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 «фундамен¬тальных констант» могут со временем изменять свои зна¬чения. В частности, Дирак высказал предположение, что численное значение гравитационной постоянной (G) мо¬жет со временем уменьшаться, так как по мере расшире¬ния Вселенной уменьшается сила тяжести . Однако все, кто высказывает подобные предположения, обычно спе¬шат 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 эво¬люционируют сами законы. Философ Альфред Норт Уайтхед подчеркивает, что, если отбросить идею Пла¬тона 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, измене¬ния этих объектов неизбежно должны повлечь за собой изменения законов. Таким образом, современ¬ный эволюционный образ физической Вселенной должен включать законы природы, которые изменя¬ются синхронно с объектами, составляющими окру¬жающий мир. Поэтому концепция Вселенной как эволюционирующего субъекта с неизменными вечны¬ми законами должна быть отброшена» . Я предпочитаю вообще избегать термина «закон», предполагающего образ божества как некоего верхов¬ного законодателя. Более близкой к истине мне пред¬ставляется идея, что упорядоченность природы подоб¬на привычке или обычаю. Гипотеза морфического резо¬нанса предполагает, что природе присуща совокупная память. Природа не находится под воздействием некое¬го внешнего математического разума, а руководствуется привычками, подчиняющимися принципу естествен¬ного отбора . При этом некоторые обычаи устойчивее других. К примеру, привычные природе структуры ато¬мов водорода по своему происхождению чрезвычайно древние и имеют широчайшее распространение во всех уголках Вселенной - а привычный образ гиены тако¬вым не является. Гравитационное и электромагнитное поля, атомы, галактики и звезды управляются древнейшими обычаями, возникшими в самый ранний период истории Вселенной. С этой точки зрения «фундамен¬тальные константы» являются количественным выра¬жением глубоко укоренившихся обычаев. На началь¬ных стадиях они могли меняться, но после многократ¬ных повторений все более и более приближались к некоему фиксированному значению, и в конце концов их численное значение могло стать более или менее по¬стоянным. В этом отношении гипотеза обычая или при¬вычки находится в согласии с общепринятым допуще¬нием о постоянстве констант, хотя объясняет это посто¬янство совершенно иначе.
Даже если отбросить идею эволюции фундаменталь¬ных констант, останутся по крайней мере две причины, по которым возможно изменение их численных значе¬ний. Во-первых, эти значения могут зависеть от астро¬номического окружения, которое изменяется при дви¬жении Солнца внутри галактики и по мере удаления самой нашей галактики от всех остальных. Во-вторых, значения констант могут колебаться или флуктуиро¬вать. 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 обычное . С само¬го зарождения физики и до сих пор - под влиянием глубоко укоренившегося платонизма - константы ос¬тавались неизменными. Но что, если эти константы неупорядоченным образом изменяются?
Специалисты по метрологии вовсе не отметают ги¬потезу о том, что фундаментальные постоянные в ходе миллионов лет могут хотя бы в незначительной степе¬ни изменяться. Предпринимались различные попытки оценить эти возможные изменения каким-либо косвен¬ным методом - к примеру, путем сравнения световых волн, приходящих к нам от относительно близких га¬лактик и звезд, со световыми волнами от объектов, расположенных на расстоянии многих миллионов, а то и миллиардов световых лет. В основе таких методов ле¬жит предположение, что систематические изменения численных значений фундаментальных констант, даже если они существуют, должны быть очень незначи¬тельными. Но проблема в том, что косвенные методы оценки зависят от многих допущений, влияние кото¬рых невозможно оценить непосредственно. Косвенное доказательство постоянства фундаментальных кон¬стант в той или иной мере опирается на одни и те же аргументы. Более подробно я рассмотрю это доказательство, когда речь пойдет о каждой из рассматрива¬емых констант.
Даже если средние значения констант окажутся ус¬тойчивыми в течение длительного времени, конкретные значения могут отклоняться от средней величины в ре¬зультате изменений во внеземном пространстве или вследствие хаотических флуктуации. Каковы же реаль¬ные факты?
НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ГРАВИТАЦИОННОЙ ПОСТОЯННОЙ
Гравитационная постоянная (G) впервые появилась в выведенном Ньютоном уравнении силы тяжести, в со¬ответствии с которым сила гравитационного взаимодей¬ствия двух тел равна отношению умноженного на нее произведения масс этих взаимодействующих тел к квад¬рату расстояния между ними. Значение этой констан¬ты многократно измерялось с тех пор, как в 1798 г. было впервые определено в точном эксперименте Генри Кавендишем. «Лучшие» результаты измерений за после¬дние 100 лет отображены на ил. 13.
В начальной стадии измерений наблюдался значительный разброс результатов, а затем прослеживается хорошая сходимость полу¬чаемых данных. Тем не менее даже после 1970 г. «луч¬шие» результаты колеблются в диапазоне от 6,6699 до 6,6745, то есть разброс составляет 0,07% . (Единицы, в которых выражается значение гравитационной посто¬янной, имеют вид ×10-11 м3 кг-1с-2 .)
Из всех известных фундаментальных констант имен¬но численное значение гравитационной постоянной определено с наименьшей точностью, хотя важность этой величины трудно переоценить. Все попытки про¬яснить 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 физики» . В последние годы неопределенность действительно была так велика, что для объяснения гравитационных аномалий даже вводились совершен¬но новые силы.
В начале 80-х гг. Фрэнк Стейси со сво¬ими коллегами измерял эту константу в глубоких шах¬тах и скважинах Австралии, и полученное им значение оказалось примерно на 1% выше официального значе¬ния, принятого в настоящее время. Например, в серии экспериментов, проведенных в Квинсленде, в шахте Хилтон, было обнаружено, что значение гравитацион¬ной постоянной находится в пределах 6,734 ± 0,002, в то время как официально признанное значение состав¬ляет 6,672 ± 0,003 . Результаты исследователей в Австралии были воспроизводимы и хорошо согласовы¬вались друг с другом , но вплоть до 1986 г. на них прак¬тически не обращали внимания.
Затем Эфрейн Фишбах из университета Вашингтона (Сиэтл) вызвал шок среди ученых, заявив, что его лабораторные измере¬ния также показали небольшое отклонение от закона всемирного тяготения по Ньютону, причем получен¬ные 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 ошиб¬кой . 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 гравитацион¬ной постоянной, которые проводились в сверхглу¬боких скважинах, пробуренных в арктической по¬лярной шапке, а также на значительных высотах, пред¬ставили дополнительные свидетельства существования «пятой силы» .
Интерпретация полученных результа¬тов зависела от того, каким образом учитывалось вли¬яние геологических условий эксперимента, так как плотность окружающих скал воздействовала на изме¬ряемую 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 пород . До настоя¬щего времени такая точка зрения преобладает, хотя вопрос о существовании «пятой силы» по-прежнему открыт. Эта тема остается предметом теоретических и экспериментальных изысканий .
Возможное существование «пятой силы» практиче¬ски не влияет на изменения гравитационной постоянной во времени. Однако сам факт, что в конце двадцатого столетия серьезно обсуждался вопрос о некой допол¬нительной силе, воздействующей на гравитацию, свиде-тельствует о том, что теория гравитации не слишком продвинулась вперед за три столетия после публикации «Начала» Ньютона.
Предположение Поля Дирака и других физиков-тео¬ретиков о том, что гравитационная постоянная может уменьшаться по мере расширения Вселенной, было вос¬принято некоторыми специалистами в метрологии доста¬точно серьезно. Однако предполагаемое Дираком изме¬нение было весьма незначительным - приблизительно 5/(1011) в год. Такое изменение нельзя подтвердить суще¬ствующими на сегодняшний день методами проводимых на Земле измерений, так как «лучшие» результаты, по¬лученные за последние двадцать лет, отличаются друг от друга более чем на 0,0005. Иными словами, предполагае¬мое изменение меньше разницы в существующих «луч-ших» результатах примерно в десять миллионов раз.
Для проверки предложенной Дираком гипотезы были опробованы различные косвенные методы. Одни из этих методов основывались на геологических данных - к примеру, на измерении угла наклона ископаемых песча¬ных дюн, по которому можно было вычислить силу тяжести, воздействующую в период образования этих дюн. В других методах использовались данные о затмениях за последние 3000 лет. При некоторых способах проверки применялись новейшие астрономические методы. В ходе одного из экспериментов, проводимых в рамках косми¬ческой программы, через равные промежутки времени измерялось расстояние до Луны. При этом использовал¬ся радар усложненной конструкции, которая позволила установить решетку с отражателями прямо на лунную поверхность. Время прохождения лазерных импуль¬сов - от момента пуска до регистрации телескопом - измерялось через равные промежутки времени. Более точный эксперимент с использованием радара удалось провести благодаря полету «Викинга» к Марсу: импуль¬сы к Земле посылались с поверхности Марса спускаемым аппаратом. Эти измерения продолжались с 1976 по 1982 гг. Если предположить, что скорость света в ваку¬уме остается постоянной, радарные методы позволяют определять расстояние от Марса до Земли с точностью в несколько метров. Полученные данные вводились в сложные математические модели орбит различных тел в Солнечной системе, в результате чего уточнялось их со¬ответствие установленному значению гравитационной постоянной. Однако такие вычисления допускали множе¬ство неопределенностей, включая предположения о воздействии на орбиту Марса крупных астероидов с не¬известной массой. Один вариант вычислений дал резуль¬таты, подтверждающие изменения гравитационной по¬стоянной на 0,2/(1011) в год . Другой метод вычислений, в котором использовались те же самые данные, дал результат, на порядок превышавший предыдущий, но и он был ниже 1/(1010 ) В ГОД .
Еще один астрономический метод заключался в изу¬чении динамики расстояния между объектами в двойном пульсаре. Уточнялось, действительно ли гравитацион¬ная постоянная за время наблюдений сохраняет неиз¬менную величину. Но и в этом случае при вычислениях использовалось слишком много предположений, что делает результаты исследования недостоверными для любого, кто захотел бы повторить эксперимент, изме¬нив принятые допущения .
Некоторые физики считают, что по крайней мере часть имеющихся данных указывает на незначительные изменения гравитационной постоянной во времени . На основе данных, полученных в экспериментах с Луной, часть ученых пришла к заключению, что гравитацион¬ная постоянная может меняться по меньшей мере в та¬кой степени, как предполагал Дирак , однако другие с этим не согласны . Патриарх британской метрологии Брайан Петли интерпретировал все эти исследования следующим образом:
«Если считать достоверными космологические изме¬рения времени и полагать, что мы обладаем достаточ¬ным пониманием гравитации, то изменения гравита¬ционной постоянной составят менее 1/иок>) в год. Этот вывод подтверждается рядом различных доказа¬тельств, часть которых получена в кратковременных экспериментах. Если считать изменения, предсказан¬ные Дираком, неверными, остается признать, что флуктуации значений гравитационной постоянной либо зависят от времени в крайне незначительной степени, либо имеют циклический характер, причем в настоящее время эти изменения особенно незначи¬тельны» .
Со всеми этими косвенными доказательствами про¬блема в том, что все они зависят от сложной цепи теоретических предположений, включая гипотезу о по¬стоянстве других физических констант. Они остаются убедительными только в рамках принятой системы воз-зрений. Если считать достоверными современные кос¬мологические теории, сами по себе предполагающие не¬изменность гравитационной постоянной G, то данные становятся внутренне согласованными только при усло¬вии, что все изменения от эксперимента к эксперимен-ту или от метода к методу мы будем считать результа¬том ошибки.