Rez@ee
4th December 2010, 07:51 PM
سرار انرژی تاریک فاش می‌شود؟ دانش > نجوم - 12 سال پیش، نیروی اسرارآمیزی کشف شد که از 5 میلیارد سال پیش تاکنون، 70درصد از عالم ما را اشغال کرده است. این نیرو که انرژی تاریک نام گرفته، مسوول شتاب گرفتن انبساط عالم و گسترش بی‌حدومرز آن است.
محمود حاج‌زمان: اگر شما از یک کیهان‌شناس درباره تاریخچه دنیا سوال کنید، احتمال چنین جوابی خواهید شنید: «جهان ما در حدود 13.6 میلیارد سال پیش با یک انفجار بزرگ آغاز شد. پس از آن دنیا در حال انبساط و سرد شدن است. فرایند سرد شدن در ابتدا به صورت نمایی و خیلی سریع بود، اما پس از مدتی به یک نرخ ثابت رسید.»
اما به گزارش نیوساینتیست (http://www.newscientist.com/article/mg20727711.100-is-a-cosmic-chameleon-driving-galaxies-apart.html?)، یک مشکل در اینجا وجود دارد. اگر اندازه‌گیری‌های فاصله دورترین ابرنواخترها را قبول داشته باشیم، در حدود 5 میلیارد سال پیش، سرعت انبساط عالم مجددا شتاب گرفت، اما ما دلیل آن را نمی‌دانیم. اخترشناسان، انرژی تاریک اسرارآمیزی را که در تمام عالم گسترده شده، عامل اصلی این شتاب گرفتن می‌شناسند. با این وجود، این انرژی هرگز مشاهده نشده و به نظر می‌رسد که مستقیما با نور یا مواد موجود در عالم واکنش نمی‌دهد. همین عدم امکان آشکارسازی باعث ناشناخته ماندن انرژی تاریک شده است.
البته این احتمال هم وجود دارد که ما مدارکی را که وجود داشته‌اند، نادیده گرفته‌ایم. در صورتی‌که برخی ناهمسانی‌های مشاهدات نجومی اخیر در کنار یکدیگر قرار داده شوند، ممکن است منجر به نتایج شگفت‌آوری شوند: این‌که کیهان علاوه بر 4 نیروی متعارف گرانش، الکترومغناطیس و نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف، با نیروی بنیادی پنجمی پر شده است. مساله غیرعادی درباره این نیرو این است که دامنه آن بر اساس محیط اطرافش تغییر می‌کند. یک آفتاب‌پرست کیهانی که ممکن است بتواند توضیحی برای انرژی تاریک باشد.
http://khabaronline.ir/images/2010/8/info.jpg
نیروی دمدمی مزاج
ایده اولیه این نیروی پنجم در سال 2004 / 1383 از سوی جاستین خوری و آماندا ولتمن ارائه شد. این دو نفر از اعضای گروه تحقیقاتی نظریه‌پرداز مشهور نظریه ریسمان، برایان گرین هستند. نظریه ریسمان در 11 بعد فرموله می‌شود که 7 بعد آن چنان درهم پیچیده شده که ما قادر به مشاهده و درک آنها نیستیم. اختلال‌های مربوط به این ابعاد درهم پیچیده باعث می‌شود که ما آنها را به صورت نیروهای اضافی در چارچوب 4بعدی فضا و زمانی که می‌شناسیم، درک کنیم.
درک این ابعاد اضافی از طریق تاثیرات آنها در فضا و زمان انجام می‌شود که باید با مشاهدات ما از عالم همخوانی داشته باشد. خوری و ولتمن راه‌حلی را برای این کار پیشنهاد کردند: وجود نیرویی اضافه که توسط ذراتی منتقل می‌شود که وزن آنها به چگالی محیط پیرامونشان بستگی دارد. در صورت وجود چنین نیرویی، تاثیرات آن بر روی زمین قابل مشاهده نخواهد بود.
عملکرد این نیرو به مکانیک کوانتوم باز می‌گردد. در مکانیک کوانتوم، محدوده نفوذ یک نیرو به میزان زیادی به جرم ذراتی بستگی دارد که توسط میدان نیرو تولید می شوند. به عنوان مثال، نیروی الکترومغناطیس فوتون‌هایی را تولید می‌کند که هیچ وزنی ندارند، بنابراین محدوده نیروی الکترومغناطیسی بی‌نهایت است.
چگالی متوسط مواد در پیرامون زمین حدود 0.5 گرم در سانتی‌متر مکعب است که در مقیاس کیهانی بسیار بالا محسوب می‌شود. به همین دلیل خوری و ولتمن فرض کردند ذراتی که این نیروی دمدمی مزاج را منتقل می‌کنند، یک میلیارد بار سبک‌تر از الکترون هستند. محدوده این نیرو نیز تنها در حدود یک میلی‌متر است. این محدوده به اندازه کافی کوچک است تا باعث شود تاثیرات آن در آزمایشگاه تاکنون کشف نشده باشد.
در فضای بیکران کیهانی که به طور متوسط در یک سانتی‌متر مکعب تنها 10 به توان منفی 29 گرم جرم وجود دارد، وزن ذرات متناظر این نیرو در حدود 22 مرتبه عددی (ده‌هزار میلیارد میلیارد بار) کاهش می‌یابد. در نتیجه چنان نیروی عظیمی تولید می‌شود که محدوده عمل آن بالغ بر چندین میلیون سال نوری است. به گفته ولتمن این نیرو نوعی فشار منفی ایجاد می‌کند که در مقیاس کیهانی، به صورت یک اثر دافعه‌ای در برابر گرانش عمل می‌کند. با توجه به وابستگی این نیرو به چگالی، با رسیدن چگالی کیهان به زیر یک مقدار بحرانی در 5 میلیارد سال پیش، اثرات این نیروی آفتاب‌پرست ظاهر شده است. این نیرو کهکشان‌ها را با سرعت بیشتری از یکدیگر دور کرده و انبساط تند شونده‌ای را که ما در عالم مشاهده می‌کنیم، ایجاد کرده است.
قدرت الاکلنگی
اگرچه نظریه جدید در ظاهر خیلی خوب به نظر می‌رسد، اما بدون شواهد و مدارک این نیروی آفتاب‌پرست نیز تنها یک نظریه برای توضیح دادن انرژی تاریک است. خوری می‌گوید: «واقعیت این است که ما درباره فیزیک بخش تاریک جهان خیلی کم می‌دانیم. به نظر من باید اجازه داد که مشاهدات و آزمایش‌ها در این خصوص تصمیم‌گیری کنند.»
نقطه قوت نیروی آفتاب‌پرست در مقابل رقبای آن نیز همین است. بر اساس نظریه خوری و ولتمن، ذرات این نیرو با نور و ماده واکنش می‌دهند. به همین دلیل آشکارسازی این نیرو باید راحت باشد. برای شروع، یک فوتون در یک میدان مغناطیسی قدرتمند می‌تواند به یک ذره آفتاب‌پرست تبدیل و مجددا به یک فوتون تبدیل شود. این الاکلنگ بازی بین ذرات باعث تغییر قدرت نیروی الکترومغناطیسی می‌شود که با کمیتی به نام ثابت ساختار ظریف یا آلفا شناخته می‌شود.
اکثر اندازه‌گیری‌های اخترشناسی مربوط به همسایگان کیهانی ما چنین تغییری را در میزان آلفا نشان نمی‌دهند. سرگئی لوشاکف از دانشگاه سن‌پترزبورگ روسیه نشان داده که هرگونه تغییری در مقدار آلفا در کهکشان ما، کمتر از 2 در 10 میلیون خواهد بود. اما در فواصل دورتر قضیه فرق می‌کند. در سال 1999 / 1378 یک گروه استرالیایی از تلسکوپ‌های دوقلوی 10 متری کک در هاوایی برای اندازه‌گیری نور ساطع شده از اختروش‌های دوردست مربوط به 5 تا 9.5 میلیارد سال قبل استفاده کردند و چنین نتیجه گرفتند که آلفا به میزان 11 قسمت در میلیون کمتر از مقدار مورد انتظار است. در ماه ژوئن / خرداد امسال، نسیم کانکار و همکارانش از مرکز ملی رادیو اخترفیزیک پونا در هند، ناهمسانی‌هایی را بین طیف نور یک ابر گازی در فاصله 2.9 میلیارد سال نوری شناسایی کردند که به نظر می‌رسید میزان آلفا را 3 قسمت در میلیون کمتر نشان می‌دهد. اگر فوتون‌ها در مسیر حرکت خود به سمت زمین از میان ناحیه‌هایی از فضا که دارای میدان مغناطیسی قوی و چگالی اندک ماده است عبور کنند، این همان اثری است که ما انتظار داریم.
احتمالا اثر این نیرو به میزان آلفا محدود نمی‌شود. در آوریل / فروردین امسال، لوشاکف و همکارانش نسبت وزن الکترون به پروتون را در اتم‌های بخار آمونیاک ابر گازی کهکشان راه شیری تعیین کردند. آنها کشف کردند که این الکترون‌ها نسبت به الکترون‌های موجود در زمین به میزان 2 در 100 میلیون سنگین‌تر هستند. از آنجایی‌که وزن ذرات نیروی آفتاب‌پرست متناسب با محیط اطراف خود تغییر می‌کند، این مساله می‌تواند اختلاف وزن الکترون‌ها نسبت به پروتون‌ها را توجیه کند. داگلاس شاو از دانشگاه کویین‌مری لنگلستان می‌گوید: «به راحتی می‌توان داده‌ها را با مدل آفتاب‌پرست تطبیق داد.»
اما نظریه آفتاب‌پرست یک نقطه ضعف دارد: این نظریه بر اساس مشاهدات ایجاد شده و لازم است که از پایه بنیادی‌تری استخراج شود. اما خوشبختانه راهی برای حل این مشکل وجود دارد. اگر یک فوتون واقعا بتواند به یک ذره آفتاب‌پرست تبدیل شود و بازگردد، ردی را از خود بر روی قطبیدگی نور برجا می‌گذارد. شاو و کلر بوراگ نشان دادند که قطبیدگی بخشی از نوری که از ستارگان بخش‌های دیگر کهکشان به ما رسیده، کمی بیشتر از 2 درصد قطبیدگی مربوط به تاثیر غبار بین ستاره‌ای است. بوراگ در این باره می‌گوید: «ما یک نشانه تجربی از نیروی آفتاب‌پرست پیدا کرده‌ایم.»
شاو می‌گوید که به کمک آزمایشگاه‌ها و آزمایش‌های فضایی، نظریه آفتاب‌پرست طی 10 سال آینده تایید یا رد خواهد شد. در مقابل امید اندکی وجود دارد که به این زودی‌ها بتوان به کمک آزمایش‌های مستقیم، جواب‌های مربوط به معمای انرژی تاریک را پیدا کرد. ولتمن می‌گوید که به جز چند نشانه وی هنوز مدارک محکمی برای برای نظریه آفتاب‌پرست پیدا نکرده است، اما به نظر وی این نظریه ارزش پیگیری دارد. وی می‌گوید: « قابلیت آزمایش این نظریه خیلی لذت‌بخش است.»
محمود حاج‌زمان: اگر شما از یک کیهان‌شناس درباره تاریخچه دنیا سوال کنید، احتمال چنین جوابی خواهید شنید: «جهان ما در حدود 13.6 میلیارد سال پیش با یک انفجار بزرگ آغاز شد. پس از آن دنیا در حال انبساط و سرد شدن است. فرایند سرد شدن در ابتدا به صورت نمایی و خیلی سریع بود، اما پس از مدتی به یک نرخ ثابت رسید.»
اما به گزارش نیوساینتیست (http://www.newscientist.com/article/mg20727711.100-is-a-cosmic-chameleon-driving-galaxies-apart.html?)، یک مشکل در اینجا وجود دارد. اگر اندازه‌گیری‌های فاصله دورترین ابرنواخترها را قبول داشته باشیم، در حدود 5 میلیارد سال پیش، سرعت انبساط عالم مجددا شتاب گرفت، اما ما دلیل آن را نمی‌دانیم. اخترشناسان، انرژی تاریک اسرارآمیزی را که در تمام عالم گسترده شده، عامل اصلی این شتاب گرفتن می‌شناسند. با این وجود، این انرژی هرگز مشاهده نشده و به نظر می‌رسد که مستقیما با نور یا مواد موجود در عالم واکنش نمی‌دهد. همین عدم امکان آشکارسازی باعث ناشناخته ماندن انرژی تاریک شده است.
البته این احتمال هم وجود دارد که ما مدارکی را که وجود داشته‌اند، نادیده گرفته‌ایم. در صورتی‌که برخی ناهمسانی‌های مشاهدات نجومی اخیر در کنار یکدیگر قرار داده شوند، ممکن است منجر به نتایج شگفت‌آوری شوند: این‌که کیهان علاوه بر 4 نیروی متعارف گرانش، الکترومغناطیس و نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف، با نیروی بنیادی پنجمی پر شده است. مساله غیرعادی درباره این نیرو این است که دامنه آن بر اساس محیط اطرافش تغییر می‌کند. یک آفتاب‌پرست کیهانی که ممکن است بتواند توضیحی برای انرژی تاریک باشد.
http://khabaronline.ir/images/2010/8/info.jpg
نیروی دمدمی مزاج
ایده اولیه این نیروی پنجم در سال 2004 / 1383 از سوی جاستین خوری و آماندا ولتمن ارائه شد. این دو نفر از اعضای گروه تحقیقاتی نظریه‌پرداز مشهور نظریه ریسمان، برایان گرین هستند. نظریه ریسمان در 11 بعد فرموله می‌شود که 7 بعد آن چنان درهم پیچیده شده که ما قادر به مشاهده و درک آنها نیستیم. اختلال‌های مربوط به این ابعاد درهم پیچیده باعث می‌شود که ما آنها را به صورت نیروهای اضافی در چارچوب 4بعدی فضا و زمانی که می‌شناسیم، درک کنیم.
درک این ابعاد اضافی از طریق تاثیرات آنها در فضا و زمان انجام می‌شود که باید با مشاهدات ما از عالم همخوانی داشته باشد. خوری و ولتمن راه‌حلی را برای این کار پیشنهاد کردند: وجود نیرویی اضافه که توسط ذراتی منتقل می‌شود که وزن آنها به چگالی محیط پیرامونشان بستگی دارد. در صورت وجود چنین نیرویی، تاثیرات آن بر روی زمین قابل مشاهده نخواهد بود.
عملکرد این نیرو به مکانیک کوانتوم باز می‌گردد. در مکانیک کوانتوم، محدوده نفوذ یک نیرو به میزان زیادی به جرم ذراتی بستگی دارد که توسط میدان نیرو تولید می شوند. به عنوان مثال، نیروی الکترومغناطیس فوتون‌هایی را تولید می‌کند که هیچ وزنی ندارند، بنابراین محدوده نیروی الکترومغناطیسی بی‌نهایت است.
چگالی متوسط مواد در پیرامون زمین حدود 0.5 گرم در سانتی‌متر مکعب است که در مقیاس کیهانی بسیار بالا محسوب می‌شود. به همین دلیل خوری و ولتمن فرض کردند ذراتی که این نیروی دمدمی مزاج را منتقل می‌کنند، یک میلیارد بار سبک‌تر از الکترون هستند. محدوده این نیرو نیز تنها در حدود یک میلی‌متر است. این محدوده به اندازه کافی کوچک است تا باعث شود تاثیرات آن در آزمایشگاه تاکنون کشف نشده باشد.
در فضای بیکران کیهانی که به طور متوسط در یک سانتی‌متر مکعب تنها 10 به توان منفی 29 گرم جرم وجود دارد، وزن ذرات متناظر این نیرو در حدود 22 مرتبه عددی (ده‌هزار میلیارد میلیارد بار) کاهش می‌یابد. در نتیجه چنان نیروی عظیمی تولید می‌شود که محدوده عمل آن بالغ بر چندین میلیون سال نوری است. به گفته ولتمن این نیرو نوعی فشار منفی ایجاد می‌کند که در مقیاس کیهانی، به صورت یک اثر دافعه‌ای در برابر گرانش عمل می‌کند. با توجه به وابستگی این نیرو به چگالی، با رسیدن چگالی کیهان به زیر یک مقدار بحرانی در 5 میلیارد سال پیش، اثرات این نیروی آفتاب‌پرست ظاهر شده است. این نیرو کهکشان‌ها را با سرعت بیشتری از یکدیگر دور کرده و انبساط تند شونده‌ای را که ما در عالم مشاهده می‌کنیم، ایجاد کرده است.
قدرت الاکلنگی
اگرچه نظریه جدید در ظاهر خیلی خوب به نظر می‌رسد، اما بدون شواهد و مدارک این نیروی آفتاب‌پرست نیز تنها یک نظریه برای توضیح دادن انرژی تاریک است. خوری می‌گوید: «واقعیت این است که ما درباره فیزیک بخش تاریک جهان خیلی کم می‌دانیم. به نظر من باید اجازه داد که مشاهدات و آزمایش‌ها در این خصوص تصمیم‌گیری کنند.»
نقطه قوت نیروی آفتاب‌پرست در مقابل رقبای آن نیز همین است. بر اساس نظریه خوری و ولتمن، ذرات این نیرو با نور و ماده واکنش می‌دهند. به همین دلیل آشکارسازی این نیرو باید راحت باشد. برای شروع، یک فوتون در یک میدان مغناطیسی قدرتمند می‌تواند به یک ذره آفتاب‌پرست تبدیل و مجددا به یک فوتون تبدیل شود. این الاکلنگ بازی بین ذرات باعث تغییر قدرت نیروی الکترومغناطیسی می‌شود که با کمیتی به نام ثابت ساختار ظریف یا آلفا شناخته می‌شود.
اکثر اندازه‌گیری‌های اخترشناسی مربوط به همسایگان کیهانی ما چنین تغییری را در میزان آلفا نشان نمی‌دهند. سرگئی لوشاکف از دانشگاه سن‌پترزبورگ روسیه نشان داده که هرگونه تغییری در مقدار آلفا در کهکشان ما، کمتر از 2 در 10 میلیون خواهد بود. اما در فواصل دورتر قضیه فرق می‌کند. در سال 1999 / 1378 یک گروه استرالیایی از تلسکوپ‌های دوقلوی 10 متری کک در هاوایی برای اندازه‌گیری نور ساطع شده از اختروش‌های دوردست مربوط به 5 تا 9.5 میلیارد سال قبل استفاده کردند و چنین نتیجه گرفتند که آلفا به میزان 11 قسمت در میلیون کمتر از مقدار مورد انتظار است. در ماه ژوئن / خرداد امسال، نسیم کانکار و همکارانش از مرکز ملی رادیو اخترفیزیک پونا در هند، ناهمسانی‌هایی را بین طیف نور یک ابر گازی در فاصله 2.9 میلیارد سال نوری شناسایی کردند که به نظر می‌رسید میزان آلفا را 3 قسمت در میلیون کمتر نشان می‌دهد. اگر فوتون‌ها در مسیر حرکت خود به سمت زمین از میان ناحیه‌هایی از فضا که دارای میدان مغناطیسی قوی و چگالی اندک ماده است عبور کنند، این همان اثری است که ما انتظار داریم.
احتمالا اثر این نیرو به میزان آلفا محدود نمی‌شود. در آوریل / فروردین امسال، لوشاکف و همکارانش نسبت وزن الکترون به پروتون را در اتم‌های بخار آمونیاک ابر گازی کهکشان راه شیری تعیین کردند. آنها کشف کردند که این الکترون‌ها نسبت به الکترون‌های موجود در زمین به میزان 2 در 100 میلیون سنگین‌تر هستند. از آنجایی‌که وزن ذرات نیروی آفتاب‌پرست متناسب با محیط اطراف خود تغییر می‌کند، این مساله می‌تواند اختلاف وزن الکترون‌ها نسبت به پروتون‌ها را توجیه کند. داگلاس شاو از دانشگاه کویین‌مری لنگلستان می‌گوید: «به راحتی می‌توان داده‌ها را با مدل آفتاب‌پرست تطبیق داد.»
اما نظریه آفتاب‌پرست یک نقطه ضعف دارد: این نظریه بر اساس مشاهدات ایجاد شده و لازم است که از پایه بنیادی‌تری استخراج شود. اما خوشبختانه راهی برای حل این مشکل وجود دارد. اگر یک فوتون واقعا بتواند به یک ذره آفتاب‌پرست تبدیل شود و بازگردد، ردی را از خود بر روی قطبیدگی نور برجا می‌گذارد. شاو و کلر بوراگ نشان دادند که قطبیدگی بخشی از نوری که از ستارگان بخش‌های دیگر کهکشان به ما رسیده، کمی بیشتر از 2 درصد قطبیدگی مربوط به تاثیر غبار بین ستاره‌ای است. بوراگ در این باره می‌گوید: «ما یک نشانه تجربی از نیروی آفتاب‌پرست پیدا کرده‌ایم.»
شاو می‌گوید که به کمک آزمایشگاه‌ها و آزمایش‌های فضایی، نظریه آفتاب‌پرست طی 10 سال آینده تایید یا رد خواهد شد. در مقابل امید اندکی وجود دارد که به این زودی‌ها بتوان به کمک آزمایش‌های مستقیم، جواب‌های مربوط به معمای انرژی تاریک را پیدا کرد. ولتمن می‌گوید که به جز چند نشانه وی هنوز مدارک محکمی برای برای نظریه آفتاب‌پرست پیدا نکرده است، اما به نظر وی این نظریه ارزش پیگیری دارد. وی می‌گوید: « قابلیت آزمایش این نظریه خیلی لذت‌بخش است.»