يبحث الفيزيائيون عن الكون بحثاً عن أدلة على أن القوة الأساسية للطبيعة خارجة عن السيطرة


أربعة أرقام فقط تدعم قوانين الفيزياء. لهذا السبب ظل العلماء طوال عقود يبحثون عن أي اختلافات في هذه الثوابت الأساسية المزعومة. العثور على مثل هذا الاختلاف من شأنه أن يهز أسس العلم الحديث.

ناهيك عن ذلك ، فإنه سيضمن للباحث المحظوظ 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 واحد من النجوم في أربع قوى أساسية للطبيعة – الجاذبية. نظروا إلى الوراء في الوقت المناسب على مدى مليارات السنين الماضية عن أي تضارب.

عدم التخلي عن القصة الكاملة ، ولكن لا جوائز نوبل سيتم منح فقط حتى الآن.

ذات صلة: أغرب 12 كائن في الكون

الرجل جي

نحن نأخذ ثابت الجاذبية نيوتن (المشار إليها ببساطة من قبل "G") أمرا مفروغا منه ، وربما ل الجاذبية هو متوقع جدا. نحن نسميها ثابت نيوتن للجاذبية لأن نيوتن كان أول شخص يحتاج إليها بالفعل للمساعدة في وصف قوانين الحركة الشهيرة. باستخدام حساب التفاضل والتكامل اخترع حديثا ، كان قادرا على تمديد له قوانين الحركة لشرح سلوك كل شيء من التفاح تسقط من شجرة إلى مدارات الكواكب حول الشمس. لكن لم يخبره أي شيء في رياضياته بمدى قوة الجاذبية – يجب قياسها وتجريبها لجعل القوانين فعالة.

وكانت هذه هي الطريقة الأساسية لعدة قرون – قياس G من تلقاء نفسه وتوصيله إلى المعادلات عند الحاجة. في الوقت الحاضر ، لدينا فهم أكثر تطورا للجاذبية ، وذلك بفضل نظرية أينشتاين للنسبية العامة، الذي يصف كيف تنشأ الجاذبية من تشويه الزمان والمكان نفسه. وأحد الركائز الأساسية للنسبية هو أن القوانين الفيزيائية يجب أن تظل كما هي في جميع الأطر المرجعية.

ذات صلة: 8 طرق يمكنك من خلالها رؤية نظرية أينشتاين النسبية في الحياة الحقيقية

هذا يعني أنه إذا قام أحد المراقبين في إطار مرجعي معين – على سبيل المثال ، شخص يقف على سطح الأرض ، أو يطفو في منتصف الفضاء – يقيس قوة جاذبية معينة (نيوتن جي) ، فينبغي أن تنطبق نفس القيمة على قدم المساواة جميع أنحاء المكان والزمان. إنه ببساطة يخبز بالرياضيات وافتراضات العمل الأساسية لنظرية آينشتاين.

من ناحية أخرى ، نعلم أن النسبية العامة هي نظرية غير مكتملة للجاذبية. لا ينطبق على عالم الكم – على سبيل المثال ، جسيمات بيتي التي تتكون منها إلكترون أو بروتون – والبحث مستمر لإيجاد نظرية كمومية حقيقية للجاذبية. واحد من هؤلاء المرشحين لهذه النظرية يسمى نظرية الأوتار ، وفي نظرية الأوتار لا يوجد شيء مثل الأرقام التي تحتاج فقط إلى قذف في.

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 بحد ذاتها. إذا كان هذا صحيحًا ، فإن ثقل نيوتن ليس مجرد رقم عشوائي – إنه نتاج 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 حقاً؟ أينشتاين يعطي شركة واضحة وواضحة نعم، والمنظرين سلسلة تعطي شركة واضحة وواضحة يمكن.

حان الوقت للقيام ببعض الاختبارات.

أينشتاين في المحاكمة

خلال السنوات القليلة الماضية ، ابتكر العلماء تجارب حساسة للغاية لقوة الجاذبية على الأرض وفي المناطق المجاورة لنا. تعطي هذه التجارب بعضًا من أشد القيود على الاختلافات في G ، ولكن فقط خلال السنوات القليلة الماضية. قد يتغير ثابت نيوتن ببطء لا يصدق ، ونحن لم نبحث بعناية لفترة طويلة.

ذات صلة: 6 حقائق غريبة عن الجاذبية

على الطرف الآخر من الطيف ، إذا كنت تحدق بالثوابت الأساسية للطبيعة ، فستبدأ في خراب فيزياء الكون المبكر ، وهو ما يظهر لنا في شكل ما يسمى خلفية الميكروويف الكونية. هذا هو نمط ضوء الشفق من عندما كان عمر الكون لا يتجاوز مئات الآلاف من السنين. الملاحظات التفصيلية لضوء الخلفية هذا تضع 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 ، توصل علماء الفلك إلى اختبار للاختلافات في G ، والذي يوفر أرضية جيدة بين هذين النقيضين ، والتي يصفونها على الإنترنت في مجلة ما قبل الطباعة أرخايف. إنه اختبار عالي الدقة نسبيًا ؛ ليست دقيقة مثل تلك القائمة على الأرض ولكن أفضل بكثير من تلك الكونية ، ولها أيضا ميزة تمتد حرفيا مليارات السنين.

اتضح أنه يمكننا البحث عن تغييرات في ثابت الجاذبية نيوتن من خلال النظر في تذبذب واحدة من أقدم النجوم في الكون.

انها في تذبذب

يشتهر تلسكوب كيبلر الفضائي بالصيد في الكواكب الخارجية ، ولكن بشكل عام ، من الجيد حقًا أن يحدق في النجوم لفترات طويلة من الزمن ، ويبحث عن أدنى اختلاف. وبعض هذه الاختلافات تأتي للتو من حقيقة أن النجوم ، حسنا ، تختلف في السطوع. في الواقع ، تنبض النجوم وترتجف من الموجات الصوتية من حولها ، تمامًا مثل الزلازل – كلاهما مصنوع من مواد (بلازما فائقة السطوع وكثافة في حالة الشمس) يمكن أن تهتز.

تؤثر هذه الزلازل والهزات الأرضية على سطح النجم على سطوعها وتحدثنا عن البنية الداخلية. يعتمد النجم الداخلي على كتلته وعمره. مع تطور النجوم ، يتغير كل من حجم النواة وديناميات جميع طبقاتها الداخلية ؛ هذه التغييرات تؤثر على ما يجري على السطح.

ذات صلة: 15 صور مذهلة من النجوم

وإذا بدأت في التغلب على ثوابت الطبيعة ، مثل نيوتن جي ، فإنه يغير كيفية تطور النجوم على مدار حياتهم. إذا كان ثابت نيوتن ثابتًا حقًا ، فعندئذ يجب أن تزداد النجوم ببطء في درجة السطوع ودرجة الحرارة مع مرور الوقت ، لأنها أثناء احتراقها للهيدروجين في قلوبها ، تترك وراءها 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 أعلى وأكثر إشراقًا في هذه العملية.

إذا كان ثابت نيوتن يتناقص ببطء مع مرور الوقت ، فستعمل عملية الإشراق والتدفئة هذه على فترات زمنية أسرع بكثير. ولكن إذا كان ثابت نيوتن يتصرف في الاتجاه المعاكس وازداد باطراد مع مرور الوقت ، فإن النجوم ستنخفض فعليًا في درجة الحرارة لفترة من الوقت ، ثم تبقي درجة الحرارة ثابتة أثناء تصاعدها في السطوع مع تقدم العمر.

لكن هذه التغييرات لا تظهر إلا في فترات زمنية طويلة للغاية ، لذلك لا يمكننا أن ننظر إلى شمسنا – التي يبلغ عمرها حوالي 4.5 مليار عام – كمثال جيد. أيضًا ، لا تتمتع النجوم الكبيرة بأعمار طويلة ، ولديها أيضًا تصميمات داخلية معقدة بشكل لا يصدق يصعب تصميمه.

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

بعد التحديق في هذا النجم ، استغرق علماء الفلك سنوات من بيانات كيبلر وقارنوها مع نماذج مختلفة من تطور النجم ، بما في ذلك تلك التي لها اختلافات في نيوتن جي. ثم ربطوا هذه النماذج بملاحظات الزلازل – المتذبذبات – على السطح. استنادًا إلى ملاحظاتهم ، فإن ثابت نيوتن ثابت حقًا ، على الأقل قدر الإمكان ، بدون تغييرات تم اكتشافها على مستوى جزأين في تريليون (مثل معرفة المسافة بين لوس أنجلوس ومدينة نيويورك حتى عرض بكتيريا واحدة) على مدى 11 مليار سنة الماضية.

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

بول م. سوتر هو عالم الفيزياء الفلكية في جامعة ولاية أوهايومضيف اسأل رائد فضاء و راديو الفضاء، ومؤلف مكانك في الكون.

نشرت أصلا على العلوم الحية.

كل شيء عن راية الفضاء

(الصورة الائتمان: كل شيء عن مجلة الفضاء)