دینامیک میلگرامی یا دینامیک نیوتنی اصلاح شده Modified Newtonian Dynamics

مختصری از کتاب راهیافتی فلسفی به MOND، ارزیابی برنامه تحقیقاتی میلگرامی در کیهان‌شناسیA Philosophical Approach to MOND - Assessing the Milgromian Research Program in Cosmologyکهکشان‌های مارپیچی مانند کهکشان راه شیری از بازوهایی با میلیاردها ستاره تشکیل شده‌اند. در مرکز کهکشان سیاه‌چاله‌ای وجود دارد که نیروی گرانش عظیم آن ستارگان کهکشان را در کنار هم نگه داشته است. اما وقتی از مرکز کهکشانی مانند کهکشان ما با عرض صد هزار سال نوری فاصله می‌گیریم این نیرو ضعیف‌تر می‌شود تا جایی که مثلا در انتهای بازوهای کهکشان تقریبا اثری از نیروی گرانش سیاه‌چاله مرکزی نیست و این ستارگان باید به راحتی از جاذبه کهکشان بگریزند و در فضا رها شوند، اما نمی‌شوند. چه چیز باعث می‌شود که ساختار کهکشانی در سر جای خود باقی بماند؟ طبق گرانش نیوتن، اجرام دورتر باید تحت تاثیر نیروی کمتری باشند و در نتیجه با سرعت کمتری به دور مرکز بچرخند در صورتی که مشاهدات نجومی ما بر خلاف این پیش‌بینی است. در منظومه‌ی شمسی ما کشش گرانشی ناشی از جرم خورشید باعث می‌شود طبق قوانین دینامیک نیوتنی سیاره‌ی عطارد که نزدیک به خورشید یا مرکز جرم منظومه ماست با سرعتی بیش از ۱۶۰ هزار کیلومتر در ساعت در حال چرخش به دور خورشید باشد اما دورترین سیاره، یعنی نپتون، با سرعت ۱۶ هزار کیلومتر در ساعت حرکت کند. تا اینجا مشکلی نیست. حال از منظومه شمسی فراتر برویم و در حد کهکشان این موضوع را بررسی کنیم. منطقا دورترین ستارگان از مرکز کهکشان باید کندترین حرکت به دور مرکز آن را داشته باشند، اما مشاهدات نجومی نشان می‌داد که سرعت چرخش این ستارگان بسیار بیش‌تر از مقداری بود که دینامیک نیوتنی پیش‌بینی می‌کرد. در دهه ۷۰ تلسکوپ‌های رادیویی نشان دادند که سرعت چرخش گازهای سرد حاشیه کهکشان ۵ برابر بیشتر از ستارگان نزدیک است.سرعت (A) مورد انتظار و (B) مشاهده شدۀ ستارگان به صورت تابعی از فاصله‌شان از مرکز کهکشانچه چیزی این اختلاف را توجیه می‌کند؟پاسخ کلاسیک اخترشناسان این بود. سرعت چرخش با میزان جرم هماهنگ نیست؟ پس باید منبع جرم دیگری باشد که در دید ما نیست. کیهان‌شناسان و اخترشناسان نام این ماده خارج از ابزارهای مشاهده ما را، ماده سیاه Dark Matter گذاشته‌اند. اولین بار فرضیه وجود ماده تاریک برای توضیح اختلاف میان جرم محاسبه شده کهکشان‌ها و جرم کل جهان طرح شد. اخترشناسان معتقدند ماده مرئی تنها ۴/۹ درصد از جرم-انرژی جهان را تشکیل می‌دهد و ۲۶/۸ درصد جهان ماده تاریک است و ۶۸/۳ درصد باقی‌مانده نیز انرژی تاریک یا Dark Energy. پس از مطرح شدن فرض ماده تاریک تلاش‌های بسیاری برای کشف و مشاهده آن صورت گرفت. ماده و بعدتر انرژی تاریک، پیوستگی و اتصال کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی، خم شدن نور کهکشان‌های راه دور و ساختار مهبانگ و چگونگی تشکیل اجرام آسمانی اولیه مانند ستارگان و کهکشان‌ها را توضیح می‌دادند.اما پس از چهار دهه تحقیق با دقت و حساسیتی روزافزون، تاکنون حتا یک ذره از ماده سیاه در آزمایشگاه پیدا نشده و در کیهان رصد نشده است. در مقابل این فرضیه محبوب و مشهور اما راهکار دیگری نیز وجود دارد. موند Mond یا MOdified Newtonian Dynamics دینامیک اصلاح شده نیوتنی. مردخای میلگرام Mordehai Milgrom در ۱۹۸۳ این فرضیه را مطرح کرد که اگر ماده تاریکی در کار نبود، چه؟ آیا ممکن است تصور ما از دینامیک نیوتنی غلط باشد؟ یعنی همانطور که مکانیک نیوتنی در سرعت‌های پایین‌تر از نور با مشاهدات ما سازگار بود اما در سرعت‌های نزدیک به سرعت نور نیاز به اصلاح داشت، نیروی گرانش نیوتنی هم در فواصل نزدیک در مقیاس ستاره‌شناسی مانند منظومه شمسی با مشاهدات سازگار است ولی در فواصل دورتر نه؟مشاهداتی که در مدل استاندارد با فرض گرفتن ماده تاریک توضیح داده می‌شوند، در موند با اصلاح قوانین حرکت نیوتن توضیح داده می‌شوند، با یک تفاوت مهم که موند حقایق مشاهده شده را قبل از کشف آن‌ها پیش‌بینی می‌کند.تبیین فنی موند کار دشواری است اما شاید با ساده‌سازی بسیار زیاد بتوان گفت فرض کنید قانون معروف نیوتن در مورد رابطه نیرو و شتاب یعنی F = ma در شتاب‌های نجومی پایین مانند شتاب چرخش خورشید به دور مرکز کهکشان به‌صورت F = ma² در نظر گرفته شود. انحنای چرخش کهکشان مارپیچی مسی‌یر تراینگلوم، Messier Triangulum اختلاف مقادیر پیش‌بینی شده با اندازه‌گیری‌ها میلگرام در طرح فرضیه خود بسیار احتیاط می‌کرد اما به مرور، اخترفیزیکدانان بیشتری به میلگرام پیوستند و با هر شکست در طرح‌های یافتن ماده و انرژی تاریک و موفقیت دینامیک میلگرامی در تبیین مشاهدات، طرفداران دینامیک میلگرامی بیشتر می‌شدند. اما نباید تصور کرد که دینامیک نیوتنی اصلاح شده هنوز کامل است. پدیده‌های نجومی بسیاری هنوز با فرضیات موجود ما ناسازگارند.نمایی از مرکز کهکشان راه شیرییکی از پدیده‌هایی که تئوری‌های جایگزین ماده تاریک در تبیین آن دچار مشکل بودند، Lambda cold dark matter یا ماده تاریک سرد لامبدا (LCDM) بود. در ابتدای انفجار بزرگ یا مهبانگ نیروی گرانش جرم قابل مشاهده جهان در حدی نبود که بتواند ذرات را در کنار هم جمع کرده و ستارگان و سیاره‌ها و کهکشان‌ها را شکل دهد. ماده تاریک اینجا به کمک می‌آمد و می‌گفت که این ماده تاریک بوده است که باعث شده تا کهکشان‌های اولیه شکل بگیرند. به تازگی دو فیزیکدان نظری توانسته‌اند با کمی اصلاح تئوری نسبیت وقایع بعد از مهبانگ و شکل‌گیری اولیه کهکشان‌ها را پیاده‌سازی کنند. اگر چه مقاله هنوز مورد بررسی کامل قرار نگرفته اما نتایج اولیه بسیار امیدوارکننده بوده و توانسته طیف حرارتی اولیه جهان که باعث پدیده تابش زمینه کیهانی را شبیه‌سازی کند. تایید این مقاله موفقیت بزرگی برای فرضیات جایگزین ماده تاریک است و جبهه دینامیک نیوتنی اصلاح شده یا MOND را بشدت تقویت می‌کند.منابعA Philosophical Approach to MOND: Assessing the Milgromian Research Program in CosmologyThe Case Against Dark MatterAn Alternative to Dark Matter Passes Critical Test