في العقود القليلة الماضية ، اكتشف العلماء أن الكون أكثر بكثير مما تراه العين: يبدو أن الكون مليء ليس بمكون واحد فقط ، ولكن بمكونين غير مرئيين - مادة مظلمة وطاقة مظلمة - تم اقتراح وجودها مبنية فقط على آثار الجاذبية على المواد والطاقة العادية.
الآن ، توصل الفيزيائي النظري روبرت ج. شيرير إلى نموذج يمكن أن يقطع اللغز إلى النصف من خلال شرح المادة المظلمة والطاقة المظلمة كوجهين لقوة واحدة غير معروفة. تم وصف نموذجه في ورقة بعنوان "Purely Kinetic k Essence as Unified Dark Matter" تم نشرها عبر الإنترنت بواسطة Physical Review Letters في 30 يونيو ومتاحة عبر الإنترنت على http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.
يقول شيرير ، أستاذ الفيزياء في جامعة فاندربيلت: "إحدى طرق التفكير في ذلك هي أن الكون مليء بسائل غير مرئي يضغط على المادة العادية ويغير الطريقة التي يتوسع بها الكون".
وفقًا لشيرير ، نموذجه بسيط للغاية ويتجنب المشاكل الرئيسية التي ميزت الجهود السابقة لتوحيد المادة المظلمة والطاقة المظلمة.
في السبعينيات ، افترض علماء الفيزياء الفلكية وجود جسيمات غير مرئية تسمى المادة المظلمة من أجل تفسير حركة المجرات. بناءً على هذه الملاحظات ، يقدرون أنه يجب أن يكون هناك حوالي 10 أضعاف المادة المظلمة في الكون مثل المادة العادية. أحد التفسيرات المحتملة للمادة المظلمة هو أنها تتكون من نوع جديد من الجسيمات (يطلق عليها اسم الجسيمات الضخمة المتفاعلة الضعيفة أو WIMPs) التي لا تنبعث منها الضوء ولا تتفاعل بالكاد مع المادة العادية. يبحث عدد من التجارب عن أدلة على هذه الجسيمات.
كما لو أن ذلك لم يكن كافيًا ، في التسعينيات جاءت الطاقة المظلمة ، والتي تنتج قوة طاردة يبدو أنها تمزق الكون. استثار العلماء الطاقة المظلمة لشرح الاكتشاف المفاجئ بأن المعدل الذي يتوسع فيه الكون لا يتباطأ ، كما اعتقد معظم علماء الكون ، ولكنه يتسارع بدلاً من ذلك. وفقًا لأحدث التقديرات ، تشكل الطاقة المظلمة 75 في المائة من الكون والمادة المظلمة تمثل 23 في المائة أخرى ، تاركة المادة والطاقة العادية مع دور أقلية واضح بنسبة 2 في المائة فقط.
إن فكرة شيرير الموحِّدة هي شكل غريب من الطاقة بخصائص محددة جيدًا ومعقدة تسمى المجال العددي. في هذا السياق ، الحقل هو كمية مادية تمتلك الطاقة والضغط المنتشر في جميع أنحاء الفضاء. قام علماء الكونيات أولاً باستدعاء الحقول العددية لشرح التضخم الكوني ، وهي فترة بعد فترة وجيزة من الانفجار الكبير عندما ظهر الكون على ما يبدو لحلقة من التوسع المفرط ، تضخم المليارات على مليارات المرات في أقل من ثانية.
على وجه التحديد ، يستخدم شيرير مجالًا عدديًا من الجيل الثاني ، يُعرف باسم k-essence ، في نموذجه. تم تطوير حقول K-essence بواسطة Paul Steinhardt في جامعة Princeton وغيرها كشرح للطاقة المظلمة ، ولكن Scherrer هو أول من أشار إلى أن نوعًا بسيطًا من مجال k-essence يمكن أن ينتج أيضًا التأثيرات المنسوبة إلى المادة المظلمة.
يفرق العلماء بين المادة المظلمة والطاقة المظلمة لأنه يبدو أنهم يتصرفون بشكل مختلف. يبدو أن المادة المظلمة لها كتلة وتشكل كتل عملاقة. في الواقع ، يحسب علماء الكون أن جاذبية هذه الكتل لعبت دورًا رئيسيًا في التسبب في تشكل المواد العادية المجرات. وعلى النقيض من ذلك ، يبدو أن الطاقة المظلمة بدون كتلة وتنتشر بشكل موحد في جميع أنحاء الفضاء حيث تعمل كنوع من الجاذبية المضادة ، وهي قوة تنافر تدفع الكون بعيدًا عن الآخر.
يمكن أن تغير حقول K-essence سلوكها بمرور الوقت. عند البحث عن نوع بسيط جدًا من مجال k-essence - مجال تكون فيه الطاقة الكامنة ثابتًا ، اكتشف شيرير أنه مع تطور الحقل ، يمر عبر مرحلة حيث يمكن أن يتكتل ويحاكي فيها تأثير الجسيمات غير المرئية متبوعة بمرحلة عندما ينتشر بشكل موحد في جميع أنحاء الفضاء ويأخذ خصائص الطاقة المظلمة.
يقول شيرير: "يتطور النموذج بشكل طبيعي إلى حالة تبدو فيها مادة مظلمة لفترة من الوقت ثم تبدو طاقة مظلمة". "عندما أدركت هذا ، فكرت ،" هذا أمر مقنع ، دعونا نرى ما يمكننا القيام به ".
عندما درس النموذج بمزيد من التفصيل ، وجد شيرير أنه يتجنب العديد من المشاكل التي ابتليت بها النظريات السابقة التي تحاول توحيد المادة المظلمة والطاقة المظلمة.
تم إنشاء أقرب نموذج للطاقة المظلمة عن طريق تعديل النظرية النسبية العامة لتشمل مصطلحًا يسمى الثابت الكوني. كان هذا المصطلح الذي أدرجه آينشتاين في الأصل لموازنة قوة الجاذبية من أجل تشكيل كون ثابت. لكنه أسقط الثبات بمرح عندما وجدت الملاحظات الفلكية لليوم أنه لا حاجة إليه. تقوم النماذج الحديثة بإعادة إدخال الثابت الكوني بعمل جيد في إعادة إنتاج تأثيرات الطاقة المظلمة ولكنها لا تفسر المادة المظلمة.
محاولة واحدة لتوحيد المادة المظلمة والطاقة المظلمة ، تسمى نموذج غاز Chaplygin ، تستند إلى عمل فيزيائي روسي في الثلاثينيات. إنها تنتج مرحلة مبدئية شبيهة بالمادة المظلمة يتبعها تطور يشبه الطاقة المظلمة ، لكنها تواجه صعوبة في تفسير عملية تكوين المجرة.
لدى صياغة شيرير بعض أوجه التشابه مع النظرية الموحدة المقترحة في وقت سابق من هذا العام من قبل نيما أركاني حامد في جامعة هارفارد وزملائه ، الذين يحاولون تفسير المادة المظلمة والطاقة المظلمة على أنها ناشئة عن سلوك مائع غير مرئي كلي الوجود يسمونه " شبح مكثف. "
على الرغم من أن نموذج شيرير يحتوي على عدد من الميزات الإيجابية ، إلا أنه يحتوي أيضًا على بعض العوائق. لسبب واحد ، يتطلب الأمر بعض "الضبط الدقيق" للعمل. يحذر الفيزيائي أيضًا من أنه ستكون هناك حاجة إلى مزيد من الدراسة لتحديد ما إذا كان سلوك النموذج متوافقًا مع الملاحظات الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، لا يمكنها الإجابة على مشكلة المصادفة: لماذا نعيش في الوقت الوحيد في تاريخ الكون عندما تكون الكثافة المحسوبة للمادة المظلمة والطاقة المظلمة قابلة للمقارنة. يشك العلماء في ذلك لأنه يشير إلى وجود شيء خاص في العصر الحالي.
المصدر الأصلي: نشرة جامعة فاندربيلت الإخبارية
