به بهانۀ نوبل فیزیک سال 2020 / 1399

سه‌شنبه 6 اکتبر / 15 مهرماه بود که برندگان جایزۀ نوبل فیزیک امسال توسط آکادمی علوم سلطنتی سوئد اعلام شدند. جایزه‌ای که به‌صورت مستقیم به عجیب‌ترین چیزی که در کیهان می‌شناسیم تعلق گرفت. نیمی از این جایزه به «راجر پنروز»، به‌دلیل نشان‌دادنِ سازگاریِ سازوکارِ تشکیلِ سیاه‌چاله‌ها با نظریۀ نسبیت عام اینشتین، و نیم دیگر به‌صورت مشترک به «رینهارد گِنزل» و «آندره‌آ گِز»، به‌دلیل رهبری جداگانۀ دو تیم پژوهشی که کار خود را در دهۀ 1990 میلادی / 1370 خورشیدی آغاز کردند و توانستند نشان دهند که باید جسمی بسیار سنگین و البته تاریک در مرکز کهکشان خودمان وجود داشته‌باشد، داده‌شد.
شاید شمایی که احتمالاً در حول‌وحوش دهۀ سوم زندگی‌تان هستید آن‌قدر در همه‌جا اسم سیاه‌چاله را شنیده‌باشید که وجود آن‌ها ناخواسته برایتان بدیهی باشد؛ اما حقیقت این است که برای فیزیک‌دان‌های قرن گذشتۀ میلادی اطمینان کامل از وجود چیزی که از خود نوری ساطع نمی‌کند تا بتوانیم به‌صورت مستقیم ببینیمش، آن‌قدر هم نزدیکِ ذهن نبود!
با این‌که قبل از فرمول‌بندی نسبیت عام توسط اینشتین افرادی جنبه‌هایی از ویژگی‌های اجسامی مانند سیاه‌چاله‌ها را مورد مطالعه قرار داده‌بودند، اما توجه جدی به آن‌ها از بعد از فرمول‌بندی نسبیت عام توسط اینشتین در سال 1915 میلادی / 1294 خورشیدی آغاز شد. نخستین قدم در این راه پرپیج‌وخم را اخترفیزیک‌دان آلمانی «کارل شوارتزشیلد» برداشت. او در روزهای نخست سال 1916 میلادی / دی‌ماه سال 1294 خورشیدی، تنها حدود 2 ماه پس از انتشار مقالۀ نسبیت عام اینشتین و کم‌تر از 4 ماه پیش از مرگ خود، معادلات میدان اینشتین را برای فضازمانی که در آن تنها یک جسمِ متقارنِ کرویِ غیرچرخان وجود دارد حل کرد و متریک چنین فضازمانی را به‌شکل زیر به‌دست آورد:

در سال‌های بعد بحث‌های زیادی دربارۀ متریک بالا انجام شد. مسئله‌ای که توجه فیزیک‌دان‌ها را به خود جلب کرد این بود که مؤلفه‌های این متریک در دو فاصلۀ خاص r=0 و r=R_s=2GM/c^2 واگرا یا صفر می‌شوند. مسئله‌ای که چندان به مذاق آن‌ها خوش نمی‌آمد. درنهایت پس از بیش از 40 سال کش‌وقوس دربارۀ ماهیت چنین تکینگی‌هایی، در سال 1958 میلادی / 1337 خورشیدی با مطالعاتی که «دیوید فینکلشتین» دربارۀ اهمیت دستگاه‌های مختصات مختلفی که می‌توانیم برای بررسی چنین مسئله‌ای به‌کار ببریم، نشان داد که تکینگی موجود در r=0 یک تکینگی واقعی و ذاتی است، اما تکینگی موجود در R_s=2GM/c^2 ، که به شعاع شوارتزشیلد معروف است، این‌چنین نیست و می‌توان آن را توسط انتخاب مناسب دستگاه مختصات رفع کرد. این شعاع را افق رویداد می‌نامیم؛ به این معنی که اگر بتوانیم تمام جرم M را در شعاعی کوچک‌تر از این شعاع جمع کنیم، دیگر هیچ راه بازگشتی برای ذرات بیرونی‌ای که وارد این شعاع می‌شوند وجود ندارد. حتی اگر پرتوی نوری هم به این منطقه وارد شود، دیگر شانسی برای خارج‌شدن از آن ندارد! (جالب است بدانید که شعاع شوارتزشیلد جسمی هم‌جرم زمین حدود 9 میلی‌متر و شعاع شوارتزشیلد جسمی هم‌جرم خورشید حدود 3 کیلومتر است.)
نخستین محاسبات مربوط به تشکیل سیاه‌چاله‌ها را «رابرت اُپنهایمر» در سال‌های پایانی دهۀ 1930 میلادی / 1310 خورشیدی انجام داد. او متصور شد زمانی که سوخت ستاره‌های بسیار پرچرم‌تر از خورشید تمام می‌شود، آن‌ها ابتدا به‌شکل ابرنواختر منفجر می‌شوند و سپس به‌دلیل این‌که دیگر هیچ فشارِ رو به بیرونِ محدودکننده‌ای بر سر راه‌شان وجود ندارد، به‌دلیل گرانشِ بسیار زیادِ خود، چنان در خود می‌رمبند که شعاع آن‌ها از شعاع شوارتزشیلدشان کم‌تر می‌شود و عملاً تبدیل به سیاه‌چاله می‌شوند.

اما تا دهۀ 1960 میلادی / 1340 خورشیدی عموم فیزیک‌دان‌ها، حتی خود اینشتین، به حل شوارتزشیلدِ معادلات میدان اینشتین به‌عنوان یک گمانه‌زنیِ نظری و حالتی ایدئال نگاه می‌کردند که در واقعیت امکان به‌وقوع‌پیوستن ندارد. آن‌ها معتقد بودند که فرض تقارن کرویِ کاملی که در حل شوارتزشیلد وجود دارد مانعی بزرگ در جهت توصیف اتفاقی است که به‌صورت واقعی در طبیعت رخ می‌دهد، زیرا می‌دانیم که در واقعیت چنین فرضی برقرار نیست و ستارگانی که به درون خود می‌رمبند دارای تقارن کرویِ کامل نیستند. اعتقاد آن‌ها این بود که به همین
دلیل نباید انتظار داشته‌باشیم در کیهان موجوداتی مانند سیاه‌چاله‌ها امکان تشکیل داشته‌باشند.

اما در سال 1963 میلادی / 1342 خورشیدی مشاهده‌ای مهم به‌وقوع پیوست. در این سال منجم‌ها نخستین اختروش را در آسمان دیدند. اختروش‌ها درخشان‌ترین موجوداتی هستند که در کیهان می‌شناسیم و گاهی درخشندگی آن‌ها با متوسط درخشندگی چندصد کهکشان برابری می‌کند. نکته‌ای که در آن سال‌ها توجه منجم‌ها را به خود جلب کرد این بود که نوری که از این اختروش‌ها به ما می‌رسید، همگی مربوط به میلیاردها سال قبل و دوران جوانی کیهان‌مان بود. بهترین توجیهی که برای این مشاهده، که یک حجم کوچک در دوران جوانی کیهان بتواند چنین درخشندگی بالایی داشته‌باشد، وجود داشت این بود که اختروش‌ها در اصل هاله‌هایی بسیار متراکم از ماده‌اند که حول یک سیاه‌چالۀ اَبرپُرجرم را گرفته‌اند و با سرعت بسیار بالایی در حال گردیدن به‌دور و واردشدن به آن هستند. این‌جا بود که توجه جامعۀ فیزیک‌دان‌ها دوباره به سیاه‌چاله‌ها جلب شد. (جالب است بدانید که نخستین‌بار «رابرت دیکی» در یک سخنرانی در سال 1960 میلادی / 1339 خورشیدی در پرینستون از کلمۀ «سیاه‌چاله» استفاده کرد. بعدها این کلمه توسط «جان ویلر» به‌صورت جدی وارد ادبیات فیزیک‌دان‌ها شد.)
در همین سال‌ها بود که ایده‌ای انقلابی به ذهن راجر پنروز رسید. ایدۀ او در حقیقت یک حقۀ ریاضیاتی بود. او در چارچوب نسبیت عام با اتکا به این حیله و بدون متوسل‌شدن به هیچ‌گونه تقارن کروی‌ای، صرفاً با استفاده از این فرض که مادۀ در حال رمبش دارای مقدار انرژی مثبتی باشد، توانست به‌صورت سازگار نشان دهد که در نهایت تمام مادۀ در حال رمبش در نقطۀ تکینگی جمع می‌شود. پنروز با این کار توانست نشان دهد که بر خلاف ذهنیت کلی فیزیک‌دان‌های آن زمان، وجود سیاه‌چاله‌ها یکی از پیش‌بینی‌های بی‌شائبۀ نسبیت عام اینشتین است؛ و اگر به درستیِ نسبیت عام اعتقاد داریم باید بپذیریم که در جای‌جای کیهان‌مان نیز می‌توانیم انتظار وجود سیاه‌چاله‌ها‌ را داشته‌باشیم.
اما از آن‌جایی که فیزیک علمی مبتنی بر تجربه است، تا نتوانیم پدیده‌هایی که روی کاغذ وجود دارند را به‌صورت مستقیم ببینیم، نمی‌توانیم از وجود آن‌ها اطمینان کامل داشته‌باشیم. اما همان‌طور که می‌دانید برای دیدن هر شئ‌ای باید از آن شئ به ما نوری برسد تا برای ما قابل دیدن باشد. اما طبق توضیحات بالا مشخص است که اگر سیاه‌چاله‌ها وجود داشته‌باشند هم نمی‌توانیم انتظار این را داشته‌باشیم که آن‌ها را به‌صورت مستقیم ببینیم. پس تنها کاری که از دست‌مان برمی‌آید این است که سعی کنیم اثرات آن‌ها بر محیط پیرامون‌شان را مشاهده کنیم. یکی از نخستین پژوهش‌های این‌چنینی رصدهایی بود که رینهارد گِنزل و آندره‌آ گِز به‌همراه تیم‌شان به‌صورت مستقل از اوایل دهۀ 1990 میلادی / 1370 شمسی آغاز کردند. آن‌ها برای سه دهه (تا به همین الآن) تلسکوپ‌های خود را به‌سمت مرکز کهکشان خودمان چرخاندند تا ببینند که آیا می‌توانند اثری از یک سیاه‌چالۀ ابرپرجرم (که در حال حاضر آن را Sagittarius A* می‌نامیم) در آن‌جا پیدا کنند یا نه. این دو گروه با بررسیِ طولانی‌مدتِ مدارِ چندین ستاره که در نزدیکی مرکز کهکشان در حال گردش به‌دور آن بودند، توانستند دریابند که در مرکز کهکشان‌مان باید جسمی با جرم بیش از 4 میلیون برابر جرم خورشید وجود داشته‌باشد که از قضا هیچ نوری هم از خود ساطع نمی‌کند. دقیقاً همان‌طور که از یک سیاه‌چاله انتظار داریم!
عملاً پس از انتشار نتایج اولیۀ این دو گروه بود که فیزیک‌دان‌ها توانستند با قطعیتی بیش‌تر از قبل، از وجود موجوداتی به‌نام سیاه‌چاله صحبت کنند. اما به‌نظر می‌رسد برای کمیتۀ نوبل شواهدی دیگر نیز مورد نیاز بود تا به قطعیت برسند! زیرا آن‌ها جایزۀ امسال را بی‌درنگ پس از دو مشاهدۀ غیرمستقیم دیگر از سیاه‌چاله‌ها در سال‌های اخیر (امواج گرانشی توسط تیم‌های لایگو و ویرگو و نخستین عکس از اطراف یک سیاه‌چاله توسط تیم EHT) اهدا کردند!

* در نوشتنِ این نوشته و آماده‌سازیِ شکل‌ها از دو مقالۀ رسمی کمیتۀ نوبل دربارۀ جایزۀ امسال استفاده شده‌است.

اگر نظر یا پیشنهادی درمورد این متن دارید می‌توانید کمی پایین‌تر، در قسمت دیدگاه‌ها، آن را برای ما بنویسید.