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 определенных единицах измерения. Например, скорость света в вакууме выражается в метрах в секунду. Если изменяется единица измерения, меняется и значение константы. 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. декретом Французской национальной ассамблеи метр был определен как одна десятимиллионная доля дуги земного меридиана, проходящего через Париж. На этой величине основывалась вся метрическая система, утвержденная особым законом. Позднее выяснилось, что первоначальные измерения длины меридиана оказались неточными. В 1799 г. было введено новое определение метра. За точку отсчета была принята длина эталонного стержня, который хранился во Франции под официальным надзором. В 1960 г. вводится очередное определение метра. Ему соответствовало определенное число длин волн, испускаемых атомами одного из изотопов криптона. Наконец, в 1983 г. метр был определен как расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.
Значение констант изменяется не только при выборе новых единиц измерения. Официально признанные значения фундаментальных констант корректируются и после того, как проводятся новые, более точные измерения. Эти значения постоянно уточняются экспертами и международными комиссиями. Старые значения констант заменяются новыми, основанными на самых последних «лучших показаниях», получаемых в расположенных по всему миру лабораториях. Далее я подробно рассмотрю четыре примера: гравитационную постоянную (G), скорость света в вакууме (с), постоянную Планка (h), а также постоянную тонкой структуры (α), значение которой выводится из заряда электрона (е), скорости света в вакууме и постоянной Планка.
«Лучшие» значения уже по определению являются результатом тщательного отбора. Во-первых, экспериментаторы склонны отбрасывать те данные, которые выходят за пределы ожидаемого интервала значений, считая их ошибочными. Во-вторых, после исключения подавляющего большинства отклоняющихся от нормы результатов различные значения, получаемые в конкретной лаборатории, сглаживаются за счет сопоставления с ранее полученными данными и выведения среднего показателя, в результате чего окончательное значение константы оказывается подверженным ряду коррекций, в достаточной степени произвольных. Наконец, результаты, полученные в лабораториях, расположенных в различных уголках Земли, тщательно отбираются, усредняются и затем выдаются в качестве официального значения данной константы.
Измерение фундаментальных констант — вотчина специалистов, называемых метрологами. В прошлом в этой области преобладали отдельные исследователи — к примеру, американский ученый Р.Т. Бердж из Калифорнийского 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 комитетами и экспертами. Официальные величины этих констант зависят от целой серии решений, принимаемых самими экспериментаторами, ведущими специалистами в метрологии, членами специальных комитетов. Вот как Бердж описывает процесс определения константы:
«Каждый раз для каждой отдельно взятой константы решение по поводу ее наиболее вероятной величины требует определенного набора суждений. (...) При этом в ходе отбора данных и вывода окончательного заключения каждый исследователь руководствуется собственным набором суждений»[228].
ВЕРА В ВЕЧНЫЕ ИСТИНЫ
На практике значения физических констант со временем изменяются, но в теории все они считаются неизменными. Противоречия между теорией и практикой отметаются без какого-либо обсуждения — на том основании, что все различия между теоретическими и экспериментальными значениями физических констант появляются вследствие ошибок эксперимента, а поэтому значения, полученные в результате последних лабораторных опытов, считаются самыми точными. От прежних значений отказываются и со временем их забывают.
Что, если значения физических констант действительно изменяются? Возможно ли, что меняются сами основополагающие принципы природы? Перед тем как задуматься над этим вопросом, необходимо определиться 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 постоянными по определению.
Большинство физических констант измерены в одном только уголке Вселенной, и только в течение последних нескольких десятилетий, причем реальные результаты измерений непредсказуемым образом варьировались. Утверждение, что значения всех констант остаются постоянными независимо от места и времени измерения, не является экстраполяцией полученных результатов. Такая экстраполяция выглядела бы весьма странно. Значения констант, полученные в результате измерений на Земле, значительно изменились за последние пятьдесят лет, и у нас слишком мало доказательств, позволяющих утверждать, что нигде во Вселенной эти константы не менялись в течение последних 15 миллиардов лет. Сам факт, что такое предположение практически не обсуждается и принимается без доказательств, показывает, насколько в науке укоренилась вера в вечные истины.
В соответствии с традиционными научными воззрениями, в природе все управляется фиксированными законами 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 качестве скрытой причины, или «логоса», пребывающего вне времени и пространства.
Разумеется, каждый согласится, что законы природы в том виде, как они формулируются учеными, меняются со временем, поскольку старые теории частично или полностью заменяются новыми взглядами. Например, 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 гравитационное 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 постоянстве констант, и во многом их всемирная слава обусловлена достижениями в этой области: Ньютон ввел в практику гравитационную постоянную, а Эйнштейн произвел расчеты, которые позволили объявить скорость света в вакууме — с — абсолютной константой. В современной теории относительности с является математической константой, параметром, равным отношению единиц пространства к единицам времени. Его значение является постоянным по определению. Вопрос о том, может ли скорость света в вакууме отличаться от значения с, теоретически иногда рассматривается, но всерьез никого не интересует.
Для основателей современной науки — Коперника, Кеплера, Галилея, Декарта и Ньютона — законы природы были неизменными Идеями в Божественном Разуме. Бог для этих ученых был своего рода математиком. Открытие математических законов природы представлялось непосредственным проникновением в сущность вечного Божественного Разума[229]. Такое отношение к законам природы встречается и у современных физиков[230].
К концу XVIII в. многие высокообразованные люди приняли новое мировоззрение, названное деизмом. Оно предполагает, что над миром стоит бесконечно удаленное, рациональное, математически точное божество, которое не смущает верующего живыми чертами библейского Бога. Это высшее существо познается человеческим 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 соответствии с законами и константами природы. Эти законы, как свойства Божественного Разума, стали символами божества. Они были абсолютными, универсальными, неизменными и всемогущими. В начале XIX в. деизм постепенно стал уступать место атеизму. Как выразился французский физик Анри Лаплас, Бог стал «ненужной гипотезой». Вечность материи и энергии подтверждалась законами сохранения материи и энергии. Вечность законов природы и неизменность физических констант просто принимались без доказательств. Нематериальные математические принципы природы считались беспричинными, самостоятельными, сложившимися неким таинственным образом. По сути дела, они признавались 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 космического микроволнового фонового излучения в конце концов привело к грандиозному перевороту в космологии. Была принята теория Большого взрыва. На смену вечной машиноподобной Вселенной, постепенно приближающейся к термодинамической тепловой смерти, пришла модель растущего, развивающегося, эволюционирующего космоса. Если некогда произошло рождение космоса (первоначальная «сингулярность», как выражаются физики), вновь появляются прежние вопросы. Откуда и из чего появилось все, что находится вокруг нас? Почему Вселенная такова, какова она есть? Появляется и новый вопрос: если сама природа эволюционирует, почему вместе с ней не могут эволюционировать и ее законы? Если законы описывают изменяющуюся природу, они должны изменяться вместе с ней. Большинство физиков продолжают следовать традиционному подходу Платона. Законы не рождаются самим эволюционирующим космосом, а вводятся для его описания. Они присутствуют изначально, как своего рода космический «кодекс Наполеона». Каким-то образом из вечной, нефизической, чисто умозрительной области — 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" образованием Вселенной — это самая абсолютная пустота, какую мы только можем себе представить: не существует 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 математики называют "пустым множеством". И все-таки эта невообразимая пустота преобразуется в пространство, заполненное веществом, — как необходимое следствие физических законов. Где же хранились эти законы, пока была пустота? Что "сообщило" пустоте, что она хранит в себе потенциальную Вселенную? Получается, что даже пустота подчиняется закону, некой логике, существовавшей еще до того, как появились пространство и время»[231].
Пытаясь создать математическую теорию окружающего мира, современные ученые признают эволюционную космологию, но в то же время сохраняют традиционную веру в вечность законов природы и инвариантность фундаментальных констант. Таким образом получается, что эти законы каким-то образом уже присутствовали в мире еще до первоначальной сингулярности — или, вернее, они вообще существуют вне времени и пространства. Тем не менее вопросы остаются. Почему 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 рассматриваются с точки зрения антропного принципа: из всех возможных вариантов Вселенной только один, именно с тем набором величин, которые мы определили 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 констант 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 изменении соотношения ядерных и электромагнитных сил образование атомов углерода могло оказаться невозможным, но тогда не было бы и органических форм жизни, а следовательно, и нас с вами. «"Священный Грааль" современной физики — объяснение, почему числовые значения этих констант (...) именно таковы, каковы они есть»[232].
Некоторые физики склоняются к своего рода неодеизму со стоящим в начале мира математическим божеством, которое точно подобрало значения фундаментальных 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 вмешательства со стороны некоего математического разума, задавшего численные значения фундаментальных констант, — предположение, что наша Вселенная была лишь частью «пены» потенциальных вселенных. Первоначальный «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 некоему отбору. Допускается существование бесчисленного множества еще не известных нам чужеродных и безжизненных вселенных, но имеется всего одна, которую мы можем познать.
Еще дальше в таких предположениях продвинулся Ли Смолин, который выдвинул своего рода концепцию космического дарвинизма. Через черные дыры новорожденные вселенные могут отпочковываться от ранее существовавших вселенных и продолжать существование уже самостоятельно. Некоторые из этих вселенных могут претерпевать определенные мутации в области численных значений фундаментальных констант и потому изменять схему развития. Только те из них, которые 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[233]. Однако эта умозрительная теория не объясняет, почему какие-либо вселенные в принципе должны существовать, чем именно определяются управляющие ими законы, что именно сохраняет, содержит в себе и запоминает мутировавшие константы в отдельно взятой вселенной.
Примечательно, что все эти на первый взгляд чрезвычайно смелые рассуждения остаются вполне традиционными в том отношении, что без каких-либо доказательств признают существование вечных законов и неизменность фундаментальных констант — по крайней мере, в пределах данной конкретной вселенной. Эти устоявшиеся допущения рассматривают постоянство числовых значений фундаментальных констант как изначальную истину. Неизменность констант становится разновидностью веры, основанной на философии Платона и теологии. Тем не менее этот тезис до сих пор остается недоказанным. Официальные значения констант изменялись даже в течение нескольких последних десятилетий. Все попытки измерить эти константы с использованием различных астрономических методов основывались 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 представления о физических константах в той или иной степени основываются на одних и тех же, раз за разом повторяемых аргументах. Тем не менее «неисправленные» эмпирические данные имеют мало общего с воззрениями убежденных ортодоксов, и, если измерения показывают отклонение от ожидаемой величины константы, что бывает не так уж редко, результаты считаются ошибкой эксперимента. Самые последние результаты считаются наиболее близкими к «истинному» значению той или иной константы.
Некоторые отклонения в определяемом экспериментальном значении действительно могут быть следствием ошибок, и такие ошибки сводят на нет все улучшения 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 являются 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 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 тяжести[234]. 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 отброшена»[235]. 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 отбора[236]. 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 обычное[237]. 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 физики»[239]. 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 ± 0,003[240]. Результаты исследователей в Австралии были воспроизводимы и хорошо согласовывались друг с другом[241], 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 ошибкой[242]. 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 силы»[243].
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 пород[244]. До настоящего времени такая точка зрения преобладает, хотя вопрос о существовании «пятой силы» по-прежнему открыт. Эта тема остается предметом теоретических и экспериментальных изысканий[245].
Возможное существование «пятой силы» практически не влияет на изменения гравитационной постоянной во времени. Однако сам факт, что в конце двадцатого столетия серьезно обсуждался вопрос о некой дополнительной силе, воздействующей на гравитацию, свидетельствует о том, что теория гравитации не слишком продвинулась вперед за три столетия после публикации «Начала» Ньютона.
Предположение Поля Дирака и других физиков-теоретиков о том, что гравитационная постоянная может уменьшаться по мере расширения Вселенной, было воспринято некоторыми специалистами в метрологии достаточно серьезно. Однако предполагаемое Дираком изменение было весьма незначительным — приблизительно 5/(1011) в год. Такое изменение нельзя подтвердить существующими на сегодняшний день методами проводимых на Земле измерений, так как «лучшие» результаты, полученные за последние двадцать лет, отличаются друг от друга более чем на 0,0005. Иными словами, предполагаемое изменение меньше разницы в существующих «лучших» 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 песчаных 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 космической программы, через равные промежутки времени измерялось расстояние до Луны. При этом использовался радар усложненной конструкции, которая позволила установить решетку с отражателями прямо на лунную поверхность. Время прохождения лазерных импульсов — от момента пуска до регистрации телескопом — измерялось через равные промежутки времени. Более точный эксперимент с использованием радара удалось провести благодаря полету «Викинга» к Марсу: импульсы к Земле посылались с поверхности Марса спускаемым аппаратом. Эти измерения продолжались с 1976 по 1982 гг. Если предположить, что скорость света в вакууме 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 соответствие установленному значению гравитационной постоянной. Однако такие вычисления допускали множество неопределенностей, включая предположения о воздействии на орбиту Марса крупных астероидов с неизвестной массой. Один вариант вычислений дал результаты, подтверждающие изменения гравитационной постоянной на 0,2/(1011) в год[246]. 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[247].
Еще один астрономический метод заключался в изучении динамики расстояния между объектами в двойном пульсаре. Уточнялось, действительно ли гравитационная постоянная за время наблюдений сохраняет неизменную величину. Но и в этом случае при вычислениях использовалось слишком много предположений, что делает результаты исследования недостоверными для любого, кто захотел бы повторить эксперимент, изменив принятые допущения[248].
Некоторые физики считают, что по крайней мере часть имеющихся данных указывает на незначительные изменения гравитационной постоянной во времени[249]. На основе данных, полученных в экспериментах с Луной, часть ученых пришла к заключению, что гравитационная постоянная может меняться по меньшей мере в такой степени, как предполагал Дирак[250], однако другие с этим не согласны[251]. Патриарх британской метрологии Брайан Петли интерпретировал все эти исследования следующим образом:
«Если считать достоверными космологические измерения времени и полагать, что мы обладаем достаточным пониманием гравитации, то изменения гравитационной постоянной составят менее 1/иок>) в год. Этот вывод подтверждается рядом различных доказательств, часть которых получена в кратковременных экспериментах. Если считать изменения, предсказанные 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 незначительны»[252].
Со всеми этими косвенными доказательствами проблема в том, что все они зависят от сложной цепи теоретических предположений, включая гипотезу о постоянстве других физических констант. Они остаются убедительными только в рамках принятой системы воззрений. Если считать достоверными современные космологические теории, сами по себе предполагающие неизменность гравитационной постоянной G, то данные становятся внутренне согласованными только при условии, что все изменения от эксперимента к эксперименту или от метода к методу мы будем считать результатом ошибки.
УМЕНЬШЕНИЕ СКОРОСТИ СВЕТА В ВАКУУМЕ С 1928 по 1945 ГГ.
В соответствии с теорией относительности Эйнштейна скорость света в вакууме инвариантна: она является абсолютной константой. Большинство современных физических теорий основывается именно на этом постулате. Поэтому существует стойкое теоретическое предубеждение против того, чтобы рассматривать вопрос о возможном изменении скорости света в вакууме. В любом случае вопрос этот в настоящее время официально признан закрытым. С 1972 г. скорость света в вакууме была объявлена постоянной по определению и теперь считается равной 299792,458 ± 0,0012 к/с.
Так же как и в случае с гравитационной постоянной, прежние измерения этой константы значительно отличались от современной, официально признанной величины. К примеру, в 1676 г. Ремер вывел величину, которая была на 30% ниже современной, а полученные в 1849 г. результаты Физо были на 5% выше[253]. Изменение «лучших» результатов измерения скорости света в вакууме с 1874 г. по наши дни приводится на ил. 14. На первый взгляд кажется, что перед нами еще один блестящий пример повышения точности измерений, а результаты все более и более приближаются к истинному значению. Но имеющиеся факты говорят о том, что ситуация несколько сложнее.
В 1929 г. Бердж опубликовал свой обзор всех доступных на тот момент результатов измерений скорости света в вакууме и пришел к заключению, что наиболее точное значение этой константы равно 299796 ± 4 км/с. Он указал, что вероятная ошибка в данном случае гораздо меньше, чем при измерении численных значений других фундаментальных констант, и пришел к заключению, что «приводимая величина скорости света в вакууме является вполне удовлетворительной и ее можно считать более или менее окончательно установленной»[254]. Однако уже к тому времени, когда был сделан этот вывод, было получено значительно меньшее значение этой константы, а в 1934 г. Дж.Г. де Брей предположил, что существуют данные, указывающие на циклические изменения скорости света в вакууме[255].
Ил. 14. Лучшие результаты измерений скорости света в вакууме с 18743 по 1972 гг.
С 1928 по 1945 гг. скорость света в вакууме, как оказалось, была на 20 км/с меньше, чем до и после этого периода (таблица 2). «Лучшие» результаты, полученные ведущими исследователями, использовавшими различные методы, были поразительно близкими, и все имевшиеся на тот момент данные собрали и систематизировали Бердж в 1941 г. и Дорси в 1945 г.
Таблица 2
СКОРОСТЬ СВЕТА В ВАКУУМЕ, 1928 — 1945[256]
| Автор | Дата | Скорость света | |||
| в вакууме, км/с | |||||
| Ранее принятая | 299 796 ± 4 | ||||
| величина | |||||
| (Бердж, 1929) | |||||
| Миттельштедт | 299 778 ± 20 | ||||
| Майкельсон и др. | 299 774 ± 11 | ||||
| Майкельсон и др. | 299 774 ± 4 | ||||
| Андерсон | 299 771 ± 10 | ||||
| Хюттель | 299 771 ± 10 | ||||
| Андерсон | 299 776 ± 6 | ||||
| Бердж(обзор) | 299 776 ± 4 | ||||
| Дорси (обзор) | 299 773 ± 10 | ||||
| Официально | 299 792,458 ± 0,0012 | ||||
| признанная величина | |||||
| в настоящее время, 1972 | |||||
В конце 40-х гг. величина этой константы вновь стала возрастать. Неудивительно, что когда новые измерения стали давать более высокие значения этой постоянной, среди ученых сначала возникло некоторое недоумение. Новая величина оказалась примерно на 20 км/с выше прежней, то есть достаточно близкой к установленной в 1927 г. Начиная с 1950 г. результаты всех измерений этой константы опять оказались очень близки друг к другу (ил. 15). Остает