ناسا در حال طراحى سفرى علمى است تا به سه سئوال اضطرارى كه از نظريه اينشتين برخاسته و هنوز پاسخى برايشان يافت نشده است، پاسخ گويد



بخش اول
. اول آنكه ماهيت انرژى تاريك (Dark energy) يعنى نيرويى كه باعث تسريع انبساط جهان شده است، چيست؟ دوم: در كرانه يك سياهچاله چه اتفاقى مى افتد؟
سوم: چه چيزى نيروى لازم براى انفجار بزرگ را تامين كرده است؟
اين ماموريت ها كمك خواهند كرد تا مفهوم ميراث عجيب اينشتين معين شود: مفاهيمى چون پيچش فضا- زمان، جهان در حال شتاب، سياهچاله ها، ابعاد پنهان احتمالى و حتى اين عقيده كه همه فضا كوانتيزه۱ بوده و از دستجات مشخص و نامحدودى از ماده و انرژى ساخته شده است. (كوانتيزه: قابل تقسيم دانستن ماده و انرژى به ذرات كوچك و مشخص كه در نظريه كوانتوم به آن مى پردازند.)
دانشمندان ناسا در حال تكميل مجموعه اى از ماموريت هاى فضايى هستند كه هدفشان پاسخگويى به اين سئوالات است. اين سفرها با دو ماموريت بسيار مهم آغاز مى شود كه هم اكنون به نام هاى صورت فلكى (Constellation-x)X و آنتن تداخل سنج ليزرى فضايى ليزا (LISA) ناميده شده اند و فضا را از طريق رهگيرى اشعه x و تابش گرانشى كاوش مى كنند. براى تكميل اين دو ماموريت، سه سفر كوچكتر كه بر روى مطالعه سياهچاله ها، انفجار بزرگ و انرژى سياه متمركز شده اند، تدارك ديده شده است. با پيشرفت هاى علمى و فنى به دست آمده در طول اين سفرها دانشمندان به انجام هدف نهايى يعنى ماموريت راجع به دو مسئله عمده تئورى اينشتين و تصويرسازى از يك سياهچاله و خود انفجار بزرگ دست خواهند يافت.
دانشمندان اين تلاش چند ماموريتى را پروژه «فراتر از اينشتين» (Beyond Einstein) ناميده اند چرا كه باعث كشفياتى خواهد شد كه ايشان را به سمت درك بهتر از فيزيك بنيادى در وراى نظريه هايى كه اينشتين، همكارانش و اسلاف وى بدان پرداخته اند، راهنمايى خواهد كرد.
• بازگشت به صد سال پيش
در ماه مارس ،۱۹۰۵ چند روز بعد از بيست و ششمين سالروز تولد اينشتين، اولين مقاله از پنج مقاله علمى وى در آن سال روى ميز سردبير نشريه Annalen der physic قرار داشت. مقاله اينشتين مى گفت كه نور از ذرات انرژى تشكيل شده است كه بعدها فوتون نام گرفتند. اين نظريه، به نام اثر فوتوالكتريك، با درك عميقاً جاافتاده اى كه حركت نور را به صورت موجى تعريف مى كرد، در چالش قرار گرفت. دو مقاله بعدى در آوريل و مه همان سال به انتشار سپرده شد تا پرونده وجود اتم ها (كه هنوز سرفصلى جديد و موضوعى مورد مناقشه بود) بسته شود. مقاله ماه آوريل كه براى اينشتين درجه دكترى را به ارمغان آورد، نشان داد كه چگونه مى توان تعداد و اندازه مولكول ها را در يك محلول تعيين كرد؛ مقاله ماه مه نيز به شرح حركت براونى مى پرداخت.
اين بار در ماه ژوئيه اينشتين بى تعارف نوك پيكان حمله را به سمت ايزاك نيوتن نشانه رفت (و در آنچه كه بعدها به نام تئورى نسبيت خاص خوانده شد) اظهار كرد كه سرعت نور يك ثابت بنيادى طبيعت بوده و فضا و زمان نسبى هستند و اين نسبى بودن ارتباطى به سيستم ارجاعى مشاهده كننده ندارد.
قوانين حركت نيوتن، مدتى نزديك به دويست سال قوانين طلايى فيزيك بودند اما به اين ترتيب تنها به تقريبى از واقعيت تبديل مى شدند كه تنها در سرعت هاى «روزمره» معتبر بوده و در سرعت هاى نزديك به سرعت نور اعتبار خود را از دست مى دادند. در ماه سپتامبر اينشتين تئورى خود را كاملتر كرده و مهمترين معادله مهم همه زمان ها يعنى E=mc2 را ارائه كرد. بنابراين نسبيت خاص، ماده و انرژى را قابل تبديل به هم دانست.
اينشتين تازه گرم شده بود اما در سال هاى بعد متوجه شد كه گرانش و شتاب معادل يكدگرند و نور نيز رفتار دوگانه اى (موجى و ذره اى) دارد. اينشتين پس از آن سعى كرد كه تئورى نسبيت خود را به تئورى جديد گرانش مرتبط سازد و بار ديگر با قوانين گرانش نيوتن دست و پنجه نرم كرد، قوانينى كه گويى درون سنگ حك شده بودند. تا انتهاى سال ،۱۹۱۵ اينشتين ديگر تئورى نسبيت عام خود را منتشر كرده بود كه گرانش را همچون پيامدى از جرم و انرژى توصيف مى كرد كه باعث تغيير فضا- زمان مى شد، مفهومى چهاربعدى كه عموماً به صورت ساختار خود فضا تلقى مى شود. بزرگترين خدمت اينشتين به علوم در سال هاى دهه ۲۰ با حداكثر توان ادامه يافت. يعنى زمانى كه وى و ساتيندرا نات بوز حالت جديدى از ماده را پيش بينى كردند كه به نام مگاليده بوز- اينشتين ناميده مى شود و بايستى در دماهايى كه تنها كسرى از يك درجه بالاتر از صفر مطلق است، وجود داشته باشد. همان طور كه گفته شد، اينشتين با تلاشى بيست ساله درك ما را از زمان، انرژى و جرم تغيير داد. بسيارى سئوالاتى كه وى قادر به پاسخگويى آنها نبود تا زمان مرگش (در سال ۱۹۵۶) با آنها دست و پنجه نرم مى كرد، امروز نيز بى پاسخ مانده اند. سئوالاتى راجع به انرژى تاريك، سياهچاله ها، انفجار بزرگ و طبيعت گرانش در نوك پيكان علم نورى قرار دارند. جست وجوى پاسخ اين پرسش ها ممكن است باعث رسيدن دانشمندان به هدف تمامى زندگانى اينشتين يعنى تركيب كردن نسبيت با مكانيك كوانتوم در يك تئورى وحدت يافته شود كه نظريه همه چيز نام دارد.
• پرسش هاى بى پاسخ
نظريه هاى اينشتين راجع به فضا و زمان دانشمندان را به سوى مجموعه اى از پيش بينى هاى شگفت آور كشاند كه حتى خود وى نيز نمى توانست آنها را باور كند، از جمله اينكه جهان بعد از يك انفجار بزرگ در حال گسترش است، سياهچاله ها باعث ايجاد خميدگى در فضا مى شوند و زمان را متوقف مى كنند، ضمناً يك نيروى مرموز فضا را كشيده و گسترش داده و باعث مى شود كهكشان ها براى هميشه از مرزهاى جهانى كه انسان مى تواند مشاهده كند، فراتر روند. اين پيشگويى ها يك به يك، بررسى شده اند كه آخرين مورد آنها نيز آزمايش هايى بود كه در سال ۱۹۹۸ انجام شد.
متاسفانه نظريه هاى اينشتين در مورد علت انفجار بزرگ و جزئيات فيزيكى سياهچاله ها و انرژى تاريك سكوت كرده است. در نتيجه اين سه حوزه به نقاطى مبدل شده اند كه دانشمندان بايد آنها را بررسى كنند. با تجربيات كاملى راجع به انفجار بزرگ، سياهچاله ها و انرژى هاى تاريك مى توان نقايص ادراك جارى از طبيعت را آشكار كرد و دانشمندان را قادر ساخت تا حركت به سوى دوره تاريخى جديدى از فيزيك را آغاز كنند. اين رويكرد بدون سابقه نيست. در آغاز قرن بيستم، اينشتين خطاهاى موجود در قوانين حركت نيوتنى و تئورى جيمز كلارك ماكسول را كه حركت نور را درون اترى فراگير ممكن مى دانست به كنارى نهاد. در آغاز قرن بيست ويكم نيز با ناهمسازى هاى بزرگ روبه رو هستيم. مكانيك كوانتومى و نسبيت عام هر دو در خدمت علم فيزيك قرار دارند كه البته هر دوى آنها آشكارا با مسائلى حل نشده روبه رو هستند. براى مثال نوترينوها۲ به لحاظ نظرى بايستى داراى جرم باشند، اما آزمايش ها نشان داده است كه داراى جرم (هر چند اندك) هستند. ذرات پيش بينى شده در تئورى هنوز در حالت ابهام باقى مانده اند.
احتمالاً بزرگترين نقص آن است كه: گرانش نيرويى غريب باقى مانده كه تاكنون برخلاف نور (فوتون ها) و نيروهاى زيراتمى قوى (گلوئون ها)۳ در مقابل كوانتيزه شدن مقاومت كرده است.
در حقيقت گرانش در فصل مشترك درك ما از انفجار بزرگ، سياهچاله ها و انرژى تاريك قرار گرفته است.
•در جست وجوى وحدت
همان گونه كه ديويد شرام كيهان شناس اهل شيكاگو در سال ۱۹۹۸ نوشت «مطالعه جهان در مقياس خيلى بزرگ (كيهان شناسى) و مطالعه مواد در مقياس خيلى كوچك (تئورى ذرات بنيادى) در كنار هم قرار گرفته اند.» اين بينش راجع به اتحاد دو تئورى نسبيت عام و مكانيك كوانتوم در درون تئورى وحدت يافته همه چيز در گزارش آكادمى ملى علوم در سال ۲۰۰۳ بيان شده است، گزارشى به نام «يازده سئوال علم براى قرن جديد»، كه به صورت غيررسمى با نام گزارش ترنر شناخته مى شود.
در سال ۲۰۰۴ اداره سياستگزارى علم و تكنولوژى آمريكا در جواب به گزارش ترنر، تعهدى مبنى بر هماهنگ كردن كوشش هاى ناسا بنياد ملى علم و دپارتمان انرژى ارائه كرد. برنامه ناسا به نام «فراتر از اينشتين» تقريباً در برگيرنده تمامى پيشنهادهاى اين گزارش است كه مى تواند باعث كشف اسرار انرژى تاريك، ماده تاريك، سياهچاله، ابعاد اضافى، نوترينوها و ديگر مسائل شود. در اصل اين برنامه از يك مجموعه ماموريت تشكيل شده است كه با فناورى هاى نوين و رويكردهاى تكميلى براى دستيابى به اهداف مشترك علمى طراحى شده اند.





برنامه فراتر از اينشتين با تصويب بودجه اى در سال ۲۰۰۴ توسط ناسا آغاز شد و حاصل كوشش مشترك انجمن هاى فيزيك ذرات و ستاره شناسى است. ناسا در فضا به دنبال پاسخ است، در حالى كه سازمان هاى ديگر عمدتاً روى تجهيزات مستقر روى زمين و بالن ها و رصدخانه ها متمركز شده اند، هر چند رابطه نزديك و هيجان انگيزى ميان اين برنامه ها وجود دارد. همگى اميدوارند كه تا انتهاى دهه بعد پاسخ برخى از پرسش هاى مهم امروز مشخص شود.
• انرژى تاريك چيست
انرژى تاريك رمزآميزترين مفهوم در فيزيك و ستاره شناسى است. اين انرژى چيزى حدود ۷۰ درصد جهان را تشكيل مى دهد و ما واقعاً هنوز سرنخ واضحى از چيستى آن نداريم. انرژى تاريك به يك مسئله بنيادين فيزيك در مدل استاندارد ذرات اشاره مى كند و مى تواند زمينه لازم را براى ايجاد اتحاد ميان نسبيت عام و مكانيك كوانتوم فراهم آورد. انرژى تاريك نامى است كه به نيروى شتاب دهنده گسترش جهان داده مى شود. اين كشف نقطه عطفى در اواخر دهه ۱۹۹۰ محسوب مى شود، اما اينشتين خود با اين مفهوم چگونه روبه رو شد؟ تقريباً به صورتى تصادفى:
از آنجا كه اينشتين در ابتدا فكر مى كرد جهان ايستا است، نياز به ايجاد يك موازنه و جلوگيرى از تاثير گرانش و انقباض جهان را احساس مى كرد ولى زمانى كه ادوين هابل انبساط جهان را كشف كرد، وى اين ايده را كنار گذاشته و حتى آن را بزرگترين اشتباه زندگى خود ناميد. احتمالاً اينشتين راجع به اشتباه خود درست فكر نمى كرد. همان طور كه انتظار مى رود انبساط جهان از لحظه انفجار بزرگ به علت تاثير گرانش كند شده است كه البته اين موضوع به چند ميليارد سال پيش مربوط مى شود. اما پس از آن چيزى شبيه به انرژى تاريك به نيروى غالب در جهان تبديل شده است كه باعث شده كه جهان براى هميشه در حال انبساط شتابدار باشد.
• اين نيرو چگونه نيرويى است
ريچارد فاينمن و ديگران كه نظريه كوانتومى ماده را ارائه كردند، متوجه شدند كه «فضاى خالى» پر است از ذرات موقتى يا مجازى كه به طور مستمر توليد شده و نابود مى شوند. امروزه فيزيك كم كم به اين تصور مى رسد كه در حقيقت اين ذرات مجازى باعث ايجاد نيروى خلأ در فضا مى شوند كه حالتى با انرژى دافعه است. اما علم هنوز قادر به پيش بينى اندازه قدرت اين نيرو نيست. ما هنوز نمى دانيم كه آيا ميان مرحله تورم كه همان انبساط شتابدار اوليه بوده با انبساط مثبت موجود در جهان كنونى (ناشى از انرژى تاريك) ارتباطى وجود دارد يا نه؟ و اگر ارتباطى وجود دارد، اين ارتباط چگونه است؟
در ماموريتى فضايى به نام كاوشگر انرژى تاريك (Dark Energy Probe) با اندازه گيرى دقيق، انبساط فضا را سنجيده و خواهيم دانست كه آيا اين انرژى يك خصوصيت ثابت فضاى خالى است (آن گونه كه اينشتين مطرح مى كرد) و يا با زمان در حال تغيير است. (آنچنان كه نظريه هاى جديد وحدت نيروها بيان مى كنند.)
•در كرانه هاى يك سياهچاله
بالاترين حد گرانش در سياهچاله ها به وجود مى آيد كه در مركز كهكشان ها و در اثر فروريختن ستارگان به وجود آمده اند. مى توانيم اين اجرام ناديدنى را با بررسى ماده اى كه درون آن كشيده مى شود گاهى نيز به بيرون پرتاب مى شود و با بررسى امواج اختلال هاى ايجاد شده در فضا و زمان بيازماييم.
اطلاعات جديد حاصل از ماهواره هاى اشعه x به نام رصدخانه اشعه- x چاندرا متعلق به ناسا و ماهوراه XMM نيوتن متعلق به سازمان فضايى اروپا (اسا) مناطقى را در فضا آشكار ساخته اند كه گويا فضا- زمان در اين مناطق توسط سياهچاله اى به درون كشيده مى شود. (همان گونه كه معادلات اينشتين پيش بينى كرده اند.)
اما هنوز معلوم نيست بر سر ماده اى كه در كنار يك سياهچاله حركت مى كند و از افق رويداد مى گذرد، چه مى آيد. افق رويداد مرزى نظرى است كه هيچ چيز از آن قادر به گريز نيست. آيا واقعاً زمان در اين مكان متوقف مى شود؟
نسبيت عام پيشگويى هاى خاصى را راجع به ماده و انرژى كه در نزديك يك سياهچاله قرار دارد، مطرح مى كند. اگر در بررسى هاى دقيق، كوچكترين انحرافى ميان تئورى و مشاهدات ديده شود، آن گاه به محدوديت هاى معادلات اينشتين پى خواهيم برد.
دو ماموريت مهم پروژه «فراتر از اينشتين» ما را بيش از هر زمان ديگر به مرزهاى افق رويداد نزديكتر خواهد كرد و تصاوير دقيقى از آنچه كه در كرانه هاى اين گرداب بر سر فضا و زمان مى آيد، ارائه خواهد داد. ليزا ماموريتى مشترك ميان ناسا و اسا است هم اكنون در مرحله محاسباتى است و قرار است در آينده به امواج گرانشى كه از ادغام سياهچاله ها به وجود مى آيند گوش فرادهد. اين امواج نيز در نسبيت عام پيش بينى شده اند و شبيه امواج نور با سرعت نور حركت مى كنند و داراى طيفى از فركانس هاى مختلف هستند. اين امواج تاكنون كشف نشده اند و كشف آنها موهبتى خواهد بود كه باعث ايجاد نگاه كاملاً جديدى به جهان خواهد شد. مجموعه ماهواره اى صورت فلكى X يك رصدخانه چند ماهواره اى اشعهx است. ماهواره هاى مزبور به گونه اى در كنار هم آرايش گرفته اند كه قدرت جمع آورى نور را براى ساختن فيلمى از فضا- زمان خميده در كنار يك سياهچاله را دارند. قدرت مجموعه ماهواره اى x براساس طيف سنجى است. اين روش براى تحليل خصوصيات فيزيكى اتم هاى مجاور يك سياهچاله، براساس نور ساطع شده از آنها عمل مى كند. مجموعه ماهواره اى x صد برابر كاراتر از رصدخانه هاى جمع آورى كننده اشعه x موجود است.
مجموعه ماهواره اىX همانند ليزا محكمترين شواهد مربوط به نظريه نسبيت عام را كه تاكنون بشر موفق به دستيابى به آنها شده است، ارائه خواهد داد.
سياهچاله ها بهترين آزمايشگاه براى بررسى گرانش هستند. در نظر آوريد كه چگونه از قانون گرانش نيوتن به طور موفقيت آميزى براى اندازه گيرى مدار گردش سيارات به دور خورشيد استفاده شد. (البته غير از مدار سياره عطارد) اندازه گيرى هاى دقيق در قرن نوزدهم آشكار ساخت كه اين نوع محاسبه ها در مورد سياره عطارد حدود ۴۰ ثانيه زاويه اى با مشاهدات اختلاف دارند. آنچه كه معادله نيوتن در نظر نگرفته بود نيروى گرانش خورشيد است كه باعث پيچش فضا- زمان در نزديكى خورشيد مى شود. سيارات ديگر كه از خورشيد دورترند تحت تاثير اين نيرو قرار نمى گيرند. معادلات اينشتين مدار غيرمعمول عطارد را به درستى پيش بينى مى كنند. همان گونه كه نيروى گرانش نسبتاً ضعيف خورشيد وجود يك خطا را در محاسبات نيوتن آشكار كرد، در اينجا نيز ممكن است بررسى دقيق سياهچاله ها باعث آشكار شدن خطا در محاسبات اينشتين شود.
هم ليزا كه اطراف سياهچاله ها را بررسى خواهد كرد و هم مجموعه ماهواره اى X كه ديناميك خوشه هاى كيهانى را بررسى خواهد كرد دانسته هاى بشر را در مورد رازهاى انرژى تاريك افزايش خواهند داد.
يابنده سياهچاله اى (Black hole finder) در برنامه فراتر از اينشتين يك سرشمارى حقيقى را سرپرستى خواهد كرد. اين جست وجوگر، كارهاى مجموعه ماهواره اى X و ليزا را تكميل خواهد كرد. منابع سياهچاله اى را كه توسط اين رصدخانه ها كشف شده اند بررسى كرده و انواع مختلف سياهچاله ها را مشخص مى كند و نقش آنها را در شكل دادن به كهكشان ها آشكار مى سازد. اين كوشش ها در نهايت تصوير مستقيمى از افق رويداد يك سياهچاله را فراهم خواهد آورد كه دستاوردى پرارزش خواهد بود. تصويرگر سياهچاله نيز يك تلسكوپ اشعه X است كه درجه تفكيك آن يك ميليون بار دقيق تر از تلسكوپ هابل است. اين تلسكوپ داراى آينه هاى متعدد و آشكارگرهاى در حال پروازى است كه شبيه تداخل سنج هاى راديويى موجود در سراسر ايالات متحده پراكنده خواهند بود. اين پيشرفت هاى فنى به دست آمده قادرند در دو دهه آينده اين هدف را به واقعيت بدل سازند، آنگاه تصويرهاى به دست آمده دليل غيرقابل انكارى از وجود يك سياهچاله خواهد بود.
پى نوشت ها:
۱- كوانتيزه (Quantized) قابل تقسيم دانستن ماده و انرژى به ذرات كوچك و مشخص كه در تئورى كوانتوم بدان مى پردازند.
۲- نوترينو ها :(Neutrino) ذره اى است تقريباً بدون جرم و بدون بار كه از تلاشى بتا راديواكتيو هسته توليد مى شود و به همراه الكترون ها و موئون ها و ذره تاو جزء گروه لپتون ها طبقه بندى مى شود. نوترينوها تنها از برهم كنش ضعيف و گرانش متاثر مى شوند.
۳- گلوئون Gluon)): پروتون و نوترون داخل هسته هريك از سه ذره مجزا به نام كوارك Quark تشكيل شده اند كه توسط ذره ديگرى به نام گلوئون به همديگر متصل شده اند. منشاء نيروى برهم كنش قوى در هسته همين گلوئون ها هستند.