فراموش‌شده در تاریخ: داستان کشیشی که پیش از فیزیکدانان وجود سیاه‌چاله‌ها را پیش‌بینی کرد

ما سیاه‌چاله‌ها را یک کشف قرن بیستمی می‌دانیم که قدمتش به زمانی بازمی‌گردد که آلبرت اینشتین برای اولین‌بار نظریه نسبیت عام خود را منتشر کرد. اما تقریباً ۲۰۰ سال قبل از اینکه دانشمندان وجود سیاه‌چاله‌ها را بپذیرند، یک کشیش بریتانیایی به نام «جان میچل» ایده‌های شگفت‌آوری درباره این اجرام کیهانی عجیب منتشر کرد.

وجود سیاه‌چاله‌ها و اندیشیدن دراین‌باره که چند میلیارد از آنها کیهان را پر کرده‌اند، دیوانه‌کننده است. برای دهه‌ها در قرن بیستم، فیزیکدانان برجسته حتی خود آلبرت اینشتین نیز باور نمی‌کردند که این اجرام می‌توانند واقعی باشند و آنچه را که ریاضیات پیش‌بینی می‌کرد، نادیده گرفتند.

بااین‌حال، جان میچل، کشیش بریتانیایی ناشناخته هوشیاری درخورتوجهی درمورد سیاه‌چاله از خود نشان داد و بسیار جلوتر از هم‌عصران علمی‌اش بود. او فقط با استفاده از قوانین نیوتنی در قرن هجدهم این اجرام عجیب و غریب نجومی را به روش‌های شگفت‌انگیزی پیش‌بینی کرد. اما جان میچل که بود، چه چیزی را پیش‌بینی کرد و چرا ایده‌های او فراموش شدند؟

سارا ارجمند

چرا اینشتین درباره سیاه‌چاله‌ها اشتباه می‌کرد؟

مطالعه '16

میچل در سال ۱۷۲۴ در دهکده «ایکرینگ»، انگلستان به دنیا آمد و در خانه، کنار برادر و خواهر کوچک‌ترش تحصیل کرد. شهرت اولیه‌ی او به دلیل یادگیری سریع و ادراک قوی‌اش بود.

خانواده‌ی میچل از سنتی مسیحی به نام «وسیع‌نظری» پیروی می‌کرد که عقل را بر آموزه‌های افراطی ارج می‌نهاد. این سنت در دانشگاه کمبریج تحت رهبری «آیزاک نیوتن» ریشه داشت. به همین دلیل، هنگامی که زمان ورود جان به دانشگاه فرا رسید، او به کمبریج رفت. این دانشگاه که متشکل از ۴۰۰ دانشجو بود، برای گفتمان‌های روشنفکرانه محیطی ایده‌آل محسوب می‌شد.

میچل به مدت بیست سال، در پست‌های مختلف کمبریج ماند و به تدریس رشته‌های متنوعی مانند عبری، یونانی، الهیات، ریاضیات و زمین‌شناسی پرداخت. در همان سال‌ها، او شروع به نشان‌دادن ظرفیت خود برای آینده‌نگری علمی کرد.

علایق تحقیقاتی و دامنه‌ی دستاوردهای میچل حوزه‌های مختلفی از علم را در بر می‌گرفت. او شروع به بررسی مغناطیس کرد و نشان داد که نیروی مغناطیسی اعمال‌شده توسط هر قطب آهنربا با مجذور فاصله کاهش می‌یابد. مقاله‌ای که او در سال ۱۷۵۰ منتشر کرد، این قانون کاملاً جدید را با نام «مربع معکوس» معرفی کرد و کاربرد آهنربا در جهت‌یابی را افزایش داد.

پس از «زلزله فاجعه‌بار لیسبون» در سال ۱۷۵۵، میچل کتابی نوشت که با انتشار در سال ۱۷۶۰ به تثبیت زلزله‌شناسی به عنوان یک علم کمک کرد. میچل ایده‌ی پخش زمین‌لرزه‌ها به صورت امواج در زمین جامد را ارائه داد و آن‌ها را مربوط به جابه‌جایی در لایه‌های زمین‌شناسی دانست که امروزه «گسل» نامیده می‌شوند. این کار بزرگ او را به عضویت انجمن سلطنتی، سازمانی متشکل از دانشمندان برجسته، درآورد.

میچل همچنین راهی برای تخمین کانون زلزله‌ها ابداع کرد و این ایده را که زلزله‌ی زیردریایی می‌تواند باعث سونامی شود، بررسی کرد.

پس از ترک کمبریج در سال ۱۷۶۴، میچل در چهل سالگی با «سارا ویلیامسون» ازدواج کرد و به «تورنهیل» در «یورکشایر» نقل مکان کرد تا راه پدرش را به عنوان کشیش محلی دنبال کند. سارا سال بعداً درگذشت و میچل دوباره در سال ۱۷۷۳ ازدواج کرد.

میچل در کنار کارش در کلیسا، مکاتباتی با دیگر فیلسوفان طبیعی و روشنفکران آن دوره داشت. ارتباطات علمی میچل به‌عنوان کشیش شهری کوچک بسیار چشمگیر بود. دانشمندانی مانند «بنجامین فرانکلین»، «جوزف پریستلی» و «هنری کاوندیش» در مقطعی از کارش به بازدید او آمدند.

از دیدگاه قرن بیست و یکم، اینکه یک کارمند کلیسای مسیحی در قلب زندگی علمی قرار دارد، ممکن است، شگفت‌انگیز به نظر برسد. اما مانند بسیاری از روشنفکران قرن هجدهم، میچل بین دین و علم تمایز قائل نمی‌شد.

معرفی تلسکوپ‌ها در اوایل دهه ۱۶۰۰ تحول فلسفی بزرگی در سراسر اروپا ایجاد کرده بود. سلسله مراتب ثابت و مشاهده‌پذیر آفرینش خدا که روحانیان مسیحی به آن اتکا می‌کردند، توسط ایده‌ی یک مورخ علم، به نام «الکساندر کویره» سرنگون شد. این دیدگاه جهان را نامعین و حتی نامحدود نامید که باید از طریق مشاهده اجزای اساسی و قوانین آن درک می‌شد.

اما برای متفکرانی مانند میچل، این انقلاب جای قوانین خدا را نگرفت، بلکه صرفاً رمز و راز او را تجدید کرد؛ قوانین طبیعی نیز همچنان قوانین خدا بودند.

میچل مکتب نیوتنی را دنبال می‌کرد که ادعا داشت وظیفه‌ی ما در قبال خدا و همچنین نسبت به یکدیگر، در پرتو طبیعت بر ما ظاهر خواهد شد. آیزاک نیوتن نیز مانند میچل هیچ تفاوتی بین ایمان و علم نمی‌دید. همان‌طور که «مک کورمک» می‌گوید:

حقایق دینی جان میچل با حقایق طبیعت همخوانی داشت.

- مک کورمک

بنابراین، میچل در کنار وظایف محلی، به تدریج توجه خود را بر کیهان‌شناسی و به ویژه ماهیت گرانش متمرکز کرد. این حوزه‌ای بود که او در آن، حتی مدت‌ها پس از مرگش آثاری انقلابی تولید می‌کرد.

میچل تلسکوپ بازتابی سه متری خود را ساخت و در سال ۱۷۶۷ اولین کسی بود که روش‌های جدید ریاضی آمار را برای مطالعه‌ی ستارگان مرئی به کار برد و نشان داد که خوشه‌هایی مانند «پروین» را نمی‌توان با توزیع تصادفی توضیح داد و وجود آن‌ها باید نتیجه‌ی جاذبه گرانشی ستاره‌ای دیگر باشد. تجزیه و تحلیل او اولین شواهد را برای وجود ستارگان دوتایی و خوشه‌های ستاره‌ای ارائه کرد.

در سال ۱۷۸۳، هنری کاوندیش که اکنون دوست میچل بود، به او نامه‌ای نوشت و به مشکلاتی اشاره کرد که وی برای ساخت یک تلسکوپ جدید و حتی بزرگ‌تر خواهد داشت. او نوشت:

اگر مشکلات سلامتی‌ات اجازه نمی‌دهد که به این کار ادامه دهی، امیدوارم حداقل به کار آسان‌تر و کم زحمت‌تر [وزن کردن جهان] بپردازی.

- هنری کاوندیش

جمله‌ی کاوندیش که شبیه شوخی به‌نظر می‌آید، به یک تلاش واقعی در این راستا اشاره داشت. میچل روی یک ترازوی پیچشی حساس کار می‌کرد؛ دستگاهی که به او اجازه می‌داد چگالی سیاره زمین را از طریق اندازه‌گیری جاذبه‌ی گرانشی بین وزنه‌های سربی تخمین بزند.

اما متأسفانه میچل قبل از اینکه بتواند از دستگاه استفاده کند و به توصیه کاوندیش عمل کند درگذشت. پس از مرگش این ترازو ابتدا به «هاید والستن» و سپس به کاوندیش رسید.

در اواخر تابستان سال ۱۷۹۷ کاوندیش ترازو را بازسازی کرد و تصمیم گرفت نیروی جاذبه را با دقت هرچه تمام اندازه‌گیری کند. آزمایش او یک سال طول کشید و درنهایت چگالی زمین با یک درصد تفاوت از مقداری که اکنون پذیرفته شده است، محاسبه شد.

با وجود پیشرفت تکنولوژی، دستگاه میچل هنوز هم در اندازه‌گیری ثابت گرانشی استفاده می‌شود و ابزارهای کنونی نتوانسته‌اند تغییر چشم‌گیری در نتایج سابق ایجاد کنند.

در همان سالی که کاوندیش به میچل نامه نوشت، او مقاله‌ای منتشر کرد که اگرچه از نظر علمی ماندگاری کمتری داشت، شاید درخشان‌ترین بینش او در جهت درک جهان بود.

جان میچل در این مقاله با استفاده از قوانین نیوتن، توضیح داد که چگونه چگالی ستارگان را می‌توان با مشاهده‌ی نحوه تأثیر گرانش آن‌ها بر دیگر اجرام مجاور، به‌عنوان مثال، مدار ستاره‌ها یا دنباله‌دارهای دیگر، تعیین کرد. او سپس به بحث درمورد رفتار نور پرداخت و به این واقعیت فکر کرد که چون نور ذره است و جرم دارد، پس نور ساطع‌شده از یک ستاره باید با کشش گرانشی به عقب کشیده شود و سرعت آن کاهش یابد. نور درنهایت از چنین ستاره‌ای فرار می‌کند؛ اما همان‌طور که میچل توضیح داد برخی مواقع مجبور به بازگشت به سمت آن می‌شود.

میچل به نظریه ذره‌ای بودن نور پایبند بود که حدود هشتاد سال قبل توسط آیزاک نیوتن ارائه شده بود. اگرچه هیچ‌کس نتوانست آن را اثبات کند، نظریه در آن زمان باوری غالب بود.

میچل استدلال کرد که وقتی ذرات نور توسط ستاره گسیل می‌شوند، کشش گرانشی ستاره، سرعت فرار آنها را کاهش می‌دهد و یک تغییر سرعت مشاهده‌پذیر در نور ستاره ایجاد می‌کند. هرچند درک فعلی این است که میچل درمورد تأثیر گرانش بر سرعت نور اشتباه می‌کرد [چون نور کند نمی‌شود]، استدلال وی منطقی بود.

با همان اصول، میچل بار دیگر به درستی استنباط کرد که این امکان نیز وجود دارد که گرانش عظیم‌ترین اجرام اختری، بر پرتوهای نوری خودشان غلبه کند. یعنی اگر نور با نیرویی یکسان به نسبت اجسام دیگر جذب شود، تمام نور ساطع‌شده با نیروی جاذبه به ستاره برمی‌گردد.

میچل سپس محاسبه کرد که برای یک ستاره به این هدف برسد، باید چگالی آن برابر با خورشید و حدود ۵۰۰ برابر اندازه آن باشد. در بخشی از مقاله او ادامه می‌دهد:

چون نور چنین ستاره‌ای نمی‌تواند به ما برسد، ما نمی‌توانیم اطلاعات مشاهده‌پذیر داشته باشیم. این امر ستاره را نامرئی می‌کند؛ اما همچنان امکان دارد که بتوانیم آن را از بی‌نظمی در مدار سایر اجرام اختری نزدیک که ناشی از گرانش خود است، تشخیص دهیم.

- جان میچل

فرضیه‌ی میچل شاید نزدیک‌ترین تقریب ممکن تحت فیزیک نیوتنی به ایده‌ی سیاه‌چاله‌ها بود. چندین سیاه‌چاله از طریق مدار ستارگان همسایه، درست به روشی که میچل پیشنهاد کرده بود، شناسایی شده است. تنها در سال‌های اخیر تصاویر تلسکوپی توانسته‌اند شواهد غیرمستقیم را تایید کنند.

به گفته مک کورمک، وجود ستارگان نامرئی ایده‌ی نسبتاً رایجی در میان دانشمندان آن زمان بود. در همان سالی که میچل مقاله خود را منتشر کرد، چندین ستاره‌شناس دیگر درباره‌ی ستارگانی که نامرئی بودند، مکاتبه می‌کردند.

در سال ۱۸۰۵، «ادوارد پیگوت»، مقاله‌ای را منتشر کرد که در آن احتمال وجود ستارگانی که «هرگز نمایی از درخشندگی نشان نداده‌اند» را پیشنهاد کرد. او در بخشی از نامه پرسیده بود:

هرگز نمی‌توان تعداد واقعی آنها را مشخص کرد؛ آیا در این صورت خیلی رویایی خواهد بود که تعداد آنها را برابر با ستارگانی که دارای نور هستند، تصور کنیم؟

- ادوارد پیگوت

در فرانسه، «پیر سایمون لاپلاس» ایده‌ی ستاره‌های تاریک را مستقل از میچل در اواخر دهه ۱۷۹۰ مطرح کرد.

مدتی بعد از بالا گرفتن فرضیات یادشده، آزمایش‌های جدید به این ایده که نور از امواج تشکیل شده‌اند تا ذرات انبوه، قوت بخشید. بنابراین این فرضیه که نور می‌تواند دراثر گرانش تغییر شکل دهد یا به دام بیفتد، از مد افتاد. کار نجومی میچل نیز به فراموشی سپرده شد و تازه در نیمه‌ی دوم قرن بیستم دوباره کشف شد.

«کیپ تورن» در کتاب خود در سال ۱۹۹۴، به‌نام «سیاه‌چاله‌ها و تاب‌های زمانی»، به تضاد مشخص بین شور و شوقی که میچل و هم‌عصرانش در پذیرش ایده ستاره‌های نامرئی داشتند و مقاومت گسترده و تقریباً جهانی قرن بیستم در برابر سیاه‌چاله‌ها اشاره می‌کند.

کیپ تورن نتیجه می‌گیرد که ستارگان تاریک میچل، اگرچه عجیب و غریب هستند، هیچ تناقضی برای هیچ نظریه موجودی در طبیعت نبودند و هیچ چالشی نیز برای قانون پایستگی ایجاد نمی‌کردند. همان‌طور که مک کورمک اشاره می‌کند، سیاه‌چاله‌های مدرن در مقابل یک سوراخ در فضا-زمان ایجاد کرده‌اند؛ یک چاه بی‌نهایت که هیچ چیز نمی‌تواند از آن فرار کند.

بااین‌حال مک کورمک حدس می‌زند که باتوجه به تخیل علمی خارق‌العاده میچل، او احتمالاً هیچ مشکلی با سیاه‌چاله‌های کنونی ما نخواهد داشت.

میچل در ۲۱ آوریل ۱۷۹۳ در سن ۶۸ سالگی درگذشت و تا اواخر عمر، رئیس دانشگاه تورن‌هیل بود. ما هیچ پرتره‌ای از میچل نداریم. او فقط یک کتاب درباره آهنربا‌های مصنوعی نوشت و چند مقاله در معاملات فلسفی انجمن سلطنتی لندن منتشر کرد.

دیگر روشنفکران دوره‌ی میچل یه مراتب شناخته‌شده‌تر بودند. آنها بیشتر دست به انتشار فرضیات خود می‌زدند و موضوعاتی را که از محبوبیت برخوردار بودند، انتخاب می‌کردند. در مقابل، میچل هر مسئله‌ی علمی را که به آن علاقه‌مند می‌شد، در هر زمینه‌ای که می‌خواست دنبال می‌کرد. این ویژگی تا حدودی به توضیح ناشناختگی جان میچل پس از مرگ می‌پردازد.

میچل مسائل علمی را بر اساس علاقه‌اش انتخاب کرد و تنها زمانی که کاملاً مطمئن بود از آن راضی است، کار خود را منتشر می‌کرد.

- مک کورمک

«ابن هیثم»،‌ فیزیکدان مسلمان نیز ۷۰۰ سال پیش از نیوتن مکتب مشابه خود را داشت و معتقد بود که جستجوگر حقیقت کسی نیست که به مقامات اعتماد کند، بلکه کسی است که به ایمان خود نسبت به آنها مشکوک است. کسی که تسلیم استدلال و برهان می‌شود.

پیرو این سنت، میچل، مانند پدرش، خودآموخته بود و با عدم وابستگی به هیچ گروه یا فرقه‌ای از تمامیت علمی خود محافظت می‌کرد. استقلال میچل آزادی دیگری را برای تفکر اصیل فراهم کرد و آن تخیل است. او نجوم را انتخاب کرد زیرا چشم‌اندازهای جدیدی برای نظریه ارائه می‌دهد. همان‌طور که اینشتین در سال ۱۹۲۹ بیان کرد: «تخیل جهان را احاطه می‌کند.»