اوپنهایمر؛ پدر بمب اتم، پیشگام شناخت سیاه‌چاله‌ها هم بود؟

ایتنا - جی. رابرت اوپنهایمر پیش از آنکه «پدر بمب اتمی» لقب بگیرد، در توسعه و پیشرفت دانش کیهان‌شناسی در زمینه‌ سیاهچاله‌ها سهم چشمگیری ‌داشت.

نام اوپنهایمر برای همیشه، خوب یا بد، با قدرت مخرب باورنکردنی بمب اتم و تصویر ابر قارچ انفجار اتمی که نماد آخرالزمانی فروپاشی و نابودی محسوب می‌شود، همراه خواهد بود. این تداعی معانی (بمب اتم و اوپنهایمر) به‌خصوص هم‌زمان با اکران فیلم «اوپنهایمر» (Oppenheimer) به کارگردانی کریستوفر نولان درباره زندگی این فیزیک‌دان در اذهان عمومی تقویت شده است.

اما واقعیت این است که اوپنهایمر پیش از سفر به لس‌آلاموس نیومکزیکو در سال ۱۹۴۲ که برای کمک به ساخت بمب اتمی صورت گرفت، یک فیزیک‌دان نظری بود که بر فیزیک کوانتومی تمرکز داشت.

به گزارش ایتنا و به نقل از ایندیپندنت، او و همکارش هارتلند اس. اسنایدر از دانشگاه برکلی کالیفرنیا در سال ۱۹۳۹، مقاله‌ای پیشگام تحت عنوان «درباره فشردگی گرانشی ادامه‌یابنده» منتشر کردند که از معادلات نظریه گرانش آلبرت اینشتین یعنی نسبیت عام استفاده می‌کرد تا نشان دهد سیاهچاله‌ها احتمالا چگونه متولد می‌شوند.

خاویر کالمت، استاد فیزیک در دانشگاه ساسکس در انگلستان، به اسپیس می‌گوید: «اوپنهایمر نخستین مدل فروپاشی را برای توصیف نحوه سقوط یک ستاره به سیاهچاله پیشنهاد کرد.» این مدل شکل‌گیری سیاه‌چاله‌ها را به‌عنوان یک فرایند اخترفیزیکی دینامیکی به عبارتی تحت عنوان واپسین مرحله تکامل «ستارگان به‌قدرکافی سنگین» توضیح می‌داد؛ مدلی که امروزه هنوز هم استفاده می‌شود.

کالمت می‌گوید که خود او اخیر در مقاله‌ای که فروپاشی سیاهچاله‌ها را با لحاظ کردن گرانش کوانتومی توصیف می‌کند، از این مدل استفاده کرده است. به گفته او، این مدل بسیار مهم است چرا که حل تحلیلی دارد و حل معادلات را می‌توان با قلم و کاغذ انجام داد و نیازی به کار عددی نیست. از این رو تمام فیزیک مسئله به‌راحتی قابل‌ردیابی است.

او می‌گوید با این حال، این مدل به‌رغم سادگی و شاید حتی خام بودن ساختارش، به‌قدری پیچیده است که می‌توان بسیاری از ویژگی‌های یک ستاره در حال فروپاشی را با آن توصیف کرد.

از قضا، همان زمان که اوپنهایمر و اسنایدر روی این مقاله مبتنی بر نظریه نسبیت عام ۱۹۱۵ اینشتین کار می‌کردند، خود اینشتین، پدر نظریه نسبیت، در حال تحقیقاتی بود که وجود نداشتن سیاهچاله‌ها را نشان دهد.

البته تاریخ نشان داد که درباره سیاهچاله‌ها حق با اوپنهایمر بود.

اوپنهایمر؛ گسترش مرزهای فیزیک

هشت سال پیش از ارائه نظریه اوپنهایمر در مورد فروپاشی ستاره‌‌ها و تولد سیاهچاله، فیزیک‌دان نظری دیگری به این فکر کرده بود که پس از اتمام سوخت ستاره‌ها برای راه‌اندازی همجوشی هسته‌ای، چه اتفاقی می‌افتد.

زمانی که سوخت یک ستاره تمام می‌شود، ستاره دیگر قادر نیست خود را در برابر فروپاشی گرانشی حفظ کند. در حالی که لایه‌های بیرونی ستاره جدا می‌شوند، هسته آن به‌سرعت منقبض می‌شود و بقایای ستاره‌ای عجیب‌وغریبی از آن به جا می‌ماند. ماهیت آنچه از ستاره باقی می‌ماند، به جرم هسته ستاره بستگی دارد.

سوبرامانیان چاندراسخار، فیزیک‌دان هندی‌ــ‌آمریکایی، دریافت که فروپاشی یا اصطلاحا رُمبش گرانشی در هسته‌های ستاره‌ای با جرم کمتر از ۱.۴ برابر جرم خورشید به دلیل آثار کوانتومی متوقف می‌شود که این موضوع از نزدیک شدن ذرات به یکدیگر جلوگیری می‌کند.

این میزان به عنوان «حد چاندراسخار» شناخته می‌شود و هر ستاره‌ای که زیر این مقدار قرار داردــ مگر اینکه یک ستاره همدم داشته باشد که آن را از مواد ستاره‌ای خود تغذیه می‌کندــ محکوم به مرگ و تبدیل شدن به بقایای ستاره‌ای به نام کوتوله سفید است. سرنوشت ستاره ما یعنی خورشید نیز همین خواهد بود که پس از تمام شدن هیدروژن در هسته‌اش در حدود پنج میلیارد سال دیگر، به آن دچار می‌شود.

در هسته‌های ستاره‌ای که دست‌کم ۱.۴ برابر خورشید جرم دارند، فشار و در نتیجه گرمای کافی طی رُمبش گرانشی می‌تواند سبب راه‌اندازی بیشتر همجوشی هسته‌ای شود و با هلیوم ایجاد شده از همجوشی هیدروژن، عناصر سنگین‌تری مانند نیتروژن، اکسیژن و کربن تولید می‌شود.

این اتفاق یعنی رُمبش و ادامه همجوشی هسته‌ای در پرجرم‌ترین ستاره‌ها رخ می‌دهد اما اوپنهایمر و شاگردانش قصد داشتند بدانند که این مسیر رُمبش گرانشی به کجا می‌رسد و از این رو دریابند که وضعیت نهایی بزرگ‌ترین ستاره‌های کیهان چگونه خواهد شد. پاسخ به این پرسش را پیش از این یک فیزیک‌دان آلمانی در سال ۱۹۱۶ داده بود. اوپنهایمر تنها باید چگونگی رسیدن به این پاسخ را پیدا می‌کرد.

تولد سیاهچاله‌‌ها

کارل شوارتسشیلد در سال ۱۹۱۵ در حالی که طی جنگ جهانی اول در ارتش آلمان خدمت می‌کرد، نسخه‌ای از نظریه نسبیت عام اینشتین را به دست آورد. شوارتزشیلد به طور شگفت‌انگیزی در این شرایط فوق‌العاده دشوار، موفق شد برای معادلات میدانی نسبیت عام راه‌حل ریاضی دقیقی محاسبه کند.

در راه‌حل‌های او دو موضوع نگران‌کننده نهفته بود‌ــ مکان‌هایی که به «تکینگی‌ها» مشهورند، یعنی جایی که قوانین فیزیک آن‌طور که ما می‌شناسیم به‌کلی از بین می‌رود و ناکارآمد می‌شود. این تکینگی‌ها نشان‌دهنده وجود اجرامی با گرانش بسیار شدیدی بودند که می‌توانستند حتی نور را نیز «ببلعند».

یکی از تکینگی‌ها، تکینگی مختصات بود که با کمی دستکاری ریاضی هوشمندانه می‌شد آن را حذف کرد. این تکینگی مختصات به عنوان شعاع شوارتسشیلد شناخته می‌شود؛ یعنی نقطه‌ای که در آن، گرانش جسم به‌قدری زیاد می‌شود که سرعت لازم برای فرار از دام آن حتی از سرعت نور نیز بیشتر است. این سطح یک‌سویه برای به دام انداختن نور «افق رویداد» نامیده می‌شود و در واقع مرز بیرونی سیاهچاله را نشان می‌دهد.

اما با تکینگی دیگر، یعنی با تکینگی واقعی یا گرانشی، نمی‌توان به شکل ریاضی برخورد کرد. به عبارت دیگر، هیچ چیزی نمی‌توانست آن را حذف کند؛ بنابراین تکینگی گرانشی یعنی قلب سیاهچاله نقطه‌ای بود که در آن، فیزیک کاملا ناکارآمد می‌شد.

این موضوع به لحاظ نظری، مفهوم سیاهچاله را خلق کرد، اما در مورد چگونگی ایجاد این غول‌‌های کیهانی چیزی نمی‌گفت و فقط می‌گفت که چنین اجرامی می‌توانند وجود داشته باشند.

در حالی که اینشتین در سال ۱۹۳۹ در تلاش بود این تکینگی گرانشی و در نتیجه مفهوم سیاهچاله را از میان ببرد، اوپنهایمر در حال بررسی نحوه به وجود آمدن چنین اجرامی بود.

اوپنهایمر با پیش‌فرض‌های ساده‌ای که آثار کوانتومی و چرخش سیاهچاله را در نظر نمی‌گرفت، با همکاری اسنایدر نوشتن این مقاله را شروع کرد. این ماجرا زمانی اتفاق افتاد که اسنایدر کشف کرده بود آنچه به نظر می‌رسد برای یک ستاره در حال رُمبش رخ می‌دهد، به دیدگاه ناظر بستگی دارد.

اسنایدر این نظریه را طرح کرد که در فاصله‌ای از ستاره در حال رُمبش، طول موج نور منبع نزدیک به افق رویداد در اثر گرانش کشیده می‌شود. این فرایند انتقال به سرخ نامیده و اصطلاحا گفته می‌شود هرچه گرانش بیشتر باشد، انتقال به سرخ نیز بیشتر است. در عین حال، بسامد این نور از دید ناظر در حال کاهش است. این کاهش بسامد تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که نور برای ناظر دور، «بی‌حرکت» و ثابت شود.

اوپنهایمر و همکارانش دریافتند که ماجرا برای ناظر بداقبالی که به درون ستاره در حال رُمبش سقوط کرده، کاملا متفاوت است. ناظر در چنین حالتی به فراسوی افق رویداد می‌رود، بدون اینکه تغییر یا چیز مهمی در مورد آن را متوجه شود.

البته در واقعیت، یک ناظر در اثر نیروهای کشندی شدید ناشی از تفاوت کشش گرانشی در قسمت بالایی و پایینی بدنش، اصطلاحا «اسپاگتی» می‌شود. نزدیک شدن به سیاهچاله در واقع فرد را پیش از برخورد به افق رویداد می‌کشد؛ دست‌کم در سیاهچاله‌های کوچک‌تر که در آن‌ها شعاع شوارتسشیلد نزدیک به تکینگی گرانشی است.

این مفهوم ابتدا به دلیل آنکه از توقف نور در افق رویداد صحبت می‌کرد، به عنوان «ستاره متوقف‌شده» شناخته می‌شد؛ تا اینکه در سال ۱۹۶۷، فیزیک‌دان دانشگاه پرینستون به نام جان ویلر اصطلاح «سیاه‌چاله» را در جریان یک سخنرانی ابداع کرد. تا پیش از آن، هیچ نام بخصوصی برای توصیف این پدیده وجود نداشت.

اوپنهایمر و همکارانش به‌رغم اینکه مسیری متفاوت از شوارتسشیلد در پیش گرفته بودند، به یک مقصد واحد رسیدند: یعنی به ارائه مفهوم جسمی ستاره‌ای به‌قدری عظیم که گرانش آن نور را نیز به دام می‌اندازد و سبب انتقال بی‌نهایت به سرخ می‌شود. شوارتسشیلد نظریه‌ای در این باره داشت اما اوپنهایمر و همکارانش نخستین دانشمندانی به شمار می‌روند که تولد فیزیکی یک سیاهچاله را به‌درستی درک کردند.

سه سال بعد از آن، اوپنهایمر به لس‌آلاموس سفر کرد و [با مشارکت در پروژه ساخت بمب اتم] نقش جدیدی از خود در تاریخ به جا گذاشت. با این حال هنوز بسیاری به‌ویژه دانشمندان، او را به عنوان پدر سیاهچاله‌ها به خاطر می‌آورند.

کالمت در پایان می‌گوید: «اوپنهایمر به فیزیک سیاهچاله و به‌طورکلی فیزیک کمک‌های بسیار مهمی کرد.» به گفته او، در حالی که عموم مردم ممکن است نام او را با بمب و پروژه منهتن ارتباط دهند، اما جامعه علمی از مشارکت او در فیزیک و اخترفیزیک یاد می‌کند و آن را گرامی می‌دارد. او یکی از فیزیک‌دان‌های برجسته زمان خود و بسیار تاثیرگذار بود و اثر او همچنان برای دانش امروز قابل استفاده است.