رفتن به نوشته‌ها

برچسب: نسبیت عام

مصاحبه با ساسکایند

تاریخ شفاهی American Institute of Physics اخیرا با ساسکایند مصاحبه طولانی داشته که به نظرم خوندنش خالی از لطف نیست. من سعی می‌کنم بریده‌هایی از این گفت‌وگوی طولانی رو بدون ایجاد تغییر اینجا بذارم. متن کامل در اینجا در دسترس همگانه:

Interview of Leonard Susskind

By David Zierler on May 1 and 3, 2020

Niels Bohr Library & Archives

American Institute of Physics


ورود به فیزیک

توی این مصاحبه ساسکایند از ماجرای ورودش به فیزیک و مسیر فیزیکدان شدنش میگه. از وضعیت و عقبه خانواده‌ش و تاثیر پدرش بر زندگیش. از اینکه برای مدتی همراه پدرش به شغل لوله‌کشی مشغول بوده و در گفت‌وگو با همکارهای پدرش کم‌کم متوجه میشه که ناخواسته سراغ شبه علم می‌رن! ساسکایند تعریف می‌کنه که کجا مدرسه و دانشگاه رفته. چی خونده و چه طور متوجه شده که رشته‌ای که دوست داره فیزیکه و نه مهندسی!

Harold Rothbart came around, and he was watching me, and he said, “Susskind, this is not for you. This is the wrong subject for you.” He told me he would fail me in the class unless I dropped out of engineering. … By that time, I was married. I had a child. “What am I going to do? My father is waiting for me to go into business.” “I want you to drop out of engineering.” I thought, “Well, this guy really thinks I’m stupid.” And then he said something that really touched me. He said, “You’re very, very smart. You should be a scientist. You should go into one of the sciences.”

ساسکایند از این میگه که چه طوری به درس‌های پایه فیزیک علاقه‌مند شده. این که کتاب مکانیک کلاسیک گلدستین رو می‌خونه و خیلی کیف می‌کنه با وجود این‌که نویسنده این کتاب اصلا فیزیکدان نبوده! به نظر اون گلدستین هنوز هم کتاب خیلی استانداردی برای یادگرفتن مکانیک کلاسیکه چون خیلی خوب در مورد همیلتونی‌ها و لاگرانژین‌ها و کروشه‌های پواسون بحث کرده. یک بار هم سر کلاس مکانیک تحلیلی ساسکایند یکی ازش می‌پرسه که چه کتابیو پیشنهاد می‌کنی؟ میگه من نمی‌دونم چه کتابی خوبه، ترجیح می‌دم خودم بشینم یکی خودم بنویسم تا یکیو پیشنهاد کنم ولی یادمه وقتی اولین بار این چیزا رو خوندم از روی گلدستین خوندم و اون خیلی کتاب خوبی بود. در ادامه این مصاحبه می‌گه که بهترین کتابی که برای یادگرفتن کوانتوم خونده کتاب خود دیراکه. همین طور همیشه مقاله‌های نسبیت (خاص و عام) آینشتین روی میزشه و اونا رو می‌خونه ولذت می‌بره از سوال‌های خیلی ساده‌ای که آینشتین می‌پرسه و روشی که سعی می‌کنه به این سوال‌ها پاسخ بده.

He made this surprising conclusion that light, as well as everything else, gravitates, from something that a 12-year-old could understand. That to me was the way that I wanted to do physics. It wasn’t that I wanted to imitate Einstein. It just felt right. This is the way to think about physics. You start with very, very simple observations about the world, and from them, you draw far-reaching conclusions. Gedankenexperiments— I really, really fell in love with the idea of thinking about physics from a very simple starting point and building on that.

در ادامه به این می‌پردازه که رسما استاد راهنمای خاصی نداشته ولی بعضی‌ها توی این مسیر راهنماش بودن؛ به طور خاص به هانس بیته اشاره می‌کنه. اما می‌گه که هانس هیچ موقع نمی‌تونسته استاد راهنمای مناسبی برای اون باشه چون خیلی ذهن عملگرا و تجربی داشته و از نسبیت عام خوشش نمی‌اومده! بعدها فاینمن رو می‌بینه و شاید اون به معنی واقعی کلمه استاد راهنماش بوده ولی خب زمان زیادی می‌گذشته از این که مستقیما تحت نظارت فاینمن بخواد کاری کنه. فاینمن بیشتر دوستش بوده و ساسکایند مدل پرداختنش به فیزیک رو خیلی می‌پسندیده. به نظر ساسکایند،‌ آینشتین توی لیگ غول‌هایی مثل نیوتون، ارشمیدس و گالیله بوده در حالی که فاینمن آدمی بوده که فوق‌العاده بوده توی فیزیک. همیشه فاینمن رو به چشم یک انسان بامزه می‌دیده و نه خدایگان فیزیک! بعدها مری گل‌-من رو دیده و با این که همیشه اونو تحسین می‌کرده ولی آبش با اون توی یه جوی نمی‌رفته! برای همین گل-من هم چندان نقش راهنما براش نداشته. نکته جالب ولی اینه که میگه این روزها من راهنما دارم و اتفاقا اونا خیلی از من جوون‌تر هستن!

What did I—I did see something in Feynman’s physics. He also had a certain simplicity of thinking. The two examples that stand out, and I’ve talked about these publicly on occasion—well, there were three. The first was his ability to cut through the great difficulties of quantum field theory and just draw diagrams. How the hell did he figure that out? And he didn’t figure it out; he just made it up! People who tried to figure out what Feynman was doing could not get him to explain what he was doing. He just said, “Here it is. This is what it is.” … It was always, “Close your eyes, and see if you can see what the thing looks like.” In that sense, I think Feynman was a mentor. But it came a bit late for it to have really affected my own style. That already existed. I also admired Murray Gell-Mann enormously, but very different. Murray and I did not get along. In fact, I think we really disliked each other. But I could see his incredible ability to see patterns.

ساسکایند می‌گه افراد مختلف به شیوه های متفاوتی به فیزیک می‌پردازن. مدل انجام دادن اون این جوریه که به جاهایی که اصول با هم در تضاد هستن عمیقا فکر می‌کنه:

My friend Steve Shenker, for example, is a master of using output of calculation as data to generate new ideas or brilliant ideas. I never did a lot of calculation like that, or at least not for a long time. I did at one time, but not for a lot of time now. … My approach to physics—this was not done by design. My natural inclination is to focus on clashes of principle, on paradoxes, on Gedankenexperiments through which we view clashes of principle, and then eventually debug and understand what resolves the clashes of principle. So that’s a way of thinking that—I think it’s fairly rare. I don’t think any of my colleagues tend to do that.

علم و دین

از ساسکایند پرسیده میشه که زمانی که دانشگاه یشیوا بوده آیا محیط اونجا تحت تاثیر اندیشه‌های یهودی بوده یا نه.

I was at the Belfer Graduate School of Science. Which was a part of Yeshiva University, but it was separate. It was a graduate school of science. It was a very funny, idiosyncratic place. It was a marvelous place. It had some extraordinary scientists. Yakir Aharonov, Dave Finkelstein, Joel Lebowitz, Elliott Lieb. Freeman Dyson was on the faculty for a while. I was there for ten years. Wonderful mathematicians—Leon Ehrenpreis. And they were not all Jewish. Al Cameron, the great astrophysicist. James Truran, another astrophysicist. They were definitely not all Jewish. There was no religiosity there. In fact, most of the graduate students were not religious. A good fraction of them—most of the graduate students I interacted with were South American, and only a few of them were Jewish, Most not Jewish. I think there was a certain idealistic view to physics—the Aharonov view, the David Finkelstein view, the Joel Lebowitz way of approaching physics—a certain idealism about physics. I don’t mean political idealism. I mean—what should we call it? Love of Einstein, for a better word, although it wasn’t restricted to Einstein. And that may well have had to do with the origins of the Belfer Graduate School— from Rabbi Belkin. Rabbi Belkin was the president of the university at that time. Marvelous man. And he was the one who had the vision to create a graduate school of science. And I think maybe that sort of rabbinical tendency, whatever the right word is, may very well have influenced who the early faculty were. It was not a religious faculty, but it was idealistic in a certain way—depth of understanding is what counted. Is that a Jewish thing? I don’t know. Maybe—I don’t know.

توی این گفت‌و گو در مورد دین و دیندار بودن هم بحث‌هایی میشه. این‌که آیا فیزیک می‌تونه به سوال‌هایی مثل وجود خالق و دخالت اون درعالم مادی حرفی بزنه یا نه. عموما جواب ساسکایند اینه که من نمی‌دونم! در پاسخ به این که آیا فیزیکدون‌ها جایگاه خاصی دارن در مورد حرف زدن در مورد وجود خدا، ساسکایند میگه:

[laugh] Oh, boy. Wow. Yeah, I don’t think he does have any privileged position. Yeah. He, she. I think I would subscribe to that view. That doesn’t mean I don’t have my own view about it. … I don’t think any scientist can answer the question of whether there was an intelligence that was at the root of the creation of the universe. That would also be getting ahead of ourselves. But still, scientists do understand the thing that we have to understand. They know what the questions are. I know when I think about the question of creation, I’m very influenced by my own scientific background. If somebody says to me, “Is there a god?” I say, “Well, I don’t really know, but you know, I’m very puzzled. If there was a god, and god did create the universe, is god susceptible to the same rules as ordinary matter? Does god satisfy the laws of quantum mechanics? Is he made out of particles?” And so forth. That’s the way my head works. I can’t help thinking that way.

 I’m not an observant Jew. I didn’t have that background at all. I do not dismiss the possibility that there was –let’s call it an intelligence—that was involved in the creation of the laws of physics and the universe and all that. I do not dismiss that. But then I get myself into a logical paradox. Who created it? I don’t think this is the right way to think about it, but it’s the only way that I have available to me to think about it. So my own mental makeup is to be curious. I am a very curious person. I would like to know how the uni…and I would especially like to know, was there an intelligence? But I don’t see a way of getting at the answer.

ساسکایند به این هم اشاره می‌کنه که وقتی در مورد وجود خدا حرف می‌زنیم منظورمون وجود یک خالقه که جهان رو ایجاد کرده و دیگه هم باهاش کاری نداشته. ما با این تعریف بسیار ابتدایی (در مقایسه با تعریف و ویژگی خدا در ادیان مختلف) هم چندان حرفی برای زدن نداریم به عنوان فیزیکدان. چه برسه به اینکه بخوایم خدا رو نه تنها خالق که «موثر» در دنیای کنونی هم بدونیم:

 I once had this conversation with a Vatican advisor, a Jesuit. We agreed about absolutely everything, and in particular I asked him, “When you speak of god, do you speak of god the creator, or of god the intervener?” And he said, “I only mean god the creator.” And I had to admit, then, that I had no particular reason to believe that there was no god the creator. But then we started talking about god the intervener. And once god can intervene with the world and affect the world, then if we believe in science, we have to give it a set of rules, and those rules have to conform to what—well, they both have to conform to what the reality is, and they have to conform to what we call science. So does god have to satisfy a set of physical rules? Not if he doesn’t intervene. If all he did was create—OK, he created. But if he’s also allowed to poke his finger into it and change things and stir them up, then we have to have rules for that. If there are no rules for it, it means the world has just an element of random, incomprehensible randomness. And even randomness is a rule. Even randomness is a rule. 

اشتباه‌های زیاد آینشتین

متن پیش رو ترجمه‌ جستاری از کارلو روولی فیزیک‌دان ایتالیایی است. او عمدتا در زمینه گرانش کوانتومی کار می‌کند و بنیان‌گذار نظریه گرانش کوانتومی حلقه است. اصل این نوشته اخیرا در کتابی با عنوان There Are Places in the World Where Rules Are Less Important Than Kindness منتشر شده است. این جستار پیش از رصد امواج گرانشی نوشته شده است. رصد مستقیم امواج گرانشی در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ پنج ماه پس از انتشار این مقاله انجام شد. در سال ۲۰۱۷ این مشاهده منجر به دریافت جایزه نوبل در فیزیک شد.

شکی نیست که آلبرت آینشتین یکی از دانشمندان بزرگ قرن بیستم بود که عمیق‌تر از دیگران رازهای طبیعت را دید. آیا این به معنی این است که ما باید هر کاری را که او انجام داده‌است، درست بدانیم؟ او هرگز اشتباه نمی‌کرد؟ برعکس!
در واقع، تعداد کمی از دانشمندان به اندازه آینشتین اشتباه کرده‌اند و آن‌هایی که به اندازهٔ او نظر خود را تغییر داده‌اند انگشت‌شمارند. در مورد اشتباهات او در زندگی روزمره که موضوعی شخصی است و در نهایت به خودش مربوط است صحبت نمی‌کنم. بلکه در مورد اشتباه‌های کاملا علمی او سخن می‌گویم؛ ایده‌های اشتباه، پیش‌بینی‌های نادرست، معادلات پر از خطا و ادعاهای علمی‌ای که خود او پسشان گرفت و آن‌هایی که نادرست بودنشان ثابت شد.

اجازه دهید برایتان چند نمونه بیاورم. امروزه می‌دانیم که جهان در حال انبساط است. ژرژ لومتر، فیزیک‌دان بلژیکی، با استفاده از نظریه‌های خودِ آینشتین، موفق به درک این موضوع شد و او را از یافته‌های خود آگاه کرد. آینشتین اما آن ایده‌ها را رد کرد و در پاسخ گفت که آن‌ها بی‌معنی‌اند و تنها در دههٔ سی میلادی که انبساط واقعاً مشاهده شد حرف خود را پس گرفت. یکی دیگر از پیامدهای نظریه او وجود سیاه‌چاله‌ها است؛ او چندین متن پراشتباه در این زمینه نوشت و ادعا کرد که جهان در لبه سیاه‌چاله پایان می‌یابد. وجود امواج گرانشی که اکنون برای آن شواهد غیرمستقیم داریم نیز در نتیجهٔ نظریه‌های آینشتین است. آینشتین ابتدا نوشت که این امواج وجود دارند، اما درست پیش از آن‌که به دنبال تفسیر اشتباه نظریه خودش ادعا کند که آن‌ها وجود ندارند. سپس دوباره نظر خود را تغییر داد تا نتیجه مخالف و درست را بپذیرد.

وقتی آینشتین نظریه نسبیت خاص‌اش را نوشت، از ایده فضازمان استفاده نکرد. این ایده که گویی به مفهوم یک پیوستار (فضای پیوسته) چهاربعدی شامل فضا و زمان اشاره می‌کند، در واقع کار هرمان مینکوفسکی بود که از آن برای بازنویسی نظریهٔ آینشتین استفاده کرد. هنگامی که آینشتین از آنچه مینکوفسکی انجام داده بود آگاه شد، ادعا کرد که این کار فقط از نظر ریاضیاتی بغرنج‌کردن بیهودهٔ نظریه‌اش است، البته پس از مدت کوتاهی کاملاً نظر خود را تغییر داد و دقیقاً از مفهوم فضازمان برای نوشتن نظریهٔ نسبیت عام استفاده کرد. در موضوع نقش ریاضی در فیزیک، آینشتین بارها دیدگاهش را تغییر داد و در طول زندگی‌اش طرفدار ایده‌های گوناگونی بود که با هم صریحا در تناقض بودند.
آینشتین پیش از نوشتن معادلاتِ درست کار اصلی‌اش، یعنی نظریهٔ نسبیت عام، مجموعه مقاله‌هایی منتشر کرد که همه غلط بودند و هرکدام معادلهٔ نادرستِ متفاوتی را پیشنهاد می‌دادند. او حتی تا جایی پیش رفت که یک اثر پیچیده و مفصل منتشر کرد تا استدلال کند که این نظریه نمی‌تواند تقارن خاصی داشته باشد، تقارنی که او بعداً به عنوان اساس نظریه‌اش برگزید!

آینشتین در سال‌های پایانی زندگی‌اش، سرسختانه پافشاری می‌کرد که می‌خواهد یک نظریهٔ وحدت‌بخش برای گرانش و الکترومغناطیس بنویسد، بدون توجه به این که الکترومغناطیس جزئی از یک نظریه بزرگ‌تر (نظریهٔ الکتروضعیف) است، کما این‌که پس از مدت کوتاهی نشان داده شد. بنابراین، پروژه او در متحد کردن آن با گرانش بی‌فایده بود.
آینشتین همچنین بارها موضع خود را در مناظره‌های مربوط به مکانیک کوانتومی تغییر داد. او در ابتدا می‌گفت که این نظریه در تضاد با بقیه چیزها است. سپس پذیرفت که این‌طور نیست و خودش را محدود به پافشاری بر این ایده کرد که این نظریه ناکامل است و نمی‌تواند تمام طبیعت را توصیف کند.
در مورد نسبیت عام، اینشتین برای مدت طولانی متقاعد شده بود که معادلات در نبودِ ماده نمی‌توانند جواب داشته باشند و بنابراین، میدان گرانشی به ماده وابسته است. او دست از این باور برنداشت تا زمانی که ویلم دوسیته و دیگران نشان دادند که او اشتباه می‌کند. سرانجام نظریه را این گونه تفسیر کرد که میدان گرانشی یک موجود مجزای واقعی است که به خودی‌ خود وجود دارد.

در اثر خارق‌العادهٔ ۱۹۱۷ او کیهان‌شناسی نوین را بنیان گذاشت. آینشتین به این پی برد که جهان می‌تواند یک ۳-کره باشد. او ثابت کیهان‌شناسی را معرفی کرد که امروز مورد تایید است ولی با این کار همزمان یک خطای فاحش به فیزیک (عدم تغییر عالم در زمان) و یک خطای چشمگیر به ریاضی اضافه کرد؛ او متوجه نشد جوابی که ارائه کرده بود ناپایدار است و نمی‌تواند دنیای واقعی را توصیف کند. در نتیجه، آن مقاله‌ ترکیب عجیبی از ایده‌های بزرگِ جدید و انقلابی و انبوهی از خطاهای جدی است.

آیا این اشتباه‌ها و تغییر رویه‌ها چیزی از تحسین و ستایش ما نسبت به آلبرت آینشتین کم می‌کند؟ به‌ هیچ‌ وجه. اگر تغییری هم در ما باشد، برعکس است. به نظر من در عوض، این چیزها نکته‌ای راجع به ذات هوش به ما می‌آموزند. هوش، طرفداری سرسختانه از نظرات خود نیست بلکه آمادگی لازم برای تغییر و حتی کنار گذاشتن آن نظرات است. برای درک جهان، باید شهامت آن را داشته باشید که ایده‌ها را بدون ترس از شکست آزمایش کنید، پیوسته نظرات خود را بازبینی کنید و آن‌ها را بهبوبد ببخشید.

آینشتینی که بیش از هر کس دیگری مرتکب خطا می‌شود دقیقاً همان آینشتینی است که بیش‌تر از دیگران در فهم طبیعت موفق است و این‌ها مکمل هم و از جنبه‌های ضروری همان هوش عمیق هستند: بی‌پروایی در تفکر، شهامت خطر کردن، ایمان نداشتن به ایده‌های دریافت‌شده، از همه مهم‌تر ایده‌های خود شخص. اینکه شهامت اشتباه کردن داشته باشی، ایده‌های خود را تغییر دهی، و نه یک بار بلکه بارها، تا به مرحله کشف برسی.
آنچه مهم است درست بودن نیست، تلاش برای فهمیدن است.

در رویارویی با علم و مسئله ترویج آن

در مورد علم، شبه‌علم، روش و تحول ساختارش، ارتباط‌‌گری و روایتگری در علم زیاد حرف زده شده. با این وجود، خوبه که هر از گاهی با مرور بعضی مثال‌ها، به این موضوعات دوباره فکر کنیم. توی این مسیر همیشه باید توجه کنیم که علم، نه تقدس به همراه میاره و نه قاطعیت! به قول فاینمن، گزاره‌های علمی از جنس این نیستند که چه چیزی درست یا غلطه، بلکه اونا گزاره‌هایی هستند با درجه‌های مختلفی از عدم قطعیت در مورد چیزهایی که می‌دونیم. از طرف دیگه، باید به عنصر آزمایش یا تجربه در «علوم تجربی» هم توجه کنیم. در علم، هر اندازه‌گیری همراه با مقداری خطا گزارش میشه که به ما میگه عدم قطعیت (دقت) موجود در این اندازه‌گیری چقدره و ما تا کجا می‌تونیم مطمئن باشیم از مقدار مشاهده شده. میزان موفقیت یک نظریه علمی هم در دقت پیش‌بینی‌هایی هست که در مورد کمیت‌های مورد نظر ارائه می‌کنه. نظریه‌ای دقیق‌تره که نتایجش نزدیکتر به واقعیت (اندازه‌گیری‌ها) باشه. نظریه الکترودینامیک کوانتومی دقیق‌ترین نظریه فیزیکه چون مقداری که برای «ثابت ساختار ریز» معرفی می‌کنه تا ۸ رقم بعد از ممیز با مقدار اندازه‌گیری شده می‌خونه.

با این وجود، دقیق‌ترین نظریه لزوما بهترین نظریه نیست! مثلا در مسائل گرانشی، نسبیت توصیف دقیق‌تری ارائه می‌کنه، با این حال در زندگی روزمره معمولا ما به این میزان دقت نیاز نداریم؛ یک مهندس شهرسازی هیچ ملاحظه نسبیتی رو نیاز نیست که رعایت کنه! حتی اگه این کارو بکنه، فقط زمان و انرژی بیشتری برای محاسباتی صرف کرده که نتایج بهتری بهش تحویل نمیدن! اما مثلا در توصیف مدار عُطارِد دیگه این جوری نیست. نظریه نسبیت به طور چشم‌گیری دقیق‌تره و بر خلاف نظریه‌های غیرنسبیتی مقادیر معقول‌تری رو پیش‌بینی می‌کنه. خلاصه این‌که اگه همین‌طور رو هوا کسی بگه «آینشتین درست گفت و نیوتون غلط» نشون میده که یه آدم غیرحرفه‌ایه! همیشه توی علم مهمه که با چه مسئله‌ای روبه‌رو هستیم و انتظارات از مطالعه یا پژوهش ما چیه. گاهی مدل‌های خیلی ساده می‌تونن نتایج خیلی خوبی، بسته به مسئله مورد نظر، ارائه کنند. مثلا مدل آیزینگ با تمام سادگی‌هاش توصیف خیلی خوبی از گذارفاز خودبه‌خودی فرومغناطیسی و پدیده‌های بحرانی مرتبط با اون ارائه می‌کنه. انتخاب مدل در علم خودش بحث مفصلیه. بگذریم.

برای همین، اگه کمی دقت کنیم خیلی چیزها دیگه زیر پرچم علم قرار نمی‌گیرند. دونستن ارتفاع قله اورست یا ظرفیت گرمایی نقره علم حساب نمیشه. این‌ها اطلاعاتی هستند که پس از یک‌بار استخراج یا محاسبه میشه توی یه جدول نگهشون داشت و بارها ازشون استفاده کرد. همین‌طور خیلی از ادعاهایی که در رشته‌هایی مثل روان‌شناسی یا جامعه‌شناسی وجود داره علمی نیستند. چون یا درست آزمایش نشدند، یا قابل تکرار نیستند یا مشکلات دیگه‌ای دارن که روش تحقیقشون رو خارج از چارچوب روش علمی قرار می‌ده. حتی بخشی از ریاضیات هم علم نیست! در ریاضیات شما می‌تونید ساختارهای کاملا انتزاعی درست کنید بدون نیاز به وجود یا مثال خارجی. نکته مهم اینه که هر چیزی که علمی نباشه چیز بدی نیست. علمی بودن به ما یک سری ویژگی و ملاک‌ شناختی میده در برخورد با دنیای خارجمون. اصلا برای همینه که در علم، ندونستن عیب نیست و قرار نیست که علم به همه پرسش‌ها یا نیازهای بشر جواب بده. اعتبار بخشیدن به ادعایی به عنوان یک «گزاره علمی» فقط از این جهت قابل قبوله که میشه انتظارات مشخصی از اون حرف یا ادعا داشت.

یادگرفتن واژه‌ها خیلی لازم است، اما این کار علم نیست. البته منظور من این نیست که چون علم نیست نباید آن را یاد بدهیم. ما دربارهٔ این که چه چیزی را باید یاد بدهیم حرف نمی‌زنیم؛ دربارهٔ این بحث می‌کنیم که علم چیست. این که بلد باشیم چطور سانتی‌گراد را به فارنهایت تبدیل کنیم علم نیست. البته دانستنش خیلی لازم است، ولی دقیقاً علم نیست. برای صحبت کردن با همدیگر باید واژه داشته باشیم، کلمه بلد باشیم و درست هم همین است؛ ولی خوب است بدانیم که فرق «استفاده از واژه» و «علم» دقیقاً چیست. در این صورت، می‌فهمیم که چه وقت ابزار علم مثل واژه‌ها و کلمه‌ها را تدریس می‌کنیم و چه وقت خود علم را یاد می‌دهیم. … اگر به شما بگویند «علم این و آن را نشان داده‌است.» می‌توانید بپرسید که «علم چطور آن را نشان داده‌است؟ چطور دانشمندان فهمیده‌اند؟ چطور؟ چه؟ کجا؟» نباید بگوییم «علم نشان داده‌است.»، باید بگوییم «تجربه این را نشان داده‌است.» و شما به اندازهٔ هر کس دیگر حق دارید که وقتی چیزی دربارهٔ تجربه ای می‌شنوید، حوصله داشته باشید و به تمام دلایل گوش فرا دهید و قضاوت کنید که آیا نتیجه‌گیری درست انجام شده‌است یا نه.

– ریچارد فاینمن در علم چیست؟!

پس از علم پیروی کنیم؟!

علم در مورد یک سری واقعیته. علم به ما نمی‌گه که چیکار کنیم یا نکنیم. چیزی که میگه اینه که اگه توپی رو با فلان سرعت از فلان نقطه پرتاب کنید، فلان مسیرو طی می‌کنه و بعد از زمان فلان با سرعت بهمان به نقطه مشخصی می‌رسه. پرتاب کردن یا نکردن توپ اما دست ماست. علم در فاجعه هیروشیما و ناکازاکی بی‌تقصیره ولی انسان‌ها و مدیران مختلفی در این مسئله مقصر هستند. میزان گناه‌کار بودن افراد رو علم مشخص نمی‌کنه بلکه قراردادهای غیر علمی اما حقوقی یا اخلاقی مشخص می‌کنند. پس لزومی نداره علم همه امور ما رو رتق و فتق کنه! علم گاهی در مسائلی می‌تونه اصلا جوابی نداشته باشه یا ممکنه ما رو در یک حالت بلاتکلیف قرار بده. در کنترل همه‌‌گیری کرونا علم نمی‌گه که فلان شهرو قرنطینه کنید یا در بهمان شهر قوانین منع تردد از ۷ شب وضع کنید. در این شرایط، اهل علم در گروه‌های تحقیقاتی مختلف، شروع به مدل‌‌سازی‌ و آزمایش می‌کنند. اونا شرایط مختلفی رو تست می‌کنن تا ببینن چه روش‌هایی منجر به چه دستاوردهایی میشه. مثلا ممکنه گروهی سراغ مدل‌های بخش‌بندی یا سراغ تحلیل‌های داده‌محور و بیزی برن و عده‌ای هم از مدلسازی عامل بنیان استفاده کنند. در نهایت این وظیفه یک مدیره که با بررسی نتایج گروه‌های مختلف و با در نظر گرفتن نظرات و یافته‌های گروه‌های اقتصادی، فرهنگی، سیاسی و … تصمیم آخر رو بگیره. علم، شطرنج‌باز نیست، قوانین شطرنجه!

در این ویدیو، سابینه هاسنفلدر به خوبی در مورد این مسئله حرف می‌زنه:

مسئله ترویج علم

ترویج علم یعنی چی؟! چه کسی مروج علمه؟

توافق کردن بر سر مفهوم ترویج علم، قبل از هر چیزی به این بستگی داره که تعریف علم و گزاره علمی رو بپذیریم و بعد در مورد کم و کیف رواج بحث کنیم. در فارسی، ترویج علم به احتمال زیاد وام‌دار مفهوم ترویج دینه چون در انگلیسی (عرف جهانی) معادلی برای ترویج علم نداریم. چیزهایی مثل «ارتباط‌گری» یا «علم‌ به زبان ساده» داریم ولی «ترویج علم» نه! معقول هم هست؛ در گذشته تفاوتی بین علم دینی و غیر دینی نبوده. طبیعتا هر چقدر که ابعاد ترویج دین زیاده ابعاد ترویج علم هم زیاده. پس شما هر کاری که در جهت گسترش علم انجام بدین زیر پرچم ترویج علمه. از تدریس و تحقیق گرفته تا ساخت مدرسه و دانشگاه، دادن کمک هزینه تحصیلی به افراد، شرکت داوطلبانه در آزمایش واکسن کرونا تا مبارزه با خرافات یا اجرای نمایش‌های مختلف برای آشنا کردن مردم کوچه‌ و بازار با مفاهیم علمی. برای همین چه توی تاکسی چه توی دانشگاه یا روزنامه‌ یا توییتر اگه کسی بگه: «از روی زمین، انگار که ماه نمی‌چرخه به این دلیل که سرعت چرخش ماه به دور زمین تقریبا برابر با سرعت چرخشش به دور خودشه.» ترویج علم انجام داده.

اما باید مراقب جنبه‌های دیگه این فرایند هم باشیم؛ به داستان‌های مختلفی که در مورد پول‌شویی به واسطه تاسیس خیره‌ها شنیدین فکر کنید. اگه کارتل‌های مواد مخدر به کلیساها یا نهادهای خیریه کمک‌ کنند، آیا «ترویج انسانیت» کردند؟! اگه دولتی اجازه ورود آلاینده خاصی به آب یا هوای کشورش رو بده و از طرف دیگه به کمک یک شرکت داروسازی داروهای مربوط به بیماری‌های ناشی از اون آلاینده رو با یارانه دولتی به بازار عرضه کنه، آیا این دولت «ترویج سلامت» کرده؟! در مورد ترویج علم هم این سوال وارده؛ اگه فردی، نهادی یا رسانه‌ای خواسته یا ناخواسته یا با روش یکی به نعل یکی به میخ هم مطالب علمی منتشر کنه و هم مطالب غیرعلمی یا شبه علم آیا باز هم در حال ترویج علمه؟! اگه فردی یا حزبی در مورد یک واقعیت علمی که موافق اهدافشه تبلیغ کنه ولی در مورد واقعیت دیگه‌ای که براشون هزینه ایجاد می‌کنه جوسازی‌های نادرست ایجاد کنه، آیا باز مشغول ترویج علمه؟! فراموش نکنیم که اصلا مهم نیست که هم‌قطارهای ما بگن فلان چیز علمیه یا نیست، این روش علمیه که مشخص می‌کنه که کی راست میگه!

دیشب در یک آگهی شنیدم که روغن وسون به داخل غذا نفوذ نمی‌کند. خب این واقعیت دارد و تقلبی در کار نیست؛ ولی آنچه من دربارهٔ آن صحبت می‌کنم تقلب نیست بلکه صحبت از صحت و درستی علمی است که در مرتبه دیگری قرار دارد. حقیقتی که باید به آگهی اضافه می‌شد، این است که هر روغنی که در دمای مشخص استفاده شود به داخل غذا نفوذ نمی‌کند. اما اگر در دمای دیگری مصرف شود حتی اگر روغن وسون باشد، در غذا نفوذ می‌کند. در نتیجه می‌بینیم در این آگهی نه حقیقت مطلب بلکه بخشی از آن بیان شده‌است؛ و ما با همین اختلاف سر و کار داریم. … اگر تصمیم دارید یک نظریه را آزمایش کنید یا ایده‌ای را توضیح دهید، باید همواره آن را بدون در نظر گرفتن پیامدهایش منتشر کنید. اگر تنها مطالب خاصی را چاپ کنید بدین معناست که قصد داشته‌اید آن را درست جلوه دهید، ازین رو باید تمام جوانب کار را منتشر کنید. دربارهٔ مشاوره‌های دولتی نیز این اصل اهمیت دارد. تصور کنید سناتوری بررسی یک مسئله حفر چاه در ایالتش را به شما واگذار کند و شما پس از بررسی، ایالت دیگری را برای اینکار مناسب‌تر تشخیص دهید، اگر شما تحقیقتان را منتشر نکنید، توصیه شما عملی نخواهد شد و شما آلت دستی بیش نخواهید بود. اگر نظر شما موافق نظر دولت و سیاستمداران باشد، آنها می‌توانند از آن در جهت به‌کارگیری مقاصدشان استفاده کنند و اگر شما با خواست‌های آنها در تضاد باشید، هرگز آن را منتشر نخواهند کرد. در این صورت کار شما دیگر یک توصیه علمی قلمداد نمی‌شود.

– ریچارد فاینمن در علم بارپرست‌گونه

روایتگری در علم و تیراژ کار

«منظور ما از روایتگری در علم نوع بیان و ارائه یک مطلب علمی با هر میزان پیچیدگی به مخاطبی با سطح مشخصی از تخصص است، به طوری که فرایند یادگیری لذت بخش باشد و فرد ارتباط بین مفاهیم را به درستی متوجه شود.»

در مورد روایتگری در علم در این نوشته و این ویدیو مفصل صحبت کردیم. به نگاره زیر نگاه کنید. محور افقی نشون‌دهنده میزان تخصص افراد در یک حوزه تخصصی خاص مثل فیزیکه. طبیعتا هر چقدر که به سمت راست حرکت کنیم میزان تخصص بیشتر میشه. روایتگری در علم فرایند ارائه مطلب توسط فردی در نقطه $X$ از محور به فردی قبل‌تر از اون ($X – \Delta X$) هست. مثلا ممکنه یک استاد با تجربه بعد از سال‌ها تدریس، یک کتاب آموزشی خوب برای دوره لیسانس یا یک پژوهشگر برجسته یک مقاله مروری برای بقیه پژوهشگرا بنویسه. گاهی هم روایتگری در علم می‌تونه سر کلاس فیزیک دبیرستان رخ بده یا توی مهمونی وقتی داری به داییت توضیح میدی که فرکتال‌ها چی هستن! به عنوان یک نمونه عملیاتی کلاس‌های درس ساسکایند یا درس‌گفتارهای فاینمن رو ببینید. به تولید این جنس محتوا می‌گیم روایتگری در علم و اگه مخاطب ما عموم مردم باشن، اون موقع این کار به صورت عمده توسط روزنامه‌نگاران علمی و ارتباط‌گران علم انجام میشه.

نمودار روایتگری در علم – روایتگری در علم از راست به چپ رخ می‌دهد.

یکی از اهداف جدی روایتگری در علم تولید محتوای خوش‌هضم‌ برای مخاطبه. هرچقدر محتوا باکیفیت بهتری آماده بشه طبیعتا احتمال یادگیری بالا میره و این می‌تونه به پیکره علم و جریان‌های علمی کمک کنه. برای همین همیشه مهمه که محتوای تولید شده چه مقدار مخاطب داشته باشه. خصوصا برای روزنامه‌نگاران علمی یا ارتباط‌گران علم. مثلا با توجه به شرایط همه‌گیری بیماری کرونا خیلی مهمه که عمده مردم واکسینه بشن. برای همین از یک طرف وظیفه مروجان علمه که تا جایی که میشه دولت‌ها رو تشویق به سرمایه‌گذاری در خرید و توسعه واکسن کنند و از طرف دیگه با آگاهی دادن به مردم اونا رو متقاعد کنند که واکسن چیز خوبیه، اومد بزنید! این تلاش‌ها باید در مقیاس کشوری و جهانی انجام بشه. برای همین اگر کسی قصد تولید محتوایی رو داشته باشه خیلی مهمه که جامعه هدف بزرگی رو پوشش بده. اما در مورد بقیه موضوعات قاعدتا نیازی نیست که تیراژ کار اینقدر زیاد باشه. مثلا افراد علاقه‌مند به نجوم یا علم داده قابل مقایسه با افراد علاقه‌مند به شیمی یا زیست‌شناسی دریا نیستند. برای همین درسته که تیراژ کار مهمه، اما باید دید در چه حوزه‌ای مشغول به کار هستیم. گاهی روایتگری در علم برای کلاس دو سه نفره‌ای از دانشجویان دکتری یا جلسه‌های دو نفره استاد و شاگرده.

چگونه در ترویج علم «گاوِ نُه مَن شیر» نباشیم؟!

در دنیای امروز که به لطف شبکه‌‌های اجتماعی هر کسی تریبونی داره به نظر می‌رسه که مشکلات ترویج علم کمتر باید بشه. اما در مورد پخش اطلاعات، متاسفانه نتایج تحقیقات این شکلیه که اطلاعات نادرست بیشتر بهره بردن از این بستر! با این وجود نکته‌هایی وجود داره که اگه رعایت نکنیم همه تلاش‌هامون از بین میره و دیگه علمی رواج ندادیم.

  • قبل از هر چیز بدونیم اگه در زمینه‌ای تخصص نداریم یا اطلاع کافی نداریم لزومی نداره که در موردش با همه صحبت کنیم. بارها در بین افراد مختلفی که فیزیک نخوندن و حتی تجربه جدی نجوم آماتوری ندارن دیدم که در مورد مسائل مربوط به مه‌بانگ و انرژی تاریک با بی‌دقتی تمام حرف می‌زنن. یا دانشجو تازه وارد فیزیکی که سعی داره در مورد جهان‌های موازی به دوستش توضیح بده و به جای این‌که صادقانه بگه «هنوز نمی‌دونم» شروع میکنه به داستان‌های غلط غلوط تعریف کردن! اولین نکته در ترویج علم از طریق بیان یا نوشته اینه که در مورد چیزی که حرف می‌زنیم به مقدار کافی اطلاع داشته باشیم و اگه سوالی ازمون پرسیدن که جوابش رو بلد نبودم خیلی صریح بگیم که نمی‌دونیم!
  • فراموش نکنیم که اگه دکتری فیزیک داشته باشیم دلیلی نمیشه که زیست‌شناسی رو هم خوب بشناسیم. خارج از حیطه تخصصی خودمون همیشه باید دست به عصا حرکت کنیم. بخش زیادی از اطلاعات نادرستی که دست مردم رسیده به خاطر حرف‌های اشتباه افراد تحصیل‌کرده بوده. مثلا در برنامه‌های مختلف تلوزیون زیاد می‌بینیم که افراد خارج از تخصصشون حرف‌های کاملا غلطی می‌زنن که به خاطر شهرت یا محبوبیتشون متاسفانه بسیار هم در جامعه حرفشون نفوذ می‌کنه. مثلا همین اواخر در برنامه خوب کتاب‌باز، آقای مجتبی شکوری که ظاهرا دکتری علوم سیاسی دارد در مورد نسبیت و مکانیک کوانتومی حرف‌های اشتباهی زد چون که می‌خواست با مفهوم نسبی بودن و گذر زمان بازی کنه. ایشون جزو محبوب‌ترین کارشناس‌های این برنامه هستن و قطعا با توجه به تعداد بالای بازدید اون برنامه و بازپخشش در اینستاگرام این کج‌فهمی علمی سال‌ها در جامعه باقی می‌مونه. کافی بود ایشون دو سه جمله‌ای که خارج از تخصصشون بود رو نمی‌گفت و نُه مَن شیر رو روی زمین نمی‌ریخت! چند سال پیش هم بهروز افخمی در بیست و دومین قسمت از برنامه تلویزیونی «چهل چراغ» چون می‌خواست برای حرفی که میزنه پشتوانه علمی بیاره، چرند و پرندهایی در‌ مورد نسبیت آینشتین و نظریه تکاملی داروین سر هم کرد و با قباحت تمام بیانشون کرد!
  • نکته دیگه پرهیز از ساده‌سازی‌های بی‌مورده. خیلی مهمه که ساده کردن یک مفهوم علمی سوءبرداشتی ایجاد نکنه. «شیر بی‌دم و سر و اشکم کی دید؟!» تلاش برای زیاد ساده کردن مفاهیم علمی و به درک توده مردم رسوندن کار هر کسی نیست. راستش ما باید مراقب شهوت بیان علم به زبان ساده باشیم! استفاده از بعضی مثال‌ها و استعاره‌ها برای توصیف یک مفهوم علمی گاهی منجر به ایجاد شبهه و عدم درک درست اون مفهوم یا پدیده میشه. از طرف دیگه بعضی از مفاهیم علمی درسته که اسامی آشنایی دارن ولی معنای فنی خاصی ممکنه داشته باشن. نباید موقع صحبت کردن یا نوشتن معنی فنی موضوع تغییر یا تقلیل پیدا کنه. مثلا واژه «کار»، «فشار» و «درهم‌تنیدگی» معنی کاملا دقیقی در فیزیک داره. در علم عناصر خیال و رمز و راز آلود بودنی وجود نداره و سعی شده هر کلمه تعریف کامل مشخصی داشته باشه. پس خوبه که یادآور بشیم که منظور ما دقیقا چیه از واژه‌های خاص. مثلا در مورد پیکان زمان و قانون دوم ترمودینامیک به راحتی نمیشه گفت که انتروپی یعنی بی‌نظمی و جهان به سمت بی‌نظمی می‌ره! لزومی نداره انتروپی معنی بی‌نظمی بده. در ضمن، نظم خودش تعریف مشخصی باید داشته باشه قبل از هر چیز. یا مثلا دورنوردی کوانتومی درسته که اتفاق افتاده ولی باید توجه کنیم که در چه شرایطی و با چه اندازه‌هایی این آزمایش انجام شده.
  • نکته مهم دیگه‌ای که به نظر من به شدت ازش چشم‌پوشی میشه استفاده از لحن و ادبیات مناسبه. اگر شما تجربه حضور در برنامه‌هایی مثل کنفرانس‌های علمی رو داشته باشین همیشه افراد بسیار با احتیاط و لحن خالی از عدم قطعیت کامل در مورد پدیده‌ها و یافته‌هاشون صحبت می‌کنند. این خیلی خیلی مهمه که موقعی که در مورد گزاره‌های علمی صحبت می‌کنیم جنس حرف زدن ما یا لحن نوشته ما جوری نباشه که در ناخودآگاه مخاطب احساس اطمینان و قطعیت ایجاد کنه. به نظرم افراد مدعی ترویج علم عمدتا این مشکل رو دارن. برای همین امروز در دنیا افرادی رو داریم که کیششون علم شده و گزاره‌‌های علمی رو مثل آیات کتب مقدس می‌دونن. از طرف دیگه وقتی فقط در مورد نتایج علمی صحبت میشه و از فرایندهای نفس‌گیر و پر از تنش در رسیدن به اون یافته‌ها صحبت نمی‌شه افراد درک درستی از شیوه عملیاتی روش علمی نمی‌بینن. بخشی از بی‌اعتمادی مردم به علم حاصل ندونستن مسیر پرزحمت و پر از سوال و جواب برای رسیدن به یافته‌های علمیه. مروج علم باید شیوه کار کردن علم در دنیای واقعی رو هم ترویج بده و گرنه افراد با تخیلاتی که از مستندهای عامه‌پسند دریافت کردن به علم نگاه می‌کنن. وقتی مردم متوجه بشن که با چه وسواسی این یافته‌ها به دست اومده در تحلیل‌ها و بررسی‌های روزانه‌شون هم تفاوت ایجاد می‌کنن و در نهایت رفتار منطقی‌تری از خودشون نشون میدن. برای همینه که بعضی‌ها این روزها بیشتر از ترویج علم به دنبال ترویج «تفکر علمی» یا «تفکر انتقادی» هستند.

پرداختن به موضوعات کمتر پرداخته شده در ترویج علم!

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


خم‌شدن نور در میدان گرانشی

تا حالا از خودتون پرسیدید که آیا گرانش می‌تونه روی مسیر حرکت نور هم تاثیر بذاره و اون رو از خط مستقیم منحرف کنه یا نه؟ با من باشید. می‌خوایم درباره‌ی این موضوع با هم صحبت کنیم. دو تا دیدگاه رایج نسبت به پدیده‌ی گرانش وجود داره؛دیدگاه نیوتونی و دیدگاه نسبیت عام. توصیف نیوتونی گرانش منجر به پیش‌بینی‌هایی شده بود که بعدها با اومدن نسبیت عام، این پیش‌بینی‌ها دقیق‌تر شد. یکی از این پیش‌بینی‌ها خم شدن نور در میدان گرانشیه.

نیوتون معتقد بود همونطور که ذرات مادی از مسیر خودشون به واسطه‌ی میدان گرانشی منحرف می‌شوند، نور هم این قابلیت رو داره. نیوتون این دیدگاه رو در کتاب اپتیک خودش منتشر کرد، و موفق شده بود مقداری برای انحراف نور ستارگان توسط میدان گرانشی خورشید محاسبه کنه.

مسئله‌ی خم‌شدگی نور در اطراف میدان گرانشی سال‌ها قبل از تدوین نسبیت عام ذهن آینشتین رو به خودش مشغول کرده بود.در سال ۱۹۱۱ تلاش‌هایی کرد که بتونه مقداری برای انحراف نور ستارگان در میدان گرانشی خورشید محاسبه کنه. اولین قدمی که برداشت این بود که از فرمالیزم نیوتونی استفاده کرد و به نتیجه‌ای نرسید. چون جرم فوتون صفره و طبق قانون گرانش نیوتون باید مقدار برهمکنش بین فوتون و خورشید صفر بشه. اما این‌طوری نبود و آینشتین هم کوتاه نیومد.آینشتین می‌دونست که ذرات فوتون از انرژی تشکیل شدن. معتقد بود انرژی گاهی رفتار جرم‌مانند داره. به این ترتیب موفق شد انحراف نور ستارگان در حضور میدان گرانشی خورشید رو محاسبه کنه. آینشتین در محاسبات خود عدد ۰/۸۷ ثانیه‌ی قوسی رو به دست آورده بود که این عدد با عددی که نیوتون به دست آورده بود برابر بود. بعد از ظهور نسبیت عام این محاسبات تصحیح شد و مقدار دقیق دو برابر مقداری بود که نیوتون به دست آورده بود.

بعد از ظهور نسبیت عام، آینشتین متوجه شد که در محاسبات قبلی خودش دچار اشتباه شده.در فضا-زمان تخت هر تغییر کوچکی در هندسه‌ی چهاربعدی با رابطه‌ی زیر نشون داده میشه.
$$ds^{2}=c^{2}dt^{2}-dl^{2}$$ که c سرعت نور، dt تغییرات زمان و dl تغییرات طوله. نور مسیری رو طی می‌کنه که $ds^{2}=0$ باشه. در نسبیت عام، فضا-زمان تخت نیست. پس نور هم مسیر مستقیم‌الخط رو طی نمی‌کنه.در حد میدان گرانشی ضعیف، هندسه‌ی فضا-زمان با رابطه‌ی زیر توصیف میشه.
$$ds^{2}=(1+ \frac{2GM}{r c^{2}}) c^{2} dt^{2} – (1-\frac{2GM}{rc^{2}}) dl^{2}$$
از آنجایی که تصحیحات در مرتبه‌ی $\frac{GM}{rc^{2}}$ کوچکه ، آینشتاین در محاسبات قبلی خودش از جملات مرتبه‌ی بالاتر صرف‌نظر کرده بود. محاسبات آینشتاین تا تقریب مرتبه‌ی اول منتهی به نتایج نیوتون می‌شد؛ اما بعد از اینکه تصحیحات مرتبه‌ی بالاتر رو وارد محاسباتش کرد به مقداری دو برابر مقدار قبلی برای میزان انحراف نور ستارگان در میدان گرانشی خورشید دست پیدا کرد.

خم شدن نور در حضور جسم سنگین

تا این‌جای کار فقط محاسبات روی کاغذه. باید دید که پیش‌بینی آینشتاین درست بوده یا نه. آیا واقعا نور در میدان گرانشی منحرف میشه؟ آیا مقداری که برای انحراف نور ستارگان به دست اومده، با آزمایش تطبیق داره؟
آرتور ادینگتون، منجم انگلیسی، در سال ۱۹۱۵ توسط ویلیام دوسیته از ظهور نسبیت عام باخبر میشه.ادینگتون بسیار به نسبیت عام علاقمند شده بود، و خیلی سریع به جنبه‌های تجربی نسبیت عام پرداخته بود. خورشیدگرفتگی ۲۹ می سال ۱۹۱۹ زمان مناسبی بود که ادینگتون و همکارانش درستی پیش‌بینی انحراف نور در میدان گرانشی رو بررسی کنند.دایسون و ادینگتون به همراه تیم رصدی خودشون به نقاط مختلف سفر کردند. دایسون و همکارانش به شمال برزیل، و ادینگتون و همکارانش به جزیره‌ای در غرب آفریقا سفر کردند.در این رصد ادینگتون در حین خورشیدگرفتگی از ستارگان زمینه‌ی آسمان تصویربرداری کرد. و بعد تصاویر دیگه‌ای از ستارگان در آسمان شب گرفت. با مقایسه‌ی این تصاویر متوجه شد که موقعیت ستارگان در آسمان حین کسوف و شب با همدیگه فرق داره. واقعا نور ستارگان تحت تاثیر میدان گرانشی خورشید خم شده و جایگاه ستارگان متفاوت از حالت شب به نظر می‌رسد.

عدسی‌های گرانشی

خم‌شدن نور در میدان گرانشی، منجر به پدیده‌ی همگرایی میشه. یک عدسی رو تصور کنید که وقتی پرتو نور رو از چشمه‌ای دریافت می‌کنه، نور رو در نقطه‌ی دیگری همگرا می‌کنه. در کیهان خوشه‌ها، کهکشانها، و سایر اجرام پرجرم می‌تونن رفتاری شبیه عدسی داشته باشند. درواقع وقتی نور از ستاره‌ای پشت این اجرام به چشم ما روی زمین میرسه، این نور در میدان گرانشی حاصل از اون جرم خم شده و از مسیرهای مختلف به چشم ما می‌رسه. گاهی این نوری که از مسیرهای مختلف به چشم ما می‌رسه، یک حلقه‌ی نورانی برای ما تشکیل میده. پدیده‌ی همگرایی گرانشی منجر به این می‌شه که پژوهشگران بتونن اطلاعاتی درباره‌ی جرمی که باعث همگرایی شده به دست بیارن. امروز برای مطالعه‌ی ماده تاریک از همین پدیده‌ی همگرایی گرانشی استفاده می‌کنند.

نسبیت عام پیش‌بینی‌های زیادی داره. و همون‌طور که در سال‌های گذشته دیدید با پیشرفت ابزارهای آزمایشگاهی و رصدی پژوهشگران موفق به تایید این پیش‌بینی‌ها شدند. سال ۲۰۰۸ فیلمی ساخته شد به نام آینشتاین و ادینگتون . این فیلم درباره‌ی تلاش‌های ادینگتون برای تایید درستی خم‌شدن نور در میدان گرانشی‌ه. من بیشتر از این درباره‌ی این موضوع حرف نمی‌زنم. شما رو دعوت می‌کنم که در این روزهایی که در خانه‌هاتون نشستید و در آستانه‌ی سال نو، این فیلم دوست‌داشتنی و تاریخی رو ببینید.

اینشتین و ادینگتون (به انگلیسی: Einstein and Eddington) فیلمی به کاگردانی فیلیپ مارتین و نویسندگی پیتر موفات که در ۲۲ نوامبر ۲۰۰۸ به نمایش درآمد. این فیلم نگاهی به تکامل نظریهٔ نسبیت آلبرت اینشتین و رابطهٔ او با دانشمند بریتانیایی سر آرتور ادینگتون، اولین فیزیکدانی که ایده‌های او را درک کرد می‌اندازد. ویکی‌پدیا

قیام علیه سیاهی

به بهانه‌ ثبت اولین تصویر سیاه‌چاله به تاریخ ۲۱ فروردین‌ ۱۳۹۸

چند روز پیش، خبری منتشر شد که هیاهوی زیادی به پا کرد: انتشار اولین تصویر از یک سیاه‌چاله. هرچند که قبلا هم تصاویری غیر مستقیم از سیاه‌چاله‌ها منتشر شده بود که در واقع تاثیرات سیاه‌چاله بر محیط اطرافش رو نشون می‌داد، اما این اولین قابی بود که سیاه‌چاله‌ای رو تا این حد با جزییات به تصویر کشید و نمایی نزدیک از یک سیاه‌چاله نشون داد. اما این همه ماجرا نیست؛ در واقع این قاب، نشون‌دهنده تلاش بشر در طول تاریخ، برای یافتنِ اسرار عالم هست که این‌بار، تلاش ۲۰۰ نفر از پژوهش‌گران در اقصی نقاط جهان، از نظریه صدساله پرده برداشت و یکی از پرآشوب‌ترین و مهلک‌ترین محیط‌های عالم – یعنی یک ابرسیاه‌چاله – رو به نمایش گذاشت: قیامی علیه سیاهی!

سیاه‌چاله چیه؟

سیاه‌چاله به جرمی با چگالی خیلی خیلی زیاد گفته میشه که بخاطر میدان گرانشی قوی در اطرافش، اگر حتی نور هم که بیش‌ترین سرعت رو داره از یه حدی بیش‌تر بهش نزدیک بشه، دیگه راه فراری نداره و داخلش سقوط می‌کنه. بنابراین، شبیه چاله سیاهی هست که نوری ازش ساطع نمیشه. در واقع، هیچ اطلاعاتی از توی سیاه‌چاله نداریم. به‌همین خاطر، سیاهچاله‌ها یه جورایی، موجودات مرموزی هستن! هرچند که ما هنوز خیلی چیزها رو در مورد سیاه‌چاله‌ها نمی‌دونیم – علی الخصوص این‌که داخل یک سیاه‌چاله چه خبره – ولی از طرفی هم میشه خیلی ساده بهشون نگاه کرد؛ توی چارچوب نسبیت عام، قضیه‌ای داریم به اسم «قضیه بدون مو» که میگه سیاه‌چاله‌ها رو میشه فقط با دونستن چندتا ویژگی ازشون، به‌طور کامل توی فضا-زمان توصیف کرد و جدای از این چندتا ویژگی،‌ با هم فرقی ندارن. مث آدمای کچل که فارغ از چندتا ویژگی ظاهری، همشون شبیه هم هستن! :)) اون ویژگی‌ها، این سه‌تا مورد هستن: جرم، بار الکتریکی، و تکانه زاویه‌ای (این‌که سیاه‌چاله با چه سرعتی و در چه جهتی به دور خودش می‌چرخه).

نکته جالب دیگه این‌که هر جسمی، بالقوه می‌تونه تبدیل به یک سیاه‌چاله بشه. حتی من یا شما! کافیه اون جسم رو به اندازه کافی فشرده‌ش کنیم. به همین سادگی! فقط نکته‌ش توی همین «به اندازه کافی» هست. اگر من یا شما بخوایم به سیاه‌چاله تبدیل بشیم، باید ابعادی حدود ۱۰ میلیون بار کوچک‌تر از هسته اتم داشته باشیم! در مورد کره زمین این‌طوریه که باید همه‌ش توی کره‌ای به شعاع ۱ سانتی‌متر جا بگیره! یا مثلا برای این‌که خورشید – که حدود ۹۸.۸ کل جرم منظومه شمسی رو شامل میشه‌ – تبدیل به سیاه‌چاله بشه، باید تا اندازه کره‌ای به شعاع ۶ کیلومتر فشرده بشه! در واقع برای هر جرم، شعاعی تعریف میشه که اگر کل اون جرم، توی کره‌ای کوچک‌تر از اون شعاع قرار بگیره، یک سیاه‌چاله تشکیل میشه. به این شعاع، «شعاع شوارتزشیلد» و به سطح اون کره، «افق رویداد» میگن.

شوارتزشیلد کسی بود که این شعاع رو با حل معادلات میدان گرانشی انیشتین برای یک سیاه‌چاله، به‌دست آورد. البته این شعاع رو با استفاده از گرانش نیوتنی هم میشه حساب کرد؛ در واقع مفهوم سیاه‌چاله به خیلی قبل‌تر برمی‌گرده. ظاهرا اولین بار در ۱۷۸۳ میلادی، دانشمندی به اسم جان میشل، به این نکته رسید که اگه یه جسم به اندازه کافی سنگین رو توی حجم کوچیکی از فضا جا بدیم، به‌خاطر گرانش قوی، می‌تونه همه‌چیز، حتی نور رو هم ببلعه! و دقیقا به همین جوابی رسیده بود که بعدا از نسبیت عام به‌دست اومد. ولی علی‌ ای‌ حال! شعاع مورد نظر سیاه‌چاله، به اسم شعاع شوارتزشیلد شناخته میشه.

خب! اگه این‌طوریه، پس چرا سیاه‌چاله‌ای دور و برمون نمی‌بینیم؟! داستان از این قراره که هیچ سازوکار طبیعی وجود نداره که جسمی رو تا اندازه شعاع شوارتزشیلدش فشرده بکنه، الّا یکی! و اون هم عبارتست از: آزاد شدن انرژی گرانشی عظیم در پایان عمر ستاره‌های پرجرم!

هر چیزی که جرم زیادی داره، نیروی گرانشی بهش وارد میشه که دوست داره باعث رمبش یا فروریختنِ اون جسم بشه. بنابراین نیروی گرانشی، به تنهایی نمی‌تونه باعث پایداری جسم بشه. ولی معمولا نیروی دیگه‌ای خلاف جهت اون وجود داره که اون جسم رو در حالت تعادل نگه می‌داره. مثلا با وجود اینکه زمین جرم زیادی داره و نیروی گرانش زیادی به سمت مرکزش وارد میشه، اما نیروی الکترومغناطیسی که بین اتم‌ها وجود داره در مقابلش مقاومت می‌کنه و در نتیجه زمین، پایدار باقی می‌مونه. ستاره‌ها در طول حیاتشون، در تعادل هیدروستاتیک هستن؛ ستاره‌ها توی مرکزشون، با سوزوندن هیدروژن و آزاد کردن انرژی، فشار تابشی ایجاد می‌کنن که نیروی گرانشی رو خنثی می‌کنه. بنابراین در حالت تعادل باقی می‌مونن. وقتی سوخت ستاره به پایان می‌رسه، بسته به این‌که جرم باقی‌مونده ستاره در مراحل پایانی چقدر باشه، ممکنه اتفاقات مختلفی براش بیفته: ستاره‌های نسبتا کم‌جرم مثل خورشید، در پایان عمرشون، تحت نیروی گرانشی خودشون، تا حدود ابعاد زمین فشرده میشن و فشار تبهگنی الکترون‌ها، جایگزین فشار تابشی میشه و تبدیل به «کوتوله سفید» میشن. ستاره‌های پرجرم‌تر، تا اندازه یه شهرِ کوچیک (از مرتبه چند ده کیلومتر)، فشرده میشن و به‌خاطر فشار تبهگنی نوترون‌ها، پایدار باقی می‌مونن و تبدیل به «ستاره نوترونی» میشن. اما برای ستاره‌های پرجرم‌تر، نیرویی جلودار گرانش نیست و در نهایت، ستاره تبدیل به یک سیاه‌چاله میشه.

به این نوع از سیاه‌چاله‌ها، سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای هم میگن که جِرمشون می‌تونه چند برابر جرم خورشید باشه. اما گونه دیگه‌ای از سیاه‌چاله‌ها هم وجود دارن که جِرمشون، از چند صد برابر تا چندین میلیارد برابر جرم خورشید هست! به اینا میگن، «سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم» یا «اَبَر سیاه‌چاله‌ها». حدس می‌زنیم بیش‌ترِ کهکشان‌ها توی مرکزشون، یه دونه از این ابرسیاه‌چاله‌ها داشته باشن. هرچند سناریوی تقریبا کاملی از طرز تشکیل سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای داریم، ولی دقیقا نمی‌دونیم ابرسیاه‌چاله‌ها با چه سازوکاری تشکیل شدن. چند روز پیش، یعنی ۲۱ فروردین ۱۳۹۸، یکی از لحظه‌های هیجان‌انگیزِ تاریخ علم اتفاق افتاد و ما شاهد رونمایی از اولین تصویر از یک ابر‌سیاه‌چاله، به‌وسیله بشر بودیم. چیزی که بیش‌تر از صد سال قبل،‌ از دل معادلات نسبیت عام، بیرون کشیده شده بود، حالا با پیشرفت تکنولوژی دیده شد. جذاب نیست؟!

ابعاد فنی ثبت اولین تصویر از یک سیاه‌چاله

برای این‌که بشه از یه ابرسیاه‌چاله، داخل یه کهکشان تصویربرداری کرد، باید این شرایط فراهم باشه:

  • سیگنال رادیویی که از کهکشان به ما می‌رسه، به اندازه کافی قوی باشه.
  • کهکشان، توی طول موج رادیویی شفاف باشه؛ یعنی سیگنال رادیویی که قراره به ما برسه، وسط راه جذب نشه تا این‌که هیچی تهش باقی نمونه!

تا اینجا، گزینه‌های زیادی از ابرسیاه‌چاله‌ها وجود دارن که این دو شرط رو ارضا کنن و حتی با تلسکوپ‌های رادیوییِ نه چندانْ بزرگ هم بشه اونا رو رصد کرد. اما چیزی که باعث شد برای گرفتنِ تصویری از یک سیاه‌چاله، این همه سال وقفه بیفته، شرط سوم هست:

  • تلسکوپ رادیویی، باید قدرت تفکیک یا رزولوشن لازم رو داشته باشه؛ برای این‌که چیزی رو بتونیم واضح ببینیم، هم فاصله‌ش از ما مهم هست، و هم بزرگیش. درنتیجه، درسته که سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای در نزدیکی ما هستن، ولی ابرسیاه‌چاله مرکز کهکشان‌مون، به‌خاطر بزرگیش، گزینه مناسب‌تری هست. این ابرسیاه‌چاله که توی صورت فلکی قوس قرار داره، فاصله‌ش با ما حدود ٢۵ هزار سال نوریه (با اسم اختصاری *Sag A). گزینه مناسب بعدی، ابرسیاه‌چاله مرکز کهکشان M87 هست که توی صورت فلکی سنبله قرار داره و حدود ٢٢٠٠ برابر دورتر از ابرسیاه‌چاله کهکشان خودمونه. اما چون خیلی سنگین‌تره (شما بخونید بزرگ‌تر) – حدود ۶/۵ میلیارد برابر جرم خورشید – دومین گزینه مناسب برای رصد هست. اندازه‌ این ابر‌سیاه‌چاله توی آسمون، حدود ۴۶ میکرو‌ثانیه قوسی هست؛ هر درجه، ۶۰ دقیقه قوسی و هر دقیقه قوسی، ۶۰ ثانیه قوسی هست. مثلا قطر ماه توی آسمون حدود نیم درجه قوسیه. برای تصویربرداری از این ابرسیاه‌چاله، باید جزییاتی حدود ۹ میلیارد برابر بیشتر از ماه رو بشه نشون داد!

قدرت تفکیک تلسکوپ، به طول موج نورِ دریافتی و قطر دهانه‌ش بستگی داره؛ هرچقدر طول موج‌ دریافتی کوتاه‌تر، یا قطر دهانه تلسکوپ بزرگ‌تر باشه، قدرت تفکیک بهتری داریم. برای این‌که به قدرت تفکیکی برسیم که بشه از ابرسیاه‌چاله M87، توی طول موج رادیویی تصویربرداری کنیم، باید قطر دهانه تلسکوپ، ۱۲۰۰۰ کیلومتر، یعنی اندازه قطر کره زمین باشه! برای حل این مشکل، ۸تا آرایه تلسکوپ رادیویی که در اقصا نقاط زمین بودن، با سازوکاری به اسم «تداخل‌سنجی خط پایه بسیار طولانی»‌ (به انگلیسی: Very-Long-Baseline Interferometry) یا به اختصار وی‌ال‌بی‌آی، به هم مرتبط کردن و با این روش، تلسکوپ بزرگی با قطر مصنوعی به اندازه زمین ساختن، به اسم «تلسکوپ افق رویداد» یا EHT. برای این‌که شهودی از قدرت تفکیکِ این تلسکوپ داشته باشید، حبه قندی توی شیراز رو در نظر بگیرید که یه مورچه داره روش راه میره. با رزولوشن EHT، اون مورچه رو با جزئیات کامل می‌تونید از لس آنجلس ببینید (البته اگر زمین تخت می‌بود)! نکته جالب این‌که، اون زمانی‌که تیم EHT، سال ۲۰۰۹ اعلام کرد که تا آخر دهه بعد میلادی، اولین تصویر از یک سیاه‌چاله رو منتشر می‌کنه، این کار با توجه به پیچیدگی فنی کار،‌ به‌نظر ممکن نمی‌رسید. اما الان این اتفاق افتاده (داخل پرانتز: هنوز تلسکوپ ملی ما بعد از چند دهه راه نیفتاده! به‌دنبال علت‌ها بگردید تا حداقل توی نسل ما و بعدتر این مشکلات حل شده باشه)!

تلسکوپ افق رویداد. نگاره از NRAO

یکی از چالش‌های بزرگ بر سر راه پروژه، کار کردن با حجم بالای داده بود. نتیجه یک هفته رصد کردنِ این هشت ایستگاهِ تلسکوپ رادیویی توی طول موج ۱.۳ میلی‌متری، حدود ۲۷ پتابایت داده(معادل یک میلیون گیگا بایت) شد که کار انتقال، پاکسازی و تحلیلش حدود ۲ سال طول کشید. البته فقط حدود ۱۵٪ از این داده‌ها مرتبط و قابل استفاده برای بدست‌ اومدنِ تصویر بود! سیگنال‌های رادیویی از دو ابرسیاه‌چاله مرکز کهکشان راه شیری و M87 دریافت شد. ولی چون توی اون بازه زمانی، ابرسیاه‌چاله مرکز کهکشان‌مون فعالیت زیادی داشت، تصویر مناسبی ازش ثبت نشد و در‌نتیجه، فقط تصویر ابرسیاه‌چاله M87 رونمایی شد.

حجم داده‌های تلسکوپ افق رویداد. نگاره از موسسه پریمیتر

تصویر منتشر شده دقیقا چیه؟!  

راستی! مگه سیاه‌چاله یه چیز سیاه نیست که نور هم نمی‌تونه از دستش فرار کنه. پس دقیقا از چی عکس گرفتن!؟ این حلقه نورانی توی تصویر چیه؟!

توی بخش اول، در مورد افق رویداد و شعاع شوارتزشیلد توضیح داده شد. برای توضیح تصویر، چند مفهوم دیگه رو هم باید معرفی کنیم. اولا اطراف ابرسیاه‌چاله، یک «دیسک برافزایشی» از مواد وجود داره که در حالت پلاسما قرار دارن – بنابراین باردار هستن – و با سرعتی قابل مقایسه با سرعت نور، دور سیاه‌چاله می‌چرخن. در‌ واقع بلعیدنِ مواد توسط ابرسیاه‌چاله، از طریق این دیسکه. یه چیزی به اسم «داخلی‌ترین مدار دایرویِ پایدار» تعریف می‌کنن که نزدیک‌تر از اون، مواد نمی‌تونن توی مدار پایدار باشن و توی یه مسیر مارپیچی‌، خیلی سریع داخل سیاه‌چاله سقوط می‌کنن. ما در اینجا از این مدار، به اختصار، به اسم «ایسکو» ذکر می‌کنیم. در واقع، ایسکو همون شعاع داخلیِ دیسک برافزایشی هست که ۳ برابر شعاع شوارتزشیلده. از اون‌جایی‌که نور جرم نداره، می‌تونه حتی توی مدار نزدیک‌تر از این هم قرار بگیره که بهش «کره فوتونی» میگن و جاییه که گرانش اون‌قدر قوی هست که نور رو مجبور به حرکت توی مدار می‌کنه. البته این مدار پایدار نیست و فوتون‌ها خیلی زود، یا به سمت ابرسیاه‌چاله سقوط می‌کنن و یا به بیرون فرستاده میشن. این کره فوتونی توی فاصله ۱.۵ برابری شعاع شوارتزشیلد قرار داره. یه شعاع دیگه‌ای هم تعریف میشه، به اسم «شعاع گیرشِ فوتون» (به انگلیسی: Photon Capture Radius). این شعاع، یه مقدار بزرگ‌تر از کره فوتونی و کوچک‌تر از شعاع ایسکو هست و حدود ۲.۶ برابر شعاع شوارتزشیلده (برای این‌که بتونید تصوری از این موضوعات داشته باشید به شکل زیر نگاهی بندازید). قرص تاریکی که مرکز تصویرِ منتشر شده دیده میشه، مربوط به همین شعاع و موسوم به «سایه سیاه‌چاله» هست. برای تقریب به ذهن، تصور کنید توی تاریکی شب، یه نفر جلوی نور چراغ ماشین وایستاده باشه و شما تصویری که از اون شخص می‌بینید، حجم سیاهی از اون شخص هست. سیاه‌چاله، فضا-زمان اطرافش رو خمیده می‌کنه و این باعث میشه پرتو‌های موازی که به سمت سیاه‌چاله میان، از دید ما، روی مسیر خمیده حرکت بکنن. در‌واقع سیاه‌چاله به‌ عنوان یه عدسی گرانشی، پرتو‌های نور موازی رو خم و متمرکز می‌کنه. بیش‌تر از نیمی از روشنایی که توی تصویرِ منتشر شده از ابرسیاه‌چاله M87 دیده میشه، ناشی از همین نورِ اصطلاحا لنز شده هست و نه دیسک برافزایشی از موادی که اطراف ابرسیاه‌چاله قرار داره.

نمودار شماتیک از یک سیاه‌چاله شوارتزشیلد.

اعدادی که برای پارامتر‌های مختلفِ سیاه‌چاله گفته شد، برای «سیاه‌چاله غیر‌چرخان» با متریک شوارتزشیلد صادقه. برای «سیاه‌چاله‌ چرخان» (مثل ابرسیاه‌چاله M87) که فضا-زمانِ اطرافش با متریک کر توصیف میشه، داستان یه مقداری پیچیده‌تر هست. وقتی که ابرسیاه‌چاله به دور خودش می‌چرخه، فضا-زمان رو هم به دنبال خودش می‌کشه. شعاع گیرش فوتون برای سیاه‌چاله چرخان، بزرگ‌تر از سیاه‌چاله شوارتزشیلد هست و بسته به جهت‌‌گیری پرتوها نسبت به بردار تکانه زاویه‌ای، تغییر می‌کنه. هم‌چنین، سطح مقطع سیاه‌چاله دیگه لزوما به شکل دایره نیست و ممکنه حدودا کم‌تر از ۴٪ تغییر داشته باشه.

قطر حلقه تابشی که توی تصویر دیده میشه به شعاع گیرشِ سیاه‌چاله بستگی داره که خودش به شعاع شوارتزشیلد و در‌نتیجه جرم سیاه‌چاله وابسته هست. ولی به‌طور غیر بدیهی، به پارامتر‌های دیگه‌ای هم بستگی داره: رزولوشن رصد، بردار چرخش سیاه‌چاله به دور خودش و مقدار کج بودنش، و اندازه و ساختار منطقه تابش.

اگه دقت کرده باشید، توی تصویر یه طرفِ حلقه، روشنایی بیش‌تر و طرف دیگه کم‌نورتر هست. علتش پدیده‌ای موسوم به «پرتو‌افکنیِ نسبیتی» هست؛ همون‌طور که گفته شد، مواد توی قرص برافزایشی، با سرعت خیلی بالا (نسبیتی)، در حال گردش به دور سیاه‌چاله هستن. وقتی از پهلو به قرص برافزایشیِ سیاه‌چاله نگاه می‌کنیم، مواد در یک طرف دیسک، به سمت ما حرکت می‌کنن و در طرف دیگه از ما دور میشن. موادی که حرکتشون به سمت ما هست درخشان‌تر و موادی که نسبت به ما در‌حال دور شدن هستن، کم‌نورتر به نظر می‌رسن.

ابعاد علمی ثبت اولین تصویر از سیاه‌چاله M87

ثبت تصویر از یک ابرسیاه‌چاله با این رزولوشن، موقعیتی بود تا یه بار دیگه، نظریه نسبیت عام انیشتین رو آزمایش کنیم که البته در این مورد کاملا سازگار بود. این رصد، پیش‌بینیِ یک‌ سری از مدل‌ها رو رد کرد. مثلا تعداد زیادی از مدل‌هایی که موسوم به مدل‌های تکینگی برهنه هستن، کنار زده شد. یا این‌که مثلا ما الآن می‌دونیم افق رویداد، سطحِ سختی از مواد نیست وگرنه موادی که به سمت سیاه‌چاله سقوط می‌کنن، باید اثراتی در محدوده فروسرخ می‌گذاشتن. البته ما با این رصد، در‌مورد ماده تاریک، نظریه‌های گرانش تعمیم‌یافته، گرانش کوانتومی یا مثلا این‌که داخلِ افق رویداد چی هست، نمی‌تونیم حرفی بزنیم.

بررسی دینامیک گرانشی اجرام اطراف ابرسیاه‌چاله مرکزیِ کهکشان راه شیری. نگاره از S. SAKAI / A. GHEZ / W.M. KECK OBSERVATORY / UCLA GALACTIC CENTER GROUP

قبل از این، ما جرم سیاه‌چاله رو از دو روش حساب کرده بودیم. روش اول نگاه کردن به مدار ستاره‌هاییه که اطرافش حرکت می‌کنن؛ همون‌طور که ما با نگاه کردن به مدار و سرعت حرکت سیارات توی منظومه شمسی، می‌تونیم نیروی گرانشی که خورشید توی مرکز داره بهشون وارد می‌کنه رو محاسبه کنیم و تخمینی از جرمش بزنیم، توی این مورد هم می‌تونیم جرم رو محاسبه بکنیم. روش دیگه، تخمین زدنِ جرم از روی رصد‌هایی هست که از تابش گازهای اطراف سیاه‌چاله داشتیم. برای ابرسیاه‌چاله کهکشان خودمون و M87، مقدار جرمی که از این دو روش به‌دست میومد خیلی با هم تفاوت داشتن؛ تخمین جرم از روش اول، حدود ۵۰ تا ۹۰ درصد بیش‌تر از روش دومی بود. مقداری که از رصد تلسکوپ افق رویداد به‌دست اومد، با مقداری که از روش اول بدست اومده بود سازگار بود. این نشون داد که روش بررسی دینامیک گرانشی، روش بهتریه برای محاسبه جرم سیاه‌چاله‌ها، و این‌که باید روی فرضیات اخترفیزیکی که توی روش دوم در نظر گرفته بودیم تجدید نظر بکنیم.

سیاه‌چاله‌ها موجوداتی هستن که دینامیک دارن. از اونجایی که برای نور حدود یک روز طول می‌کشه تا افق رویداد ابرسیاه‌چاله M87 رو طی کنه، توقع میره تابشی که رصد میشه، توی همین مقیاس زمانی تغییر بکنه. توی چهار تصویری که از این سیاه‌چاله منتشر شده هم این تغییرات دیده میشه.

تابشی که توی تصویر ابرسیاه‌چاله M87، روزهای ۵ و ۶ آپریل مشاهده میشه، با اونی که توی روز‌های ۱۰ و ۱۱ آپریل هست، کمی تغییر کرده. نگاره از تیم تلسکوپ افق رویداد

تلسکوپ افق رویداد چه چیزهای دیگه‌ای رو قراره در آینده نشون بده؟

اول. طی رصد‌های قبلی که از ابرسیاه‌چاله مرکز کهکشان‌مون، توی طول‌موج‌های ایکس و رادیویی انجام گرفته، یه سری تابش از فورانات، شبیه به شراره‌های خورشیدی، مشاهده شده. از اون‌جایی‌که جرم این ابرسیاه‌چاله ۰.۰۶ درصدِ جرم ابرسیاه‌چاله M87 هست (حدود ۴ میلیون برابر جرم خورشید)، مقیاس زمانیِ تغییراتِ سیاه‌چاله از مرتبه دقیقه هست. بنابراین، رصد این تغییرات سریع برای ابرسیاه‌چاله M87، می‌تونه احتمالا درمورد ماهیت این شراره‌ها اطلاعاتی بهمون بده. سوال‌هایی که مطرحه از این قراره: این شراره‌ها چطور به دما و درخشندگیِ مشخصه‌های رادیویی که می‌بینیم مربوط میشه؟ آیا شبیه تاج‌های خورشیدی، این شراره‌ها ناشی از دینامیک مغناطیسی هستن؟ آیا جریانی از دیسک برافزایشی جدا میشه؟ اگه رصدها و شبیه‌سازی‌هامون مثل مورد سیاه‌چاله M87 خوب کار کنن، می‌تونیم بفهمیم چه پدیده‌هایی باعث تشکیل این شراره‌ها میشن و شاید حتی متوجه بشیم که چه چیزی روی سیاه‌چاله سقوط می‌کنه که شراره‌ها رو تشکیل میده.

رصد شراره‌های درخشان در اطراف ابرسیاه‌چاله مرکزیِ کهکشان راه شیری. نگاره از NASA/CXC/STANFORD/I. ZHURAVLEVA ET AL.

دوم. داده‌های مربوط به قطبش نور سیاه‌چاله، قراره منتشر بشه. اهمیت این موضوع اینه که چون میدان مغناطیسی با نور می‌تونه اندرکنش کنه و اثری روی قطبشش بذاره، با این داده‌ها می‌تونیم درمورد شکل میدان مغناطیسی خودِ سیاه‌چاله و چگونگی تغییراتش اطلاعات بدست بیاریم. البته ما می‌دونیم که دیسک برافزایشی اطراف سیاه‌چاله هم، خودش میدان مغناطیسی قوی رو به‌وجود میاره؛ چون ذرات باردار، داخل دیسک برافزایشی در حال حرکت هستن، میدان مغناطیسی تولید می‌کنن. مدل‌ها نشون میدن که این خطوطِ میدان مغناطیسی می‌تونه، یا توی جریانات قرص برافزایشی باقی بمونه و یا به افق رویداد ختم بشه. یه رابطه‌ای بین میدان‌های مغناطیسی، برافزایش و رشد کردن سیاه‌چاله، و جت‌های گسیلی از اون هست. بدون میدان مغناطیسی راهی وجود نداره که مواد داخل قرص برافزایشی، تکانه زاویه‌ای از دست بدن و به داخل سیاه‌چاله سقوط کنن. داده‌های مربوط به قطبش که در حال تحلیل شدن هستن، می‌تونن این موضوعات رو روشن بکنن.

تصویر خیالی از دیسک برافزایشی و جت‌های اطراف یک سیاه‌چاله. ما هنوز نمی‌دونیم که خودِ سیاه‌چاله‌ها هم میدان مغناطیسی خودشون رو دارن یا نه. نگاره از NICOLLE R. FULLER/NSF

سوم. وقتی دو جسم به هم نیروی گرانشی وارد می‌کنن، به این معنیه که هر کدوم، اون یکی رو سمت خودش می‌کشه. توی منظومه شمسی هم درسته که خورشید نیروی گرانش زیادی رو به مابقی اجرام و سیارات وارد می‌کنه و اونا رو توی مدار نگه می‌داره، ولی بقیه هم نیروی گرانشی به خورشید وارد می‌کنن و این باعث میشه خورشید هم سر جای خودش به‌خاطر این نیرو کمی جابجا بشه و اصطلاحا حرکتی براونی داشته باشه (حرکت براونی به حرکتی مثل حرکت ذرات گرد و غبار توی هوا میگن که به‌صورت تصادفی جابجا می‌شن). اطراف ابر‌سیاه‌چاله هم اجرام زیادی وجود دارن که علی‌القاعده سیاه‌چاله‌های دیگه‌ای هم بینشون هستن. در‌نتیجه شبیهِ داستان منظومه شمسی، ابرسیاه‌چاله هم حرکت براونی داره. منتها برای این‌که مقدارِ این جابجایی رو بشه محاسبه کرد، نیاز به یه مرجعی داریم که جابجایی رو نسبت به اون بسنجیم. بنابراین باید به سیاه‌چاله نگاه کنیم و بعد به مرجع و بعد به سیاه‌چاله و بعد به مرجع و …. اما از اون‌جایی که جو زمین تلاطم داره و توی بازه زمانی حدود ۱ تا ۱۰ ثانیه تغییر می‌کنه، نمی‌تونیم این رفت و آمد رو بین سیاه‌چاله و مرجع راهنما‌مون انجام بدیم؛ چون تا بخوایم بریم و بیایم داستان تغییر کرده! بنابراین درحال حاضر، نمی‌تونیم از روی زمین این کار رو انجام بدیم. ولی احتمالا تا پایان دهه بعد میلادی، با پیشرفت تکنولوژی در این زمینه، این کار عملی میشه و در‌ نتیجه می‌تونیم در‌مورد حضور سیاه‌چاله‌های اطراف ابر‌سیاه‌چاله هم اطلاعات بدست بیاریم.

تصویر خیالی از حرکت سیاه‌چاله‌ها در اطراف یک ابرسیاه‌چاله. نگاره از ESO/MPE/MARC SCHARTMANN

چهارم. با اندازه‌ي الانِ تلسکوپ افق رویداد، فقط ۲ یا ۳ مورد از سیاه‌چاله‌ها رو میشه مطالعه کرد. اما اگر بتونیم از تلسکوپ‌های فضایی هم کمک بگیریم، میشه در‌واقع قطرِ موثرِ تلسکوپ رو بازم بزرگ‌تر و قدرت تفکیک رو بهتر کرد. این کار، عملا با تکنولوژیِ حال حاضر هم شدنی هست و میشه در آینده‌ای نه چندان دور، صدها سیاه‌چاله رو مورد بررسی قرار داد. در نتیجه، این زمینه‌ تحقیقاتی آینده روشنی خواهد داشت.

کاندیدای جایزه نوبل فیزیک برای این پروژه، چه افرادی می‌تونن باشن؟

بعد از انتشار تصویر اولین سیاه‌چاله توسط تیم تلسکوپ افق رویداد، اخباری دست به دست شد که یه خانمی به نام باومن – که اتفاقا هم چند وقت پیش توی تد، در مورد روش محاسباتی که برای تلسکوپ افق رویداد ساخته بودن صحبت کرده بود – باید جایزه نوبل فیزیک رو بگیره. نکته قابل توجهِ ثبتِ این تصویر، اتفاقا همکاری گسترده پژوهش‌گران در اقصا نقاط دنیا بوده که ارزش این کار رو صد چندان می‌کنه. بنابراین، این‌که یه کسی یهو این‌قدر بولد بشه، به‌نظر می‌رسه به‌خاطر مسايل دخیلِ دیگه‌ای هست که هیچ مبنای حرفه‌ای نداره! با این حال اگه قرار باشه به فرد یا افرادی جایزه نوبل فیزیک برای این پروژه تعلق بگیره، شاید افراد زیر، گزینه بهتری باشن:

۱. شِپ دوئلمَن، کسی که این پروژه رو راه‌اندازی کرد، به پیش برد و مدیریت کرد.

۲. هِینرو فالکه، کسی که مقاله اصلی درمورد این‌که چطور تلسکوپ افق رویداد با استفاده از روش وی‌ال‌بی‌آی می‌تونه تصویر رو ثبت کنه، نوشت.

۳.روی کِر، کسی که معادلات میدان گرانشی رو برای سیاه‌چاله چرخان حل کرد که پایه‌ی جزییات استفاده شده توی همه شبیه‌سازی‌های امروزی از سیاه‌چاله‌ها بودن.

۴. جین پیِر لومینِت، کسی که برای اولین‌بار، توی دهه ۱۹۷۰ میلادی،‌ با شبیه‌سازی نشون داد که تصویرِ یه سیاه‌چاله، احتمالا چه شکلی خواهد بود و حتی همون موقع، ابرسیاه‌چاله کهکشان M87 رو برای این کار پیشنهاد داد.

۵. آوری برودِریک، کسی که بعضی از مهم‌ترین کارها رو برای مدل‌سازی کردنِ دیسک برافزایشیِ اطراف سیاه‌چاله انجام داده.

تصویری از گردهمایی پژوهشگران حاضر در پروژه تلسکوپ افق رویداد در نوامبر سال ۲۰۱۸ میلادی

خب که چی؟! حالا این چیزا به چه درد ما می‌خورن؟!

احتمالا یا این سوال رو توی ذهن دارید، یا اگه توی زمینه کیهان‌شناسی و نجوم دارید پژوهش می‌کنید، این سوال ازتون پرسیده شده. اگه منظور از این سوال اینه که به چه درد همین الآن ما می‌خوره یا این‌که مثلا توقع داشته باشید که یهو با این مطالعات، اوضاع اقتصادی‌مون درست بشه، باید بگم که خیر!

یک چیز خیلی مهمی وجود داره و اون هم حس کنجکاوی بشر هست. حتی تا همین چند ده سال پیش هم که آلودگی نوری وجود نداشت و مردم هر شب عظمت آسمون رو بالای سرشون به چشم می‌دیدن، پرسش‌های زیادی پیش میومد. چیزی که ما امروزه تقریبا درکی ازش نداریم! البته همین کنجکاوی باعث به‌وجود اومدن علم شد و به تبع اون ایجاد تکنولوژي. خیلی از کاربردی‌ترین و ابزاری‌ترین چیزهایی که امروز باهاشون سروکار داریم، مثلا موبایل، بدون مفاهیم کاملا محض نظری، مثل مکانیک کوانتومی، بی‌معنی بودن. اگه همیشه بشر می‌خواست همین نگاه کوته‌بینانه رو داشته باشه، احتمالا توی غارها و با یه سری ابزارهای بدوی مشغول گذران زندگی خودش بود! بنابراین اگه می‌بینید که کسانی اندک، توی دنیا دنبال این‌جور چیزها هستن، حداقلش این‌که این‌جور سوالات رو ازشون نپرسید 🙂

تلاش برای توصیف جهان از زاویه‌ی گرانش

داستان معروف سیبی که از درخت افتاد و به سبب اون نیوتون کشف کرد که زمین جاذبه داره رو همه از بریم. این داستان چندان واقعی نیست نیوتون سالها توی اتاقش داشت با انواع و اقسام روابط سر و کله میزد تا بالاخره تونست که فیزیک جدیدی رو پایه‌گذاری کنه و واقعا با یک سیب نبود که نظریه‌ای متولد شد.

اگه گرانش رو به زبان خیلی ساده بخوام بگم، میشه فرمول‌بندی نیوتون از حرکات سیاره‌ها. قبل‌تر از نیوتون فردی به نام کپلر سه قانون رو در مورد حرکات سیاره‌ها پیدا کرده بود.کپلر معتقد بود که سیاره‌ها دارن در مدارهایی بیضوی به دور خورشید میچرخند که خورشید در یکی از کانون‌های بیضی قرار گرفته.. زمانی که سیاره به خورشید نزدیکتره با سرعت بیشتری حرکت میکنه نسبت به زمانی که از خورشید دورتره و رابطه ی بین فاصله سیارات از خورشید و پریود حرکتشون هم به دست آورده بود.

بعدتر از کپلر، نیوتون حرکات سیارات رو با صورت بندی گرانش ارائه کرد. نیوتون میگفت گرانش یک نیروی بلندبرده و بین اجرام مختلف برقراره. اگر دو تا جرم مختلف به نحوی بتونن همدیگه رو مشاهده کنن،شروع میکنن به جذب کردن همدیگه. شدت نیرویی هم که حس میکنن متناسب با حاصل ضرب جرمشون تقسیم بر مجذور فاصله دو تا جرم از همدیگه است.

این تا اوایل قرن نوزده بهترین تصویر ما از جهان بوده. اینکه اجرام به شکلی پراکنده‌اند در جهان و طبق گرانش نیوتونی رفتار میکنن. اما از اونجایی که علم همواره در حال تحوله و تصویر ما از جهان ثابت نمی‌مونه، شواهدی پیدا شدن که باعث شد دانشمندان درباره ی این نظریه به تردید بیفتند.اوایل قرن نوزدهم اینشتین با ارائه نظریه نسبیت عام تصویر جدیدی از جهان رو ارائه کرد.در این نظریه گرانش نه یک نیرو که یک ویژگی از فضا- زمان درنظر گرفته میشه.تغییرات در فضا-زمان هم به دلیل پراکندگی اجرام در فضا به وجود میاد.یک مثال آشنا از این اجرام میتونه سیاهچاله ها باشند. سیاهچاله ها در واقع بخشی از فضا زمان هستند که حتی نور هم امکان گریختن از افق رویداد سیاهچاله ها رو نداره. معادله‌ی میدان در نسبیت عام با رابطه‌ی زیر نشون داده میشه.

معادله ی میدان اینشتین

سمت چپ این معادله تانسور انیشتین رو میبینید. این تانسور درواقع حامی تمام اطلاعات هندسه‌ی فضا- زمان هست.سمت راست معادله هم تانسور انرژی- تکانه‌ رو میبینید. که درواقع حاوی تمام اطلاعات یک جرم گرانشی یا بهتر بگم یک ماده است.این جرم گرانشی میتونه زمین باشه، ستاره نوترونی باشه، یا حتی یک سیال باشه.

نسبیت عام موفقیت‌های چشم‌گیری تا به امروز داشته. پیش‍بینی ام‍واج گرانشی، توصیف سیاهچاله‌ها، سفر در زمان و… همگی از دستاوردهای نسبیت عام هستند.اما نسبیت عام در اواسط قرن بیستم و بعدتر با چالش‌های جدی مواجه شد. همین اتفاق باعث شد که دریچه‌ی جدیدی به سوی گرانش باز بشه و نظریات جدید گرانشی متولد بشن.

اینشتین وقتی معادله‌ی میدان گرانشی در نسبیت عام رو نوشت با یک سوال مواجه شد. چرا جهان تحت گرانش خودش فرو نمیریزه؟ نیوتون برمبنای بی‌نهایت بودن و همسانگردی جهان مطمئن بود که جهان تحت گرانش خودش فرو نمیریزه. نیوتون بر مبنای این فرضیات معتقد بود که هر نقطه از جهان نیروی برابری رو حس میکنه، بنابراین جهان هرگز تحت گرانش فرونمیریزه. انیشتین برای رفع این مسئله جمله‌ای رو دستی وارد معادلاتش می‌کنه. این جمله به صورت یک نیروی دافعه‌ی کیهانی، که به عنوان ثابت کیهان‌شناسی معرفی شده، وارد این معادلات میشه. جالبه بدونید اینشتین بعدها از این کارش به عنوان یک اشتباه بزرگ یاد میکنه.

بعد از وارد شدن جمله ی ثابت کیهان شناسی معادله‌ی میدان اینشتین به فرم زیر در میاد.

$$G_{\mu \nu}+ \Lambda g_{\mu \nu}=T_{\mu\nu}$$

با فرض عدم وجود ماده، یعنی در حالتی که مقدار تانسور انرژی- تکانه در این معادله صفر باشه، میتونیم به جمله‌ی ثابت کیهان‌شناسی انرژی خلا رو نسبت بدیم. در این حالت لمبدا رو معادل چگالی انرژی خلا میدونیم.

اما مشکلی که تا به امروز هنوز حل نشده چی بود؟

ما باید بدونیم مقدار این ثابت کیهان شناسی چقدره و از چه مرتبه‌ایه. نظریه‌ی میدان‌های کوانتومی مقداری رو که برای انرژی خلا پیش‌بینی می‌کنه بسیار بسیار بیشتر از عددی است که از رصدها بدست میاد. چیزی در حدود شصت تا صد و بیست مرتبه‌ی بزرگی بزرگتر. همین اختلاف مقدار در نظریه و رصد باعث شد نظریات جدید گرانشی‌ای متولد بشن تا شاید این مشکل رو حل کنند.

مشکل بعدی‌ای که نسبیت عام نتونست از پسش بربیاد مسئله‌ی ماده تاریک بود. اگه بخوام مختصرا بگم ماجرای ماده تاریک از کجا جدی شد، باید برگردیم به رصدهایی که انجام شده و مهم‌ترین شاهد حضور ماده تاریک نمودارهای سرعت چرخش ستاره‌ها و کهکشان‌ها بودند.ما از گرانش نیوتونی میدونیم که سرعت حرکت دایره‌ای یک ستاره از رابطه‌ی زیر بدست میاد.

معادله سرعت چرخش کهکشان‌ها

در این رابطه G ثابت جهانی گرانش، M جرم محصور و r فاصله شعاعی است. برای فواصل بیشتر از دیسک کهکشانی قانون گاوس بیان می‌کند که با فرض اینکه تمام جرم در مرکز محصور شده در فواصل دور مقدار جرم ثابته و سرعت باید با r-1/2  کاهش پیداکنه. اما آن چیزی که رصدها نشون میده چنین نیست. رصد ها میگه از فاصله ای به بعد سرعت حرکت به مقدار ثابتی میل میکنه. انگار که برخلاف اون چیزی که از قانون گاوس میدونیم، جرم اینجا متغیره و داره با فاصله تغییر میکنه. در واقع  تغییرات جرم متناسب با تغییرات فاصله است. این جرم اضافی از کجا میاد؟ به نظر میاد این وسط ماده‌ای فراتر از ماده‌ی مرئی وجود داره که بهش میخوایم بگیم ماده‌ی تاریک. ماده‌ی مرموزی که خیلی خوب نمیشناسیمش. وجود داره ولی مشاهده نمیکنیمش. برهمکنش نمیکنه و هرجایی خودش رو نشون نمیده، اما این وسط داره تو معادلاتمون و در کیهان‌شناسی نقش مهمی بازی میکنه.

نمودار سرعت چرخش کهکشان‌ها

نظریات گرانشیِ بعد از نسبیت عام  تلاش هایی برای توصیف ماده تاریک هم داشته اند. البته عده‌ای از فیزیکدانان انرژی‌های بالا معتقدند که ماده تاریک واقعا به صورت ذراتی وجود داره. و تلاش‌های زیادی چه از بابت نظری و چه عملی برای توصیف و آشکارسازی ذرات ماده تاریک کرده‌اند.

نظریات جدید گرانشی که عمدتا ازشون به عنوان گرانش تعمیم یافته یاد میشه، اضافه کردن درجات آزادی به نظریه‌ی نسبیت عام هست. در واقع ماجرا از این قراره که فیزیکدانان تلاش میکنن با اضافه کردن درجات آزادی به کنش نسبیت عام راهی پیدا کنند که بتونن سوالاتی که نسبیت عام نمیتونه بهشون پاسخ بده رو پاسخ بدن. این درجات آزادی در ساده‌ترین حالت میتونه اضافه کردن یک میدان اسکالر باشه. یا عده‌ای هم دوست دارن بردار، تانسور یا میدان‌های با رنک بالاتر اضافه کنند به این کنش. هر مدلی از گرانش که ساخته میشه باید تست‌پذیر باشه. یعنی نتایجی که پیش‌بینی میکنه با نتایج آزمایش و رصد سازگار باشه. و اساسا قابلیت در معرض آزمایش قرارگرفتن رو داشته باشه.

از دل این تلاش‌ها مدل‌های زیادی برای توصیف جهان ساخته شده اند، که اینجا مختصرا اشاره میکنم و در پست‌های بعدی بهشون می‌پردازم.نظریه‌های اسکالر-تانسور، دینامیک تعمیم یافته نیوتونی، نظریه‌ی انیشتین- اِتِر، نظریه‌های بایمتریک، نظریه‌های f(R )، گرانش غیر موضعی و گرانش ابعاد بالا مشهورترین نظریه‌های گرانشی اند.

سرنوشت نظریات گرانشی به کجا رسیده؟

هنوز فیزیکدانان در حال تلاش‌اند تا بتونن برای سوالاتی که مطرح شده نظریه‌ای بسازند که پاسخ سوالاتشان رو بده. برای محقق شدن این امر نیاز به ایده‌های بهتر و داده‌های رصدی و آزمایشگاهی بیشتر دارن.

پی نوشت:

  1. برای تعریف  تانسور به این آدرس سر بزنید.
  2. برای اینکه مختصری درباره‌ی درجه‌ی آزادی در فیزیک بدونید به این آدرس مراجعه کنید. البته درجه‌ی آزادی در متن بالا کمی متفاوت از چیزیه که در متن پیوست شده مشاهده میکنید.