Iranian Futurist

اهمیت کشف امواج گرانشی و دستاوردهای جدید علمی در گفت‌وگو با «رضا منصوری»

گروه علم: در روزهای پایانی سال گذشته خبرهایی درباره آشکارسازی امواج گرانشی منتشر شد که به گمان برخی از صاحب‌نظران موجب آغاز دوران جدیدی در علم کیهان‌شناسی شده است. برای درک بهتر این خبر و همچنین بررسی بهتر ماهیت خود علم کیهان‌شناسی با آقای دکتر «رضا منصوری» استاد کیهان‌شناسی دانشگاه صنعتی‌شریف هم‌سخن شدیم تا این علم را برای ما تشریح کند.

در ابتدا اگر امکان دارد ابتدا کمی درباره اصل خبر آشکارسازی امواج گرانشی صحبت کنیم تا بیشتر در جریان ماجرا قرار بگیریم.
امواج گرانشی یکی از مفاهیم مهم در حوزه نجوم و کیهان‌شناسی است و از زمانی که «انیشتین» نظریه نسبیت خود را ارایه کرد، این مفهوم نیز همواره مطرح بود. در نظریه نسبیت، دینامیکی (شبیه الکترومغناطیس) را برای گرانش در نظر گرفتند، به این معنا اگر معادلات گرانش به این صورت توصیف می‌شود، با تغییر مکان ماده و جابه‌جایی آن، باید امواجی پدید آید. از این امواج با عبارت‌ها و بیان‌های متفاتی یاد می‌شود از جمله موج فضا زمان. زمانی که ما در یک گوشه از استخر آب، تغییر شکلی پدید می‌‌آوریم و گوشه‌ای از آن را به هم می‌زنیم، موجی شکل می‌گیرد که در سرتاسر استخر حرکت می‌کند. چنین پدیده‌ای در فضا زمان نیز روی می‌دهد و امواج گرانشی را پدید می‌آورد. اینها نتیجه‌گیری‌های ما از معادلات نسبیت عام «انیشتین» است. این نظر همیشه مطرح بوده است اما در 50 سال گذشته کیهان‌شناسان تلاش کرده‌اند به روش‌های مختلف از جمله نصب آنتن‌های گوناگون در سطح زمین، این امواج را آشکارسازی کنند. کار کشف و آشکارسازی این امواج مدت‌ها ادامه داشت از جمله اینکه در دهه 1960 میلادی (50 شمسی) تلاش‌هایی برای آشکارسازی این امواج صورت گرفت. در آن زمان فیزیکدانی به نام «ژوزف وبر» تلاش‌هایی برای آشکارسازی این امواج صورت داد و درنهایت اعلام کرد چنین امواجی را آشکار کرده است، اما دانشمندان دیگر نتایج آن آزمایش‌ها را تایید نکردند. البته این امواج را در دهه 1970 به‌طور غیرمستقیم مشاهده کردند. درآن زمان با پیگیری تغییر فاصله دو جسم کیهانی که به دور یکدیگر می‌گردند، به این امواج پی بردند. زمانی که دو جسم کیهانی به دور یکدیگر می‌گردند، از این مجموعه اموج گرانشی گسیل می‌شود و بنابراین، انرژی‌شان کم می‌شود و این دو جسم به یکدیگر نزدیک می‌شوند که این دستاوردها جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۹۳ را برای «راسل هاسل» و «جوزف تیلور» به ارمغان آورد. البته همانطور که تاکید کردم، این مشاهده نشانه غیرمستقیم وجود امواج گرانشی بود. اما دانشمندان، در یکی دو دهه اخیر به‌دنبال آن بودند که از آشکارسازهای بهتر و پیشرفته‌تری برای کشف امواج گرانشی استفاده کنند که مجهز به تداخل‌سنج لیزری است. اینگونه تجهیزات آنتن نام دارند که شبیه آنتن‌های معمولی رادیو و تلویزیون است و امواج الکترومغناطیسی را دریافت می‌کنند. به تازگی نیز از تلسکوپ و رصدخانه امواج گرانشی صحبت می‌کنند. در هر صورت، این ابزارها هر نامی که داشته باشند، هدف و کارشان این است که امواج گرانشی را آشکارسازی و ثبت کنند. چنین دستگاه‌ها و تجهیزاتی تاکنون این امواج گرانشی را آشکارسازی و ثبت نکرده بودند تا اینکه به تازگی کشف شدند. در این 50سال اخیر همیشه این بحث وجود داشته است که در ابتدای عالم و قبل از اینکه حتی کهکشان‌هایی شکل بگیرد، یعنی زمانی که ماده و فوتون و انواع ذرات بنیادی که می‌شناسیم، با یکدیگرآش اولیه‌ای را تشکیل می‌دادند، جهان چه وضعیت و ویژگی‌هایی داشته است. در آن زمان به علت حرکت ماده ممکن بود که امواج گرانشی پدید‌ آید. این پدیده می‌تواند روی چیزی که ما به آن تابش زمینه کیهانی می‌گوییم نیز تاثیر بگذارد. تابش زمینه کیهانی، فوتون‌هایی است که در ابتدای پدید آمدن جهان، از ماده جدا شدند و کل کیهان ما را در بر گرفتند. البته همه می‌دانستند که آشکارسازی چنین امواجی بسیار دشوار است و کمتر امید می‌رفت چنین امواجی کشف شوند. کشف اخیر هم به این امواج مربوط است که در همین عالم اولیه وجود داشت و کیهان‌شناسان تاثیرش را روی تابش زمینه کیهانی کشف کرده بودند.
اهمیت کشف این امواج گرانشی در چیست؟
این کشف بسیار مهم است، زیرا اطلاعات بسیاری را می‌توان از آن استخراج کرد. اما یکی از نکات بسیار مهم در این کشف دشواری فرآیند مربوط به این کشف است. برای انجام موارد بسیار دشوار، از مثل پیداکردن سوزن در انبار کاه استفاده می‌کنند که به نظر من یکی از بهترین کاربردهای این ضرب‌المثل، همین مورد کشف امواج گرانشی است. این کشف بسیار غیرمنتظره و هیجان‌انگیز است و از زمانی که این کشف اعلام شد، کارشناسان سراسر دنیا در صدد آن هستند که جنبه‌های مختلف این کشف را تفسیر کنند. یکی از اهدافشان این است که با استخراج اطلاعات از این کشف جدید، مدل‌های کیهان‌شناسی را ارزیابی کنند و در صورت لزوم تغییری در این مدل‌ها ایجاد کنند تا با دستاوردها و مشاهده‌های علمی جدید همخوانی و هماهنگی داشته باشد. حتی برخی بر مبنای کشف یادشده، این فرض را مطرح می‌کنند که ممکن است گرانش در آن دوران، رفتاری کوانتومی داشته است. حتی برخی دیگر این بحث را پیش کشیده‌اند که موضوع و مفهوم چندجهانی (Multiverse) بودن کیهان ما واقعیتی است که از این طریق می‌توان این کشف را توضیح داد. هم‌اکنون مجموعه‌ای از توضیحات مختلف برای تفسیر این کشف‌ها شروع شده که بیانگر هیجانی است که در بین کیهان‌شناسان در اثر این کشف پدید آمده است.
شما در صحبت‌هایتان بارها روی این موضوع تاکید کردید که این کشف تاثیر شگرفی روی پیشرفت کیهان‌شناسی خواهد داشت. اگر امکان دارد کمی درباره خود علم کیهان‌شناسی و زمینه کاری آن صحبت کنید.
کیهان‌شناسی به‌عنوان یک علم، بسیار جوان است و سنش از 50سال هم کمتر است، اما ریشه‌هایش به زمان ارایه نظریه نسبیت عام «انیشتین» برمی‌گردد. این نظریه ارتباط‌هایی بین گرانش و هندسه عالم برقرار کرد. هرجا که ماده هست و نیروی جاذبه گرانشی وجود دارد، وقتی بین این پدیده و هندسه عالم ارتباط برقرار می‌کنیم، ذهن بشر به این سمت می‌رود که اگر ماده تغییرشکل دهد و حرکت کند، هندسه هم باید تغییر کند. به این مفهوم در اصطلاح علمی، دینامیک می‌گویند به این معنا که فضا- زمان که نوعی هندسه است، باید دینامیک داشته باشد. حدود 90 سال پیش منجمان دریافتند در نور کهکشان‌ها، انتقال به سرخ مشاهده می‌شود که همین موضوع بیانگر آن است که این کهکشان‌ها در حال دورشدن از یکدیگر هستند. دانشمندان با توجه به این مشاهده، مفهوم انبساط عالم را مطرح کردند. این مفهوم بیانگر این است که عالم ما همانند بادکنکی که باد می‌شود، در حال گسترش است. مثال بادکنک در حال بادشدن را بسیاری از کیهان‌شناسان برای تصویر انبساط و گسترش کیهان به‌کار می‌برند، اما شاید تصویر چندان دقیق و مناسبی برای کیهان ما نباشد زیرا بادکنک سطحی دوبعدی است که درون و بیرون دارد، ولی عالم ما که چهاربعدی است، درون و بیرون ندارد. پس قیاس جهان ما با بادکنک فقط برای بیان چگونگی انبساط و بزرگ‌شدن جهان است. پس به‌طور خلاصه انبساط عالم می‌گوید که همه‌چیز در عالم از هم دور می‌شود. علاوه بر اینها در 50 سال گذشته با بررسی داده‌های رصدی متفاوت، مشخص شده است که عالم ما دو ویژگی بسیار مهم دارد. یکی اینکه همگن و دیگر اینکه همسانگرد است. همگن یعنی اینکه همه قسمت‌های عالم ما شبیه قسمت‌های دیگر است و تفاوتی با هم ندارد. همسانگرد یعنی اینکه در هر جهتی که به عالم نگاه کنیم، یک چیز می‌بینیم و تفاوتی ندارد که در چه جهتی به عالم نگاه کنیم. یعنی جهت‌ها با هم تفاوت ندارند. این دو ویژگی مهم مدل استاندارد کیهان‌شناسی ماست.
در صحبت‌هایتان گفتید عالم، همگن و یکنواخت است و هر بخشی از جهان، شبیه بخش‌های دیگر آن است، اما وقتی به عکس‌های کیهان نگاه می‌کنیم، می‌بینیم در بخشی تعدادی کهکشان هست و در جاهای دیگر کهکشانی ندارد.
این صحبت شما در ابعاد کوچک درست است، اما وقتی درباره ابعاد بزرگ و کیهانی صحبت می‌کنیم از تغییرات کوچک و محلی صرف‌نظر می‌کنیم. به این معنا که اگر مناطق کوچک را در نظر بگیریم کیهان نه همگن است و نه همسانگرد، اما اگر کیهان را در ابعاد بسیار بزرگ (در حد صدمگا پارسک) بررسی کنیم، از آن به بعد عالم هم همگن است و هم همسانگرد. پس عالم در ابعاد کوچک این ناهمگنی‌ها را دارد، اما در بزرگ‌ترین مقیاس‌ها همگن و همسانگرد است.
یکی از موضوعات مورد علاقه کیهان‌شناسان بررسی گذشته عالم است. دانشمندان چگونه می‌توانند گذشته عالم را بررسی کنند؟
همانطور که گفتم با گذشت زمان عالم منبسط می‌شود، پس می‌توان نتیجه گرفت در زمان‌های گذشته، عالم ما فشرده‌تر بود و هرچه به گذشته‌های دورتری می‌رویم عالم ما فشرده‌تر بود. به این ترتیب می‌توان با اینگونه فرض‌ها و محاسبات، وضعیت گذشته عالم را ارزیابی کرد. اکنون تصور کنید همانطور که در زمان به عقب می‌رویم و جهان ما کوچک‌تر می‌شود، چه پدیده‌هایی روی می‌دهد. وقتی رو به عقب می‌رویم، کهکشان‌ها به هم نزدیک‌تر می‌شوند تا به زمانی می‌رسیم که ذرات اتم‌های تشکیل‌دهنده ستارگان می‌شکنند و از هم جدا می‌شوند. آنقدر فاصله بین ذرات تشکیل‌دهنده اتم‌ها کوچک می‌شود که دیگر هیچ اتمی باقی نمی‌ماند و فقط الکترون‌ها و پروتون‌ها و نوترون‌ها را داریم. وقتی اینها هم فشرده‌تر شوند ذرات بنیادی مانند کوآرک‌ها پدید می‌آید. وقتی باز هم به زمان‌های گذشته برویم، دیگر برای توصیف وضعیت موجود از لفظ ذره استفاده نمی‌کنیم بلکه برای توصیف آن از مفهوم میدان استفاده می‌کنیم. با استفاده از دانسته‌های کنونی فیزیک می‌توان هر کدام از این مراحل را به دقت بررسی و اطلاعات مربوط به هر کدام از آنها را استخراج و با وضعیت کنونی عالم ما مقایسه کرد. چنین کارهایی در 50 سال گذشته انجام شده است و اطلاعات بسیار ارزشمندی درباره وضعیت عالم در گذشته و حال و همچنین آینده احتمالی کیهان به دست آوردیم که به آن «مدل استاندارد کیهان‌شناسی» می‌گوییم.
انفجار بزرگ یکی از اصطلاحات کیهان‌شناسی است که به فرهنگ عمومی هم راه یافته است. کمی درباره این مفهوم و اهمیت و نقش آن در کیهان‌شناسی بگویید.
مفهوم دیگری که در کیهان‌شناسی از آن زیاد بحث می‌شود، موضوع مهبانگ یا انفجار بزرگ (یاBig Bang) است. در این مفهوم می‌گویند همه عالم از یک نقطه آغاز شده است. زمانی که این نقطه با انرژی بسیار زیاد منفجر شده، عالم شروع به انبساط کرده است که تا به امروز رسیده است. البته ما هنوز ویژگی‌های آن نقطه اولیه را به درستی نمی‌شناسیم و به آن تکینگی می‌گویم، ولی اطلاعات ما درباره زمان‌های پس از آن کامل‌تر است. براساس معادلات‌مان تصویر خوبی داریم و می‌دانیم جهان ما کی و چگونه رشد کرده است، کی ذرات به وجود آمدند، کی فوتون‌ها جدا شدند، کی اولین ستارگان پدید آمدند و کی اولین کهکشان‌ها تشکیل شدند. حتی با ترمودینامیک عالم هم آشنا هستیم و می‌دانیم که دمای عالم چگونه کاهش یافته است. می‌دانیم دمای فوتون‌ها چقدر است، دمای نوترینوها چقدر است و الی آخر. همانطور که گفتیم مجموعه این اطلاعات مدل استاندارد کیهان‌شناسی نام دارد. تا 30 سال پیش، چند مشکل در این مدل وجود داشت که تلاش کردند این مشکلات را رفع کنند. این مشکلات را با انجام تغییراتی در این مدل حل کردند. گفته می‌شود پس از آن انفجار بزرگ یا مهبانگ، عالم به یکباره (البته به دلایلی که در علم فیزیک برای آن توجیه هم داریم)، شروع می‌کند به یک انبساط بسیار سریع و تند که این انبساط سریع در مراحل اولیه جهان تورم نام دارد. انتظار داریم پس از وقوع انفجار بزرگ که البته هنوز دلیل وقوع آن را به‌درستی نمی‌دانیم، گرانش جلوی انبساط را بگیرد و سرعت آن را کم ‌کند. بنابراین با مشاهده این انبساط بسیار سریع پی می‌بریم که دلیل دیگری باید برای وقوع تورم وجود داشته باشد. طی 30 سال گذشته برای بیان دلیل وقوع تورم، مدل‌های بسیار متنوعی نوشته شده است. دلیل این تورم و مدلی که آن را توضیح می‌دهد، هنوز به‌درستی شناخته‌شده نیست. اکنون کشف امواج گرانشی به ما کمک می‌کند که از بین همه مدل‌هایی که ارایه شده است، کدام‌ها نادرست هستند و کدام‌ها ممکن است درست باشند. بنابراین امروزه در کیهان‌شناسی تلاش ما بر این است که با استفاده از یافته‌های جدید، تحول کل عالم را درک کنیم که این موضوع دستاورد مهم بشر در 50 سال اخیر است.
گفتید که عالم منبسط می‌شود، تعریف ما از عالم یعنی جهان و همه چیزهای درون آن. پس عالم در درون چه‌چیزی منبسط می‌شود؟
ما در هندسه چهاربعدی می‌گوییم مجموعه‌ای خمیده، می‌تواند بزرگ شود، بدون آنکه خودش درون چیز دیگری قرار گرفته باشد یعنی با بزرگ‌شدن، فضای خودش را ایجاد می‌کند. بنابراین لازم نیست فضا- زمان چهاربعدی ما درون چیز دیگری قرار داشته باشد. البته می‌توان تصور کرد که این فضا- زمان درون چیز دیگری باشد، ولی لازم نیست. پس ما در مدل استاندارد فیزیک فرض می‌کنیم جهان چهاربعدی ما منبسط می‌شود، بدون آنکه درون چیز دیگری باشد. مدل‌هایی این اواخر ساخته شده که می‌گوید که این عالم ما یکی از عالم‌های متفاوتی است ممکن است پدید آمده باشند. این جهان‌ها ممکن است در ابعاد بالاتر هم باشند. البته این نظریه‌ها بسیار پیچیده و بحث در مورد آنها هنوز ادامه دارد.
در صحبت‌هایتان گفتید در زمان به عقب می‌رویم و وضعیت جهان را بررسی می‌کنیم. اکنون این پرسش مطرح می‌شود که از کجا مطمئن هستید هرچه در زمان به عقب برویم، قوانین طبیعت به همین شکل است، شاید میلیاردها سال پیش قوانین طبیعت و فیزیک چیز دیگری بود.
اتفاقا این پرسش بسیار مهم است و باید با مدل‌سازی‌هایی که انجام می‌دهیم، دریابیم آیا قوانین فیزیک با گذشت زمان ثابت باقی مانده (یعنی مستقل از زمان است) یا با گذشت زمان تغییر می‌کند. اکنون می‌دانیم که با فرض‌های بسیار ساده می‌توان همه مشاهدات رصدی را توضیح داد ولی اگر برخی از کمیت‌های فیزیکی در گذشته مقدار دیگری داشتند، دیگر نمی‌شد پدیده‌های مشاهده‌شده را به راحتی توضیح داد. برای مثال با محاسباتی که انجام شده مشخص شده که سرعت نور در چند میلیارد سال گذشته ثابت بوده و تغییر نکرده است.
مهم‌ترین پرسش‌های کنونی کیهان‌شناسی چیست؟
هم‌اکنون پرسش‌های بسیار زیاد و مهمی مطرح است. مهم‌ترین پرسش این است این عالمی که ما هم‌اکنون مشاهده می‌کنیم، چیست و چگونه پدید آمده است. منتها زمانی که می‌خواهیم به چنین پرسش‌های ساده و مهمی پاسخ دهیم، پرسش‌های بسیار دیگری نیز برای ما مطرح می‌شود، از جمله اینکه چرا چگالی کیهان مقدار فعلی است، چرا کهکشان‌ها این قدر از هم فاصله دارند یا چه عواملی بر شکل و ویژگی‌های کهکشان‌ها تاثیر می‌گذارد؟ چرا متوسط جرم ستارگان هم اندازه خورشید است و ستارگان بسیار بزرگ‌تر از خورشید یا بسیار کوچک‌تر نداریم؟
یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های همه علوم این است که باید نظریه‌های آنها را بارها و بارها در آزمایشگاه آزمایش کرد تا از درستی آنها مطمئن شد. اما ما آزمایشگاهی برای کیهان‌شناسی نداریم.
ما برای کیهان‌شناسی هم آزمایشگاه داریم، منتها کل عالم آزمایشگاه ماست و ما درستی هر نظریه‌ای را که ارایه می‌دهیم، با انجام انواع رصدها می‌سنجیم. هر نظریه‌ای که ارایه می‌شود، پدیده‌ای را پیشنهاد می‌کند که ویژگی‌های آن با انجام رصد قابل محاسبه است و به این ترتیب با انجام رصد می‌توان به درستی یا نادرستی آن نظریه پی برد. البته کیهان‌شناسی یک تفاوت مهم با علوم دیگر دارد و آن هم این است که در مجموع ما یک عالم بیشتر نداریم که آن را بررسی کنیم. برای مثال یک آزمایش فیزیک را می‌توان در آزمایشگاه‌های مختلف جهان انجام داد، اما کیهانی که می‌شناسیم یکتاست. ولی بقیه ویژگی‌های کیهان‌شناسی با دیگر علوم یکی است و همان فرآیندها برای تایید یا رد یک نظریه طی می‌شود.
رفتار آینده کیهان را چگونه می‌توان ارزیابی کرد؟
مدل استاندارد کیهان‌شناسی، رفتار کیهان را از 13/7 میلیاردسال پیش تاکنون توضیح می‌دهد و برای آینده آن هم توضیح دارد. ما هم‌اکنون بسیاری از ویژگی‌های کیهان را با دقت خوبی اندازه‌گیری کرده‌ایم، برای مثال چگالی کل ماده عالم را می‌دانیم. اما از سرنوشت دقیق عالم اطلاعی نداریم ولی می‌توانیم چند حالت احتمالی را حدس بزنیم. برای نمونه حدود دو دهه پیش پدیده‌ای به‌نام انرژی تاریک را کشف کردیم. عبارت انرژی تاریک نامی است که ما برای پدیده‌ای انتخاب کردیم که داده‌های رصدی برای ما روشن کردند. می‌دانیم انبساط عالم تند است، اما انتظار داشتیم که آن انبساط پس از مدتی کند شود. این موضوع بیانگر آن است که عاملی وجود دارد که ما آن را به‌درستی نمی‌شناسیم اما اثر بسیار مهمی مانند تندشدن انبساط را در پی دارد. این یکی از آن ابهام‌هایی است که باید برای درک بیشتر آن تلاش کرد. هم‌اکنون نیز چندین سناریو برای آینده عالم ترسیم شده که با توجه به توانایی‌های آنها در تفسیر داده‌های رصدی از آنها استفاد و رفتار آینده جهان را پیش‌بینی می‌کنیم. پس ما می‌توانیم آینده عالم را پیش‌بینی کنیم، اما هنوز به دقت کامل و نهایی دست پیدا نکرده‌ایم.

Iranian Futurist		Ayandeh-Negar
Welcome To Future		Tomorow is built today

	در باره ما	تماس با ما	خبرهای علمی	احزاب مدرن	هنر و ادبیات	ستون آزاد	محیط زیست	حقوق بشر	اخبار روز	صفحه‌ی نخست
	آرشیو	اندیشمندان آینده‌نگر	تاریخ از دیدگاه نو	انسان گلوبال	دموکراسی دیجیتال	دانش نو	اقتصاد فراصنعتی	آینده‌نگری و سیاست	تکنولوژی	از سایت‌های دیگر