Какую бы физическую систему мы ни рассматривали, природа всегда подчиняется одним и тем же фундаментальным законам. Должно ли это быть именно так, и если да, то почему?

Во всей Вселенной, независимо от того, куда и когда мы смотрим, мы видим бесконечное разнообразие структур, сформировавшихся на всех этапах космической эволюции. Среди огромного количества планет, звёзд, галактик, скоплений галактик и компонентов великой космической паутины нет двух одинаковых объектов, хотя многие их черты демонстрируют явные сходства. Лежащие в их основе фундаментальные законы, которым они подчиняются — от квантовых до космических — по-видимому, никогда не меняются. От нашего «космического заднего двора» до галактик, обнаруженных по всей Вселенной:

гравитация действует одинаково, атомы демонстрируют одни и те же квантовые переходы, а фундаментальные константы остаются неизменными

во всём пространстве и времени.

Но почему Вселенная устроена именно так? Есть ли что-то, что не позволяет разным областям иметь разные свойства, законы и константы? Или что-то, что не позволяет им меняться со временем? Почему природа подчиняется законам? Это относительно новое понятие, ведь большинство явлений, которые могли наблюдать наши предки, были макроскопическими — грозы, землетрясения, извержения вулканов — и казались совершенно капризными, прихотью богов. Сейчас мы понимаем, что все физические явления подчиняются нескольким простым уравнениям, без исключений, всегда… что весьма удивительно. Но почему?

Физика, хотя и отлично справляется с ответами на вопросы о том, «как» устроены вещи, совершенно бессильна в ответах на вопросы о цели, такие как «почему» вещи существуют. Тем не менее, с научной точки зрения мы можем сделать много значимых выводов. Вот лучшие утверждения, которые мы можем высказать по этому поводу.

Во многих отношениях это самый поразительный факт о Вселенной: то, что компоненты космоса, законы, управляющие реальностью, и постоянные природы на фундаментальном уровне не изменяются ни в пространстве, ни во времени. Да, структуры, которые они объединяют, изменяются; условия, при которых они существуют и взаимодействуют друг с другом, изменяются; различные явления, возникающие в результате их взаимодействий, изменяются. Различные сложные системы, которые возникают, настолько хаотичны, что во всей Вселенной нет двух по-настоящему идентичных систем. Подобно снежинкам, они могут демонстрировать множество сходств, но если изучить их достаточно подробно, то внутри них можно обнаружить глубокие различия.

Насколько нам известно из научных данных о физической реальности:

• фундаментальные составляющие (т. е. частицы/кванты),

• законы, которым они подчиняются (т. е. взаимодействия между ними),

• и константы, определяющие их взаимосвязи (т. е. «величина» любого исследуемого нами свойства),

являются действительно постоянными. Если бы это было не так, реальность, какой мы её знаем, была бы невозможна. Тот факт, что реальность остаётся неизменной от момента к моменту и от места к месту, — это единственное, что позволяет понять Вселенную каким-либо осмысленным образом. Чтобы проиллюстрировать это, давайте посмотрим, что произошло бы, если бы какая-либо из этих трёх составляющих — компоненты, законы или константы — не была универсально постоянной.

Что, если бы состав частиц Вселенной не был постоянным?

Представьте, что любая из частиц, которые известны нам сегодня, любая из частиц в рамках Стандартной модели, менялась со временем. Я не имею в виду «представьте, что одна из этих частиц была нестабильной», а скорее «представьте, что одна из этих частиц перестала существовать и что либо никакая новая частица не пришла ей на смену, либо одна или несколько новых частиц, которые в настоящее время не существуют, появились вместо неё».

Каковы были бы последствия этого?

Ответ, нравится вам это или нет, заключается в том, что всё, что существует во Вселенной, как мы её знаем, перестало бы существовать и было бы заменено чем-то новым.

Если бы один из кварков перестал существовать — даже такой неуловимый и недолговечный, как топ-кварк, — то протоны и нейтроны приобрели бы иные фундаментальные свойства. Причина этого явления тонкая, но понятная. Внутри каждого связанного адрона — частицы, состоящей из кварков — существует «море» субатомных частиц. Да, такие частицы, как протоны и нейтроны, состоят из трёх (валентных) кварков, связанных между собой глюонами. Но внутри каждого такого адрона существует «море» частиц и античастиц, состоящее из всех кварков и антикварков (а также глюонов и, возможно, других квантовых частиц), существование которых допускает квантовая теория поля: именно это и придаёт этим частицам их свойства.

Если бы какой-либо из этих кварков — или, если на то пошло, любое вещество, взаимодействующее с ними, — перестал существовать или был бы заменён чем-то другим, фундаментальные свойства, связанные с каждой такой составной частицей, уже не были бы прежними. Это означает, что ряд физических свойств, которые мы считаем постоянными, включая константы, характеризующие протоны и нейтроны, были бы вынуждены измениться. Их массы изменились бы, изменились бы их магнитные моменты, изменилась бы структура связанных ядер, которые они образуют, и в результате свойства отдельных атомов и способ их связывания кардинально изменились бы.

Если бы это произошло где-либо во Вселенной, мы не просто смогли бы это обнаружить — мы бы не смогли этого не заметить. Связанные структуры, сформировавшиеся повсюду во Вселенной, включая отдельные атомы, больше не демонстрировали бы:

• одинаковых квантовых уровней энергии,

• одинаковых линий излучения и поглощения,

• одинаковых переходов тонкой и сверхтонкой структуры,

• или одинаковой молекулярной структуры.

Однако ничего подобного мы не наблюдаем. Куда бы мы ни смотрели, спектры атомов и молекул в их собственной системе отсчёта в состоянии покоя идентичны во всём пространстве и во всём времени. Сверхтонкий переход водорода всегда одинаков. Если вернуться к самым ранним сигналам из Вселенной и рассмотреть все направления и точки, которые мы можем наблюдать, то никаких признаков каких-либо изменений такого рода обнаружить не удаётся.

Что, если бы взаимодействия между частицами не были постоянными?

В нашей современной Вселенной существует четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнетизм, а также сильное и слабое ядерные взаимодействия. Если бы какая-либо из этих сил не была постоянной, легко представить, насколько иначе выглядели бы структуры, формирующиеся и остающиеся стабильными с течением времени.

Если бы сила притяжения не была постоянной, было бы невозможно достоверно предсказать движение объектов на Земле, орбиты небесных тел в нашей Солнечной системе, траектории полёта самолётов, ракет и космических кораблей, а также такие космические явления, как гравитационная линза или расширение Вселенной.

Если бы электромагнитная сила не была постоянной, в структурах, составляющих основу реальности на атомном уровне, проявились бы несоответствия, которых в действительности не наблюдается. Орбитали и энергетические уровни электронов, вращающихся вокруг атомных ядер, изменились бы, а свойства взаимодействия между электронами в разных атомах стали бы непредсказуемыми. Другими словами, если бы электромагнитная сила изменилась, каждая молекула во Вселенной кардинально изменила бы свои свойства. Если бы это произошло, то мы, люди, мгновенно оказались бы в нежизнеспособном состоянии. Если бы это произошло на Земле, жизнь немедленно прекратилась бы.

А если бы изменились сильные или слабые ядерные взаимодействия, это привело бы к настолько катастрофическим последствиям, что мы не прожили бы достаточно долго, чтобы узнать о том, что они произошли. Многие атомные ядра, которые сейчас являются стабильными, распались бы, переходя в более стабильную конфигурацию и выделяя при этом огромное количество энергии. Все связанные атомы ионизировались бы, создав «плазменную Вселенную» везде, где произошёл бы этот переход.

Вы, возможно, начнёте задумываться о том, что электромагнитные и слабые взаимодействия когда-то были объединены в электрослабое взаимодействие, и, возможно, начнёте задавать вопросы об этом переходе, гадая, какое влияние он оказал на Вселенную.

Это очень глубокий и серьёзный вопрос! Оказывается, связанные состояния, которые мы знаем и (большинство из нас) любим сегодня, и которые позволяют создавать адроны, атомные ядра, атомы, молекулы и многое другое, были невозможны во время электрослабого объединения. Частицы (за исключением, возможно, нейтрино) ещё не имели массы покоя, поскольку симметрия Хиггса была восстановлена. Кинетическая энергия, присущая каждой частице в условиях высокой температуры, плотности и энергии, характерных для этих эпох — как в горячей фазе Большого взрыва, так и в ускорителях частиц, — должна уменьшиться, чтобы эта симметрия вновь «нарушилась» и такие связанные состояния могли существовать. Всё, с чем мы взаимодействуем сегодня, могло появиться только благодаря современной форме Стандартной модели.

Что, если фундаментальные константы не были бы постоянными?

Это очень важный вопрос, и учёные активно исследуют различные сценарии того, как фундаментальные константы на самом деле могут не быть постоянными. Однако здесь есть один существенный нюанс: всякий раз, когда вы пытаетесь изменить какую-либо константу, в том числе:

• массу частицы,

• силу взаимодействия в любом процессе,

• скорость света,

• постоянную Планка,

• гравитационную постоянную,

• или энергию квантового вакуума, то есть энергию нулевой точки Вселенной,

необходимо убедиться, что предлагаемая схема не будет противоречить наблюдениям, измерениям и экспериментальным результатам, которые уже имеются в нашем распоряжении.

Поскольку мы тщательно исследовали квантовый мир и измерили квантовые следы космических сигналов, поступающих с расстояния в миллиарды световых лет, от этих ограничений не так просто уйти. Квантовые переходы происходят с одинаковой удельной энергией, длиной волны и частотой во всём космосе и на протяжении всей нашей космической истории. Атомные часы ограничили отклонения в колебаниях этих часов примерно до 1 части на квинтиллион (10¹⁸). А долгосрочная орбитальная стабильность Солнечной системы на протяжении последних 4,5 миллиарда лет достаточна для того, чтобы, помимо прочего, с необычайной точностью ограничить изменения в гравитации.

Однако один вид вариативности действительно имеет место: взаимодействие трёх фундаментальных взаимодействий — электромагнетизма, а также сильного и слабого ядерных — зависит от энергетического масштаба, на котором оно происходит. Например, постоянная тонкой структуры, определяющая силу электромагнитного взаимодействия, представляет собой дробь, равную сегодня примерно 1/137 в нашей низкоэнергетической Вселенной. Однако в условиях, достигаемых в коллайдерах частиц с очень высокими энергиями, это взаимодействие сильнее: примерно 1/128. Это объясняется с точки зрения квантовой теории поля и предписывается ею, но не является интуитивно понятным; это просто следствие того, какие «новые пути» взаимодействий становятся более вероятными при высоких энергиях.

Однако в одном мы можем быть относительно уверены: энергия нулевой точки Вселенной не изменилась, по крайней мере в пределах нашего светового конуса, с момента начала горячего Большого взрыва. Такое изменение стало бы самым катастрофическим из всех возможных сценариев, поскольку квантовый вакуум был бы вынужден «проникнуть» в состояние с более низкой энергией. При этом он коренным образом изменил бы все константы и взаимодействия в нашей Вселенной, полностью уничтожив каждую составную частицу во Вселенной. Где бы это ни произошло, возник бы «пузырь разрушения», распространяющийся наружу со скоростью света и уничтожающий всё, что попадается на его пути. К счастью, мы не обнаружили такого явления, и наше дальнейшее существование в этой Вселенной по-прежнему возможно.

Можно было бы подумать, что существуют более глубокие причины, по которым такая вариативность законов физики — будь то в пространстве или во времени — исключена. В конце концов, во Вселенной существуют фундаментальные симметрии и законы сохранения, и существование одного вытекает из другого: именно это доказала теорема Нётер более 100 лет назад.

Но это всего лишь теорема в формате «если — то». Если вы готовы поступиться фундаментальной симметрией, вам уже не обязательно сохранять (держать постоянными) те величины и объекты, которые из этой симметрии следуют. Даже самое незначительное нарушение даёт ту свободу, которая позволяет обойти эти законы сохранения.

• Нарушьте инвариантность относительно сдвига в пространстве (пусть свойства меняются от места к месту) — и импульс перестанет быть сохраняющейся величиной.

• Нарушьте инвариантность относительно поворота (пусть свойства зависят от направления) — и момент импульса больше не сохранится.

• Нарушьте инвариантность относительно сдвига во времени (пусть свойства меняются со временем) — и энергия перестанет сохраняться.

Хотя все эти законы сохранения, по-видимому, справедливы для любых свойств частиц, которые нам удалось измерить в лаборатории, мы уверены, что последний из них не соблюдается в космическом масштабе. В расширяющейся Вселенной, поскольку космические расстояния между гравитационно несвязанными объектами меняются, даже такая фундаментальная величина, как энергия, не сохраняется строго.

Действительно, проводились исследования и выдвигались утверждения о временной эволюции или пространственных различиях фундаментальных констант в разных точках пространства. Утверждалось, что постоянная тонкой структуры изменяется на величину порядка нескольких частей на 1 000 000 как во времени, так и на больших космических расстояниях. К сожалению, эти результаты не удалось надёжно воспроизвести: погрешности в каждом измерении, в котором якобы обнаруживается такой сигнал, сопоставимы с величиной самого заявленного эффекта. Ни у одной из работ, где было заявлено о временных или пространственных вариациях фундаментальных законов или констант нашей Вселенной, не было надёжного независимого подтверждения.

Одно из свойств теоретической физики — и тут уж вам решать, считать ли это недостатком или достоинством, — состоит в том, что вы никогда не сможете полностью исключить идею, которая видоизменяет ваши законы: вы можете лишь наложить на неё ограничения. Такой эффект вполне может существовать, но если он и есть, то либо он лежит ниже порога чувствительности наших наблюдательных и экспериментальных методов, либо происходит где-то во Вселенной за пределами нашего светового конуса, а значит, пока недоступен нашему взгляду. Это одна из причин, по которой нельзя относиться к физике — и я говорю это как физик-теоретик — как к чисто умозрительной науке. Наши знания о Вселенной опираются на эксперимент и наблюдение. И всякий раз, когда мы расширяем эти границы, вторгаясь в неизведанные области, мы чуть лучше начинаем понимать реальность, в которой живём.