علاقهمندان است. «وحید تکوک» هم استاد ناموری است که مقالات پرارجاعی دارد و دو کتاب را هم به رشته تحریر درآورده است. در دیگر دانشگاههای کشور هم اندک پژوهشگرانی هستند که روی
سیاهچالهها کار کردهاند. «فاطمه شجاعی» یکی دیگر از فیزیکدانان زن و عضو هیئت علمی دانشگاه تهران است که سالها در این زمینه کار کرده است. زندهیاد «جلال صمیمی» هم از پژوهشگران درجهیک کشورمان بود که در مقطعی از تاریخ معاصر مورد بیمهری واقع شد، اما دست از تلاش و پژوهش برنداشت. او بعد از اینکه در نهایت شایستگی این افتخار را نصیب جامعه علمی کرد و به دانشگاه بازگشت، رصدخانه پرتوهای پرانرژی کیهانی را راهاندازی کرد و حتی موفق شد در مجله بسیار معتبر نیچر مقالهای منتشر کند و یکی از منابع پرتو ایکس یک کهکشانی را بهعنوان نامزد احتمالی سیاهچاله معرفی کند. بیشک زندهیاد استاد «جلال صمیمی» کم از «راینهارد گنزل» نداشت اما جور زمانه و جبر جغرافیایی داستان غمانگیز دیگری دارد. به داستان سیاهچالهها و نوبل بازگردیم. عالیجناب «راجر پنروز» گام مهمی برداشت و نشان داد وجود سیاهچالهها بر اساس معادلات نسبیت عام اجتنابناپذیر است؛ یعنی در طبیعت حتما سیاهچاله وجود دارد. اما در فیزیک تا چیزی آزمایش یا رصد نشود، یا در اصطلاح نِپاهِش نشود، امری قطعی و ثابتشده به حساب نمیآید. این موضوع صرفا مختص سیاهچالهها نیست. نظریه
مهبانگ یا آنچه برخی با تلفظ انگلیسی آن را بیگبنگ مینامند هم چنین بود. دانشمندانی مانند «جورج گاموف» و دیگران حامیان سرسخت نظریه مهبانگ بودند و در مقابل دانشمندان سرشناسی مانند «سِر فِرِد هویل» معروف و «آلبرت اینشتین» مدافعان نظریه حالت پایا. این کشمکش ادامه داشت تا اینکه «پنزیاس» و «ویلسون» تابش زمینه کیهانی را کشف کردند و بعدتر هم شواهدی مانند فراوانی هیدروژن و هلیوم به دست آمد و در کنار کشف انبساط عالم، نظریه مهبانگ مورد تأیید نظری و رصدی قرار گرفت. درباره ستارگان نوترونی، تپاختران و حتی ستارگان اولیه کیهان هم با درجاتی پایینتر از حساسیت و تنش چنین کشاکشی وجود داشت. اگر بخواهم در یک جمله بسیار ساده بگویم که «گنزل» و «گز»، دو اخترشناس رصدی چه کردند، چنین است: آنها وجود یک سیاهچاله اَبَرپرجرم را در مرکز کهکشان راه شیری اثبات کردند. اجازه دهید کمی درباره سامانه کهکشانی راه شیری توضیح دهم. راه شیری کهکشانی مارپیچی است که شامل بیش از 200 میلیارد ستاره است؛ حتی شاید چیزی در حدود 300 میلیارد ستاره. ستارگان غالبا در بازوهای کهکشانی قرار دارند و بسته به فاصلهشان از مرکز کهکشان، به دور مرکز کهکشان در حال چرخش
هستند. مثلا ستاره ما، خورشید، با سرعت 220 کیلومتر بر ثانیه به دور مرکز کهکشان گردش میکند. در دهه 60 میلادی اخترشناسان موفق شدند در طولموج رادیویی تا حدی سرعت ستارگان در مرکز کهکشان راه شیری را اندازهگیری کنند. نتیجهای که به دست آمد این بود که باید در مرکز کهکشان راه شیری جرمی بسیار پرجرم باشد. اما این جرم چه بود؟ آیا با قطعیت میتوانستیم بگوییم حتما سیاهچاله است؟ پاسخ هم بله است و هم نه. به پژوهشهای بیشتری نیاز بود. شاید با خودتان بگویید چرا اینقدر طول کشید تا این رصدها انجام شود. برای فهم دشواری رصد باید به دو نکته مهم توجه کرد. نخست مسافتهای نجومی است. فاصله ما تا مرکز کهکشان راه شیری چیزی در حدود 26 تا 27 هزار سال نوری است. یعنی نور با سرعت 300 هزار کیلومتر در ثانیه به 26 هزار سال زمان نیاز دارد تا به ما برسد. مسافت و فواصل نجومی یکی از دشواریهای پژوهشهای نجومی است و متناسب با افزایش فاصله تکنیکهای رصدی و پیچیدگیهای رصدی و فنی هم بیشتر میشود. بنابراین رصد دقیق مرکز کهکشان کار آسانی نیست. نکته مهم بعدی که باید دقت کرد ابرهای بزرگ مولکولی و غبار کیهانی است که گویی ستارگان درون آن پنهان
شدهاند. تصور کنید روی نوک قله کوهی فانوسی روشن است و باد آن را تکان میدهد. همهجا را غبار و مه گرفته است و حالا میخواهید آن فانوس را روی نوک غبارگرفته کوه رصد کنید. کار اخترشناسان رصدی از این توصیف هم بهمراتب دشوارتر است. برای رصد سیاهچاله مرکز کهکشان راه شیری، هم به تلسکوپهای مدرن نیاز داریم و هم به تکنیکهای نوین. گروه پژوهشی «گز» با بهرهمندی از تلسکوپهای پیشرفته واقع در شیلی به رصد پرداختند و گروه پژوهشی «گنزل» با رصدخانههای مستقر در هاوایی. تکنیک یا به زبان فارسی، فنی که برای این پژوهش به کار بستهاند، اپتیک سازگار یا اپتیک تطبیقی نام دارد. اپتیک سازگار به زبان ساده فرایندی است که در آن از روشهایی برای کاهش عوامل کاهنده کیفیت رصد، ازجمله اعوجاج و آشفتگی جوی و نیز انواع آلودگیهای جوی و فراجوی استفاده میشود. کاری که این دو گروه مستقل از هم انجام دادهاند، به این شرح است: آنها 30 ستاره را به مدت 27 سال مورد رصد دقیق و مداوم قرار دادهاند. سرعت حرکت این ستارگان و مداری را که دور مرکز کهکشان گردش میکنند، محاسبه کردهاند و به این نتیجه رسیدهاند که در مرکز کهکشان راه شیری سیاهچالهای اَبَرپرجرم
وجود دارد. همانطورکه در بالا اشاره کردم، خورشید با سرعتی برابر 220 کیلومتر بر ثانیه به دور مرکز کهکشان دور میزند. اما یکی از ستارگانی که گروه پژوهشی «گنزل» آن را زیر نظر گرفتند و رصدهای دقیق انجام دادند، با سرعتی برابر هفتهزارو 700 کیلومتر بر ثانیه حول مرکز کهکشان میچرخد. داده رصدی این دو گروه از دو موضوع مهم پرده برداشته است. یکی انتقال به سرخ نسبیتی و دیگر پیشبینی مداری. حالا دانشمندان با قطعیت میدانند که در مرکز کهکشان راه شیری، سیاهچالهای با جرم چهارمیلیونو 200 هزار برابر جرم خورشید و در شعاعی صد برابر شعاع زمین تا خورشید، حکمرانی میکند. جایزه نوبل فیزیک امسال، مانند سال گذشته به اخترفیزیکدانان تعلق گرفت و این رویداد حاکی از آن است که با تمام دشواریهای گونه انسان روی زمین، حس کنجکاوی او درباره آسمان بالای سرش روزبهروز بیشتر میشود. دانش نجوم در دوره طلایی به سر میبرد و خوب است امیدوار باشیم کشور ما هم بتواند در آینده، هرچند آینده دور، در فضای شفاف علمی و به دور از غلبه جوزدگی به پشتکار، با تکیه بر مدیریت درست علمی و نیروی انسانی، سهمی در جوایز علمی جهان و پیشبرد علم بشری داشته باشد.
جایزه نوبل به این سه دانشمند تعلق گرفت اما دانشمندان شفافاندیش میدانند که این سه نفر به نمایندگی از جامعه بزرگی از پژوهشگران و مهندسان و دانشجویان و حتی دانشمندان فوتشده، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند.
کودکان از پرسیدن سؤالاتی که بزرگترها از پرسیدنِ آن خجالتزدهاند، هراسی ندارند.
«سِر راجر پنروز»، برنده جایزه نوبل فیزیک سال 2020
جایزه نوبل فیزیک سال 2020، کمتر از یک ماه قبل به سه دانشمند تعلق گرفت که پژوهشهایشان روی اجرامی آسمانی به نام سیاهچاله متمرکز است. فرهنگستان دانشهای سوئد سه پژوهشگر طرازاول را از میان بسیاری برگزید تا به پاس پژوهشهای پیشتازانه نظری و رصدی که قریب به 30 سال برایش وقت صرف کردهاند، شایسته اعطای مشهورترین جایزه علمی دنیا اعلام کند. فیزیکدان نظری و به تعبیری دقیقتر ریاضیفیزیکدان نامور بریتانیایی، «سِر راجر پنروز»، نیمی از جایزه را دریافت کرد و نیم دیگر به اشتراک و مقداری برابر به دو اخترفیزیکدان رصدی تعلق گرفت: «راینهارت گِنزِل» آلمانی و «آندرهآ گِز» آمریکایی. در بخش بعدی بیشتر درباره این سه دانشمند توضیح خواهم داد. ابتدا میخواهم کمی درباره مفهوم و ماهیت سیاهچاله به زبان بسیار ساده بگویم. بنابر قانون گرانش عمومی که مزیّن به نام «آیزاک نیوتن» است، ماده دارای کشش گرانشی است. هر چیزی که جرم دارد، کشش گرانشی هم دارد. هرچه جرم جسم بیشتر باشد، نیروی کشش گرانشی آن که ربایشی هم است، بیشتر خواهد شد. زمین کره ماه را در کمند گرانشی خود نگه داشته و خورشید، زمین را. احتمالا داستان سیب «نیوتن» را شنیدهاید که
زیر درخت سیبی نشسته بود. سیبی بر سرش افتاد و او به فکر فرو رفت و نیروی گرانش را کشف کرد. این داستان افسانه است و «نیوتن» این دستاورد بزرگ را در پی کارهای دانشمندان پیشینی مانند «گالیله»، «کوپرنیک» و «کپلر» به سرانجام رساند و صورتبندی ریاضی برای آن طرحریزی کرد. همه شما پرتاب یک موشک به فضا را دیدهاید. شمارش معکوس شروع میشود. موشک غولپیکر از سکوی پرتاب خود با روشنکردن موتورها و سوزاندن سوخت که به شکل شعلههای آتشین از دهانه خروجی آن خارج میشود، به سمت بالا به پرواز درمیآید. چه نیروی مرموزی است که سبب میشود سیب به راحتی روی سر عالیجناب «نیوتن» بیفتد و موشک باید با صرف سوخت فراوان از کمند آن فرار کند. آن نیروی مرموز نیروی گرانش است که روی شانههای غولهایی مانند «سِر آیزاک نیوتن»، «آلبرت اینشتین»، «راجر پنروز» و چند نفر دیگر استوار است. برای گریز از کمند گرانشی کره زمین باید انرژی جنبشی موشک به انرژی پتانسیل آن غلبه کند؛ یعنی موشک باید با سرعتی کمی بیش از 11 کیلومتر در ثانیه به سمت بالا پرواز کند تا بتواند از دام گرانش زمین بگریزد. کره ماه که تنها قمر سیاره زمین است، به دلیل جرم کمتر خود، سرعت فرار
کمتری هم دارد؛ چیزی در حدود دو کیلومتر بر ثانیه. در عوض ازآنجاییکه خورشید بسیار پرجرمتر است، سرعت گریز از سطح خورشید 620 کیلومتر بر ثانیه است. سرعت فراری 55 برابر بیشتر از زمین. یقینا همه شما خوانندگان عزیز شنیدهاید که هیچ چیز نمیتواند از سرعت نور و به عبارت دقیقتر امواج الکترومغناطیسی در خلأ سریعتر حرکت کند. در حقیقت سرعت نور حد بیشینهای است که فیزیک امروز آن را بهعنوان یک اصل نظری مبتنی بر تجربه پذیرفته است. سرعت نور 300 هزار کیلومتر در ثانیه است؛ یعنی نور مسافت بین زمین تا خورشید را که به طور متوسط 150 میلیون کیلومتر است، در هشت دقیقه میپیماید. حال تصور کنید جرمی وجود داشته باشد که سرعت فرار از سطح آن بیش از سرعت نور باشد؛ یعنی در خیال خود تجسم کنید روی جسمی ایستادهاید که مانند فضانوردان سوار بر موشکی هستید که برای گریز از سطح آن به سرعتی بیش از سرعت نور نیاز دارید. چنین چیزی در فیزیک ممکن نیست. به سیاهچالهها خوش آمدید. شما روی یک سیاهچاله ایستادهاید. شاید با خودتان فکر کنید چرا انگاره سیاهچاله به فکر «نیوتن» نرسید؟ دلیلش این است که اساسا مکانیک نیوتنی قادر به تولید سیاهچاله از دل معادلات
خودش نیست. دانشمندان تا پایان قرن هجدهم میلادی درک درستی از سیاهچالهها نداشتند؛ زیرا سازوکار تولید و شناخت سیاهچالهها نیازمند گام مهمی بود که «آلبرت اینشتین» برداشت و نسبیت عام را معرفی کرد. «اینشتین» نظریه نسبیت عام خود را 10 سال پس از نظریه نسبیت خاص، در سال 1915 ارائه داد. در واقع «نیوتن» نمیدانست علت گرانش چیست و «اینشتین» به این سؤال پاسخ داد. به زبان بسیار ساده، «اینشتین» نشان داد فضا و زمان درهمتنیده هستند و چیزی را پدید میآورند که ساختار چهاربعدیِ پیوستاری است که «فضا-زمان» مینامیم. نیروی گرانشی زاییده خمیدگی فضا-زمان پیرامون جسم دارای جرم است. «آلبرت اینشتین» خودش به وجود سیاهچالهها باور چندانی نداشت؛ اما یک سال بعد از ارائه نسبیت عام، دانشمند نامور آلمانی، «کارل شوارتسشیلد» معادلات نسبیت عام «اینشتین» را حل کرد و به دستهای از پاسخهای معنادار رسید که نویدبخش وجود واقعی و خارجی سیاهچاله بود. «شوارتسشیلد» نشان داد که میان چگالی ماده و فضا-زمان اطراف ماده رابطهای برقرار است. اگر چگالی ماده زیاد باشد، ماده متراکم چنان همه چیز را به سوی خود میکشد که گویی در ساختار فضا-زمان سوراخی پدید آمده
است و همه چیز را میبلعد. او از دل معادلات «اینشتین» مفهوم شعاع «شوارتسشیلد» را برای سیاهچالهها نهادینه کرد. اجازه دهید جمله کلیدی و مهمی را درباره سیاهچاله بگویم: ویژگی مهم سیاهچاله چگالی آن است، نه جرم آن. به زبان فنیتر آنچه باعث پدیدآمدن سیاهچاله میشود، تراکم بسیار زیاد ماده در حجمی اندک است. اگر کره زمین را با همین مقدار جرم که دارد، به اندازه یک تیله فشرده کنیم، به سیاهچاله تبدیل خواهد شد و اگر خورشید را که شعاع آن 700 هزار کیلومتر است، به توپی با شعاع سه کیلومتری فشرده کنیم، به سیاهچاله مبدل خواهد شد. «آلبرت اینشتین» در سال 1955 درگذشت و کمتر از 10 سال بعد از مرگ او فیزیکدان نیوزیلندی، «رُی کِر» نشان داد سیاهچالهها نباید ساکن باشند؛ بلکه باید در حال چرخش باشند و چند سال بعد عالیجناب «راجر پنروز» چندین مقاله مهم منتشر کرد که دو نکته مهم را در بر داشت: نخست اینکه مفهوم تکینگی را ارائه داد و مهمتر از آن نشان داد سیاهچالهها پیشبینی اجتنابناپذیر معادلات نسبیت عام هستند. این جمله را که خواندید، دلیل اصلی برندهشدن جایزه نوبل از سوی «راجر پنروز» بود.
برندگان جایزه نوبل چه کسانی هستند و چه کردند؟
قبل از اینکه به ادامه داستان سیاهچالهها بپردازم و نشان دهم این سه دانشمند چه کردند، خوب است کمی درباره هر سه نفر بیشتر بدانیم. نخستین فرد «سِر راجر پنروز» است که بسیاری از فیزیکدانان نسبیتکار و کیهانشناس از 20 سال پیش چشمانتظار اعطای جایزه نوبل فیزیک به او بودند، اما شواهد رصدی کافی برای اقناع آکادمی سلطنتی دانشهای سوئد در دست نبود تا وجود سیاهچالهها را یک بار و برای همیشه تأیید کند. «پنروزِ» بزرگ در سال 1931 در شهر اسکسِ انگلستان به دنیا آمد و در 26سالگی دکترای خود را از دانشگاه کمبریج دریافت کرد. عنوان پایاننامه دکترای او «روشهای تانسوری در هندسه جبری» و استاد راهنمایش ریاضیدان معروف «جان آرتور تاد» بود. «پنروز» برای سالهای طولانی که هنوز هم ادامه دارد، استاد برجسته دانشگاه آکسفورد است و هرچند حالا دیگر در 90سالگی بیش از پیش خانهنشین است، اما نام او همچون الماسی درخشان در میان استادان دانشگاه آکسفورد و دانشگاه سلطنتی لندن میدرخشد. او از همکاران نزدیک و طرازاول «استیون هاوکینگ» بود. اغراق نیست اگر بگوییم «پنروز» به لحاظ علمی حتی از «هاوکینگ» هم جایگاهی بالاتر داشت، اما چندان در انظار عمومی
حضور رسانهای نداشت. «پنروز» بدون هیچ شکی مرزهای فیزیک نظری را جابهجا کرده است و علاوه بر فیزیک حتی به پیشبرد علوم در حوزههای پیشتازانهای همچون علوم شناختی هم کارهای ارزندهای انجام داده و چندین کتاب به رشته تحریر درآورده است. او به شایستگی تمام جایزه نوبل فیزیک را در آستانه 90سالگی کسب کرد. «راجر پنروز» پیش از این نیز جوایز بسیار دیگری را کسب کرده بود و آلبوم افتخارات این نابغه فیزیکدان با نوبل کامل شد. در کارنامه کاری «پنروز» حتی یک کتاب را که کمی سلیقه بازاریپسند داشته باشد، پیدا نخواهید کرد. او در دنیای علم همواره پادشاهانه رفتار کرده است. «پنروز» 10 دانشجوی دکترای شاخص را هم فارغالتحصیل کرده و گفته شده خودش از دوست و همکارش «مایکل عطیه» که توپولوژیست برجستهای بود، الهام گرفته است. یکچهارم از جایزه به بانوی اخترفیزیکدان، «آندرهآ گِز» تعلق گرفت. نام دقیقتر او «آندرهآ میا گز» است. اخترشناس 55ساله آمریکایی که در سال 1965 در نیویورک به دنیا آمد. او تحصیلاتش را در انستیتو فناوری کالیفرنیا و انستیتو فناوری ماساچوست به اتمام رسانده و در حال حاضر در دانشگاه معروف یوسیالاِی استاد تمام
اخترشناسی است. این بانوی اخترفیزیکدان در سال 1993 از پایاننامه دکترای خود دفاع کرده و استاد او اخترشناس نامور جرالد نوگبائور بود. «گز» پژوهشهای خود را روی مرکز کهکشان راه شیری متمرکز کرده است و پیشازاین هم جوایزی مانند جایزه ماریا گوپرت مایر و مدال انجمن سلطنتی بکریان بریتانیا را هم از آنِ خود کرده بود. «آندرهآ گز» با بهرهگیری از رصدخانه بسیار معروف کک، در چند سال گذشته پژوهشهای مهمی را در کارگروه علمی خود به سرانجام رسانده است. شاید بد نباشد کمی هم درباره پیشینه خانوادگی او بگویم. او با زمینشناسی به نام «تام لاتورته» ازدواج کرده و صاحب دو پسر است. او شناگری حرفهای است و عضو یک گروه شنا. پیشینه خانوادگی او از سوی پدر به ایتالیا بازمیگردد. پدرش یهودی متولد ایتالیا بود که ریشههای خانوادگیاش به تونس و آلمان تعلق داشت. مادر خانم «گز» هم اصالت ایرلندی کاتولیک داشت. یکچهارم دیگر از جایزه نوبل فیزیک امسال در دستان «راینهارت گنزلِ» آلمانی قرار گرفت. او متولد 1952 در هامبورگ آلمان است؛ یعنی درست هفت سال پس از اتمام جنگ جهانی دوم و شکست آلمان. او دکترای خود را در سال 1978 از دانشگاه بُن دریافت کرد.
دانشگاه بُن در اخترفیزیک و کیهانشناسی دانشمندان ناموری دارد و محققان برجستهای تربیت کرده است. او در حال حاضر پژوهشگر استاد تمام و مدیر انستیتوی مطالعات فیزیک فرازمینی در مؤسسه ماکس پلانک، واقع در گارشینگ است. همچنین استاد تمام مدعو دانشگاه معروف لوودویگ ماکسیمیلیان مونیخ است و عضو افتخاری دانشگاه برکلی در آمریکا. «راینهارت» پیش از این هم جوایز مهمی مانند مدال آلبرت اینشتین و مدال کارل شوارتسشیلد را کسب کرده بود. به زبان دقیقتر «راینهارت» تاکنون و با احتساب جایزه نوبل فیزیک، هشت جایزه مهم را کسب کرده است. پدر «راینهارت گنزل» استاد فیزیک حالت جامد بود و اشتیاق او به علوم ریشه در خانه پدریاش دارد. او 42 سال پیش از زمان نگارش این مقاله دکترای خود را دریافت کرد و رهسپار آمریکا شد تا به مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونین بپیوندد. چند سالی را در آمریکا کار کرد تا اینکه به سال 1986، یعنی زمانی که هنوز آلمان غربی و شرقی بود، به مؤسسه ماکس پلانک پیوست. او هماکنون در 68سالگی مشغول پژوهش است. حال میخواهم به زبان بسیار ساده بگویم این سه دانشمند چرا جایزه نوبل فیزیک را از آنِ خود کردند. بالاتر اشاره کردم که
داستان سیاهچالهها از زمان «نیوتن» شروع شد و با نسبیت عام «اینشتین» به اوج خود رسید. «شوارتسشیلد» و چندین دانشمند نامور دیگر از دل معادلات «اینشتین» وجود سیاهچالهها را پیشبینی کردند. خوانندگان عزیز میتوانند برای مطالعه بیشتر درباره زندگی و دستاوردهای «شوارتسشیلد» به بخش بایگانی صفحه علم روزنامه «شرق» مراجعه و یادداشتی با عنوان «نابغهای در چنگال جنگ و مرگ» را به قلم نگارنده این مقاله بخوانند. بد نیست همینجا به دانشمندان ایرانی هم که از پژوهشگران خوب کشورمان در زمینه پژوهشهای نظری و رصدی سیاهچالهها هستند، اشاره کنم. «محمدمهدی شیخجباری» و «وحید تکوک»، هر دو استاد تمام فیزیک نظری هستند که پژوهشهای درجهیکی را درباره سیاهچالهها انجام دادهاند. «محمدمهدی شیخجباری» پژوهشگر طرازاول مرکز تحقیقات فیزیک نظری ایران است و با دانشمندان ناموری همکاری کرده است. درسنامههای ایشان در سایت درسی مکتبخانه درباره سیاهچالهها به رایگان در دسترس علاقهمندان است. «وحید تکوک» هم استاد ناموری است که مقالات پرارجاعی دارد و دو کتاب را هم به رشته تحریر درآورده است. در دیگر دانشگاههای کشور هم اندک پژوهشگرانی هستند که روی
سیاهچالهها کار کردهاند. «فاطمه شجاعی» یکی دیگر از فیزیکدانان زن و عضو هیئت علمی دانشگاه تهران است که سالها در این زمینه کار کرده است. زندهیاد «جلال صمیمی» هم از پژوهشگران درجهیک کشورمان بود که در مقطعی از تاریخ معاصر مورد بیمهری واقع شد، اما دست از تلاش و پژوهش برنداشت. او بعد از اینکه در نهایت شایستگی این افتخار را نصیب جامعه علمی کرد و به دانشگاه بازگشت، رصدخانه پرتوهای پرانرژی کیهانی را راهاندازی کرد و حتی موفق شد در مجله بسیار معتبر نیچر مقالهای منتشر کند و یکی از منابع پرتو ایکس یک کهکشانی را بهعنوان نامزد احتمالی سیاهچاله معرفی کند. بیشک زندهیاد استاد «جلال صمیمی» کم از «راینهارد گنزل» نداشت اما جور زمانه و جبر جغرافیایی داستان غمانگیز دیگری دارد. به داستان سیاهچالهها و نوبل بازگردیم. عالیجناب «راجر پنروز» گام مهمی برداشت و نشان داد وجود سیاهچالهها بر اساس معادلات نسبیت عام اجتنابناپذیر است؛ یعنی در طبیعت حتما سیاهچاله وجود دارد. اما در فیزیک تا چیزی آزمایش یا رصد نشود، یا در اصطلاح نِپاهِش نشود، امری قطعی و ثابتشده به حساب نمیآید. این موضوع صرفا مختص سیاهچالهها نیست. نظریه
مهبانگ یا آنچه برخی با تلفظ انگلیسی آن را بیگبنگ مینامند هم چنین بود. دانشمندانی مانند «جورج گاموف» و دیگران حامیان سرسخت نظریه مهبانگ بودند و در مقابل دانشمندان سرشناسی مانند «سِر فِرِد هویل» معروف و «آلبرت اینشتین» مدافعان نظریه حالت پایا. این کشمکش ادامه داشت تا اینکه «پنزیاس» و «ویلسون» تابش زمینه کیهانی را کشف کردند و بعدتر هم شواهدی مانند فراوانی هیدروژن و هلیوم به دست آمد و در کنار کشف انبساط عالم، نظریه مهبانگ مورد تأیید نظری و رصدی قرار گرفت. درباره ستارگان نوترونی، تپاختران و حتی ستارگان اولیه کیهان هم با درجاتی پایینتر از حساسیت و تنش چنین کشاکشی وجود داشت. اگر بخواهم در یک جمله بسیار ساده بگویم که «گنزل» و «گز»، دو اخترشناس رصدی چه کردند، چنین است: آنها وجود یک سیاهچاله اَبَرپرجرم را در مرکز کهکشان راه شیری اثبات کردند. اجازه دهید کمی درباره سامانه کهکشانی راه شیری توضیح دهم. راه شیری کهکشانی مارپیچی است که شامل بیش از 200 میلیارد ستاره است؛ حتی شاید چیزی در حدود 300 میلیارد ستاره. ستارگان غالبا در بازوهای کهکشانی قرار دارند و بسته به فاصلهشان از مرکز کهکشان، به دور مرکز کهکشان در حال چرخش
هستند. مثلا ستاره ما، خورشید، با سرعت 220 کیلومتر بر ثانیه به دور مرکز کهکشان گردش میکند. در دهه 60 میلادی اخترشناسان موفق شدند در طولموج رادیویی تا حدی سرعت ستارگان در مرکز کهکشان راه شیری را اندازهگیری کنند. نتیجهای که به دست آمد این بود که باید در مرکز کهکشان راه شیری جرمی بسیار پرجرم باشد. اما این جرم چه بود؟ آیا با قطعیت میتوانستیم بگوییم حتما سیاهچاله است؟ پاسخ هم بله است و هم نه. به پژوهشهای بیشتری نیاز بود. شاید با خودتان بگویید چرا اینقدر طول کشید تا این رصدها انجام شود. برای فهم دشواری رصد باید به دو نکته مهم توجه کرد. نخست مسافتهای نجومی است. فاصله ما تا مرکز کهکشان راه شیری چیزی در حدود 26 تا 27 هزار سال نوری است. یعنی نور با سرعت 300 هزار کیلومتر در ثانیه به 26 هزار سال زمان نیاز دارد تا به ما برسد. مسافت و فواصل نجومی یکی از دشواریهای پژوهشهای نجومی است و متناسب با افزایش فاصله تکنیکهای رصدی و پیچیدگیهای رصدی و فنی هم بیشتر میشود. بنابراین رصد دقیق مرکز کهکشان کار آسانی نیست. نکته مهم بعدی که باید دقت کرد ابرهای بزرگ مولکولی و غبار کیهانی است که گویی ستارگان درون آن پنهان
شدهاند. تصور کنید روی نوک قله کوهی فانوسی روشن است و باد آن را تکان میدهد. همهجا را غبار و مه گرفته است و حالا میخواهید آن فانوس را روی نوک غبارگرفته کوه رصد کنید. کار اخترشناسان رصدی از این توصیف هم بهمراتب دشوارتر است. برای رصد سیاهچاله مرکز کهکشان راه شیری، هم به تلسکوپهای مدرن نیاز داریم و هم به تکنیکهای نوین. گروه پژوهشی «گز» با بهرهمندی از تلسکوپهای پیشرفته واقع در شیلی به رصد پرداختند و گروه پژوهشی «گنزل» با رصدخانههای مستقر در هاوایی. تکنیک یا به زبان فارسی، فنی که برای این پژوهش به کار بستهاند، اپتیک سازگار یا اپتیک تطبیقی نام دارد. اپتیک سازگار به زبان ساده فرایندی است که در آن از روشهایی برای کاهش عوامل کاهنده کیفیت رصد، ازجمله اعوجاج و آشفتگی جوی و نیز انواع آلودگیهای جوی و فراجوی استفاده میشود. کاری که این دو گروه مستقل از هم انجام دادهاند، به این شرح است: آنها 30 ستاره را به مدت 27 سال مورد رصد دقیق و مداوم قرار دادهاند. سرعت حرکت این ستارگان و مداری را که دور مرکز کهکشان گردش میکنند، محاسبه کردهاند و به این نتیجه رسیدهاند که در مرکز کهکشان راه شیری سیاهچالهای اَبَرپرجرم
وجود دارد. همانطورکه در بالا اشاره کردم، خورشید با سرعتی برابر 220 کیلومتر بر ثانیه به دور مرکز کهکشان دور میزند. اما یکی از ستارگانی که گروه پژوهشی «گنزل» آن را زیر نظر گرفتند و رصدهای دقیق انجام دادند، با سرعتی برابر هفتهزارو 700 کیلومتر بر ثانیه حول مرکز کهکشان میچرخد. داده رصدی این دو گروه از دو موضوع مهم پرده برداشته است. یکی انتقال به سرخ نسبیتی و دیگر پیشبینی مداری. حالا دانشمندان با قطعیت میدانند که در مرکز کهکشان راه شیری، سیاهچالهای با جرم چهارمیلیونو 200 هزار برابر جرم خورشید و در شعاعی صد برابر شعاع زمین تا خورشید، حکمرانی میکند. جایزه نوبل فیزیک امسال، مانند سال گذشته به اخترفیزیکدانان تعلق گرفت و این رویداد حاکی از آن است که با تمام دشواریهای گونه انسان روی زمین، حس کنجکاوی او درباره آسمان بالای سرش روزبهروز بیشتر میشود. دانش نجوم در دوره طلایی به سر میبرد و خوب است امیدوار باشیم کشور ما هم بتواند در آینده، هرچند آینده دور، در فضای شفاف علمی و به دور از غلبه جوزدگی به پشتکار، با تکیه بر مدیریت درست علمی و نیروی انسانی، سهمی در جوایز علمی جهان و پیشبرد علم بشری داشته باشد.
جایزه نوبل به این سه دانشمند تعلق گرفت اما دانشمندان شفافاندیش میدانند که این سه نفر به نمایندگی از جامعه بزرگی از پژوهشگران و مهندسان و دانشجویان و حتی دانشمندان فوتشده، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند.