بدون ماده تاریک چه بر سر قانون گرانش می‌آید؟

5
2104

بیگ بنگ: ما با شناختی که از گرانش داریم و با فرمول‌های آن می‌توانیم دلیل افتادن یک سیب از یک درخت و چرخش سیاره‌مان به دور خورشید را توضیح دهیم. ولی به ساختارهای هیولاپیکر کیهانی (بزرگ‌تر از کهکشان) که می‌رسیم نظریه‌های کنونی‌مان با شکست روبرو می‌شوند. برترین پاسخی که برای چراییِ رفتار بیرون از قاعدۀ ساختارهای بزرگ ارایه شده، وجود جوهره‌ای نظری به نام “ماده‌ تاریک” است. ولی ما تاکنون آن را به طور مستقیم ندیده‌ایم، و از آن بدتر، حتی ماده‌ تاریک هم پاسخگوی کامل این رازهای گرانش نیست. اندک کسانی هستند که وجود ماده‌ تاریک را از پایه رد می‌کنند. آنها می‌گویند این شناخت ما از گرانش است که نیاز به دستکاری دارد. چه کسی در این میان درست می‌گوید؟

Dark matter map of KiDS survey region region G
نقشۀ ماده‌ تاریک برای بخشی از آسمان. این نقشه بر پایه‌ یک بررسی روی همگرایی‌های گرانشی پدید آمده است

چیزهایی مانند دیگران نیستند

این تصور که چیزی نامرئی در کار بزرگ‌ترین ساختارهای کیهان دخالت می‌کند ناگهانی و بدون پیش زمینه ارائه نشده است. مانند بسیاری از چیزها در جهان دانش، پنداشت ماده‌ تاریک هم نتیجه‌ی گام‌های رو به جلو بوده. یکی از پرآوازه‌ترین نمونه‌های آغازین که دانشمندان چیزی با رفتار نامتعارف در آن دیدند سیاره اورانوس بود که سال ۱۷۸۱ یافته شد. قانون‌های آیزاک نیوتن پیش‌بینی‌های استواری برای حرکت و رفتار سیاره‌هایی که از خورشید دورند دارد، ولی اورانوس با اینکه از خورشید دورست از این قانون‌ها پیروی نمی‌کرد: تا چند دهه بسیار سریع پیش می‌رفت که با پیش‌بینی‌ها سازگار بود، و سپس بسیار کند می‌شد.

برخی دلیل آن را نقص بنیادی قانون گرانش دانستند؛ برخی دیگر احتمال دادند که شاید جرم دیگری در سامانه‌ی خورشیدی باشد که دارد خرابکاری می‌کند (مانند مدارهای نامعمول شمار بسیاری از اجرام کمربند کوییپر که باعث شده اخترشناسان امروزی احتمالِ وجودِ سیاره‌ نهم را پیش بکشند). در پایان، اخترشناسان آن جرم دیگر را پیدا کردند: نپتون، و قانون‌های نیوتن هم دست نخورده ماندند.

پس از آن دانشمندان متوجه شدند مدار سیاره‌ تیر (عطارد) هم کمی ناهنجار است، ولی این بار دیگر جرم تازه و پنهانی در کار نبود، به جای آن، نیاز به یک نظریه‌ی تازه بود: نظریه‌ نسبیت عام اینشتین که می‌گوید اجرام بزرگی مانند خورشید فضا-زمان را خم می‌کنند. بر پایه‌ی این نظریه، نامعمول بودن مدار تیر به دلیل نزدیکیِ بسیارِ آن به خورشید و خمیدگی فضا-زمان در اثر گرانش آنست.

ولی در طرح بزرگ کیهان، مدار سیاره‌ها ساختارهایی بسیار خُرد و ناچیزند. در دهۀ ۱۹۳۰، دانشمندان از رفتار ناجور کهکشان‌ها بسیار آشفته‌تر شده بودند. ببینید، بیشتر ستارگان در یک کهکشان مارپیچی نزدیک مرکز آن انباشته شده‌اند، پس منطقی است که بیشتر جرم کهکشان را در آنجا در نظر بگیریم، و بنابراین گرانش آنجا می‌بایست بیشتر باشد. درست مانند پلوتو که بسیار کندتر از تیر به گرد خورشید می‌چرخد، ستارگان هم هرچه از مرکز کهکشان دورترند می‌بایست گردش کندتری به گرد مرکز داشته باشند.

ولی این گونه نیست. دورترین ستارگان همان سرعتِ ستارگان نزدیک‌تر را دارند. در دهه‌ی ۱۹۶۰، دو اخترشناس به نام‌های ورا روبین و کنت فورد این را زیر سر جرمی نادیدنی، یا “ماده‌ تاریک” با جرمی حدود ۱۰ برابر جرمِ مادۀ معمولی و دیدارپذیر تصور کردند. ما هنوز این جرم “نامرئی” را ندیده‌ایم (و از آنجایی که نور را نه جذب می‌کند، نه بازمی‌تاباند و نه گسیل می کند) آن را به طور مستقیم مشاهده نکرده‌ایم، اما شواهد بیشماری دیده‌ایم که وجودش را گواهی می‌دهند. جرم آن با خم کردن فضا-زمان کهکشان‌ها را به عدسی‌های بزرگ‌کننده تبدیل می‌کند، و تاثیر آن در نورِ به جا مانده از تولد کیهان (تابش زمینه‌ی ریزموج) هم دیده می‌شود. امروزه به برآورد دانشمندان، ماده‌ی تاریک ۲۷ درصد از جرم درون کبهان را ساخته. سهم ماده‌ی معمولی کمتر از پنج درصد است.

abc fc acd b afccefگردنکشان می‌آیند

در سال ۱۹۸۳، یک فیزیکدان اسراییلی به نام مردخای میلگرام یک راه حل جایگزین پیشنهاد کرد: شاید ماده‌ نادیدنی‌ای در کار نباشد. شاید این نیوتن است که اشتباه کرده- یا جاهایی را اشتباه گفته. نظریه‌ وی، دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده‌(MOND)، پیشنهاد می‌کند قانون دوم نیوتن که می‌گوید اجسام به نسبت نیرویی که بر آنها وارد می‌شود شتاب می‌گیرند اندکی تغییر داده شود. میلگرام می‌گوید شاید این قانون‌ها (قانون‌های نیوتن) در شرایطی ویژه تغییر می‌کنند، مانند شرایط ستاره‌ای که بسیار از مرکز کهکشانش دور است. اگر این گفته درست باشد، دیگر برای توضیح سرعت ستارگان کهکشان نیازی به وجود یک مادۀ نادیدنی نخواهیم داشت.

از آن هنگام تاکنون مقاله‌های زیادی نوشته شده که نشان می‌دهند اصلاحِ قانونِ گرانش واقعا می‌تواند رفتاری که در کهکشان‌ها می‌بینیم را توضیح دهد. این از تک کهکشان‌ها؛ ولی اگر چشم‌انداز گسترده‌تری را در نظر بگیریم، چیزها کمی آشفته و ناهنجار می‌شوند. بر پایۀ مدل‌های “موند”، کهکشان‌های برخوردی و کهکشان‌های درون خوشه‌ها رفتارشان آنگونه که باید باشد نیست، و الگوها و طرح‌های درون تابش زمینه‌ی ریزموج کیهان هم جور در نمی‌آیند. خلاصه انگار بخواهی با کاموا سوراخ یک ژاکت را درست کنی ولی بقیه‌ی آن را هم خراب کنی!

با این همه، ماده‌ تاریک هنوز چالش‌هایش را دارد، عمدتا به این دلیل که ما تنها می‌توانیم بخش‌های بسیاری از فضا را شبیه‌سازی کنیم. ایتن سیگل می‌‌نویسد: «اغلب شبیه‌سازی‌های ماده‌ تاریک در بردارندۀ تریلیون‌ها ذره، و در نظر گرفتن اثر فشار فوتون، ستاره‌زایی، ابرنواخترها و دیگر بازخوردهاست. ولی هر تک کهکشان برآورد می‌شود چیزی میان ۱۰ به توان ۶۰ و ۱۰ به توان ۸۰ ذره‌ی مادۀ تاریک داشته باشد- یک تریلیون تنها ۱۰ به توان ۱۲ است.» برای کهکشان‌های کوچک و اندازه-میانگین، بیش از یک میلیون ذره به حساب نمی‌آید، پس ما نمی‌توانیم رفتار آنها را در اثر ماده‌ تاریک را ثابت کنیم.

سیگل می‌نویسد: «چالش بزرگ پیشِ روی گرانشِ اصلاح شده بازتولید نتایج پیروزمند در مقیاس‌های بزرگ کیهان‌شناسی نوین است؛ چالش پیش روی ماده‌ی تاریک بازتولید درستِ جزییاتی برای کوچک‌ترین مقیاس‌هاست.» ولی شواهد می‌گویند ماده‌ تاریک دارد پیروز می‌شود- حتی اگر ناچار شویم عدم قطعیت‌های به نسبت پذیرفتنی‌ای را هم به حساب بیاوریم.


5 دیدگاه ها

  1. آخرش نمی فهمم چی به چیه سردگم شدم هرچی بیشتر میخونم بیشتر فکر میکنم بیشتر آشفته میشم به پوچی می رسم هرچی تلاش میکنیم همه چی رو جمع بندی کنم نمیشه اصلا شاید هدف بی فرمولی باشه اصلا چرا خدا مارو خلق کرده چرا باید برامون سوال ایجاد بشه که کسی جوابشو نمی دونه اگه ما وجود نداریم پس چرا سوال می پرسیم گاهی فکر میکنم بزرگترین هدف ما می تونه نبودن باشه ۱۰ روز دیگه کنکور دارم برام دعا کنین ممنون

  2. بسیار عالی
    در پاسخ به «معلق در فضا» ی عزیز باید بگم: اگر بیشتر مطالعه کنید، به پاسخ تمامی این سوالهاتون می رسید و برای این کار بهتون توصیه می کنم از این سایت استفاده کنید.

  3. شاید چیزی اصلا به نام ماده تاریک وجود نداشته باشد ماده ای که نامرئیه نه نور را جذب میکند نه گسیل
    شاید این تغییر بعضی قواعد فیزیک در شرایط خاص است که باعث به وجود آمدن رفتار یا اثراتی در فضا میشود

  4. باسلام .
    کامنت هارا که میخونم یاد دوران لیسانس خودم میوفتم .
    یکی از مشکلات ما ایرانیها اینه که همیشه اول یه چیزی که میاد بین ما و یک جمع عظیمی رو غرق خودش میکنه و عده ای این وسط یا اعتقادشون یا زندگیشون و یا وقت و عمرشون نابود میشه و بعد از اون تازه جنبه و ظریفیتش میاد (تازه اگه بیاد).
    خواهشا تا اسم ماده تاریک و جهان عجیب و غریب و اینا میاد سریع فاز فلسفی نگیرید ( معلق درفضا) . اصلا اصل و ریشه ماده تاریک یه ثابتی توی معادله انیشتین هست( لامبدا) که به گفته انیشتین جهان با اون ثابت رشد میکنه و معادل اون یک متریکی داریم به اسم متریک عالم درحال انبساط که میگه فاصله بین دونقطه از فضا به صورت انبساطی بزرگ میشه . (مثل بادکنک) . اینها به ماده تاریک ختم میشه که حدس فعلی بر اینه که احتمالا آکسیون باشه .
    اینکه ما نتونستیم هنوز ماده تاریک رو بشناسیم دلیل بر این نیست که سریع بریم گیر بدیم به خلقت و هیچ و اینجور حرفای فلسفی که ما فعلا توی فیزیک بهشون میگم “حرف” .
    ما صرفا ماده تاریک رو هنوز کاملا درک نکردیم چون انرژی شتابدهنده ما کم است . (۱۰ TeV)
    لذا عاجزانه میخوام که دوستان کنکوری و بقیه سعی کنن قوانین نیوتن رو فعلا یادبگیرن و صبر کنن تا چین یا آلمان ساخت آزمایشگاه ( ۱۰۰ TeV) را به اتمام برساند بعدش اگر خواستید میتونید به ماده تاریک فکر کنید .
    دوستانی که علاقه دارن میتونن کتاب “جهان در پوست گردو” استیون هاوکینگ رو مطالعه کنن .کتابیه که هم ترجمه شده و هم زبان عامه پسندی نوشته و میتونید استفاده کنید .
    پیروز باشید

دیدگاهتان را بنویسید

Please enter your comment!
Please enter your name here

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.