جهان هستی از چه چیزی ساخته شده است؟(قسمت پایانی)

چند ایده‌ی دیگر نیز مطرح شده است، اما در حال حاضر این پیشنهاد محبوب ترین مورد است که بر مبنای آن، ماده‌ی تاریک از نوع جدیدی از ذرات ساخته شده است و این بین نظریه‌هایی وجود دارد اما هرگز در عمل آشکار نشده است. این نوع جدید از ذرات با نام WIMP شناخته می‌شوند که به مفهوم ذرات سنگین با بر هم کنش ضعیف است. آن گرین (Anne Green) از دانشگاه ناتینگهام در انگلستان در این باره می‌گوید:

WIMP ها در هر سوی جهان ضعیف هستند. در وهله‌ی اول، آنها به سختی با یکدیگر برهم‌کنش دارند؛ از این رو با مواد طبیعی هم کلا بر هم کنشی ندارند. هنگامی که شما با دست خود به یک دیوار ضربه وارد می کنید، دستتان با دیوار تصادم می‌کند. اما زمانی که یک WIMP با دیوار یا با ذره‌ی هم نوع خودش برخورد کند، معمولا به طور مستقیم از میان آن عبور خواهد کرد.

بخش دوم از این عبارت مخفف به خودی خود بیانگر ویژگی‌های آن است. WIMP ها دارای مقدار جرم زیادی هستند، اگرچه آنها لزوما بزرگ نیستند. به گفته‌ی گرین آنها می‌توانند صدها یا هزاران برابر بیشتر از یک پروتون وزن داشته باشند.

به گفته‌ی مسی اصطلاح WIMP فقط یک عبارت فریبنده است و می‌تواند بسیاری از انواع مختلف ذرات را شامل شود. نکته‌ی بدتر که وجود دارد این است که چون این ذرات شبح‌مانند هستند، تشخیص آنها بسیار دشوار است. در این مرحله شما ممکن است از ادامه‌ی پژوهش و تحقیق در این حوزه ناامید شوید. باید بگوییم شما نخستین فردی نیستید که چنین احساسی داشته باشد. گرین در این باره چنین می‌گوید:

اول آنها به این نتیجه رسیدند که باعث همه‌ی آن پدیده‌ها وجود این ماده‌ی نامرئی است، حالا که آنها نتیجه گرفته‌اند که جهان از نوع جدیدی از مواد ساخته شده است، نمی‌توانند آن ماده را شناسایی کنند! این موضوع تا حدودی مضحک است.

پس می توان نتیجه گرفت که این برداشت به ذهن افراد زیادی رسیده باشد.

fsci202

زمانی که یک WIMP با دیوار یا با ذره‌ی هم نوعش برخورد کند، مستقیم از میان آن عبور می کند

از سال ۱۹۸۳، همواره برخی از فیزیکدانان روی این موضوع اصرار داشته‌اند که ماده تاریک در کل وجود ندارد و به جای آن احتمال می‌دهند که قوانین گرانشی که ما به آن آگاه هستیم، باید نادرست باشند و به همین دلیل کهکشان ها از دیدگاه ما رفتار عجیبی دارند. این ایده به نام MOND شناخته می‌شود و کوتاه شده‌ی عبارت “دینامیک نیوتونی اصلاح شده” یا (Modified Newtonian Dynamics) است. مسی در این مورد گفته است:

ما در حال تفسیر همه‌ی این چرخ و فلک‌ عظیم در پهنه‌ی جهان هستیم. اینکه چگونه آنها همانند فرفره می چرخند و توسط گرانش کشیده می‌شوند، البته فرض را بر این می گذاریم که طرز کار گرانش را به طور کامل می دانیم. شاید ما گرانش را به طور اشتباه درک کرده باشیم و برداشت غلطی از شواهد موجود داشته باشیم.

به باور مسی مشکل این است که هواداران MOND، جایگزین مناسبی برای ایده‌ی ماده‌ی تاریک ندارند. ایده‌های آنها قادر به توضیح و توجیه دیتاهای موجود نیست. وی ادامه می‌دهد:

هر کسی که بخواهد به ابداع یک نظریه‌ی جدید در گرانش بپردازد، باید پا را فراتر از مسیر رفته شده توسط آلبرت انیشتین بگذارد و هر چیزی را که انیشتین توانسته تشریح کند، به خوبی توضیح داده و همچنین برای رد یا تایید ماده‌ی تاریک نیز توضیح قابل قبولی داشته باشد.

در سال ۲۰۰۶، ناسا یک تصویر دیدنی و جذاب منتشر کرد که برای بسیاری از محققان به منزله‌ی مرگ ایده‌ی MOND بود.

fsci203

این تصویر، برخورد دو خوشه‌ی عظیم کهکشانی را نشان می‌دهد

تصویر فوق، برخورد دو خوشه‌ی عظیم کهکشانی را نشان می‌دهد. از آنجا که اکثریت مقدار ماده در مرکز به وضوح قابل مشاهده است، بنابراین آنجا همان محلی است که شما انتظار دارید گرانش بیشتری داشته باشد. اما بخش‌های بیرونی نشان می‌دهد که نور توسط گرانش خم می‌شود. این امر ما را به این نتیجه می‌رساند که نوع دیگری از ماده نیز در آن مناطق وجود دارد. تصویر اخیر را به عنوان اثبات مستقیمی برای وجود ماده‌ی تاریک، مورد ستایش قرار داده‌اند.

حال اگر همه ی گفته های فوق درست هم باشند، ما دوباره به جایی بر می‌گردیم که قبلا بودیم. چالش پیش روی ما این است که ماده‌ی تاریک را بیابیم. این در حالی خواهد بود که هنوز نمی‌دانیم باید به طور دقیق چه چیزی را جستجو کنیم. این چالش ممکن است حتی بدتر از تمثیل قدیمی سوزن در یک انبار کاه باشد. اما واقعیت این است که سه راه مختلف برای پیدا کردن ماده‌ی تاریک وجود دارد.

fsci204

اگر بخواهید به ابداع یک نظریه‌ی جدید در گرانش بپردازید، باید پا را فراتر از مسیر انیشتین بگذارید

راه اول این است که ماده‌ی تاریک را در کنش آن با جهان هستی مورد مشاهده قرار دهیم. ستاره‌شناسان ممکن است با استفاده از نقشه‌های موجود از ماده‌ی تاریک و با نظارت بر چگونگی رفتار این ماده، قادر به آشکارسازی یک کنش ناگهانی یا استثنایی باشند.

ذرات ماده‌ی تاریک معمولا از میان مواد طبیعی عبور می‌کنند. اما وقتی گفته می‌شود «معمولا» بدان معنی است که گاهی اوقات بسیار معدود، برخی از آنها با هسته‌ی اتم برخورد خواهند داشت. هنگامی که این اتفاق می‌افتد، ماده‌ی تاریک با اتم برخورد می‌کند و آن را همانند توپی که درون یک استخر می‌افتد، پس می‌زند. این برخورد می‌تواند به ایجاد پرتو گاما بینجامد. پرتو گاما در حقیقت به مفهوم پرتوهای نوری با انرژی است. به گفته‌ی فرنک در این موارد نادر، ماده‌ی تاریک می‌تواند «بدرخشد». از سویی، گرین هم معتقد است:

آزمایش هایی برای آشکارسازی مستقیم وجود دارند که به دنبال شناسایی این برخوردهای هسته‌ای هستند.

fsci205

پرتو گاما در حقیقت به مفهوم پرتوهای نوری با انرژی است

سال ۲۰۱۴، محققان با استفاده از تلسکوپ قدرتمند فرمی ناسا، ادعا کردند که پرتوهای گامای حاصل از این برخوردها را شناسایی کرده‌اند. آنها منطقه‌ای از کهکشان راه شیری را یافته بودند که به نظر می‌رسید در اثر پرتوهای گاما می‌درخشند و احتمال داده شد که این پرتوهای گاما نیز از ماده‌ی تاریک حاصل شده باشند.

الگوهای به دست آمده از این رویداد با مدل‌های نظری سازگاری دارند، اما هیئت‌های بررسی هنوز در مورد اینکه آیا پرتوهای گامای مورد بحث واقعا ناشی از ماده‌ی تاریک باشند یا نه، به اطمینان نرسیده‌اند. آن پرتوها همچنین امکان دارد که از ستاره‌های پرانرژی به نام تپ‌اخترها یا شاید هم از فروپاشی ستاره‌ها به وجود آمده باشند.

علاوه بر موارد فوق، همچنین احتمال دارد که این پرتوها واقعا از برخورد ماده‌ی تاریک با ماده‌ی معمولی حاصل شده باشند. گاهی اوقات نیز ممکن است که ماده‌ی تاریک با ذرات خودش برخورد کند و یک راه دیگر برای دیدن آن نیز همین است.

تیم مسی به تازگی تصادم‌ها و درهم‌رفتگی‌های کهکشان‌ها را با یکدیگر تحت نظارت قرار داده‌اند. آنها انتظار دارند که تمام ماده‌ی تاریک کهکشان‌ها از این طریق عبور کنند. اما ممکن است حرکت برخی از آن‌ها آهسته‌تر باشد و اصطلاحا از سایر مواد کهکشانی که به آن تعلق داشته‌اند، عقب بمانند. این امر نشان می‌دهد که آن بخش از کهکشان‌ها با ماده‌ی تاریک برهم‌کنش داشته‌اند. مسی در این باره می‌گوید:

اگر این برهم‌کنش واقعا رخ داده باشد، پس می‌توانیم آن را به عنوان اولین شواهد موجود برای توجیه و پژوهش بیشتر در مورد باقی اجزای جهان هستی قلمداد کنیم.

هر دوی این روش‌ها یک اشکال عمده دارند و آن عبارت است از اینکه شما نمی‌توانید یک ابر کهکشانی از ماده‌ی تاریک را به دست آورده و آن را زیر میکروسکوپ مورد پژوهش قرار دهید. واقعیت این است که آنها بیش از حد بزرگ و علاوه بر آن بسیار دور هستند.

بنابراین شاید بخواهیم یک روش دوم را برای آشکارسازی ماده‌ی تاریک بیابیم و در این مسیر احتمالا ایده‌ی ایجاد آن ماده در گام اول و سپس انجام پژوهش روی ماده‌ی تاریک ایجاد شده، در دسترس باشد.

fsci206

تیم مسی به تازگی تصادم ها و درهم رفتگی های کهکشان ها را با یکدیگر تحت نظارت قرار داده اند

فیزیکدانان امیدوارند با استفاده از برخورد ذرات همانند اتفاقی که در برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) ژنو، سوئیس انجام می‌شود، بتوانند این کار را انجام دهند. ال اچ سی، پروتون‌ها را در سرعت‌های نزدیک به نور با همدیگر برخورد می‌دهد. این برخوردها به اندازه‌ی کافی برای شکستن پروتون به قطعات تشکیل دهنده‌اش، قدرتمند هستند. پس از آن نیز در این مرکز به مطالعه‌ی این آوار زیراتمی می پردازند. در طول این برخوردهای قوی، ذرات جدید مانند WIMP ها به خوبی می‌توانند شناسایی شوند. مالکوم فربرن (Malcolm Fairbairn) از کینگز کالج لندن در انگلستان می‌گوید:

اگر WIMP‌ ها ماده تاریک را تشکیل داده باشند و ما بتوانیم آنها را در برخورد دهنده‌ی بزرگ هادرونی کشف کنیم، پس از آن با یک فرصت مناسب برای کار روی این که ماده‌ی تاریک موجود در جهان هستی از چه تشکیل شده است، خواهیم داشت.

fsci207

در طول این برخوردهای قوی، ذرات جدید مانند WIMP ها به خوبی می‌توانند شناسایی شوند

با این حال اگر ماده تاریک همانند یک WIMP نباشد، در این صورت ال اچ سیهم برای آشکارسازی آن ناکام خواهد ماند. در این میان یک مشکل دیگر هم وجود دارد. حتی اگر ال اچ سی مقداری ماده‌ی تاریک هم ایجاد کند، این ماده‌ی تشکیل شده در آشکارسازهای موجود در این مرکز ثبت نخواهد شد.

در عوض، ممکن است این سیستم یک گروه از ذرات را  در حال حرکت در یک جهت پیدا کند، اما هیچ ذره‌ای را در جهت دیگر پیدا نکند. تنها حالتی که می‌تواند رخ دهد این است که ماده‌ی دیگری در حال حرکت باشد و آشکارسازها نتوانند وجود آن را آشکار کنند و به گفته‌ی فربرن آن ماده ممکن است یک ماده‌ی تاریک باشد. اگر این روش هم به نتیجه نرسد، فیزیکدانان یک گزینه‌ی سوم دارند: سفر در اعماق زمین.

fsci208

اگر ماده تاریک مانند یک WIMP نباشد، در این صورت ال اچ سیهم برای آشکارسازی ناکام خواهد ماند

دانشمندان در معادن قدیمی و در داخل‌کوه‌ها، همواره به دنبال موقعیت‌های نادری هستند که در آن WIMP ها با ماده‌ی معمولی برخورد می‌کنند. در واقع برخورد از نوع همان برخوردی که تلسکوپ فرمی توانسته در اعماق فضا رویت کند. فرنک عقیده دارد:

میلیاردها تعداد از ذرات ماده‌ی تاریک در هر ثانیه از میان بدن ما منتقل می‌شوند. آنها در دفتر کار، در اتاق و به طور کلی در همه جا هستند. آنها در حال عبور از میان بدن ما با نرخ میلیاردها تعداد در ثانیه هستند و شما هیچ چیزی را از این رویداد احساس نمی‌کنید.

در حالت تئوری، ما باید قادر به تشخیص چشمه‌های کمی از پرتوهای گامای حاصل از این برخوردها باشیم. اما مشکل این است که بسیاری از موارد دیگر نیز به این طریق از بدن ما عبور می‌کنند که از این میان می‌توان به پرتوهایی در قالب پرتوهای کیهانی اشاره کرد که این امر باعث می‌شود تا سیگنال‌های حاصل از ماده‌ی تاریک در میان آنها محو شوند. از این رو بر پایه‌ی آزمایش‌های زیرزمینی گفته می‌شود که صخره‌های بالایی، عمده‌ی تابش را جذب می‌کنند، اما اجازه می‌دهند تا ماده‌ی تاریک از میانشان عبور کنند.

البته تا زمان فعلی، بسیاری از فیزیک‌دان‌ها معتقدند که ما هنوز هیچ سیگنال قانع‌کننده از این آشکارسازها مشاهده نکرده‌ایم. بر پایه‌ی مقاله‌ای که در اوت ۲۰۱۵ منتشر شده، می‌توان دریافت که آشکارساز زنون ۱۰۰ (XENON100) در آزمایشگاه ملی ساسو در گران ایتالیا در پیدا کردن هر گونه علایمی ناکام بوده است.

برخی آلارم‌های کاذب در طول فرایند وجود داشته است. یکی تیم پژوهشی دیگر از همان آزمایشگاه، با استفاده از آشکارساز متفاوت با مورد نخست، برای سال‌ها مدعی بوده‌اند که آزمایش DAMA منجر به آشکارسازی ماده‌ی تاریک شده است. به نظر می‌رسد که آنها موفق به کشف پدیده‌ی جدیدی شده باشند، اما بسیاری از فیزیکدانان می‌گویند که آن ماده WIMP نیست.

fsci209

ما هنوز راه بسیار زیادی را برای شناخت و درک حقیقی جهان هستی داریم

ممکن است که کار یکی از این آشکارسازها یا ال اچ سی، به شناسایی مقداری ماده‌ی تاریک بیانجامد. اما نکته‌ی مهمی که وجود دارد این است که پیدا کردن آن فقط در یک مکان، کافی نخواهد بود. فربرن می‌گوید:

ما باید در نهایت ماده‌ی تاریک را با بیش از یک روش شناسایی کنیم تا مطمئن شویم آنچه که در آزمایشگاه یافته‌ایم همان چیزی باشد که در دوردست‌های کهکشان نیز وجود دارد.

در حال حاضر بخش عمده‌ی کهکشان ما تیره است، و از سویی، مشخص نیست که چه مدت به این حالت باقی بماند. برخی از کیهان‌شناسان که فرنک هم یکی از آنهاست، امیدوارند که ما در دهه‌ی آینده بتوانیم به پاسخ برخی از پرسش های خود پیرامون این موضوع برسیم. برخی دیگر نیز، مانند گرین، در رابطه با این موضوع اعتماد به نفس کمتری دارند. اگر در آینده‌ی نزدیک در ال اچ سی چیزی شناسایی نشود، گرین باور دارد که در آن صورت احتمالا به دنبال پدیده‌ی نادرستی می‌گشته‌ایم.

بیش از ۸۰ سال از نخستین باری که زوئیکی، پیشنهاد وجود ماده‌ی تاریک را ارایه داده بود گذشته است. در تمام این مدت، ما هنوز نتوانسته‌ایم یک نمونه از ماده‌ی تاریک به دست آوریم یا اینکه توانسته باشیم به طور دقیق و مطلق به چیستی آن ماده پی ببریم.

بیان اخیر در واقع یک یادآوری بی آلایش است از اینکه ما هنوز راه بسیار زیادی را برای شناخت و درک حقیقی جهان هستی داریم. ما شاید هر نوع پدیده‌ای را درک کنیم؛ از آغاز جهان تا تکامل حیات روی زمین. اما کهکشان برای ما هنوز هم همچون یک جعبه‌ی سیاه است و اسرار آن هنوز هم به حالت ناگشوده و مسکوت مانده اند.

منبع : BBC – zoomit.ir

جهان هستی از چه چیزی ساخته شده است؟ (قسمت اول)

گفته می‌شود که بخش زیادی از قسمت مادی و غیر انرژیک جهان هستی از ماده‌ی تاریک ساخته شده است. ماده‌ی تاریک شاید رازآلودترین چالش پیش روی فیزیک دانان در ۱۰۰ سال اخیر بوده است. ماده‌ای که هنوز نیز به ماهیت و چیستی وجود آن پی برده نشده است. در این گزارش به بررسی مفصلی از ماده‌ی تاریک و تاریخچه‌ی آن و نیز تلاش های دانشمندان برای کشف و شناسایی این ماده می پردازیم.

ما تنها در مورد بخش کوچکی از ماده در جهان می‌دانیم. بقیه‌ی کاینات را تنها یک ماده‌ی مرموز تشکیل داده که با عنوان ماده‌ی تاریک شناخته می‌شود. اگر یک موجود فراجهانی با استفاده از یک واقعیت موازی موفق به دیدار از جهان ما شود، به احتمال زیاد آنها حتی پی نخواهند برد ما در این جهان وجود داریم.

به بیانی واضح تر، جهان بسیار بزرگ است و سیاره‌ی ما مانند نقطه‌ی آبی کمرنگ بسیار کوچکی به شمار می‌رود. اما نکته‌ی بدتر از این هم وجود دارد؛ اینکه فراجهانی‌ها حتی ممکن است متوجه هیچ یک از ستاره‌ها و سیاراتی که پیرامون آنها در گردش هستند نیز نشوند. آنها حتی احتمال دارد، به وجود ابرهای وسیعی از گرد و غبار که از طریق فضا در کیهان شناور هستند نیز پی نبرند.

همه‌ی این پدیده های آشنا در واقع تنها کسری از ماده‌ی موجود در جهان ما را شامل می‌شود. بقیه‌ی جهان از چیز دیگری ساخته شده است. ماده‌ای که هیچ کسی روی سیاره‌ی زمین تا به حال آن را ندیده است.

اگر بخواهیم از یک نام بهتر استفاده کنیم، باید اشاره کنیم که فیزیکدانان این پدیده را «ماده تاریک» نامیده‌اند. اگر آن ماده در کل کیهان وجود نداشته باشد، در آن صورت کهکشان‌ها از هم گسسته شده و هر کدام به سویی پرتاب خواهند شد. در حال حاضر هیچکس نمی‌داند که ماهیت و چیستی آن به طور دقیق چگونه است، اما فیزیکدانان به شدت به دنبال یافتن آن هستند.

fsci194

جهان از چیزی به نام ماده تاریک ساخته شده است

هر چیزی در اطراف خود می‌بینید، از بدنتان تا سیاره‌ی زمینی که رویش ایستاده‌اید؛ تا ستارگان آسمان، همه و همه از اتم ساخته شده‌اند. اتم نیز به نوبه‌ی خود از ذرات کوچکتری مانند پروتون و نوترون ساخته شده است که بسیاری از آن ذرات هم می توانند به ذرات و اجزای کوچکتر و بیشتری تجزیه شوند.

اوایل قرن بیستم، زمانی که فیزیکدانان رفته رفته فرآیند درک و شناخت آرایش اتم‌ها را آغاز کرده بودند، به نظر می‌رسید که ما در آستانه‌ی درک اساس کل مواد موجود در جهان خواهیم بود. اما در سال ۱۹۳۳، یک ستاره‌شناس سوئیسی به نام فریتز زوئیکی (Fritz Zwicky) برای نخستین بار این استدلال را مطرح کرد که بخش زیادی از جهان، از پدیده‌ای به طور کامل متفاوت با آنچه که می پنداشته ایم ساخته شده است.

fsci195

بخش زیادی از جهان، از پدیده‌ای به طور کامل متفاوت با آنچه که پنداشته ایم ساخته شده است

زوئیکی تمامی موادی را که می‌توانست در خوشه‌های کهکشانی مشاهده کند، مورد محاسبه قرار داد. او متوجه شد که مقدار ماده‌ی کافی برای نیروی گرانش به منظور نگه داشتن آنها کنار هم وجود ندارد.

ریچارد مسی (Richard Massey) از دانشگاه دورهام انگلستان معتقد است کهکشان‌هایی که زوئیکی مشاهده کرده بود، خودشان نیز در حال چرخش بودند؛ چنان چرخش سریعی که آنها باید از مکان خودپرتاب شده و به تمام گوشه و کنار جهان پراکنده می شدند. هر کهکشان همانند یک چرخ و فلک در حال چرخش با سرعت بیش از حد زیاد است. هر موجودی که سوار این چرخ و فلک می‌شود به سمت پایین پرتاب خواهد شد.

زوئیکی متوجه شد که باید ماده‌ی دیگری نیز وجود داشته باشد؛ ماده‌ای که به طور مستقیم نمی‌توان آن را مشاهده کرد اما یک کشش گرانشی ایجاد می‌کند که برای نگه داشتن همه‌ی کاینات در کنار هم به اندازه‌ی کافی قوی است. وی این فرم ناشناخته از ماده را «تاریک» نامید. در آن زمان اظهارات او غیرعادی به نظر می‌آمدند و تئوری های او از سوی دانشمندان جدی گرفته نمی‌شد. مسی در مورد او چنین می‌گوید:

وی یک نظریه پرداز دیوانه بود، کسی که نمی توانست برآیند نیروها را با همدیگر به دست آورد. در نتیجه یک فرم کاملا جدید از ماده را در ذهن خود اختراع کرد.

fsci196

زوئیکی یک فرم کاملا جدید از ماده را در ذهن خود اختراع کرد

کار زوئیکی به مقدار زیادی تا دهه‌ی ۱۹۷۰ به فراموشی سپرده شد. در واقع تا زمانی که ورا رابین (Vera Rubin) ستاره شناس کشف کرد که کهکشان های نزدیک به هم، در روند درستی نمی‌چرخند. در منظومه شمسی، یک قانون ساده اعمال می‌شود. بر پایه‌ی این قانون هر چقدر یک سیاره دورتر از خورشید باشد، گرانش لازم برای نگه داشتن آن نیز کمتر خواهد بود. در نتیجه، این سیاره کندتر حرکت خواهد کرد و به زمان بیشتری برای تکمیل مدار نیاز خواهد داشت.

همین منطق را باید به ستاره‌هایی که به دور مرکز کهکشان در گردشند نیز اعمال کنیم. ستاره‌هایی که در دورترین فاصله از مرکز قرار دارند باید با کمترین سرعت حرکت کنند، چون در آن مناطق میزان اثر گرانش تضعیف می‌شود. بر خلاف گفته‌ی اخیر، رابین پی برد که ستارگان دورتر نیز با همان سرعت ستاره‌های نزدیک‌تر حرکت می‌کنند.

عاملی باید در آن دوردست‌ها برای حفظ ستاره‌ها از پرواز به سوی بیرون مدار وجود داشته باشد. در واقع پس از مدت‌ها مشخص شد که زوئیکی در مسیر درستی در مورد این پدیده قرار داشته است.

fsci197

هر چقدر یک سیاره دورتر از خورشید باشد، گرانش لازم برای نگه داشتن آن نیز کمتر خواهد بود

اخترشناسان هم اکنون معتقدند که ماده‌ی تاریک به عنوان یک ماده‌ی اساسی در ایجاد جهان هستی با آن ویژگی‌هایی که در حال حاضر از آن سراغ داریم، حضور داشته است. تقریبا ۱۴ میلیارد سال پیش، لحظات پس از انفجار بزرگ، انبساط جهان با سرعت فزاینده‌ای آغاز شد و خوشه‌های کهکشانی نیز شروع به شکل‌گیری کردند.

با این حال، گسترش جهان آنچنان هم سریع نبود که در پی این گسترش، تمام کهکشان‌ها به گوشه‌های دوردست پرتاب شوند. دلیل اصلی آن هم این است که ماده‌ی تاریک با وجود نامرئی بودن، باعث نگه داشته شدن همه چیز در کنار هم می‌شود.

به عبارتی می‌توان گفت که ماده‌ی تاریک همانند باد است. ما نمی‌توانیم به طور مستقیم آن را ببینیم، اما می‌دانیم که وجود دارد. حالا سوال اینجاست که این ماده چه مقدار از کل کاینات را تشکیل می‌هد؟ باید بگوییم که مقدار زیادی از این ماده در سراسر کاینات وجود دارد و حدود ۲۵ درصد از جهان هستی را در بر گرفته است.

به طور گیج کننده ای گاهی اوقات گفته می‌شود که ماده‌ی تاریک تا حدود ۸۰ درصد از کل مواد موجود در جهان را تشکیل می‌دهد. دلیل این بیان آن است که تنها ۳۰ درصد از جهان هستی از ماده ساخته شده و بیشتر همان قسمت نیز ماده تاریک است. بقیه‌ی جهان انرژی است.

fsci198

تنها ۳۰ درصد از جهان هستی از ماده تاریک ساخته شده که بقیه‌ی جهان انرژی است

در ادامه ی پژوهش ها و تا دهه‌ی ۱۹۸۰، اولین شواهد محکم برای ماده‌ی تاریک به دست آمده بودند. به عنوان مثال، در سال ۱۹۸۱ یک تیم به سرپرستی مارک دیویس (Marc Davis) از دانشگاه هاروارد، یکی از اولین کند و کاوهای کهکشانی را انجام دادند. آنها متوجه شدند که کهکشان‌ها در الگوهای یکنواختی مرتب نشده‌اند. به باور کارلوس فرنک (Carlos Frenk) از دانشگاه دورهام انگلستان:

اینگونه نیست که ماده‌ی تاریک تنها مانند مخلوط خامه‌ای در اطراف یک کیک پاشیده ‌شوند.

بلکه به جای آن حالت، کهکشان‌ها درون خوشه‌های بزرگی جمع می‌شوند که هر یک حاوی صدها هزار کهکشان هستند. این امر باعث می‌شود تا الگوهای پیچیده‌ با عنوان «تارهای کیهانی» شناخته شوند. این تارها به وسیله‌ی ماده‌ی تاریک با هم گره خورده‌اند. به عبارت دیگر، ماده تاریک اسکلتی است که ماده‌ی معمولی روی آن آویخته شده است. کارولین کرافورد (Carolin Crawford) از دانشگاه کمبریج انگلستان می‌گوید:

ما می دانیم که در مراحل اولیه‌ی تشکیل جهان، بودن این ماده لازم بوده است. نگه داشتن همه‌ی آن پدیده‌ها به صورت خوشه‌های کهکشانی بسیار حیاتی بوده است. چرا که در ادامه باعث توسعه‌ی ساختارهایی شده که در حال حاضر می بینیم.

fsci199

در مراحل اولیه ی تشکیل جهان، بودن ماده تاریک لازم بوده است

به گفته ی فرنک، کشف این خوشه باعث شکل‌گیری یک انگیزه‌ی جدید شد. دیویس که در آن زمان استاد فرنک بود، او را برای کشف اینکه چرا کهکشان ها به این شکل آرایش یافته اند به چالش کشید.

هنگامی که فرنک جستجوهای خود را آغاز کرد، به این نکته پی برد که یک فرد دیگر نیز ادعا کرده که زودتر از او توانسته این موضوع را کشف کند. در سال ۱۹۸۰، یک تیم روسی توسط وی‌ای لیوبیموف VA Lyubimov توانسته بودند یک توضیح محتمل و ممکن را از ماده‌ی تاریک ارایه کنند. آنها پیشنهاد کردند که ماده‌ی تاریک از نوترینوها ساخته شده‌اند.

این پیشنهاد به مقدار تقریبا مطمئنی بامعنی و معقول به نظر می‌رسید. نوترینوها ذرات تاریک و شبح مانندی هستند که به سختی با هر چیز دیگری برهم‌کنش می‌کنند. محققان پیشنهاد کردند که جرم ترکیبی همه‌ی نوترینوها در کل جهان ممکن است با جرم مجهول مورد بحثمان برابری کند و در واقع جای آن را پر کند.

اما در این میان یک مسئله وجود داشت. نوترینوها به صورت «ماده‌ی تاریک بسیار گرم» هستند، بدین معنی که آنها سبک بوده و در نتیجه، قادر به حرکت سریع نیز هستند. هنگامی که فرنک شبیه سازی یک کیهان پر از ماده‌ی تاریک داغ را به انجام رساند، متوجه شد که این مدل نمی‌تواند کارکرد عملی داشته باشد. وی در این مورد چنین گفته است:

ما با ناامیدی بزرگی روبرو شدیم و دریافتیم که جهان با ماده‌ی تاریک داغ به هیچ روی، شبیه جهان واقعی نخواهد بود. آن ایده با اینکه زیبا و مهیج بود اما برای دنیایی که در آن زندگی می‌کنیم به هیچ وجه عملی نبود. ابرخوشه‌های عظیم کهکشانی که ما می‌شناسیم در این جهان وجود نداشتند.

در نتیجه، ماده‌ی تاریک باید سرد و به آهستگی در حال حرکت بود. قدم بعدی این بود که مکان این ماده‌ی تاریک سرد یافت شود.

fsci200

ماده‌ی تاریک باید سرد و به آهستگی در حال حرکت بود و مکان این ماده‌ی تاریک سرد یافت شود

اگر چه ما نمی‌توانیم ماده‌ی تاریک را به طور مستقیم مشاهده کنیم، اما ماده‌ی تاریک یک عملکرد بسیار بارز دارد که از طریق آن خود را به ما نشان می‌دهد. ماده‌ی تاریک نور گذرنده از خود را خم می‌کند. این موضوع به مقدار کمی همانند وقتی است که نور از میان یک استخر شنا یا یک پنجره مات حمام عبور کرده و می‌درخشد. این اثر در فیزیک به نام «همگرایی گرانشی» شناخته می‌شود و می‌توان آن را برای تشخیص محل‌هایی که در آن ابرهای ماده‌ی تاریک وجود دارند، استفاده کرد. با استفاده از این روش، دانشمندان در حال ایجاد نقشه‌های از ماده‌ی تاریک موجود در جهان هستی هستند.

در حال حاضر آنها تنها بخشی از این طرح را نقشه برداری کرده اند. اما تیمی که پشت چنین پروژه‌ای است، مسلما اهداف بلندپروازانه‌ای در سر دارند و امیدوارند که بتوانند نقشه‌ی یک هشتم از کل جهان ما شامل میلیون‌ها کهکشان را تهیه کنند. برای اینکه اندکی به عظمت این ارقام پی ببرید باید یادآوری کنیم که کهکشان ما، یعنی کهکشان راه شیری، شامل چندین میلیارد ستاره و احتمالا ۱۰۰ میلیارد سیاره است.

در حال حاضر این نقشه‌ها خام تر و ناقص تر از آن هستند که بتوانند جزییات دقیقی به ما ارایه کنند. گری پرزیو (Gary Prezeau) از آزمایشگاه پیشرانه‌ی جت ناسا در موسسه فناوری کالیفرنیا می‌گوید:

همانند این است که شما یک ایده‌ی اولیه از قاره‌های روی زمین داشته باشید. اما آنچه واقعا به دنبالش هستید شامل اشکال کوه‌ها و دریاچه‌های کره‌ی زمین باشد.

با این حال، ما حداقل یک ایده‌ی خام از این که ماده‌ی تاریک در چه محل‌هایی وجود دارد به دست آورده‌ایم. اما واقعیت این است که هنوز هم نمی‌دانیم ماهیت دقیق آن چیست؟

fsci201

ماده‌ی تاریک نور گذرنده از خود را خم می کند

پایان قسمت اول

منبع:زومیت

آلبرت اینشتین و 5 آزمایش فکری جالب
zoomit.ir – محمد جباری: آلبرت اینشتین بی‌شک از بزرگ‌ترین نظریه پردازان علم فیزیک نظری بوده است که در قرن بیستم با آزمایش‌های فکری پیش پا‌افتاده باعث غوغا در محافل علمی می‌شد. باما  همراه باشید تا با هم ۵ مورد از این آزمایش‌های به ظاهر کوچک، ولی انقلابی را مرور کنیم.
بزرگترین توانایی اینشتین، قابلیت توضیح و بسط مفاهیم فیزیک با اتفاقات روزمره بود، وی این مباحث را با نام آزمایش فکری منتشر می‌کرد. بعضا این آزمایش‌های فکری کوچک اینشتین باعث تغییر در بزرگ‌ترین و مشهورترین نظریات فیزیک، مانند نظریه کوآنتوم و نظریه نسبیت می‌شدند.
 940308_522
آزمایش فکری تعقیب نوراینشتین این آزمایش را زمانی طراحی کرد که تنها ۱۶ سال داشت. چه اتفاقی می‌افتد اگر شما بتوانید با سرعت نور حرکت کرده و پرتویی از نور را دنبال کنید؟ اینشتین استدلال کرد که اگر شما بتوانید با این سرعت حرکت کرده و به آن پرتو برسید، احتمالا آن پرتو را به صورت ثابت و بی‌حرکت خواهید دید. اما مگر نور هم از حرکت می‌ایستد؟

اینشتین سپس به این نتیجه رسید که سرعت پرتویی از نور به هیچ عنوان قابل کاهش نیست و همواره با سرعت نور از منبع خود در حال گریز است.پس چیز دیگری باید تغییر کند، و آن مسلما زمان است. سپس وی از این آزمایش فکری استدلال کرد که زمان نیز به خودی خود مجبور به تغییر است و همین مفهوم، زمینه را برای نظریه نسبیت در ذهن اینشتین آماده کرد.
آزمایش فکری قطار و صاعقهتصور کنید راهی سفری به وسیله راه‌آهن هستید، قطار به تازگی راه افتاده و با سرعت کمی در حال حرکت است، شما نیز در کنار پنجره قطار ایستاده و با دوست خود که از روی سکوی راه‌آهن برای شما دست تکان می‌دهد در حال خداحافظی هستید. هم‌زمان دو صاعقه به ابتدا و انتهای قطار برخورد می‌کنند، دوست شما هر دو صاعقه را در یک زمان خواهد دید اما شما در لحظه اصابت، به صاعقه‌ای نزدیک‌تر هستید که به ابتدای قطار برخورد کرده است و قطار به سوی آن حرکت می‌کند، پس آن صاعقه را زودتر می‌بینید.

این آزمایش به اینشتین نشان داد زمان برای فردی که در حال حرکت است، نسبت به فردی که حرکتی ندارد به صورت متفاوتی در گذر است و همین آزمایش به ظاهر کوچک، باور اینشتین مبنی بر رابطه و تقارن زمان و مکان را تغییر داد و سنگ بنایی شد برای ایجاد نظریه نسبیت.

آزمایش فکری دوقلوهای جدا از هماین آزمایش یکی از آزمایشات اثبات کننده نظریه اتساع زمان اینشتین است. یک جفت دوقلو با فاصله بسیار کمی از یکدیگر متولد می‌شوند، یکی از آنها در همان لحظه تولد در فضاپیمایی قرار داده شده و با سرعت نور به فضا پرتاب می‌شود. بر طبق نظریه نسبیت اینشتین، اگر این فرد بعد از رسیدن به بلوغ در فضاپیما به زمین بازگردد، جفت زمینی او برای بازنشستگی خود آماده می‌شود. زیرا وقتی شما با سرعت نور در حرکت هستید، زمان با سرعت کمتری برای شما می‌گذرد.

آزمایش فکری آسانسورتصور کنید که در یک آسانسور شناور هستید و از اتفاقات بیرون آن کاملا بی‌خبرید. ناگهان بر اثر یک جا‌به‌جایی به کف آسانسور برخورد می‌کنید. آیا این جاذبه است که در حال کشیدن آسانسور به سمت پایین است یا طناب آسانسور در حال بالا کشیدن شماست؟

این واقعیت که هردوی این علت‌ها می‌تواند معلول یکسانی داشته باشد، اینشتین را به این نتیجه رساند که میان جاذبه و شتاب تفاوتی وجود ندارد و این دو مفهومی یکسان هستند. از آزمایش قبلی نیز نتیجه گرفتیم که زمان و مکان مطلق نیستند، پس اگر جا‌به‌جایی می‌تواند روی زمان و مکان تاثیر بگذارد و همچنین جاذبه و شتاب مفهومی یکتا داشته باشند، در آن صورت جاذبه می‌تواند بر زمان و مکان تاثیر بگذارد. نتیجه گیری اینشتین از این آزمایش در آینده قسمت بزرگی از نظریه نسبیت را تشکیل داد.

آزمایش فکری دو روی سکهاینشتین هیچگاه طرفدار نظریه کوآنتوم نبود و همواره با طرح آزمایشات و مسائل مختلف در پی به چالش کشیدن و رد این نظریه بود. اما آزمایش فکری دو روی سکه او توانست پیشگامان نظریه کوآنتوم را به چالش کشیده و آن‌ها را مجبور کند که این نظریه را گسترش دهند و با جزئیات بیشتری منتشر کنند.

تصور کنید شما سکه‌ای دارید که دو سوی آن به راحتی از یکدیگر جدا می‌شوند، سکه را بالا انداخته و پس از گرفتن آن، بدون آنکه به سکه نگاه کنید یک روی آن را به دوست خود می‌دهید و دیگری را در دست خود نگه می‌دارید. سپس دوست شما سوار بر فضاپیمایی شده و با سرعت نور از شما دور می‌شود.

شما به سمتی که در دست خود دارید نگاه کرده و متوجه می‌شوید دارای قسمت شیر سکه شده‌اید و طبیعتا دوست شما نیز خط را در دست دارد. پس اگر دو سوی سکه را نامشخص در نظر بگیریم، سکه توانسته از سرعت نور پیشی بگیرد و هر نیمه، به عنوان پدیده‌ای مستقل، بدون توجه به اینکه چندین سال نوری از یکدیگر دور هستند روی نیمه دیگر تاثیر بگذارد.
دانش اگر در ثریاهم باشد بیگمان مردانی از پارس به ان دست خواهند یافت
دانشمندان ایرانی دانشگاه ویسکانسین میلواکی در اولین نمونه کاربردی یک پدیده برنده جایزه نوبل فیزیک، موفق به کشف یک سازوکار جدید برای انتقال نور از طریق فیبرهای نوری شدند.
به گزارش سرویس فناوری خبرگزاری دانشجویان ایران(ایسنا)، آرش مافی، استادیار و سلمان کرباسی دانشجوی دکترای این دانشگاه از پدیده « جایگزیدگی اندرسون» برای ساخت یک فیبر نوری با یک ساز و کار قوی تفرق استفاده کردند که پرتو نور را در زمان عبور از میان فیبر می‌گیرد.
انتقال اطلاعات از طریق فیبرهای نوری رایج که در آن تنها یک شبکه فضایی از نور از میان فیبر عبور می‌کند، ستون فقرات اینترنت به شمار می رود. این در حالی است که به گفته مافی، این فیبرهای تک هسته‌یی به حد نهایی ظرفیت انتقال اطلاعات خود رسیده‌اند.
light fibre
انتشار پرتوهای نوری متعدد در یک رشته از فیبر نوری یکی از راه حل‌های اصلی برای غلبه بر این محدودیت است. با کشف این دانشمندان می‌توان به این راه‌حل دست یابد.
این کار از قابلیت استفاده در ارتباطات پر سرعت و نسل آینده سیستم‌های تصویر برداری زیست پزشکی برخوردار است اما همچنین می‌تواند راه را برای کاربردهای بیشتر از جایگزیدگی اندرسون در فناوری باز کند.
این پدیده نام خود را از فیلیپ اندرسون، فیزیکدان آمریکایی گرفته که برای اولین بار به طور نظری مهار نادر الکترونها را در یک رابط بسیار بی‌نظم مشاهده کرد که در نهایت منجر به دستیابی اشتراکی وی به جایزه نوبل فیزیک در سال 1977 شد. اگرچه این پدیده هنوز در دست بررسی است.
طراحی فیبر مافی و کرباسی شامل دو ماده به طور تصادفی توزیع شده است که فوتونها را پراکنده می‌کنند.
درون بی‌نظم این فیبر باعث می‌شود که پرتو نور در حال عبور از میان فیبر دچار توقف جانبی شود. نور خروجی می‌تواند هرگونه تغییری در موقعیت نقطه ورود را در زمان حرکت در برش عرضی فیبر دنبال کند.
کرباسی اظهار کرد که محاسبات نظری وی نشان داده که طراحی فیبر مناسب می‌تواند از پدیده جایگزیدگی اندرسون بهره بگیرد.
وی افزود: ما فیبر خود را به گونه‌ای طراحی کرده‌ایم که مکانهای فیزیکی بیشتری برای انتشار نور فراهم کرده است.
این محققان در حال حاضر در حال کار بر روی ساخت و انتقال تصاویر با استفاده از شیوه منحصربه فرد خود هستند.
مافی پیش از پیوستن به دانشکده مهندسی و علوم پایه دانشگاه ویسکانسین میلواکی در سال 2008 یک دانشمند ارشد پژوهش در شرکت کورنینگ بود که بزرگترین سازنده فیبرهای نوری جهان است. وی چندی پیش برنده جایزه شغل اولیه از بنیاد ملی علوم آمریکا شد.
کرباسی، محقق اول این پژوهش از سال 2009 با مافی در ویسکانسین میلواکی حضور داشته و تحصیل می‌کند. وی مدرک کارشناسی و کارشناسی ارشد خود را در ایران دریافت کرده بود.
این پژوهش در مجله Optics Letters منتشر شده است.