Hanya empat angka yang menyokong undang-undang fizik. Itulah sebabnya ahli sains selama beberapa dekad mencari sebarang percanggahan dalam pemalar asas yang dipanggil ini. Mencari variasi sedemikian akan menghalang asas-asas sains moden.
Belum lagi, ia akan menjamin sekurang-kurangnya seorang penyelidik yang beruntung dalam perjalanan percuma ke Stockholm, pingat emas baru yang berkilat dan satu juta dolar.
Baru-baru ini, sepasang ahli astronomi beralih kepada salah satu bintang tertua di alam semesta untuk menguji kekukuhan salah seorang superstar dari empat kuasa asas alam semula jadi - graviti. Mereka memandang ke belakang dalam masa beberapa bilion tahun lalu untuk apa-apa ketidakkonsistenan.
Bukan untuk memberikan kisah penuh, tetapi tidak ada Hadiah Nobel yang akan diberikan lagi.
The G-man
Kami mengambil pemalar graviti Newton (dilabel semata-mata oleh "G") untuk diberikan, mungkin kerana graviti cukup diramalkan. Kami memanggilnya sebagai graviti Newton kerana Newton adalah orang pertama yang benar-benar memerlukannya untuk membantu menggambarkan undang-undang gerakannya yang terkenal. Dengan menggunakan kalkulusnya yang baru dicipta, dia dapat melanjutkan undang-undang gerakannya untuk menjelaskan kelakuan segalanya dari epal yang jatuh dari pokok ke orbit planet-planet di sekitar matahari. Tetapi tiada apa-apa dalam matematiknya memberitahunya betapa kuatnya graviti - yang harus diukur secara eksperimen dan tergelincir untuk membuat undang-undang berfungsi.
Dan ia pada asasnya telah berabad-abad - mengukur G sendiri dan memasukkannya ke persamaan apabila diperlukan. Pada masa kini, kita mempunyai pemahaman yang lebih canggih tentang graviti, terima kasih kepada teori relativiti umum Einstein, yang menerangkan bagaimana graviti timbul dari penyimpangan ruang masa itu sendiri. Dan salah satu landasan relativiti ialah undang-undang fizikal harus tetap sama dalam semua bingkai rujukan.
Ini bermakna jika seorang pemerhati dalam kerangka rujukan tertentu - katakan, seseorang yang berdiri di permukaan Bumi, atau terapung di tengah ruang - mengukur kekuatan graviti tertentu (Newton's G), maka nilai yang sama harus dikenakan sama semua dalam ruang dan waktu. Ia hanya dibakar ke dalam teori matematik dan asumsi kerja asas teori Einstein.
Sebaliknya, kita tahu bahawa relativiti umum adalah teori graviti yang tidak lengkap. Ia tidak terpakai kepada alam kuantum - contohnya, zarah itty-bitty yang membentuk elektron atau proton - dan mencari untuk mencari teori graviti kuantum sebenar. Salah satu daripada calon tersebut untuk teori tersebut disebut teori rentetan, dan dalam teori rentetan tidak ada perkara seperti nombor yang hanya perlu dilemparkan.
Dalam teori tali, segala yang kita tahu tentang alam, dari jumlah zarah dan daya ke semua sifatnya, termasuk pemalar graviti, mesti timbul secara semulajadi dan elegan dari matematik itu sendiri. Jika ini benar, maka pemalar graviti Newton bukanlah hanya beberapa nombor rawak - ia adalah hasil daripada beberapa proses rumit yang beroperasi pada tahap subatomik, dan ia tidak perlu tetap sama sekali. Dan sebagainya dalam teori rentetan, apabila alam semesta tumbuh dan berubah, pemalar asas alam semula jadi hanya boleh berubah bersama dengannya.
Semua ini menimbulkan persoalan: Adakah pemalar Newton benar-benar berterusan? Einstein memberikan firma dan jelas ya, dan ahli teori rentetan memberikan tegas dan jelas mungkin.
Sudah tiba masanya untuk melakukan beberapa ujian.
Einstein sedang dibicarakan
Sejak beberapa tahun yang lalu, saintis telah mencipta percubaan yang sangat sensitif tentang kekuatan graviti di Bumi dan di kawasan berhampiran kami. Eksperimen-eksperimen ini memberikan beberapa kekangan ketat pada variasi dalam G, tetapi hanya dalam beberapa tahun yang lalu. Ia mungkin bahawa pemalar Newton berubah sangat perlahan, dan kami tidak melihat dengan teliti untuk jangka masa yang panjang.
Di ujung spektrum yang lain, jika anda monyet di sekitar dengan pemalar asas alam semula jadi, anda akan mula mengacaukan fizik alam semesta awal, yang dapat dilihat oleh kita dalam bentuk apa yang dipanggil latar gelombang mikro kosmik. Ini adalah corak cahaya selepas cahaya dari alam semesta hanya beberapa ratus ribu tahun. Pemerhatian terperinci tentang cahaya latar itu juga menimbulkan kekangan pada pemalar graviti, tetapi kekangan ini jauh lebih tepat daripada yang diperoleh daripada ujian yang boleh kita lakukan di halaman belakang kita sendiri.
Baru-baru ini, ahli astronomi telah menguji percubaan variasi dalam G yang menyerang tempat tengah yang baik di antara dua ekstrem ini, yang mereka gambarkan secara dalam talian dalam jurnal preprint arXiv. Ini ujian ketepatan yang agak tinggi; tidak seperti yang berasaskan bumi tetapi jauh lebih baik daripada yang kosmik, dan ia juga mempunyai manfaat untuk merangkumi berbilion-bilion tahun.
Ternyata kita boleh mencari perubahan dalam pemalar graviti Newton dengan melihat kegilaan salah satu bintang tertua di alam semesta.
Ia berada di goyang
Teleskop angkasa Kepler terkenal dengan memburu eksoplanet, tetapi pada umumnya ia hanya sangat baik untuk menatap bintang untuk jangka masa yang panjang, mencari walaupun variasi yang sedikit. Dan beberapa variasi itu hanya datang dari fakta bahawa bintang-bintang, baik, berbeza dalam kecerahan. Sebenarnya, bintang-bintang berdenyut dan gemetar dari gelombang bunyi yang merebak di dalamnya, sama seperti gempa bumi - keduanya terbuat dari bahan (plasma superhot dan padat dalam kes matahari) yang boleh bergetar.
Gempa bumi dan gempa bumi di permukaan bintang itu menjejaskan kecerahannya dan memberitahu kita tentang struktur dalaman. Bahagian dalaman bintang bergantung kepada jisim dan umurnya. Apabila bintang berubah, kedua-dua saiz inti dan dinamik semua lapisan dalamnya berubah; perubahan tersebut memberi kesan kepada apa yang berlaku di permukaan.
Dan jika anda mula bermain-main dengan pemalar alam semula jadi, seperti Newton's G, ia mengubah cara bintang berubah sepanjang hayat mereka. Jika pemalar Newton benar-benar berterusan, maka bintang-bintang perlahan-lahan akan meningkatkan kecerahan dan suhu dari masa ke masa, kerana kerana mereka membakar hidrogen di teras mereka, mereka meninggalkan sebilangan helium helium tidak aktif. Helium ini menghasilkan proses gabungan, mengurangkan kecekapannya, memaksa bintang terbakar pada kadar yang lebih cepat untuk mengekalkan keseimbangan, semakin panas dan lebih cerah dalam proses itu.
Jika pemalar Newton perlahan-lahan berkurangan dengan masa, proses pencahayaan dan pemanasan ini akan beroperasi pada banyak masa yang lebih cepat. Tetapi jika konstan Newton berkelakuan dengan cara yang bertentangan dan terus meningkat dengan masa, bintang-bintang akan benar-benar mencelupkan suhu untuk sementara waktu, kemudian memegang suhu yang tetap sambil meraih kecerahan ketika mereka berumur.
Tetapi perubahan ini benar-benar nyata hanya dalam tempoh masa yang sangat lama, jadi kita tidak boleh benar-benar melihat matahari kita sendiri - iaitu kira-kira 4.5 bilion tahun - sebagai contoh yang baik. Juga, bintang-bintang besar tidak mempunyai kehidupan yang panjang, dan mereka juga mempunyai dalaman yang rumit yang sukar untuk model.
Inilah KIC 7970740 untuk penyelamatan, bintang hanya tiga perempat jisim matahari kita yang telah dibakar selama sekurang-kurangnya 11 bilion tahun. Makmal yang sempurna.
Selepas menatap bintang ini, para astronom mengambil data Kepler bertahun-tahun dan membandingkannya dengan pelbagai model evolusi bintang, termasuk variasi di G. Newton. Kemudian, mereka mengikat model-model tersebut kepada pemerhatian seismologi - yang bergerak di permukaan. Berdasarkan pengamatan mereka, pemalar Newton benar-benar tetap, sekurang-kurangnya sejauh yang mereka tahu, tanpa perubahan yang dikesan pada tahap 2 bahagian dalam trilion (seperti mengetahui jarak antara Los Angeles dan New York City hingga lebar bakteria tunggal) sepanjang 11 bilion tahun lalu.
Di manakah pemalar Newton datang dan bagaimanakah ia berterusan begitu? Kami tidak mempunyai jawapan kepada soalan itu, dan sejauh yang dapat kami katakan, Newton tidak akan berada di mana-mana masa tidak lama lagi.
- 18 Misteri Terbantut Terbesar dalam Fizik
- 11 Fakta Menarik Mengenai Bima Sakti kami Galaxy
- Satu Nombor Menunjukkan Sesuatu Yang Secara Asal Salah dengan Alam Semesta Kita
Paul M. Sutter adalah ahli astrofizik di The Ohio State University, tuan rumah Tanya Spaceman dan Radio Angkasa, dan pengarang Tempat Anda di Semesta.
