رفتن به نوشته‌ها

سیتپـــــور مطالب

از کجا بفهمیم که داریم کرونا رو شکست میدیم؟

۹۰۰۰ بیمار جدید و ۱۰۰۰ نفر بستری
۱۱۷۳۷ بیمار جدید و ۲۰۰۰ نفر بستری

  • قراره این آمار تا کجا ادامه پیدا کنه؟
  • قراره در انتها چند نفر کرونا بگیرن و بستری بشن؟
  • آیا ریاضیات میتونه انتهای راهی که میریم رو مشخص کنه؟

پرسش و پاسخ‌ درباره ویروس جدید کرونا (کووید-‏‏۱۹)‏

سازمان جهانی بهداشت

بر خلاف آمار روزانه‌ای که شبکه‌های خبری میدن، که اصلا معلوم نمی‌کنه قراره در آینده چه اتفاقی بیافته، در این ویدیو یاد می‌گیریم که چطور از ریاضیات و نمودارهای لگاریتمی میشه کمک گرفت تا آینده‌ای که پیش رو داریم رو روشن‌تر ببینیم و قدرت تحلیل و تصمیم‌گیریمون رو بالا ببریم، نتایج تصمیمات مختلف کشورها رو به روشنی ببینیم و حدس بزنیم که «کی قراره کرونا رو شکست بدیم؟»

اگر با دیدن ویدیو در ذهنتون سوال پیش اومد و خواستید که خودتون با این آمار بازی کنید، حتما به سایت Aatish سر بزنید!

این ویدیو توسط Minute Physics ساخته شده و ویدیو زیرنویس فارسی دارد.
لینک های دانلود ویدیو :

نگاره از https://aatishb.com/covidtrends/

آنیون‌ها و آمار کوانتومی در ۲-بعد

﷽ توی فیزیک، بسته به شرایط مسئله‌ای که مطالعه می‌کنیم، به یه سری چیزها می‌تونیم بگیم ذره. از یک نگاه، فیزیک چیزی نیست جز بررسی ذرات و میدان‌ها. مثلا کیهان‌شناس‌ها به منظومه شمسی میگن یه ذره! به عبارت دیگه در فیزیک بسته به مقیاس، وقتی میگن ذره، لزوما منظور شی کوچیکی نیست وقتی با چشم بهش نگاه می‌کنیم. فقط در حوزه «فیزیک ذرات» یا «فیزیک انرژی بالا» مردم منظورشون از ذره معمولا ذرات بنیادیه. تعریف دم‌دستی از ذره بنیادی هم یه چیزیه که ساختار ریزتری نداره؛ مثلا ما ساختار ریزتری برای الکترون نمی‌شناسیم گویا. اما در مورد نوکلئون‌ها (پروتون و نوترون)، اونا رو می‌تونیم با کوارک‌ها بسازیم. پس الکترون و کوارک ذره بنیادی حساب میشن اما پروتون نه. از طرف دیگه، منظور ما از یک «ذره کوانتومی» یا به‌طور کلی یک «پدیده کوانتومی» اینه که فیزیک کلاسیک در توصیف رفتار اون ذره یا پدیده ناکافی یا ناکارآمده و اصطلاحا باید در یک رژیم کوانتومی به دنبال توصیف مناسب بگردیم.

کهکشان‌ها به قدری بزرگ هستند که به ستاره‌ها بشود عنوان یک «ذره» را نسبت داد!
این نوشته از کوانتا مگزین را بخوانید.

حالا اگه علاقه‌مند به مطالعه سیستم‌های بس‌ذره‌ای کوانتومی باشیم، یعنی بخوایم بدونیم که مجموعه‌ای از ذرات کوانتومی با یک مدل برهمکنشی خاص چه‌طوری رفتار می‌کنن اون موقع فیزیک آماری کلاسیکی که برای سیستم‌های بس‌ذره‌ای بلدیم باید قاعدتا به یک نسخه‌ کوانتومی تغییر کنه. در دنیای کوانتومی، ذرات به دو گروه فرمیون‌ها و بوزون‌ها تقسیم میشن. این طبقه‌بندی در دنیای کلاسیک اصلا نیاز نیست. به خاطر این طبقه‌بندی جدید ذرات، وقتی نیاز داشته باشیم که یک سیستم‌ کوانتومی رو به طور آماری بررسی کنیم، باید دقت کنیم که در بررسی اجزا اون سیستم با دو آمار مختلف رو به رو هستیم. یک آمار ویژه فرمیون‌ها به نام «آمار فرمی-دیراک» و یک آمار ویژه بوزون‌ها به نام «آمار بوز-اینشتین». پس منظور از «آمار کوانتومی» مجموعه‌ای از ذرات، یک بررسی فیزیک آماری کوانتومی از اون سیستمه.

یک سری چیزها مثل پروتون، نوترون و الکترون پیرو آمار فرمی-دیراک هستن. این‌ها ذراتی هستن که اسپین‌هاشون کسریه و مضرب یک‌دوم، به اینا میگیم فرمیون. اصل طرد پائولی هم فقط برای فرمیون‌ها برقراره. اصل طرد هم یک جور فاصله‌گذاری اجتماعی بین ذراته! یکی از نتایج اصل طرد اینه که برای داشتن ماده (به معنی اکثر ساختارهای فیزیکی که اطرافمون هست) باید فرمیون‌ها رو کنار هم قرار بدیم و نه بوزون‌ها رو. چون اجتماع فرمیون‌ها منجر به ساختارهای گوناگونی میشه که منجر به ایجاد ماده‌های مختلفی میشن. اما اجتماع بوزون‌ها این شکلی نیست!

مثلا فوتون که کوانتا (ذره) سازنده نوره یک بوزونه و از آمار بوز-آینشتین پیروی می‌کنه. اسپین بوزون‌ها صحیحه و اصل طرد برشون حاکم نیست. به همین خاطر میشه یک عالمه فوتون رو جایی جمع کرد بدون اینکه ساختار خاصی شکل بدن. به این کار اصطلاحا میگن چگالش بوز-آینشتین. در نگاه «فیزیک ذرات» برای توصیف هر پدیده‌ای علت رو میندازن گردن یه «ذره»؛ به عنوان مثال، دو تا جسم جرم‌دار رو تصور کنید که به خاطر گرانش بهم نیرو وارد میکنن. در نگاه فیزیک کلاسیک، گرانش انگار پیوسته بین دو جسم وجود داره و سبب میشه که این دو جسم بهم نزدیک بشن. مثلا زمین همیشه داره به خورشید نزدیک میشه به خاطر جاذبه گرانشی، ولی به جای اینکه سقوط کنه روی خورشید دورش میچرخه. حالا سوال اساسی اینه که این برهمکنش چه‌طور انجام میشه؟ از نگاه فیزیک ذرات، این برهمکنش گرانشی با تبادل ذره‌ای به اسم گراویتون بین خورشید و زمین انجام میشه. هنوز از لحاظ تجربی گراویتون مشاهده نشده، اما انتظار میره در صورت مشاهده، بوزونی بی‌جرم با اسپین-۲ باشه!

بوز یک فیزیکدان هندی بود. قطار سوار شدن هندی‌ها رو به عنوان چگالش بوز-آینشتین در نظر بگیرید!

خلاصه تا این اواخر ما فکر می‌کردیم که ذرات کوانتومی یا باید فرمیون باشن یا بوزون و وقتی به یک سیستم کوانتومی نگاه می‌کنیم فقط با دو جور آمار روبه‌رو هستیم.

در فیزیک یک طبقه‌بندی دیگه‌ای هم وجود داره که به بعضی چیزها به جای ذره، میگیم شبه‌ذره یا Quasi-particle. این‌ها در حقیقت موجوداتی هستن که از برانگیختگی‌ میدان‌ها بیرون میان، مثل فنون‌ها. در فیزیک ماده‌چگال، فنون‌ها ذراتی هستن که سبب رسانش گرمایی توی فلزات میشن. این شبه‌ذرات همون چیزایی هستن که ما بهشون میگیم ذره پدیداره یا emergent particle. انگار ذره‌ای در عمل نیست توی یه تکه فلز، اما ذره‌ای خلق شده جوری که مسئولیت رسانش گرمایی رو برعهده گرفته. برای همین، غیر از ذرات کوانتومی معروفی مثل پروتون، نوترون و الکترون یک سری ذره دیگه هم وجود دارده مثل فونون و گراوتیون که ذرات کوانتومی هستن. برای همین انتظار اینه که همه این ذرات آمارهای کوانتومی داشته باشن.

پس ما:

  • بسته به مقیاس مورد مطالعه‌مون به هر چیزی می‌تونیم بگیم ذره.
  • اگه ذره‌ای کوانتومی حساب بشه اون موقع اجتماعی از اون ذرات باید از آمار کوانتومی پیروی کنه.
  • آمار کوانتومی دو نوع داشت: آمار فرمی-دیراک و آمار بوز-آینشتین

راستش همه این حرفا برای ۳-بعد بود. توی ۱۰ – ۱۲ سال گذشته مردم به صورت نظری راجع به این حرف زدن که در ۲-بعد ذرات می‌تونن آمار خیلی غنی‌تری از خودشون نشون بدن! یعنی در ۲-بعد نمیشه همه رو به دو دسته فرمیون و بوزون دسته‌بندی کرد. در ۲ بعد خیلی خبرهای بیشتری داریم. از پیشگامان این عرصه نوبلیستی بود به اسم فرانک ویلچک. (با تاماش ویچک اشتباه گرفته نشه!)

اگه مردم بتونن نتایج آزمایش بالا رو بدون کم و کاست تکرار کنن، یک اتفاق بسیار مهم تو فیزیک به حساب میاد. به‌طور خلاصه، با این‌که ذرات در ۳-بعد یا آمار فرمیونی دارن یا بوزونی اما در ۲-بعد داستان خیلی پیچیده‌تره. اگر فازی که در اثر جابه‌جایی دو تا ذره به دست میاد رو به شکل $e^{i \theta}$ در نظر بگیریم برای بوزون‌ها θ صفره و برای فرمیون‌ها π. اما در ۲-بعد θ می‌تونه هر عددی باشه! حتی بالاتر از این میشه یه فضای برداری تعریف کرد و به جای یه فاز یه ماتریس یکانی اونجا گذاشت! (این اون چیزی‌است که محاسبات کوانتومی توپولوژیک قراره ازش استفاده کنه).

پیشنهاد می‌کنم این نوشته‌ رو بخونید و فرانک ویلچکو در توییتر دنبال کنید. ویلچک جزو فیزیکدونای بزرگیه که تلاش میکنه مردم عادی هم فیزیک رو بفهمن. مثلا در مورد شبه‌ذره‌ای مثل آنیون‌ هم مطالب و سخنرانی‌های جالبی داره:

نوبل فیزیک ۲۰۲۰ برای کاوشگران تاریکی

جایزه نوبل فیزیک امسال به اخترفیزیک‌دان‌ها به خاطر خدماتشان در زمینه بهتر شناختن سیاه‌چاله‌ها رسید. نیمی از جایزه امسال به راجر پنروز و نیم‌دیگر آن به طور مشترک به رینهارد گِنزِل و آندریا ام. گز تعلق گرفت. این جایزه به خاطر کشف این که تشکیل سیاهچاله یک پیش‌بینی بی شائبه از نظریه نسبیت عام است و کشف یک شی فشرده‌ی کلان‌جرم در مرکز کهکشان تعلق گرفت.

سِر راجر پنروز (Sir Roger Penrose) (زاده ۸ اوت ۱۹۳۱)،فیزیک‌دان و ریاضیدان برجستهٔ انگلیسی است.

او به پاس کشف این که تشکیل سیاهچاله یک پیش‌بینی بی شائبه از نظریه نسبیت عام است برنده نیمی از جایزه نوبل فیزیک شد.

آندریا اِم. گِز (Andrea M. Ghez) (زن – زادهٔ ۱۶ ژوئن ۱۹۶۵ در نیویورک) استاد گروه فیزیک و اخترشناسی دانشگاه کالیفرنیا، لس‌آنجلس است. برای آشنایی با کار گز این نوشته را بخوایند.

رینهارد گِنزِل ( Reinhard Genzel) (زادهٔ ۲۴ مارس ۱۹۵۲) عضو انستیتوی فیزیک فرازمینیِ ماکس پلانک و استاد دانشگاه کالیفرنیا، برکلی است.

نیم دیگر جایزه به این دو نفر به خاطر «کشف یک شی فشرده‌ی کلان‌جرم در مرکز کهکشان» تعلق گرفت.

در مورد جایزه امسال بیشتر بخوانید:

سخنرانی اندریا گز در تد ۲۰۰۹ در مورد کشف سیاه‌چاله کلان‌جرم

بر اساس داده‌های جدیدی که از تلسکوپ‌ها به دست آمده‌است، آندریا گز نشان می‌دهد که چگونه اپتیک تطبیقی، اخترشناسان را قادر می‌سازد تا به بررسی مرموزترین اجرام عالم یعنی سیاهچاله‌ها بپردازند. او در این سخنرانی مدارکی را مطرح می‌کند که بر مبنای آن شاید سیاهچاله ای ابر پرجرم در مرکز کهکشان راه شیری کمین کرده باشد.

مصاحبه با رینهارد گنزل در مورد کارهای او پیرامون سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم

تصویرسازی‌های موسسه نوبل

fig2-phy-en-cross-section-merged

چرا ماسک‌ها بهتر از چیزی که فکر می‌کردید عمل می‌کنند؟

در ادامه پست فیزیک حیرت آور ماسک‌های ان۹۵، این بار بررسی می‌کنیم:

  • اصولا چرا باید ماسک بزنیم؟
  • آیا ماسک زدن تغییر قابل توجهی در این همه گیری به وجود می آورد؟
  • آیا این تغییر همانی است که ما انتظار داریم یا نه؟

پرسش و پاسخ‌ درباره ویروس جدید کرونا (کووید-‏‏۱۹)

سازمان جهانی بهداشت

در ویدیو می‌بینیم که چطور ماسک‌ها خلاف شهود ریاضیاتی ما عمل می‌کنند و تاثیری حیرت‌آورتر و نقشی موثرتر از آن‌چه فکر می‌کنیم دارند. همینطور میبینیم که نباید آنقدر به ماسک های پارچه‌ای خرده گرفت، چرا که حتی با استفاده درست از آن‌ها (که اگر می‌خواهید بدانید یعنی چه، حتما ویدیو را ببینید) می توان جلوی این دنیاگیری را گرفت.

اگر بعد از دیدن ویدیو همچنان مشتاق دیدن تاثیرات به وجود آمده به دلیل درصد متفاوت اقدامات محافظتی جوامع بودید، حتما به اینجا سر بزنید!

این ویدیو توسط Minute Physics ساخته شده و ویدیو زیرنویس فارسی دارد.
لینک های دانلود ویدیو :

نگاره از aatishb.com/maskmath

دنیای این روزهای علم – قسمت ۰

دقت کردین که «عمده» شعرا یا نویسنده‌های بزرگ، دکتری ادبیات ندارن یا بازیگرای درجه‌ یک سینما هیچ‌ موقع خیلی جدی درس سینما نخوندن؟ یا از طرف دیگه نه رونالدو تربیت بدنی خونده و نه میلیاردرهای جهان دکتری اقتصاد یا مدیریت مالی دارن؟ ولی در مورد علم چی؟! دقت‌کردین همه فیزیکدان‌ها، دکترای فیزیک دارن! شخصا آخرین آدم حسابی که یادمه در علم دکتری نداشت ، مرحوم فریمن دایسون بود که اوایل امسال عمرشو داد به شما. ناگفته نمونه که دایسون با این‌که دکتری نداشت اما کار دانشگاهی داشت درست مانند بقیه همکارهاش که دکتری داشتند.

اصلا چون امروز هر فیزیکدانی دکتری داره، منجر به این برداشت شده که هر کسی که مثلا دکتری فیزیک داره رو فیزیکدان فرض کنن و هر کس که دکتری ریاضی داره رو آقا و خانم ریاضی‌دان صدا بزنن، خصوصا توی رسانه‌ها! فکر کنید سه‌ چهار سال دیگه من خودمو علوم‌کامپیوتردان معرفی کنم جایی؛ بیچاره تورینگ، بیچاره‌تر کنوث! خلاصه که در علوم پایه، کارکرد دانشگاه خیلی متفاوت از بقیه رشته‌ها شده. امروز تقریبا شما باید «دکتر» باشین تا در جامعه علمی بتونید ارتباط برقرار کنید. حتی نسبت به قرن بیستم هم مفهوم آکادمیا کاملا تعریف جدیدی داره انگار چه برسه به سده‌های گذشته. همین‌ قدر بگم که اگه آدم دانشگاهی نباشین، حتی در توییتر هم زیاد تحویلتون نمی‌گیرن چه برسه مثلا داخل کنفرانسی چیزی. بگذریم!

برخلاف گذشته که علما عمدتا هر کدوم شغل و منصبی داشتند و در کنارش به علم می‌پرداختند الان شغل‌های دانشگاهی مختلفی وجود داره که کسب و کار اصلی آدم‌ها رو تشکیل میده. در تاریخ اومده که ابن‌هیثم شغل کارمندی (دیوانی) داشته و بارها سعی کرده خودش رو به دیوونگی بزنه بلکه بتونه این شغل‌ها رو رها کنه و یک زندگی کاملا علمی داشته باشه. یا مثلا نیوتون مدتی شغلش ریاست ضرابخانهٔ سلطنتی بوده و در همان دوران هم «نورشناخت» رو منتشر کرده. ماجرای معروفی وجود داره به این نقل که یه شب که نیوتون خسته از ضرابخونه بر می‌گرده خونه‌ش می‌بینه برنولی (یوهانشون که استاد اویلر بود) نامه زده که آقا ببین این مسئله رو می‌تونی حل کنی، و نیوتون هم تا قبل آفتاب‌طلوع مسئله رو حل می‌کنه و جوابش رو با اولین پست فردا صبح – به صورت گمنام – برای برنولی ارسال می‌کنه!

ویلچک (برنده نوبل فیزیک در ۲۰۰۴) اینجا توضیح میده که چاپ مقاله در دنیای امروز فرایند کاملا متفاوتی رو طی می‌کنه. مثلا مقاله معروف ۱۹۱۵ (نسبیت) آینشتین با متر و معیارهای امروزی قاعدتا در هیچ مجله‌ای چاپ نمیشد! چون اولا مقاله با بحث فلسفی آرومی در مورد مفهوم فضا و زمان شروع میشه و بعدش آینشتین به سراغ ریاضیات شناخته‌‌شده‌ حساب تنسوری میره، اونم با شرح و تفصیل، جوری که نصف مقاله رو همینا پر می‌کنه. در حالی که امروز این‌ چیزها «زاید» حساب میشن و کسی اینقدر طولانی مقدمه نمی‌نویسه. اصلا بعضی مجله‌ها قیدهای خاصی روی اندازه مقاله دارن، مثلا میگن حداکثر فلان‌قدر کلمه باید داشته باشه یا در بهمان‌تعداد صفحه نهایتا باشه. از طرف دیگه، مقاله نسبیت آینشتین نه تنها هیچی شکلی نداره، بلکه به هیچ مقاله قبلی هم ارجاع نمیده! امروز اگه کسی این جوری مقاله بنویسه، قبل از اینکه به دست ویراستار مجله (editor) برسه، مقاله کلا کله‌پا میشه و کارش به زباله‌دان تاریخ کشیده میشه. نوشته ویلچک رو بخونید.

خلاصه که امروز دنیای علم قر و فرهای زیادی داره که مثل هر چیز دیگه خوبی‌ها و بدی‌های خودشو به همراه میاره. قصد من از این نوشته این نبود که بگم دنیای امروز بده! در دنیای دیروز شاید آدمی مثل من باید دربه‌در دنبال یه لقمه نون می‌دوید به جای اینکه صبح به صبح بره دانشگاه، قهوه بخوره، کار علمی کنه و حقوق بگیره! اینو نوشتم چون تصور همه آدمای تازه وارد به علم، معمولا پره از داستان‌‌ها و گاهی افسانه‌های چهره‌های معروف تاریخ علم. با ورود به دوره دکتری آدم یک دفعه با دنیای متفاوتی روبه‌رو میشه که قبلا خیال می‌کرد شکل دیگه‌ای داشته باشه.

آیا باید دکتری بخونم؟!

این روزها، همه کسایی که با من لیسانس رو شروع کرده بودن یا دانشگاه رو کاملا ترک کردن یا اینکه جایی در گذار از کارشناسی ارشد به دکتری هستن. تعدادی وارد دوره دکتری شدن و تعدادی هم در فکر ورود به این مقطع، شب و روزشون رو سر می‌کنن. نزدیک به یک‌ساله که من دوره دکتریم رو در آلتو شروع کردم. احتمالا هنوز تجربه کافی برای دادن یک جواب خیلی پخته به این سوال رو ندارم، اما به نظرم تجربه‌هایی که این مدت کسب کردم یا چیزهایی که از بقیه شنیدم یا دیدم بتونه ایده‌های شفاف‌تری بده در مورد دکتری خوندن!

دکتری خواندن در ایران

راستش من به طور کلی مخالف دکتری خوندن توی ایران هستم! نه به این خاطر که ما اصلا اساتید خوبی نداریم در ایران، نه! بلکه به این خاطر که دکتری خوندن یک کار حرفه‌ایه و نیازمند یک بستر مناسبه که در ایران با تقریب خوبی همچین بستری وجود نداره. البته استثناهایی وجود داره برای قشر خاصی از جامعه!

ما توی ایران دانشگاه‌های خوبی داریم که «آموزش» با کیفتی ارائه می‌کنند. تجربه من از کلاس‌های دانشگاه شهید بهشتی و دانشگاه صنعتی شریف اینه که آموزش ارائه شده، به نسبت بقیه جاهای دنیا، از کیفیت قابل قبولی برخورداره. خصوصا که بعضی از کلاس‌ها واقعا با کیفیت بالایی برگزار میشن. کسی نمی‌تونه منکر کیفیت کلاس‌ جبر یا ریاضی عمومی دکتر شهشهانی، فرایندهای تصادفی دکتر علیشاهی، فیزیک۳ یا کاربرد کامپیوتر در فیزیک دکتر اجتهادی، الکترومغناطیس دکتربهمن‌آبادی و دینامیک غیرخطی دکتر مقیمی بشه! اصلا مگه چند جای دنیا در دوره لیسانس کلاسی با کیفیت کلاس مکانیک کوانتومی دکتر گوشه، فیزیک۱ یا هواشناسی یا نسبیت دکتر شجاعی ارائه میشه؟ اگه بخوایم منصف باشیم، ما در مقطع کارشناسی، حداقل در علوم پایه که من بیشتر اطلاع دارم، دانشگاه‌های خوبی داریم؛ دانشگاه خوب به معنی مجموعه‌ای از اساتید (مدرس)، دانشجوها، امکانات آموزشی و کادر اجرایی. قبول دارم که قوانین آموزشی، منش کادر اجرایی و فضای بسته و سیاست‌زده دانشگاه‌های ما اصلا راضی‌کننده نیست. اما از نقطه نظر آموزشی، دوره‌‌های لیسانسی که در دانشگاه‌های برجسته ما ارائه میشه واقعا خوبه. برای همین اگر کسی واقعا دوست داشته باشه که مثلا فیزیک بخونه، حتما توی پایتخت یا کلان‌شهرهای ایران فرصت استفاده از یک آموزش با کیفیت و به شدت ارزون‌قیمت رو پیدا می‌کنه. از طرف دیگه، به لطف دوره‌های آنلاین و ویدیوهای آموزشی روی وب، بخش بزرگی از ضعف‌های آموزش برطرف شده. شاید شما درسی بگیرین و استاد اون درس نتونه خوب درس بده، اما احتمال زیاد می‌تونه سوال شما رو جواب بده یا بالاخره کسایی پیدا میشن که به سوال شما جواب بدن. به عنوان مثال شما می‌تونید کلاس‌های درس حالت جامد دانشگاه آکسفورد رو ببینید و در نهایت مشکلاتی که توی حل مسئله دارین رو از کسی بپرسین.

اتحاد شوالیه‌های تاریکی

چهارشنبه ۱۲ شهریور، اعلام شد که رصدخانه امواج گرانشی لایگو در امریکا و ویرگو در ایتالیا، امواج گرانشی حاصل از ادغام دو سیاه‌چاله‌ را آشکارسازی کرده‌اند که عظیم‌ترین امواج گرانشی ثبت‌شده تا به امروز بوده‌اند. هرچند ادغام دو سیاه‌چاله چیز جدیدی نبوده و قبلاً هم چند مورد از آن آشکارسازی شده بود؛ اما این یکی، ویژگی‌های غیرمعمولی داشته که باعث شده این خبر اهمیتی دوچندان برای اخترفیزیک‌دان‌ها و پژوهشگران فعال در حوزه سیاه‌چاله‌ها داشته باشد.

Image credit: Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav)

وقتی عالم نیمی از عمر اکنونش را داشت، دو سیاه‌چاله سنگین در هم ادغام شدند و امواج گرانشی تولید کردند. این طنین‌های گرانشی، موجی را پیش بردند و تار‌و‌پود فضا-زمان را شبیه به یک صدای زنگ کیهانی لرزاندند و سیگنالی برای ما به‌جای گذاشتند. ساعت ۷:۳۲:۲۹ صبح روز سه‌شنبه ۳۱ اردیبهشت ۹۸، سه رصدخانه امواج گرانشی (ویرگو و هر‌دو رصدخانه لایگو) بر روی زمین، این سیگنال کوتاه را که فقط یک دهم ثانیه به‌طول انجامید، دریافت کردند. محققان می‌گویند: احتمالاً منشأ این سیگنال ـ که «جی‌دبلیو ۱۹۰۵۲۱» نام‌گذاری شده ـ ادغام دو سیاه‌چاله سنگین‌وزن با جرمی حدود ۶۶ و ۸۵ برابر جرم خورشید بوده که در‌نهایت، یک سیاه‌چاله بزرگتر را با جرمی حدود ۱۴۲ برابر جرم خورشید به‌وجود آورده و مقادیر زیادی انرژی (حدود ۸ برابر جرم خورشید) به‌شکل امواج گرانشی در سراسر جهان آزاد کرد‌ه‌اند. هم‌چنین محققان پروژه لایگو و ویرگو، اسپین (راستای محور و سرعت چرخش) دو سیاه‌چاله اولیه را محاسبه کرده و دریافتند، همان‌طور که این دو سیاه‌چاله به دور یکدیگر دوران داشته و به هم نزدیک می‌شدند، هرکدام حول محور خودشان با زاویه‌ای که هم‌راستا با محور دوران سامانه نبوده می‌چرخیدند؛ احتمالاً همین ناهم‌راستایی محور‌های چرخش، باعث شده وقتی به هم نزدیک‌تر می‌شدند، مدارهایشان حرکت تقدیمی داشته باشد و مثل دو مست میکده تلو‌تلو‌خوران دور یکدیگر بگردند! 🙂

همه سیاه‌چاله‌های مشاهده‌شده تا به امروز، در یکی از این دو دسته قرار می‌گیرند: سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای، که تصور می‌شود موقع مرگ ستاره‌های عظیم تشکیل می‌شوند و می‌توانند طیف جرمی از حدود چند برابر جرم خورشید، تا ده‌ها برابر جرم خورشید داشته باشند؛ یا سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم که در در قلب کهکشان‌ها هستند و جرمی از مرتبه صدها هزار، تا میلیاردها برابر جرم خورشید دارند (برای آشنایی بیشتر با سیاه‌چاله‌ها، نوشته قیام علیه سیاهی را بخوانید). با این حال، سیاه‌چاله نهایی ایجاد شده در ادغام جی‌دبلیو ۱۹۰۵۲۱، در یک محدوده جرمی متوسط ​​بین این دو دسته قرار گرفته است. در‌واقع، این سیاه‌چاله‌ تشکیل شده با جرمی حدود ۱۴۲ برابر جرم خورشید، به دسته جدیدی از سیاه‌چاله‌ها تعلق دارد که «سیاه‌چاله‌های میانه‌جرم» نام دارند و این مورد، اولین آشکارسازی واضح از این نوع سیاه‌چاله‌ها است.

نمودار ادغام‌های سیاه‌چاله‌هایی که توسط لایگو و ویرگو ثبت شده برحسب جِرمشان در واحد جرم خورشیدی. سیاه‌چاله نهاییِ تازه‌کشف‌شده مربوط به دسته‌ای جدید با نام سیاه‌چاله‌های میانه‌جرم است.
Image credit: : LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

به نظر می‌رسد دو سیاه‌چاله اولیه که سیاه‌چاله نهایی را ایجاد کرده‌اند نیز از نظر جرم بی‌همتایند. طبق مدل‌های اخترفیزیکی فعلی، ستارگانی با جرم ۱۳۰ برابر جرم خورشید می‌توانند سیاه‌چاله‌هایی را به‌وجود بیاورند که جرمشان حداکثر ۶۵ برابر جرم خورشید باشد. اما برای ستاره‌های پرجرم‌تر ، تصور می‌شود پدیده‌ای موسوم به «ناپایداری جفت» رخ دهد؛ وقتی فوتون‌های هسته خیلی پرانرژی می‌شوند، می توانند به یک جفت الکترون و پاد الکترون تبدیل شوند. این جفت‌ها فشار کمتری نسبت به فوتون‌ها ایجاد می‌کنند و باعث می‌شوند ستاره در برابر فروپاشی گرانشی ناپایدار شود؛ این ناپایداری به انفجاری می‌انجامد که به حدی قوی است که هیچ چیزی از خود به‌جای نخواهد گذاشت. حتی ستارگان پر‌جرم‌تر (بیشتر از ۲۰۰ برابر جرم خورشید) سرانجام مستقیماً فرو پاشیده و به سیاه‌چاله‌ای با حداقل ۱۲۰ برابر جرم خورشید تبدیل می‌شوند. بنابراین ، یک ستاره در حال فروپاشی قادر نیست یک سیاه‌چاله با جرمی بین ۶۵ تا ۱۲۰ برابر جرم خورشید را ایجاد کند؛ این محدوده جرمی، با عنوان شکاف جرمِ ناپایداری جفت (Pair Instability Mass Gap) شناخته می‌شود. می‌توان ادعا کرد یک یا هردو سیاه‌چاله اولیه‌ در این محدوده جرمی قرار دارند. یک احتمال برای این مسأله ـ که محققان در مقاله دوم منتشر شده در نظر گرفته‌اند ـ عبارت است از ادغام سلسله‌مراتبی؛ به این معنا که دو سیاه‌چاله اولیه قبل از نزدیک شدن و ادغام نهایی، خود از یک ادغام کوچک‌تر دیگر تشکیل شده باشند.

ادغام سلسله‌مراتبی: تشکیل سیاه‌چاله‌های اولیه از ادغام‌های کوچکتر پیشین
Image credit: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

آلن واینستین، از اعضای پروژه لایگو و استاد فیزیک در دانشگاه کلتک، می‌گوید:

«این رویداد، بیشتر از اینکه پاسخگوی سوالات باشه، سؤال‌های بیشتری رو مطرح می‌کنه. از نقطه‌نظر کشف کردن [پدیده‌ها] و فیزیک، این چیز خیلی هیجان‌انگیزیه».