چگونه ریچارد فاینمن توانست وجود امواج گرانشی را ۶۰ سال پیش ثابت کند

 ریچارد فاینمن برای پیدا کردن پاسخ این پرسش نظری که آیا امواج گرانشی وجود دارند یا خیر، هیچ‌گاه به دیگر کارشناسان و مراجع اعتماد نکرد. در عوض او سعی داشت با توسعه‌ی یک پاسخ منطقی که از ساده‌ترین روش ممکن و بر پایه‌ی اصول اولیه به دست آمده باشد، خود را قانع کند. بعد از این‌که او توانست استدلالش را از نقطه‌نظر خودش در ذهن بپروراند، خود را آماده کرد تا دیگران را نیز قانع کند.

شبیه‌سازی رایانه‌ای از ادغام دو سیاه‌چاله که منجر به تولید امواج گرانشی می‌شود.

در اولین کنفرانس آمریکایی با موضوع نسبیت عام موسوم به کنفرانس GR1، که در چاپل هیل در ژانویه‌ی سال ۱۹۵۷ برگزار شد، فاینمن استدلالی را مطرح کرد که نشانگر نبوغ زیاد او بود. وی بیان کرد که امواج گرانشی با خود انرژی حمل می‌کنند. استدلال او در واقع پیش‌بینی کشف رصدگر موج گرانشی تداخل لیزری (LIGO) در ۶۰ سال پیش است. دانشمندان با استفاده از LIGO در فوریه‌ی سال ۲۰۱۶ اعلام کردند که امواج گرانشی وجود دارند.

امواج گرانشی از لحاظ تئوری در هنگام ادغام دو جرم دوار تولید می‌شود

اما پرسش اینجا است که فاینمن چگونه از کنفرانس نسبیت عام سر درآورده بود؟ او کاملا درگیر الکترودینامیک کوانتومی (QED) بود و با دنیای فیزیک ذرات کوچک سروکار داشت. زمینه‌ی اصلی فعالیت او کوانتوم بود که باعث شد برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فیزیک و چند جایزه‌ی دیگر شود؛ اما مانند اکثر متفکران بااستعداد، او به زمینه‌های علمی دیگر نیز علاقه داشت.

برای این‌که بفهمیم چگونه فاینمن به کنفرانس GR1 دعوت شد، ابتدا باید نگاهی به برگزارکنندگان آن داشته باشیم: ریاضی‌فیزیکدان فرانسوی-آمریکایی با نام سسیل دویت مورِت و همسر آمریکایی او برایس دویت که هر دوی آن‌ها احترام زیادی برای خط فکری مستقل فاینمن قائل بودند؛ همچنین باید از شخصی که در پشت پرده نقش مهمی در برگزاری کنفرانس داشت، اسم ببریم؛ جان آرچیبالد ویلر، یک فیزیکدان از دانشگاه پرینستون که بیشتر سخنرانان کنفرانس را او دعوت کرده بود.

ریچارد فاینمن، در سال برگزاری کنفرانس GR1

ارتباط دویت مورت با فاینمن به دهه‌ی ۱۹۴۰ برمی‌گشت، زمانی که او به‌طور مکرر با فاینمن دیدار و در مورد مکانیک کوانتوم بحث می‌کرد و برای توضیح مبسوط این حیطه از علم به شیوه‌ی ریاضی، تلاش می‌کرد. همسر او، بریس دویت یکی از شاگردان جولیان شوینگر بود، کسی که به همراه فاینمن در توسعه‌ی الکترودینامیک کوانتومی (QED) نقش داشت. شوینگر تلاش می‌کرد دینامیک گرانشی کوانتومی (Quantum Gravidynamics) را توسعه دهد؛ کاری ماجراجویانه که پیچیدگی آن از حد تصور شوینگر خارج بود.

در نهایت کسی که در دعوت فاینمن به کنفرانس نقش داشت، آرچیبالد ویلر بود که راهنمایی او در مقطع PhD در پرینستون را به عهده داشت. با این‌که ویلر از برگزارکنندگان اصلی کنفرانس نبود؛ اما شخصیت مهمی به‌حساب می‌آمد و سرپرستی گروهی از دانشمندان خبره را بر عهده داشت که در مورد گرانش در حال تحقیق بودند. به همین دلیل به او اختیار تام داده شده بود تا هر دانشجو یا دانشجوی سابقی را که بخواهد به کنفرانس دعوت کند. کسانی که ویلر به کنفرانس دعوت کرد این اشخاص بودند: جوزف وبر که علاقه‌ی زیادی به موضوع امواج گرانشی داشت و همین‌طور چارلز میزنر. میزنر همانند برایس دویت در تلاش بود تا نظریه‌ی نسبیت عام را به شکلی درآورد که با ماهیت کوانتومی کیهان هماهنگ‌تر شود. ویلر فاینمن را نیز دعوت کرد؛ چرا که او همیشه به عقیده‌ی فاینمن به‌عنوان یک شخص خارج از این حیطه ارج می‌نهاد. او امیدوار بود که فاینمن با استفاده از بینش قوی و دانش زیاد خود در مورد QED، پیشنهادات مهمی در مورد الکترومغناطیس و نظریه‌های گرانشی ارائه دهد تا این علوم زیر چتر مکانیک کوانتوم قرار گیرند.

وقتی که فاینمن به فرودگاه رالی دورهام، نزدیک‌ترین فرودگاه به چاپل هیل، رسید؛ مطمئن نبود کنفرانس در کدام یک از دانشگاه‌های آن منطقه که همگی عنوان «کارولینای شمالی» را داشتند و در دعوت‌نامه‌ی او هم با این عبارت آمده بودند، برگزار خواهد شد. او هنگام سوار شدن به تاکسی فکری را در ذهن پروراند. او از راننده پرسید آیا از بین مسافرانی که وی در آن روز به آن‌ها برخورده، کسی بوده است که در فکر غرق شده باشد و با در مکالمه با همکار خود از عباراتی مانند «موو»،‌‌ «نوو» و «جی» (عباراتی که در نظریه‌ی نسبت عام زیاد به چشم می‌آیند) استفاده کرده باشد. خوشبختانه جواب راننده مثبت بود و فاینمن از راننده خواست او را به همان مکانی ببرد که آن‌ها رفته بودند.

یک پالسار (تب اختر) که در حال دور زدن یک پالسار دیگر است و امواج گرانشی ایجاد شده (برآمدگی و فرورفتگی در فضا-زمان) در نتیجه‌ی آن

موضوع امواج گرانشی به دوران انیشتین بازمی‌گردد، زمانی که در یکی از اولین مقالات مربوط به نسبیت عام در مورد آن صحبت شده بود. انیشتین و یکی از دستیاران او، ناتان روزن در سال ۱۹۳۶ در یک مقاله‌ی دیگر با عنوان «آیا امواج گرانشی وجود دارند؟» دوباره به این موضوع پرداختند. در آن مقاله آن‌ها به بررسی راه‌ حلی پرداختند که شامل تقارن استوانه‌ای بود؛ همانند یک قوطی حلبی. انیشتین و دستیارانش ابتدا نشان دادند که امواج گرانشی یکی از تبعات چارچوب ریاضی در نظر گرفته‌شده برای یک موضوع کلی‌تر است و در دنیای واقعی وجود ندارند؛ همانند درج عدد صفر روی یک متر که معنی خاصی ندارد و با جابه‌جا کردن آن، نقطه‌ی دیگری به‌عنوان صفر در نظر گرفته می‌شود. در هر صورت آن‌ها مقاله‌ی خود را به Physical Review ارائه کردند؛ اما به علت اشاره به یک منبع ناشناس، که در مورد وجود یک اشتباه بود، مقاله‌ی آن‌ها رد شد. انیشتین که از این موضوع ناراحت شده بود ،تصمیم گرفت مقاله را این بار تسلیم ژورنال Franklin Institute کند. شخصی به نام رابرتسون، بدون این‌که شناخته شود، راهی به انیشتین نشان داد تا اشکال موجود در مقاله را برطرف کند، به این معنی که از لحاظ فیزیکی امواج گرانشی استوانه‌ای وجود دارند. انیشتین اصلاحات پیشنهادشده را پذیرفت. در نسخه‌ی نهایی مقاله، پیش‌بینی شده بود که امواج گرانشی در فضا حرکت می‌کنند، درست همانند امواج الکترومغناطیس.

اما روزن همچنان در این مورد دودل بود. او تصمیم گرفت بر اساس محاسباتی که با روش شبه تانسور انرژی (Energy Pseudo Tensor) انجام داده بود، استدلالی علیه پیش‌بینی حمل انرژی توسط امواج گرانشی ارائه دهد. روشی موسوم به Energy Pseudo Tensor، یک روش جنجالی برای بررسی و نقشه‌برداری از انرژی گرانشی یک منطقه از فضا است. به این علت این روش جنجالی است که با تغییر اندکی در سیستم مختصاتی، پیش‌بینی به‌دست‌آمده از آن تغییر می‌کند. روزن این روش را برای امواج گرانشی که در فضای تهی حرکت می‌کنند، اعمال کرد و نشان داد که میزان انرژی حمل شده توسط این امواج در هر نقطه صفر است. طبق محاسبات او، تنها ناحیه‌هایی از فضا که دارای جرم یا انرژی هستند، می‌توانستند حاوی انرژی گرانشی باشند. در مابقی محیط یعنی در فضای خالی بین‌ ستاره‌ای، انرژی گرانشی ناپدید می‌شد؛ بنابراین طبق گفته‌ی او، هیچ‌گونه تشعشع گرانشی برای حرکت در فضا وجود نداشت. بعد از مرگ انیشتین در سال ۱۹۵۵، روزن بر استدلال خود مبنی بر عدم وجود اعتبار فیزیکی امواج گرانشی اصرار ورزید.

با این‌که روزن در کنفرانس Chapel Hill شرکت نکرد؛ اما مقالات او در کنفرانس خوانده شد و نظرات او مورد بحث قرار گرفت. ویلر، وبر، فلیکس پیرانی فیزیک‌دان بریتانیایی، هرمن بوندی ریاضی‌دان انگلیسی-اتریشی و دیگران با مسئله‌ی وجود تشعشعات گرانشی و نحوه‌ی اندازه‌گیری انرژی آن کلنجار رفتند. یکی از موضوعات اصلی کنفرانس توسعه‌ی یک نظریه‌ی کوانتومی برای گرانش بود و از این‌رو شرکت‌کنندگان، مشخص کردن نحوه‌ی توصیف امواج گرانشی را یکی از مراحل مهم رسیدن به آن هدف می‌دانستند. اگر فوتون‌ها شکل کوانتومی تشعشعات الکترومغناطیسی باشند،‌ گراویتون‌ها (Gravitons) هم باید نسخه‌ی کوانتومی گرانش باشند که باید ابتدا توسط فیزیک کلاسیک به‌طور کامل درک شوند تا قوانین کوانتومی روی آن‌ها اعمال شود.

یک موضوع مشخص است: اگر امواج گرانشی وجود دارند، باید با خود انرژی حمل کنند. فاینمن به‌جای بحث و مناظره در مورد درستی استفاده از روش شبه تانسور برای توصیف گرانش، به یک استدلال شهودی‌تر پرداخت؛ چیزی که از آن با عنوان «استدلال مهره‌ی چسبنده» نام برده شد.

در آزمایش فرضی فاینمن، یک میله‌ی نازک وجود دارد و ذره‌ای روی آن ثابت نگه‌ داشته شده است و ذره‌ی دیگر با فاصله از آن روی میله قرار دارد و می‌تواند آزادانه به جلو و عقب حرکت کند، همانند حرکت پرده روی چوب‌پرده. این دو ذره‌ی مشابه، دو بار الکتریکی خواهند بود که روی یک آنتن عمودی دریافت سیگنال‌های رادیویی وجود دارند. همان‌طور که پالسی از تشعشعات الکترومغناطیس باعث نوسان بارهای الکتریکی می‌شود، همین موضوع می‌تواند در «آنتن گرانشی» نیز اتفاق بیافتد؛ در زمانی که یک موج گرانشی از میان آنتن عبور کند. بیشترین تأثیر این امواج زمانی اتفاق می‌افتد که موج بر آنتن عمود باشد. در اثر برخورد موج گرانشی به آنتن، ذره‌ی آزاد نسبت به ذره‌ی ثابت شروع به نوسان در راستای میله خواهد کرد. حرکت رفت و برگشتی بین ذره‌ی در حال نوسان و میله باعث ایجاد اصطکاک و تولید گرما خواهد شد. بنابراین امواج گرانشی باید حامل انرژی باشند، در غیر این صورت انرژی گرمایی از کجا آمده است؟

استدلال فاینمن این بود که امواج گرانشی می‌توانند باعث تغییر مکان ذرات شوند، همان‌طور که امواج الکترومغناطیس در طول یک آنتن باعث حرکت بار الکتریکی می‌شوند. این استدلال او اساس طراحی LIGO قرار گرفت

وبر که تا اندازه‌ای از بحث‌های مطرح‌شده در کنفرانس GR1 الهام گرفته بود، در دانشگاه مریلند دست به ساخت یک آنتن گرانشی زد. در اواخر دهه‌ی ۶۰ او ادعا کرد که شواهد فزاینده‌ای مبنی بر وجود امواج گرانشی یافته است؛ اما اکثریت جامعه‌ی فیزیک میزان حساسیت دستگاه و همچنین نتایج یافته‌های او را که قادر به بازتولید آن‌ها نبود، زیر سؤال بردند. حساسیت «میله‌ی وبر»، هم از لحاظ اندازه‌ی موج و هم از لحاظ فرکانس در حدی نبود که نتایج قانع‌کننده‌ای به دست دهد؛ اما در پروژه‌ی LIGO که در دو آزمایشگاه در هانفورد واشنگتن و لیوینگ‌استون لوئیزیانا در حال انجام است، به ترتیب از تداخل‌سنجی به همراه آینه‌های ویژه و از یک دستگاه بسیار بزرگ‌تر از میله‌ی وبر برای افزایش میزان حساسیت و قابلیت اطمینان آزمایش استفاده شده است.

جوزف وبر در حین کار با نمونه‌ی اولیه از ردیاب امواج گرانشی، که با نام «میله‌ی وبر» شناخته می‌شود

فاینمن در سال ۱۹۸۸ از دنیا رفت، زمانی‌ که طرح‌های اولیه‌ی LIGO در حال توسعه بود و بسیار پیش‌تر از این‌که امواج گرانشی کشف شوند. بدون شک اگر او زنده می‌بود، از دیدن این‌که ایده‌ی آزمایش مطرح‌شده توسط او و بر مبنای استدلال او در دهه‌های بعدی منجر به کشف شگفت‌انگیز امواج گرانشی شده است، خرسند می‌شد.