Теории изменяющихся фундаментальных констант

Могут быть и вполне реальные отклонения. В эволюционирующей вселенной можно вполне обоснованно предположить эволюцию фундаментальных констант. И эти изменения численных значений констант могут оказаться не только хаотическими, но и циклическими. ТЕОРИИ ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ КОНСТАНТ
Несколько физиков — к примеру, Артур Эддингтон и Поль Дирак — после долгих размышлений пришли к выводу, что по крайней мере некоторые из фундаментальных констант могут со временем изменять свои значения. В частности, Дирак высказал предположение, что численное значение гравитационной постоянной (G) может со временем уменьшаться, так как по мере расширения Вселенной уменьшается сила тяжести234. Однако все, кто высказывает подобные предположения, обычно спешат добавить, что ничуть не сомневаются в постоянстве законов природы, а лишь предполагают, что эти вечные законы управляют изменением констант.
Более радикальная гипотеза состоит в том, что эволюционируют сами законы. Философ Альфред Норт Уайтхед подчеркивает, что, если отбросить идею Платона об управляющих природой законах и рассмотреть сами природные закономерности, напрашивается вывод, что они непременно должны эволюционировать вместе с природой:
Поскольку законы природы зависят от отдельных характеристик составляющих ее объектов, изменения этих объектов неизбежно должны повлечь за собой изменения законов. Таким образом, современный эволюционный образ физической Вселенной должен включать законы природы, которые изменяются синхронно с объектами, составляющими окружающий мир. Поэтому концепция Вселенной как эволюционирующего субъекта с неизменными вечными законами должна быть отброшена235. Я предпочитаю вообще избегать термина закон, предполагающего образ божества как некоего верховного законодателя.

Более близкой к истине мне представляется идея, что упорядоченность природы подобна привычке или обычаю. Гипотеза морфического резонанса предполагает, что природе присуща совокупная память. Природа не находится под воздействием некоего внешнего математического разума, а руководствуется привычками, подчиняющимися принципу естественного отбора236.

При этом некоторые обычаи устойчивее других. К примеру, привычные природе структуры атомов водорода по своему происхождению чрезвычайно древние и имеют широчайшее распространение во всех уголках Вселенной — а привычный образ гиены таковым не является. Гравитационное и электромагнитное поля, атомы, галактики и звезды управляются древнейшими обычаями, возникшими в самый ранний период истории Вселенной. С этой точки зрения фундаментальные константы являются количественным выражением глубоко укоренившихся обычаев. На начальных стадиях они могли меняться, но после многократных повторений все более и более приближались к некоему фиксированному значению, и в конце концов их численное значение могло стать более или менее постоянным.

В этом отношении гипотеза обычая или привычки находится в согласии с общепринятым допущением о постоянстве констант, хотя объясняет это постоянство совершенно иначе.
Даже если отбросить идею эволюции фундаментальных констант, останутся по крайней мере две причины, по которым возможно изменение их численных значений. Во-первых, эти значения могут зависеть от астрономического окружения, которое изменяется при движении Солнца внутри галактики и по мере удаления самой нашей галактики от всех остальных. Во-вторых, значения констант могут колебаться или флуктуировать. Возможно даже, что флуктуации происходят в хаотическом режиме.

Современная теория хаоса дала возможность отойти от устаревшего детерминизма и осознать, что хаотическое движение в большинстве областей природы — явление вполне обычное237. С самого зарождения физики и до сих пор — под влиянием глубоко укоренившегося платонизма — константы оставались неизменными. Но что, если эти константы неупорядоченным образом изменяются?
Специалисты по метрологии вовсе не отметают гипотезу о том, что фундаментальные постоянные в ходе миллионов лет могут хотя бы в незначительной степени изменяться. Предпринимались различные попытки оценить эти возможные изменения каким-либо косвенным методом — к примеру, путем сравнения световых волн, приходящих к нам от относительно близких галактик и звезд, со световыми волнами от объектов, расположенных на расстоянии многих миллионов, а то и миллиардов световых лет. В основе таких методов лежит предположение, что систематические изменения численных значений фундаментальных констант, даже если они существуют, должны быть очень незначительными. Но проблема в том, что косвенные методы оценки зависят от многих допущений, влияние которых невозможно оценить непосредственно. Косвенное доказательство постоянства фундаментальных констант в той или иной мере опирается на одни и те же аргументы.

Более подробно я рассмотрю это доказательство, когда речь пойдет о каждой из рассматриваемых констант.
Даже если средние значения констант окажутся устойчивыми в течение длительного времени, конкретные значения могут отклоняться от средней величины в результате изменений во внеземном пространстве или вследствие хаотических флуктуации. Каковы же реальные факты?
НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ГРАВИТАЦИОННОЙ ПОСТОЯННОЙ
Гравитационная постоянная (G) впервые появилась в выведенном Ньютоном уравнении силы тяжести, в соответствии с которым сила гравитационного взаимодействия двух тел равна отношению умноженного на нее произведения масс этих взаимодействующих тел к квадрату расстояния между ними. Значение этой константы многократно измерялось с тех пор, как в 1798 г. было впервые определено в точном эксперименте Генри Кавендишем. Лучшие результаты измерений за последние 100 лет отображены на ил.

13.
В начальной стадии измерений наблюдался значительный разброс результатов, а затем прослеживается хорошая сходимость получаемых данных. Тем не менее даже после 1970 г. лучшие результаты колеблются в диапазоне от 6,6699 до 6,6745, то есть разброс составляет 0,07%238. (Единицы, в которых выражается значение гравитационной постоянной, имеют вид 10-11 м3 кг-1с-2 .)
Из всех известных фундаментальных констант именно численное значение гравитационной постоянной определено с наименьшей точностью, хотя важность этой величины трудно переоценить. Все попытки прояснить точное значение этой константы не увенчались успехом, а все измерения так и остались в слишком большом диапазоне возможных значений. Тот факт, что точность численного значения гравитационной постоянной до сих пор не превышает 1/5000, редактор журнала Нейчур определил как пятно позора на лице физики239.

В последние годы неопределенность действительно была так велика, что для объяснения гравитационных аномалий даже вводились совершенно новые силы.
В начале 80-х гг. Фрэнк Стейси со своими коллегами измерял эту константу в глубоких шахтах и скважинах Австралии, и полученное им значение оказалось примерно на 1% выше официального значения, принятого в настоящее время. Например, в серии экспериментов, проведенных в Квинсленде, в шахте Хилтон, было обнаружено, что значение гравитационной постоянной находится в пределах 6,734 0,002, в то время как официально признанное значение составляет 6,672 0,003240.

Результаты исследователей в Австралии были воспроизводимы и хорошо согласовывались друг с другом241, но вплоть до 1986 г. на них практически не обращали внимания.
Затем Эфрейн Фишбах из университета Вашингтона (Сиэтл) вызвал шок среди ученых, заявив, что его лабораторные измерения также показали небольшое отклонение от закона всемирного тяготения по Ньютону, причем полученные результаты хорошо согласовывались с данными австралийских ученых. Фишбах провел повторный анализ результатов, в 20-е гг. полученных Роландом Эотвесом и всегда считавшихся наглядным примером точных измерений. Он обнаружил, что в классических опытах отмечалась аналогичная аномалия в некоторых данных, которые затем были сочтены случайной ошибкой242.

На основе этих лабораторных испытаний и наблюдений в австралийских шахтах Фишбах предположил, что существует до тех пор неизвестная сила отталкивания, так называемая пятая сила (четырьмя известными взаимодействиями были сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное).
Дальнейшие тщательные измерения гравитационной постоянной, которые проводились в сверхглубоких скважинах, пробуренных в арктической полярной шапке, а также на значительных высотах, представили дополнительные свидетельства существования пятой силы243.

Ил. 13. Лучшие измерения значения гравитационной постоянной (G) с 1888 по 1989 гг.
Интерпретация полученных результатов зависела от того, каким образом учитывалось влияние геологических условий эксперимента, так как плотность окружающих скал воздействовала на измеряемую величину силы тяжести. Экспериментаторы были хорошо осведомлены об этом обстоятельстве и ввели в свои измерения соответствующие поправки. Скептики тем не менее утверждали, что поблизости могли находиться не учтенные экспериментаторами скалы необычайно высокой плотности, и необычную величину гравитационной постоянной определило именно воздействие этих скальных пород244.

Содержание раздела