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著名的牛頓萬有引力常數果真恒定嗎?


天文在線天文在線百家榜創作者,優質科學領域創作者本文參加百家號#科學了不起#系列征文賽。我們知道,宇宙是由四個基本力控制的--強核力、弱核力...

- 2021年7月29日11時55分
- 科學文摘 / 天文在線

天文在線

百家榜創作者,優質科學領域創作者

本文參加百家號 #科學了不起# 系列征文賽。

我們知道,宇宙是由四個基本力控制的強核力、弱核力、電磁力以及引力。但是,如果仍然存在一個或多個我們仍未知曉的物理力,那會發生什麼呢?就此,科學界面臨著這樣的挑戰:去發現一個可以顛覆或者質疑這四個基本力的現象。

兩位天文學家考驗牛頓定律

首先我們得稍微回顧一下物理課的內容。伊薩克·牛頓是第一位真正探索重力問題的科學家。在他的一系列研究之前,我們認為重力是理所當然的,或者說是一種可預測的力。維基百科上載:萬有引力定律描繪了萬有引力是一種導致天體墜落和天體運動的力。

從這個原則開始,牛頓建立了解釋所有物體運動的法則,小到一個蘋果從樹上掉上來的過程,達到行星圍繞太陽運轉的軌道。

然而,直到通過阿爾伯特·愛因斯坦和他所建立的廣義相對論,我們才能更深入地理解引力。就此,我們要稍微注意一下,愛因斯坦的理論認為引力不是一種力,而是一種時空彎曲的表現。這種彎曲來自於以質量或動能形式的能量分配,這種分配隨著觀察者的參考系不同而有所差別。

但是,廣義相對論是一個不完整的引力理論,因為此理論並不能在量子領域內應用。反倒是弦理論在量子領域內似乎更加適用。弦理論認為隨著宇宙的擴大和變化,自然基本常數可能會同時改變。

為了弄清這個問題,科學家們開始進行實驗

近幾年,科學家們進行了一系列實驗來深入研究地球和其附近地區的重力強度。這些實驗顯示了重力常數G的嚴格變化,但也僅僅是在近些年來。也就是說,牛頓常數或許並不恒定,但卻沒有任何一次試驗可以持續足夠長的時間來讓科學家們觀測到這個事實。

宇宙背景輻射是一種在星空各個角度觀測都等值的電磁輻射,其輻射峰值在微波區間,微波(並非在廚房中的微波爐)是介於紅外線和廣播電波間的中等波長。俄亥俄州立大學的天文物理學家保羅·蘇特表示,通過觀測宇宙背景輻射,我們可以看到牛頓常數的某些變化。

牛頓常數能否保持恒定?是否會隨著時間減弱?

近來,天文學家在arXiv期刊上發表了關於:用開普勒天文望遠鏡觀星以測重力常數變化的實驗報告。
這次高精度的試驗同樣使我們認識到了數百萬年來恒星的演化。通過長時間觀測恒星,他們發現某些重力常數變化是源於恒星亮度的變化。更具體來說,就好像是恒星在來自外部聲波作用下的閃爍和顫抖。這些聲波作用在恒星表面會影響恒星亮度。然而,我們需要知道,恒星的構成會隨著它的質量和年齡產生差異。在恒星演化過程中,他的內核與所有內部構成層的動力學會變化,而且這些變化會影響到其表面的變化。

說回牛頓常數。如果牛頓常數確乎恒定,那麼恒星的亮度和溫度會隨著時間增長,因為恒星內核氫物質的燃燒會在其的航跡上留下大量氦氣惰性氣體。這些氦氣阻礙了聚變過程,減弱了其效率,並迫使恒星加速燃燒以維持平衡,結果使其更加熱和明亮。但是如果說牛頓常數隨時間緩慢減弱,那麼恒星亮度和熱度的加速本應該以更快的時間尺度進行。然而不巧,為了證實或是推翻這樣的假說,我們將需要在一段很長的時間內觀測更多的天體。

目前,牛頓的萬有引力常數似乎是顛撲不破的

然而,天文學家們發現了新的方法,著手去觀察KIC7970740這顆星體,它的質量是太陽的四分之三,並且從至少110億年前就開始燃燒。通過多年來在開普勒天文望遠鏡觀測這顆星,天文學家們匯編了數據,通過這些數據比較了恒星演化的不同模型,也考慮了牛頓引力的變化模型。

他們的分析結果表明牛頓萬有引力常數確實是恒定的,至少是基於對KIC7970740的觀測數據。
他們認為在這顆星體存在的110億年內,牛頓的重力常數是恒定的。在確認了這件事後,我們可以提出一個問題:為什麼這個常數會長久不變?但是,至少現在,沒有一位科學家可以對此作出解釋。

BY: dailygeekshow

FY: Sylvie穆涼

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