مسأله‌ی سه‌جسم

سریالی در نتفلکیس به‌نام «3Body Problem» توجه بسیاری از طرفداران ژانر علمی‌تخیلی را به خود جلب کرده. سریال «مسئله‌ی سه جسم»، درواقع اقتباسی است از سه‌گانه‌ی پرفروشی از نویسنده‌ی چینی به‌نام لیو سیشین (Liu Cixin) است. سریال نتفلکیس که فصل اول آن با تمرکز بر جلد اول رمان ساخته شده، برای مراعات حال آن دسته از بینندگانی که معلوماتشان از فیزیک کوانتوم در سطح اینشتین نیست، از بسیاری از جنبه‌های سنگین و نظری کتاب فاصله گرفته و تمرکز خود را روی معرفی شخصیت‌های کاملاً جدیدی گذاشته است تا بار احساسی داستان بیشتر شود. بااین‌حال، نقش‌های مثبت و منفی سریال اکثراً دانشمندانی هستند که در پس‌زمینه‌ای از فیزیک کوانتوم تصمیماتی می‌گیرند که آینده ی زمین را تعیین می‌کند

هشدار اسپویل: در ادامه ممکن است برخی ماجراهای سریال لو برود

مسئله‌ی سه جسم چیست و چرا هیچ‌کس نتوانسته است آن را حل کند؟ مسئله‌ی سه جسم، به یک مسئله‌ی علمی واقعی اشاره دارد که تقریباً حل‌نشدنی است و از آن به‌عنوان «رقص مداری سه جرم آسمانی» یاد می‌شود. در سریال می‌بینیم سیاره‌ای که موجودات فضایی موسوم‌ به «سان‌ تی» در آن زندگی می‌کنند، تحت‌تأثیر گرانش سه ستاره قرار دارد. این امر چرخش سیاره را آشفته و کاملاً غیرقابل‌ پیش‌بینی کرده است؛ زمانی‌ که سیاره با فاصله ی منطقی دور یک ستاره می‌چرخد، وضعیت پایداری مثل کره‌ی زمین دارد، اما وقتی از ستاره‌ها دور یا بیش از حد به آن‌ها نزدیک می‌شود، «دوره‌ی آشفته» همراه با بلایای مرگ‌بار اتفاق می‌افتد. معمایی که دانشمندان سریال باید در «بازی»‌ سان تی حل کنند، پیش‌بینی «دوره‌ی پایدار» است، اما علم می‌گوید این پیش‌بینی امکان‌پذیر نیست.

مسئله‌ی سه جسم از زمان نیوتون در قرن هفدهم مطرح شده بود و از آن زمان این معما هنوز حل نشده. همان‌طور که می‌دانید، زمین به این‌ خاطر دور خورشید می‌گردد که میدان گرانشی خورشید سیاره‌ی ما و دیگر سیاره‌های منظومه‌ی شمسی را به سمت خود می‌کشد. از‌آنجاکه نیروی گرانش تک‌تک سیاره‌های منظومه‌ی شمسی از گرانش خورشید کمتر است و گرانش هیچ‌کدام به‌حدی نیست که بتواند روی گرانش سیاره‌های دیگر تأثیر بگذارد، هر سیاره می‌تواند در آرامش و بدون دخالت در کار اجرام دیگر، دور خورشید بگردد. به‌عبارت دیگر، وقتی میدان گرانشی یک جسم بر جسم دیگر غلبه کند، مدار پایداری در امتداد مسیری قابل‌پیش‌بینی ای شکل می‌گیرد. نیوتن این قضیه را در سال ۱۶۸۷ متوجه شد که حالا آن را با نام قانون جهانی گرانش نیوتن می‌شناسیم.(در تصویر می‌بینیم که وقتی سه جسم به دور هم می‌چرخند حرکاتشان قابل پیش‌بینی نیست)

فرمولی که نیوتن برای پیش‌بینی مدار سیاره‌ها در سیستم تک‌خورشیدی ارائه داد می‌گوید وقتی جسمی در مدار جسمی دیگر با گرانش قوی‌تر گرفتار می‌شود هرگز نمی‌تواند از آن خارج شود‌. به این قانون، «مسئله‌ی دو جسم» می‌گویند. اگر ستاره‌ی دیگری اضافه کنیم، با یک منظومه‌ی دوستاره‌ای مواجه می‌شویم که در آن هر دو ستاره مدارهای پایداری را پیرامون یک مرکز گرانشی تشکیل می‌دهند. منظومه‌های دوستاره‌ای رایج‌تر از منظومه‌ی شمسی ما تنها با یک ستاره هستند و می‌توانند سیاره‌های پایداری در اطراف خود داشته باشند. اما وقتی ستاره‌ی سومی به این معادله اضافه می‌شود، همه‌چیز به هم می‌ریزد. عنصر سوم به‌جای پایدار کردن منظومه، باعث آشفتگی و هرج‌ومرج می‌شود و تمام اجرام پیرامون خود را به‌طور کاملاً غیرقابل‌ پیش‌بینی به اطراف پرتاب می‌کند. در پایان قرن نوزدهم، پژوهش‌های ریاضی‌دان مشهور فرانسوی آنری پوانکاره درباره‌ی مسئله سه جسم، به ظهور «نظریه آشوب» (Chaos Theory) و مفهوم «اثر پروانه‌ای» انجامید.

اما چرا در سیستم‌های سه‌ستاره‌ای وضعیت چرخش سیاره‌ها ناپایدار می‌شود؟ به‌گفته‌ی اخترفیزیکدانی به‌نام چارلز جی. هوروویتز، جواب را باید در قانون پایستگی انرژی جست‌وجو کرد؛ پایستگی انرژی به این معنی است که همین‌که سیاره‌ای داخل میدان گرانشی یک ستاره گیر بیفتد، دیگر نمی‌تواند انرژی اضافی برای بیرون آمدن از این میدان را ایجاد کند.اما همین‌ که در سیستمی، سه جرم بخواهند دور همدیگر بچرخند، مسیرهای آشفته و پرهرج‌ومرجی ایجاد می‌شود؛ اگر هم بین آن‌ها سیاره‌ای گیر بیفتد، در اثر برخورد یکی از ستاره‌ها، کاملاً نابود خواهد شد. بااین‌اوصاف، آیا واقعاً می‌توان سه جسم گرانشی را در یک سیستم پایدار کرد یا جهت و سرعت چرخش آن‌ها در مدار را پیش‌بینی کرد؟ دانشمندان تا قرن‌ها نمی‌دانستند از چه زاویه‌ای به این معما نگاه کنند؛ اما در چند دهه‌ی اخیر، به‌لطف الگوریتم‌های محاسباتی و صدها روش دیگر، دست‌کم «روی کاغذ» به جواب نزدیک‌تر شده‌اند. جدا از همه ی اینها تا کنون هیچ منظومه ای با این شرایط مشاهده نشده است. (در تصویر بیست حالت چرخش سه جسم به دور یکدیگر را می‌بینیم)

اگر تمدن بدشانسی در سیاره‌ای در منظومه‌ی سه‌ستاره شکل بگیرد، چه بلاهایی سرش می‌آید؟ ماجرای اصلی سریال دقیقاً همین سناریوی فرضی است؛ گونه‌ای از موجودات فضایی به‌نام سان‌ تی در سیاره‌ای دوردست به پیشرفت تکنولوژی بسیار بالایی دست پیدا کرده‌اند؛ اما از بداقبالی، سیاره‌ی آن‌ها در منظومه‌ای با سه ستاره گیر افتاده است.به‌خاطر مسئله‌ی سه جسم، این سیاره با شرایط اقلیمی ویرانگری روبه‌رو شده است. به همین‌خاطر، تمدن سان‌ تی‌ها هزاران سال است که به‌طور مرتب نابود می‌شود و این موضوع پیشرفت تکنولوژی را برای آن‌ها غیرممکن کرده است.هوروویتز شرایط سیاره‌ی سان تی‌ها در سیستم سه‌ستاره‌ای را محتمل می‌داند و می‌گوید احتمالاً برای مدتی کوتاه، اتفاق بدی برای این سیاره نیفتد، اما با گذشت میلیاردها سال، بسیاری از مدارهای سیاره حول دو ستاره ناپایدار خواهند شد و تمدن از بین خواهد رفت.

« اگر قرار است مانند کره‌ی زمین میلیاردها سال طول بکشد تا نشانه‌هایی از حیات روی سیاره‌ای ظاهر شود، آن‌وقت چنین سیاره‌ای احتمالاً نتواند شرایط مناسبی برای زیست برقرار کند. اما ممکن است شرایط خاصی در برخی از این منظومه‌های سه خورشیدی وجود داشته باشد که بتوانند برای مدتی پایدار بمانند و برای زندگی مناسب باشند. یا اینکه این حیات ممکن است با سرعت بیشتری تکامل یابد و سریع‌تر از انسان‌ها، فضا را به سلطه‌ی خود درآورد.» - چارلز جی. هوروویتز، اخترفیزیکدان

آیا موجودات فرازمینی واقعاً وجود دارند؟ پارادوکس فرمی دقیقاً چیست؟ ارتباط با بیگانگان و حمله‌ی آن‌ها به زمین محور اصلی داستان مسئله‌ی سه جسم است و دانشمندان سریال چنان راحت با این قضیه برخورد می‌کنند که انگار حضور فرازمینی‌ها واقعیتی پذیرفته‌شده است. البته در صحنه‌ای از سریال شخصیت یی ونجی درباره‌ی پارادوکس فرمی توضیح کوتاهی می‌دهد.سال ۱۹۵۰ انریکو فرمی، این سؤال به ذهنش رسید که «بقیه کجا هستند؟» منظورش این بود که در جهانی که ۱۴ میلیارد سال از عمر آن می‌گذرد و بیش از یک میلیارد تریلیون ستاره در آن متولد شده است، چرا هنوز هیچ نشانه‌ای از تمدن‌های هوشمند دیگر پیدا نکرده‌ایم؟در جواب فرضیه‌های مختلفی مطرح شده است؛ برخی معتقدند ما زمینی‌ها تنها حیات بازمانده هستیم و سایر تمدن‌های بیگانه از بین رفته‌اند. عده‌ی دیگری می‌گویند بیگانگان همه با هم در ارتباط‌اند و فقط ما انسان‌ها در نقطه‌ای دورافتاده از تمدن‌های دیگر قرار گرفته‌ایم. یا شاید انسان‌ها هنوز تکنولوژی لازم برای دریافت یا رمزگشایی از سیگنال‌های بیگانگان را ندارند.در داستان مسئله‌ی سه جسم، توضیحی که برای حل پارادوکس فرمی ارائه می‌شود این است که تمدن‌های فرازمینی از ترس اینکه از سمت تمدن‌های دیگر مورد حمله قرار نگیرند و نابود نشوند، ترجیح می‌دهند پنهان باقی بمانند. اما یکی از توضیح های متفاوت ، فرضیه‌ی دو اخترفیزیکدان سرشناس به‌نام‌های مارتین ریس و ماریو لیویو است؛ این دو می‌گویند فرازمینی‌ها به احتمال زیاد به‌جای جسم ارگانیک، موجودی ماشینی هستند و حتی ممکن است نیازی به زندگی در هیچ سیاره‌ای نداشته باشند. درواقع، فرازمینی‌ها ممکن است به‌شکل نانوبات‌هایی در فضا شناور باشند، اما ما آن‌ها را نمی‌بینیم.

آیا ممکن است دو ذره که در دو سر جهان قرار گرفته‌اند، در قالب یک ذره‌ی واحد عمل کنند و اطلاعات را به‌طور همزمان با هم به اشتراک بگذارند؟ این سناریو که بخش مهمی از داستان سریال را تشکیل می‌دهد، شاید بعید به‌نظر برسد، اما کاملاً واقعی است. جایی در سریال متوجه می‌شویم که سان تی‌ها از ابرکامپیوترهایی موسوم‌ به Sophon برای جاسوسی و برقراری ارتباط با زمینی‌ها استفاده می‌کنند که درواقع درون دو پروتون، یکی در سیاره‌ی خودشان و دیگری در سیاره‌ی زمین کار گذاشته شده‌اند. ارتباط همزمان این دو پروتون از طریق پدیده‌ی شگفت‌انگیزی به‌نام درهم‌تنیدگی کوانتومی امکان‌پذیر است که به‌قدری باورنکردنی است که اینشتین آن را «رفتاری عجیب در دوردست» نامید و تا آخر عمر این نظریه‌ را نشانگر کامل نبودن مکانیک کوانتوم می‌دانست. بااین‌حال، دانشمندان این خاصیت را در ذرات ریزاتمی مشاهده کرده‌اند و حتی توانسته‌اند به کمک کامپیوترهای کوانتومی، تا ۵۱ کیوبیت را درهم‌تنیده کنند.وقتی دو ذره دچار درهم‌تنیدگی کوانتومی می‌شوند، مثل دو روح در یک بدن رفتار می‌کنند و خاصیت یک ذره بر دیگری اثر می‌گذارد.این سوفون‌ها همزمان دارند از هر دو سیاره‌ی زمین و سان‌ تی‌ اطلاعات دریافت می‌کنند.

در سریال دانشمندان هزاران بمب اتم را در فضا یکی پس از دیگری منفجر می‌کنند تا کپسولی را با ۱٫۲ درصد سرعت نور به سیاره‌ی سان تی بفرستند. انجام این کار در دنیای واقعی خطری ندارد؟ این سناریو شاید باورنکردنی‌ترین قسمت سریال به‌نظر برسد. اما ایده‌ی چنگ مبتنی‌بر پدیده‌ای واقعی است که به پیشرانه‌ی حرارتی هسته‌ای معروف است و طی آن، گرمای ناشی از واکنش هسته‌ای، جایگزین انرژی شیمیایی پیشرانه در موشک می‌شود.اگرچه سریال ایده‌ی اثر دومینوی چنگ را دور از ذهن نشان می‌دهد، آمریکا سابقه‌ی آزمایش‌های متعدد با پیشرانه‌ی حرارتی هسته‌ای را دارد. برای مثال، در پروژه‌ی Orion که به اوایل جنگ سرد مربوط می‌شود، آمریکا سعی داشت موشکی با بمب‌های اتمی کوچک تولید کند. بااین‌حال، اولین نسخه از پروژه Orion درنهایت لغو شد؛ چون هرگونه تلاش برای پرتاب موشک هسته‌ای از زمین به فضا به‌احتمال بسیار زیاد به بارش هسته‌ای مرگبار منجر می‌شد. نسخه‌ی مدرن‌تر Orion حالا روی پرتاب موشک‌هایی از خود فضا متمرکز است تا این ذرات مرگبار بر زمین نریزند و تماس فضانوردان به تشعشعات رادیواکتیو محدودتر شود.

آیا واقعاً می‌توان ذره‌ای به کوچکی پروتون را طوری در فضا پهن کرد که بتوان روی بُعدهای مختلف آن ابرکامپیوتر کار گذاشت؟ یکی از بخش‌های سریال که تصورش واقعاً دشوار است کاری است که سان‌ تی‌ها با پروتون‌ درهم‌تنیده پیش از فرستاندنش به زمین انجام دادند؛ آن‌ها بعدهای چندگانه‌ی پروتون را به‌اندازه‌ی یک سیاره گسترش دادند، ابرکامپیوتر غول‌پیکری را روی سطحش کار گذاشتند، بعد آن را به همان ابعاد میکروسکوپی اولیه‌ی خود درآوردند و برای جاسوسی و ایجاد توهم به زمین فرستادند.اما چنین کاری دست‌کم روی کاغذ در دنیای واقعی در حال انجام است و دانشمندان به آن «گسترش چندبعدی» می‌گویند. این‌طور تصور کنید که می‌خواهید اوریگامی فالگیر بسازید. در ابتدای کار، شکل کاغذ کاملاً مسطح است، اما در ادامه می‌تواند به لایه‌های بیشتری تبدیل شود و بعدهای بیشتری به خود بگیرد.حال بیایید این فالگیر کاغذی را در اندازه‌ای به‌مراتب بزرگ‌تر و در بعدهایی به‌مراتب بیشتر از سه‌ بعد، تصور کنیم.البته این اجسام با این ابعاد اشیایی انتزاعی هستند که فقط در قلمرو ریاضیات و فیزیک نظری وجود دارند و هیچ نمونه‌ای از آن‌ها در جهان طبیعی مشاهده نشده است. هرچند برخی از نظریه‌های فیزیک مانند نظریه‌ ریسمان از احتمال وجود سازه‌هایی با ابعاد بیشتر از سه‌بعد صحبت می‌کنند، اما هیچ‌یک از این نظریه‌ها هنوز اثبات نشده است. پس بهتر است بگوییم این ایده‌ی سریال فعلاً در قلمرو تخیل وجود دارد.

آیا نانوفیبرهای آگی سالازار در سریال واقعیت دارند؟ شخصیت آگی سالازار مدیر پروژه‌‌ی تکنولوژی نانوفیبری است که مسئول یکی از دلهره‌آورترین و تکان‌دهنده‌ترین صحنه‌های سریال است. برای اینکه آسیبی به تکنولوژی سان تی‌ها در کشتی وارد نشود، از نانوفیبر آگی به‌عنوان شبکه‌ای از تیغ‌های بسیار برنده و نامرئی برای تکه‌تکه کردن کشتی و تمام مسافران آن استفاده می‌کنند. اگرچه خواص این مواد پیشرفته‌ در سریال شباهت زیادی به همتای خود در دنیای واقعی دارد، در برخی جنبه‌های آن اغراق شده است. نانوفیبر از ماده‌ی کربنی فوق‌العاده قوی و فوق‌العاده نازکی ساخته شده است و رسانای خوبی برای گرما و الکتریسیته به‌شمار می‌رود. چنانچه نانوفیبر به نازکی آنچه در سریال دیدیم، ساخته شود، در حد تئوری می‌تواند درعین نامرئی بودن، هرچیزی ازجمله الماس، کشتی و بدن انسان را برش دهد و تکه‌تکه کند.به‌گفته‌ی مت کنزی، دانشیار فیزیک دانشگاه کمبریج و مشاور علمی سریال، توسعه‌ی نانوفیبر در چنین مقیاس بزرگی بسیار پرهزینه و دشوار است، اما این مواد واقعاً می‌توانند «تقریباً هر چیزی» را از وسط برش دهند. ارین مک‌دونالد، مشاور علمی تمام قسمت‌های پیشتازان فضا هم می‌گوید از منظر علم مواد، کل صحنه‌‌ی تکه‌تکه‌شدن کشتی کاملاً غیرواقعی است؛ اما اگر تمام منابعش فراهم باشد، چراکه نه.

رسیدن به فناوری هدست VR سریال چقدر فاصله داریم؟ در سریال می‌بینیم که برخی از شخصیت‌ها ازجمله جین و جک با گذاشتن هدست نقره‌ای براق و جذابی که آرزوی شرکت‌هایی مثل متا و اپل است، به دنیای بازی سه‌بعدی معمامحوری منتقل می‌شوند که در آنجا می‌توان از دید سوم‌شخص با محیط در ارتباط بود و حتی زبری شن‌ها را روی پوست احساس کرد. این هدست نه نیازی به راه‌اندازی اولیه دارد، نه نمایشگر، نه کاوری که جلوی نشت نور را بگیرد، نه کنترلر و نه زمان لودینگ؛ از آن مهم‌تر، هیچ پاوربانکی هم به آن آویزان نیست و ظاهراً عمر باتری‌اش تا ابد ادامه دارد.با نگاه به پیشرفته‌ترین هدست‌های VR کنونی از جمله متا کوئست پرو و اپل ویژن پرو، متوجه می‌شویم تا دستیابی به فناوری سان تی‌ها چند قرن فاصله داریم. هدست‌های امروزی از مشکل طراحی، کارایی و عمر باتری رنج می‌برند، اما بعید نیست تا چند صد سال دیگر به هدستی شبیه سریال 3Body دست پیدا کنیم؛ البته تا آن موقع بهتر است برای این هدست کاربردهای بیشتری جز بازی معمایی برای حل مسئله‌ی سه‌ جسم در نظر گرفته شود؛ مثلاً تصور کنید با آواتارهایی که دقیقاً شبیه خودتان هستند در محیطی مثل سیاره‌ی آراکیس فیلم Dune یا قلعه‌ی هاگوارتز هری پاتر قدم می‌زنید و با دوستان خود چت می‌کنید. روزی که پیشرفت تکنولوژی واقعیت مجازی به پای هدست سان تی‌ها برسد، روزی است که دنیا دچار تحول شگرفی خواهد شد؛ اما متأسفانه تا رسیدن آن روز چند صد سال دیگر فاصله داریم.