ماده چیست؟ مفهومی ساده و در عین حال غامض

 

کمی بیش از یک سوم کائنات – یعنی حدود 31 درصد – از ماده ساخته شده است. محاسبات جدید ما را به این عدد رسانده است. ستاره شناسان از مدتها پیش بر این باور بوده اند که چیزی به غیر از ماده ملموس بیشتر واقعیت دنیای پیرامون ما را می سازد. پس در این صورت، ماده دقیقا چیست؟

یکی از نکات برجسته نظریه نسبیت خاص اینشتاین این است که ماده و انرژی قابل تفکیک نیستند. تمامی اجرام دارای انرژی ذاتی هستند. این معنای معادله مشهور اینشتاین E = mc² است. وقتی کیهان شناسان عالم هستی را وزن کردند، هم جرم و هم انرژی را با هم اندازه گرفتند. و 31 درصد این مقدار برابر ماده موجود در هستی است، چه مشهود باشد یا نامشهود.

این اختلاف کلیدی است: تمامی ماده یکسان نیست. مقدار کمی از آن اشیایی را می سازد که می‌توانیم ببینیم یا لمس کنیم. عالم از نمونه هایی ماده که بسیار شگفت تر هستند پر شده است.

ماده چیست؟

وقتی به ماده فکر می کنیم، ممکن است اشیایی را تصور کنیم که قادر به مشاهده آنها هستیم یا شاید اجزای ساختمانی بنیادی ماده، یعنی اتمها را در نظر آوریم.

مفهوم اتم در طی سالها تکامل یافته است. اندیشمندان در طول تاریخ ایده های مبهمی درباره قابلیت تقسیم هستی به اجزای بنیادی داشته اند. اما ایده نوین درباره اتم به جان دالتون نسبت داده می شود. در 1808 این دانشمند بزرگ بریتانیایی این ایده را مطرح کرد که ذرات نادیدنی ماده را می سازند. مواد بنیادی مختلفی به نام عنصرها از اتمهایی با اندازه، جرمها و خواص متفاوت ساخته شده اند.

طرح دالتون مبتنی بر 20 عنصر بود. با ترکیب این عناصر ترکیبات شیمیایی پیچیده تر ساخته می شوند. هنگامی که شیمی دان روسی دیمیتری مندلیف یک جدول تناوبی اولیه در سال 1869 ساخت، 63 عنصر را فهرست کرد. امروزه ما 118 عنصر را می شناسیم.

اما ای کاش موضوع به همین سادگی بود. از ابتدای قرن بیستم فیزیکدانان دانسته اند که اجزای سازنده ریزتری درون اتم در گردش اند: الکترونهای سرگردان با بار منفی و هسته های چگالی که از پروتونهای مثبت و نوترونهای خنثی ساخته شده اند. اکنون می دانیم که هر عنصر دارای تعداد ثابتی پروتون در هسته اتمهای خود است.

به مرور زمان باز هم بر پیچیدگی تصویر ما از ماده افزوده شد. تا اواسط قرن بیستم فیزیکدانان به این واقعیت پی بردند که پروتونها و نوترونها نیز از ذرات ریزتری به نام کوارکها ساخته شده اند. به بیان دقیق تر، پروتونها و نوترونها هرکدام از سه کوارک ساخته شده اند: نوعی پیکربندی که فیزیکدانان به آن باریون ها می گویند. به این دلیل ماده ای که از پروتونها و نوترونها ساخته شده است ماده باریونیک نامیده می شود.

ماده ای شگفت در آسمان

در جهان پیرامون، ماده باریونیک به یکی از چهار نوع یافت می شود: جامد، مایع، گاز و پلاسما.

اما بازهم ماده به این سادگی نیست. تحت شرایطی شدید، ماده می تواند اشکال شگفت تری به خود بگیرد. در فشارهایی به قدر کافی بالا مواد می توانند به صورت مایع ابربحرانی موجود باشند که همزمان هم مایع و هم گاز است. در دماهایی بسیار پایین اتمهای متعددی ممکن است به هم بچسبند و عصاره موسوم به بوز-اینشتاین را بسازند. این اتمها به صورت یک پیکره واحد عمل می کنند و به تمامی شیوه های کوانتومی مختلف رفتار می‌کنند.

این مواد غریب منحصر به محیط های آزمایشگاهی نیستند. فقط به ستاره های نوترونی نگاه کنید: هسته های آنها که هنوز نمرده است به قدری جسیم نیستند که بتوانند در هنگام انفجار ابرنوستاره ای به شکل سیاهچاله فروریزند. در عوض هسته های آنها به درون رمبیده و نیروهای سهمگین گرانشی هسته های اتمها را از هم می گسلند و با جذب الکترونها توسط پروتونها و تبدیل آنها به نوترونها، توپ غول آسا و بسیار فشرده ای از نوترون ساخته می‌شود. یک قاشق از ماده این ستارگان نوترونی می تواند یک میلیارد تن وزن داشته باشد.

بطور بالقوه صدها میلیون ستاره نوترونی تنها در کهکشان راه شیری وجود دارد. دانشمندان بر این باورند که در اعماق این ستاره های نوترونی فشار و دماهایی چنان بالا وجود دارند که نوترونها از هم گسیخته شده و کوارکها آزاد می شوند.

فیزیکدانها برای شناخت رویدادهای نخستین پیدایش عالم به مطالعه ستارگان نوترونی م یپردازند. ماده ای که پیرامون خود می بینیم از ابتدا وجود نداشته است، بلکه پس از مهبانگ پدید آمده است. پیش از اینکه اتمها شکل بگیرند، پروتونها و نوترونها در سراسر عالم شناور بودند. حتی زودتر، پیش از آن که پروتون یا نوترونی درکار باشد تنها یک دوغاب ابرداغ از کوارک ها وجود داشت. دانشمندان می توانند این وضعیت را به گونه‌ای در شتاب دهنده‌های ذرات دوباره خلق کنند.  اما این وضعیت تنها کسری از ثانیه پایدار مانده و بسرعت ناپدید می شود. این وضعیت را با حالت دائمی درون یک ستاره نوترونی نمی توان یکسان دانست. اینجا آزمایشگاهی است که برای همیشه موجود است.

ماده در طرح فراگیر کائنات

در طی چند دهه گذشته، ستاره شناسان روشهای متعددی برای درک پارامترهای بنیادین کائنات ابداع کرده اند. آنها ساختار بزرگ مقیاس کائنات را بررسی کرده و نوسانات طریفی در چگالی ماده مشهود شناسایی کرده اند. آنها می توانند ببینند گرانش چگونه مسیر نور عبوری را تغییر می دهد.

یک روش ویژه برای اندازه گیری چگالی ماده – یعنی نسبت ماده مشهود و نامشهود سازنده کائنات- ثبت تابش مایکروویو پس زمینه کیهانی ناشی از مهبانگ است. از سال 2009 تا 2013 رصدخانه پلانک مووسه فضایی اروپا این تابش پس زمینه را مورد کاوش قرار داده تا بهترین محاسبه از چگالی ماده را در اختیار دانشمندان قرار دهد: 31 درصد کائنات از ماده ساخته شده است.

تازه ترین پژوهش ها از فن متفاوتی به نام رابطه غنای جرم (mass-richness relation) استفاده می کند که با بررسی خوشه های کهکشانی و شمارش تعداد کهکشان ها در هر خوشه برای محاسبه جرم هر گروه و مهندسی معکوس چگالی ماده استفاده می کند. این فن جدید نیست لیکن هنوز تا حدی خام و پالایش نایافته است.

باز هم یادآوری می کنیم: موضوع به این سادگی نیست. تنها بخش کوچکی، حدود 15 درصد از ماده یا 3 درصد از کائنات، قابل مشاهده است. مابقی، به باور دانشمندان عبارت از ماده تاریک است. ما می توانیم موجک هایی که ماده تاریک در گرانش به جا می گذارد آشکارسازی کنیم. اما نمی توانیم آن را بطور مستقیم مشاهده کنیم.

در نتیجه، درباره ماهیت ماده تاریک مطمئن نیستیم. برخی دانشمندان بر این باورند که ماده تاریک از نوع ماده باریونیک است اما به شکلی که ما بسادگی نمی توانیم ببینیم: شاید سیاهچاله هایی باشد که در ابتدای پیدایش کائنات پدید آمده اند. سایرین بر این بارند که ماده تاریک از ذراتی تشکیل شده که با ماده معمولی بندرت واکنش می‌کنند. ممکن است مخلوطی از هر دو نوع باشد. برخی دانشمندان نیز وجود ماده تاریک را به کلی منکر می‌شوند.

اگر ماده تاریک وجود داشته باشد، ممکن است آن را با نسل جدیدی از تلسکوپها ببینیم، مانند eROSITA، رصدخانه Rubin، تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن و اقلیدس که می تواند حتی بخش های بزرگتریمده اندآ

 از عالم را رصد کرده و کهکشان های متنوع تری را ببیند. این ابزارهای مدرن درک ما از کل عالم را تغییر خواهند داد.

منبع: Popular Science