Физики врали вам. Не со зла, конечно, — они и сами верили в эту красивую сказку о незыблемых константах Вселенной. Но теперь, когда данные с космических телескопов и сверхточных лабораторных измерений начинают складываться в неудобную картину, научному сообществу всё труднее делать вид, что всё в порядке. Гравитационная постоянная G — та самая фундаментальная величина, которую вы зубрили в школе и которая якобы определяет силу притяжения между любыми объектами во Вселенной — оказывается, вовсе не такая уж постоянная. И это меняет абсолютно всё, что мы думали о космосе, времени и нашем месте в этом странном мироздании.
Звучит как научная фантастика? Как бред сумасшедшего учёного из голливудского блокбастера? Что ж, добро пожаловать в мир современной космологии, где самые безумные гипотезы порой оказываются ближе к истине, чем уютные догмы учебников.
Священная корова физики на бойне сомнений
Давайте разберёмся, о чём вообще речь. G — это не просто какая-то абстрактная циферка в формуле. Это фундаментальная физическая константа, которая описывает, насколько сильно массивные объекты притягивают друг друга. Когда Ньютон в семнадцатом веке сформулировал свой закон всемирного тяготения, он, по сути, сказал: «Любые два тела притягиваются с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними». А коэффициент пропорциональности — это и есть наша G, равная примерно 6,674 × 10⁻¹¹ м³/(кг·с²).
Звучит солидно, правда? Незыблемо, как гранитная скала. Вот только есть одна маленькая проблема: мы до сих пор не можем измерить эту «константу» с той же точностью, с какой измеряем другие фундаментальные величины. Скорость света известна до одиннадцатого знака после запятой. Постоянная Планка — до восьмого. А G? Хорошо если до четвёртого. И это после более чем двух столетий попыток!
Почему так? Официальная версия гласит, что гравитация — самая слабая из фундаментальных сил, поэтому её так трудно измерить точно. Но есть и другое объяснение, о котором физики предпочитают говорить шёпотом на конференциях после третьего бокала вина: возможно, G попросту не является константой в привычном смысле этого слова. Возможно, она меняется — медленно, незаметно для человеческой жизни, но ощутимо на космологических временных масштабах.
Еретики от науки, которые посмели усомниться
Первым, кто публично усомнился в постоянстве G, был не какой-нибудь маргинал от науки, а один из величайших физиков двадцатого века — Поль Дирак. В 1937 году он обратил внимание на странные числовые совпадения между космологическими и атомными масштабами. Дирак заметил, что отношение электромагнитных и гравитационных сил примерно равно возрасту Вселенной, выраженному в атомных единицах времени. Совпадение? Дирак так не думал.
Он предположил, что это не случайность, а указание на глубокую связь между микромиром и макрокосмосом. И если Вселенная стареет, то и гравитационная постоянная должна уменьшаться. Так родилась гипотеза Дирака о больших числах — красивая, элегантная и абсолютно еретическая для своего времени.
Научное сообщество, разумеется, восприняло идею Дирака с энтузиазмом приговорённого к казни. Как это — менять священные константы? Это же подрывает основы! Ньютон перевернётся в гробу! Но Дирак был не из тех, кого легко запугать. Он продолжал развивать свою теорию, и постепенно у неё появились последователи.
В шестидесятых годах физики Карл Бранс и Роберт Дикке создали скалярно-тензорную теорию гравитации, в которой G действительно может меняться в зависимости от распределения материи во Вселенной. Эта теория не противоречила общей теории относительности Эйнштейна напрямую — скорее, расширяла её, добавляя дополнительное скалярное поле. И знаете что? Эксперименты до сих пор не смогли однозначно опровергнуть эту теорию.
Неудобные цифры, которые не дают спать космологам
Теперь перейдём к самому вкусному — к данным. Потому что красивые теории — это прекрасно, но наука работает на фактах. И факты, надо сказать, становятся всё более интригующими.
Начнём с измерений реликтового излучения — древнего света, оставшегося от Большого взрыва. Спутники WMAP и Planck изучали это излучение с беспрецедентной точностью и обнаружили кое-что странное. Стандартная космологическая модель предсказывает определённую картину флуктуаций температуры реликтового излучения. Но наблюдаемая картина немного — совсем чуть-чуть — отличается от предсказаний. Одно из возможных объяснений? G была другой в ранней Вселенной.
Далее — пульсары. Эти космические маяки, вращающиеся нейтронные звёзды, испускают радиоимпульсы с невероятной регулярностью. Некоторые пульсары настолько стабильны, что служат своеобразными космическими часами. Изучая их в течение десятилетий, астрономы могут засечь мельчайшие изменения в их поведении. И некоторые данные намекают на возможное изменение G со скоростью порядка 10⁻¹² в год. Это невообразимо мало для человеческой жизни, но на масштабе миллиардов лет набегает весьма ощутимая разница.
Есть ещё лунные лазерные измерения. С 1969 года, когда астронавты Apollo оставили на Луне уголковые отражатели, мы можем измерять расстояние до нашего спутника с точностью до миллиметров. Эти данные накапливаются уже более полувека и теоретически должны показать изменение G, если оно существует. Пока результаты неоднозначны — одни группы заявляют об обнаружении эффекта, другие опровергают. Научный метод во всей красе: спорим, проверяем, спорим снова.
А совсем недавно появились данные о расхождении Хаббла — парадоксальном несовпадении скорости расширения Вселенной, измеренной разными методами. Одно из возможных решений этой загадки — вы угадали — изменяющаяся G.
Вселенная-хамелеон: если G меняется, то что ещё?
Предположим на секунду, что скептики правы и G действительно меняется со временем. Какие последствия это имеет для нашего понимания Вселенной?
Во-первых, придётся переписать космологическую историю. Если гравитация была сильнее в прошлом, то формирование галактик и звёзд происходило иначе, чем мы думаем. Первые звёзды могли быть массивнее или, наоборот, меньше. Чёрные дыры формировались по другим сценариям. Вся хронология космической эволюции летит в корзину.
Во-вторых, возникают вопросы к тёмной энергии — загадочной силе, ускоряющей расширение Вселенной. Некоторые физики предполагают, что никакой тёмной энергии не существует вовсе, а наблюдаемое ускорение — это следствие изменяющейся G. Элегантное решение, которое убирает одну загадку, заменяя её другой, но, пожалуй, менее экзотической.
В-третьих, нужно пересмотреть саму общую теорию относительности. Эйнштейн создал свою теорию с неявным предположением о постоянстве G. Если это предположение неверно, то либо ОТО нужно модифицировать, либо признать её приближением к более глубокой теории. И тут мы вступаем на территорию квантовой гравитации — святого Грааля современной физики, объединяющего квантовую механику и гравитацию.
Некоторые подходы к квантовой гравитации — например, теория струн или петлевая квантовая гравитация — действительно допускают или даже предсказывают изменчивость фундаментальных констант. В этих теориях то, что мы воспринимаем как константы, на самом деле является усреднёнными значениями каких-то более глубоких динамических величин.
Когда рушатся основы: философия непостоянства
Но давайте выйдем за пределы сухих цифр и уравнений. Что означает идея изменяющихся констант для нашего мировоззрения?
С философской точки зрения, это переворот не меньший, чем коперниканская революция. Мы привыкли думать, что законы природы вечны и неизменны. Что физика работает одинаково здесь и сейчас, на другом конце Вселенной и миллиарды лет назад. Это называется принцип единообразия природы, и он лежит в основе всей современной науки.
Если же константы меняются, то Вселенная превращается в нечто куда более странное и непредсказуемое. Мы больше не можем быть уверены, что законы физики, работающие сегодня, работали точно так же вчера. Мы не можем гарантировать, что эксперимент, проведённый через миллиард лет, даст те же результаты, что сегодня.
Это одновременно пугает и завораживает. Вселенная перестаёт быть механизмом — предсказуемым, как швейцарские часы — и становится чем-то живым, эволюционирующим, меняющимся. Быть может, сами законы природы — это не застывшие правила, написанные на скрижалях реальности, а скорее привычки, которые Вселенная выработала за миллиарды лет существования?
Английский биолог Руперт Шелдрейк, правда, не физик и часто критикуемый за псевдонаучность, выдвинул провокационную идею о том, что законы природы больше похожи на привычки, чем на математические аксиомы. И хотя мейнстримная наука отвергает его построения, сама идея эволюционирующих законов теперь получает поддержку с неожиданной стороны — от серьёзной физики.
Мы стоим на пороге нового понимания реальности. Понимания, в котором нет ничего абсолютно постоянного, где даже фундаментальные константы — это всего лишь временные значения в бесконечном потоке космического становления.
Что дальше: наука на перепутье
Итак, что мы имеем в сухом остатке? Гравитационная постоянная G — возможно, не такая уж постоянная. Теоретические основания для этого существуют ещё с тридцатых годов прошлого века. Экспериментальные данные пока неоднозначны, но накапливаются. И если подтвердится, что G действительно меняется — пусть даже на ничтожные доли процента за миллиарды лет — это станет одним из важнейших открытий в истории физики.
Конечно, скептики возразят, что все эти отклонения могут объясняться систематическими ошибками измерений. И они будут частично правы — научная осторожность никогда не помешает. Но история науки учит нас, что самые революционные открытия часто начинались именно с «аномалий» — маленьких расхождений между теорией и экспериментом, которые большинство предпочитало игнорировать.
Кто знает? Возможно, через пятьдесят лет школьники будут учить, что G — это переменная, зависящая от времени и состояния Вселенной. А наши сегодняшние учебники будут вызывать такую же снисходительную улыбку, как викторианские книги, утверждавшие, что эфир заполняет космическое пространство.
Вселенная любит удивлять. И может быть, самый главный урок, который преподносит нам загадка непостоянной постоянной — это урок интеллектуальной скромности. Мы знаем гораздо меньше, чем думаем. И это прекрасно — потому что впереди ещё столько открытий.