דינמיקה ניוטונית מתוקנת

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

דינמיקה ניוטונית מתוקנת (דינ"ם, (Modified Newtonian Dynamics (MOND) היא תאוריה פיזיקלית בתחום האסטרופיזיקה המנסה למצוא פתרון לבעיית כמות המסה ביקום: על פי תצפיות אסטרונומיות נראה שיש ביקום כמות משמעותית של מסה שכיום אין הוכחות לקיומה. את התאורייה הגה הפרופסור הישראלי מרדכי מילגרום ממכון ויצמן. בשנת 1983 פרופ׳ מילגרום פרסם שלושה מאמרים בנושא אשר מהווים את אבן היסוד של התאוריה שלו: דינ"ם (דינימיקה ניוטונית מתוקנת). תאוריה זו מהווה תאוריה חלופית לתאורית "החומר האפל" (CDM- Cold Dark Matter).[1]

דינ״ם מובילה קו מחשבה חדש בתחום: פרופ׳ מילגרום מציע לבצע תיקון בחוקי ניוטון (בעיקר בחוק השני (ΣF=ma) ובחוק הכבידה האוניברסלי, שהם נחשבים מהחוקים החשובים ביותר שיש בפיזיקה הקלאסית),  על מנת להסביר את התצפיות שהתקבלו ובכך למצוא פתרון לבעיית המסה, שנוצרת בעיקר בשוליים של הגלקסיות.

כיום, דינ"ם מצליחה לנבא את המהירויות שנמדדו בתצפיות בצורה מדויקת יותר מתאוריית החומר האפל. למרות זאת, כיום רק מיעוט קטן בקרב המדענים תומך בדינ״ם כרגע, אך אם מצב זה ישתנה אין ספק כי הדבר יחולל מהפכה מדעית של ממש, ואולי אף יערער את המוסכמות לחוקים נוספים בעולם הפיזיקה בימינו.

תאוריית החומר האפל[עריכת קוד מקור | עריכה]

בתצפיות ומדידות שנערכו לשם בדיקת כמות המסה ביקום נמצאה חוסר התאמה: התחזיות צפו שתהיה ביקום מסה נמוכה בהרבה ממה שהתצפיות מצאו (למשל, המסה שאמורה להיות לצבירי גלקסיות ביקום  גדולה פי 10 ממה שחזתה התאוריה, ובקצות הגלקסיות המצב חמור עוד יותר כאשר המסה הצפויה גדולה פי 100 מהתוצאות שנמדדו).[2] מרבית הפיזיקאים מסבירים פער זה באמצעות קיומו של "חומר אפל" , שלמעשה אין אנו יכולים לראות בעין משום שאין לו אינטראקציה עם אור ולכן כשמו כן הוא, אפל.

לפי תאוריית זו, כמות החומר ביקום מחולקת לשלושה- חומר רגיל, שאנחנו מכירים, שמהווה רק כארבעה אחוזים מכמות החומר הנמצאת ביקום. אותו "חומר אפל", מכיל כ-20 אחוזים מהיקום שלנו. את השאר מעריכים המדענים כי מדובר ב"אנרגיה אפלה", שגם אליה לא קשורה שום הוכחה המאשרת את קיומה והמדענים טוענים לקיומה ולקיום החומר האפל רק על מנת להשלים את פער המסות והאנרגיה בין חוקי הפיזיקה המודרנית לתוצאות המדידות שבוצעו.[3]

אף על פי שזוהי העמדה הרווחת בקרב קהילת המדענים האסטרו-פיזקאים, עדיין ישנו ספק רב בקיום החומר האפל, משום שאין לחומר האפל כאמור הוכחה, מעולם אף אחד לא זיהה אותו במדידות שנעשו.

דינ"ם כחלופה לתאורית החומר האפל[עריכת קוד מקור | עריכה]

היבטים פיזיקליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

על מנת לפתור את פערי המסות בגלקסיות כדי להיפטר מהחומר האפל, התאוריה של מילגרום מציעה תיקונים לשניים מחוקי ניוטון: החוק השני  וחוק הכבידה. התאוריה מציעה לתקן את היחס בין כח לתאוצה בחוק השני של ניוטון במצבים בהם התאוצה של המערכת נמוכה מאוד, למשל תאוצה של גלקסיות. מכיוון שתאוצת הגלקסיות היא מאוד נמוכה, (למשל תאוצת מערכת השמש שהיא אחד אנגסטרם לשנייה בריבוע), תיקון זה אמור לפתור את בעיית פערי המסות, וכך לפתור את שאלת החומר האפל. רעיון זה הוא הרעיון  המרכזי של דינ"ם.

על מנת לשנות את היחס, דינ"ם מגדירה קבוע טבע חדש: קבוע זה הוא "קבוע התאוצה" וסימונו a0. הקבוע אחראי לשינוי היחס בין כח לתאוצה במקרה של תאוצות קטנות מאוד. הכלל הוא כזה: אם תאוצת המערכת היא גדולה מאוד מ-a0, אז החוק השני של ניוטון פועל לפי ניסוחו המקורי. אבל אם תאוצת המערכת קטנה מאותו קבוע, היחס בין כח לתאוצה במערכת משתנה, כך שהכוח עומד ביחס ישר לריבוע התאוצה. כתוצאה מכך, בשביל לקבל תאוצות קטנות נדרש כח קטן יותר מאשר המכניקה הניוטונית, ולפיכך יש צורך בפחות מסה על מנת לקבל את כח הכבידה הרצוי, ולכן אין עוד צורך בחומר האפל.

השימוש ב-a0 נחוץ בעיקר כאשר מדברים על השוליים של גלקסיות. לפי חוקי ניוטון, ככל שהמרחק ממרכז הכוכב עולה, אז גם התאוצה והמהירות שלו קטנות יותר. כתוצאה מכך, התאוצה הופכת לנמוכה יותר מ-a0. הרגע המיוחד בו מתרחש דבר זה תלוי בקבוע a0 של הגלקסיה ובמסה שלה: ככל שהמסה גדולה יותר, כך המקום בו מתחילה לתת דינ"ם את אותותיה רחוק יותר  ברגע זה דינ"ם מתחילה לתת את אותותיה ומנבאת כוחות שונים ומסות שונות מאשר המכניקה הניוטונית.

דינ״ם מציגה תוצאות עקביות יותר מחוקי ניוטון. על פי כללי המכניקה הניוטונית המוכרת, רוב המסה של הגלקסיה צריכה להיות במרכזה, והכוכבים צריכים לנוע במסלולים מעגליים בגודל מהירות קבוע שקטן ככל שרדיוס הסיבוב עולה. למשל, במערכת השמש שלנו: רוב המסה היא בשמש עצמה, וכוכב חמה, הקרוב ביותר לשמש הוא זה שנע במהירות הגבוהה ביותר. השינוי שדינ"ם חוזה הוא שהמהירות צריכה לרדת רק עד שהיא מגיעה לערך קבוע, והיא מנבאת נכון את המתרחש בגלקסיות "חלזוניות", בהן המהירויות מגיעה לערך קבוע מסוים, ובנוסף מנבאת בהצלחה את העקומה "יחס טולי-פישר", שיודעת לנבא מה המהירות הקבועה אותה חוזה דינ"ם- המהירות עומדת ביחס ישר לשורש הרביעי של הארת הגלקסיה.

יחס טולי-פישר הוא מערכת יחסים אמפיריים בין המסה או הבהירות פנימית של גלקסיה ספירלית רוחב הקו המהיר או פליטה הזוויתי שלו. עקום זה פורסם לראשונה בשנת 1977 על ידי האסטרונומים ר ברנט טולי ג'יי ריצ'רד פישר. העקומה מוכיחה את תאוריית דינ"ם, שאומרת שעבור מהירויות נמוכות פועל כוח כבידה חלש יותר (ולכן נחוצה גם פחות מסה)

מקרה נוסף בו דינ"ם חוזה טוב יותר את התצפיות מאשר החומר האפל, הוא בכל הקשור למידת העקמומיות המסלולית של הגלקסיות: הכוונה היא לשינוי בכיוון המהירות.

מאז שהחלו למדוד את גודל המהירות ואת עקמומיות הסיבוב של הגלקסיות על מנת להשוות בין התאוריות השונות, תאוריית דינ"ם היא זו שמסבירה את התצפיות באופן האלגנטי והפשוט ביותר. בהשוואה לתאוריות האחרות, לדינ"ם יש פרמטר אחד שיש להשלים לכל גלקסיה בנפרד, והוא מקדם ההמרה של אור הכוכבים למסה. לעומת זאת, תאוריית החומר האפל זקוקה לשני פרמטרים על מנת להוכיח נתון זה- הכמות של החומר האפל ומסתו.

למרות כל זה, עדיין מרבית המומחים בעולם מתקשים להאמין לתאוריה. דינ"ם עדיין לא נמדדה באופן מוחשי אלא רק הצליחה להסביר את התצפיות שנראו. דינ"ם פועלת בייחוד בשולי גלקסיות, ומשמעות הדבר היא שכרגע לא ניתן לפתח ניסוי שייבדק במעבדה ויוכיח את התאורייה.  מסיבה זאת, מרבית החוקרים רואים  בדינ"ם כחסרת ביסוס מחקרי ולכן לא יכולים לדבוק בה כמו שהם מאמינים בתאוריות הגדולות והמפורסמות  כמו למשל תורת היחסות ותורת הקוונטים.[4]

הוכחות תצפיתיות[עריכת קוד מקור | עריכה]

מאחר שדינ"ם תוכננה במיוחד כדי לייצר עקומות סיבוב שטוחות, אלה אינם מהווים ראיה לתאוריה. אף על פי כן, מגוון רחב של תופעות אסטרופיזיקליות מטופלות בקפידה במסגרת דינ"ם. רבים מאלה יצאו לאור לאחר פרסום המאמרים המקוריים של מילגרום וקשה להסבירם באמצעות תאורית החומר האפל.

דוגמאות מובהקות לכך:

  • דינ"ם מציינת את עקומת הסיבוב המלאה של גלקסיה נתונה רק על פי חלוקת המסה הבאריונית שלה. בפרט, דינ"ם צופה קשר חזק בהרבה בין התכונות של הפצה המונית באריונית ותכונות עקומת הסיבוב מאשרות את ההשערה של החומר האפל (מאחר שחומר אפל שולט בתקציב מסת הגלקסיה ההנחה הרווחת היא לא לעקוב מקרוב אחר חלוקת בריונים) . קשר כזה חזק נצפה בכמה גלקסיות ספירליות, עובדה המכונה "החוק של רנז'ו" " ("Renzo's Rule). מאחר שדינ"ם משנה דינמיקה ניוטונית בצורת האצה תלויה, היא חוזה מערכת יחסים ספציפית בין התאוצה של כוכב בכל רדיוס ממרכז גלקסיה והכמות (של חומר אפל) הסמויה בתוך הרדיוס כפי שניתן להסיק על פי הדינמיקה הניוטונית. תופעה זו ידועה בשם "היחס כמות - תאוצה", והיא כבר נמדדה באמצעות תצפיות. היבט אחד של חיזוי דינ"ם הוא שהמסה של החומר האפל מתאפסת כאשר תאוצה צנטריפוגלית הופכת גדולה יותר מ-a0, שם דינ"ם חוזרת למכניקה של ניוטון. בתאורית החומר האפל, זה אתגר להבין מדוע מסה זו צריכה התאמה כה הדוקה עם התאוצה, ומדוע נראה שיש תאוצה קריטית שמעליה החומר האפל אינו נדרש.
  • דינ"ם וחומר אפל שניהם מייצבים גלקסיות דיסק (Disk Galaxies) ועוזרים להם לשמור על מבנה הסיבוב הנתמך שלהם ומניעת והפיכתם לגלקסיות אליפטיות. בדינ"ם, יציבות זו זמינה רק עבור אזורים של גלקסיות בהם מתקיים הכלל   a<a0, דבר המצביע על כך שספירלות עם a>a0 באזורים המרכזיים שלהם צריכים להיות נוטים לחוסר יציבות ולכן עם פחות סיכוי לשרוד עד עצם היום הזה. עובדה זו עשויה להסביר את "גבול פרימן" לצפיפות מסת המשטח המרכזי של גלקסיות ספירליות, שהוא בערך a0/G . סולם זה חייב להיות מוכנס ידנית למודלים של היווצרות גלקסיות מבוססי החומר האפל.
  • גלקסיות מאסיביות במיוחד נמצאות תחת השפעת המכניקה הניוטונית (a> a0) ברדיוס התוחם את הרוב המכריע של המסה הבאריונית שלהם. ברדיוסים אלה, דינ"ם צופה כי עקומת הסיבוב צריך ליפול בשיעור של 1/r בהתאם לחוקי קפלר. בניגוד לכך, מנקודת מבט של החומר האפל ניתן היה לצפות כי ההילה תגביר את מהירות הסיבוב המשמעותי ותגרום לו לשאוף לערך קבוע, כמו בגלקסיות פחות מסיביות. תצפיות של אליפטיות בעלת מסה גבוהה מאשרות את תחזית הדינ"ם.
  • על פי דינ"ם, כל האובייקטים הם כבולי כבידה עם a<a0  ללא קשר למוצאם. הם צריכים להפגין חוסר התאמה משמעותית כאשר נותחו באמצעות המכניקה של ניוטון, וצריך להתאים ליחס טולי-פישר. תחת תאוריית החומר האפל, חפצים שנוצרו מהחומר הבאריוני ונפלטו במהלך המיזוג או האינטראקציה של שתי גלקסיות ( "גלקסיות ננסיות מוצפות") צפויים להיות נטולי חומר אפל ולכן מראים התאמה חלשה. שלושה אובייקטים המזוהים באופן חד משמעי כ"גלקסיות ננסיות מוצפות" מראים פערים גדולים על פי תחזית הדינ"ם.
  • מחקר שנערך לאחרונה הראה כי רוב הגלקסיות הננסיות הנעות סביב גלקסיות "שביל החלב" ו"אנדרומדה" ממוקמות בשטח מועדף  בקורלציית התנועות. הדבר מצביע על כך כי הן נוצרו במהלך מפגש קרוב עם גלקסיה אחרת ומכאן נהיו "גלקסיות ננסיות מוצפות". אם כן, נוכחות של פערים גדולים במערכות אלו מהווה עדות נוספת עבור דינ"ם. בנוסף, נטען כי כוח כבידה חזק יותר משל ניוטון (כמו של מילגרום) נדרש עבור גלקסיות אלה לשמור על מסלוליהם לאורך זמן.

תגובות[עריכת קוד מקור | עריכה]

ההתנגדות לדינ"ם בקרב המדענים[עריכת קוד מקור | עריכה]

גם פיזיקאים רבים אשר מודים כי תאוריית ניד"ם מספקת תיאור תמציתי ומדויק של מגוון רחב של תופעות גלקטיות, דוחים את הרעיון כי הדינמיקה הקלאסית עצמה דורשת שינוי. במקום זאת הם מנסים להסביר את ההצלחה של החוק בעזרת התייחסויות להתנהגות של חומר אפל. מאמץ מסוים הופנה לכיוון ביסוס הנוכחות של קנה מידה מאפיין של התאוצה כתוצאה טבעית של ההתנהגות של הילות חומר אפלות קרות, אף על פי שמילגרום טען כי טענות מסוג זה מסבירות חלק קטן בלבד מהתופעות של דינ״ם. הצעה אלטרנטיבית היא לשנות את המאפיינים של חומר אפל (למשל, כדי לגרום לאינטרקציה חזקה עם עצמו או עם באריונים) על מנת לגרום לקשר החזק בין המסה הבאריונית ומסת החומר האפל עליו התצפיות מצביעות.

בעיות מרכזיות בדינ״ם[עריכת קוד מקור | עריכה]

הבעיה החמורה ביותר העומדת בפני התאוריה היא שהיא אינה יכולה לבטל לחלוטין את הצורך בחומר אפל בכל מערכות אסטרופיזיקאליות: צבירי גלקסיות מראים חוסר התאמה בסמה גם כאשר נותחו באמצעות דינ״ם. העובדה שצורה כלשהי של מסה בלתי נראת חייבת להתקיים במערכות אלה גורעת מהאלגנטיות של דינ״ם כפתרון לבעיית המסה החסרה, אם כי כמות המסה הנוספת הנדרשת היא 5 פעמים פחות מאשר בניתוח ניוטוני, ואין דרישה שהמסה החסרה תהיה לא באריונית. יש המשערים כי נייטרינו בעלי אנרגיה של  2אלקטרון וולט יכולים להסביר את התצפיות הצבירים של דינ״ם תוך שמירה על ההצלחה של התאוריה בקנה מידה של הגלקסיה.

תצפית משנת 2006 של זוג צבירי גלקסיות מתנגשות המכונות "צביר הקליע", מהווה אתגר משמעותי עבור כל התאוריות המציעות שינוי בכבידה כפתרון לבעיית המסה החסרה, כולל דינ״ם. אסטרונומים מדדו חלוקת מסה כוכבית וגזית בצבירים באמצעות אור נראה ורנטגן, ובנוסף מיפו את הצפיפות המשוערת של החומר האפל באמצעות עידוש כבידתי. על פי חיזוי דינ״ם, ניתן היה לצפות שמרכז המסה החסרה יהיה במסה הגלויה. על פי המודל הסטנדרטי, מצד שני, ניתן היה לצפות שהחומר האפל יתקזז משמעותית מן המסה הנראית מכיוון שהילות שני הצבירים המתנגשים יעברו זה דרך זה, תוך כדי שהגז בצבירים יגיב זה עם זה ובסופו של דבר יסיים במרכז. קיזוז כזה נראה בבירור בתצפיות. הועלתה השערה, עם זאת, שייתכן כי על מודלים מבוססי דינ״ם יוכלו ליצור כזה קיזוז במערכות לא ספירליות-סימטריות באופן משמעותי, כגון צביר הקליע.

מספר מחקרים אחרים ציינו קשיים תצפיתיים עם דינ״ם. לדוגמה, נטען כי יש התאמה דלה של דינ״ם לפרופיל פיזור מהירות של צבירים כדוריים ולפרופיל הטמפרטורה של צבירי גלקסיות,  ערכים שונים של a0 נדרשים להתאמה עם עקומות סיבוב של גלקסיות שונות וכי דינ״ם באופן טבעי לא מתאימה להרכבת הבסיס של התאוריה הקוסמולוגית.

מלבד הבעיות התצפיתיות האלה, דינ״ם וההכללות שלה מלאות בקשיים תאורטיים. מספר תוספות ליחסות הכללית נדרשות כדי ליצור תאוריה עם הגבלה שאינה ניוטונית או יחסותית, שפע של גרסאות שונות של התאוריה מציעות תחזיות שונות במצבים פיזיקליים פשוטים ובכך מקשות על בחינת המסגרת באופן חד משמעי ועל ניסוחים מסוימים (ובראשן אלה המבוססות על אינרציה שונה) אשר סבלו התאמה דלה עם עקרונות פיזיקליים כגון חוקי שימור.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ הערך של MOND בויקיפדיה באנגלית
  2. ^ מגזין מכון ויצמן, יקומים תאומים, הידען, ‏26 בפברואר 2010
  3. ^ אסף שתול-טראונינג, "הנה תפוח שמציית לחוקים קצת אחרים: מרדכי מילגרום מבצע שיפוץ קטן בחוקי ניוטון", הארץ, ‏28 בספטמבר 2010
  4. ^ מרדכי מיליגרום, החומר האפל באור חדש- האמנם חסרים לנו 95% מהיקום?, "תהודה", כרך מספר 25, חוברת 2.