ماده تاریک چیست؟

پرسش هایی که هنوز درباره ماده تاریک بی پاسخ مانده اند.

در دهه 1930 یک ستاره شناس سوئیسی به نام فریتز زویسکی متوجه شد کهکشان های که در خوشه های دوردست قرار دارند با سرعتی بسیار بیشتر از مقدار مورد انتظار از جرم مشهودشان به دور خود می گردند. سرعت گردش یک کهکشان به دور مرکز گرانشی خود به جرم آن بستگی دارد. فریتز با محاسبه سرعت واقعی گردش کهکشانها به دور یکدیگر متوجه شد گویی یک ماده نامرئی که آن را ماده تاریک نامید، بر کهکشانها اثر گرانشی عظیمی وارد می سازد.

از آن زمان تاکنون پژوهشگران تایید کرده اند که این ماده اسرارآمیز در سراسر عالم یافت می شود و شش بار فراوانتر از ماده معمولی است که اشیای عادی و بدن ما انسانها را می سازد. با وجود مشاهده آثار این ماده در سراسر گیتی، دانشمندان هنوز پی به ماهیت آن نبرده اند. در مورد این ماده پرسش های بدون پاسخ فراوانی وجود دارد.

1.      ماده تاریک چیست؟

پیش از همه، پژوهشگران هنوز درباره ماهیت واقعی ماده تاریک اطمینان نیافته اند. در ابتدا برخی دانشمندان حدس می زدند که ماده گم شده در عالم از ستارگان کوچک کم نور و سیاهچاله ها ساخته شده است. اما رصدهای موجود تاکنون مقدار کافی از این اشیا را که بتوانند پاسخگوی مقدار عظیم ماده تاریک باشند آشکار نساخته اند. بنابراین یک ذره فرضی به نام ذره پرجرم با برهم کنش ضعیف یا WIMP فرض کرده اند که مانند یک نوترون عمل کرده لیکن بین 10 تا 100 برابر جسیم تر از یک پروتون است. اما این فرض خود به سوالات بیشتری انجامیده است، از جمله این که:

2.      آیا ماده تاریک قابل آشکارسازی است؟

اگر ماده تاریک از ذرات WIMP ساخته شده، باید پیرامون ما همه جا وجود داشته و نامشهود و به سختی قابل آشکارسازی باشند. با اینکه این ماده با ماده معمولی برهم کنش نمی کند اما همواره یک احتمال اندک وجود دارد که یک ذره ماده تاریک در حین سفر خود در فضا با یک پروتون یا الکترون معمولی برخورد کند. اما آزمایشات بیشمار تاکنون نتوانسته اند حتی یک مورد از این برخوردها را ثبت کنند. شاید ذره تشکیل دهنده ماده تاریک بسیار کوچکتر از WIMP های فرضی باشد.

3.      آیا ماده تاریک از بیش تر از یک نوع ذره تشکیل شده است؟

ماده معمولی از ذراتی مانند پروتون و الکترون ساخته شده و ذرات عجیب غریب دیگری مانند نوترینوها، میونها و پیون ها نیز وجود دارند. اما آیا ماده تاریک که حدود 85 درصد ماده تشکیل دهنده عالم را می سازد باید از همان درجه پیچیدگی برخوردار باشد؟ یا ماده تاریک تنها از یک نوع ذره ساخته شده است؟

4.      آیا نیروهای تاریک وجود دارند؟

ذرات تشکیل دهنده ماده معمولی بر یکدیگر نیرو وارد می کنند. اما آیا ذرات ماده تاریک نیز نوعی نیروی تاریک بر هم وارد می کنند؟

5.      آیا ماده تاریک از اکسیون ها ساخته سده است؟

با دورشدن توجه فیزیکدانها به ذرات فرضی WIMP ، دره فرضی دیگری به نام اکسیون توسط دانشمندان پیشنهاد شده است. این ذرات بسیار سبک بوده و حدود 10 به توان 31 بار سبکتر از پروتون هستند. شاید این ذرات بتوانند اشیای ستاره مانندی ساخته و تشعشعات قابل ردیابی کاملا شبیه آنچه انفجارهای رادیویی سریع نامیده می شود تولید کنند.

6.       خواص ماده تاریک کدام است؟

ستاره شناسان از طریق برهم کنش گرانشی ماده تاریک با ماده معمولی پی به وجود آن برده اند. اما زمانی که به مطالعه خواص این ماده آغازیدند موفقیتی در این باره نداشته اند. آشکاسازهای برخورد ماده و ضدماده در ایستگاه فضایی بین المللی هزاران مورد از برهم کنش های مشکوک را ثبت کرده اند اما ماهیت واقعی اینها هنوز ناشناخته اند.

7.      آیا ماده تاریک در تمامی کهکشانها وجود دارد؟

8.      آیا ماده معمولی پس از زوال به ماده تاریک تبدیل می شود؟

9.      آیا ماده تاریک می تواند دارای بار الکتریکی باشد؟

اینها تنها بخشی از مجهولاتی بزرگی هستند که درباره این ماده اسرار آمیز وجود دارند.

منبع:

https://www.livescience.com/64113-dark-matter-mysteries.html

---

تدریس خصوصی دروس ریاضیات دبیرستان و دانشگاه

توسط مدرس با تجربه

09360771981

---

مسایل حل نشده دنیای فیزیک

در سال 1900 فیزیکدان بریتانیایی لرد کلوین چنین گفت: "اکنون در فیزیک هیچ چیز جدیدی برای کشف کردن وجود ندارد. تمام آنچه باقی مانده اندازه‌گیری دقیق است." در طی سه دهه، مکانیک کوانتوم و نظریه نسبیت اینشتاین، دانش فیزیک را متحول ساختند. امروزه هیچ فیزیکدانی جرات اظهار این مطلب را ندارد که دانش فیزیکی ما ازدنیای پیرامون حتی نزدیک به تکامل است. در تباین با این امر باید گفت که هر کشف جدیدی قفلی است بر یک جعبه از معماهایی بزرگتر و بزرگتر از ابهامات فیزیکی. در این مقاله برخی از بزرگترین رازهای دنیای فیزیک معرفی شده است.

انرژی تاریک چیست؟

با وجودی که گرانش تمایل به درون کشیدن اجرام و آهسته کردن سرعت دور شدن کهکشانها از یکدیگر دارد، دنیا با سرعتی فزاینده منبسط می شود. برای توضیح دلیل این پدیده ستاره شناسان یک عامل نادیدنی را پیشنهاد کرده اند که با گرانش مخالفت کرده و فضا-زمان را به بیرون گسترش می دهد. این عامل نامرئی انرژی تاریک نام دارد. در پذیرفتنی ترین مدل از انرژی تاریک، آن را یک ثابت کیهان شناسی فرض می کنند: یک خاصیت ذاتی خود فضا که فشاری منفی وارد کرده و فضا را گسترش می دهد. برپایه نرخ اندازه گیری شده برای گسترش فضا، دانشمندان به این نتیجه رسیده اند که حدود 70 درصد جهان از انرژی تاریک تشکیل شده است. اما هیچکس نمی داند کجا باید به جستجوی آن برآییم.

ماده تاریک چیست؟

شواهد متقنی وجود دارد که حدود 84 درصد ماده موجود در دنیا هیچ نوری از خود ساتع نکرده یا جذب نمی کند. "ماده تاریک" قابل دیدن مستقیم نیست و هنوز به روشهای غیرمستقیم آشکارسازی نشده است. وجود ماده تاریک و خواص آن از آثار گرانشی وارد بر ماده مشهود، تشعشع و ساختار کیهان قابل اثبات است. دانشمندان بر این باورند که این ماده تاریک در مرزهای کهکشانها نقش غالب را دارد و شاید از ذرات چرجرمی با کنش ضعیف برهم (یا WIMP ها) تشکیل شده است. در سراسر کره زمین آشکارسازهای زیادی برای این ذرات نصب شده اند لیکن تاکنون نتیجه ای بدست نیامده است. یکی از تازه ترین مطالعات انجام شده چنین پیشنهاد نموده است که ماده تاریک ممکن است از جریانهای بلند ریزدانه در سراسر کیهان ناشی شود که از زمین مانند رشته های مو ساتع می شوند.

چرا یک پیکان زمان باید وجود داشته باشد؟

بواسطه خاصیتی کیهانی به نام آنتروپی، زمان همواره در حال پیش رفتن است. آنتروپی به بیان ساده به عنوان سطح بی نظمی تعریف می شود که همواره در حال افزایش است و به هیچ طریق نمی توان پس از ایجاد آنتروپی، سطح آن را کاهش داد. این حقیقت که آنتروپی در حال افزایش است موضوع مباحثات منطقی است: تعداد آرایش های نامنظم ذرات بیش از آرایش های منظم آنهاست. بنابراین هر زمان که اشیا تغییر می کنند، به بی نظمی دچار می شوند. اما در اینجا یک سوال بنیادی پیش می آید: چرا آنتروپی در گذشته آنقدر کم بوده است؟ به بیان دیگر، چرا کیهان در آغاز خود آنقدر منظم بوده یعنی زمانی که مقدار عظیمی انرژی در فضای کوچکی متراکم بوده است.

آیا جهان های موازی وجود دارند؟

داده های ستاره شناسی چنین القا می کنند که فضا-زمان بجای منحنی بودن می تواند مسطح باشد و در نتیجه تا ابد گسترش آن ادامه خواهد داشت. اگر چنین باشد، ناحیه ای که می توانیم ببینیم (که از آن به عنوان کیهان تعبیر می‌شود) تنها تکه ای در یک یک کیهان چندگانه بطور نامحدود بزرگ است. در عین حال، قوانین مکانیک کوانتوم چنین اجبار می‌کنند که در هر تکه از کیهان تنها تعداد محدودی از پیکربندی های ممکن ذرات می توانند وجود داشته باشند. بنابراین با فرض وجود تعدادی نامتناهی از تکه های کیهانی،  آرایش های ذرات مجبور به تکرار شدن در آنها هستند: یعنی تکه‌های کیهانی درست مانند آنچه ما در آن زندگی می‌کنیم (شامل فردی دقیقا مثل شما!) ممکن است وجود داشته باشند. گستره آنها از تکه‌های کیهانی است که تفاوت آنها فقط در موقعیت یک ذره است تا تکه هایی که کاملا با هم تفاوت دارند.

سرنوشت کیهان چیست؟

سرنوشت نهایی کیهان قویا به یک ضریب بامقداری در حال حاضر نامعلوم به نام ضریب گاما بستگی دارد. گاما میزانی از چگالی ماده و انرژی در سراسر کیهان است. اگر گاما بزرگتر از 1 باشد، فضا-زمان مانند سطح یک کره عظیم بسته خواهدبود. اگر هیچ انرژی تاریکی وجود نداشته باشد، چنین جهانی نهایتا از انبساط باز خواهد ایستاد و شروع به منقبض شدن می نماید بطوریکه در پایان به درون خود فروریخته و رمبش عظیم را موجب می شود. اگرکیهان بسته بوده و لیکن انرژی تاریک وجود داشته باشد، کیهان کروی شکل برای همیشه انبساط می یابد (مانند توپ در حال باد شدن).

از سوی دیگر اگر گاما کوچکتر از 1 باشد، هندسه فضا مانند سطح یک زین اسب باز است. در این حالت، سرنوشت نهایی یک انجماد عظیم به دنبال یک شکاف عظیم خواهد بود: ابتدا شتاب رو به بیرون کیهان باعث جدایی کهکشان ها و ستاره‌ها خواهد شد و تمامی ماده را منجمد و پراکنده باقی خواهد گذاشت. سپس شتاب گسترش جهان چنان قدرتمند خواهد شد که براثرات نیروهای نگهدارنده اتمها کنار یکدیگر غلبه کرده و همه چیز درکیهان به ذرات مجزا از هم خواهد گسیخت.

اگر مقدار گاما برابر 1 باشد، کیهان مسطح است و مانند یک صفحه نامتناهی در تمامی جهات گسترش خواهد یافت. اگر انرژی تاریکی وجود نداشته باشد، چنین جهان مسطحی برای همیشه انبساط می یابد لیکن شتاب این گسترش رو به کاهش دارد که نهایتا به توقف منجر می شود. اگر انرژی تاریک وجود داشته باشد، انبساط فزاینده جهان به از هم گسیختگی بزرگ نهایی منجر خواهد شد. صرفنظر از نحوه ریواد این سناریو، همچنانکه پاول ساتر در مقاله ای به تاریخ دسامبر 2015 بطورمشروح مورد بحث قرار داده است، کیهان در حال مرگ است.

منبع:

http://www.livescience.com/34052-unsolved-mysteries-physics.html