Физическите константи в природата

Предговор

Някои неща никога не се променят. Тази книга е точно за тях. Преди много, много време, събития, които вече са част от историята, били онова, което не се включва в понятието "ежедневие": неочакваното, катастрофалното, застрашителното. Постепенно учените привикнали да оценяват загадъчността на повторяемостта и предсказуемостта на света. Въпреки навързването на хаотичните и непредсказуеми движения на атоми и молекули, ние имаме впечатлението, че живеем в свят, който притежава дълбока вътрешно заложена съгласуваност и свързаност. Търсенето на източника на тази непротиворечивост първоначално ни отведе до "законите" на Природата, направляващи промяната на нещата. Но малко по малко ние идентифицирахме набор от мистериозни числа, които лежат в корените на това усещане за непротиворечивост. Това са физическите константи. Те придават на Вселената нейната неповторимост и я отличават от другите, които можем да си представим. Те олицетворяват едновременно най-славните ни познания и най-дълбокото ни невежество по отношение на Вселената. Защото, макар да сме в състояние да ги измерим с все по-голяма точност и да градим около тяхната неизменчивост основните ни еталони за маса и време, ние не можем да обясним стойностите им. И досега така и не сме обяснили числената стойност на нито една от физическите константи. Откриваме все нови и нови, свързваме старите, разбираме все по-задълбочено ключовите им роли в това нещата да са такива, каквито ги наблюдаваме, но причината за техните конкретни стойности остава дълбоко скрита тайна. За да я открием, ще трябва "да разпорим по шевовете" най-фундаменталните физически закони и да открием дали константите, които ги дефинират, са фиксирани и намиращи се в рамката на някаква основополагаща логическа необходимост или все пак са резултат от игра на случайността.

Още първият ни поглед разкрива изключително странна картина. Макар някои константи да изглеждат фиксирани, други се характеризират с обхват на възможни вариации, а трети ни се струват абсолютно необвързани с нищо във Вселената. Но случайни ли са стойностите им? Възможно ли е да бъдат различни? И колко по-различни биха могли да бъдат, за да остане животът във Вселената възможен?

Още през 1981 година, първата ми книга The Anthropic Cosmological Principle ("Космологичният антропен принцип") изследва известните тогава начини, по които животът във Вселената се влияе от стойностите на физическите константи. Вселени с малко по-различен набор от константи биха били мъртвородени, лишени от потенциал за развитие и поддържане на онези сложно организирани структури, които наричаме живот. През изтеклото оттогава време космолозите намериха и продължават да намират все повече начини, по които Вселената би могла да проявява вариации в определящите я константи, все повече и повече причини, поради които животът не би могъл да се появи във Вселената. Те започнаха да възприемат напълно сериозно възможността за съществуване на други вселени, в които физическите константи имат други стойности. Изглежда, по някаква причина се намираме в свят, където всичко някак се е подредило точно както трябва. Но каква е вероятността за това? Тук ще разгледаме много от тези възможности и ще ги свържем с любопитната история на опитите ни да разберем числените стойности на физическите константи.

Съвсем наскоро се случи нещо, свързано с физическите константи, което се превърна в обект на внимание от страна на средствата за информация и във фокус на научни изследвания. Отново се повдигна възможно най-фундаменталният въпрос: постоянни ли са в крайна сметка физическите константи? Група с моето участие предложи нов метод за проследяване на стойностите на физическите константи през последните 11 милиарда години от историята на Вселената. Като изследваме спектъра на светлината, пристигаща до нас от далечните квазари, можем да направим изводи за атомите, излъчили тази светлина към нас преди много милиарди години. И така, неизменни ли са физическите константи? Отговорът - неочакван и шокиращ - поражда нови възможности за Вселената и законите, които я управляват. Книгата ще ви разкаже за тях.

Искам да благодаря на Бърнард Кар, Роб Критъндън, Пол Дейвис, Майкъл Дринкуотър, Крис Чърчил, Фрийман Дайсън, Владимир Дзуба, Виктор Фламбаум, Ясунори Фуджи, Гари Гибънс, Дж. Ричард Гот, Йорг Хенсген, Джана Левин, Жоао Магуейхо, Карлос Мартинс, Дейвид Мота, Майкъл Мърфи, Джейсън Прохазка, Мартин Рийс, Хавард Сандвик, Уолъс Сарджънт, Иля Шахтьор, Уил Сълкин, Макс Тегмарк, Върджиния Тримбъл, Нийл Търок, Джон Уеб и Арт Улф за дискусиите и приноса им с идеи, резултати и диаграми.

Искам също да благодаря на Елизабет, че оцеля в момента, когато имаше идея тази книга да бъде преименувана на "През него минава река", както и на трите ни деца - Дейвид, Роджър и Лоиз, - които през цялото време се безпокояха, че джобните пари може да се окажат една от константите в природата.

Дж. Д. Б.

Кембридж, април 2002

Глава 1. Преди началото

"Онова, което се случва първо, не е задължително да бъде началото."

Хенинг Манкел1

Еднаквост

"Всичко, което Бог е направил да бъде постоянно, и което по тази причина се случва ежедневно, би ни изглеждало като чудо и съответно би събудило възхищението ни, ако се случеше само веднъж."

Джон Дон2

Промяната е предизвикателство. Живеем в най-бързо развиващия се период от човешката история. Светът около нас се пришпорва от сили, които правят живота на индивида все по-чувствителен на малки промени и неочаквани реакции. Разрастването на интернет и пипалата на световната мрежа ни поставят в почти мигновен контакт с компютри и техните собственици по цял свят. Заплахите от неудържимото развитие на промишлеността доведоха до екологични поражения и промени в околната среда, които сякаш се задълбочават по-бързо от мрачните предсказания и на най-песимистично настроените пророци на Апокалипсиса. Децата ни като че ли растат все по-бързо. Политическите системи се преподреждат по нови и неочаквани начини все по-решително и все по-често отпреди. Дори човешките същества с присъщата им наследствена информацията са изправени пред "редакторска" интервенция по пътя на хирургическата подмяна с "резервни" части или на препрограмиране на елементи от генетичния ни код. Повечето форми на прогрес се развиват с ускоряващо се темпо и все повече компоненти на нашето съществуване се оказват заплетени в устрема ни да изследваме всичко възможно.

В света на научните изследвания отчитането на въздействието на дадена промяна не е нищо ново. Още към края на XIX век започнахме да разбираме, че някога Земята и Слънчевата ни система не са съществували, че обликът и нивото на интелект на човешките същества са се оформяли в продължение на необозримо дълъг период от време, както и че в известен смисъл Вселената ни би трябвало да прекрати съществуването си, като междувременно се превръща във все по-негостоприемно и по-малко подредено място. През XX век ние придадохме плът на тази обща картина на променящата се Вселена. Климатът и топографията на нашата планета непрестанно се променят и това се отнася и до съществата, която я населяват. Най-драматично от всичко обаче е откритието, че цялата вселена от звезди и галактики се намира в състояние на динамична промяна, по време на която огромни купове галактики се отдалечават от нас в едно бъдеще, което ще бъде съвършено различно от настоящето. Все по-ясно става, че няма да ни има вечно. Около нас непрестанно се извършват астрономически събития, за които думата "катаклизъм" е бедна, сблъскват се светове. Земята е била улучвана в миналото от комети и астероиди. Един ден късметът ще престане да бъде на наша страна и щитът във външната периферия на Слънчевата система, който по една щастлива прищявка на съдбата в момента е планетата Юпитер, ще престане да ни пази. В края на краищата дори и Слънцето ще умре. Галактиката ни, която наричаме Млечен път, ще бъде всмукана от огромна черна дупка в нейния център. Животът, какъвто ни е известен, ще престане да съществува. Оцелелите ще трябва да променят формата, домовете и дори същността си, при това в степен, която прави неприложима думата "живот" към онова, което те ще представляват.

Вече разбираме простите тайни на хаоса и непредсказуемостта, които лежат в основата на толкова много части от заобикалящия ни свят. Разбираме променящото се време, но не можем да го прогнозираме с точност. Долавяме сходствата в сложни структури, появяващи се в резултат от човешката дейност - общества, икономики, избор, екосистеми, - както и в човешкото съзнание.

Всички тези озадачаващо сложни структури ни увличат със себе си и се мъчат да ни убедят, че светът е като излязло от контрол влакче на ужаса, което подскачайки, се носи напред, и че всичко, в чиято истинност някога сме се клели, един ден може да бъде отхвърлено. Някои дори разглеждат подобна възможност като причина да се отнасят с подозрителност към науката3, която разяждала основите на човешката природа и спокойствие, сякаш строежът на физическата вселена и необятната плетеница от управляващи я закони е трябвало да бъдат създадени с оглед на крехката ни човешка психика.

Но има нещо, в огледалото на което всички тези промени и непредсказуемост са просто илюзия. Във фундамента на реалността има както консервативна, така и прогресивна страна. Въпреки несекващата промяна и динамика на видимия свят, има аспекти в тъканта на Вселената, чието непоклатимо постоянство е истинска загадка. Точно тези мистериозни и непроменящи се неща правят Вселената такава, каквато е, и я отличават от другите светове, чието съществуване бихме могли да си представим. Има златна нишка, която свързва в едно Вселената. Това ни кара да очакваме, че определени неща навсякъде из космоса ще бъдат точно такива, каквито са на Земята, че те са едни и същи в миналото, в настоящето и в бъдещето, че за някои неща думи като история и география са неприложими. В действителност може би без наличието на този основен слой на непроменяща се реалност не би била възможна както непрестанната промяна във видимия свят, така и сложността на нашето съзнание.

За тези основни компоненти на Вселената се разказва в тази книга. Тяхното съществуване е една от последните мистерии в науката, измъчвала поредица от велики умове с предизвикателството да намерят обяснение. Нашата мисия ще бъде да разкрием какво представляват те, но единственото, което засега знаем за тях, е как да ги наричаме. Това са физическите константи. Те са в основата на еднаквостта във Вселената и обясняват защо даден електрон е неотличим от всички останали електрони.

Физическите константи кодират в себе си най-съкровените тайни на Вселената. Те изразяват едновременно най-дълбокото ни познание и най-голямото ни невежество за космоса. Тяхното съществуване е доказателство за дълбоката истина, че в Природата има ниво на невидима подреденост. Но макар да сме се научили да измерваме стойностите на тези константи все по-точно, неспособността ни да обясним или предскажем тези стойности показва колко много все още ни остава да научим за скрития механизъм на работа на Вселената.

Какво в крайна сметка представляват физическите константи? Наистина ли е постоянна тяхната стойност? Навсякъде ли е една и съща? Има ли някаква връзка между тях? Би ли било възможно възникването и развитието на живота, ако те бяха малко по-различни? Това са някои от проблемите, с които тази книга ще направи опит да ви занимае. Ние ще се върнем назад към откриването на първите физически константи и тяхното влияние върху учени и теолози, които търсят Разума, целта и замисъла в Природата. Ще научите от фронта на науката какво смятат учените за физическите константи и дали евентуална бъдеща Теория на всичкото ще може да разкрие истинската им тайна. Но най-важно от всичко е, че тя ще постави въпроса дали те наистина са константи.