Samo četiri broja podupiru zakone fizike. Zato su znanstvenici desetljećima tražili bilo kakve razlike u tim takozvanim temeljnim konstantama. Pronalaženje takve varijacije ukočilo bi same temelje moderne znanosti.
A da i ne spominjemo, to bi barem jednom sretnom istraživaču jamčilo besplatno putovanje u Stockholm, sjajnu novu zlatnu medalju i milijun dolara.
Nedavno se par astronoma okrenuo jednoj od najstarijih zvijezda u svemiru kako bi testirao postojanost jednog od superzvijezda četiriju osnovnih sila prirode - gravitacije. Osvrnuli su se tijekom posljednjih nekoliko milijardi godina na bilo kakve nedosljednosti.
Da ne odaju cijelu priču, ali još uvijek se neće dodjeljivati Nobelove nagrade.
Čovjek G
Uzimamo Newtonovu gravitacijsku konstantu (označenu jednostavno s "G") zdravo za gotovo, vjerojatno zato što je gravitacija prilično predvidljiva. Mi ga nazivamo Newtonovom gravitacijskom konstantom jer je Newton prva osoba kojoj je to zaista trebalo da pomogne u opisivanju njegovih poznatih zakona kretanja. Koristeći svoje novo izmišljene račune, bio je u mogućnosti proširiti svoje zakone kretanja kako bi objasnio ponašanje svega, od jabuka koje padaju s drveta do orbite planeta oko sunca. Ali ništa mu iz matematike nije govorilo koliko treba biti jaka gravitacija - to je trebalo eksperimentalno izmjeriti i skinuti kako bi zakoni uspjeli.
I u osnovi je to bilo stoljećima - mjeriti G samostalno i uključivati ga u jednadžbe po potrebi. Danas imamo sofisticiranije razumijevanje gravitacije, zahvaljujući Einsteinovoj teoriji opće relativnosti, koja opisuje kako gravitacija proizlazi iz izobličenja samog prostora-vremena. A jedan od temelja relativnosti je da fizički zakoni trebaju ostati isti u svim referentnim okvirima.
To znači da ako jedan promatrač u određenom referentnom okviru - recimo, netko tko stoji na površini Zemlje ili lebdi usred svemira - mjeri određenu snagu gravitacije (Newtonov G), tada bi se ta ista vrijednost trebala primjenjivati jednako sve kroz prostor i vrijeme. Jednostavno je uklopljeno u matematiku i temeljne radne pretpostavke Einsteinove teorije.
S druge strane, znamo da je opća relativnost nepotpuna teorija gravitacije. Ne odnosi se na kvantno područje - na primjer, itty-bitty čestice koje čine elektron ili protoni - i potraga je pronaći istinsku kvantnu teoriju gravitacije. Jedan od takvih kandidata za takvu teoriju naziva se teorija struna, a u teoriji struna ne postoje brojevi koje je potrebno ubaciti.
U teoriji struna, sve što znamo o prirodi, od broja čestica i sila do svih njihovih svojstava, uključujući gravitacijsku konstantu, mora proizlaziti prirodno i elegantno iz same matematike. Ako je to istina, Newtonova gravitaciona konstanta nije samo neki slučajni broj - to je izrastanje nekog kompliciranog procesa koji djeluje na subatomskoj razini, a ne mora biti konstantan. I tako se u teoriji struna, kako svemir raste i mijenja, temeljne konstante prirode možda samo mijenjaju zajedno s njim.
Sve ovo postavlja pitanje: Je li Newtonova konstanta zaista konstantna? Einstein daje čvrsto i jasno Da, a teoretičari struna daju čvrsto i jasno može biti.
Vrijeme je da napravite neke testove.
Einstein na suđenju
Tijekom posljednjih nekoliko godina, znanstvenici su osmislili vrlo osjetljive eksperimente snage gravitacije na Zemlji i u našoj blizini. Ovi eksperimenti daju neka najžešća ograničenja u varijacijama G, ali samo tijekom posljednjih nekoliko godina. Moglo bi se dogoditi da Newtonova konstanta nevjerojatno polako varira, a mi dovoljno dugo nismo pažljivo gledali.
Na drugom kraju spektra, ako se majmunčate okolo s osnovnim konstantama prirode, počet ćete zabrljati fiziku ranog svemira, što nam je vidljivo u obliku onoga što se naziva pozadinom kozmičke mikrovalne. Ovo je obrazac svjetla nakon svjetla iz vremena kada je svemir bio star samo nekoliko stotina tisuća godina. Detaljna opažanja te pozadinske svjetlosti također postavljaju ograničenja na gravitacijsku konstantu, ali ta su ograničenja mnogo manje precizna od onih koja smo pronašli na testovima koje možemo napraviti u vlastitom dvorištu.
Nedavno su astronomi izradili test varijacija u G koji pogađaju dobru sredinu između ove dvije krajnosti, koju opisuju putem interneta u časopisu za pretisak arXiv. To je relativno visoko precizni test; nije tako precizan kao na Zemlji, ali je daleko bolji od kozmičkih, a ima i korist što se proteže doslovno milijardama godina.
Ispada da možemo tražiti promjene Newtonove gravitacijske konstante promatrajući kolebanje jedne od najstarijih zvijezda u svemiru.
U wigle je
Svemirski teleskop Kepler poznat je po lovu na egzoplanete, ali općenito je samo dobar ulazak u zvijezde kroz duži vremenski period, tražeći čak i najmanju varijaciju. A neke od tih varijacija upravo proizlaze iz činjenice da zvijezde, dobro, variraju u svjetlini. U stvari, zvijezde pulsiraju i podrhtavaju od zvučnih valova koji se sruše oko njih, baš kao i zemljotresi - obje su napravljene od materijala (superhot i gusta plazma u slučaju sunca) koji mogu vibrirati.
Ti potresi i podrhtavanja na površini zvijezde utječu na njenu svjetlinu i govore nam o unutarnjoj strukturi. Unutrašnjost zvijezde ovisi o njenoj masi i starosti. Kako se zvijezde razvijaju, mijenjaju se i veličina jezgre i dinamika svih njenih unutarnjih slojeva; te promjene utječu na ono što se događa na površini.
A ako počnete zabrljati oko konstanti prirode, poput Newtonove G, to će promijeniti način na koji se zvijezde razvijaju tijekom svog životnog vijeka. Ako je Newtonova konstanta zaista konstantna, tada bi zvijezde trebale polako povećavati svjetlinu i temperaturu s vremenom, jer dok sagorijevaju vodik u svojim jezgrama, oni ostavljaju iza sebe inertni gnoj helija. Ovaj helij stupa na put procesu fuzije, smanjujući njegovu učinkovitost, prisiljavajući zvijezde da izgaraju bržim tempom kako bi održali ravnotežu, postajući toplije i svjetlije u procesu.
Ako se Newtonova konstanta s vremenom smanjuje, taj proces osvjetljavanja i zagrijavanja djelovat će na mnogo bržim vremenskim razmacima. Ali ako se Newtonova konstanta ponaša obrnuto i stalno se povećava s vremenom, zvijezde će se neko vrijeme uranjati u temperaturu, a zatim drže fiksnu temperaturu dok se povećavaju u svjetlu kako stare.
Ali ove su promjene doista vidljive samo tijekom vrlo dugih vremenskih razdoblja, pa zapravo ne možemo gledati na vlastito sunce - staro oko 4,5 milijardi godina - kao dobar primjer. Također, velike zvijezde nemaju dug život, a imaju i nevjerojatno kompliciran interijer koji je teško modelirati.
U pomoć dolazi KIC 7970740, zvijezda samo tri četvrtine mase našeg sunca koja gori najmanje 11 milijardi godina. Savršeni laboratorij.
Nakon što su zurili u ovu zvijezdu, astronomi su uzeli godine Keplerovih podataka i uspoređivali je s različitim modelima evolucije zvijezde, uključujući one s varijacijama Newtonovog G. Zatim su te modele povezali s opažanjima seizmologije - wiggles - na površini. Na temelju njihovih promatranja, Newtonova konstanta zaista je konstantna, barem koliko mogu reći, bez promjena otkrivenih na razini dva dijela u bilijunu (poput poznavanja udaljenosti između Los Angelesa i New Yorka do širine pojedinačna bakterija) u posljednjih 11 milijardi godina.
Odakle dolazi Newtonova konstanta i kako ona ostaje tako stalna? Na to pitanje nemamo odgovor, a koliko znamo, Newton uskoro ne ide nikamo.
- 18 najvećih nerazriješenih misterija u fizici
- 11 fascinantnih činjenica o našoj galaksiji Mliječni put
- Jedan broj pokazuje da je nešto u osnovi pogrešno s našim svemirom
Paul M. Sutter je astrofizičar na Državno sveučilište Ohio, domaćin Pitajte svemira i Svemirski radio, i autor Vaše mjesto u svemiru.
