لرزه‌هایی از جهان زیرین: درباره نوبل فیزیک ۲۰۱۷

پژوهشگران، اساتید، و دانشجویان علوم پایه، هر سال‌شان را در هفته اول اکتبر، با اعلام نام اسامی برندگان نوبل تحویل می‌کنند. این جایزه با گذشت بالغ بر یازده دهه از اعطایش همچنان برای بسیاری از پژوهشگران طراز اول دنیا دست‌نیافتنی مانده، چراکه خوشبختانه هنوز شایسته همان اندک پژوهشگرانی قلمداد می‌شود که از ابتدا به فکر رؤیاهایی دست‌نیافتنی‌تر بوده‌اند – و به آنها رسیده‌اند.

کشف مکانیسم مولکولی تنظیم ساعت زیستی، کشف امواج گرانشی، و تدوین فناوری تصویربرداری سه‌بعدی از مولکول‌های ارگانیک، سه رؤیایی بود که به ترتیب، جوایز نوبل پزشکی، فیزیک، و شیمی امسال را از آن خود کردند. در این هفته طی دو مقاله، روایت‌هایی را خواهید خواند از روال تحقق دومین و سومین این رؤیاها، که هر دو به تشخیص زوایایی ناپیدا از جهان ما منجر شدند، و هر دو نوید فرداهایی یکسره متفاوت را در رشته‌های مربوط به خود دادند.

از زمان اعلام کشف نخستین موج گرانشی در ۲۲ بهمن ۱۳۹۴، حدس زده می‌شد که جایزه نوبل ۲۰۱۶ به ایده‌پردازان و مجریان طرح «تداخل‌سنج لیزری تشخیص امواج گرانشی» (اختصاراً «لایگو» / LIGO) اختصاص یابد؛ اما چنین نشد (در این‌باره نگاه کنید به: نوبل فیزیک ۲۰۱۶ به پاس اثبات وجهی از عینیت ریاضیات). در این بین، با کشف دو منبع دیگر از این امواج، و همچنین افتتاح همتای ایتالیایی لایگو (تداخل‌سنج «ویرگو») که در یکی از این دو کشف شراکت داشت، آمار امواج یافت‌شده به مجموعاً چهار مورد افزایش یافت تا سرانجام این جایزه در سال جاری مشترکاً به راینر وایس، بَری باریش، و کیپ تورن، به نمایندگی از هزاران دانشمند این دو پروژه از شانزده کشور جهان تعلق گیرد.

اولین سینگال دریافتی از یک موج گرانشی، در واقع چند روز پیش از افتتاح رسمی فاز دوم فعالیت لایگو، در ساعت ۲ و ۲۱ دقیقه روز ۲۳ شهریور ۹۴ به وقت تهران دریافت شد؛ اتفاقی چنان غیرمنتظره که تقریباً کلیه ناظرین سیگنال ابتدا بر این گمان بودند که یک تست ازپیش‌اعلام‌نشده در جریان است. تا تأیید منشأ طبیعی سیگنال، این ناظرین به مدت تقریباً پنج ماه از بازگویی هر جزئیاتی راجع به این یافته به حتی اعضای خانواده‌‌شان منع شده بودند. (گزارش مشروح کشف را در اینجا بخوانید: کشف «امواج گرانشی»: پژواک واقعیتی از جنس دیگر).

موج گرانشی موسوم به GW150914 سفر خود را ۱ میلیارد و ۳۰۰ میلیون سال پیش از جایی در آسمان نیمکره جنوبی شروع کرده بود؛ زمانی که اجداد تک‌سلولی ما در شرف تکامل به موجوداتی چندسلولی بودند. دو سیاهچاله به اجرام تقریبی ۲۹ و ۳۶ برابر جرم خورشید به یکدیگر برخورد کردند و سیاهچاله‌ای با جرم مجموعاً ۶۲ برابر خورشید را از خود به جا نهادند. در این بین، جرمی معادل ۳ برابر جرم خورشید به انرژی مبدل شد که به مدت یک کسر ثانیه، این رقص مرگ کیهانی را به پرانرژی‌ترین رویداد عالم مبدل کرد.

یکصدسال پیش از رسیدن سیگنال به زمین، آلبرت اینشتین در چارچوب نظریه نسبیت عام خود، به امکان وجود پدیده‌هایی پی برده بود که باور به آنها برای حتی خود او نیز دشوار می‌نمود. سیاهچاله‌ها از زمره همین پدیده‌ها بودند: هرچند که هنوز هیچ‌گونه درک دقیقی از فرآیند تحول و مرگ ستارگان وجود نداشت، این پدیده‌ها به عنوان مناطقی از فضا-زمان معرفی شدند که سرعت فرار از میدان جاذبه‌شان از بیشترین سرعت ممکن یک جسم در فضا (سرعت نور) بیشتر است. معلوم شد که تنها در صورت مرگ ستارگان سنگین‌وزن امکان تشکیل چنین اجرامی در محل هسته‌شان وجود خواهد داشت.

اما جسورانه‌ترین پیش‌بینی اینشتین، از وجود سیاهچاله‌ها هم عجیب‌تر بود: امواج گرانشی. این ایده‌ در ضمن بحثی راجع به «سرعت» جاذبه به ذهن اینشتین خطور کرده بود. اگر الساعه خورشید را از مرکز منظومه شمسی حذف کنیم، آیا زمین نیز الساعه از مدار خود خارج خواهد شد، یا هشت دقیقه بعد (معادل مدت‌زمانی که طول می‌کشد تا نور مسافت مابین دو جرم را طی کند)؟ اگرچه تدارک آزمونی برای پاسخ به این پرسش تقریباً غیرممکن است، اینشتین باور داشت که هیچ پدیده‌ای – حتی جاذبه – با سرعتی بیش از سرعت نور در جهان منتشر نمی‌شود. این بدین‌معنا بود که چنانچه دو میدان گرانشی تحت تأثیر هم به سمت یکدیگر کشیده شوند (مثلاً دو سیاهچاله)، اختلاف سرعتی که در نتیجه نزدیک‌تر شدن‌شان به یکدیگر در هر بار چرخشش‌شان به دور هم ایجاد می‌شود را می‌توان به صورت حبابی از یک افت‌وخیز گرانشی با مرکزیت آن دو جرم تشخیص داد که با سرعت نور از آنها دور می‌شود – یک موج گرانشی.

وجود این امواج در ابتدا چنان بعید می‌نمود که آرتور ادینگتون، اخترشناس بریتانیایی که خود نخستین شواهد تجربی پشتیبان نسبیت عام را در جریان خورشیدگرفتگی کلی سال ۱۹۱۹ فراهم کرده بود، امواج گرانشی اینشتین را امواجی دانست که فقط با “سرعت تخیل” منتشر می‌شوند. با این‌همه، در صورت وجود این امواج، تنها چرخش دو سیاهچاله به دور یکدیگر می‌توانست تأثیری محسوس و آزمون‌پذیر را بر پیوستار فضا-زمان به جا بگذارد. این در حالی بود که امکان وجود حتی یک سیاهچاله در جهان نیز تا شش دهه بعد و کشف منظومه «دجاجه ایکس-۱» محرز نشد.

در آن مقطع، کیپ تورن و استیون هاوکینگ بر سر سیاهچاله بودن یا نبودن دجاجه ایکس-۱ شرط بسته بودند. این منبع پرتو ایکس، از نزدیکی یک ستاره غول سرخ دریافت می‌شود. غول سرخ به وضعیتی از مراحل پایانی عمر یک ستاره اطلاق می‌شود که با تورم جو ستاره و قرمزشدگی نور آن همراه است. فرض بر این می‌رفت که این غول سرخ به اتفاق یک سیاهچاله،‌ به یک منظومه دوتایی شکل داده‌اند. سیاهچاله گازهای جو متورم همسایه‌اش را می‌دزدد، و چندی مانده به سقوط این گازها در سیاهچاله، افزایش دمای شدید آنها به گسیل پرتوهای ایکس می‌انجامد. تورن با این فرض موافق بود، و گذشت زمان و مشاهدات دقیق‌تر نیز ورق را به سود او برگرداند.

تورن همچنین نسبت به کشف امواج گرانشی نیز خوش‌بین بود. اگر ستارگان یک منظومه دوتایی پس از مرگ‌شان هر دو به سیاهچاله بدل شوند (که در خصوص منظومه دجاجه ایکس-۱، یک عضو منظومه چنین شده)، این دو سیاهچاله به مرور زمان به یکدیگر نزدیک و نزدیک‌تر می‌شوند تا در نهایت به هم برخورد کنند و به سیاهچاله‌ای بزرگ‌تر شکل‌ دهند. از آنجاکه بالغ بر هشتاد درصد ستارگان آسمان در منظومه‌های دو یا چندتایی به سر می‌برند، احتمال وقوع چنین برخوردی – که با گسیل امواج شدید گرانشی همراه خواهد بود – نسبتاً بالاست.

در آغاز راه جستجوها پی امواج گرانشی، تلاش‌های جوزف وبر، فیزیکدان دانشگاه مریلند در دهه ۶۰ میلادی برای تشخیص این امواج از طریق نوسان‌های سازه‌ غول‌آسایی شبیه به یک دیاپازون، نتیجه‌ای نداد. اما چندی بعد، فیزیکدانانی از دو سوی آتلانتیک به فکر طراحی سازه‌ای نویدبخش‌تر برای تشخیص این امواج افتادند. راینر وایس در انیستیتو فناوری ماساچوست و رونالد دِره‌ور در دانشگاه گلاسکوی اسکاتلند، هر دو مشغول طراحی پیش‌نیازهای احداث یک «تداخل‌سنج» برای امواج گرانشی شدند؛ ایده‌ای که نهایتاً با حضور تورن و امکان‌سنجی اجرای آن رفته‌رفته رنگ تحقق به خود گرفت.

تداخل‌سنج ابزاری است L-مانند که در آن یک پرتوی لیزر ابتدا به دو مؤلفه عمود-بر-هم تقسیم می‌شود. هر یک از این مؤلفه‌ها راه یکی از دو بازو را در پیش می‌گیرند. در انتهای هر بازو نیز آینه‌ای قرار دارد که پرتوی دریافتی را بار دیگر به سمت محل تقسیم پرتوها هدایت می‌کند. در آنجا پرتوها بار دیگر تلفیق می‌شوند تا به یک پرتوی واحد شکل بدهند.

در شرایط ایده‌آل، چنانچه طول مسیر هر پرتو با دقتی بیش از طول موج لیزر با هم برابر باشد و هیچ عامل بیرونی‌ای بر طول بازوها یا مسیر پرتوها تأثیر نگذارد، ویژگی‌های فیزیکی پرتوی تلفیقی (اعم از شدت و طول موج آن) بایستی با پرتوی اولیه یکسان باشد. اما چنانچه تحت هر شرایطی طول مسیر هر یک از پرتوها با دیگری برابری نکند، قله‌ها و شکم‌های دو پرتو حین تلفیق بر یکدیگر منطبق نخواهند شد و با یکدیگر تداخل می‌کنند.

یک موج گرانشی همواره از جهتی مشخص از آسمان دریافت می‌شود، و لذا تأثیری غیریکسان بر طول مسیر پرتوهای متعامد یک تداخل‌سنج خواهد داشت؛ ولو این تأثیر به اندازه کسری از قطر یک اتم باشد (جهت مشاهده انیمیشنی از طریقه تشخیص یک موج گرانشی در آشکارساز لایگو، رجوع کنید به این لینک). دراینصورت، الگوی تداخل حاصله واضح خواهد بود و نه فقط از عبور یک موج گرانشی خبر خواهد داد، بلکه اطلاعاتی را راجع به شدت و دامنه آن نیز فراهم خواهد کرد. همین اطلاعات است که جرم نسبی سیاهچاله‌های برخوردی را بر ما معلوم می‌کند.

طرح تورن، وایس، و دره‌ور، احداث تداخل‌سنجی با بازوهای چهارکیلومتری بود؛ ایده‌ای ساده که در عین حال، پیاده‌سازی آن بالغ بر چهل سال به طول انجامید. انتظار می‌رود که با بر هم‌کنش هر دو جرمی (اعم از گردش یک قمر به دور سیاره‌اش)، امواج گرانشی منتشر شوند، اما فناوری امروز تنها اجازه تشخیص پرانرژی‌ترین امواج گرانشی را که محصول برخورد و ادغام دو سیاهچاله‌اند، به ما خواهد داد؛ اتفاقی که وقوع آن در محدوده کهکشان ما سخت نادر است. پس در طول مدت عمر یک فیزیکدانان – و چه بسا نوع بشر – تنها می‌توان به دریافت امواج گرانشی ِ ناشی از برخورد دو سیاهچاله در سایر کهکشان‌ها امید داشت. اما فاصله سرسام‌آور حتی نزدیک‌ترین کهکشان‌ها به ما موجب می‌شود تا شدت موج دریافتی در زمین فوق‌العاده ضعیف باشد (چنانکه اشاره شد، با طول موجی کوچک‌تر از قطر یک اتم). حال، آشکارساز چندین‌کیلومتری‌ای را تصور کنید که باید از دقتی حتی بیش از این مقدار برخوردار باشد.

ارتقای دقت تداخل‌سنج تا سطحی که بتوان سیگنال دال بر یک موج گرانشی را از بین کلیه منابع نویز تشخیص داد، بزرگ‌ترین چالش پیش روی ایده‌پردازان و مجریان طرح لایگو بود. تضمین ثبات طول موج و فرکانس پرتوهای لیزر در طول مدت جستجو، حفظ دقت اجزای اپتیکی آشکارساز و مسیر هدایت پرتوها، پیش‌گیری از تأثیر لرزش‌هایی حتی در حد افتادن برگی از درختان پیرامون و عبور اتومبیلی از یک جاده دوردست بر ادوات آشکارساز، شناورسازی آینه‌ها در محیطی از خلأ مطلق، و بی‌اثرسازی تحرکات گرمایی مولکول‌های سطح آینه‌ها و تأثیرات کوانتومی وارده بر پرتوی لیزر، تنها چند مورد از اهم ضروریات اجرای چنین طرحی به شمار می‌رفت. ایده‌آل‌هایی چنین جاه‌طلبانه، فناوری‌های جدیدی را نیز برای تولید لیزر مطلوب، مصالحی جدید برای ساخت سازه‌های اپتیکی، و همچنین محفظه‌هایی عظیم از خلأ مطلق و تأسیساتی فوق‌دقیق برای بی‌اثرسازی ارتعاشات زمین می‌طلبید، که این‌ها همه خود مستلزم سرمایه‌گذاری هنگفت و گردآوری یک نیروی کار مستعد و گسترده بود.

در این مرحله، با پیوستن بری باریش به تیم ایده‌پردازان تداخل‌سنج، و به لطف سرمایه‌گذاری بنیاد ملی علوم ایالات متحده (NSF)، رؤیای تحقق چنین طرحی دست‌یافتنی‌تر شد. باریش در کسوت مدیر جدید طرح لایگو، تیم چهل‌نفره فیزیکدانان و مهندسین این تداخل‌سنج را به تیمی از هزاران مشارکت‌کننده بین‌المللی مبدل ساخت؛ متخصصینی که وجود تک‌تک‌ آنها برای به ثمر نشستن  ایده اولیه ضرورت داشت.

در نهایت، تداخل‌سنج لایگو در قالب دو نسخه (یکی در لیوینگستون لوئیزیانا و دیگری در محوطه هسته‌ای هانفورد واشنگتن، با فاصله ۳۸۶۰ کیلومتر)، طی دو فاز آزمایشی و اجرایی به بهره‌برداری رسید. تنها طی فاز دوم پروژه از ابتدای سال ۲۰۱۵ بود که تداخل‌سنج لایگو از بخت تشخیص یک موج از شدیدترین شکل امواج گرانشی در جهان امروز (یعنی برخورد دو سیاهچاله) برخوردار می‌شد، چراکه با ارتقای دقت آشکارساز، هم‌اینک محدوده جستجوی آن از دایره‌ای به میزبانی تنها صد کهکشان به دایره‌ای با میزبانی از سیصدهزار کهکشان بسط پیدا کرده بود.

حال، ایده‌پردازان طرح لایگو در دهه هشتم عمرشان بودند و بخش اعظم کار را فیزیکدانان جوانی راهبری می‌کردند که با تکیه بر دوش اسلاف‌شان و ایفای نقش تعیین‌کننده خود در ثبت نخستین سیگنال‌های حاکی از وجود امواج گرانشی، به چهره‌های الهام‌بخش نسل آتی فیزیکدانان بدل شدند. در ابتدای سال میلادی جاری، دره‌ور که از بیماری زوال عقل رنج می‌برد، تنها چند ماه پس از ثبت سیگنال GW150914 از دنیا رفت.

در حال حاضر، با افتتاح تداخل‌سنج ویرگو در ایتالیا، امکان مکان‌یابی دقیق منبع یک موج گرانشی از شیوه‌های مثلثاتی فراهم آمده است (چراکه برای این کار به وجود دست‌کم سه تداخل‌سنج احتیاج است). همچنین کشورهای هند و ژاپن نیز در حال احداث تداخل‌سنج‌هایی برای پیوستن به شبکه آشکارسازهای امواج گرانشی‌اند. اما گام بلند بعدی، استقرار آشکارسازهایی مشابه در فضا خواهد بود، که طرح امکان‌سنجی آن با پرتاب مأموریت «رهیاب لیسا»، وابسته به سازمان فضایی اروپا در سال ۲۰۱۵ کلید خورد. مأموریت این فضاپیما تست فناوری‌های لازمه برای اجرایی‌سازی طرح جاه‌طلبانه «آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری» (LISA) در دهه ۲۰۳۰ بود، که طی آن سه آشکارساز به فاصله ۲.۵ میلیون کیلومتر از یکدیگر در فضا مستقر خواهند شد و دقت تشخیص امواج گرانشی را به مراتب افزایش خواهند داد.

امواج گرانشی، در کنار نوترینوها، به یکی از دو دریچه‌ مشاهداتی‌ای شکل داده‌اند که در کنار امواج الکترومغناطیسی به درک بهتر پدیده‌های کیهانی کمک خواهند کرد. زمانی‌که جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۵ برای چهارمین بار به پژوهش‌های مرتبط به نوترینوها تعلق گرفت، هنوز خبر تشخیص نخستین موج گرانشی علنی نشده بود (درباره نوبل فیزیک ۲۰۱۵، نگاه کنید به: رکوردهای بزرگ ذره کوچک: نگاهی به نوبل فیزیک ۲۰۱۵). حال، خبر تشخیص یک موج گرانشی به تیتر چندم خبرگزاری‌های علمی مبدل شده است و نوید آینده‌ای متفاوت را برای تحقیقات کیهان‌شناختی می‌دهد؛ آینده‌ای که در آن حتی سیاهچاله‌ها نیز در تیررس مشاهدات اخترشناسان قرار خواهند داشت.