Триста тысяч километров в секунду — это число вбито в головы каждого школьника как непреложная истина, как физическая заповедь, высеченная на скрижалях мироздания. Но что, если эта «священная константа» — всего лишь временное недоразумение, космический компромисс, на который Вселенная пошла после бурной молодости?
Священная корова на заклание
Физика обожает свои константы. Мы цепляемся за них, как утопающий за соломинку, потому что они дают нам иллюзию понимания хаоса. Скорость света в вакууме — примерно 299 792 458 метров в секунду — считается фундаментальнейшей из фундаментальных величин. На ней построена вся специальная теория относительности, вся современная космология, вся наша самоуверенная картина мира. Эйнштейн сказал — и точка.
Но вот незадача: Эйнштейн был гением, а не пророком. Он создавал модели для объяснения наблюдаемой реальности, а не диктовал Вселенной, как ей себя вести. И чем глубже мы заглядываем в прошлое космоса — в те безумные первые мгновения после Большого взрыва — тем очевиднее становится неприятная правда: наши уравнения трещат по швам.
Теории переменной скорости света (Variable Speed of Light, или VSL) — это не фантазии городских сумасшедших и не очередная конспирология для любителей плоской Земли. Это серьёзные научные гипотезы, разрабатываемые физиками из Кембриджа, Имперского колледжа Лондона и других уважаемых учреждений. И они утверждают нечто поразительное: в младенчестве Вселенной свет мог двигаться в миллиарды раз быстрее, чем сегодня.
Конечно, научный истеблишмент встретил эти идеи примерно так же тепло, как инквизиция встречала еретиков. Но давайте разберёмся, почему эти «еретики» могут оказаться правы.
Проблема горизонта, или Почему Вселенная слишком уютная
Стандартная модель космологии — штука красивая. Большой взрыв, инфляция, расширение, охлаждение — всё логично, всё математически элегантно. Есть только одна проблема: она не работает без костылей.
Взгляните на реликтовое излучение — тот самый космический «шум», оставшийся от эпохи, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет. Оно удивительно однородно. Температура этого излучения практически одинакова в любой точке неба, куда бы мы ни направили телескопы. Разница составляет тысячные доли процента.
И вот тут начинается головоломка. Чтобы температура выровнялась, разные области пространства должны были «пообщаться» между собой, обменяться энергией. Но если скорость света всегда была такой, как сейчас, то противоположные края наблюдаемой Вселенной никогда не могли находиться в контакте. Расстояние между ними слишком велико, времени — слишком мало. Это так называемая проблема горизонта.
Представьте, что вы заходите в огромный зал, где тысячи людей одновременно произносят одно и то же слово. Но эти люди никогда не встречались, не созванивались и вообще не подозревают о существовании друг друга. Совпадение? Современная космология пожимает плечами и говорит: «Ну, видимо, изначальные условия были такими удачными».
Это, мягко говоря, неубедительно.
Костыль под названием «инфляция»
Чтобы спасти стандартную модель, физики в 1980-х придумали элегантный трюк — космологическую инфляцию. Согласно этой гипотезе, в первые 10⁻³⁶ секунды после Большого взрыва Вселенная раздулась с невообразимой скоростью, увеличившись в размерах примерно в 10²⁶ раз. Это позволило бы разным областям «познакомиться» до инфляции, а затем разлететься на космические расстояния.
Красиво? Безусловно. Проверяемо? Тут сложнее.
Инфляционная модель требует существования особого поля — инфлатона — которое никто никогда не наблюдал. Параметры этого поля приходится подбирать вручную, чтобы результаты сходились с наблюдениями. Проще говоря, мы «подкручиваем настройки» до тех пор, пока модель не начнёт выдавать правильные ответы. Это работает, но попахивает интеллектуальным жульничеством.
И вот тут на сцену выходят теоретики VSL с дерзким предложением: а что, если никакой инфляции не было? Что, если проблема горизонта решается проще — свет просто двигался быстрее?
Джон Моффат и рождение ереси
Идея о том, что скорость света могла меняться со временем, не нова. Ещё в 1993 году канадский физик Джон Моффат опубликовал первую серьёзную работу на эту тему. Его мотивация была простой: если проблема в том, что свет не успевает «связать» удалённые области Вселенной, то давайте позволим ему двигаться быстрее.
Моффат предложил, что в ранней Вселенной скорость света могла превышать нынешнее значение в 10³⁰ раз и более. При такой скорости свет успевал бы пересечь всю первичную Вселенную за доли секунды, обеспечивая термодинамическое равновесие. Затем, по мере расширения и остывания космоса, скорость света постепенно снижалась до современного значения.
Звучит безумно? Возможно. Но безумие — это не аргумент в науке. Квантовая механика тоже звучит безумно, однако работает с пугающей точностью.
В 1999 году эстафету подхватили Жоао Магейжо из Имперского колледжа Лондона и Энди Олбрехт. Они развили идеи Моффата и создали более математически строгую версию VSL-теории. Магейжо, в частности, написал книгу «Быстрее света», где с присущей ему дерзостью обвинил космологический истеблишмент в догматизме и нежелании рассматривать альтернативы.
Его можно понять. Когда ты предлагаешь пересмотреть основы физики, тебя не встречают с распростёртыми объятиями.
Механика немыслимого
Как технически может работать переменная скорость света? Здесь начинается самое интересное.
В стандартной физике скорость света связана с двумя фундаментальными константами: электрической постоянной (ε₀) и магнитной постоянной (μ₀). Формула проста: c = 1/√(ε₀μ₀). Если эти константы менялись в ранней Вселенной — а на это есть теоретические основания — то менялась и скорость света.
Но есть и более радикальные подходы. Некоторые версии VSL предполагают, что само пространство-время обладало иными свойствами в первые мгновения после Большого взрыва. Структура вакуума, которую мы сегодня считаем стабильной, могла быть принципиально другой при экстремальных энергиях и плотностях ранней Вселенной.
Это не так уж странно, если вдуматься. Вода при обычных условиях — жидкость. При нагревании — пар. При охлаждении — лёд. Те же молекулы, разные состояния. Почему бы вакууму не вести себя аналогично?
В рамках некоторых теорий квантовой гравитации — той самой недостижимой «теории всего», которую физики ищут уже столетие — переменная скорость света возникает естественным образом. Когда энергии достигают планковских масштабов (около 10¹⁹ гигаэлектронвольт), привычные законы физики перестают работать. Пространство и время теряют свою гладкость и становятся «зернистыми». В таких условиях понятие постоянной скорости света теряет смысл.
Доказательства или красивые сказки?
А теперь главный вопрос: есть ли хоть какие-то экспериментальные свидетельства в пользу VSL?
Честный ответ: прямых доказательств нет. Но это не значит, что теория бесполезна.
Во-первых, VSL-модели делают конкретные предсказания о спектре флуктуаций реликтового излучения. Эти предсказания отличаются от инфляционных моделей, и, в принципе, будущие космологические наблюдения могут их различить. Проект следующего поколения космических телескопов, возможно, даст нам эти данные.
Во-вторых, существуют интригующие намёки на то, что тонкая структурная постоянная (α) — безразмерная величина, связанная с силой электромагнитного взаимодействия — могла слегка отличаться в далёком прошлом. Наблюдения квазаров на расстоянии миллиардов световых лет показывают аномалии, которые некоторые исследователи интерпретируют как свидетельство изменения фундаментальных констант. Если α менялась, то могла меняться и скорость света.
Разумеется, эти результаты оспариваются. Другие группы не находят подобных аномалий. Наука — это бесконечный спор, и окончательный вердикт ещё не вынесен.
Философия скорости
За сухими уравнениями скрывается глубокий философский вопрос: что такое константа?
Мы привыкли думать о фундаментальных постоянных как о неких вечных истинах, вшитых в ткань реальности. Но откуда мы это знаем? Вся наша физика основана на наблюдениях в крошечном уголке пространства-времени — здесь и сейчас, на поверхности одной маленькой планеты, за последние несколько столетий научных измерений.
Экстраполировать эти результаты на всю Вселенную и всю её историю — это, мягко говоря, смелое допущение.
Теории VSL напоминают нам важную вещь: наука — не религия. У нас нет священных текстов, которые нельзя подвергать сомнению. Специальная теория относительности — блестящая модель, работающая в определённых условиях. Но условия ранней Вселенной были настолько экстремальными, что требовать от той же модели точности — это примерно как требовать от ньютоновской механики описания поведения чёрных дыр.
Более того, VSL-теории поднимают фундаментальный вопрос о природе физических законов. Являются ли они вечными и неизменными, или эволюционируют вместе со Вселенной? Возможно, «константы» — это просто параметры, которые стабилизировались после космологического фазового перехода, подобно тому как вода замерзает при определённой температуре.
Если это так, то наша Вселенная — не застывший механизм, а живая, меняющаяся сущность. И мы — существа, возникшие в её нынешней, «остывшей» фазе — пытаемся понять её бурную молодость по косвенным признакам.
Почему это важно
Можно спросить: какая разница, была ли скорость света другой тринадцать миллиардов лет назад? Это же чистая абстракция, не имеющая практического значения.
Это глубокое заблуждение.
Наше понимание фундаментальной физики напрямую влияет на технологии. GPS-навигация работает благодаря релятивистским поправкам. Ядерная энергетика существует благодаря E=mc². Полупроводники в вашем смартфоне — продукт квантовой механики. Каждый прорыв в понимании устройства мира рано или поздно оборачивается практическими приложениями.
Если VSL-теории окажутся верны, это перевернёт наше представление о космологии, квантовой гравитации и, возможно, о самой природе пространства-времени. А там, глядишь, и до варп-двигателей рукой подать. Шутка, конечно. Но только отчасти.
И ещё один момент. Научные революции случаются тогда, когда кто-то осмеливается бросить вызов общепринятым догмам. Коперник сказал, что Земля вертится вокруг Солнца — и его объявили еретиком. Эйнштейн сказал, что пространство и время относительны — и его высмеяли. Теперь Магейжо и его коллеги говорят, что скорость света — не константа, и их тоже встречают скептически.
Возможно, они ошибаются. Возможно, инфляционная модель окажется правильной, а VSL останется красивой, но неверной гипотезой. Такое бывает в науке, и в этом нет ничего страшного.
Но возможно — только возможно — мы присутствуем при рождении новой парадигмы. При очередном разрушении очередной священной коровы. При ещё одном шаге человечества к пониманию того безумного, прекрасного, непостижимого космоса, в котором нам посчастливилось существовать.
И если это так, то триста тысяч километров в секунду — просто число. Большое, красивое, но вовсе не высеченное на скрижалях вечности. А Вселенная, как всегда, окажется куда страннее и интереснее, чем мы могли себе представить, сидя на своей маленькой голубой планете и глядя в бесконечное звёздное небо.