חומר אפל

האסטרונום השווייצי-אמריקאי פריץ צוויקי היה הראשון שדיבר על קיומו של חומר לא-מאיר בכמויות גדולות בצבירי גלקסיות, אך טענתו זו לא התקבלה על דעת האסטרונומים בזמנו. אולם תצפיות נוספות בשנים הבאות הוסיפו והראו כי יש צורך בכמויות הולכות וגדלות של "חומר חסר" להסברת הדינמיקה הנצפית, והדבר הכביד מאוד על אימוץ ההשערה כי חומר רגיל שאינו מאיר הוא שותף לאחריות (לצד החומר הנראה) לתנועות הנצפות.

בשנות ה-80 כבר היה ברור - בראש ובראשונה, הודות לעבודתם של האסטרונומית האמריקאית וירה רובין ועמיתיה - שכמות החומר הכוללת בגלקסיה שלנו ובאחרות גדולה פי 10 מכמות החומר המאיר. הם תיארו את הגלקסיות כאוסף של חומר נראה המשוקע בתוך כדור גדול ממנו בהרבה של חומר בלתי-נראה, שהמסה שלו גדולה הרבה יותר מזו של החומר הנראה. בה בעת באו תצפיות בצבירים ובעל-צבירים של גלקסיות, והראו כי הפער בקנה-המידה הזה גדול עוד יותר מכפי שהוא בגלקסיות עצמן. למעשה, יש המדברים על יחס של מאה לאחת בין החומר הלא-נראה והנראה.

ניסיונות שונים להסביר את הפער באמצעות חומר רגיל (הקרוי "חומר בַּרְיוֹנִי", משום שהוא עשוי בריונים - פרוטונים ונייטרונים) עלו בתוהו: הוא מסוגל אולי לסגור שליש מהפער, אבל לא יותר. מכאן נובעת בבירור מסקנה מדהימה: רוב החומר ביקום - לפחות 90%, ואולי אף 99% - אינו נראה לעינינו; וחלק גדול מאוד ממנו (אולי 70%) שונה מהותית מהחומר שממנו עשויים הכוכבים, כוכבי הלכת ואנו עצמנו!

אבל מה טיבו של חומר זה? הדבר שנוי במחלוקת. הכמות המשוערת של חומר אפל "קר" (חורים שחורים, ענני אבק לא-מאירים וכיו"ב) רחוקה מלהסביר את הדינמיקה של היקום, ומכאן שהיתרה (שמקובל לכנותה חומר אפל "חם") עשויה מחלקיקי יסוד אקזוטיים כלשהם. אחד המועמדים המתבקשים לתפקיד זה היה הנייטרינו האלקטרוני - אילו היתה לו מסה גדולה די הצורך. כמות הנייטרינים האלה ביקום גדולה מאוד, וגם לוּ היתה המסה של כל אחד מהם זערורית, היה סך הכול גדול די הצורך. אבל הפיסיקה גורסת שהנייטרינו כמעט חסר מסה, ועיונים תיאורטיים מלמדים שמסת הנייטרינו האלקטרוני אינה יכולה לעלות על 10 אלקטרון-וולט (מיליונית ממסת האלקטרון). אמנם מסה של 5 א"ו לנייטרינו אלקטרוני, אם תתגלה, אולי תוכל ליישב את בעיית החומר האפל. אלא שמכל הידוע לנו כיום על הנייטרינו, מסתו נופלת מהגודל הדרוש בשיעור של 1:100

גישות אחרות מדברות על חלקיקים אחרים, שטרם נתגלו. הם מציינים כי תורת העל-מיתרים, אחת ההתפתחויות החשובות ביותר בפיסיקת החלקיקים בדור האחרון, מנבאת את קיומם של חלקיקי יסוד מרובים, המכונים "אקזוטיים," ומכאן עולה האפשרות שהחלקיקים הללו אחראים למסה החסרה.

וישנם גם כמה חוקרים הטוענים כי כל בעיית החומר האפל אינה קיימת כלל. אלה מצביעים על קבועי היסוד של הפיסיקה, אותם מספרים בסיסיים המופיעים במשוואות השונות, וטוענים כי אם נראה אותם כמשתנים לאורך זמן, ולא כקבועים בכל מקום ובכל זמן, הבעיה אינה מתעוררת מלכתחילה. היו אף שהציעו את הרעיון שמהירות האור עצמה אינה קבועה לאורך זמן. הדבר רחוק מן הדעת, אבל אם יוכח הרעיון, יהיה בכוחו להוכיח שאין שום צורך בחומר אפל. בעלי הטענה הזאת מציינים כי בעבר קיבלה הפיסיקה כמובן מאליו את החומר המוזר הקרוי אתר, עד שהוכיח איינשטיין שאין שום צורך בו. אף על פי כן, זוהי דעת מיעוט, והזרם המרכזי במחקר אינו מקבל אותה.

תפנית חשובה בפרשת החומר האפל חלה בשנותיה הראשונות של המאה ה-21, לאחר שהתגלה כי התפשטות היקום הולכת ומואצת, אף שהקוסמולוגיה היתה משוכנעת עד אז שהיא הולכת ומואטת מחמת משיכת הכבידה ההדדית בין מרכיביו, או לפחות קבועה. איש לא הציג עדיין הסבר משכנע לתופעה זו, אבל כמה חוקרים סבורים כי מצויה ביקום אנרגיה שטיבה אינו ידוע, והיא פועלת כמין כבידה שלילית. הם מכנים אותה "אנרגיה אפלה", על משקל "חומר אפל", אך איש אינו יודע עליה דבר וחצי דבר. עם זאת, הואיל ואנרגיה שקולה כנגד מסה, כפי שקובעת תורת היחסות הפרטית, אולי אפשר לצפות כי יישובה של שאלת האנרגיה האפלה יישב גם את שאלת החומר האפל.