Мы живём в точно настроенной и выверенной Вселенной. Если температура Солнца была бы меньше 5500 градусов Цельсия, Земля замёрзла, а при большей температуре всё живое сожжено. Будь Юпитер легче, и количество летящих из космоса комет к Земле резко возросло, и всё живое на Земле было бы уничтожено. Астрономы считают, что влияние Юпитера и Сатурна на Землю привело к удлинению её эллиптической орбиты и повлияло на наклон оси. Луна также способствует наклону Земли и устойчивости климата. Если бы наклон отсутствовал, испаряемая в океанах влага мигрировала к северу и югу, а континенты покрылись бы льдом. И это мизерная часть «случайностей» в Солнечной системе, благодаря которым на Земле существует жизнь.
Знакомство с общепризнанной, увенчанной Нобелевской премией Стандартной моделью физики элементарных частиц приводит к однозначному выводу: Вселенная организована таким образом, чтобы в ней могла существовать жизнь. Даже незначительное изменение численного значения одной из примерно 20 констант, входящих в Стандартную модель, полностью лишает Вселенную атомов. Изменение массы электрона всего на 0,2 % изменит время жизни звёзд настолько, что для эволюции живых организмов не хватит времени. Отклонение константы сильного взаимодействия всего на одну десятитысячную в ту или другую сторону сделает невозможным образование атомов углерода, а значит, и зарождение органической жизни будет невозможным.
Такая точная настройка Стандартной модели порождает много вопросов. Один из них – случайны ли наблюдаемые нами значения фундаментальных констант? И могло ли больше дюжины стабильных и взаимосвязанных друг с другом констант появиться случайным образом в момент или после Большого взрыва, по мере образования элементарных частиц и атомов?
Если Вселенная развивается случайным образом, то должны меняться во времени и фундаментальные константы. Учёные решили получить ответ на данный вопрос путём прямого измерения фундаментальных постоянных в различных областях Вселенной. Для измерения была выбрана одна из физических постоянных – постоянная тонкой структуры α или постоянная Зоммерфельда. Данная константа является скалярной величиной, получена опытным путём и равная примерно 1/137. Она характеризует силу электромагнитного взаимодействия и определяет все основные свойства и характеристики объектов микромира: размеры электронных орбит в атомах, энергию связи между элементарными частицами и атомами, следовательно, все физические и химические свойства вещества.
Безразмерная α образована из комбинации других фундаментальных констант: элементарного электрического заряда е, приведённой постоянной планка ћ, скорости света в вакууме с и диэлектрической проницаемости свободного пространства ε0. Она также может быть образована и в терминах других фундаментальных физических констант. Её численное значение не зависит от выбранной системы единиц, поэтому она хорошо подходит для ответа на поставленный вопрос.
Большинство экспериментальных данных подтверждают неизменность постоянной α. Исследования, проведённые в 2016 году учёными из Института астрономии при Кембриджском университете и из Центра астрофизики и суперкомпьютерных вычислений в Технологическом университете Суинберна в Австралии показали, что постоянная тонкой структуры в галактике за последние 8,5 миллиарда лет не изменилась[14].
Астрофизики из семи стран под руководством Майкла Вильчинского из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии установили, что физическая константа α за последние 13 миллиардов лет – а это соответствует возрасту Вселенной 800 миллионов лет – сохранила своё значение с точностью до пятого знака после запятой. Однако, когда учёные рассмотрели полученные результаты совместно с другими измерениями константы, они заметили пространственные вариации постоянной на уровне статистической значимости[15]. Это указывает на то, что расхождение между современными и прошлыми значениями постоянной тонкой структуры зависит не от количества прошедшего времени, а от пространственного положения тех точек, где были сделаны замеры.
14
Kotuš S., Murphy M. et al. High-precision limit on variation in the fine-structure constant from a single quasar absorption system, 2016. https://arxiv.org/abs/1609.03860.
15
Wilczynska M., Webb J. et al. Four direct measurements of the fine-structure constant 13 billion years ago. – Science Advances, 2020. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aay9672.