Slechts vier cijfers ondersteunen de natuurkundige wetten. Daarom hebben wetenschappers al decennia lang gezocht naar verschillen in deze zogenaamde fundamentele constanten. Het vinden van een dergelijke variatie zou de fundamenten van de moderne wetenschap schommelen.
Om nog maar te zwijgen, het zou ten minste één gelukkige onderzoeker een gratis reis naar Stockholm garanderen, een glanzende nieuwe gouden medaille en een miljoen dollar.
Onlangs wendde een paar astronomen zich tot een van de oudste sterren in het heelal om de standvastigheid van een van de supersterren van de vier fundamentele natuurkrachten te testen - zwaartekracht. Ze keken de afgelopen paar miljard jaar terug in de tijd op eventuele inconsistenties.
Niet om het hele verhaal weg te geven, maar er worden nog geen Nobelprijzen uitgereikt.
De G-man
We nemen Newton's zwaartekrachtconstante (simpelweg aangeduid met "G") als vanzelfsprekend aan, waarschijnlijk omdat de zwaartekracht behoorlijk voorspelbaar is. We noemen het de zwaartekrachtconstante van Newton omdat Newton de eerste persoon was die het echt nodig had om zijn beroemde bewegingswetten te helpen beschrijven. Met behulp van zijn nieuw uitgevonden calculus kon hij zijn bewegingswetten uitbreiden om het gedrag van alles te verklaren, van appels die van een boom vallen tot de banen van de planeten rond de zon. Maar niets in zijn wiskunde vertelde hem hoe sterk de zwaartekracht zou moeten zijn - dat moest experimenteel worden gemeten en naar binnen geslopen om de wetten te laten werken.
En dat is in feite al eeuwen zo - het meten van G alleen en het indien nodig in de vergelijkingen steken. Tegenwoordig hebben we een meer verfijnd begrip van zwaartekracht, dankzij Einsteins algemene relativiteitstheorie, die beschrijft hoe zwaartekracht ontstaat door de vervorming van de ruimtetijd zelf. En een van de hoekstenen van relativiteit is dat natuurwetten in alle referentiekaders hetzelfde moeten blijven.
Dit betekent dat als een waarnemer in een bepaald referentiekader - bijvoorbeeld iemand die op het aardoppervlak staat of in het midden van de ruimte zweeft - een bepaalde zwaartekracht meet (Newton's G), dan moet diezelfde waarde gelijkelijk van toepassing zijn allemaal in ruimte en tijd. Het is simpelweg ingebakken in de wiskunde en fundamentele werkaannames van Einsteins theorie.
Aan de andere kant weten we dat algemene relativiteit een onvolledige theorie van de zwaartekracht is. Het is niet van toepassing op het kwantumrijk - bijvoorbeeld de kleine stukjes waaruit een elektron of een proton bestaat - en er wordt gezocht naar een echte kwantumtheorie van zwaartekracht. Een van die kandidaten voor een dergelijke theorie wordt snaartheorie genoemd, en in snaartheorie bestaat er niet zoiets als getallen die alleen maar moeten worden ingevoerd.
In de snaartheorie moet alles wat we over de natuur weten, van het aantal deeltjes en krachten tot al hun eigenschappen, inclusief de zwaartekrachtconstante, natuurlijk en elegant voortkomen uit de wiskunde zelf. Als dit waar is, dan is de zwaartekrachtconstante van Newton niet zomaar een willekeurig getal - het is een uitvloeisel van een ingewikkeld proces dat werkt op subatomair niveau en het hoeft helemaal niet constant te zijn. En dus in de snaartheorie, terwijl het universum groeit en verandert, kunnen de fundamentele constanten van de natuur mee veranderen.
Dit alles roept de vraag op: is de constante van Newton echt constant? Einstein geeft een stevig en duidelijk Ja, en de snaartheoretici geven een vast en duidelijk kan zijn.
Het is tijd om wat testen te doen.
Einstein staat terecht
De afgelopen jaren hebben wetenschappers zeer gevoelige experimenten bedacht met de zwaartekracht op aarde en in onze nabije omgeving. Deze experimenten geven enkele van de strengste beperkingen op variaties in G, maar alleen in de afgelopen jaren. Het kan zijn dat de constante van Newton ongelooflijk langzaam varieert en we hebben niet lang genoeg zorgvuldig gekeken.
Aan de andere kant van het spectrum, als je apen met de fundamentele constanten van de natuur, ga je de fysica van het vroege universum in de war brengen, wat voor ons zichtbaar is in de vorm van wat de kosmische microgolfachtergrond wordt genoemd. Dit is het nagloeiende lichtpatroon van toen het universum nog maar een paar honderdduizend jaar oud was. Gedetailleerde waarnemingen van dat achtergrondlicht plaatsen ook beperkingen op de zwaartekrachtconstante, maar deze beperkingen zijn veel minder nauwkeurig dan die gevonden in tests die we in onze eigen achtertuin kunnen doen.
Onlangs hebben astronomen een test van variaties in G bedacht die een goede middenweg vormt tussen deze twee uitersten, die ze online beschrijven in het voorgedrukte tijdschrift arXiv. Het is een test met relatief hoge precisie; niet zo nauwkeurig als op aarde, maar veel beter dan de kosmische, en het heeft ook het voordeel dat het letterlijk miljarden jaren beslaat.
Het blijkt dat we kunnen zoeken naar veranderingen in de zwaartekrachtconstante van Newton door te kijken naar het wiebelen van een van de oudste sterren in het universum.
Het zit in de wiggle
De Kepler-ruimtetelescoop staat bekend om zijn jacht op exoplaneten, maar over het algemeen is hij gewoon heel goed in het lang naar sterren staren, op zoek naar zelfs de kleinste variatie. En sommige van die variaties komen gewoon voort uit het feit dat sterren, nou ja, variëren in helderheid. Sterker nog, sterren pulseren en trillen van geluidsgolven die er in beuken, net als aardbevingen - beide zijn gemaakt van materialen (een superhot en dicht plasma in het geval van de zon) die kunnen trillen.
Deze aardbevingen en trillingen op het oppervlak van de ster beïnvloeden de helderheid en vertellen ons over de interne structuur. Het interieur van een ster hangt af van zijn massa en leeftijd. Naarmate sterren evolueren, veranderen zowel de grootte van de kern als de dynamiek van al zijn binnenlagen; die veranderingen hebben invloed op wat er aan de oppervlakte gebeurt.
En als je begint te rommelen met de constanten van de natuur, zoals Newton's G, verandert het hoe sterren evolueren in de loop van hun leven. Als de constante van Newton echt constant is, zouden sterren na verloop van tijd langzaam in helderheid en temperatuur moeten toenemen, omdat ze, terwijl ze waterstof in hun kernen verbranden, een inerte brok helium achterlaten. Dit helium staat het fusieproces in de weg, vermindert de efficiëntie ervan, dwingt sterren om sneller te branden om het evenwicht te bewaren, en wordt daardoor heter en helderder.
Als de constante van Newton in de loop van de tijd langzaam afneemt, zal dit proces van opheldering en verwarming veel sneller verlopen. Maar als de constante van Newton zich in de tegenovergestelde richting gedraagt en gestaag toeneemt met de tijd, zullen sterren een tijdje in temperatuur dalen, en die temperatuur vervolgens vasthouden terwijl ze in helderheid toenemen naarmate ze ouder worden.
Maar deze veranderingen zijn pas echt zichtbaar gedurende zeer lange perioden, dus we kunnen niet echt naar onze eigen zon kijken - die ongeveer 4,5 miljard jaar oud is - als een goed voorbeeld. Grote sterren hebben ook geen lang leven en ze hebben ook ongelooflijk ingewikkelde interieurs die moeilijk te modelleren zijn.
KIC 7970740 komt te hulp, een ster die slechts driekwart is van de massa van onze zon die al minstens 11 miljard jaar brandt. Een perfect laboratorium.
Na naar deze ster te hebben gestaard, hebben astronomen jaren Kepler-gegevens verzameld en vergeleken met verschillende modellen van de evolutie van de ster, waaronder die met variaties in Newton's G. Vervolgens hebben ze die modellen gekoppeld aan observaties van de seismologie - de wiebels - aan de oppervlakte. Op basis van hun waarnemingen is de constante van Newton echt constant, althans voor zover ze kunnen zien, zonder dat er veranderingen worden gedetecteerd op het niveau van 2 delen in een biljoen (zoals het kennen van de afstand tussen Los Angeles en New York City tot de breedte van een enkele bacterie) in de afgelopen 11 miljard jaar.
Waar komt de constante van Newton vandaan en hoe blijft deze zo constant? We hebben geen antwoord op die vraag, en voor zover we weten, gaat Newton niet snel ergens heen.
- De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde
- 11 fascinerende feiten over ons Melkwegstelsel
- Eén nummer laat zien dat er iets fundamenteel mis is met ons universum
Paul M. Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van Vraag een Spaceman en Space Radio, en auteur van Jouw plaats in het universum.
