جایزۀ نوبل فیزیک ۲۰۲۰ و سیاه‌چالۀ غول‌آسا در کهکشان ما
پرابیر پورکایاستها
به “راجر پنروز” فیزیک‌دان و ریاضی‌دان به‌خاطر کار بر بنیادهای نظری سیاه‌چاله‌ها و “راینهارد گنزل” و “آندریا گِز” ،دو اخترشناس، که هرکدام با هدایت تیم‌هایی مستقل به‌منظور درستی‌سنجی هستی چنین سیاه‌چاله‌ای در مرکز کهکشان راه شیری ما، جایزۀ نوبل فیزیک سال ۲۰۲۰ به‌طور مشترک اهدا گردید. پنروز نشان داد که نتیجهٔ منطقی نظریهٔ نسبیت عام آین‌شتاین شکل‌گیری سیاه‌چاله‌ها را نه‌تنها از اخترهای در حال فروپاشی، بلکه همچنین در ناحیه‌های فشرده‌ای از فضا نیز دربر می‌گیرد. این سیاه‌چاله‌ها همه چیز را می‌بلعند، هیچ‌چیز حتا نور هم توانایی گریز از آن‌ها را ندارد. گنزل و گِز و تیم‌های‌شان به‌طور مستقل با ردیابی مسیر یک اختر نشان دادند که در مرکز کهکشان راه شیری یک شیء بسیار سنگین با جرمی حدود چهار میلیون برابر جرم خورشید وجود دارد. گِز چهارمین زنی است که جایزۀ نوبل فیزیک را دریافت می‌کند. نخستین آنان ماری کوری بود که نوبل فیزیک را در ۱۹۰۳ دریافت کرد.
پژوهش در پدیده سیاه‌چاله‌ها دو خویشاوندی با کشور هندوستان دارد. خویشاوندی نخست از سمت فیزیک است. سوبر چاندراسخار، فیزیک‌دان هندی، در سال ۱۹۳۰ نشان داد که اگر اختری جرمی بیش از ۱/۴ برابر جرم خورشید داشته باشد نمی‌تواند از فروپاشی جلوگیری کند. چاندراسخار خواهرزادۀ سی‌وی رامان نخستین برندۀ جایزه نوبل فیزیک از هند بود. او در ۱۹۳۵ به ایالات متحده مهاجرت کرد و در ۱۹۵۳ شهروند ایالات متحده شد. در جرم کم‌تر از این مقدار (پس از فروپاشی اختر) که امروز به حد چاندراسخار شناخته می‌شود (این اختر) به کوتولۀ سفید دگرگشت می‌شود. او از اینکه اگر این جرم بالاتر از آن باشد چه اتفاق خواهد افتاد آگاهی نداشت. ما اکنون می‌دانیم که چنین اختری با یک ابرنواختر منفجر خواهد شد یا منفجر شده و سپس فروپاشیده می‌شود و اتم‌های آن در فضای یک هستهٔ اتم فشرده شده و به یک اختر نوترونی دگردیس خواهد شد یا از آن هم فراتر رفته و یک سیاه‌چاله می‌آفریند. چاندراسخار در ۱۹۸۳ جایزۀ نوبل فیزیک را دریافت کرد.
دومین خویشاوندی این پدیده با هندوستان، در خود واژه سیاه‌چاله نهفته که برازنده نیست. اکنون مشخص شده است که فیلیپ دیک، استاد علوم آلبرت آین‌شتاین در دانشگاه پرینستون، نخستین کسی بود که نام سیاه‌چاله را برای فروپاشی گرانشی یک اختر و پدیدهٔ تکینگی [تکینی یا singularity در ریاضیات به‌معنای چیز شگفت، غیرعادی] برگزید. خانوادۀ او روایت می‌کند که هرگاه چیزی را در خانه پیدا نمی‌کرد می‌پرسید آیا در سیاه‌چالهٔ (شهر) کلکته ناپدید شده است. سیاه‌چالۀ کلکته چنان که می‌دانیم گزاف‌گویی درباره افسانه‌ای است که شماری سرباز انگلیسی و کارکنان اروپایی شرکت هند شرقی در سلول کوچکی با دو روزنه زندانی شده بودند که چند نفر از آنان دچار خفگی گردیدند. در شمار جان‌باختگانی که شرکت هند شرقی در آن زمان اعلام کرد از سوی تاریخ‌شناسان بسیاری تردید شده است. اما این رویداد دستاویزی برای کشتار، غارت، و تصاحب زمین‌هایی شد که سرآخر به شکل‌گیری امپراتوری بریتانیا در هندوستان انجامید. این پیشامد در اندیشه عمومی مردم انگلیس بر کشتارهای بی‌شمار استعمار بریتانیایی‌ها و گرسنگی و نایابی‌های تباه‌کننده که همراه با حکم‌رانی بریتانیا بود سایه می‌افکند.
نام سیاه‌چاله با خود جایی را تداعی می‌کند که کل ماده در آن گم گشته و هیچ چیز از آن سر بر نمی‌آورد. پس چگونه می‌توان وجود آن را نشان داد؟ یک روش آن است که از نظریه‌ای ثابت شده با به‌کارگیری دانش ریاضی آن را ریشه‌یابی کنیم. این همان روشی است که پنروز انجام داد و آن را از راه نظریهٔ نسبیت عام آین‌شتاین ریشه‌یابی کرد. او همچنین با استفاده از دانش مکان‌شناسی (توپولوژی) ریاضی که امروزه به‌نام تبدیل‌های پنروز شناخته می‌شود، نشان داد که برخلاف سایر برگرفته‌های این‌چنینی از سیاه‌چاله‌ها می‌توان از اخترانی با جرمی مشخص بدون نیاز به تناسب کامل مادۀ در حال فروپاشی رسید. تنها شرط لازم، وجود چگالی ماده به‌اندازه کافی در یک فضای مشخص بود که با کاربرد نظریهٔ نسبیت عام بدون نیاز به تناسب می‌توان به شکل‌گیری یک سیاه‌چاله رسید. این روش یکی از کمبودهای موجود پیرامون چگونگی پدید آمدن سیاه‌چاله‌ها را که هیچ فروپاشی‌ای نمی‌تواند به‌طورکامل با مادهٔ در حال فروپاشی متناسب باشد، برطرف کرد. درواقع حتا آین‌شتاین هم باور نداشت که اگر نظریهٔ نسبیت عام هم چنین احتمالی را پیش‌بینی می‌کرد سیاه‌چاله‌ها می‌توانند وجود داشته باشند.
برای فیزیک‌دانان چنین استنباط نظری‌ای کافی نیست. دانش فیزیک برای تأیید یک فرض علمی به مشاهده‌های آزمونی نیاز دارد. یا برای اهدای جایزۀ نوبل و آکادمی سوئد که به فیزیک آزمونی نسبت به فرض علمی امتیاز ویژه می‌دهد کافی نیست. مشاهدۀ وجود جرمی اَبَرسنگین که هیچ انرژی‌ای ساطع نمی‌کند تأیید پیش‌بینی پنروز برای وجود یک سیاه‌چاله است. این آن چیزی است که گتزل و گِز به آن دست یافتند و پی بردند که کهکشان راه شیری مانند بیشتر کهکشان‌ها میزبان سیاه‌چاله‌ای در کانون خود است.
فرمول‌بندی نظریه نسبیت عام آین‌شتاین در ۱۹۱۵ پیا‌مدی غیرمنتظره داشت. در خلال چند ماه پس از انتشار آن، کارل شوارتزشیلد که در آن زمان در ارتش آلمان خدمت می‌کرد راه برون‌رفتی برای معادله‌های میدانی آین‌شتاین منتشر کرد که نشان می‌داد اگر ماده و انرژی از مرز معینی فراتر روند باعث فروریختگی فضا- زمان بر خود شده و به پیدایش یک تکینگی یا سیاه‌چاله می‌انجامد. جهانِ بیرون تأثیر گرانشی آن را احساس خواهد کرد، ولی هیچ جرمی یا حتا نور هم نمی‌تواند از چنین سیاه‌چاله‌ای بگریزد.
آین‌شتاین به‌خاطر زیر و رو کردن جهان آشنای فیزیک نیوتونی شهرت جهانی یافت. اما با وجود داشتن شهرت جهانی، به‌سبب مخالفت با جنگ جهانی اول، داشتن قومیت یهودی، و نیز اندیشه‌های سوسیالیستی، دشمنانی هم در آلمان و هم در جامعه علمی به‌هم زد. در آن زمان بیشتر فیزیک‌شناسان و گردانندگان کمیته نوبل به‌دلیل نگرش درست‌آیینی (ارتدوکسی) غالب بر آنان، چندان دل خوشی از او نداشتند و استدلال می‌کردند که نظریه‌های آین‌شتاین چیزی بیش از فرضیه نیستند و بدون اثبات و مشاهده آزمونی‌اند.
آرتور ادینگتون، اخترشناس انگلیسی، در ۱۹۱۹ برای پایان دادن به‌این بحث پیشنهاد داد که یک آزمون راستی‌آزمایی درباره نظریه نسبیت انجام بگیرد. بدین ترتیب که اگر شیئی عظیم به‌دلیل جِرم‌اش، فضای اطراف خود را خم کند، باید امکان آن باشد که این خمیدگی را با اندازه‌گیری نور اختری که در هنگام خورشیدگرفتگی از نزدیک خورشید می‌گذرد مشاهده کرد. ادینگتون چنین آزمایشی را در جریان یک خورشیدگرفتگی انجام داد و توانست نشان دهد که دستا‌وردها با پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام همخوانی دارد. روزنامه تایمز لندن تیتر زد: “انقلابی در علم، نظریه جدید کیهان”، و نیویورک تایمز در سرخط خبرهایش نوشت: “با سرعت، می‌توان زمان را به‌صفر رساند.” آین‌شتاین چهرۀ سرشناسی در علم فیزیک گردید، یعنی جایگاهی که هیچ دانشمند دیگری بدان دست نیافته بود.
اما حتا این رویداد هم اعطای جایزۀ نوبل در سال‌های ۱۹۲۰ و ۱۹۲۱ به آین‌شتاین را موجب نگردید. رابرت فریدمن، تاریخ‌دان علم، در کتابش به‌نام سیاست فرزانگی نوشت کمیته (نوبل) تحمل پذیرش این را نداشت که “کسی با داشتن گرایش‌های تندرو سیاسی و روشنفکری که گفته می‌شود دست به آزمایش (هم) نمی‌زند به بالاترین جایگاه در عرصه فیزیک دست یابد.” جایزۀ نوبل سال ۱۹۲۰ به کشف فراموش شده آلیاژ فولاد و نیکل تعلق گرفت و در ۱۹۲۱ جایزه‌ای به کسی اهدا نشد. در آن سال انکار آین‌شتاین برای کمیته (نوبل) شدنی بود اما اهدای جایزه به کس دیگر امکان‌پذیر نبود. سرانجام در ۱۹۲۲ جایزهٔ نوبل دیرهنگام از سال پیش را آین‌شتاین دریافت کرد. ولی نه به‌خاطر نظریه نسبیت که شهرتش بیش از همه از آن ناشی می‌شد، بلکه به‌خاطر کشف اثر فوتوالکتریک در ۱۹۰۵ بود که نشان داد نور همانند ذره عمل می‌کند. این همان سالی بود که آین‌شتاین نخستین نوشته‌هایش را در زمینه مقوله‌های نسبیت و تئوری نسبیت خاص را منتشر کرده بود.
کار پنروز زیربنای استوار ریاضی برای شناخت سیاه‌چاله‌ها و در مرکز آن تکینگی فضا-زمان را آماده کرده بود. هاوکینگ آن را بیشتر گسترش داد، و مطرح کرد که کل کیهان با یک تکینگی در زمان مهبانگ (انفجار بزرگ) آغاز گردید. هرچند هاوکینگ که شاید سرشناس‌ترین فیزیک‌دان پس از آین‌شتاین به‌شمار می‌رود به جایگاه نمادین دست یافت، اما هرگز جایزۀ نوبل به او اهدا نشد. جایزۀ نوبل پنروز برای تکینگی فضا-زمان شاید سر فرود آوردن در برابر هاوکینگ به‌خاطر جایزه‌ای باشد که هرگز دریافت نکرد.
نظریه‌های علم فیزیک امکان‌هایی را پدید می‌آورند که بتوان جهان را شناخت. اما بدون راستی‌آزمایی آزمونی هنوز تردید اندکی وجود دارد که پدیدهٔ نوینی می‌تواند در تناقض با بینشی علمی قد علم کند. بنابراین، جست‌وجو برای راستی‌آزمایی آزمونی، استاندارد طلایی فیزیک به‌شمار می‌رود. هنگامی که به مقوله اخترفیزیک می‌رسد، آزمایش با اخترهایی که سال‌های نوری با ما فاصله دارند امری سترگ است! ازاین روی است که اهدای جایزۀ نوبل به چاندراسخار بیش از ۵۰ سال و به پنروز ۵۵ سال به‌درازا کشید! و از آنجا که نوبل به درگذشتگان اهدا نمی‌شود برخی از فیزیک‌دانان هرگز آن را دریافت نمی‌کنند.
دکتر آندریا گِز، استاد دانشگاه کالیفرنیا در شهر لس آنجلس ودکتر گنزل، مدیر انستیتوی ماکس پلانک، در گارچینگ آلمان خدمت می‌کنند. تیم دکتر گِز از رصدخانۀ کک در هاوایی استفاده کردند و مشاهده‌های گروه گنزل با تلسکوپ شیلی که از سوی رصدخانۀ جنوبی اروپا اداره می‌شود صورت گرفت. هردو تیم برای مدت‌ها در “رقابت” بودند و هردو به‌طور مشترک بارها ستوده و گرامی داشته شده‌اند. موضوع رقابت در این مورد، ردیابی مسیر اخترهای نزدیک به مرکز کهکشان راه شیری بود. هردو تیم اختر یکسانی را به نام‌های اس‌او۲ برای تیم گِز و اس۲ برای گنزل ردیابی می‌کردند که مدار کوتاهی در چرخش خود دور و بر مرکز راه شیری داشت و تنها ۱۶ سال در مقایسه با مدار ۲۰۰ میلیون سال خورشید ما است. دست‌یافته‌های هر دو تیم با کاربرد تلسکوپ‌های متفاوت و داده‌های گردآوری شده در طول دهه‌ها سال نشان داده است که هر دو تیم درباره وجود شیء اَبَرسنگین با جرمی حدود ۴ میلیون برابر جرم خورشید که در مرکز کهکشان ما قرار دارد هماهنگ و هم‌رأی هستند. به‌گفتهٔ کمیتۀ نوبل “تفسیر قاطع این مشاهده‌ها آن است که آن شیءِ فشرده در مرکز کهکشان با بودن یک سیاه‌چالۀ کلان‌جرم سازگاری دارد.”
ما از نظریهٔ نسبیت آین‌شتاین و فروپاشی اختران چاندراسخار راه درازی را پیموده‌ایم. پس بگذارید با بخشی از سخنرانی چاندراسخار پس از دریافت جایزه نوبل این نوشتار را به‌پایان برسانم، یعنی آن جا که او به‌نقل از رابیندرانات تاگور می‌گوید:
آنجا که اندیشه، بری از هراس، و سر افراشته است
آنجا که دانش آزاد است
آنجا که واژه‌ها از ژرفای حقیقت برمی‌خیزند
آنجا که تلاش بی‌امان بازوان، خود را به‌سوی کمال دراز می‌کنند
آنجا که رود زلال خِرَد، راه خود را به شن و ماسه کویر مرده از دست نداده است
بگذار من سر برآورم از درون آن بهشت آزادی.
گفتاوردی که شاید بیش از اندازه استفاده شده باشد، اما برای روزگار تار و تیره ما بس شایسته می‌نماید.
به نقل از «نامۀ مردم»، شمارۀ ۱۱۱۵ ، ۵ آبان ماه ۱۳۹۹
