فیزتک

هنگام اندازه گیری دقیق سرعت چرخش کهکشانها، ستاره شناسان تصادفا ً با یک معمای کیهانی عظیم مواجه شدند: تعیین گرانش ِ (جاذبه ی) کهشکان. آنها توانستند با محاسبه ی جرم تمام ستارگان مرئی و گاز موجود در کهکشان، چرخشی را که باید داشته باشد تخمین بزنند و از آنجا گرانش آن را تعیین کنند. علت اصلی تعجب زیادشان این بود که اندازه گیریها نشان داد که اکثر کهکشانها سریعتر از آنچه باید بچرخند، می چرخند. نه کمی سریعتر. خیلی سریعتر! بیشتر از دو برابر سریعتر. این یعنی اینکه، مطابق نظریه ی گرانش اینشتین، این کهکشانها بایستی تکه تکه به سویی پرتاب شوند. درحالیکه بوضوح می بینیم که اینطور نیست.پاسخ چه می تواند باشد؟ آیا ممکن است که اغلب کهکشانها بوسیله ی مقداری ماده ی «تاریک» احاطه شده باشند که با تلسکوپهای رادیویی، مادون قرمز، مرئی، ماورای بنفش، اشعه ی ایکس، یا اشعه ی گاما قابل مشاهده نباشد؟ آیا نظریه ی گرانش اینشتین، که تا کنون در تمامی موارد صحت آن به اثبات رسیده است، می تواند در بعضی موارد اشتباه باشد؟تلسکوپهای اشعه ی ایکس ابرهای وسیعی از گاز با چند میلیون درجه دما در خوشه های کهکشانها کشف کرده اند. این ابرهای داغ گازی جرم خوشه را افزایش می دهند، اما این افزایش برای حل معمای کیهان کافی نیست. در حقیقت آنها یک روش مستقل اندازه گیری ِ ماده ی تاریک بدست آورده اند. اندازه گیری نشان می دهد که بایستی جرم تمام ستارگان و گازی که مشاهده می شوند حداقل چهار برابر مقدار جرم ماده ی تاریک باشد، در غیر اینصورت گاز داغ، خوشه را ترک می کند.Dark Matter Mysteryby Chandra X-Ray Observatory Center and ScienceIQ.comHot Gas CloudsImage Credit: Image Courtesy ROSATWhile carefully measuring the speed of rotation of galaxies, astronomers stumbled upon a profound cosmic mystery. Determining the gravity of the galaxy. They could estimate what the rotation speed should be by calculating the mass of all the visible stars and gas, thereby determining the gravity of the galaxy. Much to their surprise, the measurements showed that most galaxies are rotating faster than they should. Not a little faster. Much faster! More than twice as fast. This meant that, according to Einstein's theory of gravity, these galaxies should be flying apart. Yet clearly, they are not. What can the answer be? Is it possible that most galaxies are surrounded by some 'dark' form of matter that cannot be observed by radio, infrared, optical, ultraviolet, X-ray, or gamma-ray telescopes? Could Einstein's theory of gravity, which has proved to be correct in all cases so far, be somehow wrong? X-ray telescopes have discovered vast clouds of multimillion degree gas in clusters of galaxies. These hot gas clouds increase the mass of the cluster, but not enough to solve the mystery. In fact they provide an independent measurement of dark matter. The measurement shows that there must be at least four times as much dark matter as all the stars and gas we observe, or the hot gas would escape the cluster.

از آنجا که اینشتین فکر می کرد جهان ساکن است، حدس زد که حتی خالی ترین فضای ممکن، تهی از ماده و تابش، بایستی هنوز یک انرژی تاریک داشته باشد، که آنرا « ثابت [نظام مند] (وابسته به فلسفه انتظام گیتی) » نامید. زمانیکه ادوین هابل انبساط جهان را کشف کرد، اینشتین این را بزرگترین اشتباه او خواند و نظرش را رد کرد. همین که ریچارد فاینمن و دیگران نظریة کوانتومی ماده را توسعه دادند، پی بردند ‹ فضای تهی › پُر است از ذرات موقتی (‹مجازی›) که مرتباً در حال شکل دهی و نابود سازی خویش اند. فیزیکدانان به مرور گمان کردند که حقیقتاً بایستی خلاء شکل تاریکی از انرژی را داشته باشد، ولی نتوانستند اندازه اش را پیش بینی کنند.بواسطة اندازه گیریهای اخیر انبساط جهان، ستاره شناسان کشف کردند که « اشتباهِ » اینشتین یک اشتباه نبود: به راستی شکلی از انرژی تاریک ظاهر میشود که بر کل محتوای جرم-انرژی جهان تسلط دارد، و گرانش دافع خارق العاده اش در حال جدا ساختن جهان است. ما هنوز نمی دانیم که چرا یا چگونه انبساط با شتاب زیاد در جهان پیشین ( تورم ) و انبساط شتابدار کنونی ( بواسطة انرژی تاریک ) به یکدیگر مربوط ند.یک مأموریت ماوراء اینشتین انبساط را با دقت کافی اندازه گیری خواهد کرد تا بفهمیم که آیا این انرژی یک خاصیت ثابت فضای خالی است ( همانگونه که اینشتین حدس زد )، یا آیا این علائمی از ساختار قویتری را نشان می دهد که در نظریات متحد شدة مدرنِ نیروهای طبیعی امکان پذیر است.What is Dark Energy?by NASA Goddard Space Flight Center and ScienceIQ.comImage Courtesy Beyond EinsteinBecause he originally thought the Universe was static, Einstein conjectured that even the emptiest possible space, devoid of matter and radiation, might still have a dark energy, which he called a 'Cosmological Constant.' When Edwin Hubble discovered the expansion of the Universe, Einstein rejected his own idea, calling it his greatest blunder. As Richard Feynman and others developed the quantum theory of matter, they realized that 'empty space' was full of temporary ('virtual') particles continually forming and destroying themselves. Physicists began to suspect that indeed the vacuum ought to have a dark form of energy, but they could not predict its magnitude. Through recent measurements of the expansion of the Universe, astronomers have discovered that Einstein's 'blunder' was not a blunder: some form of dark energy does indeed appear to dominate the total mass-energy content of the Universe, and its weird repulsive gravity is pulling the Universe apart. We still do not know whether or how the highly accelerated expansion in the early Universe (inflation) and the current accelerated expansion (due to dark energy) are related.  A Beyond Einstein mission will measure the expansion accurately enough to learn whether this energy is a constant property of empty space (as Einstein conjectured), or whether it shows signs of the richer structure that is possible in modern unified theories of the forces of nature.

هوا یک گاز است، و گازها را می توان با ملاحظۀ فعالیت کوچک مقیاس مولکولهای منفرد یا با نظر به فعالیت بزرگ مقیاس گاز به عنوان یک کل مورد مطالعه قرار داد. ما می توانیم فعالیت گاز را به طور مستقیم اندازه گیری کرده یا احساس کنیم. اما برای مطالعۀ فعالیت مولکولها، بایستی از یک مدل نظری استفاده کنیم. این مدل، که نظریۀ جنبشی گازها نامیده می شود، فرض می گیرد که اندازۀ مولکولها نسبت به فاصلۀ آنها خیلی کوچک است. مولکولها در سکون، حرکت تصادفی ( اتفاقی ) و غالبا در حال برخورد با یکدیگر و با دیواره های ظرفشان هستند.مولکولهای منفرد خصوصیات فیزیکی استاندارد جرم، تکانه، و انرژی را دارا هستند. چگالی یک گاز عبارتست از نسبت مجموع جرم مولکولها به حجمی که گاز اشغال می کند. فشار یک گاز اندازۀ تکانۀ خطی مولکولهاست. همانطور که مولکولهای گاز با دیوارۀ ظرف برخورد می کنند، تکانۀ خود را به دیواره ها انتقال می دهند، و این نیرویی را ایجاد می کند که قابل اندازه گیری است. حاصل تقسیم نیرو بر مساحت به عنوان فشار تعریف می شود. دمای یک گاز معیاری از انرژی جنبشی متوسط گاز است. مولکولها در حرکت اتفاقی دائمی هستند، و انرژیی ( جرم × مربع سرعت ) وجود دارد که با آن حرکت معادل است. هر چه دما بالاتر، حرکت ( جنبش ) بیشتر.در یک جامد، محل مولکولها نسبت به یکدیگر ثابت می ماند. ولی در یک گاز، مولکولها می توانند به اطراف حرکت کنند و به طرق مختلف بر یکدیگر و بر محیط اطرافشان تأثیر متقابل بگذارند. همانطور که در بالا ذکر شد، همیشه یک جزء اتفاقی حرکت مولکولی وجود دارد. همه ی سیالات می توانند طوری حرکت کنند ( جاری شوند ) که انگار در یک حرکت اجباری ( جریان ) قرار دارند. این حرکت اجباری به حرکت تصادفی طبیعی مولکولها اضافه می شود. در مقیاس مولکولی هیچگونه فرقی بین جزء تصادفی یا جزء اجباری وجود ندارد. در یک لولۀ پیتوت، فشار حاصل از جزء تصادفی را به مانند فشار ساکن اندازه گیری می کنیم، و این فشار ( فشار تصادفی ) را با جزء اجباری جمع کرده و فشار کل را می یابیم.Kinetic Theory of Gasesby NASA Glenn Research Center and ScienceIQ.comImage Credit: Image Courtesy NISTAir is a gas, and gases can be studied by considering the small scale action of individual molecules or by considering the large scale action of the gas as a whole. We can directly measure, or sense, the action of the gas. But to study the action of the molecules, we must use a theoretical model. The model, called the kinetic theory of gases, assumes that the molecules are very small relative to the distance between molecules. The molecules are in constant, random motion and frequently collide with each other and with the walls of any container. The individual molecules possess the standard physical properties of mass, momentum, and energy. The density of a gas is simply the sum of the mass of the molecules divided by the volume which the gas occupies. The pressure of a gas is a measure of the linear momentum of the molecules. As the gas molecules collide with the walls of a container, the molecules impart momentum to the walls, producing a force that can be measured. The force divided by the area is defined to be the pressure. The temperature of a gas is a measure of the mean kinetic energy of the gas. The molecules are in constant random motion, and there is an energy (mass x square of the velocity) associated with that motion. The higher the temperature, the greater the motion. In a solid, the location of the molecules relative to each other remains almost constant. But in a gas, the molecules can move around and interact with each other and with their surroundings in different ways. As mentioned above, there is always a random component of molecular motion. The entire fluid can be made to move as well in an ordered motion (flow). The ordered motion is superimposed, or added to, the normal random motion of the molecules. At the molecular level, there is no distinction between the random component and the ordered component. In a pitot tube, we measure pressure produced by the random component as the static pressure, and the pressure produced by the random plus the ordered component as the total pressure.