Фундаментальные физические константы и измерения их значений
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ И ИЗМЕРЕНИЯ ИХ ЗНАЧЕНИЙ (Р.Шелдрейк)
«Физические константы» представляют собой числа, которые ученые используют в своих вычислениях. В от¬личие от математических констант вроде числа π, зна¬чения констант различных природных явлений не могут быть вычислены чисто математически, а зависят от лабораторных измерений.
Как следует из самого их названия, так называемые физические константы должны иметь постоянное зна¬чение. Считается, что они отражают неизменность за¬конов природы. В этой главе я намерен проследить, ка¬ким образом значения фундаментальных физических констант на практике изменялись в течение последних десятилетий, и высказать некоторые предположения по поводу исследования природы таких изменений.
В справочниках по физике и химии перечисляется мно¬жество различных постоянных - к примеру, точки плав¬ления и кипения тысяч различных химических соедине¬ний, списки которых занимают сотни страниц. В частно¬сти, точка кипения этилового спирта в обычных условиях составляет плюс 78,5°С, а точка перехода в твердое состо-яние - минус 117,3°С. Но некоторые константы лежат в основе физических вычислений. Приведем список семи констант, которые считаются основными (таблица I)
Таблица 1
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ КОНСТАНТЫ
Фундаментальная константа Символ
Скорость света в вакууме c
Элементарный электрический заряд e
Масса электрона mc
Масса протона mp
Число Авогадро NA
Постоянная Планка h
Гравитационная постоянная G
Постоянная Больцмана k
Все перечисленные константы выражаются в опре¬деленных единицах измерения. Например, скорость све¬та в вакууме выражается в метрах в секунду. Если из¬меняется единица измерения, меняется и значение кон¬станты. Но единицы измерения вводятся человеком и зависят от конкретного содержания, заложенного в определение этой единицы. Это содержание может время от времени изменяться. В частности, в 1790 г. декре¬том Французской национальной ассамблеи метр был оп¬ределен как одна десятимиллионная доля дуги земного меридиана, проходящего через Париж. На этой величи¬не основывалась вся метрическая система, утвержденная особым законом. Позднее выяснилось, что первоначаль¬ные измерения длины меридиана оказались неточными. В 1799 г. было введено новое определение метра. За точ¬ку отсчета была принята длина эталонного стержня, который хранился во Франции под официальным надзо¬ром. В 1960 г. вводится очередное определение метра. Ему соответствовало определенное число длин волн, ис-пускаемых атомами одного из изотопов криптона. Нако¬нец, в 1983 г. метр был определен как расстояние, кото¬рое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.
Значение констант изменяется не только при выборе новых единиц измерения. Официально признанные зна¬чения фундаментальных констант корректируются и после того, как проводятся новые, более точные измере¬ния. Эти значения постоянно уточняются экспертами и международными комиссиями. Старые значения кон¬стант заменяются новыми, основанными на самых после-дних «лучших показаниях», получаемых в расположен¬ных по всему миру лабораториях. Далее я подробно рас¬смотрю четыре примера: гравитационную постоянную (G), скорость света в вакууме (с), постоянную Планка (h), а также постоянную тонкой структуры (α), значе¬ние которой выводится из заряда электрона (е), скорос¬ти света в вакууме и постоянной Планка.
«Лучшие» значения уже по определению являются ре¬зультатом тщательного отбора. Во-первых, эксперимен¬таторы склонны отбрасывать те данные, которые выхо¬дят за пределы ожидаемого интервала значений, считая их ошибочными. Во-вторых, после исключения подавляющего большинства отклоняющихся от нормы резуль¬татов различные значения, получаемые в конкретной ла-боратории, сглаживаются за счет сопоставления с ранее полученными данными и выведения среднего показателя, в результате чего окончательное значение константы оказывается подверженным ряду коррекций, в достаточ¬ной степени произвольных. Наконец, результаты, полу¬ченные в лабораториях, расположенных в различных уголках Земли, тщательно отбираются, усредняются и затем выдаются в качестве официального значения дан¬ной константы.
Измерение фундаментальных констант - вотчина специалистов, называемых метрологами. В прошлом в этой области преобладали отдельные исследователи - к примеру, американский ученый Р.Т. Бердж из Кали¬форнийского университета в городе Беркли, который безраздельно господствовал в метрологии в 20-40-е гг. XX в. В наши дни окончательные величины физических констант устанавливаются международными комитета¬ми и экспертами. Официальные величины этих констант зависят от целой серии решений, принимаемых самими экспериментаторами, ведущими специалистами в метро¬логии, членами специальных комитетов. Вот как Бердж описывает процесс определения константы:
«Каждый раз для каждой отдельно взятой констан¬ты решение по поводу ее наиболее вероятной вели¬чины требует определенного набора суждений. (...) При этом в ходе отбора данных и вывода окончатель¬ного заключения каждый исследователь руковод¬ствуется собственным набором суждений» .
ВЕРА В ВЕЧНЫЕ ИСТИНЫ
На практике значения физических констант со временем изменяются, но в теории все они считаются неизменны¬ми. Противоречия между теорией и практикой отметают¬ся без какого-либо обсуждения - на том основании, что все различия между теоретическими и эксперименталь¬ными значениями физических констант появляются вследствие ошибок эксперимента, а поэтому значения, полученные в результате последних лабораторных опы¬тов, считаются самыми точными. От прежних значений отказываются и со временем их забывают.
Что, если значения физических констант действи¬тельно изменяются? Возможно ли, что меняются сами основополагающие принципы природы? Перед тем как задуматься над этим вопросом, необходимо определить¬ся с самым фундаментальным положением науки, какое нам известно, - с верой в единообразие природы. Для убежденного сторонника этой теории сама постановка вопроса звучит абсурдно: постоянные являются посто¬янными по определению.
Большинство физических констант измерены в од¬ном только уголке Вселенной, и только в течение пос¬ледних нескольких десятилетий, причем реальные ре¬зультаты измерений непредсказуемым образом варьи¬ровались. Утверждение, что значения всех констант остаются постоянными независимо от места и времени измерения, не является экстраполяцией полученных результатов. Такая экстраполяция выглядела бы весь¬ма странно. Значения констант, полученные в резуль¬тате измерений на Земле, значительно изменились за последние пятьдесят лет, и у нас слишком мало доказа¬тельств, позволяющих утверждать, что нигде во Вселен-ной эти константы не менялись в течение последних 15 миллиардов лет. Сам факт, что такое предположение практически не обсуждается и принимается без доказа¬тельств, показывает, насколько в науке укоренилась вера в вечные истины.
В соответствии с традиционными научными воззре¬ниями, в природе все управляется фиксированными за¬конами и неизменными константами. Законы природы остаются одними и теми же в любое время и в любом месте. Строго говоря, это означает, что они находятся вне времени и пространства. В таком случае законы природы ближе к «идеям» в понимании Платона, чем к развивающейся материи. Они игнорируют материю, энергию, поля, пространство и время. Короче говоря, они не содержат в себе ничего. Они нематериальны и находятся вне физического существования. Так же как идеи Платона, они лежат в основе всех явлений в каче¬стве скрытой причины, или «логоса», пребывающего вне времени и пространства.
Разумеется, каждый согласится, что законы приро¬ды в том виде, как они формулируются учеными, меняются со временем, поскольку старые теории частично или полностью заменяются новыми взглядами. Напри¬мер, теория всемирного тяготения, выдвинутая Ньютоном, рассматривала силу, зависимую от расстояния, которая действовала в абсолютно неизменных и независимых друг от друга времени и пространстве. Затем на смену ей пришла теория Эйнштейна, в которой грави¬тационное поле состоит из связанной структуры искривленного пространства-времени. Но и Ньютон, и Эйнштейн разделяли веру Платона в то, что во всех естественных науках в основе сменяющих друг друга теорий лежат истинные вечные законы, универсальные и непреложные. Никто из них не сомневался в постоян-стве констант, и во многом их всемирная слава обусловлена достижениями в этой области: Ньютон ввел в прак¬тику гравитационную постоянную, а Эйнштейн произ¬вел расчеты, которые позволили объявить скорость света в вакууме - с - абсолютной константой. В совре¬менной теории относительности с является математиче¬ской константой, параметром, равным отношению единиц пространства к единицам времени. Его значение являет¬ся постоянным по определению. Вопрос о том, может ли скорость света в вакууме отличаться от значения с, тео¬ретически иногда рассматривается, но всерьез никого не интересует.
Для основателей современной науки - Коперника, Кеплера, Галилея, Декарта и Ньютона - законы при¬роды были неизменными Идеями в Божественном Ра¬зуме. Бог для этих ученых был своего рода математи¬ком. Открытие математических законов природы пред-ставлялось непосредственным проникновением в сущность вечного Божественного Разума . Такое от¬ношение к законам природы встречается и у совре¬менных физиков .
К концу XVIII в. многие высокообразованные люди приняли новое мировоззрение, названное деизмом. Оно предполагает, что над миром стоит бесконечно удален¬ное, рациональное, математически точное божество, которое не смущает верующего живыми чертами биб-лейского Бога. Это высшее существо познается чело¬веческим разумом, не нуждающимся ни в Божественном откровении, ни в религиозных организациях. Божество деизма создало Вселенную, после чего уже не играет в ней активной роли: все происходит само по себе в соот-ветствии с законами и константами природы. Эти зако¬ны, как свойства Божественного Разума, стали симво¬лами божества. Они были абсолютными, универсальны¬ми, неизменными и всемогущими. В начале XIX в. деизм постепенно стал уступать место атеизму. Как выразил¬ся французский физик Анри Лаплас, Бог стал «ненуж¬ной гипотезой». Вечность материи и энергии подтверж¬далась законами сохранения материи и энергии. Веч¬ность законов природы и неизменность физических констант просто принимались без доказательств. Нематериальные математические принципы природы счита¬лись беспричинными, самостоятельными, сложившими¬ся неким таинственным образом. По сути дела, они при¬знавались только самими математиками.
Вплоть до 60-х гг. XX в. в ортодоксальной физике Вселенная все еще считалась вечной. Однако в течение нескольких десятилетий накапливались доказательства расширения Вселенной, а в 1965 г. открытие космиче¬ского микроволнового фонового излучения в конце концов привело к грандиозному перевороту в космоло¬гии. Была принята теория Большого взрыва. На смену вечной машиноподобной Вселенной, постепенно при¬ближающейся к термодинамической тепловой смерти, пришла модель растущего, развивающегося, эволюционирующего космоса. Если некогда произошло рожде¬ние космоса (первоначальная «сингулярность», как вы¬ражаются физики), вновь появляются прежние вопро¬сы. Откуда и из чего появилось все, что находится вокруг нас? Почему Вселенная такова, какова она есть? Появляется и новый вопрос: если сама природа эволю¬ционирует, почему вместе с ней не могут эволюционировать и ее законы? Если законы описывают изменяю¬щуюся природу, они должны изменяться вместе с ней. Большинство физиков продолжают следовать тради-ционному подходу Платона. Законы не рождаются са¬мим эволюционирующим космосом, а вводятся для его описания. Они присутствуют изначально, как своего рода космический «кодекс Наполеона». Каким-то обра¬зом из вечной, нефизической, чисто умозрительной об¬ласти - из разума математического божества, а то и просто из некоего самосущего царства математики - в первичном взрыве из пустоты появляется Вселенная. Вот как описывает это физик Хайнц Пагельс:
«Полное отсутствие чего-либо "перед" образовани¬ем Вселенной - это самая абсолютная пустота, ка¬кую мы только можем себе представить: не существу¬ет ни пространства, ни времени, ни материи. Это мир без места, без длительности и вечности, без какой бы то ни было размерности - одним словом, то, что ма¬тематики называют "пустым множеством". И все-таки эта невообразимая пустота преобразуется в про¬странство, заполненное веществом, - как необходи¬мое следствие физических законов. Где же хранились эти законы, пока была пустота? Что "сообщило" пустоте, что она хранит в себе потенциальную Все¬ленную? Получается, что даже пустота подчиняет¬ся закону, некой логике, существовавшей еще до того, как появились пространство и время» .
Пытаясь создать математическую теорию окружаю¬щего мира, современные ученые признают эволюцион¬ную космологию, но в то же время сохраняют традиционную веру в вечность законов природы и инвариант¬ность фундаментальных констант. Таким образом получается, что эти законы каким-то образом уже присут¬ствовали в мире еще до первоначальной сингулярнос¬ти - или, вернее, они вообще существуют вне времени и пространства. Тем не менее вопросы остаются. Поче¬му эти законы существуют именно в таком виде, а не в каком-либо ином? Почему фундаментальные константы имеют именно те значения, которые мы им приписываем?
В настоящее время подобные вопросы обычно рас¬сматриваются с точки зрения антропного принципа: из всех возможных вариантов Вселенной только один, именно с тем набором величин, которые мы определи¬ли в настоящее время, мог породить мир, населенный живыми существами, и привести к появлению разума, позволяющего специалистам по космологии обсуждать эти проблемы. Если бы значения фундаментальных кон¬стант были иными, вполне возможно, что не было бы ни звезд, ни планет, ни людей. Даже при самом малом изменении численных значений этих констант нас могло бы вообще не быть. Например, при малейшем измене¬нии соотношения ядерных и электромагнитных сил об¬разование атомов углерода могло оказаться невозмож¬ным, но тогда не было бы и органических форм жизни, а следовательно, и нас с вами. «"Священный Грааль" со¬временной физики - объяснение, почему числовые зна¬чения этих констант (...) именно таковы, каковы они есть» .
Некоторые физики склоняются к своего рода нео¬деизму со стоящим в начале мира математическим божеством, которое точно подобрало значения фунда¬ментальных констант таким образом, чтобы из всех возможных вариантов реализовалась именно наша Вселенная, в которой мы смогли развиваться. Другие предпочитают вообще исключить любое божество. Одна из теорий, исключающих необходимость вмеша¬тельства со стороны некоего математического разума, задавшего численные значения фундаментальных констант, - предположение, что наша Вселенная была лишь частью «пены» потенциальных вселенных. Пер¬воначальный «пузырек», из которого она выросла, был одним из многих, но при этом она должна была иметь собственные константы, что и подтверждается самим фактом нашего существования. Каким-то образом наше существование стало возможно благодаря неко¬ему отбору. Допускается существование бесчисленно¬го множества еще не известных нам чужеродных и без¬жизненных вселенных, но имеется всего одна, кото¬рую мы можем познать.
Еще дальше в таких предположениях продвинулся Ли Смолин, который выдвинул своего рода концепцию космического дарвинизма. Через черные дыры новорож¬денные вселенные могут отпочковываться от ранее су¬ществовавших вселенных и продолжать существование уже самостоятельно. Некоторые из этих вселенных могут претерпевать определенные мутации в области численных значений фундаментальных констант и по¬тому изменять схему развития. Только те из них, кото¬рые могут образовывать звезды, способны создавать черные дыры и поэтому давать жизнь новым вселенным. Таким образом, с точки зрения космического «плодородия», только вселенные, подобные нашей, являются репродуктивными, и потому возможно существование множества более или менее сходных между собой обитаемых вселенных . Однако эта умозрительная теория не объясняет, почему какие-либо вселенные в принци¬пе должны существовать, чем именно определяются уп¬равляющие ими законы, что именно сохраняет, содер¬жит в себе и запоминает мутировавшие константы в отдельно взятой вселенной.
Примечательно, что все эти на первый взгляд чрез¬вычайно смелые рассуждения остаются вполне тради¬ционными в том отношении, что без каких-либо дока¬зательств признают существование вечных законов и неизменность фундаментальных констант - по край¬ней мере, в пределах данной конкретной вселенной. Эти устоявшиеся допущения рассматривают постоянство числовых значений фундаментальных констант как из¬начальную истину. Неизменность констант становится разновидностью веры, основанной на философии Пла¬тона и теологии. Тем не менее этот тезис до сих пор ос¬тается недоказанным. Официальные значения констант изменялись даже в течение нескольких последних деся-тилетий. Все попытки измерить эти константы с исполь¬зованием различных астрономических методов основы¬вались все на том же устойчивом предположении, что численные размеры констант уже заданы, то есть на концепции универсального постоянства природы. Далее я попытаюсь продемонстрировать, что такие представ¬ления о физических константах в той или иной степени основываются на одних и тех же, раз за разом повторя¬емых аргументах. Тем не менее «неисправленные» эмпи¬рические данные имеют мало общего с воззрениями убежденных ортодоксов, и, если измерения показыва¬ют отклонение от ожидаемой величины константы, что бывает не так уж редко, результаты считаются ошиб¬кой эксперимента. Самые последние результаты счита¬ются наиболее близкими к «истинному» значению той или иной константы.
Некоторые отклонения в определяемом эксперимен¬тальном значении действительно могут быть следстви¬ем ошибок, и такие ошибки сводят на нет все улучше¬ния в методах измерения и все усовершенствования приборов. Кроме того, все измерения имеют свои ограничения точности. Но не все отклонения в измеренных численных значениях фундаментальных констант явля¬ются следствием неизбежных ошибок или ограниченной точности использованной аппаратуры. 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 толь¬ко хаотическими, но и циклическими.
«Физические константы» представляют собой числа, которые ученые используют в своих вычислениях. В от¬личие от математических констант вроде числа π, зна¬чения констант различных природных явлений не могут быть вычислены чисто математически, а зависят от лабораторных измерений.
Как следует из самого их названия, так называемые физические константы должны иметь постоянное зна¬чение. Считается, что они отражают неизменность за¬конов природы. В этой главе я намерен проследить, ка¬ким образом значения фундаментальных физических констант на практике изменялись в течение последних десятилетий, и высказать некоторые предположения по поводу исследования природы таких изменений.
В справочниках по физике и химии перечисляется мно¬жество различных постоянных - к примеру, точки плав¬ления и кипения тысяч различных химических соедине¬ний, списки которых занимают сотни страниц. В частно¬сти, точка кипения этилового спирта в обычных условиях составляет плюс 78,5°С, а точка перехода в твердое состо-яние - минус 117,3°С. Но некоторые константы лежат в основе физических вычислений. Приведем список семи констант, которые считаются основными (таблица I)
Таблица 1
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ КОНСТАНТЫ
Фундаментальная константа Символ
Скорость света в вакууме c
Элементарный электрический заряд e
Масса электрона mc
Масса протона mp
Число Авогадро NA
Постоянная Планка h
Гравитационная постоянная G
Постоянная Больцмана k
Все перечисленные константы выражаются в опре¬деленных единицах измерения. Например, скорость све¬та в вакууме выражается в метрах в секунду. Если из¬меняется единица измерения, меняется и значение кон¬станты. Но единицы измерения вводятся человеком и зависят от конкретного содержания, заложенного в определение этой единицы. Это содержание может время от времени изменяться. В частности, в 1790 г. декре¬том Французской национальной ассамблеи метр был оп¬ределен как одна десятимиллионная доля дуги земного меридиана, проходящего через Париж. На этой величи¬не основывалась вся метрическая система, утвержденная особым законом. Позднее выяснилось, что первоначаль¬ные измерения длины меридиана оказались неточными. В 1799 г. было введено новое определение метра. За точ¬ку отсчета была принята длина эталонного стержня, который хранился во Франции под официальным надзо¬ром. В 1960 г. вводится очередное определение метра. Ему соответствовало определенное число длин волн, ис-пускаемых атомами одного из изотопов криптона. Нако¬нец, в 1983 г. метр был определен как расстояние, кото¬рое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.
Значение констант изменяется не только при выборе новых единиц измерения. Официально признанные зна¬чения фундаментальных констант корректируются и после того, как проводятся новые, более точные измере¬ния. Эти значения постоянно уточняются экспертами и международными комиссиями. Старые значения кон¬стант заменяются новыми, основанными на самых после-дних «лучших показаниях», получаемых в расположен¬ных по всему миру лабораториях. Далее я подробно рас¬смотрю четыре примера: гравитационную постоянную (G), скорость света в вакууме (с), постоянную Планка (h), а также постоянную тонкой структуры (α), значе¬ние которой выводится из заряда электрона (е), скорос¬ти света в вакууме и постоянной Планка.
«Лучшие» значения уже по определению являются ре¬зультатом тщательного отбора. Во-первых, эксперимен¬таторы склонны отбрасывать те данные, которые выхо¬дят за пределы ожидаемого интервала значений, считая их ошибочными. Во-вторых, после исключения подавляющего большинства отклоняющихся от нормы резуль¬татов различные значения, получаемые в конкретной ла-боратории, сглаживаются за счет сопоставления с ранее полученными данными и выведения среднего показателя, в результате чего окончательное значение константы оказывается подверженным ряду коррекций, в достаточ¬ной степени произвольных. Наконец, результаты, полу¬ченные в лабораториях, расположенных в различных уголках Земли, тщательно отбираются, усредняются и затем выдаются в качестве официального значения дан¬ной константы.
Измерение фундаментальных констант - вотчина специалистов, называемых метрологами. В прошлом в этой области преобладали отдельные исследователи - к примеру, американский ученый Р.Т. Бердж из Кали¬форнийского университета в городе Беркли, который безраздельно господствовал в метрологии в 20-40-е гг. XX в. В наши дни окончательные величины физических констант устанавливаются международными комитета¬ми и экспертами. Официальные величины этих констант зависят от целой серии решений, принимаемых самими экспериментаторами, ведущими специалистами в метро¬логии, членами специальных комитетов. Вот как Бердж описывает процесс определения константы:
«Каждый раз для каждой отдельно взятой констан¬ты решение по поводу ее наиболее вероятной вели¬чины требует определенного набора суждений. (...) При этом в ходе отбора данных и вывода окончатель¬ного заключения каждый исследователь руковод¬ствуется собственным набором суждений» .
ВЕРА В ВЕЧНЫЕ ИСТИНЫ
На практике значения физических констант со временем изменяются, но в теории все они считаются неизменны¬ми. Противоречия между теорией и практикой отметают¬ся без какого-либо обсуждения - на том основании, что все различия между теоретическими и эксперименталь¬ными значениями физических констант появляются вследствие ошибок эксперимента, а поэтому значения, полученные в результате последних лабораторных опы¬тов, считаются самыми точными. От прежних значений отказываются и со временем их забывают.
Что, если значения физических констант действи¬тельно изменяются? Возможно ли, что меняются сами основополагающие принципы природы? Перед тем как задуматься над этим вопросом, необходимо определить¬ся с самым фундаментальным положением науки, какое нам известно, - с верой в единообразие природы. Для убежденного сторонника этой теории сама постановка вопроса звучит абсурдно: постоянные являются посто¬янными по определению.
Большинство физических констант измерены в од¬ном только уголке Вселенной, и только в течение пос¬ледних нескольких десятилетий, причем реальные ре¬зультаты измерений непредсказуемым образом варьи¬ровались. Утверждение, что значения всех констант остаются постоянными независимо от места и времени измерения, не является экстраполяцией полученных результатов. Такая экстраполяция выглядела бы весь¬ма странно. Значения констант, полученные в резуль¬тате измерений на Земле, значительно изменились за последние пятьдесят лет, и у нас слишком мало доказа¬тельств, позволяющих утверждать, что нигде во Вселен-ной эти константы не менялись в течение последних 15 миллиардов лет. Сам факт, что такое предположение практически не обсуждается и принимается без доказа¬тельств, показывает, насколько в науке укоренилась вера в вечные истины.
В соответствии с традиционными научными воззре¬ниями, в природе все управляется фиксированными за¬конами и неизменными константами. Законы природы остаются одними и теми же в любое время и в любом месте. Строго говоря, это означает, что они находятся вне времени и пространства. В таком случае законы природы ближе к «идеям» в понимании Платона, чем к развивающейся материи. Они игнорируют материю, энергию, поля, пространство и время. Короче говоря, они не содержат в себе ничего. Они нематериальны и находятся вне физического существования. Так же как идеи Платона, они лежат в основе всех явлений в каче¬стве скрытой причины, или «логоса», пребывающего вне времени и пространства.
Разумеется, каждый согласится, что законы приро¬ды в том виде, как они формулируются учеными, меняются со временем, поскольку старые теории частично или полностью заменяются новыми взглядами. Напри¬мер, теория всемирного тяготения, выдвинутая Ньютоном, рассматривала силу, зависимую от расстояния, которая действовала в абсолютно неизменных и независимых друг от друга времени и пространстве. Затем на смену ей пришла теория Эйнштейна, в которой грави¬тационное поле состоит из связанной структуры искривленного пространства-времени. Но и Ньютон, и Эйнштейн разделяли веру Платона в то, что во всех естественных науках в основе сменяющих друг друга теорий лежат истинные вечные законы, универсальные и непреложные. Никто из них не сомневался в постоян-стве констант, и во многом их всемирная слава обусловлена достижениями в этой области: Ньютон ввел в прак¬тику гравитационную постоянную, а Эйнштейн произ¬вел расчеты, которые позволили объявить скорость света в вакууме - с - абсолютной константой. В совре¬менной теории относительности с является математиче¬ской константой, параметром, равным отношению единиц пространства к единицам времени. Его значение являет¬ся постоянным по определению. Вопрос о том, может ли скорость света в вакууме отличаться от значения с, тео¬ретически иногда рассматривается, но всерьез никого не интересует.
Для основателей современной науки - Коперника, Кеплера, Галилея, Декарта и Ньютона - законы при¬роды были неизменными Идеями в Божественном Ра¬зуме. Бог для этих ученых был своего рода математи¬ком. Открытие математических законов природы пред-ставлялось непосредственным проникновением в сущность вечного Божественного Разума . Такое от¬ношение к законам природы встречается и у совре¬менных физиков .
К концу XVIII в. многие высокообразованные люди приняли новое мировоззрение, названное деизмом. Оно предполагает, что над миром стоит бесконечно удален¬ное, рациональное, математически точное божество, которое не смущает верующего живыми чертами биб-лейского Бога. Это высшее существо познается чело¬веческим разумом, не нуждающимся ни в Божественном откровении, ни в религиозных организациях. Божество деизма создало Вселенную, после чего уже не играет в ней активной роли: все происходит само по себе в соот-ветствии с законами и константами природы. Эти зако¬ны, как свойства Божественного Разума, стали симво¬лами божества. Они были абсолютными, универсальны¬ми, неизменными и всемогущими. В начале XIX в. деизм постепенно стал уступать место атеизму. Как выразил¬ся французский физик Анри Лаплас, Бог стал «ненуж¬ной гипотезой». Вечность материи и энергии подтверж¬далась законами сохранения материи и энергии. Веч¬ность законов природы и неизменность физических констант просто принимались без доказательств. Нематериальные математические принципы природы счита¬лись беспричинными, самостоятельными, сложившими¬ся неким таинственным образом. По сути дела, они при¬знавались только самими математиками.
Вплоть до 60-х гг. XX в. в ортодоксальной физике Вселенная все еще считалась вечной. Однако в течение нескольких десятилетий накапливались доказательства расширения Вселенной, а в 1965 г. открытие космиче¬ского микроволнового фонового излучения в конце концов привело к грандиозному перевороту в космоло¬гии. Была принята теория Большого взрыва. На смену вечной машиноподобной Вселенной, постепенно при¬ближающейся к термодинамической тепловой смерти, пришла модель растущего, развивающегося, эволюционирующего космоса. Если некогда произошло рожде¬ние космоса (первоначальная «сингулярность», как вы¬ражаются физики), вновь появляются прежние вопро¬сы. Откуда и из чего появилось все, что находится вокруг нас? Почему Вселенная такова, какова она есть? Появляется и новый вопрос: если сама природа эволю¬ционирует, почему вместе с ней не могут эволюционировать и ее законы? Если законы описывают изменяю¬щуюся природу, они должны изменяться вместе с ней. Большинство физиков продолжают следовать тради-ционному подходу Платона. Законы не рождаются са¬мим эволюционирующим космосом, а вводятся для его описания. Они присутствуют изначально, как своего рода космический «кодекс Наполеона». Каким-то обра¬зом из вечной, нефизической, чисто умозрительной об¬ласти - из разума математического божества, а то и просто из некоего самосущего царства математики - в первичном взрыве из пустоты появляется Вселенная. Вот как описывает это физик Хайнц Пагельс:
«Полное отсутствие чего-либо "перед" образовани¬ем Вселенной - это самая абсолютная пустота, ка¬кую мы только можем себе представить: не существу¬ет ни пространства, ни времени, ни материи. Это мир без места, без длительности и вечности, без какой бы то ни было размерности - одним словом, то, что ма¬тематики называют "пустым множеством". И все-таки эта невообразимая пустота преобразуется в про¬странство, заполненное веществом, - как необходи¬мое следствие физических законов. Где же хранились эти законы, пока была пустота? Что "сообщило" пустоте, что она хранит в себе потенциальную Все¬ленную? Получается, что даже пустота подчиняет¬ся закону, некой логике, существовавшей еще до того, как появились пространство и время» .
Пытаясь создать математическую теорию окружаю¬щего мира, современные ученые признают эволюцион¬ную космологию, но в то же время сохраняют традиционную веру в вечность законов природы и инвариант¬ность фундаментальных констант. Таким образом получается, что эти законы каким-то образом уже присут¬ствовали в мире еще до первоначальной сингулярнос¬ти - или, вернее, они вообще существуют вне времени и пространства. Тем не менее вопросы остаются. Поче¬му эти законы существуют именно в таком виде, а не в каком-либо ином? Почему фундаментальные константы имеют именно те значения, которые мы им приписываем?
В настоящее время подобные вопросы обычно рас¬сматриваются с точки зрения антропного принципа: из всех возможных вариантов Вселенной только один, именно с тем набором величин, которые мы определи¬ли в настоящее время, мог породить мир, населенный живыми существами, и привести к появлению разума, позволяющего специалистам по космологии обсуждать эти проблемы. Если бы значения фундаментальных кон¬стант были иными, вполне возможно, что не было бы ни звезд, ни планет, ни людей. Даже при самом малом изменении численных значений этих констант нас могло бы вообще не быть. Например, при малейшем измене¬нии соотношения ядерных и электромагнитных сил об¬разование атомов углерода могло оказаться невозмож¬ным, но тогда не было бы и органических форм жизни, а следовательно, и нас с вами. «"Священный Грааль" со¬временной физики - объяснение, почему числовые зна¬чения этих констант (...) именно таковы, каковы они есть» .
Некоторые физики склоняются к своего рода нео¬деизму со стоящим в начале мира математическим божеством, которое точно подобрало значения фунда¬ментальных констант таким образом, чтобы из всех возможных вариантов реализовалась именно наша Вселенная, в которой мы смогли развиваться. Другие предпочитают вообще исключить любое божество. Одна из теорий, исключающих необходимость вмеша¬тельства со стороны некоего математического разума, задавшего численные значения фундаментальных констант, - предположение, что наша Вселенная была лишь частью «пены» потенциальных вселенных. Пер¬воначальный «пузырек», из которого она выросла, был одним из многих, но при этом она должна была иметь собственные константы, что и подтверждается самим фактом нашего существования. Каким-то образом наше существование стало возможно благодаря неко¬ему отбору. Допускается существование бесчисленно¬го множества еще не известных нам чужеродных и без¬жизненных вселенных, но имеется всего одна, кото¬рую мы можем познать.
Еще дальше в таких предположениях продвинулся Ли Смолин, который выдвинул своего рода концепцию космического дарвинизма. Через черные дыры новорож¬денные вселенные могут отпочковываться от ранее су¬ществовавших вселенных и продолжать существование уже самостоятельно. Некоторые из этих вселенных могут претерпевать определенные мутации в области численных значений фундаментальных констант и по¬тому изменять схему развития. Только те из них, кото¬рые могут образовывать звезды, способны создавать черные дыры и поэтому давать жизнь новым вселенным. Таким образом, с точки зрения космического «плодородия», только вселенные, подобные нашей, являются репродуктивными, и потому возможно существование множества более или менее сходных между собой обитаемых вселенных . Однако эта умозрительная теория не объясняет, почему какие-либо вселенные в принци¬пе должны существовать, чем именно определяются уп¬равляющие ими законы, что именно сохраняет, содер¬жит в себе и запоминает мутировавшие константы в отдельно взятой вселенной.
Примечательно, что все эти на первый взгляд чрез¬вычайно смелые рассуждения остаются вполне тради¬ционными в том отношении, что без каких-либо дока¬зательств признают существование вечных законов и неизменность фундаментальных констант - по край¬ней мере, в пределах данной конкретной вселенной. Эти устоявшиеся допущения рассматривают постоянство числовых значений фундаментальных констант как из¬начальную истину. Неизменность констант становится разновидностью веры, основанной на философии Пла¬тона и теологии. Тем не менее этот тезис до сих пор ос¬тается недоказанным. Официальные значения констант изменялись даже в течение нескольких последних деся-тилетий. Все попытки измерить эти константы с исполь¬зованием различных астрономических методов основы¬вались все на том же устойчивом предположении, что численные размеры констант уже заданы, то есть на концепции универсального постоянства природы. Далее я попытаюсь продемонстрировать, что такие представ¬ления о физических константах в той или иной степени основываются на одних и тех же, раз за разом повторя¬емых аргументах. Тем не менее «неисправленные» эмпи¬рические данные имеют мало общего с воззрениями убежденных ортодоксов, и, если измерения показыва¬ют отклонение от ожидаемой величины константы, что бывает не так уж редко, результаты считаются ошиб¬кой эксперимента. Самые последние результаты счита¬ются наиболее близкими к «истинному» значению той или иной константы.
Некоторые отклонения в определяемом эксперимен¬тальном значении действительно могут быть следстви¬ем ошибок, и такие ошибки сводят на нет все улучше¬ния в методах измерения и все усовершенствования приборов. Кроме того, все измерения имеют свои ограничения точности. Но не все отклонения в измеренных численных значениях фундаментальных констант явля¬ются следствием неизбежных ошибок или ограниченной точности использованной аппаратуры. 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 толь¬ко хаотическими, но и циклическими.