Fysiker söker universum efter bevis på att en grundläggande naturkraft är otäck

Pin
Send
Share
Send

Bara fyra nummer understödjer fysikens lagar. Därför har forskare i årtionden letat efter eventuella avvikelser i dessa så kallade grundläggande konstanter. Att hitta en sådan variation skulle gunga själva grunden för modern vetenskap.

För att inte tala, det skulle garantera åtminstone en lycklig forskare en gratis resa till Stockholm, en glänsande ny guldmedalj och en miljon dollar.

Nyligen vände sig ett par astronomer till en av de äldsta stjärnorna i universum för att testa konstansen hos en av superstjärnorna i de fyra grundläggande krafterna i naturen - gravitation. De såg tillbaka i tiden under de senaste miljarder åren för eventuella inkonsekvenser.

Inte för att ge bort hela historien, men inga nobelpriser kommer att delas ut ännu.

G-mannen

Vi tar Newtons gravitationskonstant (betecknas helt enkelt med "G") för givet, förmodligen för att tyngdkraften är ganska förutsägbar. Vi kallar det Newtons gravitationskonstant eftersom Newton var den första personen som verkligen behövde det för att beskriva hans berömda rörelser. Genom att använda sin nyligen uppfunna kalkyl kunde han utvidga sina rörelselagar för att förklara beteendet hos allt från äpplen som faller från ett träd till banorna i planeterna runt solen. Men ingenting i hans matte berättade för honom hur stark tyngdkraft borde vara - som måste mätas experimentellt och halkas in för att få lagarna att fungera.

Och det har i princip varit så i århundraden - att mäta G på egen hand och ansluta det till ekvationerna när det behövs. Numera har vi en mer sofistikerad förståelse av tyngdkraften tack vare Einsteins teori om allmän relativitet, som beskriver hur tyngdkraften uppstår genom snedvridningen av rymdtidens själva. Och en av hörnstenarna i relativitet är att fysiska lagar ska förbli desamma i alla referensramar.

Detta innebär att om en iakttagare i en viss referensram - säg någon som står på jordytan eller flyter ut i mitten av rymden - mäter en viss tyngdkraft (Newtons G), bör samma värde gälla lika allt genom utrymme och tid. Det är helt enkelt bakat i matematiken och grundläggande arbetsantaganden från Einsteins teori.

Å andra sidan vet vi att allmän relativitet är en ofullständig tyngdkraftteori. Det gäller inte kvantvärlden - till exempel de itty-bitty partiklarna som utgör en elektron eller en proton - och sökningen är på väg att hitta en sann kvantteori om tyngdkraft. En av dessa kandidater för en sådan teori kallas strängteori, och i strängteori finns det inget sådant som siffror som bara behöver kastas in.

I strängteori måste allt vi vet om naturen, från antalet partiklar och krafter till alla deras egenskaper, inklusive gravitationskonstanten, uppstå naturligt och elegant från matematiken själv. Om detta är sant, är inte Newtons gravitationskonstant bara ett slumpmässigt antal - det är en utväxt av en komplicerad process som fungerar på den subatomära nivån, och den behöver inte vara konstant alls. Och så i strängteori, när universum växer och förändras, kanske naturens grundläggande konstanter bara förändras tillsammans med den.

Allt detta väcker frågan: Är Newtons konstant verkligen konstant? Einstein ger ett fast och tydligt ja, och strängteoretikerna ger ett tydligt och tydligt kanske.

Det är dags att göra några tester.

Einstein på rättegång

Under de senaste åren har forskare utvecklat mycket känsliga experiment med tyngdkraften på jorden och i vår närliggande närhet. Dessa experiment ger några av de tätaste begränsningarna för variationer i G, men bara under de senaste åren. Det kan vara så att Newtons konstant varierar otroligt långsamt, och vi har bara inte letat nog nog länge.

I den andra änden av spektrumet, om du apar runt med de grundläggande konstanterna i naturen, kommer du att börja krossa fysiken i det tidiga universum, som är synligt för oss i form av det som kallas den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Detta är efterglödljusmönstret från då universum bara var några hundra tusen år gammalt. Detaljerade observationer av det bakgrundsbelysningen placerar också begränsningar på gravitationskonstanten, men dessa begränsningar är mycket mindre exakta än de som hittas från tester vi kan göra i vår egen trädgård.

Nyligen har astronomer samlat ett test av variationer i G som slår ett bra mellangrund mellan dessa två ytterligheter, som de beskriver online i förtryckstidsskriftet arXiv. Det är ett relativt hög precisionstest; inte så exakta som jordbaserade, men långt bättre än de kosmiska, och det har också fördelen att bokstavligen sträcker sig över miljarder år.

Det visar sig att vi kan leta efter förändringar i Newtons gravitationskonstant genom att titta på slingrandet av en av de äldsta stjärnorna i universum.

Det är i vridningen

Kepler rymdteleskopet är känt för att jaga efter exoplaneter, men i allmänhet är det bara riktigt bra att stirra på stjärnor under långa perioder och letar efter även den minsta variationen. Och några av dessa variationer kommer bara från det faktum att stjärnor, väl, varierar i ljusstyrka. Faktum är att stjärnor pulsar och ryster från ljudvågor som kraschar runt inuti dem, precis som jordbävningar - båda är gjorda av material (en superhot och tät plasma för solen) som kan vibrera.

Dessa jordbävningar och kvävar på ytan av stjärnan påverkar dess ljusstyrka och berättar om den inre strukturen. En stjärnas interiör beror på dess massa och ålder. När stjärnor utvecklas förändras både kärnans storlek och dynamiken i alla dess inre lager; dessa förändringar påverkar vad som händer på ytan.

Och om du börjar röra dig med naturens konstanter, som Newtons G, förändras det hur stjärnor utvecklas under deras livstid. Om Newtons konstant verkligen är konstant, bör stjärnor långsamt öka i ljusstyrka och temperatur över tid, eftersom de bränner väte i sina kärnor, efterlämnar de en inert heliumklump. Denna helium kommer i vägen för fusionsprocessen, minskar dess effektivitet och tvingar stjärnor att bränna i en snabbare takt för att upprätthålla jämvikt, blir varmare och ljusare i processen.

Om Newtons konstant sakta minskar med tiden kommer denna process med ljusning och uppvärmning att fungera på mycket snabbare tidsskalor. Men om Newtons konstant uppför sig på motsatt sätt och stadigt ökar med tiden, kommer stjärnorna faktiskt att doppa i temperaturen ett tag, håll sedan den temperaturen fast medan den rasar upp i ljusstyrka när de åldras.

Men dessa förändringar syns verkligen bara under mycket långa tidsperioder, så vi kan inte riktigt se på vår egen sol - som är ungefär 4,5 miljarder år gammal - som ett bra exempel. Stora stjärnor har inte långa livslängder, och de har också otroligt komplicerade inredningar som är svåra att modellera.

In kommer KIC 7970740 till undsättning, en stjärna bara tre fjärdedelar av vår solmassa som har bränt i minst 11 miljarder år. Ett perfekt laboratorium.

Efter att ha stirrat på denna stjärna tog astronomer många års Kepler-data och jämförde dem med olika modeller av stjärnens utveckling, inklusive de med variationer i Newtons G. Sedan band de dessa modeller till iakttagelser av seismologin - vinglarna - på ytan. Baserat på deras observationer är Newtons konstant verkligen konstant, åtminstone så långt de kan veta, utan förändringar upptäckta på nivån av 2 delar i en biljon (som att veta avståndet mellan Los Angeles och New York City till bredden av en enda bakterie) under de senaste 11 miljarder åren.

Var kommer Newtons konstant ifrån och hur förblir den så konstant? Vi har inget svar på den frågan, och så långt vi kan säga, kommer Newton inte någonstans när som helst snart.

  • De 18 största olösta mysterierna i fysik
  • 11 fascinerande fakta om vår mjölkväg Galaxy
  • Ett nummer visar att något är fundamentalt fel med vårt universum

Paul M. Sutter är en astrofysiker på Ohio State University, värd av Fråga en Spaceman och Space Radio, och författare till Din plats i universum.

Pin
Send
Share
Send