يبحث الفيزيائيون عن الكون بحثًا عن دليل على أن القوة الأساسية للطبيعة خارجة عن العمل

Send

أربعة أرقام فقط تدعم قوانين الفيزياء. لهذا السبب ظل العلماء لعقود يبحثون عن أي اختلافات في ما يسمى بالثوابت الأساسية. إن العثور على مثل هذا الاختلاف من شأنه أن يهز أسس العلم الحديث.

ناهيك عن أنها ستضمن لباحث محظوظ واحد على الأقل رحلة مجانية إلى ستوكهولم وميدالية ذهبية لامعة جديدة ومليون دولار.

في الآونة الأخيرة ، تحول زوج من علماء الفلك إلى واحد من أقدم النجوم في الكون لاختبار ثبات أحد النجوم البارزة للقوى الأساسية الأربع للطبيعة - الجاذبية. لقد نظروا بالزمن إلى الوراء على مدى السنوات القليلة الماضية من أجل أي تناقضات.

ليس التخلي عن القصة الكاملة ، ولكن لن يتم منح جوائز نوبل حتى الآن.

الرجل G

نأخذ ثابت جاذبية نيوتن (يشار إليه ببساطة بـ "G") كأمر مسلم به ، ربما لأن الجاذبية يمكن التنبؤ بها إلى حد كبير. نسميها ثابت الجاذبية لنيوتن لأن نيوتن كان أول شخص يحتاجها حقًا للمساعدة في وصف قوانين الحركة الشهيرة. باستخدام حساب التفاضل والتكامل الذي تم اختراعه حديثًا ، تمكن من توسيع قوانين الحركة الخاصة به لشرح سلوك كل شيء من التفاح المتساقط من شجرة إلى مدارات الكواكب حول الشمس. ولكن لم يخبره شيء في الرياضيات عن مدى الجاذبية التي يجب أن تكون عليها - التي يجب قياسها تجريبياً والانزلاق لجعل القوانين تعمل.

وقد كانت هذه هي الطريقة الأساسية لقرون - قياس G بمفرده وتوصيله بالمعادلات عند الحاجة. في الوقت الحاضر ، لدينا فهم أكثر تعقيدًا للجاذبية ، وذلك بفضل نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، التي تصف كيف تنشأ الجاذبية من تشويه الزمكان نفسه. وأحد ركائز النسبية هو أن القوانين الفيزيائية يجب أن تبقى كما هي في جميع الأطر المرجعية.

هذا يعني أنه إذا قام أحد المراقبين في إطار مرجعي معين - على سبيل المثال ، شخص يقف على سطح الأرض ، أو يطفو في منتصف الفضاء - بقياس قوة معينة من الجاذبية (نيوتن G) ، فيجب أن تنطبق نفس القيمة بالتساوي في كل مكان وزمان. إنها ببساطة مخبوزة في الرياضيات وافتراضات العمل الأساسية لنظرية أينشتاين.

من ناحية أخرى ، نعلم أن النسبية العامة هي نظرية جاذبية غير مكتملة. لا ينطبق على عالم الكم - على سبيل المثال ، الجسيمات الصغيرة التي تشكل الإلكترون أو البروتون - والبحث مستمر للعثور على نظرية الكم الحقيقية للجاذبية. أحد هؤلاء المرشحين لمثل هذه النظرية يسمى نظرية الأوتار ، وفي نظرية الأوتار لا يوجد شيء مثل الأرقام التي يجب رميها فقط.

في نظرية الأوتار ، كل شيء نعرفه عن الطبيعة ، من عدد الجسيمات والقوى إلى جميع خصائصها ، بما في ذلك ثابت الجاذبية ، يجب أن ينشأ بشكل طبيعي وأنيق من الرياضيات نفسها. إذا كان هذا صحيحًا ، فإن ثابت الجاذبية لنيوتن ليس مجرد عدد عشوائي - إنه نتيجة لبعض العمليات المعقدة التي تعمل على المستوى دون الذري ، ولا يجب أن يكون ثابتًا على الإطلاق. وهكذا في نظرية الأوتار ، بينما ينمو الكون ويتغير ، قد تتغير الثوابت الأساسية للطبيعة معه.

كل هذا يطرح السؤال: هل ثابت نيوتن ثابت حقًا؟ يعطي أينشتاين فكرة واضحة وواضحة نعم، ويعطي منظّرو الأوتار صورة ثابتة وواضحة يمكن.

حان الوقت لإجراء بعض الاختبارات.

أينشتاين قيد المحاكمة

على مدى السنوات القليلة الماضية ، ابتكر العلماء تجارب حساسة للغاية لقوة الجاذبية على الأرض وفي محيطنا القريب. تعطي هذه التجارب بعض القيود الصارمة على الاختلافات في G ، ولكن فقط خلال السنوات القليلة الماضية. يمكن أن يكون ثابت نيوتن يتغير ببطء شديد ، ولم نكن ننظر بعناية لفترة طويلة بما فيه الكفاية.

على الطرف الآخر من الطيف ، إذا كنت تتجول مع الثوابت الأساسية للطبيعة ، فستبدأ في العبث بفيزياء الكون المبكر ، الذي يمكن رؤيته لنا في شكل ما يسمى الخلفية الكونية الميكروية. هذا هو نمط ضوء الشفق منذ كان عمر الكون بضع مئات الآلاف من السنين فقط. تضع الملاحظات التفصيلية لضوء الخلفية هذا أيضًا قيودًا على ثابت الجاذبية ، لكن هذه القيود أقل دقة بكثير من تلك الموجودة في الاختبارات التي يمكننا القيام بها في الفناء الخلفي الخاص بنا.

في الآونة الأخيرة ، ابتكر علماء الفلك اختبارًا للاختلافات في حرف G والذي حقق أرضية وسطية جيدة بين هذين النقيضين ، والتي يصفونها عبر الإنترنت في مجلة arXiv قبل الطباعة. إنه اختبار عالي الدقة نسبيًا ؛ ليست دقيقة مثل تلك القائمة على الأرض ولكنها أفضل بكثير من تلك الكونية ، ولها أيضًا فائدة تمتد بلايين السنين.

اتضح أنه يمكننا البحث عن التغييرات في ثابت الجاذبية لنيوتن من خلال النظر إلى تذبذب أحد أقدم النجوم في الكون.

إنه في تذبذب

يشتهر تلسكوب كيبلر الفضائي بالصيد بحثًا عن الكواكب الخارجية ، ولكنه بشكل عام جيد جدًا في التحديق في النجوم لفترات طويلة من الزمن ، والبحث عن أدنى اختلاف. وبعض هذه الاختلافات تأتي فقط من حقيقة أن النجوم ، حسنًا ، تختلف في السطوع. في الواقع ، تنبض النجوم وترتجف من الموجات الصوتية التي تصطدم بداخلها ، تمامًا مثل الزلازل - كلاهما مصنوعان من مواد (بلازما خارقة وكثيفة في حالة الشمس) يمكن أن تهتز.

تؤثر هذه الزلازل والرعشة على سطح النجم على سطوعها وتخبرنا عن البنية الداخلية. يعتمد الجزء الداخلي للنجم على كتلته وعمره. مع تطور النجوم ، يتغير حجم القلب وديناميكيات جميع طبقاته الداخلية ؛ تؤثر هذه التغييرات على ما يجري على السطح.

وإذا بدأت في العبث مع ثوابت الطبيعة ، مثل Newton's G ، فإنه يغير كيفية تطور النجوم على مدار حياتها. إذا كان ثابت نيوتن ثابتًا حقًا ، فيجب أن تزداد النجوم ببطء في السطوع ودرجة الحرارة بمرور الوقت ، لأنهم يحرقون الهيدروجين في نوىهم ، يتركون وراءهم كتلة خاملة من الهيليوم. يعيق هذا الهيليوم عملية الاندماج ، مما يقلل من كفاءته ، ويجبر النجوم على الاحتراق بوتيرة أسرع للحفاظ على التوازن ، والحصول على حرارة أكثر إشراقا وأكثر إشراقا في العملية.

إذا كان ثابت نيوتن يتناقص ببطء مع مرور الوقت ، فإن عملية التفتيح والتسخين هذه ستعمل على نطاقات زمنية أسرع بكثير. ولكن إذا كان ثابت نيوتن يتصرف في الاتجاه المعاكس وزاد بثبات مع مرور الوقت ، فإن النجوم ستنخفض بالفعل في درجة الحرارة لفترة من الوقت ، ثم تثبت درجة الحرارة هذه بينما ترتفع في السطوع مع تقدم العمر.

لكن هذه التغييرات واضحة حقًا فقط خلال فترات زمنية طويلة جدًا ، لذلك لا يمكننا حقًا أن ننظر إلى شمسنا - التي يبلغ عمرها حوالي 4.5 مليار سنة - كمثال جيد. أيضًا ، النجوم الكبيرة ليس لها حياة طويلة ، ولديها أيضًا تصميمات داخلية معقدة بشكل لا يصدق يصعب تصميمها.

يأتي KIC 7970740 للإنقاذ ، وهو نجم يبلغ ثلاثة أرباع كتلة شمسنا التي كانت تحترق منذ 11 مليار سنة على الأقل. مختبر مثالي.

بعد التحديق في هذا النجم ، أخذ الفلكيون سنوات من بيانات كبلر وقارنوها مع نماذج مختلفة لتطور النجم ، بما في ذلك تلك التي تحتوي على اختلافات في نيوتن جي.ثم ربطوا هذه النماذج بملاحظات علم الزلازل - الهزات - على السطح. استنادًا إلى ملاحظاتهم ، فإن ثابت نيوتن هو ثابت حقًا ، على الأقل بقدر ما يمكنهم معرفة ذلك ، مع عدم وجود تغييرات تم اكتشافها على مستوى جزأين في تريليون (مثل معرفة المسافة بين لوس أنجلوس ومدينة نيويورك إلى عرض بكتيريا واحدة) على مدى 11 مليار سنة الماضية.

من أين يأتي ثابت نيوتن وكيف يظل ثابتًا جدًا؟ ليس لدينا إجابة على هذا السؤال ، وبقدر ما يمكننا أن نقول ، لن يذهب نيوتن إلى أي مكان قريبًا.