Всем известен закон Галилео Галилея об эквивалентности скорости свободного падения тел на землю, согласно которому любые тела в вакууме падают с одинаковой скоростью независимо от материала, из которого они состоят. Видимая разница между падением пера и пушечного ядра объяснялась наличием воздушных потоков, замедляющих падение пера, и такая "картина мира" долгое время ни у кого не вызывала сомнений.
Однако в современной физике, начиная со второй половины XX века, стали появляться результаты, способные существенно изменить наши представления о реальном положении дел. После открытия в 1965 году квазаров – космических объектов высокой светимости, удаленных от Земли на огромные расстояния, перед астрофизиками возникла насущная необходимость более точного измерения спектральных линий. Используемое на первых порах сопоставление спектральных линий от квазаров и линий поглощения щелочных дублетов, возникающих в атомарных газах углерода или кремния, не позволяли учесть изменение положений основного состояния энергии атома. Поэтому точность первоначальных результатов составляла всего 1 ⋅ 10 –4.
Только в 1999 году Джон Веб и Виктор Фламбаум из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии разработали методику, позволяющую увеличить чувствительность измерений в 10 раз и сравнивать различные виды атомов (магний и железо), проводя дополнительные перекрестные проверки. Физики планировали измерить с предельной точностью постоянную тонкой структуры α (приблизительно равна значению 1/137), характеризующую силу электромагнитного взаимодействия.
Оказалось, что при более точных измерениях постоянной тонкой структуры выявились существенные различия параметров α. Используя данные по 128 линиям поглощения ученые зарегистрировали увеличение α на 6 ⋅ 10 –6 за прошедшие 6 — 12 миллиардов лет! Как ни пытались физики подогнать обнаруженные отклонения под статистические погрешности, которые могли "имитировать" подобное изменение постоянной α, дальнейшие исследования группы физиков (Йеш Феннер, Брэд Гибсон, Майкл Мэрфи ) из Технологического университета Суинберна и Кембриджского университета показали, что "имитация" изменения постоянной тонкой структуры α по изотопам магния привела бы к избыточному синтезу азота в ранней Вселенной, что не соответствует астрономическим наблюдениям. Следовательно, параметры α действительно могли изменяться на различных стадиях формирования Вселенной.
Таким образом, полученные результаты привели Джона Бэрроу и Джона Веба к гипотезе о том, что на разных этапах развития Вселенной постоянная тонкой структуры α "ведет" себя по-разному, то оставаясь неизменной, то постепенно возрастая (см. рисунок).
Еще в 1982 году Якоб Бекенштейн из Еврейского университета в Иерусалиме впервые обобщил законы электромагнетизма для случая непостоянных констант. В его теории α рассматривалась как динамическая компонента, иначе говоря, как скалярное поле. Джон Бэрроу вместе с Хеуордом Сэндвиком и Хояо Магуэйхо из Имперского колледжа в Лондоне расширили теорию Бекенштейна, включив в нее учет сил тяготения, и получили согласованное описание изменений постоянной α с доминирующим во Вселенной веществом. В течение первых десятков тысяч лет космической истории излучение доминировало над заряженными частицами и поддерживало баланс между электрическим и магнитным полями. По мере расширения Вселенной излучение "разреживалось", и доминировать стало вещество. Электрические и магнитные энергии оказались неравными, поэтому α стала возрастать пропорционально логарифму времени. Затем, приблизительно 6 миллиардов лет назад, во Вселенной стала преобладать темная энергия, ускорившая процесс расширения, затруднив распространение физических взаимодействий. В результате α снова стала почти постоянной.
В отличие от большинства физиков, которые выдвигают тезис об абсолютной неизменности постоянной тонкой структуры α, сторонники нового подхода стараются абстрагироваться от явно предвзятого выбора условий, существующих в земных условиях в наши дни, что позволяет пересмотреть ряд укоренившихся представлений. Например, известный закон Галилея, согласно которому любые тела в вакууме падают с одинаковой скоростью независимо от своего материала.
Так, незначительные изменения α должны порождать соответствующую силу, действующую на заряженные частицы. Чем больше протонов содержит некоторый атом в ядре, тем сильнее он будет "чувствовать" взаимодействие с электронами. А значит, если α является динамической компонентой, ускорение свободного падения тел из различных материалов должно отличаться примерно на 1 ⋅ 10 –14 . Это в 100 раз меньше, чем можно экспериментально измерить в лабораторных условиях, но достаточно много, чтобы обнаружить различия в таких экспериментах, как, например, STEP (проверка принципа эквивалентности в космосе).
По материалам научно-популярных книг и выступлений Джона Бэрроу (John D. Barrow) и Джона Веба (John K. Webb)
