در دنیایی از ماده غوطه‌وریم. نه تنها احاطه شده‌ایم، بلکه خودمان نیز ماده هستیم! هر آنچه در این جهان پهناور قابل تشخیص است، از سیارات و ستارگان گرفته تا کهکشان‌های دوردست، همگی از ماده ساخته شده‌اند. این مفهوم آنقدر اساسی است که اغلب وجود آن را بدیهی می‌دانیم.

ماده، عنصر سازنده اصلی هر چیزی است: حیات روی زمین، سیاره‌ای که در آن زندگی می‌کنیم، ستارگان درخشان و کهکشان‌های عظیم. به طور کلی، ماده به هر چیزی اطلاق می‌شود که جرم داشته باشد و فضایی را اشغال کند.

اجزای سازنده ماده، "اتم‌ها" و "مولکول‌ها" نام دارند. آن‌ها نیز خود ماده هستند. ماده‌ای که به طور معمول می‌توانیم آن را تشخیص دهیم، "ماده باریونی" نامیده می‌شود. با این حال، نوع دیگری از ماده نیز در جهان وجود دارد که نمی‌توان آن را مستقیماً تشخیص داد، اما تأثیر آن قابل مشاهده است: "ماده تاریک".

ماده معمولی (باریونی): مصالح ساختمانی جهان قابل مشاهده

ماده معمولی یا "ماده باریونی" برای مطالعه بسیار آسان است. این نوع ماده را می‌توان به ذرات زیراتمی به نام لپتون‌ها (مانند الکترون‌ها) و کوارک‌ها (بلوک‌های سازنده پروتون‌ها و نوترون‌ها) تجزیه کرد. این ذرات هستند که اتم‌ها و مولکول‌ها را می‌سازند، که به نوبه خود، اجزای تشکیل‌دهنده همه چیز، از انسان‌ها گرفته تا ستارگان، هستند.

ماده معمولی نورانی است، به این معنی که به صورت الکترومغناطیسی و گرانشی با سایر مواد و تابش‌ها برهم‌کنش دارد. لزوماً مانند درخشش یک ستاره، نور نمی‌تاباند، اما ممکن است تابش‌های دیگری (مانند مادون قرمز) از خود ساطع کند.

پادماده: روی دیگر سکه ماده

یکی دیگر از جنبه‌هایی که هنگام بحث در مورد ماده مطرح می‌شود، چیزی به نام پادماده است. آن را به عنوان معکوس ماده معمولی (یا شاید یک تصویر آینه‌ای از آن) در نظر بگیرید. اغلب می‌شنویم که دانشمندان در مورد واکنش‌های ماده/پادماده به عنوان منابع انرژی صحبت می‌کنند. ایده اساسی پشت پادماده این است که تمام ذرات، یک پادذره دارند که جرم یکسانی دارد اما چرخش و بار الکتریکی مخالف. هنگامی که ماده و پادماده با یکدیگر برخورد می‌کنند، یکدیگر را نابود کرده و انرژی خالصی را به شکل پرتوهای گاما ایجاد می‌کنند. این ایجاد انرژی، اگر بتوان مهارش کرد، مقادیر عظیمی از قدرت را برای هر تمدنی که بتواند نحوه انجام ایمن آن را پیدا کند، فراهم می‌کند.

ماده تاریک: معمای پنهان جهان

برخلاف ماده معمولی، ماده تاریک نانورانی است. یعنی با الکترومغناطیس برهم‌کنش ندارد و به همین دلیل تاریک به نظر می‌رسد (یعنی نور را بازتاب یا از خود ساطع نمی‌کند). ماهیت دقیق ماده تاریک هنوز به خوبی شناخته نشده است، اگرچه اثر آن بر سایر اجرام (مانند کهکشان‌ها) توسط ستاره‌شناسانی مانند دکتر ورا روبین و دیگران مشاهده شده است. با این حال، حضور آن را می‌توان از طریق اثر گرانشی که بر ماده معمولی دارد، تشخیص داد. برای مثال، حضور آن می‌تواند حرکت ستارگان در یک کهکشان را محدود کند.

فرضیه‌های مربوط به ماده تاریک

در حال حاضر، سه احتمال اساسی برای "چیزهایی" که ماده تاریک را تشکیل می‌دهند وجود دارد:

• ماده تاریک سرد (CDM): یک کاندید به نام ذره سنگین با برهم‌کنش ضعیف (WIMP) وجود دارد که می‌تواند پایه و اساس ماده تاریک سرد باشد. با این حال، دانشمندان اطلاعات زیادی در مورد آن ندارند یا اینکه چگونه می‌تواند در اوایل تاریخ جهان شکل گرفته باشد. سایر احتمالات برای ذرات CDM شامل آکسیون‌ها است، اما هرگز شناسایی نشده‌اند. در نهایت، MACHOها (اجرام هاله فشرده عظیم) وجود دارند که می‌توانند جرم اندازه‌گیری شده ماده تاریک را توضیح دهند. این اجرام شامل سیاه‌چاله‌ها، ستاره‌های نوترونی باستانی و اجرام سیاره‌ای هستند که همگی غیرنورانی (یا تقریباً غیرنورانی) هستند اما همچنان مقدار قابل توجهی جرم دارند. این می‌تواند به راحتی ماده تاریک را توضیح دهد، اما یک مشکل وجود دارد. تعداد زیادی از آن‌ها باید وجود داشته باشد (بیش از آنچه با توجه به سن معین کهکشان‌ها انتظار می‌رود) و توزیع آن‌ها باید به طرز باورنکردنی در سراسر جهان پراکنده باشد تا ماده تاریکی را که ستاره‌شناسان در "آنجا" پیدا کرده‌اند، توضیح دهد. بنابراین، ماده تاریک سرد همچنان یک "کار در حال انجام" است.
• ماده تاریک گرم (WDM): تصور می‌شود که از نوترینوهای استریل تشکیل شده باشد. این‌ها ذراتی هستند که شبیه به نوترینوهای معمولی هستند، با این تفاوت که بسیار پرجرم‌تر هستند و از طریق نیروی ضعیف برهم‌کنش ندارند. کاندیدای دیگر برای WDM، گراویتینو است. این یک ذره نظری است که در صورت دستیابی به نظریه ابرگرانش - ترکیبی از نسبیت عام و ابرتقارن - وجود خواهد داشت. WDM نیز یک کاندیدای جذاب برای توضیح ماده تاریک است، اما وجود نوترینوهای استریل یا گراویتینوها در بهترین حالت گمانه‌زنی است.
• ماده تاریک داغ (HDM): ذراتی که به عنوان ماده تاریک داغ در نظر گرفته می‌شوند، در حال حاضر وجود دارند. به آن‌ها "نوترینوها" می‌گویند. آن‌ها تقریباً با سرعت نور حرکت می‌کنند و به گونه‌ای "توده‌ای" نمی‌شوند که ما پیش‌بینی می‌کنیم ماده تاریک این‌گونه باشد. همچنین با توجه به اینکه نوترینو تقریباً بدون جرم است، مقدار باورنکردنی از آن‌ها برای تشکیل مقدار ماده تاریک شناخته شده لازم است. یک توضیح این است که یک نوع یا طعم نوترینو هنوز کشف نشده وجود دارد که شبیه به نوترینوهای شناخته شده است. با این حال، جرم بسیار بیشتری خواهد داشت (و از این رو سرعت کمتری دارد). اما این احتمالاً بیشتر شبیه به ماده تاریک گرم خواهد بود.

ارتباط شگفت‌انگیز ماده و تابش

ماده در این جهان بی‌تأثیر نیست و ارتباط جالبی بین تابش و ماده وجود دارد. این ارتباط تا اوایل قرن بیستم به خوبی درک نشده بود. در آن زمان بود که آلبرت اینشتین شروع به تفکر در مورد ارتباط بین ماده، انرژی و تابش کرد.

او به این نتیجه رسید: بر اساس نظریه نسبیت او، جرم و انرژی معادل هستند. اگر تابش کافی (نور) با فوتون‌های دیگر (نامی دیگر برای "ذرات" نور) با انرژی به اندازه کافی بالا برخورد کند، جرم می‌تواند ایجاد شود. این فرآیندی است که دانشمندان در آزمایشگاه‌های غول‌پیکر با شتاب‌دهنده‌های ذرات مطالعه می‌کنند. کار آن‌ها عمیقاً در قلب ماده کاوش می‌کند و به دنبال کوچکترین ذراتی است که وجودشان شناخته شده است.

بنابراین، در حالی که تابش به طور صریح به عنوان ماده در نظر گرفته نمی‌شود (جرم ندارد یا حجمی را اشغال نمی‌کند، حداقل نه به روشی کاملاً تعریف شده)، اما به ماده متصل است. این به این دلیل است که تابش ماده را ایجاد می‌کند و ماده تابش را ایجاد می‌کند (مانند زمانی که ماده و پادماده با هم برخورد می‌کنند).

انرژی تاریک: معمای بزرگتر کیهان

با یک قدم فراتر رفتن از ارتباط ماده و تابش، نظریه‌پردازان پیشنهاد می‌کنند که تابش مرموزی در جهان ما وجود دارد. آن را انرژی تاریک می‌نامند. ماهیت آن اصلاً درک نشده است. شاید وقتی ماده تاریک درک شود، بتوانیم ماهیت انرژی تاریک را نیز درک کنیم.