باتريشيا بوخارت تسلط الضوء على المادة المظلمة

كعالمة فيزياء مختصة بالجسيمات، أدرس الجسيمات الأولية وكيف تتفاعل مع بعضها البعض في المستوى الأساسي. في خلال معظم حياتي المهنية قمت باستخدام مسارعات الجسيمات ، مثل مسارع الإلكترون في جامعة ستانفورد ، الواقع في الطريق الرئيسي ، لدراسة الأشياء على مقياس مصغر. ولكن مؤخرا ، أصبحت أوجه تركيزي على الكون على مقياس أكبر. لأنه ، كما سأشرح لكم ، الغموض حول الأشياء المتناهية الصغر والأحجام الكبيرة في الحقيقة مترابطان جدا. لذلك سأخبركم عن تصورنا للكون في القرن الحادي والعشرين ، مما يتكون الكون وماهي الإجابات التي نبحث عنها في علم الفيزياء -- على الأقل البعض من الإجابات المهمة التي نبحث عنها.

ومؤخرا جدا ، أدركنا أن المادة الطبيعية في الكون -- وعندما أقول المادة الطبيعية أعني أنتم ، حسنا ، أنا الكواكب ، النجوم ، المجرات -- المادة الطبيعية تكون فقط نسبة بسيطة من المادة المكونة للكون. و ربع المادة المكونة للكون ، أو تقريبا ربع المادة الكونية ، هي أشياء غير مرئية. وعندما أقول غير مرئية أعني أنها لا تمتص موجات الطيف الكهرومغناطيسي. ولا تبعث الطيف الكهرومغناطيسي ولا تعكسه. بل إنها لا تتفاعل مع موجات الطيف الكهرومغناطيسي ، وهو ما نستخدمه للتعرف على الأجسام الكونية. لا تتفاعل معه مطلقا. إذن كيف علمنا بوجودها ؟ نحن نعلم بوجودها بسبب تأثير جاذبيتها. في الحقيقة ، المادة المظلمة تسيطر على تأثير الجاذبية في الكون كله على مقياس أكبر ، وسأخبركم عن أدلة على ذلك.

ولكن ماذا عن تكملة الرسمة ؟ تكملة الرسمة عبارة عن شيء غامض جدا يسمى الطاقة المظلمة. سنتحدث عنه لاحقا ، حسنا. اذا الان ، لنتحدث عن الأدلة على وجود المادة المظلمة. في هذه المجرات ، خاصة في مجرة حلزونية مثل هذه ، فإن أغلب الكتلة للنجوم مركزة في وسط المجرة. وهذا الكم الهائل من الكتلة لكل هذه النجوم يبقي النجوم في مدار دائري في المجرة. لذلك فإن هذه النجوم تدور في دائرة بهذا الشكل. وكما نتخيل ، و لو أنكم درستم الفيزياء -- فإن هذا يجب أن يكون بدهيا ، حسنا -- أن النجوم التي قريبة من مركز الكتلة ستدور بسرعة أكبر من النجوم التي هي أبعد في هذه المنطقة ، حسنا.

لذلك من الطبيعي أن نفترض أننا لو قمنا بقياس السرعة المدارية للنجوم ، أنها ستكون أبطء في الأطراف من التي في الداخل. وبمعنى اخر ، إذا قمنا بقياس السرعة كمعادلة بمتغير المسافة -- هذه هي المرة الوحيدة التي سأعرض فيها رسم بياني ، حسنا -- سنتوقع أن السرعة ستقل كلما ازدادت المسافة من مركز المجرة. وعندما أخذت هذه القياسات ، بدلا من ذلك وجدنا أن السرعة ثابتة ، مع تغير المسافة. وإذا كانت السرعة ثابتة ، هذا يعني أن النجوم هنا تتأثر بتأثير جاذبية لمادة لا نستطيع رؤيتها. في الحقيقة ، فإن هذه المجرة وكل المجرات الأخرى تبدوا وكأنها محاطة بسحابة من هذه المادة المظلمة. وهذه السحابة من المادة أكثر كروية من المجرات نفسها وتتمدد حول نطاق أكبر بكثير من المجرة نحن نرى المجرة لذا نركز فيها ، بينما أنها في سحابة ضخمة من المادة المظلمة وهو ما يسيطر على بنية المجرة وحركتها.

بل إن المجرات لا تنتشر في الفضاء عشوائيا ؛ ولكن تتجه إلى التجمع. وهذا مثال على تجمع مشهور جدا للمجرات يدعى : تجمع كوما ( Coma ) وهناك الالاف من المجرات في هذا التجمع. إنها عبارة عن تجمع بيضوي غامض أبيض اللون. وهذه التجمعات للمجرات -- إذا أخذنا صورة لها في هذه اللحظة ، وأخذنا صورة لها بعد عشر سنوات -- ستبدوا متطابقة. ولكن في الحقيقة فإن هذه المجرات تتحرك بسرعة هائلة جدا. إنها تدور بسبب نطاق جاذبية ذلك التجمع الهائل ، حسنا. إذاً كل هذه المجرات تتحرك. وبإمكاننا قياس سرعة المجرات ، السرعة المدارية ، وبالتالي معرفة كمية الكتلة التي في هذا التجمع.

ومرة أخرى ، نجد أن هناك كمية من الكتلة أكبر بكثير من مجموع الكتلة للمجرات التي نراها. أو إذا نظرنا إلى أجزاء أخرى من الطيف الكهرومغناطيسي ، نلاحظ وجود الكثير من الغاز في هذا التجمع ، ولكن ذلك لا يفسر كمية الكتلة الموجودة أيضا. في الحقيقة ، هناك عشرة أضعاف الكتلة على شكل مادة غير مرئية ، أو مادة مظلمة من المادة الطبيعية ، حسنا. سيكون من الأفضل لو أننا استطعنا رؤية تلك المادة مباشرة. حيث أنني أرمز لها بتلك الفقاعة الزرقاء الكبيرة ، حسنا ، لأحاول تذكيركم بوجودها هناك. هل بالإمكان رؤيتها بالعين ؟ نعم ، نستطيع ذلك.

سأريكم الان كيف بإمكاننا رؤيتها. إذا كان هناك مراقب: قد تكون عين مجردة أو منظار فلكي. ولنفترض أن هناك مجرة ما في الكون. كيف سنرى المجرة ؟ سينطلق شعاع من الضوء من المجرة ويسافر عبر الكون ربما لمليارات من السنين قبل أن يصل إلى المنظار الفلكي أو العين. الان ، كيف سنستدل على موقع المجرة ؟ حسنا ، نستدل على ذلك عن طريق اتجاه الشعاع الضوئي عندما يصل إلى أعيننا ، أليس كذلك ؟ لذلك نقول ، أن شعاع الضوء قادم من هذا الإتجاه ؛ يجب أن تكون المجرة هناك ، حسنا. لنفترض الان أنني وضعت تجمعا من المجرات في الوسط -- ولا تنسوا المادة المظلمة ، حسنا. والان ، إذا افترضنا أشعة مختلفة من الضوء ، أحدها يتجه بهذا الإتجاه ، والان علينا أن نأخذ بالحسبان ما توقعه أينشتاين عندما طور النظرية النسبية العامة. وهي أن مجال الجاذبية ، وبسبب الكتلة ، يسبب انحرافا ليس في مسار الجسيمات فقط ، بل في مسار الضوء أيضا.

لذلك فإن شعاع الضوء هذا لن يستمر في مسار مستقيم ، ولكن سينحني ومن ثم يصل إلى أعيننا. ولكن أين سيتوقع المراقب مكان المجرة ؟ بإمكانكم الإجابة. بالأعلى أليس كذلك ؟ سنقوم بالتقدير بأن المجرة هناك في الأعلى. هل هناك أي شعاع اخر من الضوء من الممكن أن يصل من المجرة إلى عين المراقب ؟ نعم ، عظيم. أرى البعض يشير إلى هناك بالأسفل. إذا شعاع اخر من الضوء قد يتجه إلى الأسفل ، وسينحني حتى يصل إلى عين المراقب ، وسيرى المراقب شعاعا من الضوء هنا.

والان وبالأخذ بالإعتبار أننا نعيش في كون ثلالثي الأبعاد ، حسنا ، فضاء ثلاثي الأبعاد. هل هناك أي أشعة ضوء أخرى قد تصل إلى عين المراقب ؟ نعم ! الأشعة ستكون على شكل -- أحب أن أرى ذلك -- مخروط منطلق من المجرة. إذا هناك مجموعة من الأشعة الضوئية -- أشعة ضوئية على شكل مخروط -- والتي ستنحني بسبب ذلك التجمع من المجرات ومن ثم تصل إلى عين المراقب. وإذا كان هناك مخروطا من الأشعة الضوئية يصل إلى عيني ، فماذا يجب أن أرى ؟ دائرة ، حلقة. تدعى حلقة أينشتاين -- أينشتاين توقع ذلك ، حسنا. والان ، ستكون حلقة مكتملة فقط إذا كان المصدر ، ومسبب الإنحناء ، وكرة العين ، في هذه الحالة ، في خط مستقيم. وإذا كان هناك انحراف بسيط ، سنرى صورة مختلفة.

بإمكانكم الان القيام بتجربة هذا المساء في الردهة ، حسنا ، لمعرفة كيف ستبدو الصورة. لأنه تبين أن هناك نوع من العدسات من الممكن أن نوصي بها ، والتي لديها الشكل المناسب لإنتاج هذا النوع من الإنعكاس. نسمي هذه عدسات الجاذبية. إذا هذه هي معداتكم ، نعم. (ضحك) ولكن تجاهلوا الجزء الأعلى. أريدكم أن تركزوا في القاعدة ، حسنا. بالفعل ، في المنزل ، عندما نكسر كأس النبيذ ، أحتفظ بالقاعدة ، ثم اخذها إلى الورشة. ونقوم بتشذيبها ، فأكون قد حصلت على عدسة الجاذبية ، نعم. لديها الشكل المناسب للحصول على الإنعكاس المطلوب. لذلك المطلوب عمله الان من أجل التجربة ، الحصول على قماش منديل. استخدمت ورق الرسم البياني؛ لأنني فيزيائية. (ضحك) إذاً منديل. أرسم رسمة مصغرة للمجرة في الوسط. والان دع العدسة فوق المجرة ، وستلاحظ أنك سترى حلقة ، حلقة أينشتاين. والان حرك القاعدة جانبيا ، وستنفصل الحلقة وتصبح على شكل قوس ، نعم. وبإمكانكم تحريك العدسة فوق أي صورة. ففي ورق الرسم البياني ستلاحظون كيف أن كل الخطوط البيانية قد انحرفت. ومرة أخرى ، هذا نموذج متطابق ودقيق لما يحدث في الإنعكاس بسبب الجاذبية.

حسنا ، السؤال الان هو : هل نرى ذلك بالفعل في الفضاء ؟ هل نرى فعليا أقواس في الفضاء عندما ننظر ، لنقل ، إلى تجمع من المجرات ؟ والإجابة هي : نعم. وهذه صورة من المنظار الفضائي هابل. والكثير من الصور التي ترونها صور قديمة من المنظار الفضائي هابل. حسنا ، أولا ، بالنسبة للمجرات الذهبية اللون -- هذه هي المجرات التي في التجمع. إنها المجرات التي تسبح في بحر من المادة المظلمة التي تسبب انحناء الضوء والذي بدوره يسبب الخدعة البصرية ، أو سرابا ، فعليا ، للمجرات التي في الخلف. إذن الأشعة الضبابية التي ترونها ، كل تلك الأشعة ، هي بالفعل صورة مشوهة لمجرات بعيدة جدا.

لذا ما نستطيع قياسه الان ، يعتمد على كمية التشوه الحاصل في تلك الصور ، وبالتالي قياس كمية الكتلة الموجودة في ذلك التجمع للمجرات. وتلك كمية ضخمة جدا من الكتلة. ويمكنكم أيضا ، بالعين المجردة ، وبالنظر إلى هذا ، أن تلاحظوا أن هذه الأقواس ليست مركزة في مجرات بعينها؛ ولكن في تركيبة موزعة ومنتشرة. وتلك هي المادة المظلمة التي تحتوي ذلك التجمع من المجرات ، حسنا. هذه أفضل صورة لمشاهدة تلك المادة المظلمة على الأقل لمشاهدة التأثير الذي تحدثه تلك المادة المظلمة.

مراجعة سريعة الان ، للتأكد من إلمامكم بالموضوع. إذاً الدليل الذي لدينا على أن ربع الكون عبارة عن مادة مظلمة -- تلك الجاذبية الهائلة -- هي أن المجرات ، والسرعة التي تدور بها النجوم فيها كبيرة جدا؛ لدرجة أنه لابد أن تكون محاطة بمادة مظلمة. والسرعة التي تدور بها أيضا المجرات في داخل التجمعات هائلة جدا؛ لدرجة أنها لابد أن تكون أيضا محاطة بمادة مظلمة. ونستطيع أن نرى تأثير الإنعكاس بسبب الجاذبية ، وذلك التشويه في الصورة وذلك يؤدي أيضا إلى أن التجمعات كذلك لابد أن تحاط بمادة مظلمة.

حسنا. الان لننتقل إلى الطاقة المظلمة. لفهم الأدلة على وجود الطاقة المظلمة ، علينا مناقشة شئ ما شرحه ستيفن هوكينج في المناقشة السابقة. وهي حقيقة أن الفضاء نفسه في حالة تمدد. لذا فإذا تخيلنا قسما من الفضاء اللا متناهي ، حسنا ، ووضعنا فيه أربعة مجرات حلزونية ، حسنا. ولو تخيلنا وجود خطوط لقياس المسافات ، لذا فإن كل خط هنا يمثل مقياسا -- أفقيا أو عموديا -- لتحديد أماكن الأجسام. إذا استطعنا من فعل ذلك ، فإننا سنجد أننا مع كل يوم يمر ، وكل سنة تمر ، وبعد مرور مليارات من السنين ، حسنا ، المسافة بين المجرات ستزداد. وليس ذلك بسبب تحرك المجرات متباعدة عن بعضها في الفضاء بل إنها قد لا تتحرك في الفضاء. لكنها تتباعد عن بعضها بسبب تمدد الفضاء نفسه ، حسنا. وهذا هو معنى تمدد أو توسع الكون. لذلك فإن المجرات في تباعد دائم.

والان ماذكره ستيفن هوكينج ، أيضا ، أنه بعد الإنفجار العظيم ، تمدد الفضاء بمعدل عالي جدا. ولكن بسبب قوى الجاذبية للمادة التي تملأ هذا الفضاء ، فإنها تسبب في إبطاء حركة تمدد الفضاء . لذا فإن التمدد يتباطأ مع مرور الزمن. ففي القرن الأخير ، اختلف العلماء عما إذا كان هذا التمدد في الفضاء سيستمر للأبد ، أو أنه سيتباطأ ، كما تعرفون ، سيتباطأ ، ولكن يستمر إلى الأبد. أو أنه سيتباطأ ومن ثم يتوقف ، أو يتجه نحو التوقف ، أو أنه سيتباطأ ، ثم يقف ، ثم يعكس الإتجاه ، ويبدأ بالإنكماش مرة أخرى. لذا قبل نحو أكثر من عشر سنوات بقليل ، قامت مجموعة من الفيزيائيين وعلماء الفلك بدراسة معدل التباطؤ في سرعة تمدد الفضاء . أو ماهو معدل التباطؤ في التمدد الحاصل اليوم مقارنة ، لنقل ، بمعدل التباطؤ قبل بضع مليارات من السنين ؟

الإجابة المروعة لهذا السؤال ، نعم ، من تلك التجارب ، هي أن الفضاء في معدل تمدد أكبر اليوم ، من قبل بضع مليارات من السنين . لذا فإن الحقيقة هي أن الفضاء في تمدد بسرعة أكبر. وهذه كانت مفاجأة كبرى. لم يكن هناك من نظرية أو فرضية مقنعة لتفسير ذلك ، حسنا. ولم يكن أحد ليتوقع تلك النتيجة. بل كانت عكس كل التوقعات. لذلك فنحن بحاجة إلى شيء يفسر كل ذلك. والان تبين ، بالمسائل الرياضية ، أنه بإمكاننا حسابها كمتغير للطاقة. ولكنها نوع مختلف جدا من الطاقة بل عن أي شيء رأيناه من قبل. نسميها الطاقة المظلمة ، ولديها ذلك التأثير المسبب لتمدد الفضاء. ولكن ليس لدينا سبب جيد لوضعها هناك في هذه اللحظة ، نعم. إذ أنه ليس لدينا تفسير مقنع لوضعها هناك.

الان ، في هذه المرحلة ، أريد التأكيد لكم أولا ، أن المادة المظلمة والطاقة المظلمة شيئان مختلفان تماما ، نعم. هناك بالفعل لغزين بخصوص المواد التي يتكون منها الكون ، ولكل منهما تأثير مختلف جدا. المادة المظلمة ، بسبب تأثير قواها الجاذبية فهي تساعد على بناء التجمعات ، حسنا. لذلك فإنها تساعد على بناء تجمعات للمجرات ، بسبب كل تلك القوى من الجاذبية. أما الطاقة المظلمة ، من جهة أخرى ، فهي تسبب في خلق الكثير من المساحات بين المجرات. وبالتالي تجعل -- قوى التجاذب بينها -- أقل ، ولذلك فهي تقاوم بناء التجمعات. إذا عندما ننظر إلى تجمعات المجرات ، وكيف أن -- كثافتها العددية ، ونسبة ازدياد الكثافة مع مرور الوقت -- نستطيع معرفة كيف أن المادة المظلمة والطاقة المظلمة يتنافسون فيما بينهم في تكوين بنية التجمعات المجرية.

وبالمقارنة مع المادة المظلمة ، قلت لكم أنه ليس لدينا ، كما تعرفون ، أي فرضية مقنعة بالنسبة للطاقة المظلمة. ولكن هل لدينا فرضية مقنعة للمادة المظلمة ؟ والإجابة هي : نعم. لدينا مرشح "مدعوم" للمادة المظلمة. والان ، ماذا أعني عندما أقول "مدعوم" ؟ أعني أننا نملك نظريات رياضية متسقة والتي كانت في الحقيقة لتفسير ظواهر مختلفة جدا ، أشياء لم أتحدث عنها أصلا ، ولكنها جميعا تتوقع وجود مادة جديدة ولا تترك أثرا.

وهذا مانبحث عنه بالضبط في الفيزياء: عندما تأتي توقعات من نظرية رياضية متماسكة والتي طورت في الأصل لشيء مختلف جدا. ولكننا لا نعلم حتى الان ما إذا كانت تلك هي فعليا المادة المظلمة المرشحة. أحدهما أو كلاهما ، من يعرف ؟ وقد تكون شيئا مختلفا كليا. الان ، نحن نبحث عن جسيمات تلك المادة المظلمة لأنها في النهاية ، متواجدة هنا في القاعة ، نعم ، وهي لم تدخل عبر الباب. لأنها تعبر من خلال الأشياء. بإمكانها العبور من خلال المبنى ، من خلال الكرة الأرضية؛ ليس لها أي أثر.

لذلك فإن إحدى الطرق للبحث عنها هي عبر بناء جهاز كاشف حساس جدا لجسيمات المادة المظلمة العابرة ويصطدم بها و ستدق البلورة حينها إذا حدث ذلك. لذلك فإن أحد زملائي القريبين وبعض من المتعاونين معه بنوا ذلك الجهاز. ووضعوه عميقا في الأسفل في منجم حديدي في مينيسوتا ، حسنا ؟ -- عميقا جدا تحت الأرض -- في الحقيقة ، في اليومين الأخيرين أعلنوا أكثر النتائج أهمية حتى الان. لم يروا شيئا ، نعم ، ولكنها بينت حدود كمية الكتلة و مقياس تفاعل جسيمات تلك المادة المظلمة. وسيكون هناك منظار فلكي فضائي لاحقا هذه السنة. وسيتم توجيهه باتجاه وسط المجرة ، لمعرفة ما إذا كانت جسيمات المادة المظلمة ستخفي أو تنتج أشعة جاما والتي من الممكن كشفها بواسطة ذلك المنظار. ومسارع الجسيمات الفيزيائية LHC ، والذي سيعمل لاحقا في هذه السنة. من المحتمل أن ينتج جسيمات المادة المظلمة بداخل المسارع.

ولكن لأن تلك الجسيمات لا تترك أثرا ، فإنه لا يمكن كشفها ، ولكن الدليل على وجودها سيكون فقدان بعض من الطاقة ، حسنا. والان ولسوء الحظ ، فهناك الكثير من الأسباب الفيزيائية التي تسبب فقدان جزء من الطاقة ، وسيكون من الصعب تحديد الفرق. وأخيرا ، وللمحاولات المستقبلية ، يتم تصميم منظار خاص للإجابة على الأسئلة عن المادة المظلمة والطاقة المظلمة: منظار فلكي أرضي. وهناك ثلاثة مناظير فلكية فضائية والتي تتنافس فيما بينها الان للإنطلاق إلى الفضاء لدراسة المادة المظلمة والطاقة المظلمة. لذا فالأسئلة المهمة هي : ماهي المادة المظلمة ؟ وماهي الطاقة المظلمة ؟ وهي الأسئلة الأهم التي تواجه علم الفيزياء. وإنني متأكدة تماما أنكم تملكون الان الكثير من الأسئلة. والتي أتطلع للإجابة عليها خلال الـ 72 ساعة القادمة أثناء تواجدي هنا ، نعم. شكرا لكم. (تصفيق)