پاتریشیا بورخات ماده تاریک را برای ما روشن می کند

من به عنوان یک فیزیکدان ذرات، روی ذرات بنیادی و تعامل آن ها در بنیادی ترین سطح پژوهش می کنم. بیشتر عمر علمی من صرف کار با شتابدهنده ها شده است، مثلا شتابدهنده الکترون ها در دانشگاه استنفورد که بالای همین جاده است، پژوهش های من روی کوچکترین اجزای این دنیا متمرکز بوده است. اما اخیرا من توجه کارهای پژوهشی ام را به سمت بزرگترین چیزهایی که در این دنیا وجود دارد تغییر داده ام. چرا که، همینطور که برای شما توضیح خواهم داد، سوالهایی که در مورد کوچکترین سطح و بزرگترین سطح مطرح است خیلی به هم مرتبط هستند. من می خواهم برای شما از تصوری که ما در قرن بیست و یکم از جهان داریم صحبت بکنم. اینکه جهان از چه چیز ساخته شده است و اینکه سوالات اساسی فیزیک کدام هستند. لااقل به بعضی از سوالهای مهم اشاره خواهم کرد.
اخیرا ما متوجه شده ایم که ماده معمولی در جهان، منظورم از ماده معمولی شما و من است، و سیاره ها، ستاره ها و کهکشانها، این ماده معمولی درصد کمی از کل محتوای جهان را تشکیل می دهد. ولی نزدیک به یک چهارم از کل محتوی دنیا را ماده ای که غیر قابل مشاهده است، تشکیل می دهد. منظورم از غیر قابل مشاهده این است که امواج الکترومغناطیسی را جذب نمی کند، امواج الکترومغناطیسی ساتع نمی کند. امواج الکترومغناطیسی را منعکس نمی کند. هیچ تعاملی با گستره امواج الکترومغناطیسی ندارند، گستره امواج الکترمغتاطیسی ابزارهای ما برای تشخیص اشیاء هستند. مطلقا هیچ تعاملی بین ماده تاریک و این امواج وجود ندارد. پس ما اصلا چطور از وجود این ماده تاریک خبر داریم؟ ما از طریق تاثیرات جاذبه ای ماده تاریک است که می دانیم ماده تاریک وجود دارد. در واقع ماده تاریک بر نیروهای جاذبه ای حاکم بر ابعاد بزرگ دنیا موثر است. من شواهد این ادعا را به شما نشان خواهم داد.
خوب ۷۵ درصد باقیمانده این نمودار از چه تشکیل شده است؟ بقیه این نمودار یک چیز خیلی رمز آلود است که ما به آن انرژی تاریک می گوییم. بعدا بیشتر در این مورد صحبت خواهیم کرد. خوب الان بیایید در مورد شواهد مربوط به ماده تاریک صحبت بکنیم. در این کهکشانها مخصوصا در کهکشانهای مارپیچی شبیه به این، بیشتر جرم ستاره ها در مرکز کهکشان متمرکز شده است. جرم بسیار زیاد این ستاره ها باعث می شود که سایر ستاره های کهکشان هم در مدارهای دایره ای به دور مرکز کهکشان در چرخش باشند. خوب، پس ما ستاره هایی داریم که در مدارهای دایره ای به این شکل در حال چرخش هستند. همینطور که می توانید تصور بکنید - حتی اگر فیزیک هم ندانید - می توانید این را تصور بکنید که ستاره هایی که نزدیک تر به این جرم بزرگ مرکزی هستند باید سریع تر از ستاره هایی که از مرکز دورتر هستند بچرخند.
پس انتظار داریم که اگر ما سرعت چرخش این ستاره ها را اندازه بگیریم باید در حاشیه کهکشان سرعتشان کمتر از داخل خود کهکشان باشد. به بیان دیگر اگر ما سرعت ستاره ها را بر اساس فاصله آنها از مرکز کهکشهان اندازه گیری و رسم بکنیم -- این آخرین باری است که من یک نمودار نشان می دهم -- ما انتظار داریم که با افزایش فاصله از مرکز کهکشان سرعت چرخش ستاره ها کاهش پیدا کند. اما وقتی این اندازه گیری ها انجام شد بر خلاف انتظار ما متوجه شدیم که سرعت چرخش اینها ثابت است. یعنی وابسته به فاصله از مرکز نیست. اگر سرعت ثابت باشد، یعنی به ستاره هایی که در بیرون قرار دارند از طرف جرمی که ما آن را نمی بینیم و از وجودش خبر نداریم، نیروی جاذبه وارد می شود. در واقع به نظر می رسد که این کهکشان و همه کهکشانهای دیگر در ابری از ماده تاریک (که ما آن را نمی بینیم و قبلا از وجودش خبر نداشتیم) قرار گرفته اند. و این ابر ماده تاریک، خیلی کروی تر از خود کهکشان ها است. و این ابر قطری بزرگتر از خود کهکشان دارد. پس ما چون کهکشان را می بینیم به آن توجه می کنیم ولی آن ابر ماده تاریک که نقش مهمتری در دینامیک کهکشان دارد را نادیده می گیریم.
کهکشان ها به طور اتفاقی در فضا پخش نشده اند. بلکه به صورت خوشه خوشه در کنار هم جمع می شوند. و این تصویر یک خوشه خیلی معروف به نام خوشه کوما است. در این خوشه هزاران کهکشان قرار دارد. در این تصویر کهکشان ها، این چیزهای سفیدِ بیضی شکلِ محو هستند. خوب ما اگر از این خوشه های کهکشانی، امروز یک عکس بگیریم، و ده سال بعد هم یک عکس بگیریم، ظاهرا تغییری نکرده اند. اما واقعیت این است که اینها با سرعتهای بسیار بسیار بالایی در حرکت هستند. اینها به دور حفره ی ناشی از انرژی پتانسیل گرانشی این خوشه در حال چرخش هستند. پس همه این کهکشهان ها در حال حرکت هستند. ما می توانیم سرعت چرخش این کهکشانها در مدار را اندازه گیری بکنیم. و از روی این سرعت می توانیم جرم خوشه را محاسبه بکنیم.
این محاسبه هم نشان می دهد که خیلی بیش از مجموع جرم کهکشان هایی که درون یک خوشه دیده می شوند، در یک خوشه باید جرم وجود داشته باشد. اگر ما به قسمتهای دیگر گستره الکترمغناطیسی غیر از نور مرئی نگاه کنیم، می بینیم که مقدار زیادی گاز نیز در این خوشه وجود دارد. ولی وجود این گاز نیز برای توجیه این جرم بزرگ کافی نیست. در واقع به نظر می رسد که ده برابر بیشتر از ماده ای که مشاهده می شود، ماده تاریک غیر قابل مشاهده در این خوشه وجود دارد. خیلی خوب بود اگر ما می توانستیم این ماده تاریک را به نحوی مستقیم تر مشاهده کنیم. من این دایره بزرگ آبی رنگ را اینجا گذاشته ام که به شما یاد آوری کنم که این جرم آنجا وجود دارد. آیا ما می توانیم بهتر این ماده تاریک را ببینیم؟ بله می توانیم.
بگذارید من برایتان توضیح بدهم که چطور می توانیم این کار را انجام بدهیم. فرض کنید که یک ناظر اینجا ایستاده باشد. این ناظر می تواند یک چشم یا یک تلسکوپ باشد. فرض کنیم یک کهکشان هم این طرف در این قسمت از جهان وجود داشته باشد. این ناظر چطور این کهکشان را می بینید؟ یک شعاع نور از آن کهکشان جدا می شود و از این مسیر طولانی در عرض جهان می گذرد، و شاید میلیاردها سال طول می کشد تا به چشم ناظر یا تلسکوپ برسد. خوب ناظر چطور می فهمد که این کهکشان کجا قرار دارد؟ از امتداد مسیر حرکت شعاع نور می تواند جهت آن کهکشان را بفهمد. درست است؟ می گوییم شعاع نور از آن طرف می آید، بنابراین کهکشان مورد نظر باید آن طرف باشد. حالا فرض کنید یک خوشه از کهکشان ها در این مسیر قرار گرفته باشد. ماده تاریک را فراموش نکنید. حالا،‌ اگر ما یک شعاع دیگر نور را هم در نظر بگیریم که به این طرف در حال حرکت است. البته باید به این مساله هم توجه کنیم که همانطور که انیشتین در نظریه نسبیت عام پیش بینی کرده بود، هر جا به خاطر وجود یک جرم، میدان جاذبه ای وجود داشته باشد،‌ نه فقط مسیر حرکت ذراتی که از میدان عبور می کنند، بلکه مسیر حرکت نور نیز تحت تاثیر میدان جاذبه، خمیده می شود.
پس این شعاع نوری روی یک خط راست حرکت نخواهد کرد. بلکه خمیده خواهد شد و به این شکل به چشم شما وارد می شود. از دید این ناظر کهکشهان مورد نظر کجا قرار گرفته است؟ جواب بدهید. بالا؟ موافقید؟ اگر ما این خط را ادامه بدهیم خواهیم گفت که کهکشان ما در این بالا واقع شده است. آیا اشعه نوری دیگری هم از آن کهکشان به چشم ناظر ما خواهد رسید؟ بله. درست است. همانطور که بعضی از شما اشاره می کنید، یک شعاع نور می تواند به سمت پایین حرکت کند و بعد به این شکل خم شود و به چشم ناظر ما وارد شود. و ناظر ما یک شعاع نور در این جهت خواهد دید.
خوب حالا توجه داشته باشید که ما در یک دنیای سه بعدی زندگی می کنیم. در یک فضای سه بعدی. خوب، آیا اشعه دیگری همه وجود دارند که از آن کهکشان به چشم ما برسد؟ بله! این اشعه ها روی یک - بله درست است - روی یک مخروط قرار می گیرند. بله. پس اشعه نور روی یک مخروط قرار می گیرند. و همه توسط آن خوشه خمیده می شوند. و نهایتا به چشم ناظر ما می رسند. اگر مخروطی از نور به چشم من برسد من چه شکلی را می بینم؟ یک دایره، یک حلقه. به این دایره، حلقه انیشتین می گوییم. انیشتین این را پیش بینی کرده بود. خوب این حلقه فقط وقتی یک دایره کامل خواهد بود که منبع و منحرف کننده و چشم ناظر، یعنی کهکشان مورد نظر و خوشه سر راه و چشم ما در یک امتداد و بر یک خط راست باشند. اگر اینها اندکی جابجا بشوند تصویر دیگری به چشم خواهد رسید.
امشب شما موقع شام می توانید یک آزمایش انجام بدهید. برای اینکه بفهمید آن تصویر چه شکلی خواهد بود. ما می توانیم یک نوع لنز تهیه کنیم که به ما نشان بدهد که که آن تصویر به چه شکلی باید دیده بشود. ما به این پدیده لنز جاذبه ای می گوییم. خوب این ابزار شما است. (خنده) قسمت بالایی را نادیده بگیرید. به پایه این لیوان توجه کنید. هر وقت توی خانه ی ما یک لیوان شراب می شکند، من پایه لیوان را به یک کارگاه می برم، و آن را تراش می دهم تا یک لنز جاذبه ای کوچک تهیه کنم. شکل این پایه لیوان، برای ایجاد پدیده لنز جاذبه ای مناسب است. قدم بعدی برای انجام این آزمایش این است که یک دستمال بردارید، البته من چون فیزیکدان هستم یک کاغذ شطرنجی برداشته ام (خنده) پس یک دستمال بر می دارید و یک کهکشان وسط آن نقاشی می کنید. حالا لنز را روی آن کهکشان می گذارید. شما کهکشان را به شکل یک حلقه می بینید. حلقه انیشتین. حالا پایه لیوان را کمی به یک سمت حرکت دهید. می بینید که حلقه تبدیل به دو هلال می شود. شما می توانید این لنز را روی هر عکسی بگذارید. روی این کاغذ شطرنجی شما می بینید که چطور این خطوط خمیده شده اند. این یک مدل نسبتا دقیق از آنچه در اثر لنز جاذبه ای رخ می دهد است.
حتما می پرسید: در آسمان چه چیزی می بینیم؟ آیا ما وقتی به کهکشان ها یا خوشه های کهکشانی نگاه می کنیم هلال می بینیم؟ جواب این است: بله این تصویر را تلسکوپ هابل تهیه کرده است. خیلی از این تصویر هایی که شما می بینید قبل از تلسکوپ هابل تهیه شده اند. این کهکشانهای طلایی را می بینید؟ اینها کهکشانهایی هستند که خوشه مورد نظر را می سازند، اینها کهکشانهایی هستند که در دریای ماده تاریک قرار گرفته اند، و باعث خمیده شدن اشعه نور می شوند. و خطای دیدی که در مورد آن صحبت کردیم را در مشاهده کهکشانهایی که پشت آنها قرار گرفته اند به وجود می آورند. این رگه هایی که اینجا می بینید، همه این رگه ها در واقع تصاویر تغییر شکل پیدا کرده کهکشانهای دور دست تر هستند.
حالا ما می توانیم با توجه به میزان تغییر شکل این کهکشانها جرم خوشه را محاسبه کنیم. و این جرم ها خیلی خیلی زیاد هستند. همینطور با نگاه کردن به این شکل هم می بینید که این هلال ها روی یک کهکشان خاص متمرکز نشده اند. این هلال ها گرد ساختاری بزرگتر از یک کهکشان متمرکز شده اند. و این ساختار همان ماده تاریک است. که خوشه درون آن قرار گرفته است. این بهترین تصویری است که شما می توانید با چشم غیر مسلح از ماده تاریک یا لااقل آثار آن بدست بیاورید.
خوب، برای اینکه مطمئن بشویم شما مطالب را تا اینجا متوجه شده اید، سریع مرور بکنیم. شواهدی که ما برای اثبات وجود ماده تاریک داریم، برای اینکه نشان بدهیم یک چهارم جهان از ماده تاریک تشکیل شده است، همین میدان های جاذبه ای است، همان مطلب که در کهکشان ها سرعت گردش ستاره ها به دور مرکز کهکشان خیلی بیش از حد پیش بینی است و این نشان دهنده وجود ماده تاریک در کهکشان ها است. سرعت چرخش کهکشان ها درون خوشه ها نیز خیلی زیاد تر از حد انتظار است. این هم نشان دهنده وجود ماده تاریک در خوشه ها است. و پدیده لنزهای جاذبه ای را نیز دیدیم. که باز نشان می دهد خوشه ها درون ماده تاریک قرار گرفته اند.
خوب، حالا بیایید سراغ انرژی تاریک برویم. برای اینکه شواهد مربوط به انرژی تاریک را درک کنیم باید به مساله ای که استفان هاوکینگ در جلسه قبل مطرح کرد برگردیم. این مساله که خودِ «مکان» در حال اتساع است. خوب ما اگر یک قسمت از جهان بی پایانمان را در نظر بگیریم، مثلا من اینجا قسمتی از جهان را با چهار کهکشان مارپیچ نشان داده ام. فرض کنید که چهار تا خط کش داریم. هر یک از این خط ها یکی از این خطکش ها را نشان می دهد. با استفاده از این خطکش ها می خواهیم بدانیم که هر یک از این کهکشانها نسبت به هم کجا قرار دارند. اگر چنین کاری ممکن بود شما متوجه می شدید که با گذشت زمان با گذشت هر روز و هر سال، و با گذشت هر یک میلیارد سال، فاصله بین این کهکشان ها در حال افزایش است. و این افزایش فاصله به خاطر این نیست که خود این کهکشان ها در حال حرکت هستند و در فضا از هم دور می شوند. اینها لزوما درون فضا در حال حرکت نیستند. بلکه اینها به این خاطر از هم دور می شوند که «مکان» در حال گسترش است. این معنی اتساع جهان یا بزرگ شدن مکان است. به هر حال اینها در حال دور شدن از هم هستند.
چیزی که استفان هاوکینز مطرح کرد این بود که بعد از بیگ بنگ «مکان» با سرعت بسیار زیادی شروع به اتساع کرد. اما به خاطر اینکه ماده ی دارای خاصیتِ جاذبه در این فضای رو به گسترش قرار گرفته است، انتظار می رود که این گسترش کند تر و کند تر بشود. پس سرعت این اتساع باید با گذر زمان رو به کاهش باشد. در قرن گذشته مردم در این باره بحث هایی کردند. که مثلا آیا این اتساع فضا تا ابد ادامه خواهد یافت؟ یا این اتساع کند خواهد شد؟ یا این اتساع کند تر خواهد شد ولی به هر حال تا ابد ادامه خواهد یافت؟ یا کند تر می شود و متوقف می شود و متوقف باقی می ماند؟ یا اینکه کند می شود و متوقف می شود و سپس شروع به انقباض می کند؟ حدود ده سال قبل، دو گروه از فیزیک دان ها و اختر شناسها تصمیم به اندازه گیری سرعت کند شدن اتساع فضا گرفتند. یعنی این سوال که: امروز اتساع مکان چقدر کند تر از مثلا یک میلیارد سال پیش رخ می دهد؟
نتیجه شگفت آور این آزمایشات این بود که سرعت اتساع مکان امروز بیش تر از سرعت اتساع مکان در چند میلیارد سال قبل است. یعنی سرعت اتساع مکان رو به افزایش است. این نتیجه کاملا غیر منتظره بود. هیچ توجیه قابل قبولی برای اینکه چطور چنین چیزی ممکن است وجود ندارد. هیچ کس پیش بینی نمی کرد که چنین نتیجه ای از این آزمایش ها بدست بیاید. اینها دقیقا خلاف آنچه انتظار می رفت هستند. پس ما نیاز به چیزی داریم که این نتایج را به کمک آن توضیح بدهیم. معلوم شد که به لحاظ ریاضی شما می توانید یک مولفه «انرژی» به معادلات اضافه کنید. البته این انرژی متفاوت با همه انرژی هایی است که قبلا دیده ایم. برای همین ما به این انرژی، انرژی تاریک می گوییم. و تاثیر آن این است که باعث اتساع فضا می شود. ولی خوب هنوز ما انگیزش کافی برای اینکه این مساله را بپذیریم نداریم. یعنی هنوز برای ما روشن نیست چرا باید این فاکتور را وارد معادلات کنیم.
در اینجا چیزی که من باید واقعا برای شما تاکید کنم، این است که اولا ماده تاریک و انرژی تاریک، دو چیز کاملا متفاوت هستند. این دو، دو راز متفاوت در مورد ماده تشکیل دهنده قسمت عمده جهان هستند. و تاثیرات خیلی متفاوتی نیز در دنیا دارند. ماده تاریک، به خاطر کشش جاذبه ای اش، به تشکیل ساختارها و رشد آنها کمک می کند. برای همین خوشه های کهکشانی تشکیل می شوند، به خاطر همین کشش جاذبه ای است که خوشه های کهکشانی شکل می گیرند. در مقابل، انرژی تاریک، فاصله کهکشان ها را مدام افزایش می دهد. و باعث کاهش کشش جاذبه ای بین آنها می شود. و به همین خاطر رشد این ساختارها را کند می کند. بنابراین با مشاهده چیزهایی مثل خوشه های کهکشانی، و اینکه چطور تشکیل شده اند و تعداد آنها و چگالی آنها، و تعداد آنها بر حسب زمان، ما می توانیم اطلاعات بیشتری در مورد ماده تاریک و انرژی تاریک بدست آوریم. و اینکه چگونه رقابت اینها باعث تشکیل این ساختارها می شود.
من گفتم که ما هنوز استدلال قانع کننده ای برای وجود انرژی تاریک نداریم. آیا برای وجود ماده تاریک استدلال قانع کننده ای وجود دارد؟ جواب مثبت است. ما نامزدهایی با پشتوانه قوی برای ماده تاریک داریم. خوب منظور من از پشتوانه قوی چیست؟ منظور من تئوری هایی است که به لحاظ ریاضی همخوان هستند، و در واقع از اول برای توضیح پدیده های دیگری وضع شده اند. چیزهایی که ما در موردشان صحبت نکردیم. ولی این تئوری ها وجود ذرات جدیدی که به طور ضعیف با سایر ذرات تعامل دارند را پیش بینی کرده اند.
این دقیقا چیزی است که در فیزیک ما دنبال آن می گردیم. وقتی یک پیش بینی از نظریه ای که به لحاظ ریاضی هم خوان است بیرون می آید، که آن نظریه از اول برای حل مساله دیگری ارائه شده است، ولی ما نمی دانیم که آیا هیچ یک از این ها همان نامزد مورد نظر ما برای ماده تاریک هستند. یکی یا دو تا از این نامزدها می توانند جواب سوال ما باشند. شاید هم جواب چیز دیگری باشد. فعلا ما به دنبال این ذرات ماده تاریک هستیم، چونکه به هر حال اینها اینجا در این اتاق هم هستند، و البته اینها از درِ اتاق وارد نشده اند. اینها از درونِ همه چیز رد می شوند، اینها از لابلای ساختمان، از درون زمین رد شده اند، اینها با هیچ چیز تعامل نمی کنند و در نتیجه می توانند از همه چیز رد بشوند.
خوب یک راه برای تشخیص اینها ساختن آشکارگر هایی است که خیلی خیلی به ذرات ماده تاریک که وارد آن می شوند و به آن بر خورد می کنند حساس هستند. مثل یک بلوری که با برخورد اینها می لرزد. یکی از همکاران من که آخر همین خیابان کار می کند با کمک همکارانش یک آشکارگر ساخته اند. و این آشکار گر را در اعماق یک معدن آهن در مینسوتا قرار داده اند. در اعماق زمین. و همین دو سه روز پیش دقیق ترین نتایج شان را منتشر کردند. نتیجه کارشان این است که هنوز هیچ چیزی پیدا نکرده اند! این یافته منفی خودش می تواند محدوده ی جستجو را مشخص تر کند. و قدرت تعامل ذرات ماده تاریک را مشخص تر کند. قرار است اواخر امسال یک تلسکوپ فضایی به فضا فرستاده شود، که به سمت مرکز کهکشان نگاه خواهد کرد، تا شاید بتواند از بین رفتن ذرات ماده تاریک را که باعث انتشار امواج گاما می شود ثبت کند. LHC که یک شتابگر ذرات بنیادی است، قرار است امسال راه اندازی شود. ممکن است که ذرات ماده تاریک در LHC تولید بشوند.
از آنجا که این ذرات خیلی غیر تعاملی هستند، در واقع از دست آشکارگرها فرار خواهند کرد. در نتیجه رد پای این ذرات به شکل انرژی گم شده خواهد بود. البته متاسفانه در فیزیکِ ذراتِ جدید، ذراتِ ناشناخته ی زیادی وجود دارد که آنها هم امضایی به شکل انرژی گم شده دارند. و این قضیه را کمی سخت خواهد کرد. در آخر باید بگویم که برای اکتشافات آینده تلسکوپ های جدیدی در حال طراحی است، اختصاصا برای پاسخ به سوالهایی که ما درباره ماده تاریک و انرژی تاریک داریم. چند تلسکوپ زمینی و ۳ تلسکوپ فضایی در حال ساخت هستند. این ۳ تلسکوپ فضایی فعلا در حال رقابت با هم هستند. که کدام زودتر به فضا فرستاده شوند و پژوهش بر ماده تاریک و انرژی تاریک را شروع کنند. خوب سوالهای مهم اینها هستند: ماده تاریک چیست؟ انرژی تاریک چیست؟ اینها سوالات مهم فیزیک هستند. مطمئن هستم که شما هم خیلی سوال دارید. من امیدوارم که در این ۷۲ ساعتی که اینجا هستم بتوانم به آنها جواب بدهم. متشکرم. (تشویق)