Лише чотири числа лежать в основі законів фізики. Ось чому науковці десятиліттями шукали будь-яких розбіжностей у цих так званих фундаментальних фізичних сталих, або константах. Виявлення такої варіації може навіть зруйнувати основи сучасного природознавства. Не кажучи вже про те, що гарантувало б бодай одному щасливому досліднику безкоштовну поїздку до Стокгольма, нову блискучу золоту медаль та мільйон доларів (ідеться про Нобелівську премію з фізики — Ред.).
Нещодавно два астрономи звернули погляд на одну з найдавніших зір у Всесвіті, щоб перевірити сталість однієї «суперзірки» з чотирьох основних сил природи ― гравітацію. Вони переглянули на часовому проміжку в кілька мільярдів років будь-яку змінність. Їхні результати, якщо коротко, не будуть відзначені Нобелівською премією.
Ми вважаємо гравітаційну сталу Ньютона (позначається літерою G) як щось належне, ймовірно, тому, що гравітація — досить передбачувана. Ми називаємо це гравітаційною сталою Ньютона, бо Ньютон був першою людиною, яка її потребувала, щоб мати можливість описати закони руху. Він зміг розширити свої закони руху, щоб пояснити поведінку всього, від яблук, що падають з дерева, до орбіт планет навколо Сонця. Але математика не вказувала йому на те, якою має бути стала в законі всесвітнього тяжіння ― її потрібно було експериментально виміряти та застосувати, щоб закони працювали.
І так є протягом кількох століть — вимірювати значення G і підставляти його у рівняння, коли це потрібно. Нині ми маємо більш складне розуміння сили тяжіння, завдяки загальній теорії відносності Айнштайна, що описує, як гравітація виникає внаслідок деформації простору-часу. І одним з наріжних каменів цієї теорії є те, що фізичні закони мають бути однаковими у всіх системах відліку.
Це означає: якщо один спостерігач у певній системі відліку, скажімо на поверхні Землі чи в космічному просторі, виміряє значення сталої гравітації (G Ньютона), то це значення має бути однаковим скрізь у просторі-часі. Ця умова закладена в математиці та основних припущеннях теорії Айнштайна.
З іншого боку, ми знаємо, що загальна теорія відносність ― це неповна теорія сили тяжіння. Вона не стосується квантового рівня природи, тобто світу елементарних частинок, наприклад частинок, що входять до складу електрона чи протона. Пошуки квантової теорії гравітації досі продовжуються. Один з кандидатів на таку теорію має назву теорія струн. У ній немає такого поняття, як числа, які просто потрібно підставити в рівняння.
У теорії струн все, що ми знаємо про природу, від кількості частинок і сил до всіх їхніх властивостей, зокрема гравітаційна стала, має виникати природно й елегантно з самої математики. Якщо це так, то гравітаційна константа Ньютона ― це не просто якесь випадкове число ― це відображення якогось складного процесу, що існує на субатомному рівні. Але він не обов’язково має бути постійним. І тому в теорії струн, коли Всесвіт розширюється і змінюється, фундаментальні константи природи можуть також змінюватися.
Все це ставить питання: чи стала Ньютона справді постійна? Айнштайн дає тверду й чітку відповідь: «так», а струнні теоретики говорять чітко й зрозуміло: «можливо».
Настав час зробити кілька тестів.
Випробування теорії Айнштайна
За останні кілька років науковці виконали дуже чутливі експерименти з вимірювання сили тяжіння на Землі та в ближньому космосі. Ці експерименти дають деякі найсильніші обмеження щодо зміни G, але лише на відтинку часу в кілька років. Можливо, стала Ньютона змінюється дуже повільно й ми досить уважно не спостерігали за цим на великих часових інтервалах.
Інший крайній варіант, якщо вас цікавлять основні фундаментальні констант природи, вивчати ранній Всесвіту, який нам видно у формі космічного мікрохвильового фонового випромінювання. Воно виникло, коли Всесвіту було лише кілька сотень тисяч років. Докладні спостереження цього фонового випромінювання також дають змогу встановити обмеження на зміну сталої гравітації, але вони набагато менш точні, ніж ті, які встановлено в тестах, зроблених на Землі й у ближньому космосі.
Нещодавно астрономи виконали тест на зміни сталої G, який «лягає» посередині між цими двома крайнощами. Свою роботу вони описали на сайті попередніх публікацій arXiv в Інтернеті. Це, як порівняти з іншими, високоточний тест; не такий точний, як наземні вимірювання, але набагато кращий, ніж космічні. Він також має суттєву перевагу — охоплює часовий інтервал в мільярди років.
Виявляється, можна шукати зміни гравітаційної константи Ньютона, спостерігаючи коливання однієї з найстаріших зір у Всесвіті.
Допомогти знайти відповідь можуть коливання
Космічний телескоп «Кеплер» (Kepler) відомий тим, що він виконував пошук екзопланет. Але як він це робив? Телескоп насправді спостерігав зорі протягом тривалого часу, фіксуючи навіть найменші зміни їхнього світла. І деякі з цих варіацій зумовлені тим, що зорі, фактично, змінюють яскравість. Насправді зорі пульсують і коливаються від звукових хвиль, що переміщуються й затухають в їхніх надрах, подібно тому, як виникають землетруси на Землі, адже ці тіла утворені з речовини (надгаряча й щільна плазма у випадку Сонця), які можуть вібрувати.
Такі коливання поверхні зорі впливають на її яскравість і вказують на структуру її надр. Внутрішня будова зорі залежить від її маси та віку. З розвитком зорі змінюються як розмір ядра, так і динаміка всіх її внутрішніх шарів; ці зміни впливають на те, що відбувається на поверхні.
І якщо ви розглядаєте фізичні константи, як, наприклад, гравітаційну сталу G, то вона вказує на те, як зорі розвиваються протягом свого життя. Якщо константа Ньютона справді є сталою, то зорі мають з часом повільно збільшувати яскравість і температуру, оскільки, спалюючи водень у своїх ядрах, вони синтезують в ядрі не активний гелій. Він перешкоджає процесу синтезу, знижуючи його ефективність, а отже, змушуючи зорі швидше «спалювати» водень, щоб підтримувати рівновагу сил (гравітації і газового тиску — Ред.). Це приводить до того, що зорі стають гарячішими та яскравішими.
Якщо гравітаційна стала з часом повільно зменшується, цей процес нагрівання та підвищення яскравості зорі буде проявляти себе з плином часу відносно швидко. Проте, якщо значення константи Ньютона з часом збільшується, то зорі фактично утримують температуру впродовж тривалого відтинку часу, а їхня яскравість зростає із підвищенням віку.
Але ці зміни помітні лише протягом дуже тривалих періодів часу, тому в цьому сенсі навіть Сонце, якому близько 4,5 мільярдів років, не дуже підходить для тесту. Крім того, великі зорі довгого не живуть, а також мають дуже складну внутрішню будову, яку важко моделювати.
На допомогу прийшла KIC 7970740, зоря масою лише на три чверті більша, ніж Сонце, але яка світить принаймні 11 мільярдів років. Досконала лабораторія.
Маючи результати спостережень цієї зорі, астрономи взяли дані спостережень телескопа «Кеплер» і порівняли їх з результатами, які дають різні комп’ютерні моделі еволюції зорі, зокрема й ті, що враховують варіації гравітаційної сталої. Зважаючи на отримані результати, константа Ньютона справді є сталою протягом 11 мільярдів років, принаймні з точністю, як-от знати відстань між Лос-Анджелесом та Нью-Йорком з точністю ширини бактерії.
Звідки береться гравітаційна стала і чому вона є такою постійною? У нас немає відповіді на це питання, і наскільки ми можемо сказати, годі сумніватися в силі тяжіння, як її описав Ньютон.
За інформацією з сайту www.space.com підготував Іван Крячко
