معمای مادۀ تاریک جهان، یکی از مهم‌ترین معماهای مطرح در فیزیک امروز است. مسأله این است که مجموع جرم تمامی کهکشان‌ها، ماده میان‌کهکشانی و خوشه‌های کهکشانی جهان، فقط حدود 15 درصد جرم جهان را تشکیل می‌دهند و بنابر این ما از ماهیت 85 درصد جرم جهان هیچ چیزی نمی‌دانیم. این جرم ناپیدا و شگفت‌انگیز که اصطلاحاً مادۀ تاریک نامیده می‌شود، هیچ نوری را چه در طیف مرئی و چه در طیف نامرئی، گسیل یا جذب نمی‌کند و ما صرفاً از تأثیرات گرانشی آن به وجود آن پی برده‌ایم.

اخیراً دکتر کامران وفا، فیزیکدان ایرانی معروف دانشگاه هاروارد به کمک دو نفر از همکارانش به نام‌های میگوئل مونترو [1] که هم‌اکنون پژوهشگر مؤسسۀ فیزیک نظری مادرید اسپانیا است و ایرن والنزوئلا [2] که اکنون پژوهشگر بخش نظری آزمایشگاه سرن است، راه حل جالبی را بر مبنای ابعاد بالاتر جهان برای حل معمای مادۀ تاریک پیدا کرده است.

می‌دانیم که بر اساس نظریۀ ریسمان، ابعاد جهان ما به 3 بُعد مکانی طول، عرض و ارتفاع که برای همۀ ما آشناست محدود نیست بلکه جهان ما دارای 6 بُعد مکانی اضافی هم هست. این 6 بُعد مکانی اضافی، برخلاف 3 بُعد آشنای طول، عرض و ارتفاع، بسیار کوچک و به شدت در خود پیچیده هستند به طوری که اندازۀ هر یک از این ابعاد اضافه، یکصد میلیون تریلیون برابر از قطر پروتون هم کوچک‌تر است و به همین دلیل هم این ابعاد اضافی، تا کنون در هیچ آزمایشی حضور خود را مستقیماً به ما نشان نداده‌اند.

اما بر مبنای مدلی که توسط وفا، مونترو و والنزوئلا مطرح شده و اصطلاحاً مدل “بُعد تاریک” نام گرفته است، یکی از این 6 بُعد اضافی می‌تواند بسیار بزرگ‌تر از بقیه باشد و همین نکته است که می‌تواند به حل معمای مادۀ تاریک جهان کمک کند.

وجود ابعاد مکانی اضافی جهان سبب می‌شوند که در لحظات اولیۀ پس از تولد جهان (مِهبانگ)، علاوه بر ذرات متعارفی که می‌شناسیم، ذرات دیگری نظیر گراویتون‌های جرم‌دار هم امکان شکل‌گیری داشته بوده باشند.

احتمالاً می‌دانید که گراویتون‌ها، ذرات حامل نیروی گرانش هستند. این ذرات بر اساس مدل‌های متعارف، ذرات بدون جرم هستند اما همان طور که گفته شد، چنانچه جهان ابعاد فضایی بالاتری هم داشته باشد، امکان تشکیل گراویتون‌های جرم‌داردر جهان نیز وجود دارد که در این صورت می‌توان معمای وجود جرم ناپیدای جهان را به کمک آنها توضیح داد. اما در اینجا نکته‌ای وجود دارد. اگر اندازۀ این ابعاد اضافی جهان، بسیار کوچک باشد، بسامد موج گراویتون‌های جرم‌دار ایجاد شده، فوق‌العاده زیاد می‌شود و در نتیجه، جرم این گراویتون‌ها آن قدر زیاد خواهد بود که به سرعت، به ذرات کم‌جرم‌تر، واپاشی می‌کنند و بنابر این اکنون دیگر نمی‌توانند در جهان ما باقی مانده باشند. اما چنانچه اندازۀ یکی از این ابعاد اضافی جهان، بسیار بزرگ‌تر از بقیه باشد، گراویتون‌های جرم‌دار ایجاد شده در زمان مهبانگ، بسیار سبک‌تر بوده و در نتیجه پس از گذشت نزدیک به 14 میلیارد سال از عمر جهان، همچنان می‌توانند در بُعد اضافی جهان حضور داشته باشند و به این ترتیب می‌توان جرم ناپیدای جهان را به کمک آنها توضیح داد.

نکتۀ جالب مدل “بُعد تاریک” این است که یش‌بینی‌هایی را ارائه می‌دهد که به کمک آنها می‌توان صحت این مدل را به محک آزمون گذاشت. به عنوان مثال، بر اساس این مدل، نحوۀ توزیع جرم در خوشه‌های کهکشانی جهان، اندکی نسبت به مدل متعارف کیهان‌شناسی، متفاوت است که توسط نقشه‌برداری‌های دقیق‌تر آینده از خوشه‌های کهکشانی، قابل تشخیص خواهد بود. گذشته از این، با توجه به اینکه مدل بُعد تاریک، اندازۀ بُعد فضایی اضافی بزرگ‌تر جهان را در حدود چند میکرومتر پیش‌بینی می‌کند، بنابر این بر اساس این مدل، رفتار گرانش در فواصل کوچک‌تر از یک میکرومتر، کمی از رفتار متعارف آن، متفاوت خواهد بود. بر این اساس قاعدتاً به کمک آزمایش‌های دقیق‌تر آینده که برای اندازه‌گیری دقیق رفتار گرانش در فواصل کمتر از یک میکرومتر انجام خواهد شد باید بتوان صحت مدل بُعد تاریک را به محک آزمون گذاشت. بنابر این احتمالاً در آینده‌ای نسبتاً نزدیک بتوان در مورد صحت مدل بُعد تاریک جهان و موفقیت آن در حل معمای مادۀ تاریک، اظهار نظر دقیق‌تری کرد.

پی‌نوشت:

[1] Miguel Montero

[2] Irene Valenzuela

منبع:

In a ‘Dark Dimension,’ Physicists Search for the Universe’s Missing Matter (Quanta Magazine)

مقالۀ تخصصی:

The Dark Dimension and the Swampland