راز ماده تاریک: آیا پاسخ در قطرات ماده چگال نهفته است؟
ماده تاریک، چالشی بزرگ برای فیزیکدانان است. این ماده فرضی تنها از طریق گرانش با دیگر اجزای کیهان برهمکنش دارد و به عنوان اسکلتبندی کهکشانها و دیگر ساختارهای عظیم کیهانی عمل میکند. با وجود تلاشهای چندین دهه، هنوز ذرات ماده تاریک به طور مستقیم کشف نشدهاند. برخی از منتقدان، این مفهوم را صرفاً عاملی برای توجیه کمبودهای نظریههای فیزیکدانان در مورد عملکرد کیهان میدانند. اما صرف نظر از اینکه ماده تاریک واقعاً وجود دارد یا محصول تخیل نظریهپردازان است، شواهد بسیاری برای وجود آن وجود دارد که نمیتوان به سادگی آن را نادیده گرفت.
شواهدی از وجود ماده تاریک
به هر حال، چیزی بسیار عجیب در کیهان در جریان است. ستارگان در حاشیه کهکشانها با سرعت بسیار زیادی در حال گردش هستند. کهکشانها در خوشهها با سرعت غیرمنتظرهای به دور هم میچرخند. رشتههای غنی از ماده در تار کیهانی با سرعت غیرقابل توضیحی در حال تجمع هستند. و نمونههای بسیار دیگری از این دست وجود دارد.
تلاشهای ناموفق برای جایگزینی ماده تاریک
تمام تلاشها برای کنار گذاشتن مفهوم ماده تاریک، مانند اصلاح نیروی گرانش برای تطبیق با ویژگیهای مشاهدهای، با شکست مواجه شدهاند. در حالی که نمیتوان چنین رویکردهایی را کاملاً رد کرد، پنجاه سال تلاش هنوز به نتیجهای رضایتبخش نرسیده است.
فراتر از فیزیک انرژی بالا
دهها سال شواهد، بسیاری از گزینههای محتمل ماده تاریک که از فیزیک انرژی بالا الهام گرفته شده بودند را رد کردهاند. اما فیزیک انرژی بالا تنها شاخه مرتبط نیست. زمینههای دیگری مانند فیزیک ماده چگال، که خواص مجموعههای بزرگ ماده را بررسی میکند (مانند چگونگی همکاری اتمها در یک قطعه شیشه برای شفافیت آن)، نیز نقش دارند. این حوزه گوشههای عجیبی دارد، مانند دنیای مرموز ابررسانایی، که میتواند الهامبخش درک معماي ماده تاریک باشد.
ماهیت مرموز ماده تاریک
بهترین حدس ما در مورد ماهیت ماده تاریک این است که نوعی ماده وجود دارد که با نور – یا تقریباً هیچ چیز دیگری، حتی خود ماده تاریک – برهمکنش نمیکند. این ماده بخش اعظم تقریباً هر کهکشان و ساختار بزرگتری را تشکیل میدهد و تنها از طریق نیروی گرانشی خود بر روی ماده مرئی شناخته میشود.
تمام تحقیقات کیهانشناسی به این نتیجه تکاندهنده میرسد که تنها کسری اندک از ماده موجود در کیهان نور تولید میکند. پس از قرنها تلاش برای توسعه جدول تناوبی، باغ وحش ذرات، مدل استاندارد فیزیک ذرات، نیروهای طبیعت و سایر موارد، اکنون میدانیم که به سختی سطح این دانش را خراشیدهایم. اما علم سفری است فقط برای فروتنان، بنابراین تنها یک راه پیش رو داریم: ادامه دادن.
ابزارهای تحقیق در مورد ماده تاریک
ما ابزارهای قدرتمندی در اختیار داریم برای کاوش در گوشههای تاریک کیهان. یکی از این ابزارها مجموعه مشاهدات و اندازهگیریهایی است که در مقیاسهای کهکشانی تا کیهانی انجام شده و گستره جهان قابل مشاهده و عمق زمان طولانی را دربر میگیرد. همه این مشاهدات، هر نظریه پیشنهادی را بررسی و قضاوت میکنند. ممکن است در مورد اینکه ماده تاریک چیست در تاریکی به سر ببریم، اما درک خوبی از عملکرد آن داریم. هر ایدهای برای توضیح ماده تاریک باید از صافی مشاهدات عبور کند. اگر ایدهای در هر مرحلهای شکست بخورد، به سراغ ایده بعدی میرویم.
ابزار قدرتمند دیگر، خود فیزیک است: کاوش ریاضیاتی ما از جهان. ما ماده تاریک، هویت، ویژگیها یا برهمکنشهای آن با بقیه جهان را کاملاً درک نمیکنیم. اما تا حدی، میدانیم که بقیه جهان چه میکند. ماده تاریک مانند قطعه گمشده یک پازل است؛ ما نمیدانیم این قطعه چیست، اما تقریباً میدانیم که چه شکلی باید داشته باشد.
هرچه ماده تاریک باشد، باید از قوانین فیزیک پیروی کند (حتی اگر هنوز تمام آن قوانین را نمیشناسیم).
WIMP و Axion: نامزدهای ناموفق
به عنوان مثال، زمانی که جهان کمتر از یک دقیقه سن داشت، ماده تاریک باید به نحوی از ماده معمولی جدا میشد (فرآیندی به نام “انجماد”) تا به مقدار کنونی آن که از مشاهدات استنتاج میشود، برسیم. این همان روشی است که به ما کمک کرد تا به نامزد اصلی ماده تاریک، WIMP یا ذره پرجرم ضعیف برهمکنشکننده، برسیم. ما برخی از ذرات فرضی را در نظریههای فیزیک تولید کردیم که اگر فعال، فراوان و به طور کلی در جهان وجود داشتند، به طور طبیعی دقیقاً همین کار را انجام میدادند.
اما ما هنوز WIMP را به طور مستقیم شناسایی نکردهایم و اساس نظری آن ضعیف به نظر میرسد. بنابراین، ما به پیش میرویم.
همچنین Axion وجود دارد، ذره فرضی دیگری که از فیزیک انرژی بالا سرچشمه میگیرد و تریلیونها بار سبکتر از WIMP است. اگر Axion وجود داشته باشد و خواص مناسبی داشته باشد، میتواند همه کارهایی را که میدانیم ماده تاریک باید انجام دهد، انجام دهد.
اما ما هنوز Axion را به طور مستقیم شناسایی نکردهایم – اگرچه، منصفانه است بگوییم که به اندازه WIMPها به دنبال Axionها نگشتهایم، به سادگی به این دلیل که تصور میشد WIMPها گزینه مناسبی برای ماده تاریک هستند. بنابراین، ما به پیش میرویم.
مدل جدید: قطرات ماده چگال
در ماه مه، گوانمینگ لیانگ و رابرت کالدوِل، هر دو از کالج دارتموث، مقالهای را در Physical Review Letters منتشر کردند که در آن نامزد خود را برای ماده تاریک ارائه دادند. یک بدبین ممکن است با دیدن این مطالعه چشمهای خود را بچرخاند: “آه، چه خوب، پیشنهاد دیگری برای یک ذره کاندید، احتمالاً صدمین مورد در این ماه، که تقریباً مطمئناً نادرست است – فقط یک ضربه تصادفی در تاریکی، رشته دیگری از اسپاگتی پرتاب شده به سمت یخچال کیهانشناسی.”
این پاسخ منصفانه خواهد بود. این مدل احتمالاً – نه، تقریباً مطمئناً – نادرست است. اما این به این دلیل است که اکثر مدلها در بیشتر مواقع نادرست هستند. اگر از قبل پاسخ را میدانستیم، نیازی به انجام علم نداشتیم. ما فقط میتوانیم پاسخ صحیح را با بررسی تمام پاسخهای نادرست، جدا کردن گندم از کاه، بارها و بارها تلاش کردن تا زمانی که چیزی شایسته پیدا کنیم، پیدا کنیم.
اما ما فقط زمانی میدانیم که تلاش کنیم.
و تحسینبرانگیز است که مدل لیانگ و کالدوِل نه تنها تلاش میکند، بلکه چیزی واقعاً جدید را امتحان میکند. به جای الهام گرفتن از فیزیک انرژی بالا، با ذرات فرضی مشتق شده از این یا آن برهمکنش عجیب، نویسندگان به فیزیک ماده چگال و به ویژه ماهیت عجیب ابررسانایی نگاه میکنند.
در یک رسانای معمولی، الکترونها حامل الکتریسیته هستند، اما مقاومت نیز ارائه میدهند. با این حال، در دماهای به اندازه کافی پایین و در مواد مناسب، الکترونها متراکم میشوند – یا اگر بخواهید، منجمد میشوند – و خود را به صورت جفت در یک پیکربندی کمانرژی مرتب میکنند. این امر مقاومت الکتریکی را از بین میبرد و باعث ایجاد جادوی ابررسانایی میشود.
به طور مشابه، مدل لیانگ و کالدوِل، ماده تاریک را به عنوان سوپی از ذرات عجیب و غریب که لحظاتی پس از انفجار بزرگ، در عصر عجیبی قبل از ظهور پروتونها و نوترونها متولد شدهاند، در نظر میگیرد. این سوپ با ماده معمولی برهمکنش نمیکند، اما لزوماً جرمی از خود ندارد. با گسترش و سرد شدن کیهان، ذرات ماده تاریک متراکم و به هم میچسبند و “قطرات” عظیمی را تشکیل میدهند که تکامل جداگانه خود را دارند و از بقیه ماده مرئی در جهان به جز از طریق تأثیر گرانشی خود جدا هستند.
محاسبات پیچیده و آزمایشی هستند اما امیدوارکنندهاند. مزیت اصلی این رویکرد این است که مکانیسم جدیدی را برای ایجاد ماده تاریک در شرایط دشوار در چند دقیقه اول پس از انفجار بزرگ ارائه میدهد که به مراحل مشابه روش WIMP وابسته نیست. و این مدل فقط تکامل موجود ماده تاریک را تکرار نمیکند. اگر ذرات عجیب و غریب جرمی داشته باشند، تنها برخی از آنها برای تشکیل ماده تاریک متراکم میشوند. بقیه به عنوان پسزمینه که جهان را اشباع میکند، در جای خود قفل میشوند و احتمالاً نقش انرژی تاریک، نیروی مرموزی که به نظر میرسد شتاب انبساط جهان را افزایش میدهد، را ایفا میکنند. نکته مهم این است که در این مدل، انرژی تاریک میتواند با زمان تغییر کند، که با نتایج آزمایشی حاصل از بررسیهای کهکشانی همسو است.
مطالعاتی مانند این فقط اولین قدم هستند: بررسی امکانپذیری که تقریباً مقدار مناسبی از ماده تاریک را در تقریباً زمان مناسب به دست میدهد. هنوز مشخص نیست که آیا این مدل میتواند تمام شواهد موجود در مورد ماده تاریک را توضیح دهد: آیا میتواند به طور همزمان طیف وسیعی از رفتارهایی را که به ماده تاریک نسبت میدهیم، از اوایل دوران کیهان تا جهان پر از ستاره امروزی، توضیح دهد؟
و آیا میتواند از آزمون نهایی عبور کند؟ آیا میتواند وجود یک ذره – یا یک قطره متراکم از ماده تاریک – را پیشبینی کند که روزی بتوانیم آن را به طور مستقیم ببینیم؟
جستجوی ماهیت واقعی ماده تاریک بسیار ناامیدکننده است زیرا موانعی که هر مدلی باید از آنها عبور کند، بسیار زیاد هستند. ما به این مدل یا هر فرضیه دیگری اعتقادی نخواهیم داشت تا زمانی که بتواند در جایی که بسیاری دیگر شکست خوردهاند، موفق شود.
بنابراین، ما به پیش میرویم.
