فراتر از اینشتین

ناسا در حال طراحی سفری علمی است تا به سه سئوال اضطراری که از نظریه اینشتین برخاسته و هنوز پاسخی برایشان یافت نشده است، پاسخ گوید. اول آنکه ماهیت انرژی تاریک (Dark energy) یعنی نیرویی که باعث تسریع انبساط جهان شده است، چیست؟ دوم: در کرانه یک سیاهچاله چه اتفاقی می افتد؟
سوم: چه چیزی نیروی لازم برای انفجار بزرگ را تامین کرده است؟
این ماموریت ها کمک خواهند کرد تا مفهوم میراث عجیب اینشتین معین شود: مفاهیمی چون پیچش فضا- زمان، جهان در حال شتاب، سیاهچاله ها، ابعاد پنهان احتمالی و حتی این عقیده که همه فضا کوانتیزه۱ بوده و از دستجات مشخص و نامحدودی از ماده و انرژی ساخته شده است. (کوانتیزه: قابل تقسیم دانستن ماده و انرژی به ذرات کوچک و مشخص که در نظریه کوانتوم به آن می پردازند.)
دانشمندان ناسا در حال تکمیل مجموعه ای از ماموریت های فضایی هستند که هدفشان پاسخگویی به این سئوالات است. این سفرها با دو ماموریت بسیار مهم آغاز می شود که هم اکنون به نام های صورت فلکی (Constellation-x)X و آنتن تداخل سنج لیزری فضایی لیزا (LISA) نامیده شده اند و فضا را از طریق رهگیری اشعه x و تابش گرانشی کاوش می کنند. برای تکمیل این دو ماموریت، سه سفر کوچکتر که بر روی مطالعه سیاهچاله ها، انفجار بزرگ و انرژی سیاه متمرکز شده اند، تدارک دیده شده است. با پیشرفت های علمی و فنی به دست آمده در طول این سفرها دانشمندان به انجام هدف نهایی یعنی ماموریت راجع به دو مسئله عمده تئوری اینشتین و تصویرسازی از یک سیاهچاله و خود انفجار بزرگ دست خواهند یافت.
دانشمندان این تلاش چند ماموریتی را پروژه «فراتر از اینشتین» (Beyond Einstein) نامیده اند چرا که باعث کشفیاتی خواهد شد که ایشان را به سمت درک بهتر از فیزیک بنیادی در ورای نظریه هایی که اینشتین، همکارانش و اسلاف وی بدان پرداخته اند، راهنمایی خواهد کرد.
● بازگشت به صد سال پیش
در ماه مارس ،۱۹۰۵ چند روز بعد از بیست و ششمین سالروز تولد اینشتین، اولین مقاله از پنج مقاله علمی وی در آن سال روی میز سردبیر نشریه Annalen der physic قرار داشت. مقاله اینشتین می گفت که نور از ذرات انرژی تشکیل شده است که بعدها فوتون نام گرفتند. این نظریه، به نام اثر فوتوالکتریک، با درک عمیقاً جاافتاده ای که حرکت نور را به صورت موجی تعریف می کرد، در چالش قرار گرفت. دو مقاله بعدی در آوریل و مه همان سال به انتشار سپرده شد تا پرونده وجود اتم ها (که هنوز سرفصلی جدید و موضوعی مورد مناقشه بود) بسته شود. مقاله ماه آوریل که برای اینشتین درجه دکتری را به ارمغان آورد، نشان داد که چگونه می توان تعداد و اندازه مولکول ها را در یک محلول تعیین کرد؛ مقاله ماه مه نیز به شرح حرکت براونی می پرداخت.
این بار در ماه ژوئیه اینشتین بی تعارف نوک پیکان حمله را به سمت ایزاک نیوتن نشانه رفت (و در آنچه که بعدها به نام تئوری نسبیت خاص خوانده شد) اظهار کرد که سرعت نور یک ثابت بنیادی طبیعت بوده و فضا و زمان نسبی هستند و این نسبی بودن ارتباطی به سیستم ارجاعی مشاهده کننده ندارد.
قوانین حرکت نیوتن، مدتی نزدیک به دویست سال قوانین طلایی فیزیک بودند اما به این ترتیب تنها به تقریبی از واقعیت تبدیل می شدند که تنها در سرعت های «روزمره» معتبر بوده و در سرعت های نزدیک به سرعت نور اعتبار خود را از دست می دادند. در ماه سپتامبر اینشتین تئوری خود را کاملتر کرده و مهمترین معادله مهم همه زمان ها یعنی E=mc۲ را ارائه کرد. بنابراین نسبیت خاص، ماده و انرژی را قابل تبدیل به هم دانست.
اینشتین تازه گرم شده بود اما در سال های بعد متوجه شد که گرانش و شتاب معادل یکدگرند و نور نیز رفتار دوگانه ای (موجی و ذره ای) دارد. اینشتین پس از آن سعی کرد که تئوری نسبیت خود را به تئوری جدید گرانش مرتبط سازد و بار دیگر با قوانین گرانش نیوتن دست و پنجه نرم کرد، قوانینی که گویی درون سنگ حک شده بودند. تا انتهای سال ،۱۹۱۵ اینشتین دیگر تئوری نسبیت عام خود را منتشر کرده بود که گرانش را همچون پیامدی از جرم و انرژی توصیف می کرد که باعث تغییر فضا- زمان می شد، مفهومی چهاربعدی که عموماً به صورت ساختار خود فضا تلقی می شود. بزرگترین خدمت اینشتین به علوم در سال های دهه ۲۰ با حداکثر توان ادامه یافت. یعنی زمانی که وی و ساتیندرا نات بوز حالت جدیدی از ماده را پیش بینی کردند که به نام مگالیده بوز- اینشتین نامیده می شود و بایستی در دماهایی که تنها کسری از یک درجه بالاتر از صفر مطلق است، وجود داشته باشد. همان طور که گفته شد، اینشتین با تلاشی بیست ساله درک ما را از زمان، انرژی و جرم تغییر داد. بسیاری سئوالاتی که وی قادر به پاسخگویی آنها نبود تا زمان مرگش (در سال ۱۹۵۶) با آنها دست و پنجه نرم می کرد، امروز نیز بی پاسخ مانده اند. سئوالاتی راجع به انرژی تاریک، سیاهچاله ها، انفجار بزرگ و طبیعت گرانش در نوک پیکان علم نوری قرار دارند. جست وجوی پاسخ این پرسش ها ممکن است باعث رسیدن دانشمندان به هدف تمامی زندگانی اینشتین یعنی ترکیب کردن نسبیت با مکانیک کوانتوم در یک تئوری وحدت یافته شود که نظریه همه چیز نام دارد.
● پرسش های بی پاسخ
نظریه های اینشتین راجع به فضا و زمان دانشمندان را به سوی مجموعه ای از پیش بینی های شگفت آور کشاند که حتی خود وی نیز نمی توانست آنها را باور کند، از جمله اینکه جهان بعد از یک انفجار بزرگ در حال گسترش است، سیاهچاله ها باعث ایجاد خمیدگی در فضا می شوند و زمان را متوقف می کنند، ضمناً یک نیروی مرموز فضا را کشیده و گسترش داده و باعث می شود کهکشان ها برای همیشه از مرزهای جهانی که انسان می تواند مشاهده کند، فراتر روند. این پیشگویی ها یک به یک، بررسی شده اند که آخرین مورد آنها نیز آزمایش هایی بود که در سال ۱۹۹۸ انجام شد.
متاسفانه نظریه های اینشتین در مورد علت انفجار بزرگ و جزئیات فیزیکی سیاهچاله ها و انرژی تاریک سکوت کرده است. در نتیجه این سه حوزه به نقاطی مبدل شده اند که دانشمندان باید آنها را بررسی کنند. با تجربیات کاملی راجع به انفجار بزرگ، سیاهچاله ها و انرژی های تاریک می توان نقایص ادراک جاری از طبیعت را آشکار کرد و دانشمندان را قادر ساخت تا حرکت به سوی دوره تاریخی جدیدی از فیزیک را آغاز کنند. این رویکرد بدون سابقه نیست. در آغاز قرن بیستم، اینشتین خطاهای موجود در قوانین حرکت نیوتنی و تئوری جیمز کلارک ماکسول را که حرکت نور را درون اتری فراگیر ممکن می دانست به کناری نهاد. در آغاز قرن بیست ویکم نیز با ناهمسازی های بزرگ روبه رو هستیم. مکانیک کوانتومی و نسبیت عام هر دو در خدمت علم فیزیک قرار دارند که البته هر دوی آنها آشکارا با مسائلی حل نشده روبه رو هستند. برای مثال نوترینوها۲ به لحاظ نظری بایستی دارای جرم باشند، اما آزمایش ها نشان داده است که دارای جرم (هر چند اندک) هستند. ذرات پیش بینی شده در تئوری هنوز در حالت ابهام باقی مانده اند.احتمالاً بزرگترین نقص آن است که: گرانش نیرویی غریب باقی مانده که تاکنون برخلاف نور (فوتون ها) و نیروهای زیراتمی قوی (گلوئون ها)۳ در مقابل کوانتیزه شدن مقاومت کرده است.در حقیقت گرانش در فصل مشترک درک ما از انفجار بزرگ، سیاهچاله ها و انرژی تاریک قرار گرفته است.
●در جست وجوی وحدت
همان گونه که دیوید شرام کیهان شناس اهل شیکاگو در سال ۱۹۹۸ نوشت «مطالعه جهان در مقیاس خیلی بزرگ (کیهان شناسی) و مطالعه مواد در مقیاس خیلی کوچک (تئوری ذرات بنیادی) در کنار هم قرار گرفته اند.» این بینش راجع به اتحاد دو تئوری نسبیت عام و مکانیک کوانتوم در درون تئوری وحدت یافته همه چیز در گزارش آکادمی ملی علوم در سال ۲۰۰۳ بیان شده است، گزارشی به نام «یازده سئوال علم برای قرن جدید»، که به صورت غیررسمی با نام گزارش ترنر شناخته می شود.
در سال ۲۰۰۴ اداره سیاستگزاری علم و تکنولوژی آمریکا در جواب به گزارش ترنر، تعهدی مبنی بر هماهنگ کردن کوشش های ناسا بنیاد ملی علم و دپارتمان انرژی ارائه کرد. برنامه ناسا به نام «فراتر از اینشتین» تقریباً در برگیرنده تمامی پیشنهادهای این گزارش است که می تواند باعث کشف اسرار انرژی تاریک، ماده تاریک، سیاهچاله، ابعاد اضافی، نوترینوها و دیگر مسائل شود. در اصل این برنامه از یک مجموعه ماموریت تشکیل شده است که با فناوری های نوین و رویکردهای تکمیلی برای دستیابی به اهداف مشترک علمی طراحی شده اند.
برنامه فراتر از اینشتین با تصویب بودجه ای در سال ۲۰۰۴ توسط ناسا آغاز شد و حاصل کوشش مشترک انجمن های فیزیک ذرات و ستاره شناسی است. ناسا در فضا به دنبال پاسخ است، در حالی که سازمان های دیگر عمدتاً روی تجهیزات مستقر روی زمین و بالن ها و رصدخانه ها متمرکز شده اند، هر چند رابطه نزدیک و هیجان انگیزی میان این برنامه ها وجود دارد. همگی امیدوارند که تا انتهای دهه بعد پاسخ برخی از پرسش های مهم امروز مشخص شود.● انرژی تاریک چیست
انرژی تاریک رمزآمیزترین مفهوم در فیزیک و ستاره شناسی است. این انرژی چیزی حدود ۷۰ درصد جهان را تشکیل می دهد و ما واقعاً هنوز سرنخ واضحی از چیستی آن نداریم. انرژی تاریک به یک مسئله بنیادین فیزیک در مدل استاندارد ذرات اشاره می کند و می تواند زمینه لازم را برای ایجاد اتحاد میان نسبیت عام و مکانیک کوانتوم فراهم آورد. انرژی تاریک نامی است که به نیروی شتاب دهنده گسترش جهان داده می شود. این کشف نقطه عطفی در اواخر دهه ۱۹۹۰ محسوب می شود، اما اینشتین خود با این مفهوم چگونه روبه رو شد؟ تقریباً به صورتی تصادفی:
از آنجا که اینشتین در ابتدا فکر می کرد جهان ایستا است، نیاز به ایجاد یک موازنه و جلوگیری از تاثیر گرانش و انقباض جهان را احساس می کرد ولی زمانی که ادوین هابل انبساط جهان را کشف کرد، وی این ایده را کنار گذاشته و حتی آن را بزرگترین اشتباه زندگی خود نامید. احتمالاً اینشتین راجع به اشتباه خود درست فکر نمی کرد. همان طور که انتظار می رود انبساط جهان از لحظه انفجار بزرگ به علت تاثیر گرانش کندشده است که البته این موضوع به چند میلیارد سال پیش مربوط می شود. اما پس از آن چیزی شبیه به انرژی تاریک به نیروی غالب در جهان تبدیل شده است که باعث شده که جهان برای همیشه در حال انبساط شتابدار باشد.
●این نیرو چگونه نیرویی است
ریچارد فاینمن و دیگران که نظریه کوانتومی ماده را ارائه کردند، متوجه شدند که «فضای خالی» پر است از ذرات موقتی یا مجازی که به طور مستمر تولید شده و نابود می شوند. امروزه فیزیک کم کم به این تصور می رسد که در حقیقت این ذرات مجازی باعث ایجاد نیروی خلأ در فضا می شوند که حالتی با انرژی دافعه است. اما علم هنوز قادر به پیش بینی اندازه قدرت این نیرو نیست. ما هنوز نمی دانیم که آیا میان مرحله تورم که همان انبساط شتابدار اولیه بوده با انبساط مثبت موجود در جهان کنونی (ناشی از انرژی تاریک) ارتباطی وجود دارد یا نه؟ و اگر ارتباطی وجود دارد، این ارتباط چگونه است؟
در ماموریتی فضایی به نام کاوشگر انرژی تاریک (Dark Energy Probe) با اندازه گیری دقیق، انبساط فضا را سنجیده و خواهیم دانست که آیا این انرژی یک خصوصیت ثابت فضای خالی است (آن گونه که اینشتین مطرح می کرد) و یا با زمان در حال تغییر است. (آنچنان که نظریه های جدید وحدت نیروها بیان می کنند.)
●در کرانه های یک سیاهچاله
بالاترین حد گرانش در سیاهچاله ها به وجود می آید که در مرکز کهکشان ها و در اثر فروریختن ستارگان به وجود آمده اند. می توانیم این اجرام نادیدنی را با بررسی ماده ای که درون آن کشیده می شود گاهی نیز به بیرون پرتاب می شود و با بررسی امواج اختلال های ایجاد شده در فضا و زمان بیازماییم.
اطلاعات جدید حاصل از ماهواره های اشعه x به نام رصدخانه اشعه- x چاندرا متعلق به ناسا و ماهوراه XMM نیوتن متعلق به سازمان فضایی اروپا (اسا) مناطقی را در فضا آشکار ساخته اند که گویا فضا- زمان در این مناطق توسط سیاهچاله ای به درون کشیده می شود. (همان گونه که معادلات اینشتین پیش بینی کرده اند.)
اما هنوز معلوم نیست بر سر ماده ای که در کنار یک سیاهچاله حرکت می کند و از افق رویداد می گذرد، چه می آید. افق رویداد مرزی نظری است که هیچ چیز از آن قادر به گریز نیست. آیا واقعاً زمان در این مکان متوقف می شود؟
نسبیت عام پیشگویی های خاصی را راجع به ماده و انرژی که در نزدیک یک سیاهچاله قرار دارد، مطرح می کند. اگر در بررسی های دقیق، کوچکترین انحرافی میان تئوری و مشاهدات دیده شود، آن گاه به محدودیت های معادلات اینشتین پی خواهیم برد.دو ماموریت مهم پروژه «فراتر از اینشتین» ما را بیش از هر زمان دیگر به مرزهای افق رویداد نزدیکتر خواهد کرد و تصاویر دقیقی از آنچه که در کرانه های این گرداب بر سر فضا و زمان می آید، ارائه خواهد داد. لیزا ماموریتی مشترک میان ناسا و اسا است هم اکنون در مرحله محاسباتی است و قرار است در آینده به امواج گرانشی که از ادغام سیاهچاله ها به وجود می آیند گوش فرادهد. این امواج نیز در نسبیت عام پیش بینی شده اند و شبیه امواج نور با سرعت نور حرکت می کنند و دارای طیفی از فرکانس های مختلف هستند. این امواج تاکنون کشف نشده اند و کشف آنها موهبتی خواهد بود که باعث ایجاد نگاه کاملاً جدیدی به جهان خواهد شد. مجموعه ماهواره ای صورت فلکی X یک رصدخانه چند ماهواره ای اشعهx است. ماهواره های مزبور به گونه ای در کنار هم آرایش گرفته اند که قدرت جمع آوری نور را برای ساختن فیلمی از فضا- زمان خمیده در کنار یک سیاهچاله را دارند. قدرت مجموعه ماهواره ای x براساس طیف سنجی است. این روش برای تحلیل خصوصیات فیزیکی اتم های مجاور یک سیاهچاله، براساس نور ساطع شده از آنها عمل می کند. مجموعه ماهواره ای x صد برابر کاراتر از رصدخانه های جمع آوری کننده اشعه x موجود است.
مجموعه ماهواره ایX همانند لیزا محکمترین شواهد مربوط به نظریه نسبیت عام را که تاکنون بشر موفق به دستیابی به آنها شده است، ارائه خواهد داد.سیاهچاله ها بهترین آزمایشگاه برای بررسی گرانش هستند. در نظر آورید که چگونه از قانون گرانش نیوتن به طور موفقیت آمیزی برای اندازه گیری مدار گردش سیارات به دور خورشید استفاده شد. (البته غیر از مدار سیاره عطارد) اندازه گیری های دقیق در قرن نوزدهم آشکار ساخت که این نوع محاسبه ها در مورد سیاره عطارد حدود ۴۰ ثانیه زاویه ای با مشاهدات اختلاف دارند. آنچه که معادله نیوتن در نظر نگرفته بود نیروی گرانش خورشید است که باعث پیچش فضا- زمان در نزدیکی خورشید می شود. سیارات دیگر که از خورشید دورترند تحت تاثیر این نیرو قرار نمی گیرند. معادلات اینشتین مدار غیرمعمول عطارد را به درستی پیش بینی می کنند. همان گونه که نیروی گرانش نسبتاً ضعیف خورشید وجود یک خطا را در محاسبات نیوتن آشکار کرد، در اینجا نیز ممکن است بررسی دقیق سیاهچاله ها باعث آشکار شدن خطا در محاسبات اینشتین شود.
هم لیزا که اطراف سیاهچاله ها را بررسی خواهد کرد و هم مجموعه ماهواره ای X که دینامیک خوشه های کیهانی را بررسی خواهد کرد دانسته های بشر را در مورد رازهای انرژی تاریک افزایش خواهند داد.یابنده سیاهچاله ای (Black hole finder) در برنامه فراتر از اینشتین یک سرشماری حقیقی را سرپرستی خواهد کرد. این جست وجوگر، کارهای مجموعه ماهواره ای X و لیزا را تکمیل خواهد کرد. منابع سیاهچاله ای را که توسط این رصدخانه ها کشف شده اند بررسی کرده و انواع مختلف سیاهچاله ها را مشخص می کند و نقش آنها را در شکل دادن به کهکشان ها آشکار می سازد. این کوشش ها در نهایت تصویر مستقیمی از افق رویداد یک سیاهچاله را فراهم خواهد آورد که دستاوردی پرارزش خواهد بود. تصویرگر سیاهچاله نیز یک تلسکوپ اشعه X است که درجه تفکیک آن یک میلیون بار دقیق تر از تلسکوپ هابل است. این تلسکوپ دارای آینه های متعدد و آشکارگرهای در حال پروازی است که شبیه تداخل سنج های رادیویی موجود در سراسر ایالات متحده پراکنده خواهند بود. این پیشرفت های فنی به دست آمده قادرند در دو دهه آینده این هدف را به واقعیت بدل سازند، آنگاه تصویرهای به دست آمده دلیل غیرقابل انکاری از وجود یک سیاهچاله خواهد بود.
دانشمندان در دهه ۱۹۲۰ دریافتند که معادلات نسبیت عام به طور ضمنی گسترش جهان را مطرح می کند. جهان دیروز از جهان امروز کوچک تر بود و جهان پریروز از جهان دیروز و به همین ترتیب می توان این استدلال را تا لحظه ایجاد فضا- زمان ادامه داد که آن را به نام انفجار بزرگ می شناسیم، اما هنوز نمی دانیم که چه چیزی باعث شکل گیری انفجار بزرگ شده است؟
بد نیست به عقب برگردیم تا ببینیم در لحظه خلقت جهان چه اتفاقی رخ داده است؟ امواج گرانشی به سختی با ماده برهم کنش دارد که به همین دلیل ردگیری این امواج مشکل است. این امواج گرانشی بی هیچ مشکلی در درون جهان مه آلود اولیه نفوذ می کرد. با استفاده از تابش پس زمینه کیهانی می توان استنباط کرد که در کسری از ثانیه بعد از آغاز جهان چه اتفاقی افتاده است؟ البته هنوز خیلی زود است تا به درک لحظه ای که در آن گرانش با بقیه نیروهای بنیادی یکی بوده نایل آییم اما به مرور به این لحظه نزدیک تر می شویم. در دهه گذشته نقشه آسمان از لحاظ تابش اشعه ریز موج باقی مانده برای
اولین بار توسط ماهواره کوبه(COBE Cosmic Background Explorer کاشف اشعه کیهانی پس زمینه ای) رسم شد. به تازگی نیز توسط آزمایش های دیگری در این زمینه انجام شده است که شامل پرواز بالن بر فراز قطب جنوب بود و مجری این پروژه، بنیاد ملی علم آمریکا بود و طی آن کاوشگر آنیزوتروپی ریزموج ویلکینسون (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) WMAP ناسا افت و خیزهایی در اولین لحظات خلقت جهان پدید آمده است، آشکار کرده اند. این نقشه ها کوچک ترین تغییرات دمایی را در آسمان دنبال کرده اند. این تغییرات دمایی اشاره ای است به تغییرات چگالی جرم آسمان که در اولین ثانیه پس از انفجار بزرگ به وجود آمده است. مناطقی که چگالی بالاتری دارند ماده بیشتری را جذب کرده اند و در عرض صدها میلیون سال کهکشان ها را تشکیل داده اند.درک علت ایجاد این تجمع اولیه ما را به علت وجود انرژی در انفجار بزرگ راهنمایی خواهد کرد. گرچه نیاز به یک کاوشگر قدرتمندتر وجود دارد، ایده های جدید پیش بینی می کنند که افت و خیزهای کشف شده توسط ماهواره کوبه احتمالاً از دو نوع ذره آغازین به وجود آمده اند: یکی از حوزه انرژی که باعث قدرت گیری انفجار بزرگ شده و دیگری گراویتون ها که ذره بنیادی فضا- زمان هستند. تئوری دیگری که در ارتباط با این موضوع مطرح است تئوری تورم (Inflation Theory) نامیده می شود که نمایشگر صد میلیونیم یک تریلیونیم ثانیه اول انفجار بزرگ است که جهان قابل مشاهده از اندازه یک اتم به ابعاد یک گریپ فروت انبساط می یابد. مرحله تورم درست بعد از آنکه گرانش خود را از دیگر نیروهای بنیادی جدا کرد، متمایز می شود. جهان سرد می شود و به مرحله انتقالی وارد می شود. مانند آبی که از تراکم بخار به وجود می آید.
یک ابزار دیگر در پروژه «فراتر از اینشتین» کاوشگر تورم (Inflation Probe) است که به مطالعه قطبی شدن تابش پس زمینه کیهانی می پردازد. الگوهای قطبی شدن در زمان انفجار بزرگ و توسط امواج گرانشی ایجاد شده است. جزئیات این قطبی شدن آشکار خواهد کرد که آیا مرحله تورم باعث کشیده شدن و یکنواختی جهان شده است و اگر چنین است چگونه این امر تحقق پذیرفته است.
تجزیه و تحلیل این قطبی شدن کیهانی اثرات گرانش را آشکار و به کشف ذرات «گرانشی» کمک خواهد کرد که به نوبه خود می تواند منجر به انتخاب بین تئوری هایی شود که به توضیح جرقه آغازین تورم و انفجار بزرگ پرداخته اند.این جریانی است گام به گام که اولین بار در سال ۲۰۰۲ رصدخانه قطب جنوب DASI توسط NSF تاسیس شده است، شواهدی دال بر قطبی شدن ارائه کرد. یک ماموریت موسسه فضایی اروپا به نام «ماموریت پلانک» که قرار است در سال ۲۰۰۷ آغاز شود، اندازه گیری های دقیق تری انجام خواهد داد.
این اندازه گیری ها با تجهیزات مستقر بر بالون ها انجام می شود. با کاوشگر تورم که بر پایه این طرح ها پایه ریزی شده است نهایتاً قطعات پازل در کنار هم قرار گرفته و مشخص می شود که چگونه زمان، فضا و انرژی با همدیگر باعث قدرت گیری انفجار بزرگ شده اند.رصدخانه انفجار بزرگ (Big bang observatory) از مجموعه ماموریت های پروژه فراتر از اینشتین و آشکارساز امواج گرانشی است و قرار است به کاوش امواج بسیار کم فرکانس که توسط انفجار بزرگ ایجاد شده بپردازد. این امواج طول موجی برابر با سه میلیون سال نوری دارند. رصدخانه انفجار بزرگ نیز مثل تصویرساز سیاهچاله
(Black hole imager) یک دستاورد عالی است که لحظه انفجار بزرگ را برایمان آشکار خواهد کرد و اولین اندازه گیری مستقیم گراویتون ها را میسر کرده و تصویری از ساختار فضا- زمان به دست خواهد داد. این ماموریت در عرض ۳۰ سال آینده عملی خواهد شد.
● تحقق رویای اینشتین
اینشتین به درستی مشاهده می کرد اما به درک چگونگی کارکرد طبیعت در عمیق ترین سطوح آن نرسید. او برای تلفیق الکترومغناطیس- به عنوان یک نیروی کوانتومی _ به نسبیت عام و به دست آوردن یک تئوری واحد تمام عمرش را صرف کرد. امروزه برای تحقق رویای اینشتین ماموریت هایی طراحی شده اند که در دهه آینده به سرانجام خواهند رسید.
هیجان ملموسی در میان دانشمندان به وجود آمده است. ما در نقطه عطف علمی جدیدی قرار گرفته ایم که قرن بیست و یکم را از گذشته جدا خواهد کرد. این تحول، یک انقلاب جدید علمی است رقابتی برای برداشتن گام بعدی.دانشمندانی از سراسر جهان و با تفکرات مختلف برای دستیابی به این هدف متحد شده اند.
جواب هایی که دانشمندان در جست و جوی آن هستند نیاز به تئوری های جدید دارد. تئوری های مدرن نیز همچون ایده های اینشتین پیشگویی های خیال انگیزی به نظر می رسند که به سختی باور پذیرند، مثل ابعاد نادیدنی و تمامی جهان های دیگر در ورای جهان ما. برای مواجهه و راهگشایی تئوری های نوین باید حقایق جدیدی را کشف کرد. بنابراین ما ماده را تا سر حد یک سیاهچاله دنبال کرده و فضا _ زمان را آن گونه که در آغاز جهان بوده مشخص می کنیم. با استفاده از فناوری های پیشرفته آنسوتر از دیدگاه اینشتین- یعنی سر حد هستی - را دیدار خواهیم کرد. لیزا از سه فضاپیما تشکیل شده است که هریک ۸/۱ متر پهنا داشته و اجرام شناور آزاد را با لیزر مادون قرمز کاوش خواهد کرد.
لیزا امواج گرانشی را از طریق ثبت تغییرات کوچک طول بین فضاپیما ها حس می کند. لیزا اولین رصدخانه امواج گرانشی در فضا است. این ماموریت مشترک ناسا و اسا در سال ۲۰۱۳ کارش را شروع می کند. همان طور که گفته شد لیزا از سه فضاپیما تشکیل شده که با هم یک تداخل سنج لیزری مثلثی شکل می سازند که طول ضلع آن پنج میلیون کیلومتر خواهد بود. آنها در یک سازه ثابت با زاویه ۲۰ درجه ای در پشت زمین به دور خورشید خواهند گردید. تفاوت زمان سفر اشعه لیزر نشان دهنده گذر امواج گرانشی خواهد بود.
● رصدخانه ها، کاوشگرها و ماموریت های بصری
مجموعه ماهواره ای X و لیزا ستون فقرات برنامه «فراتر از اینشتین» هستند. هر دوی آنها همچون تجهیزات فضایی بزرگی مثل تلسکوپ فضایی هابل و رصدخانه اشعه X چاندرا «رصدخانه های بزرگی» محسوب می شوند.مجموعه ماهواره ای X باعث افزایش توانایی امروزین ما در دقت رصدخانه های اشعه X تا ۱۰۰ برابر خواهد شد که برای دنبال کردن خصوصیات طیفی گازهای نزدیک به افق رویداد سیاهچاله و ردگیری تکامل سیاهچاله ها با استفاده از جزییات طیف های خاصی از کوازارهای ۱ کم نور و دور استفاده خواهد شد.
تعدادی از «کاوشگرهای اینشتین» نیز به صورت رقابتی بر روی یک سئوال علمی به خصوص متمرکز شده اند که دومین قسمت این برنامه را برای کامل کردن رصدخانه های بزرگ فوق الذکر تشکیل می دهند. کاوشگر تورم چگونگی قطبی شدن اشعه های ریز موج پس زمینه کیهانی را بررسی خواهد کرد و مشخص خواهد ساخت که بعد از انفجار بزرگ ماهیت خلایی که منجر به تورم شده چه بوده است.
یک آشکارساز سیاهچاله ای لیستی از سیاهچاله ها تهیه کرده و توزیع آنها را در کیهان و نیز دوره زندگی آنها تعیین خواهد کرد و اهداف مورد مطالعه برای مجموعه ماهواره ای X را مشخص خواهد کرد. کاوشگر انرژی تاریک (Dark energy Probe) گسترش جهان را در دوره های متفاوت به دقت معین خواهد کرد. طرح دیگر آن است که از یک تلسکوپ فضایی پهن گستر برای درجات بالای انتقال به سرخ در ابرنواخترها استفاده شود.سومین قسمت برنامه فراتر از اینشتین استفاده از پیشرفت های فناوری و پژوهش های نظری است که دو طرح ماموریت بصری اینشتین (Einstein Vision Mission) نامیده شده اند. اولین ماموریت بصری به نام مشاهده گر انفجار بزرگ (Big Bang Observer) باعث تکمیل آزمایش های لیزا خواهد شد و کاوشگر تورم برای شناسایی امواج گرانشی با فرکانس بالاتر مربوط به زمان آغاز تورم جهان به کار می رود که تصویری از فضا زمان در آن هنگام را ارائه می کند.ماموریت بصری دوم چیست؟ طرحی برای ایجاد یک تصویرساز سیاهچاله (Black hole imager) که در واقع یک تلسکوپ اشعه X با درجه تفکیکی یک میلیون بار بیشتر از تسلکوپ هابل است که به صورت مستقیم می تواند گازهای نزدیک به افق رویداد سیاهچاله ها را بررسی کند.
▪پی نوشت:
۱- کوازار Quasar: یک شیء شبه ستاره ای است که از خود انرژی معادل صدها کهکشان طبیعی را ساطع می کند. کوازار که مخفف Quasi- Stellar object است از دورترین اشیای شناخته شده در جهان هستند که در کرانه های جهان قرار دارند و درخشان ترین نقاط یک کهکشان هستند که در آن سیاهچاله ها مواد را با نیروی گرانش عظیمی به سمت خود می کشند.

آن کینی
ترجمه: واحد داداش زاده

منبع : روزنامه شرق