آیا در فیزیک انقلابی در راه است؟

فضا-زمان جاذبه جهان کهکشان

ماده تاریک چیست؟ آیا واقعا وجود دارد یا اینکه باید نظریه گرانش را اصلاح کنیم؟

ماده تاریک؛ با اینکه هرگز مشاهده نشده اما دانشمندان حدس می‌زنند حدود ۸۵٪ از ماده دنیا را تشکیل می‌دهد. جواب کوتاه این است که هیچ کس نمی داند ماده تاریک چیست. بیشتر از یک قرن پیش، لرد کلوین از آن به عنوان توجیحی برای سرعت ستارگان در کهکشان ما استفاده کرد. چندین دهه بعد، ستاره شناس سوئدی کونت لوندمارک بیان کرد که جهان بایستی بیشتر از آنچه قادر به مشاهده هستیم شامل ماده شود. از دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ دانشمندان به کمک فناوری‌های پیچیده‌ تر در تلاش بودند بفهمند این ماده مرموز چیست. با این وجود، تعداد رو به رشدی از فیزیکدانان گمان میکنند شاید جواب این باشد که اصلا ماده ای تحت عنوان ماده تاریک وجود ندارد.

پیشینه داستان:

دانشمندان به روش های مختلفی قادر به مشاهده ماده دور از دسترس هستند. ابزارهایی نظیر تلسکوپ مشهور هابل نور مرئی را اندازه گیری می‌کند در حالی که تکنولوژی های دیگری مانند تلسکوپ های رادیویی، پدیده های نامرئی را اندازه میگیرند. دانشمندان سال‌های زیادی را صرف جمع‌آوری داده‌ها می‌کنند و سپس به تجزیه و تحلیل آن‌ها پرداخته تا آنچه را که می‌بینند به بهترین شکل ممکن درک کنند.

 با کسب اطلاعات بیشتر و بیشتر مسلم شد که کهکشان ها آنطور که انتظار می رفت رفتار نمی کردند. کهکشان ها با نیروی جاذبه کنار هم قرار داده شده اند که این نیرو در مرکز یعنی درجایی که بیشترین جرم وجود دارد به قوی ترین مقدار خودش می رسد. ستارگان در بیرون از لبه های کهکشان‌های دایره ای، چنان سریع حرکت می‌کردند که نیروی گرانش ایجاد شده توسط ماده مشاهده شده در آنجا قادر به جلوگیری از پرتاب آنها به اعماق فضا نبود.

دانشمندان فکر می کردند که در این کهکشان ها باید جرمی بیش تر از آنچه که درحال حاضر می توانیم مشاهده کنیم، وجود داشته باشد. چیزی می‌بایست ستاره ها را از پرتاب شدن به بیرون دور نگه دارد و آنها آن را ماده تاریک می نامند. آنها واقعاً نمی‌توانستند بگویند که این ماده چه ویژگی‌هایی ممکن است داشته باشد بجز اینکه این ماده می‌بایست کشش گرانشی داشته باشد و باید به مقدارزیادی نیز از آن وجود داشته باشد. در واقع، بخش اعظم جهان (۸۵ درصد) باید ماده تاریک باشد. در غیر این صورت، کهکشان‌ها نمی‌توانستند تا کنون دورهم بمانند و از هم پاشیده می‌شدند؛ چرا که جاذبه کافی برای نگه داشتن تریلیون ها عدد ستاره در سر جایشان وجود نداشت.

وقتی ازعلم صحبت می شود، مشکل مرتبط با چیزی که نمی توانیم مشاهده کنیم اینجا است که به سختی می توان در مورد آن چیزهای زیادی بیان کرد. از آنجا که ماده تاریک با نیروی الکترومغناطیسی  ( که عامل ایجاد نور مرئی، امواج رادیویی و اشعه ایکس است) تعاملی ندارد، همه شواهد ما غیرمستقیم هستند. دانشمندان همواره در تلاش برای یافتن راه هایی برای مشاهده ماده تاریک وانجام پیش بینی هایی بر اساس تئوری های مبتنیز بر آن بوده اند اما موفقیت چندانی حاصل نشده است.

یک راه حل ممکن:

نظریه گرانش نیوتن اکثر وقایع در مقیاس بزرگ را به خوبی توضیح می دهد. با استفاده از نظریه نیوتن می توان همه چیز از پرتاب اولین توپ در زمین، در بازی یانکی ها گرفته تا حرکت های صورت های فلکی را توضیح داد. با این حال، این نظریه بدون اشتباه نیست. به عنوان مثال، نظریه‌های نسبیت عام و خاص انیشتین، اطلاعاتی را توضیح می‌دهند که نظریه نیوتن نتوانست آن ها توضیح دهد. دانشمندان هنوز هم از نظریه نیوتن استفاده می کنند، چرا که در اکثر موارد کار می کند و معادلات بسیار ساده تری دارد.

ماده تاریک به عنوان روشی برای تطبیق دادن فیزیک نیوتنی با اطلاعات پیشنهاد شد اما شاید به جای تطابق ، یک نظریه اصلاح شده مورد نیاز باشد. یک فیزیکدان اسرائیلی به نام مردهای میلگروم در این رابطه به موضوع ورود میکند. او در سال ۱۹۸۲  یک نظریه درباره ی گرانش (تحت عنوان دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده یا به اختصار «موند») ارائه کرد که فرض بر این دارد که  گرانش زمانی که بسیار ضعیف می‌شود، به عنوان مثال در لبه کهکشان‌های دایره ای، متفاوت عمل میکند.

نظریه او صرفا رفتار کهکشان ها را  توضیح نمی دهد، آنها را پیش بینی می کند. مشکل تئوری ها این است که آنها می توانند راجب هر چیزی اظهار نظر کنند. اگر وارد اتاقی شوید و ببینید که چراغ‌ها روشن هستند، می‌توان این نظریه را داد که پرتوهای کیهانی خورشید در جهت درست به آینه‌های پنهان دراتاق برخورد می‌کنند واتاق را روشن می کنند. نظریه دیگر که می توان بیان کرد ممکن است این باشد که کسی کلید چراغ را زده است. یکی از راه‌های تفکیک نظریه‌های خوب از نظریه‌های بد این است که ببینیم کدام نظریه پیش‌بینی‌های بهتری انجام می‌دهد.

بررسی های اخیر بر روی نظریه  موند  نشان می دهد که  این نظریه به طرز قابل توجهی پیش بینی های بهتری نسبت به مدل های استاندارد ماده تاریک انجام می دهد. این بدان معناست که در حالی که ماده تاریک می تواند رفتار کهکشان ها را به خوبی توضیح دهد، اما قدرت پیش بینی کمی دارد و حداقل در زمینه پیش بینی کردن، یک نظریه پایین تر است.

در مورد نظریه ماده تاریک و موند فقط داده ها و بحث های بیشتری می توانند بحث امتیازدهی به آن ها را حل کنند. با این حال، اگر موند را به عنوان بهترین توضیح بپذیریم، در اینصورت دهه ها اجماع علمی را از بین برده ایم  و یکی از ویژگی های اسرارآمیز جهان را بسیار عادی تر کرده ایم.

. یک نظریه اصلاح شده ممکن است به اندازه نظریه مرتبط با نیروهای تاریک و نامرئی جذاب نباشد، اما احتمالا این مزیت را دارد که علم بهتری است.