«خانم‌ها آقایان، ما امواج گرانشی را به دام انداختیم.»

این خبری بود که بالاخره امروز منتشر شد و موجی از هیجان در جامعه‌ی علمی ایجاد کرد. این یافته ارزش این هیجان و بیشتر از آن را دارد. این روز را در تقویم خود علامت بزنید؛ به این‌سبب که در تاریخ علم باقی خواهد ماند و نقطه‌ی عطفی در مسیر ما در درک عالم به‌شمار خواهد رفت. اما چرا این یافته (به‌ویژه اگر آزمایش‌های بعدی نیز آن را تأیید و تقویت کند) مهم است؟

آقای اینشتین و تغییر دید ما از عالم

تا پیش از زمانی که آلبرت اینشتین نظریه‌ی نسبیت عام خود را صورت‌بندی کند، ما نگاهی متفاوت به جهان اطرافمان داشتیم. برداشت عمومی ما این بود که در فضایی سه‌بُعدی زندگی می‌کنیم که گویی درون جریان رودخانه‌ای یک‌طرفه و ثابت به نام زمان قرار گرفته است؛ مانند قایقی روی رودخانه‌ای از جنس زمان که با سرعتی یکسان در یک‌جهت شناور است.

درک روزانه‌ی ما از محیط اطراف نیز این دیدگاه کلاسیک و نیوتونی را تأیید می‌کرد. هیچ‌گاه شاهد تغییر روند گذر زمان نبودیم و دلیلی نداشت فکر کنیم ساختار دنیای ما به‌گونه‌ی دیگری است.

تحولات علمی، که در درک ما از عالم در اواخر قرن ۱۹ و اوایل قرن ۲۰ اتفاق افتاد، این دیدگاه را تغییر داد. اوج این تحولات زمانی بود که آلبرت اینشتین با نظریه‌ی نسبیت عام خود در فهم ما از عالم انقلابی ایجاد کرد. بر مبنای دیدگاه او نه‌تنها ماده و انرژی موجودات یکسانی بودند که به هم تبدیل می‌شدند، بلکه فضا و زمان نیز موضوعات مستقل و جدا از همی به‌شمار نمی‌رفتند. آن‌ها در بافتاری به نام فضازمان به هم گره خورده بودند و درواقع عالمی چهاربُعدی می‌ساختند و زمان نیز برخلاف گذشته موجودی صلب و ثابت نبود. اگر در کنار یک جرم عظیم قرار می‌گرفتید یا با سرعت‌های بالا شروع به حرکت می‌کردید، روند گذر زمان نیز تغییر می‌کرد.

نکته‌ی دیگری که از نظریه‌ی نسبیت عام استخراج می‌شد مسئله‌ی گرانش بود. قبلاً تصور می‌شد دو جسم نیروی مستقیمی بر هم وارد می‌کنند که یکدیگر را به‌سوی هم جذب می‌کنند. ما هنوز هم برای کاربردهای روزانه – از محاسبه‌ی مسیر حرکت توپ تا فرستادن فضاپیماها – از همین روند و توضیح استفاده می‌کنیم اما توصیفی که نظریه‌ی نسبیت برای ما به‌همراه داشت این بود که ماهیت نیروی گرانش متفاوت است.

برای درک بهتر این داستان، فضازمان چهاربُعدی را با حذف دو بُعد آن به‌شکل یک ورقه‌ی بزرگ لاستیکی تصور کنید. حالا گلوله‌ای فلزی یا توپی را در جایی از این صفحه، که به‌صورت کشیده و صاف قرار گرفته، بگذارید. در اطراف محل قرارگرفتن این اجسامْ حفره‌ها و خمیدگی‌هایی در صفحه‌ی لاستیکی به وجود می‌آید. و هرچقدر جرم اجسام بیشتر باشد، این خمیدگی‌ها نیز عمیق‌تر و شعاع آن‌ها بیشتر می‌شود. در دیدگاه اینشتین این خمیدگی‌ها عامل ایجاد نیروی گرانش‌اند. وقتی سیاره‌ای به‌دور ستاره‌ای می‌گردد، درواقع درحال سُرخوردن درون انحنایی است که ستاره‌ی اصلی ایجاد کرده.

قبل از ادامه‌ی داستان تذکر نکته‌ای مهم ضروری است. وقتی می‌گوییم اینشتین یا دیگران چنین نظریاتی را مطرح کردند باید به یاد داشته باشیم این‌ها نظراتی فلسفی و زاییده‌ی تخیل نیستند. آن‌ها از دل تصورات صِرف بیرون نیامده‌اند بلکه آن چیزی که نظریه‌ی اینشتین یا هر نظریه‌ی مشابهی را به نظریه‌ای قابل‌اعتنا تبدیل می‌کند، بناشدن آن بر ریاضیاتی پیشرفته است. زمانی که اینشتین نظریات خود را مطرح می‌کرد بسیاری از جنبه‌های آن قابل آزمودن نبود، اما علت توجه جامعه‌ی علمی به این دیدگاه‌های تازه این بود که بر اساس ساختار خوش‌تعریف و سازگاری از ریاضیات بنا شده بود و در کنار پیش‌بینی‌هایی که ارائه می‌داد می‌توانست رفتارهای رصدشده در جهان – مانند کشیدگی مداری عطارد – را بهتر توضیح بدهد.

یکی از نخستین آزمون‌ها درباره‌ی راستی نظریه‌ی اینشتین با رصد معروفی صورت گرفت که ادینگتون و همکارانش از یک خورشیدگرفتگی انجام دادند و توانستند انحنای نور ستاره‌ها را، هنگامی‌که از کنار خورشید عبور می‌کنند در مقایسه با زمانی که در آسمان شب قرار دارند، رصد و تأیید کنند. چنین تغییرمکانی تنها زمانی معنی‌دار بود که خورشید ما فضازمان اطرافش را خمیده کرده و درنتیجه مسیر نور را تغییر داده باشد و باعث شود ما آن جسم را در امتداد متفاوتی رصد کنیم.

از دل نظریه‌های اینشتین، که روزبه‌روز شواهد بیشتری برای تأیید آن به دست می‌آمد، موجودات عجیب‌وغریبی سر برآوردند که تنها یکی از آن‌ها سیاهچاله‌های شگفت‌انگیز بودند؛ اجرامی که به‌سبب چگالی بالای خود فضازمان را چنان خم می‌کردند که هیچ‌چیز، حتی پرتوهای نور، نمی‌توانست از حفره‌ی ایجادشده به‌دور آن‌ها و از همسایگی نقطه‌ی مرکزی‌شان، که تکینگی نامیده می‌شد، عبور کند.

امواجی از جنس فضازمان

حال در چنین دنیایی می‌توان انتظار رویدادهای متفاوتی را داشت. اگر فضازمان ما بافتاری یکپارچه است و اگر گرانشْ محصول خمیدگیِ ایجادشده در آن است، درنتیجه می‌توان فرض کرد که این بافتارِ فشرده‌شدهْ از هم باز شود و حتی درون آن موج‌ها یا لرزش‌هایی اتفاق بیفتد. این آشفتگی‌های منظم همان چیزی است که به نام امواج گرانشی شناخته می‌شود.

تصور کنید دو جسم سنگین – واقعاً سنگین – در فضا شروع به گردش به‌دور هم کنند. هریک از آن‌ها در اطراف خود حفره‌هایی را در فضا ایجاد می‌کند و باعث خمیدگی آن می‌شود، اما این همه ماجرا نیست. وقتی این دو جسم در فاصله‌ای اندک در کنار هم و به‌دور هم شروع به چرخش می‌کنند، با خود فضازمان اطرافشان را به حرکت درمی‌آورند و هریک گرداب‌های چرخانی را در فضازمان ایجاد می‌کنند. این گردابه‌ها در ترکیب با همْ اختلال‌ها و موج‌ها یا پستی‌وبلندی‌هایی را در بافتار فضا و زمان شکل می‌دهند که به‌صورت موج‌هایی در عالم ما سفر می‌کنند و با خود انرژی حمل می‌کنند. اگر می‌خواهید دوباره تصوری داشته باشید، به همان صفحه‌ی لاستیکی برگردید و این‌بار تصور کنید دو نفر دو سر این صفحه را گرفته‌اند و به‌طور مداوم آن را فشرده و باز می‌کنند (مثل زمانی که می‌خواهید خاک یک قالی را بگیرید؛ البته اگر هنوز برای خانه‌تکانی خودتان دست‌به‌کار می‌شوید!). در این شرایط می‌بینید که موج‌هایی درون خود صفحه‌ی لاستیکی ایجاد و در سطح آن منتقل می‌شوند.

این امواج هرچقدر از منبع دور شوند شدتشان کاهش پیدا می‌کند اما اگر منبع تولیدکننده‌ی آن‌ها به‌اندازه‌ی کافی قوی باشد، ممکن است تا فواصل بسیار دوردست نیز برسند و مانند امواجی که ۱۴ سپتامبر به آشکارساز لایگو رسیدند بتوانیم آن‌ها را از روی زمین رصد کنیم.

ویژگی جذاب این امواج آن است که این‌ها امواجی نیستند که درون فضازمان منتقل شوند، بلکه خود فضازمان هستند که تاب برمی‌دارد. بدین‌ترتیب وقتی به ناظری در فاصله‌ای دورتر می‌رسند، باعث می‌شوند این ناظر (مثلاً سیاره‌ی ما) به‌طور متناوب و متناسب با انرژیِ این امواج فشرده و سپس در راستای عمود بر آن کشیده شود.

دوباره آن صفحه‌ی لاستیکی را در نظر بگیرید. این‌بار روی آن دایره‌ای بکشید. حالا یک‌بار در راستای طول صفحه آن را از دو طرف بکشید. می‌بینید که دایره‌ی شما به‌شکل بیضی درمی‌آید. این‌بار در این راستا صفحه را به حالت اول برگردانید و در راستای عرضْ صفحه را از دو سو بکشید؛ می‌بینید دایره‌ی شما در راستای قطرِ عمود بر آن دچار کشیدگیْ و شبیه به بیضی شد.‌

عین این اتفاق برای زمین و هر چیزی که در مسیر امواج گرانشی باشد، ازجمله من و شما، می‌افتد. ما با هر گذر این امواج اندکی منقبض و منبسط می‌شویم.

شک‌های نظریه‌پرداز و تلاشی یک‌قرنی برای کشف

اگر فکر می‌کنید این پدیده به‌شدت غیرعادی و عجیب است، تنها نیستید. خود اینشتین هم در ابتدا درباره‌ی این امواج مطمئن نبود. در سال ۱۹۱۶، اینشتین به کارل شوارتزشیلد -که می‌توان او را کاشف سیاهچاله‌ها به‌شمار آورد- گفته بود این امواج وجود ندارند. بعدتر نظرش را عوض کرد و گفت فکر می‌کند آن‌ها واقعاً وجود داشته باشند. یک‌بار دیگر در سال ۱۹۳۶ به وجودشان مشکوک شد و البته دوباره نظرش را عوض کرد. از آن زمان تاکنون تلاش‌های بسیاری برای پیداکردن راهی برای ثبت و تفکیک این امواج انجام شده است. امواجی که ممکن است در اثر به‌دورهم‌گشتن دو ستاره‌ی نوترونی یا ادغام دو سیاهچاله یا در اثر رویدادهای ابتدای عالم شکل ‌گرفته و به‌سوی ما حرکت کرده باشند.

در سال ۱۹۶۹، جوزف وبِر فیزیکدان دانشگاه مریلند اعلام کرد که توانسته امواج گرانشی را تفکیک کند، اما دانشمندان دیگر نتوانستند نتایج او را تکرار کنند. نزدیک‌ترین شاهدی که تا قبل از آن از وجود این امواج به دست آورده بودیم به سال ۱۹۷۸ برمی‌گردد. در آن سال، دو ستاره‌شناس به نام‌های جوزف تیلر و راسل هولس، که در آن زمان در دانشگاه ماساچوست در امهرست حضور داشتند، توانستند یک زوج ستاره‌ی نوترونی را پیدا کنند. ستاره‌های نوترونی بازمانده‌های فوق‌العاده چگال ستاره‌های پُرجرم‌اند. این دو ستاره‌ی نوترونی در مداری به‌دور هم می‌چرخیدند و یکی از آن‌ها تَپ‌اَختری بود که به‌طور منظم و متناوب پرتوهایی از تابش‌های الکترومغناطیس را در فضا پراکنده می‌کرد. با اندازه‌گیری و رصد دقیق این دو ستاره، ستاره‌شناسان موفق شدند به این نتیجه برسند که این دو ستاره درحال ازدست‌دادن انرژی و نزدیک‌شدن به هم‌اند و نکته‌ی مهم این بود که این آهنگ ازدست‌دادنِ انرژی، که در این منظومه رخ می‌داد، دقیقاً با پیش‌بینی مقدار انرژی‌ای که در صورت تابش امواج گرانشیْ این دو باید از دست می‌دادند برابر بود. این بهترین شاهد ما از این امواج بود تا امروز که نتیجه‌ی فعالیت دانشمندان پروژه‌ی لایگو و همکاران علمی آن‌ها در ژورنال فیزیکال ریویوو لِتِرز منتشر شد. مقاله‌ای که نام هزار نفر در مقام نویسنده و مشارکت‌کننده در آن ثبت شده است.

حالا با اطمینان بیشتری می‌توانیم بگوییم اینشتین درست پیش‌بینی کرده بود، اما خلاصه‌کردن این کشف به اینشتین کمی کم‌لطفی به انبوه دانشمندانی است که در چنین طرح عظیمی مشارکت داشته‌اند. این یافته حاصل یکی از همکاری‌های عظیم در علم معاصر بوده و دروازه‌های جدیدی را به روی ما باز کرده است.

سه پیشگام

در بین افرادی که در این کشف نقش داشتند سه نفر جایگاه ویژه‌ای دارند . کیپ تورن، کیهان‌شناس برجسته‌ی کلتِک (مؤسسه فناوری کالیفرنیا) و متخصص امواج گرانشی و سیاهچاله‌ها، که یکی از طراحان و پشتیبان‌های لایگو بود و حدود بیست سال از عمر خود را صرف این پروژه کرد. نام کیپ تورن در یکی دو سال اخیر به‌واسطه‌ی مشارکتش در ساخت فیلم میان‌ستاره‌ای، به کارگردانی کریستوفر نولان، بیشتر بین مردم عادی شناخته شده است. نکته‌ی جالب اینکه در سناریوی داستان میان‌ستاره‌ای و در نسخه‌ی اولیه‌ی آنْ بخش مهمی به امواج گرانشی و طرح لایگو اختصاص داشت که بعدتر به علت فشردگی موضوعات از فیلم حذف شد. در این ایده‌ی اولیه، نخستین نشانه‌ها از وجود کرم‌چاله در همسایگی ما را لایگو کشف می‌کند. داستان و توصیف کیپ تورن از مشارکتش در طرح لایگو و همچنین تأثیر امواج گرانشی در داستان فیلم میان‌ستاره‌ای و همچنین اندکی توضیح به زبان نسبتاً ساده درباره‌ی این امواج را می‌توانید در کتاب او با عنوان «میان‌ستاره‌ای به روایت علم»، که به زبان فارسی نیز منتشر شده، مطالعه کنید. راینر وایس از MIT و رانلد درِوِر از مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا (کَلتِک) دو نفر دیگری‌اند که عمر خود را بر سر تأیید این پیش‌بینی اینشتین سپری کردند و امروز قطعاً برای آن‌ها روزی فراموش‌نشدنی خواهد بود.

left to right: Kip Thorne of the California Institute of Technology, France A. Córdova of the National Science Foundation, Rainer Weiss of the Massachusetts Institute of Technology, David Reitze of Caltech and Gabriela González of Louisiana State University.LEXEY SWALL FOR THE NEW YORK TIMES

اما برای تفکیک چنین امواجیْ ابزاری ویژه نیاز بود و مانند هر پروژه‌ی علمی دیگری، که قرار باشد تا این حد به ماهیت طبیعت نفوذ کند، چنین آزمایشگاهی نه ارزان بود و نه ساده.

درواقع بیش از ۴۰ سال تلاش لازم بود و دست‌کم بودجه‌ای معادل ۱٫۱ میلیارد دلار که این طرح به نتیجه برسد. داستان ساخت لایگو به سال ۱۹۷۵ و ملاقات تورن و وایس در واشنگتن برمی‌گردد. از آن زمان، راهی طولانی طی شد تا اینکه نسخه‌ی ابتدایی لایگو در سال ۲۰۰۰ آغاز به کار کرد و ۱۰ سالی به فعالیت خود ادامه داد. درواقع هدف این مرحله از طرح لایگو به‌دام‌انداختن امواج گرانشی نبود، بلکه ساختن مدلی کوچک‌تر از آشکارساز بود که ثابت کند می‌توان این کار را انجام داد. در پنج سال گذشته و وقتی معلوم شد فناوری ما به حدی رسیده که این ابزار را در مقیاس اصلی بسازیم و بتوانیم نشانه‌های امواج گرانشی را به دام بیندازیم، کارِ به‌روزرسانی این تجهیزات  آغاز شد و پنج سال به طول انجامید.

لایگو

لایگو درواقع از دو دریافت‌کننده‌ی مستقل تشکیل شده است. هریک از این آنتن‌ها ساختاری L-شکل دارند و از دو تونل عمودبرهم شکل گرفته‌اند که طول هریک از بازوها حدود ۴ کیلومتر است. درون هریک از این بازوها لوله‌های اصلی ابزار قرار دارد که داخل آنْ یکی از بهترین خلأهای قابل‌دستیابی روی زمین برقرار است؛ دو لوله به‌طول ۴ کیلومتر که درون خود چیزی جز بافتار فضازمان ندارند. در انتهای هر تونلْ آینه‌های تفکیک‌گر  با کمک بست‌ها و رشته‌های شیشه‌ای معلق شده‌اند و هریک از آن‌ها پرتو لیزری را، که درون این تونل جریان دارد، بازتاب می‌دهد.

اساس کار این ابزار بر مبنای تداخل‌سنجی است. زمانی که ابزارها باهم هماهنگ باشند، طول‌موجی که دو پرتو لیزر می‌سازند باهم تطابق دارد. حال تصور کنید موجی گرانشی از زمین عبور کند. گذشتن این موج باعث می‌شود زمین در یک راستا منقبض و در راستای دیگر منبسط شود. همراه با زمین، ما و البته بازوهای این ابزار نیز منقبض و منبسط می‌شوند. بنابراین به‌طور متناوب و به مقدار بسیار اندکی طول تونل‌هایی که پرتوهای لیزر در آن قرار دارند کم‌وزیاد می‌شود. این تغییر در طول فوق‌العاده اندک است، اما فناوری لایگو می‌تواند تغییر طول این بازوها را، به‌اندازه‌ی یک‌ده‌هزارم قطر پروتون، اندازه‌گیری کند؛ عددی بی‌نهایت کوچک.

امواج گرانشی: خبر از حادثه‌ای مهیب در عالم

حتی با چنین حساسیتی، فقط قوی‌ترین منابع تولیدکننده‌ی امواج گرانشی ممکن است خود را آشکار کنند. دو ستاره‌ی نوترونی پُرجرم یا دو سیاهچاله‌ای که درحال ادغام درون هم‌اند؛ اتفاقی که جایی در فاصله‌ی ۱٫۳ میلیارد سال نوری از زمین رخ داده و امواج تولیدشده توسط آن را لایگو امروز رصد کرده است.

این دو سیاهچاله جرم‌هایی معادل ۳۶ و ۲۹ برابر جرم خورشید ما دارند و با سرعتی معادل نصف سرعت نور در هر ثانیه ۲۵۰ بار همدیگر را دور می‌زنند. این دو در زمانی کوتاه به دام هم افتاده و در هم ترکیب شده‌اند و حاصلْ سیاهچاله‌ای واحد به جرم ۶۲ برابر جرم خورشید ما بوده است. اگر ۲۹ و ۳۶ را باهم جمع کنیم، به عدد ۶۵ برابر جرم خورشید می‌رسیم. در این‌ بین جرمی معادل سه برابر جرم خورشید گم شده است. این سه برابر جرم خورشید مقدار ماده‌ای است که در این ترکیب خشن و ناآرام کیهانی به انرژی بدل شده  و در قالب امواج گرانشیْ بافتار فضا و زمان را به لرزه درآورده است. برای اینکه درکی از مهیب‌بودن این رویداد داشته باشید، در نظر بگیرید که انرژی‌ای که در این رویداد به‌تنهایی و در کسری از ثانیه آزاد شده معادل انرژی‌ای است که خورشید ما طی ۱۵ تریلیون سال آزاد می‌کند. این دو سیاهچاله با گردش به‌دور هم شروع به تولید امواج گرانشی کرده‌اند و با نزدیک‌ترشدن به هم فرکانس آن‌ها بالاتر رفته و امواج قوی‌تر و سریع‌تری گسیل کرده‌اند تا اینکه درنهایت در اوج رویدادی عظیم باهم یکی شده‌اند.

بدین‌ترتیب لایگو توانست، بر پایه‌ی نظریه‌ای که ۱۰۰ سال پیش آلبرت اینشتین بنای آن را نهاده بود، بر مبنای کار هزاران دانشمند در طول این یک قرن و با سرمایه‌گذاری طولانی و هدفمند در علم، گامی عظیم در رشد درک ما از عالم بردارد و دروازه‌ای جدید به‌سوی عالم برایمان باز کند. و این تازه آغاز راه است. نه‌تنها رصدهای بعدی، که بازهم لایگو انجامشان خواهد داد، باید این نتایج را در مورد رویدادهای دیگر تأیید کنند بلکه از همین‌حالا گام‌های بعدی برای ثبت امواج گرانشیِ ضعیف‌تر برداشته ‌شده است. لایگو رهیاب مأموریتی فضایی است که با اصول مشابهی کار می‌کند و سال گذشته به فضا فرستاده ‌شده تا با آزمودن شرایط موجود زمینه را برای مأموریت eLISA فراهم کند. روزهای مهم و پرخبری پیش روی ما است.

آغاز عصر جدید

این کشف اما از زوایای متفاوتی اهمیت تاریخی دارد. یکی از محققان این طرح امروز گفت: «این رصد دست‌کم از سه نظر سنگ شاخصی برای علم و فیزیک به‌شمار می‌رود. نه‌تنها نخستین ثبت مستقیم امواج گرانشی بود، بلکه نخستین تفکیک مستقیم یک سامانه‌ی دوتاییِ سیاهچاله به‌شمار می‌رفت، و تاکنون قابل‌دفاع‌ترین شاهد بوده است بر اینکه سیاهچاله‌های موجود در طبیعت همان‌هایی‌اند که نظریه‌ی اینشتین پیش‌بینی می‌کرده.»

اما مهم‌تر از آن، این آغاز عصری جدی است.

تا امروز تنها ابزار ما برای کشف عالم و درک آن وابسته به رصد امواج الکترومغناطیسی بود که درون فضازمان منتقل می‌شدند و به ما می‌رسیدند. ما هیچ پیام‌آور دیگری برای رصد و درک عالم در اختیار نداشتیم. حالا این فرصت را به دست آورده‌ایم که جهان را به‌واسطه‌ی رخداد کاملاً متفاوتی بررسی کنیم. به‌واسطه‌ی امواجی که در خود بافتار فضازمان رخ می‌دهند. به‌گفته‌ی کیپ تورن، «امواج گرانشی ابزاری برای مطالعه‌ی سوی خمیده‌ی عالم‌اند.» و از امروز دنیای ستاره‌شناسی حوزه‌ای عملی برای بررسی این‌سوی خمیده‌ی عالم و کشف رازهای آن در اختیار دارد.

روزهایی مانند امروز بهانه‌ای است که به انسان‌بودن و زیستن در این زمانه خوش‌بین باشیم.

—

ممنون از شادی حامدی عزیز که وقت گذاشت و قبل از انتشار این متن را مطالعه و اصلاح کرد.