آرزوهای علمی دانشمندان (۲)

وب‌سایت گجت نیوز - جمشید اللهوردی پور: در قسمت قبلی به چند مورد از پدیده‌های علمی مانند ابر اورت که دانشمندان قادر به مشاهده‌ی مستقیم آنها نیستند اشاره کردیم. در این فهرست بلند‌بالا پدیده‌های دیگری نیز به چشم می‌خورند که هرچند وجود برخی از آنها را در حد یقین باور داریم، اما مشخص نیست به این زودی‌ها (شاید هرگز) بتوانیم آنها را ببینیم، یا نشانه‌ای مستقیم بر تاییدشان بیابیم. با ما همراه باشید تا به ۸ پدیده‌ی شگفت‌انگیز علمی که در کمال ناباوری، دانشمندان در آرزوی دیدن مستقیم آنها لحظه‌شماری می‌کنند، بپردازیم.

۵. گلوبال ها


اگر جدای‌های جنگ ستارگان از دانش مکانیک کوانتومی آگاهی داشتند، شمشیر های لیزری خود را به جای لیرز از گلوبال‌ ها (Glue ball) می‌ساختند، ذراتی که تمام و کمال از نیرو تشکیل شده‌اند! فیزیکدانان نظری سال‌هاست که اصرار دارند که گلوبال‌ها باید وجود داشته باشند و فیزیکدانان تجربی نیز به همان اندازه اصرار دارند که بعید است هرگز بتوان وجودشان را اثبات کرد، چرا که نمی‌توان آزمایشی ترتیب داد که آنها را آشکار کند. گلوبال، این پدیده‌ی شگفت‌انگیز علمی توده‌ای تشکیل یافته از گلوئون‌هاست، ذراتی که نیروی هسته‌ای قوی را بین کوارک‌ها منتقل می‌کنند و با کنار هم نگاه داشتن کوارک‌ها، باعث تشکیل و پایدار ماندن ذراتی مانند پروتون و نوترون درون هسته اتم می‌شوند.

گلوئون‌ها ویژگی به‌‌ظاهر متناقضی دارند، آنها علاوه بر انتقال نیروی هسته‌ای از بار هسته‌ای قوی نیز برخوردارند و بنابراین می‌توانند به هم بچسبند. نیروی هسته‌ای قوی در کنار نیروی هسته‌ای ضعیف، الکترومغناطیس و گرانش، چهار نیروی بنیادین عالم هستند. نیروی هسته‌ای قوی، قوی‌ترین و کوتاه‌بردترین نیروی عالم است که باعث چسبیدن کوارک‌ها به یکدیگر، شکل‌گیری پروتون و نوترون و پایدار ماندن هسته‌ی اتم‌ها می‌شود. شبیه‌سازی‌های کامپیوتری جهانی مملو از گلوئون‌ها نشان داده که حدود ۱۵۰۰ مگاالکترون ولت انرژی (تقریبا ۱/۵ برابر انرژی ذخیره شده در پروتون) برای چسباندن تعدادی گلوئون به هم و پدید آوردن یک گلوبال کافی است.


در سال ۱۹۹۵ فیزیکدانی نظری به نام «کلاود امسلر» از دانشگاه زوریخ نشان داد، دو ذره‌ای که در انرژی‌های ۱۳۷۰ و ۱۵۰۰ مگاالکترون‌ولت دچار تشدید می‌شوند، می‌توانند نامزد گلوبال باشند. این دو ذره در همان سال‌ها در سرن (آزمایشگاه هسته‌ای اروپا) کشف شد و با مشاهده‌ی ذره‌ای دیگر در انرزی ۱۷۱۰ مگاالکترون‌ولت، تعداد نامزدهای گلوبال به عدد سه رسیده است. اما محاسبات نیروی هسته‌ای قوی بسیار دشوار است و به همین دلیل برای تسهیل محاسبات، در شبیه‌سازی‌ها فرض می‌شود که جهان فقط از گلوئون‌ها و نه هیچ ذره‌ی دیگری تشکیل شده است؛ فرضی که در واقعیت درست نیست. در عالم واقعیت، زمانی که حالت یک گلوبال را اندازه‌گیری می‌کنیم، کوارک‌ها هم شروع به چسبیدن به آن می‌کنند و به همین دلیل غیرممکن است که بتوان اثبات کرد آن جسم یک گلوبال خالص است.

محتمل‌ترین توضیح برای سه نامزد گلوبال دیده شده در انرژی‌های ۱۳۷۰، ۱۵۰۰، ۱۷۱۰ مگاالکترون‌ولت نیز ترکیبی از گلوئون‌هاست که مقادیر متفاوتی از کوارک‌های مختلف به آن چسبیده‌اند. به نظر می‌رسد چاره‌ای نیست جز اینکه خودمان را با این وضع وفق دهیم و منتظر لطف طبیعت بمانیم تا شاید برای لحظاتی چند نقاب از چهره‌ی گلوبال خالص بردارد! با این حساب اگر هنوز علاقه‌مند به ساخت شمشیر های لیزری هستید، بهتر است از همان فناوری قدیمی جدای‌ها استفاده کنید.

6. بی نهایت


با ابداع بی‌نهایت یکی از ۱۰ پدیده‌ی شگفت‌انگیز علمی ، انسان‌ها ناخواسته هیولایی عجیب را خلق کرده‌اند. ذهن ما انسان‌ها نیازمند وجود مفهوم بی‌نهایت است و بر وجود آن اصرار می‌ورزد، اما کمی تامل در این مفهوم کافی است تا مغز در برابر ابعاد آن تسلیم شده و از فکرش خارج شود. لذت و رنج کار با بی‌نهایت، زمانی سراغ انسان آمد که تصمیم گرفت همه‌ی اعداد (طبیعی) را بنویسد: ۱،۲،۳،۴ و … بشر خیلی زود متوجه شد که این رشته را انتهایی نیست و از اینرو آن را انتهاناپذیر، نهایت‌ناپذیر یا بی‌نهایت نامید. بعد‌ها که با اعداد حقیقی آشنا شد و مجموعه‌‌ای از اعداد طبیعی و اعداد گویا و اعداد گنگ بین آنها را پیش‌‌روی خود دید، متوجه شد که بین هر دو عدد معمولی مانند ۲ و ۳ هم بی‌نهایت عدد دیگر وجود دارد.

طولی نکشید که بشر فهمید برخی بی‌نهایت‌ها از برخی بی‌نهایت‌‌های دیگر بزرگ‌ترند. در این پدیده‌ی شگفت‌انگیز علمی مجموعه از بی‌‌نهایت وجود دارد و هرقدر که در این مسیر پیش بروید، باز می‌توانید به بی‌‌نهایت بزرگ‌تری برسید. جالب اینجاست که بخش عظیمی از ریاضیات به مفهوم بی‌نهایت متکی است و بدون آن و مشتقاتش (مانند بی‌نهایت کوچک) جواب نمی‌هد. حساب دیفرانسیل و انتگرال که دقیق‌ترین پاسخ‌های ریاضی را تولید می‌کند، بدون بی‌نهایت معنی ندارد. برای تعریف دایره‌ای کامل به بی‌نهایت رقم از عدد Л نیازمندیم و محاسبه‌ی دقیق حرکت اجسام نیازمند تقسیم زمان به بازه‌های زمانی بی‌نهایت کوچک است.


اما آیا هیچ یک از این مفاهیم واقعیت دارد؟ همان مثال (تمام اعداد طبیعی) را در نظر بگیرید، هرگز نمی‌توان تمام این اعداد را نوشت، چرا‌که نه عمر همه‌‌ی انسان‌ها به انجام این کار قد می‌دهد و نه جهان محدود ما فضای کافی برای نوشتن همه‌ی آنها دارد. محدودیت‌های علمی از این دست باعث شده که فیزیکدانان در محاسبات خود از مواجه با هر بی‌نهایتی خودداری کنند که البته این کار فقط به زبان ساده است. برای مثال، نظریه‌‌ی مهبانگ می‌گوید عالم به شکل یک تکنیگی با چگالی و دمای بی‌نهایت آغاز شد، اما ریاضیات به‌کاررفته در بهترین نظریات فعلی فیزیک نمی‌توانند چنین شرایطی را توصیف کنند و با افزایش شدید گرانش در فضاهای بسیار کوچک تسلیم بی‌نهایت می‌شوند.

حتی جایگزین‌هایی مانند نظریه‌ی ریسمان که تلاش می‌کند تعریفی غیر بی‌نهایت از شرایط تکنیکی ارائه دهد، وجود بی‌‌نهایت جهان دیگر را پیش بینی می‌کند و از توضیح اینکه چرا جهان ما به شکل فعلی دیده می‌‌شود، باز می‌ماند. گروه کوچکی از فیزیکدانان و ریاضی‌دانان از بی‌نهایت روی گردانده و معتقدند که بی‌نهایت در جهان بانهایتی مثل جهان ما، جایی ندارد. چنین ادعایی برای اغلب دانشمندان و عموم مردم به سادگی قابل پذیرش نیست، چرا که مفهوم بی‌نهایت بی‌اندازه کاربردی است و بسیاری از مسائل دشوار را ساده می‌‌کند؛ اما آنچه عموم مردم از آن خبر ندارند، این است که همین پدیده‌ی شگفت‌انگیز علمی در اغلب مسائل علمی، پیشرفت دانشمندان را سد کرده است.

7. امواج گرانشی


۹۸ سال پیش، آلبرت اینشتین در نظریه نسبیت عام خود، به امواج گرانشی اشاره کرد، موج‌هایی که در بعد فضا - زمان حرکت می‌کنند. اما حالا پس از یک قرن، دانشمندان موفق شدند تا وجود چنین پدیده‌ی شگفت‌انگیز علمی را در دنیای پیرامون تایید کنند. به‌جرات، این اتفاق، یکی از بزرگ ترین یافته‌های چندین دهه‌ی اخیر دنیای علم و دانش است. رصدخانه LIGO و دانشمندانی که روی این پروژه کار می کردند، مسئولیت اکتشاف این امواج را به عهده دارند. رصدخانه لیگو دو ساختار L مانند دارد که در واشنگتن و لوییزیانا واقع شده‌اند و به وسیله سنسورهای آن، دانشمندان توانسته‌اند امواج را رصد نمایند.


این موج‌ها زمانی ایجاد می شوند که دو سیاه چاله، دو ستاره نوترونی یا یک ستاره نوترونی و یک سیاه چاله، با یکدیگر برخورد کنند. در این حالت، آن‌ها سبب خمیدگی در بعد فضا-زمان شده و آن را به فضای پیرامون خود منتقل می‌سازند. این چنین است که انسان‌ها در زمین هم تاثیر آن را حس خواهند کرد. نظریه نسبیت عام، دو مسئله کاملا متفاوت را با یکدیگر ترکیب می‌کند تا شیوه کارکرد دنیا را توصیف نماید. نسبیت اینشتین نشان داد که چگونه جرم و انرژی با یکدیگر در ارتباط هستند و از سوی دیگر، قانون جاذبه نیوتن هم توضیح می‌دهد که چگونه اشیا در دنیا به یکدیگر متصل باقی مانده‌اند یک قرن پیش آلبرت اینشتین در نظریه‌ی نسبیت عام خود وجود امواج گرانشی را پیش‌بینی کرده بود.


ولی ثبت آن‌ها نیازمند فناوری‌های بسیار پیشرفته بود. امواج گرانشی که به ما می‌رسند به میزانی فوق‌العاده کم و باورنکردنی فضا-زمان را کج و معوج می‌کنند و به همین دلیل ثبت آن‌ها به ابزارهای علمی فوق‌العاده حساس احتیاج دارد. مثلا موج گرانشی حاصل از برخورد دو سیاه‌ چاله که لایگو کشف کرد، کل کره‌ی زمین را تنها به اندازه‌ی یک-صد هزارم نانومتر یا در حقیقت قطر یک پروتون منبسط و منقبض کرد. این ثبت مهر تایید دیگری بر نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین و البته وجود سیاه‌ چاله‌ها بود.

8. هوشیاری


هوشیاری یکی از مرموزترین پدیده‌ی شگفت‌انگیز علمی در این لیست است. اصول علمی مانند فیزیک فقط می‌توانند به شیوه‌‌ای غیرمستقیم استنتاج شوند اما تنها چیزی که به‌طور قطع مطمئنم این است که من هوشیارم. ممکن است ندانیم خواستگاه این پدیده‌ی شگفت‌انگیز علمی کجاست اما در وجود آن شبهه‌ای نیست. از طرفی دیگر از نظر زیست‌شناسی همه‌ی حیوانات دارای فیزیولوژی پیچیده‌ای هستند و این صرفا مختص انسان نیست و در سطح یک ذره از ماده‌ی مغز هیچ چیز استثنایی در مورد مغز انسانها وجود ندارد. تنها متخصصین، آن هم زیر میکروسکوپ می‌توانند تشخیص دهند که تکه‌ای از مغز متعلق به انسان است یا موش و یا میمون.


جانوران هم رفتار پیچیده‌ای دارند، حتی زنبورهای عسل چهره‌‌های خاص را تشخیص می‌دهند و با رقص قرقره‌ای (Waggle Dance) رقصی است که در آن زنبور به دیگر همنوعان خود منبع غذایی را با اعلام مسافت و زاویه نسبت به خورشید معرفی می‌کنند، کیفیت و موقعیت منابع غذایی را اعلام می‌کنند و به کمک نشانه‌های ذخیره شده در حافظه‌ی کوتاه مدتشان مارپیچ‌های پیچیده را طی می‌کنند. اگر رایحه‌ای را به درون کندوی زنبورها بدمید آنها به محلی که پیش‌تر با این عطر مواجه شده بودند باز خواهند گشت. این همان حافظه‌ی تداعی است. توضیح ساده‌ی آن این است که آگاهی به تمامی این موجودات بسط می‌یابد که این یک ویژگی اصلی ماده‌ای با ساختارهای سازمان یافته مانند مغز است.

این پدیده‌ی شگفت‌انگیز علمی صرفا یک ویژگی داشتن مغز پیچیده و فعال نیست، زیرا وقتی مغز سالم و فعال است هشیاری ممکن است موقتا محو گردد. بیش‎تر انسان‎ها‎ یک سوم زندگی خود را در خواب می‎گذرانند و در این زمان هیچ حس هشیاری ندارند اما ثبت فعالیت الکتریکی مغز نشان می‎دهد که یک مغز خواب اغلب همانند یک مغز بیدار مشغول کار است. هشیاری با وجود آنکه ذهنی است ولی یک پدیده ویژه و نه صرفا یک اثر جانبی محسوب می­‌شود؛ یعنی دچار تحول شده و دارای هدف بیولوژیکی می‎باشد.


علم مغز تا حد زیادی بر مطالعۀ مغزهای آسیب دیده متکی است. مطالعه پدیده هشیاری نیز از این امر مستثنی نیست. یکی از موارد بسیار جالب پدیده‎ای به نام کوربینی است که در اوایل دهه‌ی ۱۹۷۰ توسط لارنس وایزکرانتز از دانشگاه آکسفورد مورد مطالعه قرار گرفت. کوربینی در بیمارانی دیده می‎شود که کوری آنها بر اثر آسیب به قشر مخ دیداری مغز آنها به دلیل سکته مغزی یا تومور پدید آمده است و ناشی از آسیب به چشم یا عصب‎های بینایی نیست. کسانی که دچار کوربینی هستند هیچ‎گونه هشیاری آگاهانه نسبت به توانایی بینایی خود ندارند. ولی در عین حال می‎توانند به اشیایی که در دامنه دید آنها قرار گرفته است اشاره کنند و حتی آنها را به چنگ بگیرند.