פיזיקאים מחפשים ביקום הוכחות לכך שכוח יסוד של הטבע אינו שולט

Send

רק ארבעה מספרים עומדים בבסיס חוקי הפיזיקה. זו הסיבה שמדענים חיפשו במשך עשרות שנים כל אי-התאמה במבנים היסודיים הללו. מציאת וריאציה כזו תנדנד את יסודות המדע המודרני.

שלא לדבר על זה, זה יבטיח לפחות חוקר מזל אחד טיול חינם לשטוקהולם, מדליית זהב חדשה ונוצצת ומיליון דולר.

לאחרונה פנו זוג אסטרונומים לאחד הכוכבים העתיקים ביקום כדי לבחון את קביעות אחד הכוכבים העל של ארבעת כוחות היסוד של הטבע - כוח הכבידה. הם הסתכלו אחורה בזמן במיליארד השנים האחרונות בגלל אי-עקביות.

לא כדי למסור את הסיפור המלא, אך עדיין לא יוענקו פרסי נובל.

איש ה- G

אנו לוקחים את קבוע הכבידה של ניוטון (המוגדר בפשטות על ידי "G") כמובן מאליו, כנראה מכיוון שכוח הכבידה די צפוי. אנו קוראים לזה קבוע הכבידה של ניוטון מכיוון שניוטון היה האדם הראשון שצריך אותו באמת כדי לתאר את חוקי התנועה המפורסמים שלו. בעזרת החשבון שלו שהומצא לאחרונה, הוא הצליח להרחיב את חוקי התנועה שלו כדי להסביר את התנהגותם של כל דבר, החל מהתפוחים הנופלים מעץ למסלולי כוכבי הלכת סביב השמש. אבל שום דבר במתמטיקה שלו לא אמר לו עד כמה כוח הכבידה צריך להיות - שיש למדוד אותו באופן ניסיוני ולחלוק פנימה כדי לגרום לחוקים לעבוד.

ובעצם זה היה כך במשך מאות שנים - מדידת G בכוחות עצמו וחיבורו למשוואות בעת הצורך. בימינו, יש לנו הבנה מתוחכמת יותר של כוח הכבידה, בזכות תיאוריית היחסות הכללית של איינשטיין, המתארת כיצד כוח הכבידה נובע מעיוות של זמן החלל עצמו. ואחת מאבני היסוד של היחסות היא שחוקי הפיזיקה צריכים להישאר זהים בכל מסגרות ההתייחסות.

המשמעות היא שאם מתבונן במסגרת ייחוס מסוימת - נניח, מישהו שעומד על פני כדור הארץ או צף החוצה באמצע החלל - מודד כוח כוח משיכה מסוים (ה- G של ניוטון), אז אותו ערך אמור לחול באותה מידה וכל זאת במרחב ובזמן. זה פשוט אפוי למתמטיקה והנחות העבודה הבסיסיות של התיאוריה של איינשטיין.

מצד שני, אנו יודעים שתורת היחסות הכללית היא תיאוריה לא מושלמת של כוח הכבידה. זה לא תקף לתחום הקוונטי - למשל, החלקיקים הזעירים המרכיבים אלקטרון או פרוטון - והחיפוש נועד למצוא תיאוריה קוונטית אמיתית של כוח הכבידה. אחד מאותם מועמדים לתיאוריה כזו נקרא תורת המיתרים, ובתורת המיתרים אין דבר כזה מספרים שרק צריך לזרוק אותם.

בתורת המיתרים, כל מה שאנחנו יודעים על הטבע, ממספר החלקיקים והכוחות וכל התכונות שלהם, כולל קבוע הכבידה, חייב להיווצר באופן טבעי ואלגנטי מהמתמטיקה עצמה. אם זה נכון, קבוע הכבידה של ניוטון הוא לא סתם מספר אקראי - זהו התפתחות של תהליך מסובך הפועל ברמה התת אטומית, והוא לא צריך להיות קבוע בכלל. וכך בתורת המיתרים, ככל שהיקום גדל ומשתנה, הקבועים הבסיסיים של הטבע עשויים להשתנות יחד איתו.

כל זה מעלה את השאלה: האם הקבוע של ניוטון באמת קבוע? אינשטיין נותן תקיף וברור כןותאורטיקני המיתרים נותנים תקיף וברור אולי.

הגיע הזמן לעשות כמה בדיקות.

איינשטיין לדין

במהלך השנים האחרונות, מדענים המציאו ניסויים רגישים מאוד לחוזק הכובד על כדור הארץ ובסביבתו הסמוכה. ניסויים אלה נותנים כמה מהאילוצים ההדוקים ביותר לגבי וריאציות ב- G, אך רק במהלך השנים האחרונות. יכול להיות שהקבוע של ניוטון משתנה לאט להפליא, ופשוט לא חיפשנו מספיק זמן בזהירות.

בצד השני של הספקטרום, אם אתה קוף עם קבועי היסוד של הטבע, אתה תתחיל להתעסק בפיזיקה של היקום המוקדם, שנראה לנו בצורה של מה שמכונה הרקע הקוסמי של המיקרוגל. זהו דפוס האור לאחר הזוהר מאז היותו של היקום רק כמה מאות אלפי שנים. תצפיות מפורטות על אור הרקע הללו מציבות גם מגבלות על קבוע הכבידה, אך אילוצים אלה מדויקים הרבה פחות מאלה שנמצאו בבדיקות שאנו יכולים לעשות בחצר האחורית שלנו.

לאחרונה, אסטרונומים רקחו מבחן של וריאציות ב- G הפוגע באמצע בינוני טוב בין שני הקצוות הללו, אותם הם מתארים באופן מקוון בכתב העת הקדום arXiv. זה מבחן דיוק יחסית; לא מדויק כמו אלה שמבוססים על כדור הארץ, אבל טובים בהרבה מאלו הקוסמיים, ויש לזה גם את היתרון של ממש על פני מיליארדי שנים.

מסתבר שאנו יכולים לחפש שינויים בקבוע הכבידה של ניוטון על ידי התבוננות בהתנודדות של אחד הכוכבים העתיקים ביקום.

זה במצב ההנפה

טלסקופ החלל קפלר מפורסם בזכות ציד Exoplanets, אבל באופן כללי הוא פשוט ממש טוב בכדי להביט בכוכבים במשך תקופות ארוכות, מחפש אפילו את השונות הקלה ביותר. וכמה מאותם וריאציות פשוט נובעות מהעובדה שכוכבים, ובכן, משתנים בבהירות. למעשה, כוכבים דופקים ורועדים מגלי קול שמתרסקים בתוכם, ממש כמו רעידות אדמה - שתיהן עשויות מחומרים (פלזמה סופרוטה וצפופה במקרה של השמש) שיכולים לרטוט.

רעידות ורעדות אלה על פני הכוכב משפיעות על בהירותו ומספרות לנו על המבנה הפנימי. פנים הכוכב תלוי במסתו ובגילו. עם התפתחות כוכבים, גם גודל הליבה וגם הדינמיקה של כל הרבדים הפנימיים שלה משתנים; השינויים האלה משפיעים על מה שקורה לפני השטח.

ואם אתה מתחיל להתעסק עם קבועי הטבע, כמו ה- G של ניוטון, זה משנה את האופן בו כוכבים מתפתחים במהלך תקופת חייהם. אם הקבוע של ניוטון באמת קבוע, הכוכבים צריכים לאט לאט להתגבר בבהירות ובטמפרטורה לאורך זמן, מכיוון שכאשר הם שורפים מימן בליבותיהם, הם משאירים אחריהם גוש הליום אינרטי. הליום זה נכנס לדרכו של תהליך ההיתוך, מצמצם את יעילותו, מכריח כוכבים לשרוף בקצב מהיר יותר לשמירה על שיווי משקל, הופך להיות חם יותר ומואר יותר בתהליך.

אם הקבוע של ניוטון יורד לאט עם הזמן, תהליך זה של התבהרות וחימום יפעל בטווחי זמנים מהירים בהרבה. אבל אם הקבוע של ניוטון מתנהג בצורה הפוכה ומתגבר בהתמדה עם הזמן, הכוכבים יטבלו בפועל בטמפרטורה למשך זמן מה, ואז יחזיקו את הטמפרטורה הזו קבועה תוך כדי הקלה בהירות ככל שהם מתבגרים.

אך השינויים הללו נראים באמת רק לאורך תקופות זמן ארוכות מאוד, כך שאיננו יכולים באמת להביט אל השמש שלנו - בת כ -4.5 מיליארד שנה - כדוגמה טובה. כמו כן, לכוכבים גדולים אין חיים ארוכים, ויש להם גם פנים מסובכות להפליא שקשה לעצב.

נכנסת להצלת 7970740 KIC, כוכב שרק שלושה רבעים ממסת השמש שלנו בוערת לפחות 11 מיליארד שנה. מעבדה מושלמת.

לאחר שהביטו בכוכב זה, אסטרונומים לקחו שנים של נתוני קפלר והשוו אותם עם מודלים שונים של האבולוציה של הכוכב, כולל אלה עם וריאציות ב- G. של ניוטון. לאחר מכן, הם קשרו את המודלים הללו לתצפיות על הסייסמולוגיה - הנפתלות - על פני השטח. בהתבסס על התצפיות שלהם, הקבוע של ניוטון באמת קבוע, לפחות עד כמה שהם יכולים לדעת, ללא שינויים שנמצאו ברמה של 2 חלקים בטריליון (כמו לדעת את המרחק בין לוס אנג'לס לעיר ניו יורק לרוחב של חיידק יחיד) במהלך 11 מיליארד השנים האחרונות.

מאיפה מגיע הקבוע של ניוטון ואיך הוא נשאר כל כך קבוע? אין לנו תשובה לשאלה הזו, וככל שיכולנו לדעת, ניוטון לא הולך לשום מקום בזמן הקרוב.