Nur vier Zahlen untermauern die Gesetze der Physik. Deshalb haben Wissenschaftler jahrzehntelang nach Diskrepanzen bei diesen sogenannten Grundkonstanten gesucht. Eine solche Variation zu finden, würde die Grundlagen der modernen Wissenschaft erschüttern.
Ganz zu schweigen davon, dass mindestens ein glücklicher Forscher eine kostenlose Reise nach Stockholm, eine glänzende neue Goldmedaille und eine Million Dollar garantieren würde.
Kürzlich wandten sich zwei Astronomen an einen der ältesten Sterne des Universums, um die Konstanz eines der Superstars der vier fundamentalen Naturkräfte - der Schwerkraft - zu testen. Sie haben in den letzten Milliarden Jahren auf Unstimmigkeiten in der Zeit zurückgeschaut.
Nicht um die ganze Geschichte zu verraten, aber es werden noch keine Nobelpreise vergeben.
Der G-Mann
Wir halten Newtons Gravitationskonstante (einfach mit "G" bezeichnet) für selbstverständlich, wahrscheinlich weil die Schwerkraft ziemlich vorhersehbar ist. Wir nennen es Newtons Gravitationskonstante, weil Newton die erste Person war, die es wirklich brauchte, um seine berühmten Bewegungsgesetze zu beschreiben. Mit seinem neu erfundenen Kalkül konnte er seine Bewegungsgesetze erweitern, um das Verhalten von Äpfeln, die von einem Baum fallen, bis zu den Umlaufbahnen der Planeten um die Sonne zu erklären. Aber nichts in seiner Mathematik sagte ihm, wie stark die Schwerkraft sein sollte - das musste experimentell gemessen und hineingeschoben werden, damit die Gesetze funktionierten.
Und das ist im Grunde schon seit Jahrhunderten so - G allein messen und bei Bedarf in die Gleichungen einfügen. Heutzutage haben wir dank Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die beschreibt, wie die Schwerkraft aus der Verzerrung der Raumzeit selbst entsteht, ein besseres Verständnis der Schwerkraft. Und einer der Eckpfeiler der Relativitätstheorie ist, dass physikalische Gesetze in allen Referenzrahmen gleich bleiben sollten.
Dies bedeutet, dass, wenn ein Beobachter in einem bestimmten Referenzrahmen - beispielsweise jemand, der auf der Erdoberfläche steht oder mitten im Weltraum schwebt - eine bestimmte Schwerkraft misst (Newton's G), derselbe Wert gleichermaßen gelten sollte alles in Raum und Zeit. Es ist einfach in die Mathematik und die grundlegenden Arbeitsannahmen von Einsteins Theorie eingebettet.
Andererseits wissen wir, dass die allgemeine Relativitätstheorie eine unvollständige Gravitationstheorie ist. Es gilt nicht für den Quantenbereich - zum Beispiel für die kleinen Teilchen, aus denen ein Elektron oder ein Proton besteht - und es wird nach einer echten Quantentheorie der Schwerkraft gesucht. Einer dieser Kandidaten für eine solche Theorie heißt Stringtheorie, und in der Stringtheorie gibt es keine Zahlen, die nur hineingeworfen werden müssen.
In der Stringtheorie muss alles, was wir über die Natur wissen, von der Anzahl der Teilchen und Kräfte bis zu all ihren Eigenschaften, einschließlich der Gravitationskonstante, auf natürliche und elegante Weise aus der Mathematik selbst hervorgehen. Wenn dies zutrifft, ist Newtons Gravitationskonstante nicht nur eine Zufallszahl - sie ist das Ergebnis eines komplizierten Prozesses auf subatomarer Ebene und muss überhaupt nicht konstant sein. Und so können sich in der Stringtheorie, wenn das Universum wächst und sich ändert, die fundamentalen Konstanten der Natur einfach mit ihr ändern.
All dies wirft die Frage auf: Ist Newtons Konstante wirklich konstant? Einstein gibt eine feste und klare Jaund die Stringtheoretiker geben eine feste und klare könnte sein.
Es ist Zeit, einige Tests durchzuführen.
Einstein vor Gericht
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler sehr empfindliche Experimente zur Schwerkraft auf der Erde und in unserer näheren Umgebung durchgeführt. Diese Experimente geben einige der engsten Einschränkungen für Variationen in G, jedoch nur in den letzten Jahren. Es könnte sein, dass Newtons Konstante unglaublich langsam variiert und wir einfach nicht lange genug sorgfältig gesucht haben.
Am anderen Ende des Spektrums werden Sie, wenn Sie mit den fundamentalen Konstanten der Natur herumspielen, die Physik des frühen Universums durcheinander bringen, die für uns in Form des sogenannten kosmischen Mikrowellenhintergrunds sichtbar ist. Dies ist das Nachleuchtlichtmuster aus der Zeit, als das Universum nur einige hunderttausend Jahre alt war. Detaillierte Beobachtungen dieses Hintergrundlichts stellen auch Einschränkungen für die Gravitationskonstante dar, aber diese Einschränkungen sind viel weniger genau als diejenigen, die wir aus Tests in unserem eigenen Garten erhalten haben.
Kürzlich haben Astronomen einen Test für Variationen von G zusammengestellt, der einen guten Mittelweg zwischen diesen beiden Extremen darstellt, den sie online im Preprint-Journal arXiv beschreiben. Es ist ein relativ hochpräziser Test; Nicht so präzise wie die auf der Erde, aber weitaus besser als die kosmischen, und es hat auch den Vorteil, dass es buchstäblich Milliarden von Jahren umfasst.
Es stellt sich heraus, dass wir nach Änderungen der Newtonschen Gravitationskonstante suchen können, indem wir das Wackeln eines der ältesten Sterne im Universum betrachten.
Es ist im Wackeln
Das Kepler-Weltraumteleskop ist berühmt für die Jagd nach Exoplaneten, aber im Allgemeinen ist es wirklich gut darin, über lange Zeiträume auf Sterne zu starren und selbst nach der geringsten Variation zu suchen. Und einige dieser Variationen sind nur darauf zurückzuführen, dass die Helligkeit der Sterne unterschiedlich ist. Tatsächlich pulsieren und zittern Sterne von Schallwellen, die in ihnen herumschlagen, genau wie Erdbeben - beide bestehen aus Materialien (ein superschnelles und dichtes Plasma im Falle der Sonne), die vibrieren können.
Diese Beben und Köcher auf der Oberfläche des Sterns beeinflussen seine Helligkeit und erzählen uns von der inneren Struktur. Das Innere eines Sterns hängt von seiner Masse und seinem Alter ab. Während sich Sterne entwickeln, ändern sich sowohl die Größe des Kerns als auch die Dynamik aller seiner inneren Schichten. Diese Änderungen wirken sich auf das aus, was an der Oberfläche vor sich geht.
Und wenn Sie anfangen, mit den Konstanten der Natur herumzuspielen, wie Newtons G, ändert sich die Entwicklung der Sterne im Laufe ihres Lebens. Wenn die Newtonsche Konstante wirklich konstant ist, sollten Sterne im Laufe der Zeit langsam an Helligkeit und Temperatur zunehmen, da sie beim Verbrennen von Wasserstoff in ihren Kernen einen inerten Heliumklumpen zurücklassen. Dieses Helium behindert den Fusionsprozess, verringert seine Effizienz und zwingt die Sterne, schneller zu brennen, um das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, und wird dabei heißer und heller.
Wenn die Newtonsche Konstante mit der Zeit langsam abnimmt, läuft dieser Prozess des Aufhellens und Erhitzens auf viel schnelleren Zeitskalen ab. Wenn sich Newtons Konstante jedoch umgekehrt verhält und mit der Zeit stetig zunimmt, sinken die Temperaturen der Sterne tatsächlich für eine Weile. Halten Sie diese Temperatur dann fest, während die Helligkeit mit zunehmendem Alter zunimmt.
Diese Veränderungen sind jedoch nur über sehr lange Zeiträume erkennbar, sodass wir nicht wirklich auf unsere eigene Sonne - die etwa 4,5 Milliarden Jahre alt ist - als gutes Beispiel schauen können. Außerdem haben große Stars kein langes Leben und unglaublich komplizierte Innenräume, die schwer zu modellieren sind.
Zur Rettung kommt KIC 7970740, ein Stern, der nur drei Viertel der Masse unserer Sonne ausmacht, die seit mindestens 11 Milliarden Jahren brennt. Ein perfektes Labor.
Nachdem sie diesen Stern angestarrt hatten, nahmen die Astronomen jahrelange Kepler-Daten und verglichen sie mit verschiedenen Modellen der Sternentwicklung, einschließlich solcher mit Variationen in Newtons G. Dann banden sie diese Modelle an Beobachtungen der Seismologie - der Wackelbewegungen - an der Oberfläche. Basierend auf ihren Beobachtungen ist Newtons Konstante tatsächlich konstant, zumindest soweit sie es beurteilen können, ohne dass Änderungen auf der Ebene von 2 Teilen in einer Billion festgestellt werden (wie die Kenntnis der Entfernung zwischen Los Angeles und New York City bis zur Breite von a einzelnes Bakterium) in den letzten 11 Milliarden Jahren.
Woher kommt Newtons Konstante und wie bleibt sie so konstant? Wir haben keine Antwort auf diese Frage, und soweit wir das beurteilen können, wird Newton nicht so schnell irgendwohin gehen.
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Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University, Gastgeber von Fragen Sie einen Raumfahrer und Weltraumradiound Autor von Dein Platz im Universum.
