المساعد الشخصي الرقمي

مشاهدة النسخة كاملة : دحض قانون الجاذبية


Eng.Jordan
07-05-2014, 01:44 AM
ماركوس تشاون
ترجمة أحمد شكل
١٧ يونيو ٢٠١٤



هل أخطأ نيوتن في قانون الجاذبية؟ قد يبدو طرح سؤال كهذا نوعًا من الهرطقة، لكن هذا هو ما يعتقده موردخاي ميلجروم الذي يقول إن لديه الدليل. يشير ميلجروم إلى أن طريقة تحرك بعض النجوم والمجرات بسرعة هائلة وبقائها في مداراتها بالرغم من ذلك تعارض كل النظريات المعترف بها. لكن تعديل قوانين نيوتن للحركة قد يحل هذه المشكلة. يقول ستايسي ماكجو من جامعة ماريلاند بكوليدج بارك: «قبل عشر سنوات، كان هذا زعمًا مشينًا. أما الآن، فهناك أقلية يُعتَدُّ بها تأخذ الأمر على محمل الجد.»
مع ذلك، لا تزال نظرية ميلجروم إحدى النظريات التي لا تروق لمعظم علماء الكونيات، وأحد أسباب ذلك أنها تستبعد وجود «المادة المظلمة»، وهي مادة غامضة تملأ الكون وفقًا لرأي كثير من علماء الفيزياء. مع ذلك، تنشأ هذه العداوة في الغالب لأن الفكرة لا أساس لها. فلا أحد من مؤيديها — بمن فيهم ميلجروم نفسه — يعرف لماذا ينبغي أن تكون صحيحة. وبالرغم مما كان لدى العلماء من فترة تزيد عن ٢٠ عامًا ومجموعة كبيرة من البيانات الفلكية قد تُستخدَم في محاولة دحض نظرية ميلجروم، لم يتمكن أحد من ذلك حتى الآن. حتى أحدث نتائج مرصد شاندرا للأشعة السينية التابع لوكالة ناسا — الذي روَّجت له الوكالة على نطاق واسع بوصفه دليلًا ضد نظرية ميلجروم المثيرة للجدل — أخفق في دحض النظرية. يقول ميلجروم: «لم أشعر بأي قلق من جانبهم.» فنظريته — ببساطة — تستعصي على الدحض.
طرح ميلجروم فكرته لأول مرة في أوائل ثمانينيات القرن العشرين عندما كان يعمل في معهد الدراسات المتقدمة في برينستون. أثارت النتائج الغامضة للمجرات الحلزونية اهتمامه؛ فأفضل التليسكوبات في العالم كانت تكشف عن أن النجوم في الأطراف الخارجية للمجرة تدور أسرع بكثير مما يتوقع قانون نيوتن للجاذبية.
وفقًا لقانون نيوتن، فإن قوة الجاذبية تقل بعامل أربعة في كل مرة تضاعِف فيها المسافة عن مركز المجرة، حيث تتركز معظم الغازات والنجوم الكبيرة. لا بد أن النجوم التي تطوِّق طرف المجرة تتأثر بقوة جذب أضعف بكثير من التي تتأثر بها النجوم القريبة من المركز، وهذا يعني أنها تدور حول المجرة ببطء أكثر. لكن أوضحت المشاهدات أن سرعات النجوم لا تنخفض بزيادة المسافة كما ينص قانون نيوتن، بل تبقى السرعة ثابتة حتى حافة المجرة.
كان هذا الاكتشاف محيرًا؛ لأن الجاذبية هي القوة الوحيدة التي تحفظ بقاء كل المادة الموجودة في المجرة بعضها مع بعض. ويقول ميلجروم الذي يعمل حاليًّا في معهد وايزمان في رحوفوت بإسرائيل: «إذا كان نيوتن على قيد الحياة اليوم وشهد هذه الأدلة، فلديَّ يقين أنه سوف يُقدِّم قوانين مختلفة للديناميكا.» يُفسِّر واضعو النظريات الآخرون هذا الأمر بالاستشهاد بكتلة مهولة من مادة غامضة غير مرئية — المادة المظلمة — تسبِّب جاذبية تكفي لتصحيح السرعة الشاذة للنجوم في الأطراف الخارجية للمجرات. مع ذلك، لطالما وجد ميلجروم هذا النهج غير مقنع، ولهذا قدَّم نظرية بديلة، أو تعديلًا لفكرة نيوتن، وأطلق عليها «الديناميكا النيوتونية المعدَّلة».
للوهلة الأولى، قد لا يبدو كسر أكثر القواعد شهرةً في الفيزياء فكرة جيدة. فرغم كل شيء، تعمل الجاذبية النيوتونية في المختبرات الأرضية وبقية النظام الشمسي. لكن الديناميكا النيوتونية تفقد صلاحيتها في ظل الظروف المتطرفة. على سبيل المثال، عندما يتعلق الأمر بالأجسام التي تدور بسرعة تقترب من سرعة الضوء، فإن قوانين نيوتن للحركة تفسح المجال أمام نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين.
لذلك وضع ميلجروم قائمةً بكافة الاختلافات بين النظام الشمسي والمجرَّات لمعرفة ما إذا كان بوسع أي منها إحداث تغيير في قوانين الديناميكا في المجال الخارجي للمجرَّات، ومن ثمَّ في قوة الجاذبية. كان الاختلاف الواضح هو المسافة. تساءل ميلجروم إذا ما كانت العلاقة بين كتلة جسم وتسارعه بسبب قوة الجاذبية قد تغيَّرت فجأة على مسافة ثابتة من مركز المجرة، لكنه سرعان ما اكتشف عدم صحة ذلك. وعندما قارن سرعات النجوم في المجرات الحلزونية المختلفة، وجد أن سرعاتها قد أصبحت متساوية عند مسافات مختلفة من نواة المجرة.
بعد تجربة كميَّات أخرى، مثل الزخم الزاوي، فكَّر ميلجروم أنه فوق تسارعٍ حَرِج معين، لا يزال قانون نيوتن للجاذبية صحيحًا؛ حيث قوة الجاذبية التي تسبب دوران النجم تنخفض بشدة مع مربع المسافة من مركز المجرة. لكن أدنى من هذا التسارع الحرج، تضعف الجاذبية ببطء فقط؛ وذلك في تناسب طردي مع المسافة. لذلك، وفقًا للديناميكا النيوتونية المعدلة، تُحْكِمُ المجرة قبضتها على بعض النجوم أكثر مما توقَّعَ نيوتن.
وهذا يعني أن النجوم على مشارف المجرة تدور بسرعة تتوقف على كتلة كل النجوم الأخرى والغاز داخل المجرة، وليس على المسافة بينها وبين مركز المجرة كما يشير قانون نيوتن.
بَدَتْ فكرة ميلجروم واعدة. وما أثار حماسه أنه عندما طبَّق النظرية على المشاهدات، بدت ناجحة. أصبحت كل مجرة من المجرات التي قِيسَتْ بالتفصيل أرض اختبار جديدة للديناميكا النيوتونية المعدلة. كل ما عليه هو تعيين عامل واحد، وهو التسارع الحرج الذي يتغير عنده قانون نيوتن. بتعيين التسارع الحرج عند ١٠ (أي ١٠ أمتار/الثانية) — وهو أضعف ١٠٠ مليار مرة من قوة الجاذبية الواقعة على تفاحة تسقط على الأرض — وجد ميلجروم أنه يمكنه تحديد العلاقة بين سرعة النجوم وبُعدها عن مركز عدد من المجرات الحلزونية. ولما كان ميلجروم متأكدًا من أنه لا بد من وجود خطأ في استنتاجه أو حساباته، فقد قضى أيامًا في إعادتها، ليقول في النهاية: «لكن كل شيء كان مطابقًا.»
كان أول نجاحاته شهرةً تنبؤ يتعلق بفئة من المجرات لم تكن معروفة في ثمانينيات القرن العشرين، وهي المجرات «ذات السطوع السطحي الضعيف». وهذه الأجسام خافتة السطوع للغاية لدرجة أن علماء الفلك وجدوا أنه من المستحيل التقاط صور مفصلة لها حتى تسعينيات القرن العشرين.
وبما أن هذه المجرَّات تحتوي على عدد قليل جدًّا من النجوم، فإن قوة الجاذبية فيها أضعف بكثير مما هي عليه في المجرات الساطعة المليئة عن آخرها بالنجوم والغازات. وعند الانتقال نحو الخارج من مركز هذه المجرات خافتة السطوع، سرعان ما ستجد أن التسارع يقل عن القيمة الحرجة. أما في المجرات الساطعة، فلا يحدث مثل هذا التسارع المنخفض إلا للنجوم الموجودة في أطراف المجرة. توقع ميلجروم أن الديناميكا النيوتونية المعدلة ستنجح في وصف حركة معظم النجوم في المجرات ذات السطوع السطحي الضعيف، بينما تخفق الديناميكا النيوتونية في ذلك. وأخيرًا، تمكنت التليسكوبات اللاسلكية من الكشف عن وجود غاز الهيدروجين داخل هذه المجرات خافتة السطوع، وهو ما كشف أخيرًا عن سرعات النجوم. يقول ميلجروم: «تأكدت صحة التكهن. نجحت الديناميكا النيوتونية المعدلة في الاختبار.»
أقنعت هذه النتائج ماكجو — الذي كان يدرس المجرات ذات السطوع السطحي الضعيف في ذلك الوقت — بأن الديناميكا النيوتونية المعدلة بديل مهم للمادة المظلمة، التي كانت التفسير المفضَّل للحركة السريعة للنجوم والمجرات.
منذ ذلك الحين، شاهدنا نجاح الديناميكا النيوتونية المعدلة مع نحو ١٠٠ مجرة متنوعة. يجمع علماء الفلك كتلة كل النجوم والغازات في المجرة، ويدخلونها في معادلات ميلجروم للحصول على منحنى ينتهي بمنبسَط يصف العلاقة بين جميع سرعات النجوم والمسافات التي تبعدها عن المركز (انظر الرسم البياني). لكن الديناميكا النيوتونية المعدلة تؤدي دورًا أكبر من ذلك، حيث تصف شكل منحنى كل مجرة وارتفاعه بقدر كبير من التفصيل. وهذا أمر مثير للإعجاب عند الحديث عن نظرية تقوم على عامل واحد هو كتلة المجرة. يقول ماكجو: «إنه اختبار قوي جدًّا.»
الديناميكا النيوتونية مقابل الديناميكا النيوتونية المعدَّلة

تتبع نجوم هذه المجرة قوانين الديناميكا النيوتونية المعدلة، وليس قوانين نيوتن الأصلية.
http://www.hindawi.org/safahat/41727152/images/1536/1.jpg (http://www.hindawi.org/safahat/41727152/images/1536/1.jpg)


لم يكن هذا هو الاختبار الوحيد الذي نجحت فيه الديناميكا النيوتونية المعدلة؛ إذ يمكنها أيضًا التنبؤ بكتل المجرات. وهنا يمكنك اختيار أي كتلة للمجرة، وتخمين حركة النجوم لهذه الكتلة، وملاحظة مدى توافق ذلك مع البيانات المقاسة. إذا كررت هذه الخطوات مع كتل مختلفة، فستجد في نهاية المطاف كتلة تصف البيانات أفضل ما يمكن. وهذا مقياس مهم؛ لأنك لا تستطيع وزن المجرة مباشرة. بدلًا من ذلك، يضطر علماء الفلك إلى تقدير كتلة المجرة من خلال الضوء الذي تشعه جميع النجوم والغازات. وعلى مر السنين، طوروا نماذج تفصيلية تربط بين لون هذا الضوء وكتلة المجرة. اختُبِرَت التخمينات الخاصة بالديناميكا النيوتونية المعدلة في ضوء هذه النماذج، وكان التوافق بينهما جيدًا جدًّا. يقول ماكجو عن ذلك: «أرى أن ذلك واحد من أكثر الجوانب إثارة للاهتمام في الديناميكا النيوتونية المعدلة.»
إذن، هل ثبتت صحة نظرية ميلجروم؟ ليس بعد، فالتحديات لا تزال تتوالى، وآخرها كانت من فريق يرأسه ديفيد بوت من جامعة كاليفورنيا في إيرفين. في العام الماضي، حلل الفريق صورًا عالية الدقة لمجرة إهليلجية يُطلَق عليها «إن جي سي ٧٢٠» التقطها مرصد شاندرا للأشعة السينية. اكتشف علماء الفلك أن مجرة «إن جي سي ٧٢٠» مغلفة بسحابة ساخنة من الغاز بيضوية الشكل. كانوا يعتقدون أن الجاذبية الإضافية التي تنتجها هالة من المادة المظلمة هي وحدها التي تستطيع القضاء على سحابة الغاز. بدا الأمر وكأنه أول دليل دامغ ضد الديناميكا النيوتونية المعدلة.
لكن يشير أنصار الديناميكا النيوتونية المعدلة إلى أخطاء في الافتراضات التي وضعها بوت وزملاؤه عند تفسير البيانات. فقد افترضوا أن الغاز في المجرة كان ثابتًا، لكن من الوارد أن يكون في حالة دوران. ويشير ميلجروم إلى أن هذا أيضًا من شأنه أن يقضي على سحابة الغاز. ويشير أيضًا إلى أن تليسكوب شاندرا قد لا يمتلك من الدقة العالية ما يكفي لرصد النجوم الصغيرة التي ترسل الأشعة السينية. وهذه الأشعة السينية يمكن أن تشوِّش الصورة، بحيث تبدو المجرة «إن جي سي ٧٢٠» مشوَّهة. في الوقت الحالي على الأقل، يبدو أن الحكم ببطلان نظرية الديناميكا النيوتونية المعدلة قد أُرْجِئَ مؤقتًا.
لا ينكر أحد أن الديناميكا النيوتونية المعدلة تنطبق على مجموعة كبيرة من المشاهدات المجرية، لكن النظرية بالتأكيد ليست مثالية. من جانب، تخفق النظرية عندما تُطبَّق على نطاقات أوسع؛ على سبيل المثال، عند دراسة العناقيد المجرية. ومع أنها قد تعيد إنتاج حركة المجرات المرصودة في الأطراف الخارجية للعناقيد المجرية، فإنها تخفق في عمل ذلك عند المراكز. فبمعلومية كتل هذه المجرات، فإنها تتسارع بوتيرة أسرع مما يمكن أن تتنبأ به الديناميكا النيوتونية المعدلة. يقول ميلجروم: «ظنِّي أنه ربما تحتوي مراكز العناقيد على الكثير من المواد غير المكتشفة في صورة مظلمة عادية؛ في صورة نجوم معتمة على سبيل المثال.» استبعد علماء الكون فكرة وجود كميات كبيرة من مادة مظلمة «عادية» في الكون؛ لأنها كانت ستُغيِّر الظروف تمامًا بعد وقت قصير من الانفجار الكبير. بدلًا من ذلك يُفضِّل العلماء القول بوجود مادة «غريبة» مثل جسيمات غامضة تُسمَّى «الجسيمات الكتلية ضعيفة التفاعل». الأكثر من ذلك أن الاستشهاد بالمادة المظلمة من أجل إنقاذ الديناميكا النيوتونية المعدلة — تلك النظرية التي تحاول استبعاد فكرة وجود المادة المظلمة من الأساس — هو أمر يبعث على القلق. إن فشل الديناميكا النيوتونية المعدلة في وصف مراكز العناقيد المجرية هو سبب الاعتراض الشديد عليها.
وهناك المزيد. فقد وُضِعَت الديناميكا النيوتونية المعدلة على نحو تجريبي وليس لها قاعدة أساسية في الفيزياء. يعترف ميلجروم بأن في هذا الأمر مشكلة، لكنه يرد على ذلك بأن نظرية الكم عندما وُضِعَتْ في مطلع القرن الماضي كانت في موقف مماثل استمرت عليه سنوات عديدة. إنه على يقين من وجود نظرية راسخة ترتكز عليها الديناميكا النيوتونية المعدلة.
ربما يأتي مفتاح اللغز من «الفراغ» الذي ينتشر في الكون. ذلك الفراغ بعيد كل البعد عن كونه فارغًا، بل هو بحر رغوي من الجسيمات التي تظهر وتختفي فجأة. يعتقد ميلجروم أن الفراغ ربما يغيِّر كتلة الأجسام — أو قصورها الذاتي — بطريقة أو بأخرى. إذا كان محقًّا، فربما تكون هناك علاقة وطيدة غير متوقعة بين طريقة تسارع الأجسام وعمر الكون. يقول ميلجروم: «تأكَّد هذا الأمر بواسطة مصادفة غريبة.» فقد تبيَّن أن التسارع الحرج في الديناميكا النيوتونية المعدلة يحمل نفس القيمة التي تحتاجها لتسريع جسم من حالة السكون إلى سرعة الضوء في الوقت الذي وُجِدَ فيه الكون. يرى ميلجروم أن العلاقة بين هذين الرقمين تشير إلى وجود نظرية أكثر رسوخًا. غير أنه يعترف بأنها حجة ضعيفة.
لدى منتقدي النظرية اعتراض آخر أكثر خطورة بكثير. يقول بودان باتشينيسكي من جامعة برينستون: «اعتراضي الرئيسي على الديناميكا النيوتونية المعدلة أنها لا تتطابق مع بقية قوانين الفيزياء التي نعرفها.» باتشينيسكي قَلِق من إخفاق الديناميكا النيوتونية المعدلة عند الاقتراب من سرعة الضوء وبالقرب من الثقوب السوداء حيث تكون الجاذبية أقوى ما يمكن، وحيث تكون النظرية النسبية لأينشتاين أكثر ملاءمة من قوانين نيوتن. وهذا مصدر قلق أيضًا لأبراهام لوب من جامعة هارفرد حيث يشير موضحًا: «يجعل هذا من الصعب تطبيق الديناميكا النيوتونية المعدلة على المجموعة الهائلة من البيانات ذات الجودة العالية الموجودة لدينا الآن في علم الكونيات؛ بما في ذلك بيانات الخلفية الكونية الميكرونية، وبيانات تأثير عدسة الجاذبية، والبيانات المأخوذة من عمليات مسح للمجرة بشأن نمو بنيتها.» فلا يمكن تفسير هذه الظواهر إلا باستخدام النسبية.
يوافق ميلجروم على أن هناك مشكلة في عدم وجود نظرية ديناميكا نيوتونية معدلة تضع النسبية في الاعتبار. لكنه يرى أنه يمكن التغلب على هذه المشكلة بمرور الوقت. سوف يقبل واضعو النظريات الديناميكا النيوتونية المعدلة في نهاية المطاف، ليس بسبب توقعاتها الناجحة، ولكن لأن الاقتراحات المختلفة بخصوص المادة المظلمة لن تتوافق مع المشاهدات. مع ذلك، سيكون من الصعب عليه إسكات منتقديه؛ فهم يستخدمون كل منطق لديهم لدحض أفكاره الابتداعية. يقر باتشينيسكي: «ربما لا تكون المادة المظلمة الجواب الصحيح، لكن الديناميكا النيوتونية المعدلة لا تبدو لي قوانين فيزياء جديدة.»
http://www.hindawi.org/safahat/41727152/images/cover.jpg
مجلة نيو ساينتيست، العدد ٢٣٧٩، الصفحات ٣٤