ماده تاریک: انقلابی در فیزیک

“ماده تاریک” چیست؟ ماده تاریک تا به حال هرگز مشاهده نشده است، اما دانشمندان تخمین می‌زنند که 85 درصد از جرم کیهان را تشکیل می‌دهد. پاسخ کوتاه به این سوال این است که هیچ‌کس دقیقا نمی‌داند ماده تاریک چیست، اما دانشمندان از اثرات گرانشی موجود بر روی اجسام مرئی، مثل ستاره‌ها و کهکشان‌ها، به وجود آن پی برده‌اند.

به گزارش بیگ بنگ، بیش از یک قرن پیش، “لرد کلوین” برای توضیح سرعت ستارگان در کهکشان ما، ماده تاریک را معرفی کرد. چند دهه بعد، اخترشناس سوئدی، “کنوت لوندمارک” اشاره کرد که جهان باید حاوی مادۀ بسیار بیشتری نسبت به آنچه ما می‌توانیم مشاهده کنیم باشد. دانشمندان از دهه‌های 1960 و 1970 با استفاده از فناوری‌های پیچیده‌تر در تلاش بودند تا دریابند این مادۀ مرموز چیست. با این حال، تعداد زیادی از فیزیکدانان گمان می‌کنند که اصلاً چیزی به نام “ماده تاریک” وجود ندارد!

تاریخچه

دانشمندان می‌توانند اجرام دوردست را به روش‌های مختلفی مشاهده کنند. تجهیزاتی مانند تلسکوپ فضایی هابل، نور مرئی را بررسی می‌کنند، در حالی که سایر فناوری‌ها مانند تلسکوپ‌های رادیویی، پدیده‌های غیرقابل‌رؤیت را اندازه می‌گیرند. دانشمندان اغلب چندین سال داده جمع می‌کنند و سپس به تجزیه و تحلیل آن‌ها می‌پردازند تا آنچه را که می‌بینند به بهترین شکل ممکن درک کنند.

با دریافت اطلاعات بیشتر، کاملاً مشخص شد که کهکشان‌ها آنطور که انتظار می‌رود، رفتار نمی‌کنند. بررسی‌ها نشان داد، ستاره‌ها در لبه‌های بیرونی برخی کهکشان‌ها خیلی سریع حرکت می‌کنند. کهکشان‌ها توسط نیروی گرانش گرد هم جمع شده‌اند؛ نیروی گرانش در مرکز که جرم بیشتری دارد، قوی‌تر است. ستارگان در لبه‌های بیرونی کهکشان‌های دیسکی (کهکشان‌های قرص‌مانند) چنان سریع حرکت می‌کنند که نیروی گرانش ایجاد شده توسط مادۀ قابل‌مشاهده، پاسخگوی این گرانش اضافی نبود.

دانشمندان تصور کردند که در این کهکشان‌ها باید چیزهای بیشتری نسبت به آنچه که ما می‌توانیم مشاهده کنیم، وجود داشته باشد. چیزی باید مانع از فرار ستاره‌ها از کهکشان شود؛ آنها آن را «ماده تاریک» نامیدند. منجمان واقعاً نمی‌‌دانستند این ماده چه ویژگی‌هایی دارد، جز اینکه کشش گرانشی زیادی دارد. در واقع، اکثریت قریب به اتفاق جهان (۸۵ درصد) باید از “ماده تاریک” تشکیل شده باشد. در غیر این صورت، کهکشان‌ها نمی‌توانستند سر جایشان باقی بمانند. آنها از هم می‌پاشیدند، زیرا در این صورت گرانش کافی برای نگه داشتن تریلیون‌ها ستاره در کهکشان وجود نداشت.

اگر در علم چیزی را مشاهده نکنید، نمی‌توانید چیزهای زیادی در مورد آن بگویید. از آنجا که “ماده تاریک” با نیروی الکترومغناطیسی – که مسئول نور مرئی، امواج رادیویی و پرتو ایکس است – برهمکنش ندارد، تمامی شواهد ما “غیرمستقیم” هستند. دانشمندان همچنان در تلاشند تا راهی برای مشاهدۀ “ماده تاریک” و پیش‌بینی آن بر اساس نظریات مربوطه پیدا کنند، اما موفقیت چندانی نداشته‌اند.

یک راه حل ممکن

نظریه گرانش نیوتن بیشتر رویدادهای مقیاس بزرگ را به خوبی توضیح می‌دهد، همه چیز را می‌توان با استفاده از نظریه نیوتن توضیح داد، مثلاً از پرتاب توپ گرفته تا حرکات صور فلکی. با این حال، این نظریه نیز عاری از اشتباه نیست. برای مثال، نظریه‌های نسبیت عام و خاص اینشتین، داده‌هایی را توضیح می‌دهند که نظریه نیوتن قادر به توضیح آن نبود. دانشمندان هنوز از نظریه نیوتن استفاده می‌کنند، زیرا در اکثر مواقع کار می‌کند و معادلات بسیار ساده‌تری دارد.

“ماده تاریک” به عنوان راهی برای آشتی دادن فیزیک نیوتنی با داده‌ها پیشنهاد شد. اما چه می‌شود اگر به جای آشتی، به یک نظریه‌ی اصلاح شده نیاز داشته باشیم. اینجاست که یک فیزیکدان به نام مُردهای میلگروم (Mordehai Milgrom) وارد شد. او در سال 1982 نظریه‌ای از گرانش (به نام دینامیک نیوتنی اصلاح شده یا به اختصار “Mond”) را ارائه داد که عملکردهای گرانش را زمانی که بسیار ضعیف می‌شود، مثلاً در لبه‌ی کهکشان‌های دیسکی، به طور متفاوتی فرض می‌کند.

نظریه‌ی او به سادگی رفتار کهکشان‌ها را توضیح نمی‌دهد، بلکه آنها را پیش‌بینی می‌کند. مشکل نظریه‌ها این است که آنها می‌توانند تقریباً هر چیزی را توضیح دهند. اگر وارد اتاقی شوید و ببینید که چراغ‌ها روشن هستند، می‌توانید این نظریه را مطرح کنید که پرتوهای کیهانی خورشید طوری به آینه‌های پنهان برخورد می‌کنند که اتاق روشن می‌شود. نظریه‌ی دیگر ممکن است این باشد که کسی کلید برق را روشن کرده است. یکی از راه‌های تفکیک نظریه‌های خوب از نظریه‌های بد این است که ببینیم کدام نظریه پیش‌بینی‌های بهتری انجام می‌دهد.

این نظریۀ جدید پیش‌بینی‌ بسیار بهتری را نسبت به مدل‌های استاندارد “ماده تاریک” انجام می‌دهد. این بدان معناست که، در حالی که ماده تاریک می‌تواند رفتار کهکشان‌ها را به خوبی توضیح دهد، قدرت پیش‌بینی کمی دارد و حداقل در این زمینه، نظریه‌ی بدی است.

فقط جمع‌آوری داده‌ها و بحث‌های بیشتر می‌تواند معمای “ماده تاریک” را حل کند و این نظریه جدید را تأیید کند. با این حال، پذیرفتن “دینامیک نیوتنی اصلاح شده” به عنوان بهترین توضیح برای ماده تاریک باعث می‌شود که دهه‌ها اجماع علمی از بین برود و یکی از ویژگی‌های اسرارآمیز جهان، به پدیده‌ای بسیار عادی‌تر تبدیل شود. یک نظریه‌ی اصلاح شده ممکن است به اندازۀ نیروهای تاریک و نامرئی جذاب نباشد، اما ممکن است علم بهتری باشد.

منبع: سایت علمی بیگ بنگ