Θα είμαι ο πρώτος που θα παραδεχτώ ότι δεν καταλαβαίνουμε τη σκοτεινή ύλη. Για παράδειγμα, όταν κοιτάζουμε έναν γαλαξία και μετράμε όλα τα καυτά λαμπερά κομμάτια όπως αστέρια και αέριο και σκόνη, παίρνουμε μια συγκεκριμένη μάζα. Όταν χρησιμοποιούμε οποιαδήποτε άλλη τεχνική για τη μέτρηση της μάζας, έχουμε πολύ μεγαλύτερο αριθμό. Το φυσικό συμπέρασμα λοιπόν είναι ότι δεν είναι όλη η ύλη στο σύμπαν ζεστή και λαμπερή. Ίσως κάποια αν είναι, ξέρετε, σκοτεινό.
Αλλά περίμενε. Πρώτα πρέπει να ελέγξουμε τα μαθηματικά μας. Είμαστε σίγουροι ότι δεν κάνουμε λάθος μόνο στη φυσική;
Λεπτομέρειες Dark Matter
Ένα σημαντικό κομμάτι του παζλ της σκοτεινής ύλης (αν και σίγουρα δεν είναι το μόνο, και αυτό θα είναι σημαντικό αργότερα στο άρθρο) έρχεται με τη μορφή των λεγόμενων καμπυλών περιστροφής του γαλαξία. Καθώς βλέπουμε τα αστέρια να περιστρέφονται γύρω από το κέντρο των γαλαξιών τους, από όλα τα δικαιώματα αυτά που βρίσκονται πιο μακριά από το κέντρο θα πρέπει να κινούνται πιο αργά από αυτά που βρίσκονται πιο κοντά στο κέντρο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το μεγαλύτερο μέρος της γαλαξιακής μάζας συσσωρεύεται στον πυρήνα, και τα εξόχως απόκεντρα αστέρια απέχουν πολύ από όλα αυτά τα πράγματα, και με απλή βαρύτητα του Νεύτωνα πρέπει να ακολουθούν αργές τεμπέληδες τροχιές.
Αλλά δεν το κάνουν.
Αντ 'αυτού, τα πιο απομακρυσμένα αστέρια περιστρέφονται εξίσου γρήγορα με τα ξαδέλφια τους στην πόλη.
Δεδομένου ότι αυτό είναι ένα παιχνίδι βαρύτητας, υπάρχουν μόνο δύο επιλογές. Είτε κάνουμε λάθος βαρύτητα, ή υπάρχουν επιπλέον αόρατα πράγματα που εμποτίζουν κάθε γαλαξία. Και όσο μπορούμε να πούμε, παίρνουμε τη βαρύτητα πολύ, πολύ σωστά (αυτό είναι ένα άλλο άρθρο), έτσι μπούμα: σκοτεινή ύλη. Κάτι κρατά αυτά τα αστέρια ελεύθερου τροχού παγιδευμένα μέσα στους γαλαξίες τους, αλλιώς θα είχαν πετάξει σαν ένα εκτός ελέγχου εύθυμο γύρο εκατομμυρίων ετών πριν. ergo, υπάρχει ένα σωρό πράγματα που δεν μπορούμε να δούμε άμεσα, αλλά εμείς μπορούμε να εντοπίσουμε εμμέσως.
Να πάρει βαρύ
Τι γίνεται όμως αν αυτό δεν είναι απλώς ένα παιχνίδι βαρύτητας; Υπάρχουν, τελικά, τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης: ισχυρός πυρηνικός, αδύναμος πυρηνικός, βαρύτητα και ηλεκτρομαγνητισμός. Μήπως κάποιος από αυτούς παίζει σε αυτό το υπέροχο γαλαξιακό παιχνίδι;
Το ισχυρό πυρηνικό λειτουργεί μόνο σε εφηβικές μικροσκοπικές υποατομικές κλίμακες, οπότε είναι σωστό. Και κανείς δεν νοιάζεται για το αδύναμο πυρηνικό, εκτός από ορισμένες σπάνιες αποσυνθέσεις και αλληλεπιδράσεις, έτσι μπορούμε να το θέσουμε στο πλάι. Και ο ηλεκτρομαγνητισμός… καλά, προφανώς η ακτινοβολία και τα μαγνητικά πεδία παίζουν ρόλο στη γαλαξιακή ζωή, αλλά η ακτινοβολία ωθεί πάντα προς τα έξω (οπότε προφανώς δεν θα βοηθήσει να διατηρήσουμε τα αστέρια που κινούνται γρήγορα) και τα γαλαξιακά μαγνητικά πεδία είναι απίστευτα αδύναμα (όχι ισχυρότερα από το ένα εκατοστό του μαγνητικού πεδίου της Γης). Λοιπόν ... όχι, σωστά;
Όπως σχεδόν όλα στη φυσική, υπάρχει μια ύπουλη διέξοδος. Από όσο μπορούμε να πούμε, το φωτόνιο - ο φορέας της ίδιας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης - είναι εντελώς μαζικό. Αλλά οι παρατηρήσεις είναι παρατηρήσεις και τίποτα στην επιστήμη δεν είναι γνωστό με βεβαιότητα, και οι τρέχουσες εκτιμήσεις τοποθετούν τη μάζα του φωτονίου σε όχι περισσότερο από 2 x 10-24 τη μάζα του ηλεκτρονίου. Για όλους τους σκοπούς και τους σκοπούς, αυτό είναι βασικά μηδενικό για οτιδήποτε ενδιαφέρεται για όλους. Αλλά αν το φωτόνιο κάνειέχουν μάζα, ακόμη και κάτω από αυτό το όριο, μπορεί να κάνει αρκετά αστεία πράγματα στο πανεπιστήμιο.
Με την παρουσία μάζας στο φωτόνιο, οι εξισώσεις του Maxwell, ο τρόπος με τον οποίο κατανοούμε τον ηλεκτρισμό, τον μαγνητισμό και την ακτινοβολία, έχουν μια τροποποιημένη μορφή. Επιπλέον όροι εμφανίζονται στα μαθηματικά και σχηματίζονται νέες αλληλεπιδράσεις.
Μπορείς να το νιώσεις αυτό;
Οι νέες αλληλεπιδράσεις είναι κατάλληλα περίπλοκες και εξαρτώνται από το συγκεκριμένο σενάριο. Στην περίπτωση των γαλαξιών, τα αδύναμα μαγνητικά τους πεδία αρχίζουν να αισθάνονται κάτι κάτι ξεχωριστό. Λόγω της μπερδεμένης και στριμμένης ωρίμανσης των μαγνητικών πεδίων, η παρουσία μαζικών φωτονίων τροποποιεί τις εξισώσεις του Maxwell μόλις το δικαίωμα να προσθέσετε μια νέα ελκυστική δύναμη που σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να είναι ισχυρότερη από τη βαρύτητα μόνο.
Με άλλα λόγια, η νέα ηλεκτρομαγνητική δύναμη μπορεί να είναι σε θέση να κρατήσει τα αστέρια που κινούνται γρήγορα, να αφαιρούν εντελώς την ανάγκη για σκοτεινή ύλη.
Αλλά δεν είναι εύκολο. Τα μαγνητικά πεδία κινούνται σε όλο το αστρικό αέριο του γαλαξία και όχι τα ίδια τα αστέρια. Έτσι, αυτή η δύναμη δεν μπορεί να τραβήξει άμεσα τα αστέρια. Αντ 'αυτού, η δύναμη πρέπει να κάνει το τράβηγμα γνωστό στο αέριο, και κατά κάποιο τρόπο το αέριο πρέπει να ενημερώσει τα αστέρια ότι υπάρχει μια νέα πόλη σερίφη.
Στην περίπτωση των μαζικών, βραχύβια αστέρια, αυτό είναι αρκετά απλό. Το ίδιο το αέριο κτυπά γύρω από τον γαλαξιακό πυρήνα με την υψηλότερη ταχύτητα, σχηματίζει ένα αστέρι, το αστέρι ζει, το αστέρι πεθαίνει και τα υπολείμματα επιστρέφουν στο αέριο αρκετά γρήγορα ώστε για όλες τις προθέσεις και σκοπούς αυτά τα αστέρια να μιμούνται την κίνηση του αερίου, δίνοντας εμείς τις καμπύλες περιστροφής που χρειαζόμαστε.
Μεγάλο πρόβλημα στα μικρά αστέρια
Αλλά τα μικρά, μακράς διαρκείας αστέρια είναι ένα άλλο θηρίο. Αποσυνδέονται από το αέριο που τα σχηματίζει και ζουν τη ζωή τους, σε τροχιά γύρω από το γαλαξιακό κέντρο πολλές φορές πριν λήξουν. Και επειδή δεν αισθάνονται την παράξενη νέα ηλεκτρομαγνητική δύναμη, θα πρέπει απλώς να απομακρυνθούν εντελώς από τους γαλαξίες τους, γιατί τίποτα δεν τους κρατά υπό έλεγχο.
Πράγματι, εάν αυτό το σενάριο ήταν ακριβές και τα τεράστια φωτόνια θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν τη σκοτεινή ύλη, ο ήλιος μας δεν πρέπει να είναι εκεί που είναι σήμερα.
Επιπλέον, έχουμε πολύ καλό λόγο να πιστεύουμε ότι τα φωτόνια είναι πραγματικά μαζικά. Σίγουρα, οι εξισώσεις του Maxwell μπορεί να μην ενδιαφέρονται πολύ, αλλά σίγουρα η ειδική σχετικότητα και η κβαντική θεωρία πεδίου. Αρχίζετε να χτυπάτε τη μάζα των φωτονίων και έχετε πολλές εξηγήσεις να κάνετε, κύριε.
Επιπλέον, επειδή όλοι αγαπούν τις καμπύλες περιστροφής του γαλαξία, δεν σημαίνει ότι είναι η μόνη διαδρομή μας προς τη σκοτεινή ύλη. Ο γαλαξίας συγκεντρώνει τις παρατηρήσεις, το βαρυτικό φακό, την ανάπτυξη της δομής στο σύμπαν, και ακόμη και το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων όλα δείχνουν προς την κατεύθυνση κάποιου είδους αόρατου συστατικού στο σύμπαν μας.
Ακόμα κι αν το φωτονίο είχε μάζα, και κατά κάποιον τρόπο μπορούσε να εξηγήσει τις κινήσεις του όλα αστέρια σε έναν γαλαξία, όχι μόνο τα τεράστια, δεν θα μπορούσε να εξηγήσει το πλήθος άλλων παρατηρήσεων (για παράδειγμα, πώς θα μπορούσε μια νέα ηλεκτρομαγνητική δύναμη να εξηγήσει τη βαρυτική κάμψη του φωτός γύρω από ένα σμήνος γαλαξιών; Δεν είναι μια ρητορική ερώτηση - δεν μπορεί). Με άλλα λόγια, ακόμη και σε έναν κόσμο γεμάτο με τεράστια φωτόνια, θα χρειαζόμασταν ακόμη και η σκοτεινή ύλη.
Μπορείτε να διαβάσετε το άρθρο του περιοδικού εδώ.
