משנים את החוקים:
תיקונים לפיזיקה של ניוטון

בשנת 1933 מדד האסטרונום השווייצרי פריץ צוויקי (Zwicky) את מהירות התנועה של גופים מאירים בצבירי גלקסיות, וגילה חוסר התאמה בין הצפוי לפי חוקי הפיזיקה ובין התצפית בפועל. תצפית זו הובילה להשערה על אודות קיומו של חומר אפל – חומר הנמצא ברחבי היקום, אבל אי-אפשר לראות אותו מכיוון שאינו פולט או בולע קרינה אלקטרומגנטית. כיום, כעבור כמה עשרות שנים של תצפיות ושכלול של התיאוריה, שורר בקהילה המדעית קונסנזוס שלפיו חומר אפל ואנרגיה אפלה הם כ-95 אחוזים מסך החומר ביקום, והחומר האפל לבדו הוא פי חמישה לערך מכמות החומר הרגיל שאנו מכירים ורואים. אך יש גם פיזיקאים שהציעו השערות אחרות, המסבירות את התצפיות האלה בלי להניח שקיים חומר מסתורי שאי-אפשר לראות אותו. בכתבה זו נדון בהשערה הבולטת שבהן, מודל הנקרא דינמיקה ניוטונית מתוקנת (MOND ,Modified Newtonian Dynamics).

תצפיותיו הובילו להשערה על אודות קיומו של חומר אפל. פריץ צוויקי | מקור: Science Photo Library

חישובים סותרים

העדויות הראשונות והחזקות ביותר לקיומו של חומר אפל הגיעו מהערכות-חסר של המסה של גופים שמימיים. כיצד בכלל אפשר להעריך את כמות המסה בגוף שמימי? נניח שאנחנו צופים בשמיים דרך טלסקופ, ומתבוננים בצביר של גלקסיות. אם הטלסקופ שלנו טוב מספיק, נוכל לראות נקודות זוהרות רבות: גלקסיות וכוכבים זוהרים בצביר. על פי הגודל והצבע של הנקודות, נוכל להגיע לאומדן קרוב של המסה של הגופים שהן מייצגות. דרך אחרת לאמוד את המסה של גופים היא למדוד את מהירות התנועה ואת התאוצה שלהם, ובעזרת חוקי הפיזיקה להסיק מהי המסה המתאימה לתנועה במהירות ותאוצה אלו. צוויקי ביצע את ההשוואה הזאת בצביר הגלקסיות קומה (Coma), וראה כי שתי התוצאות אינן תואמות! 

כשלושים שנה לאחר מכן, האסטרופיזיקאית האמריקאית ורה רובין (Rubin) בחנה את מהירות הסיבוב של כוכבים סביב מרכזי הגלקסיות שאליהן הם שייכים. המסה הנמצאת במרכז הגלקסיה מושכת את הכוכבים שברחבי הגלקסיה ומאיצה את תנועתם. לפי חוקי ניוטון, נצפה למצוא כי ככל שכוכב נמצא רחוק יותר ממרכז הגלקסיה, כך מהירות הסיבוב שלו תהיה נמוכה יותר. רובין בחנה את התוצאות הללו, הנקראות גם עקומות סיבוב, וגילתה שמהירות הסיבוב נשארת קבועה גם במרחקים גדולים ממרכז הגלקסיה. 

שני המחקרים הללו הובילו את החוקרים למסקנה שחייבת להיות מסה חסרה, ובמשך שנים רבות סיפקו את הראיות החזקות ביותר לקיומו של חומר אפל.

חוקי ניוטון אינם יכולים להסביר את הממצאים של ורה רובין ופריץ צוויקי ונדרש הסבר אחר. משוואות המכניקה הקלאסית | Lia Koltyrina, Shutterstock

האם הפתרון נמצא בתאוצות הנמוכות?

הגרסה הראשונה של השערת MOND פורסמה בשנת 1983 על ידי מרדכי מילגרום ממכון ויצמן למדע. מילגרום שיער שאם נשנה את חוקי ניוטון כך שיתארו בצורה שונה את ההתנהגות של חומר בתאוצות נמוכות, נוכל להסביר את הממצאים של צוויקי ורובין ללא חומר אפל. עם זאת, אנחנו יודעים שחוקי ניוטון מספקים תחזיות מצוינות במרבית המקרים, ולכן התיקונים ש-MOND מציעה חייבים לשמור על דיוקם של חוקי ניוטון במקרים אלו. מסיבה זו, MOND מנוסחת כך שבתאוצות בסדרי הגודל שאנו נתקלים בהן בחיי היומיום, חישובים לפי MOND יניבו בדיוק אותן תוצאות כמו המכניקה הקלאסית שפיתח ניוטון. לעומת זאת, בתאוצות נמוכות יותר, כמו שנמדוד בתנועה של גופים שמימיים בגלקסיות ובצבירי גלקסיות, התוצאות שונות מאוד – אף שהפרטים שונים בין גרסאות שונות של ההשערה. מתברר שמלבד המסה החסרה כביכול בצבירי גלקסיות ומהירויות סיבוב גבוהות מהצפוי, MOND יכולה להסביר תצפיות רבות נוספות שהצטברו לאורך השנים ואשר נחשבו לראיות לקיומו של חומר אפל.

תצפית מ-2006 ממחישה את חולשתו של מודל MOND. צביר הקליע | מקור: NASA Collection, Science Photo Library

קליע קטלני

אף על פי כן, MOND איננו מודל המקובל בקהילה הפיזיקלית כיום, מכמה סיבות. ראשית, MOND איננה תיאוריה יחסותית, כלומר היא איננה מתאימה לתורת היחסות הפרטית והכללית. נוסף על כך, MOND נוסחה כדי להתאים לתחזיות מסוימות, אבל אין לנו דרך להסביר מדוע דווקא MOND היא התיקון המתאים ולא השערה אפשרית אחרת: מהם העקרונות הפיזיקליים העמוקים שמהם נגזרת MOND? במובן מסוים, שתי הבעיות קשורות זו לזו, וכיום ישנן הצעות רבות לניסוח MOND על סמך עקרונות פיזיקליים מקובלים ובהתאם לתורת היחסות.

ולבסוף, MOND אינה מסבירה את כל התצפיות הנחשבות לראיות לקיומו של חומר אפל. חומר אפל עשוי להסביר בצורה טובה את הדפוסים הקיימים בקרינת הרקע הקוסמית, בעוד שקשה מאוד להסביר את התופעה הזאת באמצעות MOND. כמו כן, נראה ש-MOND אינה מצליחה להסביר את כל המסה החסרה בצבירי גלקסיות, והדוגמה המובהקת לכך היא תצפית משנת 2006 על צביר הקליע (Bullet Cluster). לצביר הקליע צורה ייחודית ומשונה, וניתוח שלו מראה שמרבית המסה נמצאת במקום שבו אין כלל חומר רגיל. MOND אינה מסוגלת להסביר את התצפית הזאת. פיזיקאים רבים גורסים שאם MOND אינה מצליחה לייתר את הצורך בחומר אפל, אבל חומר אפל יכול לייתר את MOND, אז לא בטוח ש-MOND היא השערה מועילה.

לסיכום, MOND היא השערה המוסיפה לחוקי ניוטון תיקון שמאפשר להסביר תופעות אסטרופיזיקליות חריגות בלי צורך בחומר אפל. ל-MOND יש הצלחות רבות בתיאור תופעות שמימיות ללא חומר אפל כלל, והצלחה חלקית בלבד בהסבר של תופעות אחרות. מסיבות אלו, MOND איננה נמצאת כיום בלב הקונסנזוס המדעי, ואיננה התיאוריה המקובלת על קהילת הפיזיקאים. למרות זאת, המחקר על MOND נמשך, ומדי שנה מתפרסמים מחקרים המראים כי גרסאות שונות של MOND מצליחות להסביר תצפיות חריגות שמודלים אחרים אינם מסוגלים להסבירם.