علم در ۵۰ سال آینده بطرز چشمگیری پیشرفت خواهد کرد

MacTavish · 11/2/20

بیگ بنگ: «لورد کِلوین»، فیزیکدان مشهور، در سال ۱۹۰۰ میلادی به این صورت با انجمن پیشرفت‌های علمی انگلیس مکاتبه کرد: «اکنون چیز جدیدی در فیزیک نیست که بخواهیم آن را کشف کنیم.» ادعای او کاملا اشتباه بود. علم فیزیک، طی یک قرن بعد شاهد تغییرات بنیادی بود، ما امید داریم علم در آیندۀ نزدیک نیز همینطور پیشرفت نماید.

به گزارش بیگ بنگ، طیف وسیعی از اکتشافات نظری و آزمایشی باعث ایجاد تحول در درک ما از هستی و جایگاه ما در آن شده است. یقیناً، قرن آتی هم اکتشافات و دستاوردهای خاص خود را به همراه خواهد داشت. هستی رازهای بسیار زیادی در دل خود دارد که ما انسان‌ها هنوز موفق به افشای آنها نشده‌ایم. فناوری این فرصت را در اختیار ما می‌گذارد تا این رازها را در ۵۰ سال آینده برملا کنیم. راز نخست، اصول بنیادیِ وجود ماست. فیزیک پیش‌بینی می‌کند که بیگ بنگ مقادیر ماده (که ما از همین ماده ساخته شده‌ایم) و پادماده یکسانی به وجود آورد. اکثر ذرات ماده دارای دوقلوی پادماده هستند؛ یکسان‌اند ولی با بار الکتریکی مخالف. وقتی این دو به هم برخورد می‌کنند، یکدیگر را از بین می‌برند و کل انرژی‌شان به نور تبدیل می‌شود.

اما جهانِ امروز تقریباً بطور کامل از ماده ساخته شده است. پس چه بر سر همه پادماده آمده است؟ برخورد دهنده هادرونی بزرگ(LHC) به ارتقای بینش ما در خصوص این سوال کمک کرده است. در این برخورد دهنده، پروتون‌ها با سرعت غیرقابل تصوری به یکدیگر برخورد داده می‌شوند؛ ماحصل آن، ایجاد ذرات سنگین ماده و پادماده‌ای است که به ذرات سبک‌تر تجزیه می‌شوند؛ و بسیاری از آنها قبلاً هرگز دیده نشده‌اند. برخورد دهنده هادرونی بزرگ نشان داده که ماده و پادماده با سرعت‌های نسبتا متفاوتی دچار فروپاشی می‌شوند. این عامل تا حدودی توضیح میدهد که چرا ما شاهد عدم تقارن در جهان هستیم.

برخورد دهنده ۲۷ کیلومتری در مرکز LHC با آنچه در آینده عرضه خواهد شد، اصلاً قابل قیاس نیست.
مشکل اینجاست که برخلاف عادت همیشگی فیزیکدانان دقیق، مرکز LHC مثل بازی کردن تنیس روی میز با راکت است. از آنجا که پروتون‌ها از ذرات کوچکتری تشکیل شده‌اند، محتویات درونی‌شان در هنگام برخورد با یکدیگر در همه جا پراکنده می‌شود؛ لذا کار برای شناسایی آنها از بین حجمه بزرگی از مواد خیلی دشوار می‌شود. افزون بر این، اندازه‌گیری ویژگی‌های آنها برای تجزیه و تحلیل‌های بعدی هم با دشواری همراه می‌گردد.

محققان با این شرایط نمی‌توانند بفمهند که چرا این مقدار از پادماده ناپدید شده است. اکنون محققان چشم به سه برخورد دهنده جدید دوخته‌اند که انتظار می‌رود در دهه‌های آتی ساخته شده و در اختیار آنان قرار بگیرد. یکی از مهمترین برخورد دهنده‌هایی که بی‌صبرانه منتظر توسعه آن هستیم، برخورد دهنده مُدور آینده(FCC) نام دارد. این برخورد دهنده‌ها الکترون‌ها و پادذرات آنها یعنی پوزیترون‌ها را با سرعتی بالاتر از آنچه در برخورد دهنده هادرونی بزرگ شاهدش هستیم، به یکدیگر برخورد خواهند داد.

الکترون‌ها و پوزیترون‌ها برخلاف پروتون‌ها، نامرئی هستند؛ بنابراین، میدانیم که دقیقا چه ذراتی را باید به یکدیگر برخورد دهیم. محققان این امکان را خواهند داشت تا میزان ِ انرژی را در زمان برخورد این دو ذره تغییر دهند تا ذرات پادماده مشخصی را تولید کنند و ویژگی‌هایشان را اندازه‌گیری کنند. اندازه‌گیری دقیق شیوه تجزیه و فروپاشی ذرات هم در دستور کار قرار دارد. این بررسی‌های علمی می‌تواند از فیزیک کاملا جدیدی رونمایی کند. این احتمال وجود دارد که ناپدید شدنِ پادماده با وجود ماده تاریک ارتباط داشته باشد؛ ماده تاریک به ذرات غیرقابل شناسایی گفته می‌شود که ۸۵ درصد از جرم جهان را تشکیل می‌دهند.

نبود پادماده و فراوانیِ ماده تاریک شاید ناشی از شرایطی باشد که در زمان رویداد بیگ بنگ حاکم بود؛ پس این آزمایش‌ها دقیقا منشاء وجود ما را نشانه گرفته‌اند. غیرممکن است پیش‌بینی کنیم که اکتشافات حاصل از برخورد دهنده پیشرفته آتی چه تاثیری بر زندگی ما خواهند گذاشت. اما آخرین‌باری که با یک تلسکوپ بسیار قوی جهان را به دقت مشاهده کردیم، موفق به کشف ذرات زیراتمی و جهان مکانیک کوانتومی شدیم؛ ما از این جهان کوانتومی در حال حاضر برای ایجاد تحولی عظیم در محاسبات، پزشکی و تولید نیرو استفاده می‌کنیم.

هنوز رازها و پرسش‌های زیادی در مقیاس کیهانی وجود دارد که انسان از یافتن ِ پاسخ ِ آنها عاجز مانده است. علی‌رغم کشف آب مایع در مریخ، هنوز شواهد و قرائنی مبنی بر وجود حیات میکروبی در سیاره سرخ کشف نشده است. حتی در صورت چنین کشفی، محیط سخت و نامساعد این سیاره بدین معنا خواهد بود که شرایط اولیه در آن برقرار است و باید عوامل گوناگونی دست به دست هم بدهند تا زمینه برای احیای حیات در آن فراهم گردد.

تصویر هنری از تلسکوپ فضایی جیمز وب
جستجوی حیات در سیارات منظومه‌های دیگر هنوز نتیجۀ خاصی را در بر نداشته است و محققان کماکان به جستجوی خود ادامه می‌دهند تا به آثاری از حیات دست یابند. اما تلسکوپ فضایی جیمز وب که قرار است در سال ۲۰۲۱ میلادی به فضا پرتاب شود، انقلابی در شیوۀ شناسایی “سیارات سکونت‌پذیر” ایجاد خواهد کرد. برخلاف تلسکوپ‌های قبلی که نوسان نور ستاره‌ها را به هنگام گردش سیاره‌ای از مقابل آن اندازه می‌گیرند، تلسکوپ فضایی جیمز وب از دستگاهی موسوم به کورونوگراف استفاده خواهد کرد تا نور ستاره‌ای را که به لنز تلسکوپ می‌رسد، مسدود نماید. این سازوکار تا حدود زیادی به این شباهت دارد که دستتان را جلوی چشمتان بگیرید تا مانع رسیدن نور به آن شوید. این روش به تلسکوپ فرصت خواهد داد تا بطور مستقیم سیاره‌های کوچکی را مورد مشاهده قرار دهد که در حالت عادی، درخشش پرنور ستاره مانعی در روند کار ایجاد می‌کند.

تلسکوپ فضایی جیمز وب نه تنها موفق به شناسایی سیاره‌های جدید خواهد شد، بلکه این نکته را هم تعیین خواهد کرد که آیا این سیاره‌ها می‌توانند از حیات پشتیبانی کنند یا خیر. وقتی نور یک ستاره به اتمسفر سیاره‌ای می‌رسد، طول موج‌های معینی جذب می‌شوند؛ با این کار، شکاف‌هایی در طیف بازتاب شده بر جای می‌ماند. این شکاف‌ها که بسیار شبیه به بارکُد هستند، نشانه‌هایی از اتم‌ها و مولکول‌هایی ارائه میدهند؛ اینها در تشکیل اتمسفر آن سیاره نقش اصلی را داشته‌اند.

تلسکوپ جیمز وب قادر می‌تواند این بارکدها را به دقت بخواند و تشخیص دهد که آیا سرانجام اتمسفر آن سیاره قادر است از حیات پشتیبانی نماید یا خیر. در همین راستا، “اروپا” قمر مشتری، بعنوان یکی از اهداف اصلی در منظومه شمسی ما است که می‌تواند شرایط حیات را فراهم نماید. علی‌رغم دمای پایینی که در این قمر حاکم است، نیروهای گرانشی ناشی از مشتری شاید نوعی دگرگونی در آب‌های زیر سطح این قمر پدید آورد و مانع انجماد آن گردد. در این صورت، قمر اروپا می‌تواند “مکان خوبی” برای بقای موجودات میکروبی یا حیات وابسته به آب باشد.

جهان کماکان رمز و رازهای بیشماری را در دل خود نهفته دارد؛ انسان در پی درک ِ جایگاه خویش در این جهان پهناور است و مایل است تا از سازوکارهای پیچیدۀ آن سر در بیاورد. البته که جهان به این راحتی رازهای خود را افشا نخواهد کرد، اما یقیناً دید ما نسبت به جهان و سازوکارهای آن در ۵۰ سال آینده دستخوش تغییرات بنیادی خواهد شد.