”თანამედროვე კოსმოლოგიის პრობლემები: ბნელი მატერია და ბნელი ენერგია”
ანოტაცია: ამ ნაშრომში მე ვილაპარაკებ თანამედროვე კოსმოლოგიის პრობლემაზე: ბნელ მატერიასა და ბნელ ენერგიაზე. მათ შემოტანაზე კოსმოლოგიაში და ჰიპოთეზებზე, რომელთა დაყრდნობითაც მეცნიერები ვარაუდობნ მათ არსებობას.
ბნელი მატერია, ან დაფარული მასა, ეს არის ნივთიერების ისეთი ფორმა, რომელიც არ ასხივებს. მაგრამ სანამ მის განხილვას დავიწყებთ, საინტერესოა გავიგოთ, საიდან მოდის ეს ტერმინი და რატომ დასჭირდათ მეცნიერებს მისი შემოტანა.
ყველაფერი მე-20 საუკუნის პირველ ნახევარში დაიწყო, როცა კალიფორნიის ტექნიკური ინსტიტუტის ასტროფიზიკოსმა ფრიც ცვიკიმ(Frits Zwicky) თავის ცდებში უცნაური შედეგები მიიღო. 1933 წელს ის აკვირდებოდა გალაქტიკათა ერთ-ერთ საჯგუფებას, სახელწოდებით ”Coma cluster;Abell 1656", რომელიც ჩვენგან 400 მილიონი სინათლის წელიწადით არის დაშორებული. ცდამ აჩვენა, რომ ამ დაჯგუფებაში მყოფი გალაქტიკების სიჩქარე თითქმის ერთმანეთის ტოლი იყო.
მოგვიანებით, 1950 წელს ვერა რუბინმა (Vera Rubin) რამდენიმე ცდის ჩატარების შემეგ იმავე შედეგები მიიღო, როგორც ცვიკმა.
ნიუტონის კანონების თანახმად, გალაქტიკის ირგვლივ მოძრავი ვარსკვლავის სიჩქარე უნდა კლებულობდეს რაც უფრო შორდება მას:
სადაც m - სხეულის მასა, ხოლოდ M - გალაქტიკის. ამ განტომებიდან გამომდინარეობს შემდეგი:
ამ ფორმულიდან გამომდინარეობს, რომ:
ნიუტონის კანონების გამოყენებით ნათლად ჩანს, რომ ვარსვკის წირითი სიჩქარე რადიუსის ერთი-მეორედი ხარისხის უკუპროპორციულია. ეს კი ეწინააღმდეგება ცვიკისა დარუბინის მიერ ჩატარებული ცდების შედეგებს.
დავუშვათ, რომ მართლაც არსებობს ბნელი მატერია და ისევ განვიხილოთ რალაქტიკის ირგვლივ სხეულთა მოძრაობა. დავუშვათ, რომ m მასის ვარსკვლავი მოძრაობს M მასის გალაქტიკის ირგვლივ. ამავე დროს გვაქვს N მასის ბნელი მატერია, რომელიც გარს ერტყმის გალაქტიკას. მაშინ ნიუტონის მეორე კანონის თანახმად:
სადაც R – არის მანძილი გალაქტიკის ცენტრიდან არჩეულ ვაკრსვლავამდე. ამ ვარსკვლავზე მოქმედებს მხოლოდ R რადიუსის შიგნით მყოფი მასა, ამიტომაც M უნდა განვიხილოთ, როგორც რადიუსის ფუნქცია.
განვიხილოთ R რადიუსის სფერო. ამ რადიუსში მყოფი უხილავი მატერიის მასს, შესაბამისად იქნება:
განვიხილოთ R რადიუსის სფერო. ამ რადიუსში მყოფი უხილავი მატერიის მასს, შესაბამისად იქნება:
ამ ფორმულის გამოყენებით მივიღებთ:
როცა:
აქედან გამომდინარეობს რომ:
როგორც ფორმულებიდან ჩანს, ამა თუ იმ ვარსკვლავის წირითი სიჩქარე დამოკლიდებულია მისი გალაქტიკიდან დაშორებასთნ. ანუ გალაქტიკის ნებისმიერი ვარსკვლავის წირითი სიჩქარე რადიუსის ფუნქციაა.
ამ ფორმულებით მიახლოებით შეიძლება ცვიკის ცდის დადასტურება. ამ N მასის ნივთიერებას, რომლის არსებობითაც შიძლება ცვიკის ექსპერიმენტის ახსნა, ბნელი მატერია ეწოდება.
ბნელი მატერია, როგორც ძემოთ ითქვა, არის ისეთი ნივთიერება, რომელიც არ ასხივებს, არ შედის არაფერთან ურთიერთქმედებაში, მაგრამ გრავიტირებს. ბნელი მატერიის აღმოჩენის ერთ–ერთი ხერხი გრავიტაციური ლინზის გამოყენებაა. როცა სინათლის სხივი გადის ბნელ მატერიაში, ის გრავიტაციის ზემოქმედებით იხრება, იცვლის სიჩქარის მიმართულებას. მაგალითად, მომხდარა შემთხვევები, როცა მეცნიერებს ცაზე შეუმჩნევიათ ორი იდენტური ვარსკვლავი ან გალაქტიკა. ის იმას მიანიშნებს, რომ რაღაცამ აიძულა სინათლის სხივს გადახრილიყო. ეს რაღაცა ზუსტადაც რომ ბნელი მატერიაა.
წლების განმავლობაში მეცნიერები ცდილობდნენ გაერკვიათ, თუ როგორი იყო ამ უხილავი მატერიის შემადგენლობა. ლოგიკურია დავუშვათ, რომ ის არ შედგება ჩვენთვის ცნობილი ნაწილაკების: პროტონის, ნეიტრონისა და ელექტრონისგან, რადგან ბნელი მატერია არაფერთან ურთიერთქმედებს.
მეცნიერები ფიქრობენ, რომ ბნელი მატერია შედგება ნაწილაკებისგან, რომლებსაც უწოდებენ „WIMP”-ს( სუსტი ურთიერთქმედების მასიური ნაწილაკები). ესენიც ჰიპოტეზური ნაწილაკები არიან. მეცნიერების თქმით, თუ ამ ნაწილაკზე მხოლოდ სუსტი ურთიერთქმედების ძალა იმოქმედებს, ის ვერ შევა ურთიერთქმედებაში პროტონებთან.
მიუხედავად იმისა, რომ კაცობრიობამ თითქმის არაფერი იცის ბნელი მატერიის შესახებ, მეცნიერებს სჯერათ, რომ ის არსებობს და არც ამაზე ჩერდებიან. მეცნიერების უმეტესობას სჯერათ, რომ ბნელ მატერიაში შედიან: შავი ხვრელი.
შავი ხვრელი არის სივრცე–დროის არეალი, რომელშიც გასაოცარი მოვლენები ხდება. როგორც მეცნიერები ამბობენ, ყველა შავ ხვრელს გააჩნია თავისი „მოვლენების ჰორიზონტი“. ეს არის წარმოსახვითი ზღვარი სივრცე–დროის არეალში, რომლის გარეთაც ამ არეალის შიგნით მომხდარი მოვლენები არ ჩანს. ნიუტონის მექანიკის ფარგლებშიც შესაძლებელია სხეულის „მოვლენების ჰორიზონტის“ გამოთვლა. მე–18 საუკუნეში გამოჩენილმა ფრანგმა მათემატიკოსმა პიერ საიმონ ლაპლასმა ნიუტონის კლასიკური მექანის გამოყენებით წამოჭრა ასეთი საკითხი:
ვთქვათ გვაქვს M მასის სხეული, რომელზეც დევს m მასის მეორე სხეული. ლაპლასი ცდილობდა გამოეთვალა, თუ რა მინიმალური სიჩქარე უნდა მიენიჭებინა m მასის სხეულისთვის, რომ ის უსასრულოდ წასულიყო სივრცეში. ლაპლასმა ეს სიჩქარე ენერგიის შენახვის კანონის გამოყენებით გამოთვალა, რომლის თანახმადაც პოტენციური და კინეტიკური ენერგიების ჯამი ყოველთვის მუდმივია. შორს წასული m მასის სხეულისთვის პოტენციური ენერგია ნულის ტოლი, ასევე მისი კინეტიკური ენერგიაც:
ამ ფორმულის გამოყენებით მივიღებთ შემდეგ ტოლობას:
ანუ:
თუ V–ს ნაცვლად ჩავსვამთ სიჩქარის ბუნებაში მაქსიმალური მნიშვნელობას: C - სინათლის სიჩქარეს მაშინ:
ამ ფორმულიდან გამომდინარე, R რადიუსისზედაპირიდან შეიძლება სინათლის სხივის გამოსხივება, რომ ის წავიდეს უსასრულობაში. ნებისმიერი R-ზე ნაკლები რადიუსისას სინათლის სხივი ვერ წავა უსასრულობაში. ამ რადიუსს შვარცილდის რადიუსი ეწოდება და ფორმულიდან გამომდინარე დამოკიდებულია სხეულის მასაზე.მაგალითად, დედამიწის მოვლენებათა ჰორიზონტი დაახლებით უდრის 0,008 მეტრს. მზისა კი 3 კმ.
ლაპლასის ეს მსჯელობა ნათლად ხსნის შავი ხვრელის ბუნებას: ის არ ასხივებს. მისი გრავიტაციული ძალა კი ისეთი დიდია, რომ ის ითრევს მასთან ახლომდებარე ნებისმიერ ობიქეტს. და რადგან შავ ხვრელს აქვს ზემოთქმული თვისება(ის არ ასხივებს), მეცნიერებიც ზუსტად ამიტომ მიაკუთვნებენ მას ბნელი მატერიის სიას.
დღეისთვის ცნობილია, რომ ბნელი მატერია იკავებს ჩვენი სამყაროს 22%. როგორც დიაგრამიდან ჩანს, ჩვენს სამყაროში ყველაზე დიდი ადგილი კიდევ ერთ უცნობ სახეობას – ბნელ ენერგიას უკავია.
ბნელი ენერგია ეს არის ფენომენი, რომელიც, როგორც ცნობილია ხსნის სამყაროს აჩქარებულად გაფართოების მიზეზს. ესეც, მსგავსად ბნელი ენერგიისა, ჰიპოთეზური ფენომენია.
პირველად მისი სახელი მაშინ შეიქმნა, როცა მეცნიერები აკვირდებოდნენ სამყაროს გაფართოებას. მათ ეგონათ, რომ სამყარო უფრო იკუმშებოდა, მისი გაფართოების სიჩქარე კლებულობდა. მაგრამ არამცთუ მეცნიერებმა დაადგინეს, რომ სამყარო ფართოვდება, უფრო მეტიც, ის ფართოვდება აჩქარებულად.
დაბოლოს, მიუხედავად იმისა, რომ კაცობრიობამ არაფერი იცის სამყაროს შესახებ, ვფიქრობ, ამ პრობლემების დაძლევა გიგანტური ნაბიჯი იქნება უკიდეგანო სამყაროს გამოსაკვლევად.
ლუკა ჯიბუტი © 2012
აქედან გამომდინარეობს რომ:
ამ ფორმულებით მიახლოებით შეიძლება ცვიკის ცდის დადასტურება. ამ N მასის ნივთიერებას, რომლის არსებობითაც შიძლება ცვიკის ექსპერიმენტის ახსნა, ბნელი მატერია ეწოდება.
ბნელი მატერია, როგორც ძემოთ ითქვა, არის ისეთი ნივთიერება, რომელიც არ ასხივებს, არ შედის არაფერთან ურთიერთქმედებაში, მაგრამ გრავიტირებს. ბნელი მატერიის აღმოჩენის ერთ–ერთი ხერხი გრავიტაციური ლინზის გამოყენებაა. როცა სინათლის სხივი გადის ბნელ მატერიაში, ის გრავიტაციის ზემოქმედებით იხრება, იცვლის სიჩქარის მიმართულებას. მაგალითად, მომხდარა შემთხვევები, როცა მეცნიერებს ცაზე შეუმჩნევიათ ორი იდენტური ვარსკვლავი ან გალაქტიკა. ის იმას მიანიშნებს, რომ რაღაცამ აიძულა სინათლის სხივს გადახრილიყო. ეს რაღაცა ზუსტადაც რომ ბნელი მატერიაა.
წლების განმავლობაში მეცნიერები ცდილობდნენ გაერკვიათ, თუ როგორი იყო ამ უხილავი მატერიის შემადგენლობა. ლოგიკურია დავუშვათ, რომ ის არ შედგება ჩვენთვის ცნობილი ნაწილაკების: პროტონის, ნეიტრონისა და ელექტრონისგან, რადგან ბნელი მატერია არაფერთან ურთიერთქმედებს.
მეცნიერები ფიქრობენ, რომ ბნელი მატერია შედგება ნაწილაკებისგან, რომლებსაც უწოდებენ „WIMP”-ს( სუსტი ურთიერთქმედების მასიური ნაწილაკები). ესენიც ჰიპოტეზური ნაწილაკები არიან. მეცნიერების თქმით, თუ ამ ნაწილაკზე მხოლოდ სუსტი ურთიერთქმედების ძალა იმოქმედებს, ის ვერ შევა ურთიერთქმედებაში პროტონებთან.
მიუხედავად იმისა, რომ კაცობრიობამ თითქმის არაფერი იცის ბნელი მატერიის შესახებ, მეცნიერებს სჯერათ, რომ ის არსებობს და არც ამაზე ჩერდებიან. მეცნიერების უმეტესობას სჯერათ, რომ ბნელ მატერიაში შედიან: შავი ხვრელი.
შავი ხვრელი არის სივრცე–დროის არეალი, რომელშიც გასაოცარი მოვლენები ხდება. როგორც მეცნიერები ამბობენ, ყველა შავ ხვრელს გააჩნია თავისი „მოვლენების ჰორიზონტი“. ეს არის წარმოსახვითი ზღვარი სივრცე–დროის არეალში, რომლის გარეთაც ამ არეალის შიგნით მომხდარი მოვლენები არ ჩანს. ნიუტონის მექანიკის ფარგლებშიც შესაძლებელია სხეულის „მოვლენების ჰორიზონტის“ გამოთვლა. მე–18 საუკუნეში გამოჩენილმა ფრანგმა მათემატიკოსმა პიერ საიმონ ლაპლასმა ნიუტონის კლასიკური მექანის გამოყენებით წამოჭრა ასეთი საკითხი:
ვთქვათ გვაქვს M მასის სხეული, რომელზეც დევს m მასის მეორე სხეული. ლაპლასი ცდილობდა გამოეთვალა, თუ რა მინიმალური სიჩქარე უნდა მიენიჭებინა m მასის სხეულისთვის, რომ ის უსასრულოდ წასულიყო სივრცეში. ლაპლასმა ეს სიჩქარე ენერგიის შენახვის კანონის გამოყენებით გამოთვალა, რომლის თანახმადაც პოტენციური და კინეტიკური ენერგიების ჯამი ყოველთვის მუდმივია. შორს წასული m მასის სხეულისთვის პოტენციური ენერგია ნულის ტოლი, ასევე მისი კინეტიკური ენერგიაც:
ამ ფორმულიდან გამომდინარე, R რადიუსისზედაპირიდან შეიძლება სინათლის სხივის გამოსხივება, რომ ის წავიდეს უსასრულობაში. ნებისმიერი R-ზე ნაკლები რადიუსისას სინათლის სხივი ვერ წავა უსასრულობაში. ამ რადიუსს შვარცილდის რადიუსი ეწოდება და ფორმულიდან გამომდინარე დამოკიდებულია სხეულის მასაზე.მაგალითად, დედამიწის მოვლენებათა ჰორიზონტი დაახლებით უდრის 0,008 მეტრს. მზისა კი 3 კმ.
ლაპლასის ეს მსჯელობა ნათლად ხსნის შავი ხვრელის ბუნებას: ის არ ასხივებს. მისი გრავიტაციული ძალა კი ისეთი დიდია, რომ ის ითრევს მასთან ახლომდებარე ნებისმიერ ობიქეტს. და რადგან შავ ხვრელს აქვს ზემოთქმული თვისება(ის არ ასხივებს), მეცნიერებიც ზუსტად ამიტომ მიაკუთვნებენ მას ბნელი მატერიის სიას.
დღეისთვის ცნობილია, რომ ბნელი მატერია იკავებს ჩვენი სამყაროს 22%. როგორც დიაგრამიდან ჩანს, ჩვენს სამყაროში ყველაზე დიდი ადგილი კიდევ ერთ უცნობ სახეობას – ბნელ ენერგიას უკავია.
ბნელი ენერგია ეს არის ფენომენი, რომელიც, როგორც ცნობილია ხსნის სამყაროს აჩქარებულად გაფართოების მიზეზს. ესეც, მსგავსად ბნელი ენერგიისა, ჰიპოთეზური ფენომენია.
პირველად მისი სახელი მაშინ შეიქმნა, როცა მეცნიერები აკვირდებოდნენ სამყაროს გაფართოებას. მათ ეგონათ, რომ სამყარო უფრო იკუმშებოდა, მისი გაფართოების სიჩქარე კლებულობდა. მაგრამ არამცთუ მეცნიერებმა დაადგინეს, რომ სამყარო ფართოვდება, უფრო მეტიც, ის ფართოვდება აჩქარებულად.
დაბოლოს, მიუხედავად იმისა, რომ კაცობრიობამ არაფერი იცის სამყაროს შესახებ, ვფიქრობ, ამ პრობლემების დაძლევა გიგანტური ნაბიჯი იქნება უკიდეგანო სამყაროს გამოსაკვლევად.
ლუკა ჯიბუტი © 2012
შენ გენაცვალე ამ სტატიის დადებისთვის !
ReplyDelete