لماذا هناك حاجة إلى المادة المظلمة وهل يمكن الاستغناء عنها؟

هذه ترجمة لمقال بقلم مارك أندرسون من New Scientist (18-24 مارس 2017).

قوة جذابة بشكل مدهش

من الناحية النظرية ، ينبغي أن تكون الجاذبية قوة يمكن التنبؤ بها. نحن على دراية جيدة بها ، وبفضلها نحن على الأرض بقوة ، ولا يحلق الغلاف الجوي في الفضاء. إذا أخذنا مقياسًا أكبر ، فقد أثرت هذه القوة على تطور الكون نفسه. كيف أن الإهانة التي تسببها الجاذبية أحيانًا تخذلنا. من أجل تفسير الدوران الحلزوني للمجرات ومجموعات المجرات عن طريق الجاذبية في الشكل الذي نفهمه ، نحتاج إلى التوصل إلى شكل جديد تمامًا من المادة لم يشهده أحد من قبل - المادة المظلمة. لشرح تسارع توسع الكون ، نحتاج إلى اختراع كيان غامض بنفس القدر - الطاقة المظلمة.

ولكن ماذا لو لم نفهم الجاذبية مطلقًا؟ ماذا لو لم تلعب الجاذبية بالقواعد في مكان ما خارج مجال رؤيتنا؟

إن التفكير في ذلك هو بدعة عمليا ، على الرغم من أن هذه الأفكار ليست جديدة. لكن في الآونة الأخيرة ، دفعتنا الأبحاث الحديثة حول المجرات والنتائج غير المتوقعة من مجال المعلوماتية الكمومية بقوة جديدة لإعادة التفكير في فهمنا للجاذبية. تظهر أفكار جذرية جديدة تتحول فيها أفكارنا حول الزمكان وجوهر الجاذبية بشكل كامل. لا يوجد مكان للمادة المظلمة في الصورة الجديدة للعالم ، والطاقة المظلمة ، بدلاً من مقاومة الجاذبية ، يمكن أن تولدها جزئيًا.

كل شيء نعرفه عن الجاذبية تم منحه لنا من قبل إسحاق نيوتن وألبرت أينشتاين. أوضح لنا نيوتن أن قوة الجذب تنخفض عكسًا مع مربع المسافة ، وأينشتاين - تظهر هذه الجاذبية نتيجة لانحناء الزمكان بواسطة الأجسام الضخمة.

ينص قانون نيوتن للجاذبية الكونية على أنه في النجوم البعيدة عن مركز المجرة ، تكون قوة الجاذبية أضعف من النجوم الواقعة بالقرب من مركز المجرة ، وبالتالي فإن سرعة الأولى أقل. ومع ذلك ، في السبعينيات ، لاحظ علماء الفلك ، بما في ذلك فيرا روبين ، أن سرعة النجوم البعيدة عن مركز المجرات لم تنخفض كما كان متوقعًا. بدلاً من ذلك ، استقرت السرعة ، والتي لا يمكن تفسيرها إلا من خلال وجود بعض المواد غير المرئية المحيطة بالمجرة وخلق جاذبية إضافية. منذ ذلك الحين ، كنا نحاول العثور على هذه المسألة دون جدوى.

اللعبة ليست بالقواعد

صحيح ، لم يشارك جميع في عمليات البحث. في 1980s ، أظهر Mordehai Milgrom ، ثم كان يعمل في جامعة برينستون ، أنه يمكننا تفسير الشذوذ في سرعة دوران المجرات دون مشاركة المادة المظلمة. للقيام بذلك ، نحتاج فقط إلى تجاهل فكرة أنه مع زيادة المسافات ، تتصرف الجاذبية دائمًا كما تنبأ نيوتن وأينشتاين. تقترح نظرية ميلجروم ، المعروفة باسم MOND (ديناميكيات نيوتونية معدلة) ، أن الجاذبية تضعف بسلاسة أكثر مما ادعى نيوتن. بمجرد انخفاض تسارع جسم ما بسبب الجاذبية إلى ما دون قيمة معينة ، أو بالأحرى يصبح أضعف 82 مليار مرة من تسارع الجاذبية على الأرض ، تتحول الجاذبية فجأة إلى وضع جديد.

حقق Milgrom بعض النجاح من خلال تطبيق نظريته على المجرات الحلزونية ، ولكن لم يتم استخدام MOND على نطاق واسع. بادئ ذي بدء ، كان من المستحيل ، بمساعدتها ، حساب مجموعات المجرات التي لا يمكن أن تشكل مجموعات صحيحة دون مشاركة المادة المظلمة أو دون إجراء تغييرات أكثر جذرية على نظرية الجاذبية إلى جانب تلك التي تسمح بها MOND. بالإضافة إلى ذلك ، بدت التغييرات التي اقترحتها هذه النظرية عشوائية للغاية. لماذا تتغير قوة الجاذبية فجأة عند هذه النقطة التي تبدو تعسفية؟

ومع ذلك ، لا يزال MOND عائمًا وبدرجة أقل بسبب حقيقة أن المادة المظلمة لم يتم اكتشافها أبدًا. يقول جون موفات من معهد Perimeter للفيزياء النظرية في واترلو بكندا: "هناك احتمالان ، إما أن نجد مصدرًا غير مرئي لجذب إضافي ونتأكد من أن نيوتن وآينشتاين كانا على حق ، أو أننا لن نجد أي شيء. في هذه الحالة ، سنحتاج إلى صقل الجاذبية ".

في العام الماضي ، ربما ، أخيراً ، جاءت نقطة تحول. أعاد Stacy McGaugh ، عالِم الفلك بجامعة Case Western Reserve في كليفلاند بولاية أوهايو ، وزملاؤه ، النظر في أكثر من 150 مجرة ​​لولبية من الجلد باستخدام مجرتنا درب التبانة. عندما قارنوا قوة الجاذبية المحسوبة بسرعة دوران قرص المجرات ، وجدوا أنه بالقرب من حافة القرص ، تدور النجوم بسرعات عالية بشكل غير طبيعي.

وماذا عن هذا؟ بعد كل شيء ، هذا السلوك بالتحديد هو الذي لاحظناه بالفعل مرارًا وتكرارًا من قبل ، ويمكن تفسيره من خلال تغليف المجرة بسحابة من المادة المظلمة. ومع ذلك ، في تقييم إحصائي ، استخدم McGaw التحكم المتقاطع. لقد أخذ كل المادة المرئية في كل المجرات وقارن القوة الجذابة لهذه المادة في كل نقطة بسرعة دوران النجوم القريبة. ونتيجة لذلك ، حصل على علاقة وثيقة بشكل مدهش بين سرعة دوران المجرات وتوزيع المواد المرئية التي تحتوي عليها.



ذهل لي سمولين ، المنظر في معهد بيريميتر في كندا. ويقول إن مثل هذه العلاقة "تعادل قانون الطبيعة". لا تتوقع حدوث ذلك إذا كان هناك شيء آخر غير المادة المرئية يؤثر على المجرات.

والأمر الأكثر إثارة للدهشة هو حقيقة أن هذه العلاقة الوثيقة بين المادة المرئية وحركة النجوم تبقى في مجموعة واسعة من المجرات المختلفة ، على الرغم من توزيع المادة المظلمة فيها بشكل مختلف. لا ينبغي أن تتبع المادة المعتمة المادة العادية بتواضع. لذلك ، إما أنها تتفاعل مع مادة عادية أو هي نفسها أقوى مما يتوقعه النموذج البسيط ، أو أن هناك خطأ ما في الجاذبية.

ليس عمل مكجاو هو السبب الوحيد لإرغامنا على طرح هذا السؤال الهرطقي مرة أخرى. سلوك أكبر مجموعات المجرات هو سلوك مجموعات المجرات. مثل النجوم على حافة المجرات ، تتحرك المجرات على حافة العناقيد أيضًا بسرعة كبيرة جدًا - وهي حقيقة تفسرها المادة المظلمة. تشير ملاحظة تأثير عدسة الجاذبية (انحناء طفيف للضوء من قبل مجال الجاذبية للأجسام الضخمة) إلى أن القوة الإضافية التي تضفي سرعة على المجرات ليست في مكان وجود المادة المرئية. من المستحيل ببساطة تفسير سلوك مجموعات المجرات دون مشاركة مادة غير مرئية ، على الأقل يعتقد.

المثال الأكثر شهرة هو مجموعة التعداد النقطي (Bullet CLuster 1E 0657-558 ، صورة العنوان) ، والتي سميت بتشابهها مع الصورة البطيئة للرصاصة التي تمزق الهدف. بالنسبة للعديد من صيادي المادة المظلمة ، هذا هو أفضل دليل على أنهم يصطادون هذا الوحش ليس عبثا ، وهو موجود. لكن بافيل كروبا من جامعة بون في ألمانيا يدعي عكس ذلك - لا يمكن تفسير هذا التصادم عالي السرعة بين المجرات إلا من خلال نظرية MOND.

يقول: "مقارنة مع صورة رصاصة تضرب هدفًا هي بالتأكيد نكتة للجماهير". يدعي كروبا أنه في الأطر الزمنية الواقعية ، تكون الجاذبية القياسية أضعف من أن تتسبب في مثل هذه التصادمات الساخنة والعنيفة للمجرات ، كما نلاحظ في مجموعة الرصاصة. المادة المظلمة في المراحل الأولى من التصادم يمكن أن تعطيها السرعة العالية التي نلاحظها ، ولكنها ستتداخل بالفعل مع جميع التفاعلات اللاحقة. يقول كروبا: "تشبه هالة المادة المظلمة شبكة." "إنها تلتقط أي مجرة ​​في طريقها." لذلك ، من الصعب للغاية تفسير زوج من المجرات المتصادمة التي تستمر في التحرك بسرعات عالية حتى بعد التصادم. يقول كروبا: "هذه مشكلة كبيرة وكبيرة لنموذج علم الكونيات القياسي". "ولكن مع الجاذبية المعدلة ... لا توجد مشكلة من هذا القبيل."

جوهر MOND هو أنه في المسافات بين المجرات وبين المجرات ، حيث لا يمكننا قياس قوة الجاذبية بشكل مباشر ، فهي أقوى مما كنا نعتقد. وهذا ، وليس بعض المواد غير المرئية ، سيكون أبسط تفسير لسبب تحرك المادة على هذا النطاق بشكل أسرع وتصادم أكثر مما يتوقع نيوتن وأينشتاين.

هذا لا يعني أن نظرية موند ليس لديها مشاكل محددة عندما يتعلق الأمر بالتفاعل داخل عناقيد المجرات. في كتلة الرصاصة باستخدام التلسكوبات ، حددنا مكانين متميزين حيث تكون عدسة الجاذبية أكثر وضوحًا ، مما يعني وجود تركيز أعلى للكتلة ، والذي لا يتزامن مع كمية المادة العادية التي نلاحظها في هذه الأماكن.

يصر ميلجروم على أن هذه المشكلة ليست تهديدًا رهيبًا لنموذجه ، كما يعتقد الكثيرون. ويقول: "إن كمية صغيرة من الكتلة غير المعلومة ، والتي يمكن أن تتحول إلى أكثر المواد العادية ، على سبيل المثال ، النجوم الميتة أو غيوم الغاز البارد ، التي لم نكتشفها بعد ، كافية".

ولكن في حين أن الملاحظات لم تؤكد ذلك ، فإن علماء آخرين يبحثون عن حلول نظرية لهذه المشكلة. أحد هذه الحلول هو نموذج هجين تتصرف فيه المادة المظلمة مثل الذئب - فهي تمر بحرية عبر المجرات ، مما يخلق جاذبية إضافية ، تتوافق مع نظرية MOND ، ولكن في مجموعات المجرات تتصرف مثل المادة المظلمة العادية.

خيار آخر بدأ فجأة في الموضة مرة أخرى هو تعديل MOND. هذا بالضبط ما يفعله موفات. في فهمه ، تتغير القوة الجذابة بعد إضافة القوة البغيضة ، والتي تعتمد بدورها على المسافة ، والتي بسببها ، على مسافات صغيرة ، تطيع القوة الجذابة قانون نيوتن المقلوب ، ولكن في ضواحي المجرة تضعف. في مثل هذه الصورة للعالم ، الجاذبية أقوى مما يعتقد نيوتن ، وتتصرف كما يتنبأ MOND.



يدعي موفات أن نظريته يمكن أن تفسر دوران المجرات والسرعات غير الطبيعية في كتلة الرصاصة. لكن السمة الرئيسية لنظريته هي أنه بالقرب من الثقوب السوداء ، فإن قوى الجذب أقوى مما يتوقعه MOND ، مما قد يمنحنا فرصة لاختبار هذه النظرية.

إذا استطعنا النظر إلى ثقب أسود ، فسنرى قرصًا أسود محاطًا بظل ناتج عن عدسة جاذبية قوية للغاية. في عام 2015 ، حسب موفات أنه وفقًا لنظريته ، فإن الظل حول ثقب أسود فائق الكتلة في مركز درب التبانة سيكون أكبر بعشر مرات مما تنبأت به الموارد الوراثية. ثم تدخل Event Horizon المشهد
تلسكوب (EHT) - شبكة عالمية من التلسكوبات الراديوية ، ومن المقرر إطلاقها في أبريل من هذا العام ، ولأول مرة قادرة على الحصول على صور مفصلة للثقوب السوداء. نظريًا على الأقل ، يمكننا ملاحظة هذا الظل المنتفخ ، إذا كان موجودًا بالطبع على الإطلاق.



ومع ذلك ، مهما اخترنا ، نظرية موند التقليدية أو جاذبية موفات المعدلة ، هناك مشكلة كبيرة لا يمكن تجاهلها - النقص الصارخ للنظرية الأساسية. لماذا تنحرف الجاذبية فجأة عن المسار الذي حدده نيوتن وأينشتاين لها ، وحتى ، على ما يبدو ، عند نقطة عشوائية؟ يمكن الحصول على الإجابة على هذا السؤال إذا راجعنا جذريًا فهمنا لجوهر الجاذبية.

في العام الماضي ، قدم إريك فيرليند من جامعة أمستردام في هولندا منظورًا جديدًا لذلك. ويعتقد أن الجاذبية لا تنشأ من تلقاء نفسها ، ولكن نتيجة للتفاعلات بين أجزاء متشابكة من المعلومات الكمية.

التشابك هو ارتباط عميق وفي نفس الوقت متناقض بعمق بين أزواج أو مجموعات من الجسيمات ، عندما يتسبب التعرض لجسيم واحد في حدوث تفاعل في الآخرين ، حتى إذا تم فصلهم بمسافات كبيرة. منذ أواخر التسعينيات ، تعلم الفيزيائيون كيفية الحصول على جاذبية نيوتن وأينشتاين باستخدام شبكات من البتات الكمومية المتشابكة. تكمن المشكلة في أنها تعمل فقط في الكون النظري المعروف باسم فضاء مكافحة ديتر ، الذي يتصرف بشكل مختلف عن الكون الذي نعيش فيه.

والفرق الرئيسي هو أنه في عالمنا ، الفراغ ليس هادئًا ولا يزال. إنه يغلي بالطاقة المظلمة ، مادة أو قوة غامضة ، يعتقد أنها مسؤولة عن تسريع توسع الزمكان.

بدلاً من محاولة حل هذه المشكلة ، نظر Ferlinde في كيفية عمل الجاذبية ، التي يسببها التفاعل بين أجزاء متشابكة من المعلومات الكمية ، في الكون حيث توجد طاقة مظلمة. ونتيجة لذلك ، حصل على صورة جديدة للجاذبية ، حيث تعطي الطاقة المظلمة تشابك البتات الكمومية قليلاً من المرونة الإضافية.

يقول فيرليندي: "اتضح أن الطاقة المظلمة هي وسيط مرن ، وإذا أضفت كتلة هناك ، فإنها تشوه هذه الوسيلة". ويضيف أن المرونة الإضافية ، التي تم إنشاؤها بواسطة الطاقة المظلمة ، تغذي قوة الجذب على مسافات كبيرة ، مما يؤدي في النهاية إلى ظهور تأثيرات إضافية على مسافة تشبه نظرية Milgrom MOND.

تركت أفكار فيرليند انطباعًا كبيرًا ، ولكن لم يتضح بعد مدى ارتباطها. تقول Sabine Hossenfelder من معهد فرانكفورت للدراسات المتقدمة في ألمانيا: "يبدأ بالطاقة المظلمة ، ويقول إنها تؤدي إلى شيء يشبه المادة المظلمة". "إنه يبذل قصارى جهده للتوفيق بين فرضياته والافتراض الكبير ، الذي اكتسب في السنوات الأخيرة شعبية كبيرة ، أن الزمكان ينشأ من التشابك. لكنني لست متأكدا من أن هناك حاجة ".

في دراسة حديثة ، وجد أنه إذا أخذنا وجهة نظر Ferlinde في الجاذبية ، يمكننا تفسير الشذوذ في العدسة الجاذبية التي لوحظت بالقرب من حوالي 30.000 مجرة. لكن نظريته تعرضت لانتقادات بسبب قيامها بتنبؤات تختلف فعليًا عن MOND. في أحد الأعمال العلمية في التأليف المشترك مع McGaugh ، على سبيل المثال ، تقول أن نظرية Ferlinde تختلف عن MOND بشكل رئيسي - شرح الدوران غير الطبيعي للمجرات. بالإضافة إلى ذلك ، تتنبأ نظريته بحركة الكواكب ، التي لا نلاحظها في نظامنا الشمسي.

من جانبه ، اقترح سمولين محاولة أكثر تواضعا لاشتقاق فيزياء موند من مبادئ الجاذبية الكمية ، وعلى عكس نظرية فيرليند ، لا تختلف نتائجها عن نظرية موند. لا أحد منهم يدعي أنه تلقى نظرية كاملة عن الجاذبية الكمية. لكن هناك شيء واحد واضح - للسؤال لماذا تتصرف الجاذبية بغرابة شديدة على مسافات كبيرة ، بدأ المنظرون في تلقي إجابات.

يقول مكجاو: "لا نعرف إلى أين ستقودنا النظرية النهائية ، لأننا لم نأتي بها بعد". "لذا ، قبل المضي قدمًا ، لا يمكننا الوصول إلى أي مكان من وقت الارتباك والتذبذب."