Помашите руками и убедитесь, не летите ли вы. Скорее всего, нет. Давление рук на воздух, направленное книзу, и противодействие в обратном направлении недостаточно сильны, чтобы вы преодолели земное притяжение. Необходимые физические величины диктуются законом всемирного тяготения Ньютона. (Независимо от его применимости на космологических расстояниях, здесь он работает превосходно.) Подъемная сила, нужная для полета, складывается из взаимодействия массы Земли, массы вашего тела, его расстояния от центра Земли и гравитационной постоянной, обозначаемой буквой G.

Уравнение Ньютона явилось результатом простого наблюдения: два тела притягивают друг друга, и G служит мерой силы этого притяжения. Любопытно, что данная константа не имеет теоретического объяснения. Ученые вывели ее экспериментальным путем, определив соотношение гравитации с другой известной силой — центробежной: той, что стремится сорвать Землю с орбиты. Но им не известно происхождение всемирного тяготения, а равно и то, почему его сила выражается именно этой величиной.

Гравитационная постоянная — пожалуй, самая известная из фундаментальных констант физики, коллекции чисел, которые описывают, насколько велики силы природы. Хотя все константы выведены эмпирически, а не из глубинного постижения природы вещей, они — неотъемлемая часть того, что мы называем законами физики: при описании природных явлений фундаментальные постоянные как раз и служат «законодательством». А поскольку мы привыкли думать, что взлететь, помахивая руками, человеку будет завтра не проще, чем сегодня, — то есть считаем законы вечными и неизменными, — то резонно предположить, что константы также не меняются со временем. Потому австралийский физик Джон Вебб связался с этой проблемой, можно сказать, на свой страх и риск.

Законы и константы помогают людям описать и освоить мир природы. Но что, если они изменяются с течением времени? Как говорит сам Вебб с ироническим смешком: «Кто сказал постоянным, что они всегда должны быть постоянными?»

 

Сейчас Джон Вебб — профессор в университете Нового Южного Уэльса в Сиднее, а впервые он занялся этим вопросом еще в те годы, когда учился в аспирантуре в Англии. Его научный руководитель, математик и космолог Джон Барроу, предложил Веббу заново рассмотреть проблему, впервые поднятую в 1930-е годы британским физиком Полом Дираком: всегда ли неизменны физические законы?

Универсальная теоретическая конструкция, именуемая стандартной моделью физики, оперирует двадцатью шестью числами, которые фигурируют в уравнениях, составленных для того, чтобы описать величины различных сил природы. Эти равенства выведены в ходе экспериментов, проделанных на поверхности планеты Земля, притом по преимуществу в двадцатом веке. Но кто поручится, что аналогичные опыты дали бы те же самые результаты, если бы они были поставлены на Альфе Центавра или даже в нашей Солнечной системе, но десятью миллиардами лет раньше?

Если требуется проверить, оставался ли объект неизменным в течение очень долгого времени, нужен как можно более старый образец. Вебб и Барроу быстро разыскали такой эталон: свет, испущенный 12 миллиардов лет назад квазарами — ядрами самых далеких и активных галактик. Световое излучение звезд описывает константа, известная под официальным именем «постоянная тонкой структуры», но чаще обозначаемая как альфа. Зафиксированное в наши дни свечение квазара соответствует альфе, какой она была все эти миллиарды лет назад, что и дает самый верный шанс «закрыть» вопрос Дирака. В 1999 году ответ, кажется, был получен.

Фотоны, принесшие его Джону Веббу, преодолели 12 миллиардов световых лет космоса, пока не добрались до гавайской обсерватории Кека на вершине горы Мауна-Кеа. Но самый большой интерес, как выяснилось, представляет не свет, попавший в линзы телескопа, а тот, что потерялся в пути. Так же, как Весто Слайфер в обсерватории Лоуэлла восемьюдесятью годами ранее, Вебб со своей группой составлял хроматические спектрограммы. Но в его «радуге» на месте некоторых цветов зияли пустые промежутки. Само по себе это не столь примечательно: следует ожидать, что в своем бесконечно долгом путешествии свет встретит те или иные препятствия — как правило, газовые облака, — которые поглощают волны строго определенной длины. Этот эффект и придает спектру такой вид, будто посреди оранжевой стены в вашей спальне декоратор оставил пару вертикальных пробелов.

Главной неожиданностью для Вебба оказалось то, что разрывы были «не на своих местах». Любой атом, будь он в межзвездном газовом облаке или на подошве ботинка, поглощает свет на строго определенных резонансных частотах. Для каждого вида атомов эти частоты индивидуальны, как отпечатки пальцев у людей. Таким образом, проанализировав спектр поглощения — то есть выяснив, что в нем есть и чего не хватает, — легко понять, с какими химическими элементами столкнулись фотоны на своем пути.

«Дактилоскопия» в спектрограмме Вебба соответствовала двум типам поглощения: можно было с уверенностью сказать, что свет квазара прошел через газовые облака, насыщенные магнием и железом. Но здесь обнаружилась проблема. В точности соответствуя известным распределениям, пустые промежутки в спектрограмме в то же время были слегка смещены, словно кто-то смазал всю картину. Одни спектральные линии сползли немного влево, другие — столь же незначительно вправо.

Озадаченный Вебб перепроверил расчеты. Тут-то и выяснилось: искажения спектра сразу приобретают смысл, если ввести одну небольшую поправку. А именно допустить, что во времена, когда свет пробивался сквозь облака металлических атомов, величина альфы несколько отличалась от своего нынешнего значения.

Умозаключение вполне логичное, но выйти с ним на публику было не так-то просто. Вебб тут же подвергся атаке; как он деликатно выражается, «люди усомнились в его здравомыслии», услышав, что мировая физическая константа могла измениться за длительный срок. Тем более такая фундаментальная, как альфа.

 

Альфа описывает процесс, происходящий всякий раз, когда световое излучение встречается с той или иной элементарной частицей. Взгляните на стену перед собой. Каков бы ни был ее цвет, вы его видите благодаря альфе — силе электромагнитного взаимодействия. Фотон сталкивается с атомом краски. Тот поглощает его энергию и использует ее, чтобы послать фотон, который попадет на сетчатку вашего глаза. Энергия этого фотона определяет длину его волны, а тем самым — видимый цвет. Если стена воспринимается как оранжевая, значит, у отраженных от нее фотонов энергия одной величины; если цвет сиреневый — величина другая, несколько выше (при этом речь идет об эквивалентах энергии, содержащейся в миллиардной части миллиардной доли изюминки). Это чистая эмпирика, а можно вычислить цветовые характеристики определенного красителя теоретическим путем, обратившись к альфе и квантовой структуре элементарных частиц краски.

На первый взгляд альфа — всего лишь число. Значение его примерно равно 0,0 072 974, или 1/137, если вы предпочитаете простые дроби. Вывести эту величину достаточно просто (правда, смотря какими единицами измерения пользоваться). Возводим в квадрат заряд электрона, затем делим на число, известное как постоянная Планка. Эта фундаментальная константа квантовой физики, обозначаемая символом h, описывает отношение энергии фотона к длине его волны (цвету лучей). Полученное частное делим на скорость света и умножаем на 2π. Результат и есть альфа.

Загвоздка в том, что альфа — не пособие по оформлению интерьеров, а теоретический фундамент всех наших знаний о мире, начиная… в общем, от нее самой и до омеги. Эта константа описывает, в частности, сколько энергии содержится в «пустоте» и как расширялась новорожденная Вселенная. В первые, условно говоря, три минуты после взрыва альфа включилась в игру, установив электромагнитные взаимодействия между новорожденными протонами; это определило, какие виды фотонов заполнят вакуум.

Когда начали формироваться первые звезды, водородные атомы в них стали сливаться, и ядра сплавила воедино огромная сила тяжести; именно альфа задала мощность световой и тепловой эмиссии. А поскольку эти излучения — единственное свидетельство о первых днях Вселенной, то почти все, что нам известно об истории космоса, поведала альфа. Пускай в ее формулу входят всего только скорость света, некая довольно скучная величина из квантовой физики, число «пи» и заряд электрона, на деле альфа участвует практически во всем, что происходит во Вселенной. Главная же загвоздка в том, что ее величина, вполне может статься, некогда отличалась от ныне установленной.

Альфа важна еще и потому, что служит основной константой одной из фундаментальных физических теорий: квантовой электродинамики (КЭД). Последняя описывает любое и каждое взаимодействие между заряженными субатомными частицами: протонами и электронами. КЭД сводит воедино квантовую теорию, теорию относительности, электричество и магнетизм, дабы изложить происхождение электромагнитных явлений. Через теорию «электрослабых взаимодействий», принесшую Стивену Вайнбергу, Абдусу Саламу и Шелдону Глэшоу Нобелевскую премию по физике за 1979 год, альфа связана также со слабым взаимодействием, отвечающим, в частности, за радиоактивный распад в атомных ядрах. Поскольку электромагнетизм и слабое взаимодействие — это два из четырех фундаментальных взаимодействий в природе, не будет преувеличением утверждать, что альфе принадлежит центральная роль во Вселенной.

Однако величину альфы определили не теоретические модели: ученым понадобилось провести сложные опыты с электронами, чтобы решить, какое число проставить в уравнениях КЭД. Подобно тому как эксперименты дали гравитационную постоянную, показывающую, с какой силой Земля и Солнце притягивают друг друга по теории Ньютона, полученное эмпирическим путем значение альфы описывает силу взаимодействий заряженных частиц. Ему непозволительно резко меняться.

Сделайте альфу слишком слабой, и легкие атомные ядра — например, гелия — разорвутся на части, потому что протоны будут отталкивать друг друга своими положительными зарядами. Тогда звезды не засияют в небесах. Если же увеличить альфу всего на четыре процента, то звезды не смогут производить углерод, и, следовательно, мы с вами никогда не появились бы на свет.

Стало быть, у Джона Вебба нет никакого резона сильно исправлять значение альфы. Полученные им спектральные линии поглощения имеют смысл при условии, что 12 миллиардов лет назад альфа была меньше нынешней на одну миллионную долю.

Поправка, на первый взгляд почти неощутимая. Ну хорошо, некая физическая константа, о которой люди, не погруженные в тему, вряд ли вообще когда-либо слышали, чуточку отличалась в прошлом. За миллиарды лет она подросла всего на миллионную долю. Эка невидаль! Да в том-то и дело, что невидаль! Если это предположение истинно — а Вебб до сих пор сопровождает этой осторожной оговоркой любые свои утверждения, — всевозможные неприятности хлынут как из ведра. Все представления об истории Вселенной, так же как объяснения происходящего в ее пределах, основываются на неизменности констант. Только тронь их — неизбежно придется менять и законы. Словом, наблюдения Джона Вебба грозят развязать анархию вселенского размаха.

Вебб отдает себе в этом отчет и придерживает язык за зубами. Он вообще человек на редкость осмотрительный — вот уже без малого десять лет старается отыскать ошибку в собственных вычислениях. Его исследовательская группа многократно перепроверила результаты, провела четкий и беспристрастный статистический анализ, изучив буквально каждую запятую на предмет некой досадной случайности. И ничего-то не нашла. В итоге их работы переменный характер альфы получил гораздо более глубокое обоснование, чем требуется для принятия любой гипотезы в физике. Даже больше того, что нужно соискателям Нобелевской премии за открытие принципиально нового вида частиц.

Тем не менее все обсуждения результатов Вебба обыкновенно сосредоточиваются на возможных погрешностях и на том, как их обнаружить. Могут ли эти результаты вообще быть проверены? Несомненно — при условии, что для таковой цели удастся воспользоваться иными объектами, нежели свечение звезд, и каким-нибудь другим инструментом вместо телескопа. Трудность состоит в том, что процесс невозможно воспроизвести в обычной лаборатории, поскольку речь идет о космологической временной шкале. Что толку выяснять, как волны взаимодействовали с частицами за июнь, июль и август, чтобы выстроить последовательность параметров и уличить Вебба в ошибке. Он ведь не говорил, будто альфа меняется на глазах, его тезис сводится лишь к тому, что 12 миллиардов лет назад ее величина совсем микроскопически отличалась от нынешней. И если проверять эту гипотезу опытным путем, понадобятся такие «вещественные доказательства», какие можно извлечь только из самого давнего прошлого. К счастью, они существуют. Для этого придется сменить лабораторный халат на пробковый шлем и отправиться в Африку эпохи колониализма.

 

Загляните на сайт eBay во французском Интернете и введите запрос: Brazza. Для вас это слово, возможно, ничего не значит, но электронный аукцион предложит богатый выбор предметов для винтажной коллекции: спичечные коробки, авторучки, портреты, сигары и не только… В 1880-е годы бренд «Бразза» был в большой моде. Французский мореплаватель Пьер Поль Саворньян де Бразза (точнее, Пьетро-Паоло Саворньян ди Брацца, так как родом он был итальянский граф, но отечественный флот не смог бы утолить его тягу к путешествиям и приключениям) подарил своей второй родине западноафриканское владение Габон. Это возвело его персону в ранг национального достояния.

Хотя фамилию Пьера Поля до сих пор носит столица бывшего Французского Конго — Браззавиль, вся прочая мирская слава оказалась быстротечной. Сделавшись губернатором габонской колонии, де Бразза обустраивал ее с редкой по тем временам справедливостью и гуманностью — честная торговля, запрет рабства и вообще никакого насилия. При богатых природных ресурсах Габона такая политика не могла не нажить графу врагов, и свои последние годы он провел в тщетных усилиях одолеть коррупцию и невольничество, расползавшиеся по колонии, словно лесной пожар. За что и был оклеветан, опозорен, а в конце концов, как уверяла его жена, отравлен.

Одним из последних свершений де Браззы стала постройка поселка Франсвиль на восточной окраине Габона, задуманного как приют для освобожденных рабов. А уже в нашу эпоху совсем неподалеку, в местечке Окло, французские ученые-ядерщики сделали необычайное открытие, имеющее важные последствия для работы Джона Вебба.

В 1972 году физик Франсис Перрен изучал по заданию Французской комиссии по атомной энергии изотопный состав образцов с уранового рудника Окло. В то время Франция развивала программу строительства АЭС, работающих на богатом габонском уране. Одним из пунктов было решение проблемы ядерных отходов. Их следовало каталогизировать по уровню радиоактивности и для каждой позиции найти максимально надежный способ хранения. Выполняя эту задачу, Перрен не мог не обратить внимание на сходство рудных образцов из Окло с отработанным реакторным топливом.

Атом урана имеет несколько весовых разновидностей, или изотопов. Перрен заметил, что одного из них, урана-235, в образцах содержится меньше, чем обычно можно встретить в природе, словно он частично «выгорел» в какой-то ядерной топке. Потребовалось сделать немало вычислений, провести подробный геологический анализ региона и, разумеется, изрядно поломать голову, но в конце концов Перрен объявил — к почти всеобщему недоумению, — что некогда в Окло сама природа построила атомный реактор. Около двух миллиардов лет назад динамика грунтовых вод вкупе с высокотемпературными процессами создали под землей идеальные условия для самопроизвольной цепной реакции деления урановых ядер.

В тот момент большинство авторитетов во Франции сочло более вероятным объяснением случайное загрязнение образцов. Но впоследствии в окрестностях Окло были найдены другие природные реакторы, и открытие Перрена получило общее признание.

Для науки это открытие — подлинное Эльдорадо. Два миллиарда лет назад тонкой механикой ядерных реакций в недрах Африки управляла все та же константа, которую мы зовем альфой. Если надо выяснить, действительно ли она постоянна, Окло послужит наилучшим испытательным стендом в нашей части Галактики (во всяком случае, лететь за ответом к Альфе Центавра пока не надо).

Одним из первых за находку Перрена ухватился Фримен Дайсон. Этот физик-теоретик, прослывший в кругу коллег неисправимым фантазером, уже давно, подобно Дираку, задавался вопросом: правда ли, что константы и законы никогда не меняются? Природный реактор в Окло дал ему верный шанс получить ответ. Заручившись помощью французского коллеги, ядерщика Тибо Дамура, Дайсон приступил к анализу. Их совместное заключение, вероятно, не слишком порадовало застрельщика исследований: если альфа и изменилась, то уж совсем микроскопически, не более чем на миллиардную долю нынешней величины.

Когда Вебб обнародовал свое открытие, результаты Окло позволили большинству ученых его проигнорировать: эти данные противоречили Веббу, будучи гораздо надежнее света древних звезд. Но в конце концов, поскольку погрешностей в его концепции так и не обнаружилось, некоторые физики решили более пристально изучить выводы Дайсона и Дамура — и нашли изъяны уже в них. Впрочем, по-настоящему убедительные опровержения Окло не появлялись вплоть до 2004 года. Когда же такие данные были получены, они стали не просто погибелью очередной гипотезы. То было четкое свидетельство в пользу изменчивости альфы.

Стив Ламоро и Джастин Торгерсон из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико, где воплощался Манхэттенский проект атомной бомбы, проделали «более реалистичные», по выражению Ламоро, расчеты энергетики различных ядерных процессов в прошлом и в настоящем. И не только сами авторы, но даже Тибо Дамур согласился, что их вычисления ближе к истине. Каков же результат? С той поры, как реактор Окло самопроизвольно потух, альфа уменьшилась более чем на сорок пять миллиардных.

Идея, что последние два миллиарда лет — именно столько времени прошло с момента «выключения» реактора — альфа уменьшалась, а десять миллиардов лет до этого она, наоборот, росла (о чем говорит свет звезд, прошедший сквозь газовые облака), кажется абсолютно противоречивой. Но поскольку свидетельства непостоянства констант всё прибывают, эта несуразность вполне может оказаться частью некоего «заговора космических сил».

 

В 1935 году британский астрофизик Артур Стэнли Эддингтон опубликовал в журнале «Сайенс» статью «Новые пути». В ней он привел четыре числа, которые сам назвал «окончательными мировыми константами». Первое из них, сконструированное Эддингтоном во время плавания через Атлантику, — количество протонов в наблюдаемой Вселенной. Второе — альфа или, скорее, ее инверсия: 1/. Третье представляет собой соотношение гравитационной и электромагнитной сил, которые притягивают электрон к протону. Четвертое еще проще: отношение массы протона к массе электрона.

Убеждение, что эти четыре величины без каких-либо дополнений позволяют описать всю Вселенную, воодушевляло Эддингтона; по его мнению, физика могла прекрасно обойтись только ими. Но, будучи ученым и близким другом Альберта Эйнштейна, который в то время пробовал создать всеобъемлющую «унификацию» теоретической физики, Эддингтон досадовал, что их несколько, а не всего одна. «Нынешнее положение с четырьмя константами вместо единственной, — писал он, — показывает, к какому итогу должна стремиться всеобщая теория». Наверное, Эддингтон расстроился бы куда сильнее, если бы узнал, как мы знаем сегодня, что по меньшей мере две из этих «постоянных», судя по многим признакам, склонны к переменам.

Вторая «коварная изменщица» показала себя в свете, уловленном телескопами Европейской южной обсерватории в Чили. В 2006 году группа физиков опубликовала сообщение, что отношение массы протона к массе электрона, обычно обозначаемое греческой буквой «мю», в далеком прошлом было больше. На сей раз сдвиги в спектрограмме касались световых лучей, прошедших через облака водородного газа. Атом водорода состоит из одной пары протон — электрон; его параметры поглощения и отражения фотонов дали точное значение μ. Только не то, какое ожидали исследователи.

Как и в случае с альфой, эта разница затрагивает очень давнее прошлое и крайне незначительна: за 12 миллиардов лет μ «похудела» примерно на 0,002 процента. Но редакционный совет одного из самых престижных журналов — «Физикал ревью леттерс» — счел этот результат достаточно весомым.

Важен он потому, что масса электронов и протонов играет основную роль в измерении сильных взаимодействий, скрепляющих атомные ядра. Ими же связаны кварки — фундаментальные точечные частицы, из которых состоят протоны и нейтроны. А поскольку альфа характеризует слабые взаимодействия, управляющие радиоактивным распадом, и заодно электромагнитные, то теперь уже три из четырех фундаментальных взаимодействий (за вычетом лишь гравитации) начинают казаться довольно шаткими.

Ну и что прикажете с этим делать? Возможно, на австралийца Вебба так повлияла жизнь среди антиподов, но он предлагает самый простой ответ: не напрягайтесь. В то время как многие физики (если не большинство) спокойствия ради отворачиваются от полученных свидетельств изменчивости постоянных, Вебб на это смотрит совсем иначе, но по-своему не менее практично. Альфа, как он любит напоминать, установлена в качестве константы только в 1938 году. Мю и того позже — в 1953-м. И совсем не потому, что ученые якобы как раз тогда додумались, отчего фундаментальные величины, включая гравитационную постоянную, именно таковы. Нет, их вообще никто не может обосновать: отсутствует глубинная теория, которая объясняла бы экспериментально выведенные значения констант. Следовательно, нет вроде бы никаких оснований отчаянно цепляться за убеждение, будто они обязаны хранить постоянство. В 2003 году в своей статье «Меняются ли со временем законы природы?», опубликованной в январском номере журнала «Мир физики», Джон Вебб попробовал охладить иные горячие головы:

Что же отсюда следует, если не впадать в панику? Этот вопрос Вебб и Барроу обдумывали долго и трудно. Их вывод: переменные константы могут принести некое важное знание. Экспериментальный факт, что альфа как будто изменяется неравномерно — 12 миллиардов лет назад она была меньше нынешней, а ближе к концу этого срока сделалась больше, — подсказывает: константы (а возможно, и законы) способны изменяться во времени — пространстве. Быть может, если доведется когда-нибудь попутешествовать по необъятной Вселенной, там повсюду, куда ни пойди, мы столкнемся с несхожими наборами физических констант и разнобоем законов — космическим аналогом местного самоуправления. Отсюда остается только шаг до предположения, что в одном и том же пространстве законы физики могут меняться со временем. Нет ли здесь связи с расширением Вселенной?

Концепция не нова. Джона Вебба хулители объявляли невеждой, а еще чаще старательно игнорировали, но все его предположения согласуются с мыслями одного из самых уважаемых в мире ученых. Тридцать лет назад нобелевский лауреат по физике Джон Уилер задался вопросом: с чего мы взяли, что законы стабильны? Действие природных сил может зависеть от условий среды, проявляясь по-разному в раскаленной сверхплотной плазме зарождавшейся Вселенной и в теперешнем, постаревшем и похолодевшем космосе. Кто запретит законам реагировать на смену агрегатных состояний, когда Вселенная то плавится и течет, то застывает, словно язык метафизической лавы? Хотя идея сформулирована весьма произвольно — сам Уилер назвал ее «мыслью о мысли», — но в ней есть здравое предположение, что все наши попытки проследить историю Вселенной с момента Большого взрыва до образования первых частиц и звезд, вполне вероятно, упрощены донельзя.

У Ричарда Филлипса Фейнмана были свои сомнения насчет действия физических законов. В 1985 году, через двадцать лет после того, как он вместе с Джулианом Сеймуром Швингером и Синъитиро Томонагой получил Нобелевскую премию за исследования КЭД, Фейнман опубликовал теоретический труд. В последней главке-лекции, названной «Нерешенные вопросы», он сделал откровенное признание — даже несколько странное, учитывая полный успех и быстрое принятие его идей: «Мы не имеем добротного математического метода для разработки теории квантовой электродинамики».

Объясняя эту фразу, Фейнман указывает, что взаимодействие света и вещества описывается подборкой чисел, представляющих собой «фокус-покус», а не результат строгого эксперимента. Вдобавок сюда пришлось ввести, по Фейнману, «одну из самых заклятых загадок физики — магическое число, принятое людьми без малейшего понимания его природы». Речь идет, разумеется, об альфе. Это из-за нее одна из самых успешных теорий в современной физике фактически «проклята» устами собственного творца. «Она остается тайной с тех пор, как была найдена больше полувека назад; все толковые теоретики повесили это число на стенку и ломают над ним головы».

У Джулиана Швингера на пороге смерти было больше поводов озаботиться проблемой альфы, чем у кого-либо другого: исследования основанной на ней теории КЭД поломали его карьеру. Эксперимент, о котором пойдет речь, был поставлен химиками Стэнли Понсом и Мартином Флейшманом. Сегодня они высмеяны почти всеми как мошенники, маньяки или в лучшем случае — халтурщики от науки, а решительная поддержка Швингером их работы подорвала его репутацию, завоеванную немалыми трудами. Вот уже третий десяток лет судьба Понса, Флейшмана и Швингера служит предостережением для всех их коллег. Несмотря на все возможные блага и великие открытия — а таковых, надо думать, обещается немало, — ученым приходится заниматься нашей следующей по порядку аномалией — холодным ядерным синтезом — на свой страх и риск.