Hanya empat angka yang menopang hukum fisika. Itu sebabnya para ilmuwan telah berpuluh-puluh tahun mencari perbedaan dalam konstanta fundamental ini. Menemukan variasi semacam itu akan mengguncang fondasi sains modern.
Belum lagi, itu akan menjamin setidaknya satu peneliti beruntung perjalanan gratis ke Stockholm, medali emas baru yang mengilap dan satu juta dolar.
Baru-baru ini, sepasang astronom beralih ke salah satu bintang tertua di alam semesta untuk menguji keteguhan salah satu superstar dari empat kekuatan dasar alam - gravitasi. Mereka melihat ke masa lalu selama beberapa miliar tahun terakhir untuk setiap inkonsistensi.
Bukan untuk membagikan cerita lengkapnya, tetapi belum ada Hadiah Nobel yang akan diberikan.
G-man
Kita menerima konstanta gravitasi Newton (dilambangkan dengan "G") begitu saja, mungkin karena gravitasi cukup dapat diprediksi. Kami menyebutnya konstanta gravitasi Newton karena Newton adalah orang pertama yang benar-benar membutuhkannya untuk membantu menggambarkan hukum geraknya yang terkenal. Dengan menggunakan kalkulusnya yang baru ditemukan, ia mampu memperluas hukum geraknya untuk menjelaskan perilaku segala sesuatu mulai dari apel yang jatuh dari pohon hingga orbit planet-planet di sekitar matahari. Tetapi tidak ada dalam matematika yang mengatakan kepadanya betapa seharusnya gravitasi yang kuat - yang harus diukur secara eksperimental dan dimasukkan ke dalam untuk membuat hukum bekerja.
Dan pada dasarnya sudah seperti itu selama berabad-abad - mengukur G sendiri dan memasukkannya ke dalam persamaan saat dibutuhkan. Saat ini, kita memiliki pemahaman gravitasi yang lebih canggih, berkat teori relativitas umum Einstein, yang menggambarkan bagaimana gravitasi muncul dari distorsi ruang-waktu itu sendiri. Dan salah satu landasan relativitas adalah bahwa hukum fisik harus tetap sama di semua kerangka referensi.
Ini berarti bahwa jika satu pengamat dalam kerangka referensi tertentu - katakanlah, seseorang yang berdiri di permukaan bumi, atau mengambang di tengah ruang - mengukur kekuatan gravitasi tertentu (Newton's G), maka nilai yang sama harus berlaku sama sepanjang ruang dan waktu. Ini hanya dimasukkan ke dalam matematika dan asumsi kerja mendasar dari teori Einstein.
Di sisi lain, kita tahu bahwa relativitas umum adalah teori gravitasi yang tidak lengkap. Ini tidak berlaku untuk dunia kuantum - misalnya, partikel bty-itty yang membentuk elektron atau proton - dan pencarian aktif untuk menemukan teori gravitasi kuantum yang benar. Salah satu kandidat untuk teori semacam itu disebut teori string, dan dalam teori string tidak ada angka yang hanya perlu dilemparkan.
Dalam teori string, semua yang kita ketahui tentang alam, mulai dari jumlah partikel dan gaya hingga semua sifatnya, termasuk konstanta gravitasi, harus muncul secara alami dan elegan dari matematika itu sendiri. Jika ini benar, maka konstanta gravitasi Newton bukan hanya bilangan acak - ini merupakan hasil dari beberapa proses rumit yang beroperasi pada tingkat subatomik, dan itu tidak harus konstan sama sekali. Dan dalam teori string, ketika alam semesta tumbuh dan berubah, konstanta fundamental alam mungkin berubah seiring dengannya.
Semua ini menimbulkan pertanyaan: Apakah konstanta Newton benar-benar konstan? Einstein memberi tegas dan jelas Iya, dan teori string memberikan tegas dan jelas mungkin.
Saatnya melakukan beberapa tes.
Einstein diadili
Selama beberapa tahun terakhir, para ilmuwan telah merancang eksperimen yang sangat sensitif tentang kekuatan gravitasi di Bumi dan di sekitar kita. Eksperimen ini memberikan beberapa kendala ketat pada variasi dalam G, tetapi hanya selama beberapa tahun terakhir. Bisa jadi konstanta Newton bervariasi sangat lambat, dan kita belum mencari dengan cukup lama.
Di ujung lain spektrum, jika Anda bermain dengan konstanta fundamental alam, Anda akan mulai mengacaukan fisika alam semesta awal, yang terlihat oleh kita dalam bentuk apa yang disebut latar belakang gelombang mikro kosmik. Ini adalah pola cahaya sisa-sisa dari saat alam semesta baru berusia beberapa ratus ribu tahun. Pengamatan terperinci dari cahaya latar belakang itu juga menempatkan kendala pada konstanta gravitasi, tetapi kendala ini jauh kurang tepat daripada yang ditemukan dari tes yang dapat kita lakukan di halaman belakang kita sendiri.
Baru-baru ini, para astronom telah menyusun uji variasi dalam G yang menyerang jalan tengah yang baik antara dua ekstrem ini, yang mereka gambarkan secara online di jurnal pracetak arXiv. Ini adalah tes presisi relatif tinggi; tidak setepat yang berbasis bumi tetapi jauh lebih baik daripada yang kosmis, dan juga memiliki manfaat rentang waktu miliaran tahun.
Ternyata kita dapat mencari perubahan dalam konstanta gravitasi Newton dengan melihat goyangan salah satu bintang tertua di alam semesta.
Ada di goyangan
Teleskop luar angkasa Kepler terkenal untuk berburu planet ekstrasurya, tetapi secara umum itu sangat bagus untuk menatap bintang-bintang dalam jangka waktu yang lama, bahkan mencari variasi yang sedikit pun. Dan beberapa variasi itu hanya datang dari fakta bahwa bintang-bintang, well, bervariasi dalam kecerahannya. Faktanya, bintang-bintang berdenyut dan bergetar dari gelombang suara yang menerjang di dalamnya, seperti gempa bumi - keduanya terbuat dari bahan (superhot dan plasma padat jika matahari) yang dapat bergetar.
Gempa dan getaran ini pada permukaan bintang memengaruhi kecerahannya dan memberi tahu kami tentang struktur interior. Interior bintang tergantung pada massa dan umurnya. Ketika bintang berevolusi, ukuran inti dan dinamika semua lapisan dalamnya berubah; perubahan itu memengaruhi apa yang terjadi di permukaan.
Dan jika Anda mulai bermain-main dengan konstanta alam, seperti Newton's G, itu mengubah cara bintang berevolusi selama masa hidup mereka. Jika konstanta Newton benar-benar konstan, maka bintang-bintang harus perlahan-lahan meningkatkan kecerahan dan suhu dari waktu ke waktu, karena ketika mereka membakar hidrogen dalam inti mereka, mereka meninggalkan benjolan helium yang lembam. Helium ini menghalangi proses fusi, mengurangi efisiensinya, memaksa bintang untuk membakar pada kecepatan yang lebih cepat untuk mempertahankan keseimbangan, menjadi lebih panas dan lebih cerah dalam proses.
Jika konstanta Newton perlahan menurun seiring waktu, proses pencerahan dan pemanasan ini akan beroperasi pada rentang waktu yang jauh lebih cepat. Tetapi jika konstanta Newton berperilaku sebaliknya dan terus meningkat seiring waktu, bintang-bintang akan benar-benar turun dalam suhu untuk sementara waktu, lalu tahan suhu itu sementara ratcheting dalam kecerahan seiring bertambahnya usia.
Tetapi perubahan ini benar-benar terlihat hanya dalam periode waktu yang sangat lama, jadi kita tidak dapat benar-benar melihat matahari kita sendiri - yang berusia sekitar 4,5 miliar tahun - sebagai contoh yang baik. Juga, bintang-bintang besar tidak berumur panjang, dan mereka juga memiliki interior yang sangat rumit yang sulit untuk ditiru.
Dalam KIC 7970740 datang untuk menyelamatkan, bintang hanya tiga perempat massa matahari kita yang telah terbakar selama setidaknya 11 miliar tahun. Laboratorium yang sempurna.
Setelah menatap bintang ini, para astronom mengambil data Kepler bertahun-tahun dan membandingkannya dengan berbagai model evolusi bintang, termasuk yang memiliki variasi dalam G. Newton. Kemudian, mereka mengikat model-model itu dengan pengamatan seismologi - goyangan - di permukaan. Berdasarkan pengamatan mereka, konstanta Newton benar-benar konstan, setidaknya sejauh yang mereka tahu, tanpa perubahan terdeteksi pada tingkat 2 bagian dalam satu triliun (seperti mengetahui jarak antara Los Angeles dan New York City dengan lebar bakteri tunggal) selama 11 miliar tahun terakhir.
Dari mana konstanta Newton berasal dan bagaimana konstanta itu tetap konstan? Kami tidak memiliki jawaban untuk pertanyaan itu, dan sejauh yang bisa kami katakan, Newton tidak ke mana-mana dalam waktu dekat.
- 18 Misteri Terbesar yang Belum Terpecahkan dalam Fisika
- 11 Fakta Menarik Tentang Galaksi Bima Sakti Kita
- Satu Angka Menunjukkan Sesuatu yang Secara fundamental Salah dengan Semesta Kita
Paul M. Sutter adalah seorang astrofisikawan di Universitas Negeri Ohio, tuan rumah dari Tanya seorang angkasawan dan Radio luar angkasa, dan penulis Tempat Anda di Alam Semesta.
