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物理学家在宇宙中寻找证据,证明一种基本的自然力是不正常的

引力产生于时空本身的扭曲。

只有四个数字支持物理定律。这就是为什么科学家几十年来一直在寻找这些所谓的基本常数之间的任何差异。发现这样一种变化将动摇现代科学的基础。“KDSPE”“KDSPs”更不用说,它能保证至少有一位幸运的研究员免费去斯德哥尔摩旅行,一枚闪闪发亮的新金币和一百万美元。“KDSPE”“KDSPs”最近,一对天文学家转向宇宙中最古老的恒星之一来测试一颗恒星的恒常性。四种基本自然力的超级巨星之一——引力。他们回顾过去几十亿年来的时间,寻找任何不一致之处。

并没有给出完整的故事,但诺贝尔奖还没有颁发。

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的“G-man”的

我们把牛顿的引力常数(简单地用“G”表示)视为理所当然,很可能因为重力是可以预测的。我们称之为牛顿的引力常数,因为牛顿是第一个真正需要它来帮助描述他著名的运动定律的人。利用他最新发明的微积分,他能够扩展他的运动定律来解释从苹果从树上掉下来到行星围绕太阳的轨道的一切行为。但在他的数学中,没有任何东西告诉他重力到底应该有多强——这必须通过实验测量,然后才能使定律发挥作用。

基本上已经有几个世纪了——自己测量G,需要时将其插入方程式。如今,由于爱因斯坦的广义相对论描述了引力是如何从时空本身的扭曲中产生的,我们对引力有了更为复杂的理解。相对论的基石之一是物理定律在所有的参考系中都应该保持不变。

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这意味着如果一个观察者在一个特定的参考系中-比如说,有人站在地球表面,或者漂浮在空间的中间-测量一个特定的重力强度(牛顿G),那么同样的值应该在整个空间和时间中都同样适用。它简单地融入了爱因斯坦理论的数学和基本工作假设中,

另一方面,我们知道广义相对论是一个不完整的引力理论。它不适用于量子领域——例如,构成电子或质子的微小粒子——正在寻找一个真正的量子引力理论。这种理论的候选者之一叫做弦理论,在弦理论中,没有一种东西是数字,只需要把它扔进去。

在弦理论中,我们对自然界的一切知识,从粒子和力的数量到它们的所有性质,包括引力常数,必须从数学本身自然而优雅地产生。如果这是真的,那么牛顿的引力常数不仅仅是一个随机数,它是在亚原子水平上运行的一个复杂过程的产物,它根本不必是常数。所以在弦理论中,随着宇宙的增长和变化,自然的基本常数也可能随之变化。

所有这些都引出了一个问题:牛顿常数真的是常数吗?爱因斯坦给出了一个坚定而明确的肯定,弦论者给出了一个坚定而明确的可能。

是时候做一些测试了。

爱因斯坦在试验

在过去几年里,科学家们设计了对地球和我们附近地区的重力强度非常敏感的实验。这些实验对G的变化给出了一些最严格的限制,但只是在过去几年。可能是牛顿常数变化得太慢了,我们只是没有仔细观察足够长的时间在光谱的另一端,如果你用自然的基本常数胡思乱想,你将开始搞乱早期宇宙的物理,我们可以看到它的形式,即所谓的宇宙微波背景。这是宇宙只有几十万年历史时的余辉模式。对背景光的详细观测也限制了引力常数,但这些限制远不如我们在自家后院进行的测试所发现的精确。

最近,天文学家们设计了一个关于G的变化的测试,它在这两个极端之间找到了一个很好的中间点他们在预印本期刊arXiv上在线描述。这是一个相对高精度的测试;不像地球上的测试那样精确,但比宇宙中的测试要好得多,而且它还有跨越数十亿年的好处。

结果表明,我们可以通过观察宇宙中最古老的恒星之一的摆动来寻找牛顿引力常数的变化。

开普勒太空望远镜在摆动的

中以搜寻系外行星而闻名,但总的来说,它非常擅长长时间盯着恒星,寻找哪怕是最微小的变化。其中一些变化是因为恒星的亮度不同。事实上,恒星的脉冲和震动都是由围绕在其内部的声波造成的,就像地震一样——它们都是由能够震动的物质(太阳的情况下是一种超高温和稠密的等离子体)构成。

这些在恒星表面的地震和震动会影响其亮度并告诉我们其内部结构。恒星的内部取决于它的质量和年龄。随着恒星的演化,核心的大小和所有内层的动力学都会发生变化;这些变化会影响表面的情况。

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的惊人图片,如果你开始搅乱自然常数,比如牛顿的G,它改变了恒星在其一生中的演化方式。如果牛顿常数真的是恒定的,那么恒星的亮度和温度应该随着时间的推移而缓慢增加,因为当它们在核心燃烧氢时,会留下一团惰性的氦。氦阻碍了聚变过程,降低了它的效率,迫使恒星以更快的速度燃烧以保持平衡,在这一过程中变得越来越热和明亮。

如果牛顿常数随着时间的推移而缓慢减小,这个增亮和加热的过程将在更快的时间尺度上运行。但是,如果牛顿常数的行为与此相反,并且随着时间的推移而稳定地增加,恒星实际上会在温度中下降一段时间,然后保持这个温度不变,同时随着年龄的增长亮度也会逐渐增加。

但是这些变化只有在很长的时间内才会显现出来,所以我们不能把我们自己的太阳——大约45亿年前的太阳——当作一个很好的例子。此外,大恒星的寿命并不长,而且它们的内部结构也极其复杂,很难建模。

的出现拯救了KIC 7970740,这颗恒星只有太阳质量的四分之三,至少已经燃烧了110亿年。这是一个完美的实验室。

天文学家盯着这颗恒星看了几年开普勒的数据,并将其与恒星演化的各种模型进行了比较,包括与牛顿G变化的模型。然后,他们将这些模型与地表地震学的观测联系起来。根据他们的观察,牛顿常数实际上是恒定的,至少据他们所知,在过去110亿年里,在万亿分之二的水平上没有发现任何变化(比如知道洛杉矶和纽约市之间的距离和单个细菌的宽度),

牛顿常数从何而来它如何保持如此稳定?我们对这个问题没有答案,据我们所知,牛顿近期不会去任何地方他在物理学中18个最大的未解之谜11个关于我们银河系的迷人事实一个数字表明我们的宇宙

从根本上是有问题的保罗M萨特是俄亥俄州立大学的天体物理学家,主持《问一个太空人和太空无线电》,《你在宇宙中的位置》的作者。

最初发表在《生命科学》上。

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