لماذا نعتبر هذه أو تلك النظرية أو الفرضية مقنعة ، وبدائلها غير مرجحة؟ لقد أزعجت الإجابة على هذا السؤال فلاسفة العلم منذ عقود عديدة: جدل كارل بوبر وتوماس كون لأكثر من 40 عامًا. من الأمثلة الحديثة نسبيًا التي نناقشها تطوير الأفكار حول المادة المظلمة. تم اكتشاف علامات وجودها في ثلاثينيات القرن العشرين ، ولكن فقط في السبعينيات ، بدأت هذه الفرضية تعتبر الأساسية. لماذا؟
إن مشكلة المادة المظلمة اليوم هي واحدة من المشاكل المركزية لكل من الفيزياء الفلكية والفيزياء ككل. من المعروف أن حوالي 80٪ من كتلة المجرات تتكون من مادة غير معروفة للعلم ، والتي لا تظهر بأي شكل من الأشكال باستثناء جاذبيتها. والمثير للدهشة ، أنه على الرغم من اكتشاف العلامات الأولى لوجود هذه الكتلة ، المخفية عن أعيننا ، في ثلاثينيات القرن الماضي ، إلا أن العلماء لم يأخذوا هذه الفرضية حقًا في السبعينيات. لماذا حدث هذا؟ تم اقتراح إجابة واحدة محتملة من قبل مؤلفي المقالة
كيف جاءت المادة المظلمة إلى المادة ، التي تم نشرها مؤخرًا على arxiv.org. سأقدم رواية قصيرة لأطروحاتها.
مشكلة انتشار سرعة المجرات في العناقيد
في عام 1933 ، تم نشر المقالة الشهيرة الآن التي كتبها فريتز زويكي ، حيث درس السرعات الملحوظة لحركة المجرات في مجموعة الشعر فيرونيكا ، ووجد أن انتشارها كان كبيرًا جدًا - يجب أن تحلق الكتلة ، حيث من الواضح أن كتلتها الإجمالية ليست كافية لاحتواء مثل هذه المجرات السريعة. توصل اثنان من علماء الفلك إلى استنتاج مماثل - إريك هولمبرغ وسينكلير سميث ، اللذان درسا أنظمة المجرات الأخرى.
كواحد من التفسيرات ، قدم Zwicky فرضية المادة المظلمة - مادة غير مرئية تخلق جاذبية إضافية وتمنع التكتلات من التشتت. ومع ذلك ، لم تبدأ مناقشة جادة لهذه الملاحظات إلا بعد عقدين.
في نهاية الخمسينيات ، ظهرت قياسات أكثر دقة لمجموعات المجرات ، مما يؤكد ملاحظات الثلاثينيات وجعلها أكثر شمولاً. ثم في عام 1958 ، طرح فيكتور هامبارزوميان فرضية بديلة: ما نراه ليس حالة توازن. تتطاير المجرات حقًا ، لقد كنا محظوظين لمراقبتها في وقت لا تزال فيه قريبة نسبيًا من بعضها البعض.
لكن هذه الفرضية واجهت مشكلة كبيرة. وفقًا للتقديرات ، يجب أن يحدث توسع المجرات في عشرات أو مئات الملايين من السنين ، وهو أقل بمئات المرات من عمر الكون. في عصرنا ، لا ينبغي أن يكون هناك عنقود مجري واحد. لكننا نرى أن هناك بالفعل الكثير من العناقيد.
ومع ذلك ، فإن فكرة أن المادة المرئية هي فقط خمس الكتلة الإجمالية بدت أقل جذرية ، فقد نشأت العديد من التفسيرات البديلة. حاولوا شرح الكتلة الخفية بمناطق ضخمة افتراضية من الهيدروجين المتأين ، وعدد كبير من المجرات القزمة ، والحاجة إلى تعديل قوانين الجاذبية ، والكثافة العالية لإشعاع الجاذبية ، ووجود ثقوب سوداء بقايا ، ونيوترينو ضخمة ، وبطبيعة الحال ، ببساطة أخطاء الملاحظة.
مشكلة منحنيات دوران المجرة
في الوقت نفسه ، نشأت مشكلة في مجال مختلف تمامًا لعلم الفلك ، والذي يمكن حله أيضًا بفرضية المادة المظلمة. في الخمسينات والستينات من القرن الماضي ، كان علم الفلك الراديوي يتطور بنشاط ، مما جعل من الممكن "رؤية" الهيدروجين المحايد غير المرئي سابقًا على أساس خط 21 سم الشهير. وبمساعدتها ، تم قياس سرعة دوران الغاز في المجرات وتم بناء منحنيات دورانها - اعتماد سرعة دوران النجوم والغاز حول مركز المجرة على المسافة إلى هذا المركز.
وفي أوائل السبعينيات ، تم اكتشاف أن هذه المنحنيات "مسطحة" جدًا. كان من المتوقع ، وفقًا لقوانين كبلر ، أن تنخفض السرعات عند الابتعاد عن المجموعة الرئيسية للكتلة المرئية ، لكنها تظل ثابتة تقريبًا. كانت هناك مشكلة من أين تأتي الجاذبية "الإضافية" ، مما يوفر سرعة أعلى.
لكن الوضع كان غامضا. على الرغم من أنه تم النص صراحةً في بعض الأعمال على أنه يمكن تفسير منحنيات الدوران المرصودة بكتلة إضافية معينة لا يمكن الوصول إليها للملاحظة المباشرة ، فإن وجهة النظر هذه لم تسود. جزء من المشكلة هو أنه كان هناك الكثير من نماذج دوران المجرات ، ومن خلال تغيير المعلمات فيها ، كان من الممكن الحصول على اتفاق جيد نسبيًا مع المنحنيات المرصودة.
حسنًا ، على الرغم من أن فرضية المادة المظلمة يمكن أن تحل كلتا المشكلتين في وقت واحد ، إلا أنها كانت واحدة فقط من العديد من الفرضيات المحتملة ، في ذلك الوقت لم تكن مقنعة للغاية ، وأيضًا لا تخلو من عيوبها. وبشكل عام ، قليلون اعتبروا هاتين المشكلتين معًا.
مشاكل علم الكونيات
حدث تغيير كبير في إدراك فرضية المادة المظلمة بسبب تطور مجال مختلف تمامًا - علم الكونيات.
في بداية القرن العشرين ، اعتقد معظم العلماء أن مجرتنا هي الكون بأكمله. ولكن بحلول منتصف القرن أصبح واضحًا: هذا بعيد عن القضية. أدى كل علم الفلك الراديوي نفسه إلى اكتشاف عدد كبير من المجرات ، وبعد ذلك في عام 1963 ، كائنات ذات طبيعة جديدة تمامًا - كوازارات ، أجسام فائقة السطوع بعيدة كانت موجودة في فجر الكون. أصبح من الواضح أن الكون ليس ثابتًا ، ولكنه يتطور بطريقة ما. لذلك جاءت الكونيات.
كانت المهمة الرئيسية لعلم الكونيات هي معرفة ما هو السيناريو الذي يطوره الكون. وفقًا للنموذج الأكثر شيوعًا ، الذي يحمل اسم فريدمان ، هناك ثلاثة إصدارات من الكون: مسطحة ومفتوحة ومغلقة. أي منها يتوافق مع كوننا يعتمد على المعلمات في المعادلات. يجب بالطبع تحديد هذه المعلمات من الملاحظات ، والأهم هو كثافة المادة في الكون.
الأكثر جاذبية - بشكل رئيسي من بعض المشاعر الجمالية المجردة - إلى العديد من علماء الكونيات كان نموذجًا للكون المغلق. لهذا ، يجب أن تكون كثافة المادة فيها من 10
−29 جم / سم مكعب. في الواقع ، كان تقدير الكتلة الظاهرية أصغر بمائة مرة - 10
−31 جم / سم مكعب. كان من المستحيل تجاهل هذا التناقض.
الجمع بين ثلاث مشاكل في حل واحد
وهنا توصل علماء الكون إلى الإنقاذ وخرجوا بمشاكل معروفة مع منحنيات الدوران وانتشار سرعات المجرات في العناقيد. في عام 1974 ، جمع جيم بيبلز وجيري أوستريكير وعاموس ياهيل كل شيء معًا وأظهروا أن فرضية المادة المظلمة تحل المشاكل الثلاثة. لكن أناقة هذا الاستنتاج طغت عليه حقيقة أنه حتى مع الأخذ بعين الاعتبار الكتلة الخفية للمجرات ، فإن كثافة الكون لا تزال أقل بخمس مرات من تلك المطلوبة لسيناريو "مغلق". ومع ذلك ، لم يكن هذا بالفعل مائة مرة ، ومع معامل أقل من 10 ، تعلم علماء الفيزياء الفلكية أن يطرحوا ذلك قبل ذلك بوقت طويل - لكن القياسات في هذا المجال من العلوم لم تكن دائمًا دقيقة للغاية.
تم التوصل إلى نفس الاستنتاج في وقت واحد من قبل مجموعة أخرى من العلماء - المجموعة الإستونية من مرصد تارتو تتكون من جان إيناستو ، النمل كاسيك وإينا سار. ظهر مقالهم في مجلة Nature في نفس وقت مقال الأمريكيين ، على الرغم من أنهم أرسلوه قبل بضعة أسابيع.
على أي حال ، كان علماء الكون ومجالهم العلمي الشاب الذي يتطور بسرعة هو "الغراء" الذي يجمع بين أدلة متباينة وغير مقنعة جدًا في نظرية واحدة ومتسقة إلى حد ما ، والتي كانت تستند إلى فرضية واحدة فقط - الفرضية مادة مظلمة.