ما هي المادة السوداء؟ نظرية المادة المظلمة

2024 مؤلف: Henry Conors | [email protected]. آخر تعديل: 2024-02-12 03:35

أيهما جاء أولاً: البيضة أم الدجاجة؟ ظل العلماء في جميع أنحاء العالم يكافحون مع هذا السؤال البسيط لعقود. يطرح سؤال مماثل حول ما كان في البداية ، في لحظة إنشاء الكون. ولكن هل كان هذا الخلق أم أن الأكوان دورية أم لانهائية؟ ما هي المادة السوداء في الفضاء وكيف تختلف عن المادة البيضاء؟ وبغض النظر عن أنواع الأديان المختلفة ، دعونا نحاول الاقتراب من إجابات هذه الأسئلة من وجهة نظر علمية. على مدى السنوات القليلة الماضية ، تمكن العلماء من فعل ما لا يمكن تصوره. ربما لأول مرة في التاريخ ، اتفقت حسابات علماء الفيزياء النظرية مع حسابات علماء الفيزياء التجريبية. تم تقديم العديد من النظريات المختلفة للمجتمع العلمي على مر السنين. بشكل أكثر أو أقل دقة ، بطرق تجريبية ، وأحيانًا شبه علمية ، ومع ذلك ، تم تأكيد البيانات المحسوبة النظرية من خلال التجارب ، حتى أن بعضها مع تأخير لأكثر من عشر سنوات (بوزون هيغز ، على سبيل المثال).

مادة مظلمة - الطاقة السوداء

هناك العديد من هذه النظريات ، على سبيل المثال: نظرية الأوتار ، نظرية الانفجار العظيم ، نظرية الكون الدوري ، نظرية الكون الموازي ، الديناميكيات النيوتونية المعدلة (MOND) ، F.هويل وآخرين. ومع ذلك ، في الوقت الحاضر ، تعتبر نظرية الكون المتوسع والمتطور باستمرار مقبولة بشكل عام ، وتتناسب أطروحاتها بشكل جيد مع إطار مفهوم الانفجار العظيم. في الوقت نفسه ، بشكل شبه تجريبي (أي تجريبيًا ، ولكن مع تفاوتات كبيرة واستنادًا إلى النظريات الحديثة الحالية لهيكل العالم المصغر) ، تم الحصول على البيانات التي تشير إلى أن جميع الجسيمات الدقيقة المعروفة لنا تشكل 4.02 ٪ فقط من إجمالي حجم التكوين الكامل للكون. هذا هو ما يسمى ب "كوكتيل الباريون" ، أو المادة الباريونية. ومع ذلك ، فإن الجزء الأكبر من كوننا (أكثر من 95٪) عبارة عن مواد ذات خطة مختلفة ، وتكوين وخصائص مختلفة. هذه هي ما يسمى بالمادة السوداء والطاقة السوداء. يتصرفون بشكل مختلف: يتفاعلون بشكل مختلف مع أنواع مختلفة من التفاعلات ، ولا يتم إصلاحهم بالوسائل التقنية الحالية ، ويظهرون خصائص لم يتم استكشافها من قبل. من هذا يمكننا أن نستنتج أن هذه المواد تخضع لقوانين الفيزياء الأخرى (الفيزياء غير النيوتونية ، التناظرية اللفظية للهندسة غير الإقليدية) ، أو أن مستوى تطور العلم والتكنولوجيا لدينا هو فقط في المرحلة الأولى من تكوينها.

ما هي الباريونات؟

وفقًا لنموذج الكوارك-غلوون الحالي للتفاعلات القوية ، لا يوجد سوى ستة عشر جسيمًا أوليًا (ويؤكد الاكتشاف الأخير لبوزون هيجز ذلك): ستة أنواع (نكهات) من الكواركات ، وثمانية غلوونات وبوزونان. الباريونات هي جسيمات أولية ثقيلة ذات تفاعل قوي. وأشهرها الكواركات والبروتون والنيوترون. عائلات هذه المواد تختلف فياللف ، والكتل ، و "لونها" ، وكذلك عدد "السحر" ، "الغرابة" ، هي بالضبط اللبنات الأساسية لما نسميه المادة الباريونية. تتكون المادة السوداء (المظلمة) ، التي تشكل 21.8٪ من التركيب الكلي للكون ، من جسيمات أخرى لا تصدر إشعاعات كهرومغناطيسية ولا تتفاعل معها بأي شكل من الأشكال. لذلك ، من أجل الملاحظة المباشرة على الأقل ، والأكثر من ذلك لتسجيل مثل هذه المواد ، من الضروري أولاً فهم فيزياءهم والاتفاق على القوانين التي يلتزمون بها. يقوم العديد من العلماء المعاصرين بهذا حاليًا في معاهد بحثية حول العالم.

الخيار الأكثر احتمالا

ما هي المواد التي تعتبر ممكنة؟ بادئ ذي بدء ، تجدر الإشارة إلى أنه لا يوجد سوى خيارين محتملين. وفقًا لـ GR و SRT (النسبية العامة والخاصة) ، من حيث التركيب ، يمكن أن تكون هذه المادة مادة مظلمة باريون وغير باريون (سوداء). وفقًا للنظرية الرئيسية للانفجار العظيم ، فإن أي مادة موجودة يتم تمثيلها في شكل باريونات. تم إثبات هذه الأطروحة بدقة عالية للغاية. في الوقت الحاضر ، تعلم العلماء التقاط الجسيمات التي تشكلت بعد دقيقة واحدة من انفجار التفرد ، أي بعد انفجار حالة شديدة الكثافة من المادة ، حيث تميل كتلة الجسم إلى اللانهاية وأبعاد الجسم تميل إلى الصفر. السيناريو مع جسيمات الباريون هو الأكثر احتمالًا ، حيث يتكون الكون من هذه الجسيمات ويستمر من خلالها في تمدده. مادة سوداءوفقًا لهذا الافتراض ، فهو يتكون من جسيمات أساسية مقبولة عمومًا من قبل فيزياء نيوتن ، ولكن لسبب ما يتفاعل بشكل ضعيف بطريقة كهرومغناطيسية. هذا هو السبب في أن الكاشفات لا تكتشفها.

لن تسير بسلاسة

يناسب هذا السيناريو العديد من العلماء ، لكن لا تزال هناك أسئلة أكثر من الإجابات. إذا تم تمثيل كل من المادة السوداء والبيضاء فقط بواسطة الباريونات ، فإن تركيز الباريونات الخفيفة كنسبة مئوية من الباريونات الثقيلة ، نتيجة للتخليق النووي الأولي ، يجب أن يكون مختلفًا في الأجسام الفلكية الأولية للكون. ومن الناحية التجريبية ، لم يتم الكشف عن وجود توازن في مجرتنا بعدد كافٍ من الأجسام الثقالية الكبيرة ، مثل الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية ، لموازنة كتلة هالة درب التبانة. ومع ذلك ، فإن نفس النجوم النيوترونية ، وهالات المجرة المظلمة ، والثقوب السوداء ، والأقزام البيضاء والسوداء والبنية (النجوم في مراحل مختلفة من دورة حياتها) ، على الأرجح ، هي جزء من المادة المظلمة التي تتكون منها المادة المظلمة. يمكن للطاقة السوداء أيضًا أن تكمل حشوها ، بما في ذلك الأجسام الافتراضية المتوقعة مثل بريون والكوارك ونجوم Q.

مرشحون غير باريوني

السيناريو الثاني يشير إلى أصل غير باريوني. هنا ، يمكن أن تعمل عدة أنواع من الجسيمات كمرشحين. على سبيل المثال ، النيوترينوات الخفيفة ، التي أثبت العلماء وجودها بالفعل. ومع ذلك ، فإن كتلتها في حدود مائة إلى واحدعشرة آلاف فولت (إلكترون فولت) ، تستبعدهم عمليًا من الجسيمات المحتملة بسبب عدم إمكانية الوصول إلى الكثافة الحرجة اللازمة. لكن النيوترينوات الثقيلة ، مقترنة باللبتونات الثقيلة ، لا تظهر عمليًا في تفاعلات ضعيفة في ظل الظروف العادية. تسمى هذه النيوترينوات بالعقيمة ؛ مع كتلتها القصوى التي تصل إلى عُشر فولت ، فمن المرجح أن تكون مرشحة لجزيئات المادة المظلمة. تم إدخال الأكسيونات والكون بشكل مصطنع في المعادلات الفيزيائية لحل المشكلات في الديناميكا اللونية الكمومية وفي النموذج القياسي. جنبًا إلى جنب مع جسيم آخر مستقر فائق التناظر (SUSY-LSP) ، قد يكونون مؤهلين جيدًا كمرشحين ، لأنهم لا يشاركون في التفاعلات الكهرومغناطيسية والقوية. ومع ذلك ، على عكس النيوترينوات ، فإنها لا تزال افتراضية ، ولا يزال وجودها بحاجة إلى إثبات.

نظرية المادة السوداء

أدى نقص الكتلة في الكون إلى ظهور نظريات مختلفة حول هذه النتيجة ، بعضها متسق تمامًا. على سبيل المثال ، النظرية القائلة بأن الجاذبية العادية ليست قادرة على تفسير الدوران الغريب والسريع للغاية للنجوم في المجرات الحلزونية. في مثل هذه السرعات ، كانوا سيخرجون منها ببساطة ، إن لم يكن لنوع من القوة القابضة ، وهو أمر لا يمكن تسجيله بعد. تشرح أطروحات أخرى للنظريات استحالة الحصول على WIMPs (جسيمات متفاعلة ضعيفة الكهروضعيفة - شركاء من الجسيمات الفرعية الأولية ، متناظرة وفائقة الثقل - أي المرشحون المثاليون) في الظروف الأرضية ، لأنهم يعيشون في البعد n ، والذي يختلف عن ثلاثة بعد واحد.وفقًا لنظرية Kaluza-Klein ، فإن هذه القياسات غير متوفرة لنا.

تغيير النجوم

نظرية أخرى تصف كيفية تفاعل النجوم المتغيرة والمادة السوداء مع بعضها البعض. يمكن أن يتغير سطوع مثل هذا النجم ليس فقط بسبب العمليات الميتافيزيقية التي تحدث في الداخل (النبض ، نشاط الكروموسفير ، طرد البروز ، التداعيات والكسوف في أنظمة النجوم الثنائية ، انفجار المستعر الأعظم) ، ولكن أيضًا بسبب الخصائص الشاذة للمادة المظلمة.

محرك WARP

وفقًا لإحدى النظريات ، يمكن استخدام المادة المظلمة كوقود لمحركات الفضاء الجزئي للمركبة الفضائية التي تعمل على تقنية WARP الافتراضية (محرك WARP). من المحتمل أن تسمح هذه المحركات للسفينة بالتحرك بسرعات تتجاوز سرعة الضوء. من الناحية النظرية ، يمكنهم ثني الفضاء أمام السفينة وخلفها وتحريكها فيها بشكل أسرع من تسارع الموجة الكهرومغناطيسية في الفراغ. السفينة نفسها لا تتسارع محليًا - فقط المجال المكاني أمامها عازم. تستخدم العديد من القصص الخيالية هذه التقنية ، مثل قصة Star Trek.

النمو في الظروف الأرضية

محاولات توليد المادة السوداء والحصول عليها على الأرض لم تنجح بعد. حاليًا ، تُجرى التجارب في LHC (مصادم أندرون الكبير) ، حيث تم تسجيل بوزون هيغز لأول مرة ، وكذلك في تجارب أخرى ، أقل قوة ، بما في ذلك المصادمات الخطية التي تبحث عنمستقرة ، ولكن ضعيفة التفاعل الكهرومغناطيسي شركاء الجسيمات الأولية. ومع ذلك ، لم يتم الحصول على فوتينو ، ولا جرافيتينو ، ولا هيجسينو ، ولا سنيوترينو (نيوترينو) ، ولا WIMPs أخرى. وفقًا لتقدير أولي حذر للعلماء ، للحصول على مليغرام واحد من المادة المظلمة في الظروف الأرضية ، هناك حاجة إلى ما يعادل الطاقة المستهلكة في الولايات المتحدة خلال العام.