Vật chất tối: Một cuộc cách mạng đến với vật lý?

Vật chất tối là gì? Nó chưa bao giờ được quan sát thấy, tuy nhiên các nhà khoa học ước tính rằng nó chiếm tới 85% vật chất trong vũ trụ. Câu trả lời ngắn gọn là không ai biết vật chất tối là gì. Hơn một thế kỷ trước, Lord Kelvin đã đưa ra lời giải thích về vận tốc của các ngôi sao trong thiên hà của chúng ta. Nhiều thập kỷ sau, nhà thiên văn học người Thụy Điển Knut Lundmark lưu ý rằng vũ trụ phải chứa nhiều vật chất hơn mức chúng ta có thể quan sát được. Các nhà khoa học từ những năm 1960 và 70 đã cố gắng tìm hiểu chất bí ẩn này là gì bằng cách sử dụng công nghệ ngày càng phức tạp. Tuy nhiên, ngày càng nhiều nhà vật lý nghi ngờ rằng câu trả lời có thể là không có cái gì như vật chất tối ở tất cả.

Các Câu lạc bộ

Các nhà khoa học có thể quan sát vật chất ở xa bằng một số cách. Các thiết bị như kính viễn vọng Hubble nổi tiếng đo ánh sáng khả kiến ​​trong khi công nghệ khác, chẳng hạn như kính thiên văn vô tuyến, đo các hiện tượng không nhìn thấy được. Các nhà khoa học thường dành nhiều năm để thu thập dữ liệu và sau đó tiến hành phân tích nó để hiểu rõ nhất những gì họ đang thấy.


Điều trở nên rõ ràng khi ngày càng có nhiều dữ liệu là các thiên hà không hoạt động như mong đợi. Các ngôi sao ở rìa ngoài của một số thiên hà đang chuyển động quá nhanh. Các thiên hà được giữ với nhau bằng lực hấp dẫn, lực mạnh nhất ở trung tâm, nơi tập trung phần lớn khối lượng. Các ngôi sao ở rìa ngoài của các thiên hà dạng đĩa đang chuyển động nhanh đến mức lực hấp dẫn được tạo ra bởi vật chất quan sát được ở đó sẽ không thể ngăn chúng bay ra ngoài không gian sâu.

Các nhà khoa học nghĩ rằng phải có nhiều vật chất hiện diện trong các thiên hà này hơn mức chúng ta có thể quan sát được hiện nay. Một cái gì đó hẳn là đang giữ cho các ngôi sao không bay đi, và họ gọi đó là cái gì đó vật chất tối. Họ thực sự không thể nói nó có thể có những đặc tính gì ngoại trừ việc nó phải có lực hấp dẫn và phải có khá nhiều lực hấp dẫn. Trên thực tế, phần lớn vũ trụ (con số khổng lồ 85%) phải là vật chất tối. Nếu không thì các thiên hà sẽ không thể tồn tại lâu như vậy. Họ có thể đã chia tay vì không có đủ lực hấp dẫn để giữ hàng nghìn tỷ ngôi sao ở nguyên vị trí.

Khi nói đến khoa học, vấn đề với một thứ mà bạn không thể quan sát được là rất khó để nói nhiều về nó. Bởi vì vật chất tối không tương tác với lực điện từ – lực tạo ra ánh sáng khả kiến, sóng vô tuyến và tia X – nên tất cả bằng chứng của chúng ta đều là gián tiếp. Các nhà khoa học đã cố gắng tìm ra cách quan sát vật chất tối và đưa ra dự đoán dựa trên lý thuyết về nó nhưng không có nhiều thành công.

Một giải pháp khả thi

Lý thuyết hấp dẫn của Newton giải thích khá tốt hầu hết các sự kiện quy mô lớn. Mọi thứ từ cú ném đầu tiên trong trận đấu của đội Yankees đến chuyển động của các chòm sao đều có thể được giải thích bằng lý thuyết của Newton. Tuy nhiên, lý thuyết này không phải là hoàn hảo. Ví dụ, lý thuyết tương đối rộng và đặc biệt của Einstein đã giải thích được những dữ liệu mà lý thuyết của Newton không thể giải thích được. Các nhà khoa học vẫn sử dụng lý thuyết Newton vì nó áp dụng được trong phần lớn các trường hợp và có các phương trình đơn giản hơn nhiều.

Vật chất tối được đề xuất như một cách để dung hòa vật lý Newton với dữ liệu. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu thay vì hòa giải, cần phải có một lý thuyết sửa đổi. Đây là nơi nhà vật lý người Israel tên Mordehai Milgrom bước vào. Ông đã phát triển một lý thuyết về lực hấp dẫn (gọi là Động lực học Newton cải tiến hay “mặt trăng” viết tắt) vào năm 1982, cho rằng lực hấp dẫn hoạt động khác đi khi nó trở nên rất yếu, chẳng hạn như ở rìa của các thiên hà dạng đĩa.

Lý thuyết của ông không chỉ đơn giản giải thích hành vi của các thiên hà; Nó dự đoán họ. Vấn đề với các lý thuyết là chúng có thể giải thích được hầu hết mọi thứ. Nếu bạn bước vào một căn phòng và thấy đèn vẫn sáng, bạn có thể phát triển một lý thuyết rằng các tia vũ trụ từ mặt trời đang chiếu vào những tấm gương ẩn theo đúng cách để làm sáng căn phòng. Một giả thuyết khác có thể là ai đó đã bật công tắc đèn. Một cách để phân biệt lý thuyết tốt với lý thuyết xấu là xem lý thuyết nào đưa ra dự đoán tốt hơn.

Phân tích gần đây của Mond cho thấy nó đưa ra những dự đoán tốt hơn đáng kể so với các mô hình vật chất tối tiêu chuẩn. Điều đó có nghĩa là, mặc dù vật chất tối có thể giải thích khá tốt hành vi của các thiên hà, nhưng nó có ít khả năng dự đoán và ít nhất là về mặt này, là một lý thuyết kém hơn.


Chỉ có nhiều dữ liệu và tranh luận hơn mới có thể giải quyết được vấn đề về vật chất tối và Mond. Tuy nhiên, việc Mond được chấp nhận là lời giải thích tốt nhất sẽ phá vỡ sự đồng thuận khoa học hàng thập kỷ và khiến một trong những đặc điểm bí ẩn hơn của vũ trụ trở nên bình thường hơn nhiều. Một lý thuyết đã được sửa đổi có thể không hấp dẫn bằng các thế lực đen tối, vô hình, nhưng nó có thể có lợi thế là mang tính khoa học tốt hơn.