الاختبار الفلكي الأكثر دقة للكهرومغناطيسية حتى الآن

هناك مشكلة محرجة ومزعجة في فهمنا لقوانين الطبيعة والتي يحاول الفيزيائيون تفسيرها منذ عقود. يتعلق الأمر بالكهرومغناطيسية ، قانون كيفية تفاعل الذرات والضوء ، وهو ما يفسر كل شيء بدءًا من سبب عدم سقوطك على الأرض إلى سبب زرقة السماء.

ملكنا نظرية يمكن القول إن نظرية الكهرومغناطيسية هي أفضل نظرية فيزيائية صنعها الإنسان على الإطلاق – ولكن ليس لديها إجابة عن سبب قوة الكهرومغناطيسية كما هي. يمكن للتجارب فقط أن تخبرك بقوة الكهرومغناطيسية ، والتي تُقاس برقم يسمى α (يُعرف أيضًا باسم alpha ، أو ثابت البنية الدقيقة).

الفيزيائي الأمريكي ريتشارد فاينمان ، الذي ساعد في التوصل إلى النظرية ، يسمى هذا “أحد أعظم ألغاز الفيزياء اللعينة” وحث الفيزيائيين على “وضع هذا الرقم على حائطهم والقلق بشأنه”.

في بحث تم نشره للتو في علوم، قررنا اختبار ما إذا كانت α هي نفسها في أماكن مختلفة داخل مجرتنا من خلال دراسة النجوم التي هي تقريبًا توائم متطابقة لشمسنا. إذا كانت α مختلفة في أماكن مختلفة ، فقد تساعدنا في العثور على النظرية النهائية ، ليس فقط عن الكهرومغناطيسية ، ولكن لجميع قوانين الطبيعة معًا – “نظرية كل شيء”.

نريد كسر نظريتنا المفضلة

يريد الفيزيائيون حقًا شيئًا واحدًا: موقف ينهار فيه فهمنا الحالي للفيزياء. فيزياء جديدة. إشارة لا يمكن تفسيرها بالنظريات الحالية. لافتة لنظرية كل شيء.

للعثور عليه ، قد ينتظرون في أعماق الأرض في منجم ذهب لتصطدم جسيمات المادة المظلمة بكريستال خاص. أو ربما اعتني بعناية بأفضل الساعات الذرية في العالم لسنوات لمعرفة ما إذا كانت تخبرنا بوقت مختلف قليلاً. أو قم بتحطيم البروتونات معًا في (تقريبًا) سرعة الضوء في الحلقة التي يبلغ طولها 27 كم مصادم هادرون كبير.

المشكلة هي أنه من الصعب معرفة مكان البحث. لا يمكن لنظرياتنا الحالية أن ترشدنا.

بالطبع ، نحن نبحث في المختبرات على الأرض ، حيث يكون من الأسهل البحث بشكل شامل ودقيق. ولكن هذا يشبه إلى حد ما ملف سكران فقط يبحث عن مفاتيحه المفقودة تحت عمود الإنارة في حين أنه في الواقع قد يكون فقدهم على الجانب الآخر من الطريق ، في مكان ما في زاوية مظلمة.

النجوم رهيبة ، لكنها في بعض الأحيان متشابهة بشكل رهيب

قررنا أن ننظر إلى ما وراء الأرض ، وراءنا النظام الشمسي، لمعرفة ما إذا كانت النجوم التي هي تقريبًا توائم متطابقة لشمسنا تنتج نفس ألوان قوس قزح. تمتص الذرات الموجودة في الغلاف الجوي للنجوم بعض الضوء المتصارع للخارج من الأفران النووية في قلبها.

يتم امتصاص ألوان معينة فقط ، مما يترك خطوطًا داكنة في قوس قزح. يتم تحديد تلك الألوان الممتصة بواسطة α – لذا فإن قياس الخطوط الداكنة بعناية فائقة يتيح لنا أيضًا قياس α.

المشكلة هي أن أغلفة النجوم تتحرك – تغلي ، تدور ، تدور ، تتجشأ – وهذا يغير الخطوط. تفسد التحولات أي مقارنة مع نفس الخطوط في المختبرات على الأرض ، وبالتالي أي فرصة لقياس α. يبدو أن النجوم أماكن مروعة لاختبار الكهرومغناطيسية.

لكننا تساءلنا: إذا وجدت نجومًا متشابهة جدًا – توأمان لبعضهما البعض – فربما تكون ألوانها الداكنة والممتصة متشابهة أيضًا. لذا بدلاً من مقارنة النجوم بالمختبرات على الأرض ، قمنا بمقارنة توأمي شمسنا ببعضهما البعض.

اختبار جديد مع التوائم الشمسية

قام فريقنا من الطلاب وما بعد الدكتوراه وكبار الباحثين في جامعة سوينبرن للتكنولوجيا وجامعة نيو ساوث ويلز بقياس التباعد بين أزواج خطوط الامتصاص في شمسنا و 16 “توأمًا شمسيًا” —نجوم لا يمكن تمييزها تقريبًا عن شمسنا.

تم ملاحظة أقواس قزح من هذه النجوم على تلسكوب المرصد الأوروبي الجنوبي (ESO) بطول 3.6 متر في شيلي. على الرغم من أنه ليس أكبر تلسكوب في العالم ، إلا أن الضوء الذي يجمعه يتم إدخاله على الأرجح في أفضل مطياف يتم التحكم فيه وفهمه: هاربس. هذا يفصل الضوء إلى ألوانه ، ويكشف عن النمط التفصيلي للخطوط الداكنة.

يقضي HARPS معظم وقته في مراقبة النجوم الشبيهة بالشمس للبحث عن الكواكب. وبالفعل ، قدم هذا كنزًا دفينًا من البيانات التي نحتاجها بالضبط.

من هذه الأطياف الرائعة ، أظهرنا أن α كانت هي نفسها في التوائم الشمسية السبعة عشر بدقة مذهلة: 50 جزءًا فقط في المليار. هذا يشبه مقارنة طولك بمحيط الأرض. إنه الاختبار الفلكي الأكثر دقة الذي تم إجراؤه لـ α على الإطلاق.

لسوء الحظ ، لم تكسر قياساتنا الجديدة نظريتنا المفضلة. لكن ال النجوم لقد درسنا جميعًا قريبة نسبيًا ، على بعد ما يصل إلى 160 سنة ضوئية فقط.

ماذا بعد؟

لقد حددنا مؤخرًا توائم شمسية جديدة على مسافة أبعد بكثير ، في منتصف الطريق تقريبًا إلى مركز مجرتنا درب التبانة.

في هذه المنطقة ، يجب أن يكون هناك تركيز أعلى بكثير من المادة المظلمة – وهي مادة مراوغة يعتقد علماء الفلك أنها تتربص في جميع أنحاء المجرة وما بعدها. مثل α ، نحن نعرف القليل عن المادة المظلمة ، و بعض علماء الفيزياء النظرية نقترح أن الأجزاء الداخلية من مجرتنا قد تكون مجرد الزاوية المظلمة التي يجب أن نبحث عن روابط بين هذين “اللغزين اللعين للفيزياء”.

إذا تمكنا من رصد هذه الشموس البعيدة بأكبر التلسكوبات البصرية ، فربما نجد مفاتيح الكون.

تم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة بموجب رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقالة الأصلية.