9 پدیده‌ی شگفت‌انگیز علمی که دانشمندان در آرزوی دیدن مستقیم آنها هستند (قسمت اول)

MacTavish · 31/8/19

علم روز‌به‌روز در حال پیشرفت است ولی بازهم پدیده‌های علمی زیادی وجود دارد که تاکنون دانشمندان به‌طور مستقیم قادر به مشاهده‌ی آنها نبودند. وجود امواج گرانشی، پس از یک قرن تلاش سرانجام سال قبل تایید شد. 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 گجت نیوز همراه باشید تا به 9 پدیده‌ی شگفت‌انگیز علمی که در کمال ناباوری، دانشمندان در آرزوی دیدن مستقیم آنها لحظه‌شماری می‌کنند، بپردازیم.

10 پدیده‌ی شگفت‌انگیز علمی که دانشمندان در آرزوی دیدن مستقیم آنها هستند (قسمت اول)

1. نخستین جاندار روی زمین

و در آغاز ایدا (IDA)، یکی از 10 پدیده‌ی شگفت‌انگیز علمی، جان گرفت؛ نخستین ماده‌ای که از جمود زمین گسست و زندگی خلق شد. پس از ایدا که ساده‌ترین شکل زندگی بود، زندگی نسل اندر نسل به سادگی باورناپذیری ادامه یافت تا نوبت رسید به لوکا (Luca). این عبارت، روایتی است که اغلب زیست‌شناسان از چگونگی خلقت حیات نخستین روی زمین تعریف می‌کنند. ایدا و لوکا کماکان درون یاخته‌های جانداران زندگی می‌کنند، یاخته‌های جانداران از رمزهای ژنتیکی یکسانی برای ترجمه‌ی به توالی پروتئین‌ها استفاده می کنند، بنابراین لوکا نیز باید چنین بوده باشد؛ اما پیش از لوکا چی؟ آیا در جانداران ساده پیش از لوکا پروتئین‌ها بر DNAمقدم بوده‌اند یا DNA بر پروتئین‌ها؟ نخستین موجود زنده یا ایدا که باید ساده‌‌ترین شکل زنده و تنها بر ساخته از یکی از این مولکول‌‌های زندگی بخش باشد، از پروتئین‌ها ساخته شده بود یا DNA؟ احتمالا هیچ کدام! RNA مولکولی است با عملکرد و ساختار بسیار شبیه به DNA که در همه‌ی سلول‌های زنده یافت می‌شود.

این ماده هم مثل DNA اطلاعات ژنتیکی را منتقل می‌کند و هم مثل پروتئین‌ها خاصیت آنزیمی دارد و در حقیقت تنها آنزیم غیر پروتئینی جهان است که می‌تواند بدون کمک پروتئین‌ها یا هیچ مولکول دیگری، هم رمز ژنتیک را در رشته‌ی بعدی RNA بازسازی کند و هم از آن مهم‌تر، تولید مثل کند، یعنی رشته‌ی مشابه خود بسازد. فرضیه‌ی محتمل برای زندگی نخستین، پس از ایدا و پیش از لوکا «جهان RNA» نام دارد. این فرضیه مدعی است که لوکا در محیطی متولد شد که پر بود از مولکول‌های RNA، همان سوپی که در نهایت DNA و نخستین سلول‌ها درون آن شکل گرفت. اما خود آر.ان.ای از کجا آمد؟ در دهه‌ی 1950 دو شیمیدان آمریکایی به نام‌های‌ استنلی‌میلر و هارولداوری در آزمایشی مشهور، مخلوطی از گازهای موجود در زمین اولیه را در مجاورت آب و تخلیه‌ی الکتریکی (برای شبیه‌سازی رعد‌و‌برق) قرار دادند و در بقایای به‌جای‌مانده، مقادیر قابل توجهی مولکول‌های اصلی حیات را شناسایی کردند.

طی شش دهه‌ی گذشته فرضیات متنوعی در تکمیل این پدیده‌ی شگفت‌انگیز علمی مطرح شده، مثلا برخی حدس می‌زنند که دودکش‌های آب داغ موجود در بسـ*ـتر اقیانوس‌ها شرایط مناسبی برای تهیه‌ی (سوپ داغ متان، مواد معدنی و آب) و شکل‌گیری فراهم می‌کند. برخی دیگر، برکه‌های لجن‌آلودی را زادگاه RNA می‌دانند که انجماد و ذوب‌شدگی پیوسته‌ی آب در آنها واکنش‌های شیمیایی را در جهت دلخواه هدایت می‌کند. تازه‌ترین آزمایش‌ها برای پدید آوردن RNA از مواد خام نشان داده که حیات نخستین، می‌تواند در مکان‌های دیگری به جز زمین نیز پدیدار شود!

2. ابر اورت

هر کتاب نجومی را که باز کنید، مبحثی را به ابر اورت (Oort cluod) اختصاص داده است. این پدیده‌ی شگفت‌انگیز علمی، ساختاری کروی مشتمل بر یک هزار میلیارد توده‌ی سنگ و یخ است که اغلب آنها جند کیلومتر بیشتر پهنا ندارند و خارجی‌ترین بخش منظومه‌ی شمسی را تشکیل می‌دهند. خارجی‌ترین لایه‌ی ابر اورت صدهزار بار دورتر از فاصله‌ی زمین تا خورشید است و از ثلث فاصله‌ی خورشید تا نزدیک‌ترین ستاره‌ی همسایه‌اش (پروکسیما قنطورس) نیز فراتر می‌رود. اجرام ابر اورت به مراتب کوچک‌تر از آنند که بتوان از زمین آنها را مشاهده کرد و عملا در تاریکی مطلق به سر می‌برند. در آن فاصله، خورشید به قدری ریز است که می‌توان قرص آن را با سر سوزنی پوشاند. تنها دلیلی که تاکنون بر وجود ابر اورت یافته‌ایم، گذرگاه و بیگاه دنباله‌دارهای بلند‌دوره‌ای است که حدس می‌زنیم برخی از اجرام ابر اورت باشند که اختلالات گرانشی دیگر ستارگان نزدیک، آنها را رهسپار ملاقات با خورشید کرده است. به عقیده‌ی اخترشناسان، ابر اورت از مواد برجای‌مانده‌ی پس از شکل‌گیری سیارات پدید آمده و تحلیل و توزیع جرم و ابعاد آنها، اطلاعات ارزشمندی از تحولات روزهای نخست منظومه‌ی شمسی در اختیارمان قرار می‌دهد.

یکی از روش‌های پیشنهاد شده برای تشخیص این اجرام همان روشی است که شکارچیان سیارات فراخورشیدی به کار گرفته‌اند، اینکه وقتی این اجرام از مقابل ستارگان می‌گذرند، افت روشنایی ستارگان را اندازه‌گیری کرده و ابعادشان را تعیین کنیم. در سال 2009 پژوهشگران کلتک (انستیتو فناوری کالیفرنیا) نشان دادند که تلسکوپ فضایی کپلر(که آن روزها تازه به فضا پرتاب شده بود) بالقوه می‌تواند اجرامی از ابر اورت را که چند ده کیلومتر پهنا دارند، به‌هنگام عبور از مقابل ستارگان تشخیص دهد. اما در عمل، دردسرهای زیادی برای تشخیص اجرام ابر اورت وجود دارد. افت‌های ناچیز نور ستارگان می‌تواند حاصل اختلالی در آشکار ساز تلسکوپ باشد، ضمن آنکه تلسکوپ کپلر جایی به‌مراتب بالاتر از صفحه‌ی منظومه‌ی شمسی (دایره البروج) را نشانه رفته است؛ منطقه‌ای که از بیشترین چگالی اجرام ابر اورت فاصله‌ی بسیار دارد؛ اما گذر دنباله‌دارهای بلند‌دوره‌ی تازه وارد برای اغلب منجمان کافی است تا با تعقیب مدار این اجرام به محدوده‌ی ابر اورت، از وجود این منطقه مطمئن شوند.

3. سیاهچاله‌ ها

27 هزار سال نوری دورتر از ما، پدیده‌ی شگفت‌انگیز علمی در قلب کهکشان راه شیری خانه کرده که از هر توصیفی خارج است. البته دلیل بسیار خوبی برای چنین توصیفی وجود دارد، هیچ کس نمی‌تواند آن را ببیند. ما عملا مطمئنیم که (چیز) عظیمی در قلب کهکشان ما وجود دارد، زیرا ستارگان نزدیک به آن (چیز) چنان دیوانه‌وار حرکت می‌کنند که گویی به دور جرمی چهار میلیون بار سنگین‌تر از خورشید می‌گردند. فریادهای رادیویی قدرتمندی از این ناحیه دریافت می‌شود و از این‌رو، اخترشناسان آن را SGR A (به معنی نخستین و قویترین منبع رادیویی صورت فلکی کمان) نامیده‌اند. هر چند کسی نتوانسته آنرا به طور مستقیم ببیند، اما شواهد وجودش به قدری زیاد است که اغلب فیزیکدانان آنرا (نمونه‌ای بارز از سیاه چاله‌ای عظیم) تفسیر می‌کنند. سیاهچاله ها چنان اجسام چگال و سنگینی‌اند که هیچ چیز، حتی نور که باعث دیده شدن آنها می‌شود، نمی‌تواند از دام گرانششان بگریزد. کشف اموج گرانشی که ظاهرا طی برخورد دو سیاهچاله‌ی نسبتا کوچک به یکدیگر منتشر شده، آخرین مورد از مجموعه شواهد غیر مستقیمی است که نشان می‌دهد سیاهچاله‌ها چیزی فراتر از هیولاهای فرضی دنیای رویایی فیزیکدانان نظری است.

موج ثبت شده در آشکارساز لایگو از نگاه بسیاری از فیزیکدانان بهترین دلیل یافته‌شده بر وجود سیاهچاله‌‌ها یا اجسامی بسیار شبیه به آنها در جهان است؛ اما کم نیستند دانشمندانی که (سیاهچاله بودن) منشا این موج گرانشی را باور نکرده‌اند. البته با کشف موج گرانشی دوم در لایگو عملا همه‌ی فیزیکدانان وجود سیاهچاله‌ها را اثبات شده فرض می‌کنند. صد البته بحث بر سر سیاهچاله‌ها دردسرهای خودش را دارد. سیاهچاله‌ها معدن بزرگ‌ترین متناقض نماها (پارادوکس‌ها) بین نسبیت عام و مکانیک کوانتومی هستند، دو نظریه‌ای که سنگ بنای درک انسان معاصر را از عالم تشکیل می‌دهد. محاسبات نظری نشان می‌دهد که سیاهچاله‌ها با گذشت زمان به آرامی تبخیر شده و در نهایت چیزی از آنها باقی نمی‌ماند. در خلال این فرآیند، تشعشعاتی از آنها ساطع می‌شود که به افتخار نظریه‌پرداز این محاسبات، (تابش هاوکینگ) نام گرفته است. سوال اینجاست که در این فرآیند بر سر ماده و انرژی بلعیده شده توسط سیاهچاله و اطلاعات موجود در آنها چه می‌آید؟

به عقیده‌ی اغلب فیزیک‌دانان نمی‌توان این مسئله را بدون تغییر برخی اصول و قوانین بنیادی قیزیک حل کرد. با وجود تمام مشکلات موجود، پژوهشگران هنوز امیدوارند اطلاعات مناسبی برای حل معمای سیاهچاله‌‌ها کسب کنند. بهترین بخت آنها تلسکوپ Event Horizone (به معنی تلسکوپ افق رویداد) است، شبکه‌ای بین‌المللی از تلسکوپ‌های رادیویی که فعالیت خود را در سال 2017 آغاز می‌کند و هدفش ثبت تصویری محو از سیاهچاله‌ی مرکزی کهکشان راه شیری با وضوحی معادل افق رویداد این سیاهچاله است. افق رویداد مرز برگشت‌ناپذیری سیاهچاله را با حلقه‌ای از نور مشخص می‌‌کند. برای این کار، به جستجوی تابش برآمده از الکترون‌های داغی می‌پردازد که درون میدان مغناطیسی شدید سیاهچاله منحرف می‌شوند. اگر اخترشناسان چنین پرتوهای خاصی را بیابند، با تحلیل برخی ویژگی‌های آن مانند اعوجاجات نور، خواهند توانست اطلاعاتی از ساختار داخلی سیاهچاله استخراج کنند.

4. گیرنده‌های مغناطیسی

تخم‌ها یکی پس از دیگری ترک برداشت و بچه لاک‌پشت‌ها از زیر شن‌های ساحل فلوریدا بیرون آمدند. «کن لاهمن» که چند ساعتی منتظر مانده بود، دست به کار شد، 32 بچه لاک‌پشت را برداشت و به آزمایشگاه خود منتقل کرد. آزمایشگاه، اتاق تاریکی بود که درون آن استخر کوچکی از آب تعبیه شده و اطراف آن را آهنرباهای الکترتیکی فرا گرفته بود. لاهمن حسگرهایی موقعیت‌سنج را روی لاک‌پشت‌ها نصب کرد و آنها را به ترتیب درون استخر رها کرد. برای هر بچه لاک‌پشت، او چندین بار جهت میدان مغناطیسی را تغییر داد. آزمایش لاهمن در سال 1991 آنچه را سالها پژوهشگران حدس می‌زدند، اثبات کرد: لاک‌پشت‌ها می‌توانند میدان مغناطیسی را احساس کنند و جهت شنا کردن خود را متناسب با جهت آن تغییر دهند. به راستی لاک‌پشت‌ها با کدام روس دیگر جز حس کردن میدان مغناطیسی زمین می‌توانند در اقیانوس‌های گسترده‌‌ی زمین جهت‌یابی کنند؟

اما این قابلیت منحصر‌به‌فرد لاک‌پشت‌ها نیست و به نظر می‌رسد گونه‌های متنوعی، از موش گرفته تا شاه‌‌میگو و مگس میوه نیز قابلیت مشابهی دارند؛ با این وجود تاکنون کسی نتوانسته گیرنده‌های مغناطیسی این موجودات را که احتمالا ساختاری یکسان دارد بیابد. در مورد تفسیر علائم، پژوهشگران به ناحیه‌ای در مغز مشکوک‌اند. در سال 2009 عصب‌شناسان با تصویربرداری از مغز چند کبوتر در حین تغییر میدان مغناطیسی اطراف متوجه شدند 53 جفت نورون شدت ارتباطات خود را به هنگام تغییر میدان مغناطیسی تغییر می‌دهند؛ اما سوال اینجا بود که این نورون‌ها اطلاعات خود را از کجا دریافت می‌کنند، به خصوص که هیچ انـ*ـدام مشخصی (مانند بینی یا گوش) برای تشخیص میدان مغناطیسی در این موجودات دیده نمی‌شود.

برخی زیست‌شناسان به کریپتوکروم (Cryptochrome) مشکوک‌اند، پروتئینی که در چشم بسیاری از جانوران مانند پرندگان و ماهی قزل‌آلا یافت شده است. کریپتوکروم، متناسب با میدان مغناطیسی، رادیکال‌هایی شیمیایی تولید می‌کند و مگس‌های میوه‌ای که ژن کریپتوکروم آنها با دستکاری ژنتیکی حذف شده، واکنشی به تغییر میدان مغناطیسی نشان نمی‌دهند. اما کریپتوکروم نمی‌تواند تمام مسئولیت تشخیص میدان مغناطیسی را بر عهده داشته باشد، چرا که چشمان ما انسانها هم حاوی چنین پروتئینی است ولی انسان‌ها نمی‌توانند میدان مغناطیسی را حس کنند. هنوز مشخص نیست که رادیکال‌های تولید شده چگونه می‌توانند پیغامی تفسیر پذیر به مغز بفرستند. سال گذشته، پژوهشگران دانشگاه پکینگ در چین پروتئینی حساس به میدان مغناطیسی کشف کردند که می‌تواند ماهیچه‌ها و سلول‌های عصبی را کنترل کند. آیا این پروتئین می‌تواند درک ما را از سیستم حسگرهای مغناطیسی موجودات زنده کامل کند؟ پاسخ این پرسش را گذر زمان مشخص خواهد کرد.