راز پیدایش عناصر

[مي مو]

سِر فِرِد هویل مردی که راز پیدایش عناصر پرده برداشت.


پاسخ هایی در اعماق فضا

بیش از نیم قرن یکی از دانشمندان، نخواست تلاش خود را برای به دست آوردن پیروزی های کوچک متمرکز کند و به جای آن، مبارزه را پذیرفت. این شخص کسی نیست جز سر فرد هویل، او با کشف منشا کیهانی عناصر شیمیایی، پاداش خود را به دست آورد.
نبوغ هویل، او را از این نیز بیش تر برده است. او چندین دهه از عمر خود را صرف گشودن رازهایی کرده که در ارتباط با منشا عالم وجود دارند، و پاسخ او، نظریه بنیادی اسیتاروند بوده که طبق آن، عالم همواره وجود داشته است. او به کاوش در خاستگاه های حیات زمینی نیز پرداخته است و مدعی است که منشا آن، در اعماق فضا وجود دارد.
با این حال، رک گویی و امتناع از دنبال کردن عقاید مورد قبول جامعه علمی، اغلب از هویل چهره فردی را ساخته که در مورد مهم چیزز به بحث و مجادله می پردازد.
هویل از کودکی نیز علاقه مند به حفظ استقلال خود در زمینه ی امور فکری بود. او که پسر یک صادر کننده پوشاک و یک معلم بود، در سال 1915 میلادی در بینگلی واقع در یورکشایر به دنیا آمد. نشانه های تفکر مستقل از سنین پایین در وی آشکار شد و هویل در حالی که 4 سال بیش نداشت، جدول ضرب را نزد خود یادگرفت. اندک زمانی پس از آن، او جنگ در مقابل صاحب منصبان را اعلام کرد و پیش خودش گفت که نشستن در مدرسه و شنیدن چیزهایی که باید یاد گرفت، کاری است که به هیچ وجه قابل تحمل نیست.

 

[مي مو]

نابغه ی خودآموخته

نابغه ی خودآموخته

به این ترتیب، هویل در حالی که تنها 6 سال داشت، راهی را یافت تا در حالی که پدر و مادرش خیال می کنند او در مدرسه است و معلمانش خیال می کنند مریض است و در رختخواب خوابیده، به سینما برود و فیلم تماشا کند! اما در همین سینما بود که او با مشاهده ی زیرنویس فیلم ها، خواندن را نزد خود آموخت.
طی چند سال بعد، او آن قدر به دانسته های خود اضافه کرد که توانست بورس تحصیلی برای ورود به دبیرستان محلی را دریافت کند و در آنجا بود که هویل از نظر علمی سر آمد دیگر شاگردان شد. در 18 سالگی، هویل وارد کالج امانوئل در کمبریج شد و در آنجا به تحصیل ریاضیات پرداخت. به نظر می رسید که او در ریاضیات کمی ضعیف است، اما علی رغم این ضعف، با درجه ای نزدیک ممتاز دانش آموخته شد و پیش از اتمام دهه ی 1930 میلادی، تحقیقی را آغاز کرد که به سرعت او را در زمره ی دانشمندان جهان قرار داد.
در آن زمان، کشف منبع نیروزای ستارگان دانشمندان را به هیجان آورده بود. پدیده ای که در اثر آن نیروی ستارگان تامین می شود، همجوشی هسته ای نام داشت. طی این پدیده، هسته های هیدروژن در گرمای سوزان داخل ستاره به هم جوش می خورند و به این ترتیب، مقادیر عظیمی از انرژی آزاد می شود.
هویل به کمک یک محقق جوان دیگر از کمبریج به نام ریموند لیتلتون، این کشف را مورد استفاده قرار داد تا نشان دهد که تنها با داشتن جرم یک ستاره، می توان درخشندگی آن را محاسبه کرد. این نتیجه گیری ساده، نشانگر کشفیات بزرگ تری بود که قرار بود به زودی از راه برسند.
در سال 1944، دو ملاقات اتفاقی باعث شد که هویل 29 ساله در مسیری قرار بگیرد که او را به سوی بزرگ ترین اکتشافاتش رهنمون گردید. در سفری به کالیفرنیا، هویل با اخترشناس آلمانی به نام والتر باده به گفتگو پرداخت. در این گفتگو، باده در مورد انفجارهای ستاره ای بی نهایت سهمگین صحبت کرد که به ابرنواختر موسومند. چند روز بعد، او در کانادا به چند تن از دوستان قدیمی کمبریجی اش برخورد کرد. با گذاشتن سرنخ های مختلف کنار هم، هویل دریافت که آن ها روی یک سلاح اتمی کار می کنند، سلاحی که مقادیر عظیمی از انرژی را با درهم شکستن یک ماده ی منفجره ی هسته ای آزاد می کند. هویل یاد آوری گفتگویش با باده، از خودش پرسید که آیا ممکن است یک "انفجار درونی " شبیه این، علت انرژی عظیم آزاد شده توسط ابرنواختران را توضیح دهد؟
به محض بازگشت به کمبریج، هویل به بررسی این نظر پرداخت. در خلال این بررسی ها، او دریافت که دمای درونی یک ابرنواختر می تواند به میلیاردها درجه برسد. این کشف، بسیار مهم بود، زیرا نشان می داد که ستارگان می توانند در حکم کوره هایی عمل کنند که عناصر شیمیایی در داخل آن ها ساخته می شوند.
در اصل، تمامی عناصر شیمیایی 0 از آرگون گرفته تا روی) از "قطعات ساختمانی" مشابهی ساخته شده اند : هسته ای شامل پروتون و نوترون، که الکترون ها در گرد آن در حال چرخشند. تفاوت میان عناصر مختلف، از تعداد نسبی این سازنده ها ناشی می شود. بنابراین حداقل از لحاظ نظری، ساختن هر عنصر تنها با ترکیب عناصر ساده تر از آن، امکان پذیر است.

 

[مي مو]

کوره های پخت عناصر در فضا

کوره های پخت عناصر در فضا

این نظر بسیار جالبی است، اما حقیقت این است که هسته ی تمامی اتم ها دارای بار مثبت است و از آن جا که بارهای همنام یکدیگر را دفع می کنند، این نظر نمی تواند کاربرد داشته باشد. برای غلبه بر این مشکل، هسته ها باید در دماهای بسیار بسیار زیاد در هم فرو برده شوند. اکنون، هویل یک کوره ی ستاره ای را یافته بود که چنین دماهایی در آن موجود بودند. اما درست مثل هویل، فیزیکدانی روسی نیز که در آمریکا زندگی می کرد وجود یک کوره ی دیگر را پیش کشیده بود : خود عالم. به گفته ی جرج گاموف، انفجاری که در آن عالم متولد شد، همه ی چیزهای لازم برای ساختن تمامی عناصر شیمیایی را در خود داشت.
با این حال، نظریه ی زیبای گاموف خیلی زود دچار مشکل شد. فیزیکدانان به این نکته اشاره کردند در زنجیره ای که به عناصر سنگین تر منتهی می شود، فواصل خالی قابل توجهی قرار دارد. امکان عبور از این فواصل که به " فواصل خالی جرمی " موسوم اند، پیش از سرد شدن جهان وجود نداشته است. هویل نشان داد که " پخته شدن " عناصر در داخل ستارگان، مساله را حل می کند. دلیل این امر، آن است که ستارگان چند میلیارد سال داغ باقی می مانند و به این ترتیب، زمان لازم برای عمل کردن واکنش های هسته ای خاص را فراهم می کند.
هویل دریافت این واکنش ها در صورتی موفقیت آمیز خواهند بود که عنصر کربن، ویژگی خاصی داشته باشد. در واقع، یکی از ایزوتوپ های این عنصر ( یعنی کربن-12 )، تحت انرژی خاصی، باید دارای خاصیتی موسوم به " طنین " باشد. اگر این ویژگی وجود نداشته باشد، ستارگان هیچ کربنی تولید نخواهند کرد، و نبود کربن، به معنی نبود حیات انسانی است.
زمانی که هویل به این کشف نائل آمد، شواهدی مبنی بر وجد طنین کربن-12 در دست نبود. اما هویل که همواره نسبت به جامعه علمی بی اعتماد بود، به این نتیجه رسید که دانشمندان چیزی را از قلم انداخته اند. او متقاعد شد که وجود حیات -و مسلما وجود خود او - ثابت می کند که کربن-12 طنینی را که او پیش گویی کرده، داراست.
برای اثبات علمی این موضوع، او به دیدار ویلیام فولر رفت. وی یکی از متخصصان آمریکایی در زمینه ی واکنش های هسته ای بود. ابتدا فولر تصور کرد که هویل دیوانه شده است؛ مگر ممکن است تنها بر اساس این حقیقت که حیات وجود دارد، ویژگی جدیدی برای یک اتم پیش بینی کرد؟! با این همه، هویل پافشاری کرد و فولر و همکارانش سرانجام آزمایش ها را انجام دادند. ده روز بعد، نتایج به دست آمد: هویل درست گفته بود و کربن-12 دقیقا در همان انرژی که او پیش بینی کرده بود، دارای یک طنین بود.
این کشف بسیار حیرت انگیز، کشفی بود که تهور و خلاقیت منحصر به فرد هویل عامل آن بود.. با این همه، کشف مذکور تنها سرآغازی بود برای دستیابی به هدف بزرگ تری که او در سر داشت : توضیح منشا تمامی عناصر شیمیایی.
تا سال 1954 میلادی، او توانسته بود نشان بدهد که عناصر سبک تر، از هلیوم تا کربن، می توانند داخل هسته های ستارگان غول سرخ بزرگ که صدها میلیون درجه حرارت دارند، ساخته شوند. ساختن عناصر سنگین تر نیازمند دماهای بالاتر بود، و هم چنین نیازمند اثرات گوناگون دیگری که انفجارهای ابرنواختری یکی از آن ها محسوب می شد. با همکاری فولر و یک زوج انگلیسی ( جفری و مارگارت باربیج) هویل توانست هفت واکنش عنصر ساز مختلف را که در ستارگان به وقوع می پیوندند، شناسایی کند.
با استفاده از آن ها، گروه بالا نه تنها حضور عناصر شیمیایی، بلکه فراوانی دقیق آن ها در عالم را نیز توضیح داد. نتایج یافته های آن ها که در سال 1957 منتشر شد، به یکی از مهم ترین مقالات علمی که تا کنون نوشته شده است، تبدیل گردید.
مقاله مذکور، موسوم به مقاله ی B2FH (که عنوان آن از حروف آغازین نام های مولفان آن گرفته شده است)، خاستگاه تمامی عناصر شیمیایی را توضیح داد - البته تمامی عناصر بجز عناصر بسیار بسیار یبک شامل هلیوم، لیتیوم و چند عنصر دیگر. برای ساخت عناصر مذکور، یک کوره ی دیگر که می بایست داغ تر باشد، مورد نیاز بود. در اوایل دهه ی 1960، هویل همکاری با اخترفیزیکدانی کمبریجی به نام راجر تیلر را برای حل این مسئله آغاز کرد.
برای انجام این کار، آن ها نظریه ی گاموف را درباره ی ساخته شدن عناصر در زمان انفجار بزرگ ( مهبانگ )، مورد توجه قرار دادند. با انجام دوباره محاسبات او - و این بار با استفاده از جدیدترین داده ها - آن ها دریافتند که دمای ده میلیاد درجه ای ابتدای انفجار بزرگ، حدود 75 درصد عالم را از هیدروژن و 25 درصد آن را از هلیوم انباشته است. این ارقام، همان هایی هستند که واقعا وجود دارند.

 

[مي مو]

ما غبار ستارگانیم!

ما غبار ستارگانیم!

در سال 1967، در تحقیقی مشترک با فولر و اخترفیزیکدانی آمریکایی به نام رابرت واگونر، هویل قدم نهایی را برای تکمیل طرح عظیمش برداشت. این سه تن، با استفاده از نظریه انفجار بزرگ، منشا همه ی عناصر سبک دیگر را توضیح دادند.
با این ترتیب، هویل توانست نحوه ی تولد همه ی عناصر شیمیایی - از هیدروژن گرفته تا اورانیوم و سایرین - توضیح دهد. در این روند، او نشان داد که حتی یک لیوان معمولی آب نیز مخلوطی است از هیدروژنی که در انفجار بزرگ ساخته شده، به اضافه ی اکسیژنی که میلیاردها سال بعد در کوره ی یک ستاره ی غول سرخ یا یک ابرنواختر تولید شده است. در یک کلام، همان گونه که در یکی از ترانه های معروف سال1970 آمده است، " ما غبار ستارگانیم " .