W为什么未来会像过去?首先，它一直都是。但这本身就是对过去的观察。正如哲学家大卫•休谟(David Hume)在18世纪中叶指出的那样，我们不能利用过去的经验来论证未来将与之相似，而不陷入循环逻辑。更重要的是，物理学家仍然无法解释为什么自然界的某些基本常数具有它们所具有的值，或者为什么这些值会随着时间的推移而保持不变。
这个问题很麻烦，尤其是对科学家来说。首先，如果现实的基本性质不断变化，那么假设、检验和修正的科学方法就会动摇。科学家再也不能预测未来或重建过去，也不能完全依靠过去的实验。但科学也有锦囊妙计:不像哲学，它可以尝试测量自然法则和参数化这些法则的常数是否在改变。
精细结构常数,α，是自然界最普遍和最重要的基本常数之一。它决定了光和物质相互作用的强度。即使它与现在的1/137稍有不同，宇宙看起来也会大不相同——几乎可以肯定，宇宙不适合生命生存。虽然物理定律允许α随时间变化，但很少有人认为它真的会变化。直到1999年，科学家们对从非常明亮、非常遥远的天体——类星体——发出的光进行了分析。
这种分析利用了这样一个事实:每一种元素的原子都优先吸收或发射特定颜色的光，而这种吸收或发射的光的方式与元素的价值密切相关α．当光线被分解成光谱时，这些吸收和发射可以被视为亮线或暗线，就像棱镜将白光分解成彩虹一样。当类星体发出的光穿过气体云到达地球时，气体云中的某些原子在光谱上留下了暗吸收线，然后将这些暗吸收线与在实验室中产生和测量的原子吸收线进行比较。
令研究人员吃惊的是，当他们将这些古老光的光谱与实验室产生的光谱进行比较时，他们发现了一个差异:吸收谱线上有轻微的不匹配。这表明数十亿年前，当类星体光被气体云吸收时，α比现在小十万分之一。换句话说,α在过去的几十亿年里略有增加。
改变的可能性α是一枚重磅炸弹，它让物理学家们争相寻找互补的方法，既可以证实天文发现，也可以反驳这些发现，而不必依赖于对天体物理环境的相同假设。对他们来说，幸运的是，要观察数十亿年前的物理学是如何运作的，你不需要看天上古老的星光，你也可以看你脚下的土地。地球已经存在了40多亿年，它古老的矿藏为数十亿年前发生的过程提供了另一种记录。的变化α将表现为矿床中发现的各种放射性同位素的波动衰变率。最好的测量结果来自于一个有18亿年历史的核反应堆，它是几十年前偶然发现的。
1972年，法国核科学家在非洲加蓬奥克罗地区的铀矿样品中发现了一些奇怪的东西。铀235(用于核弹和反应堆的同位素)和铀238(更常见的铀同位素)的比例比通常在地质矿床中发现的要小。这很令人困惑，因为如果没有最近的人类活动，这个比例应该只取决于地球形成的原始尘埃云中有多少铀-235，以及从那时起的时间流逝。通过更详细地分析欧克陆岩石，科学家们还发现它们富含放射性物质。这些岩石曾经历过一次强大的、持续的、古老的核反应。
大自然是如何在地壳上建造一个核反应堆的呢?人造核反应堆依靠各种各样的安全壳和安全基础设施来产生核能，但是，从根本上说，一个自我维持的核裂变反应所需要的只是一个足够大的铀样本，其中至少含有3%的铀235。然后，只需加水，通过浓缩铀放射性衰变产生的中子来增强核反应。目前的铀235含量远远低于自然核反应堆自发产生的水平，但情况并非总是如此。铀235的衰变速度比铀238快，所以随着时间的推移，它的分数会增加。在过去的20亿年里，它达到了一个临界点，使得核反应能够持续下去。
当他们将这种古老光的光谱与实验室产生的光谱进行比较时，他们发现了一个差异:吸收谱线有轻微的不匹配。
当它运行时，奥克罗反应堆产生大量的中子，其中一些逃逸并被周围岩石中的微量同位素捕获，这一过程对价值极其敏感α，精细结构常数。通过观察在欧克陆矿床中发现的不同同位素的相对数量，科学家们确定了α当反应堆运行时。它和今天一样，只是有一定的误差范围。天堂和地球似乎在告诉我们关于遥远的过去相互矛盾的故事。
但是，天文和地质实验各有各的混乱。每一项研究都基于一系列关于环境的假设，这些环境要么在空间上，要么在时间上，离我们非常遥远。为了实现更清洁的测量，研究人员转向了他们能够完全控制的环境:他们自己的实验室。原子光谱对的值有不同的灵敏度(在某些情况下，差别很大)α．通过测量这些随时间变化的光谱，科学家可以测量α．问题是，这些测量要持续多久才有用?
答案一点也不长。现代光谱学，即测量吸收光谱和发射光谱的科学，是非常精确的。它是如此精确，以至于几个月或几年的测量将限制变化的速度α比欧克陆或类星体的测量结果都要高。这些实验室测量发现，至少在今天，α是没有改变。这些测量中最敏感的已经确定，如果α正在发生变化，每年的变化幅度必须小于千万分之一。从更长的时间内推断，这相当于在100亿年的时间里，其灵敏度超过百万分之一，大约是1999年天文观测类星体的灵敏度的10倍。
天堂和地球似乎在告诉我们关于遥远的过去相互矛盾的故事。
那么，案子结了吗?类星体的数据有缺陷吗α被证明是固定的时间?不完全是。首先，虽然实验室测量排除了现在的变化α在类星体数据所显示的规模上，它们并没有说明α在遥远的过去发生的变化——类星体数据与之相关的时间段。其次，新的天文数据以一种意想不到的方式使情况复杂化。2011年发表的一组新测量的类星体光谱分析表明，1999年那篇论文的作者是同一组人α在遥远的过去是稍微更大的而不是现在的价值。这与以前的天文观测结果形成了对比小遥远的过去α上面所描述的。
仅仅基于这些相互冲突的过去的价值观α在美国，人们可能会忍不住得出这样的结论:天文结果根本不可靠，但事实并非如此。这些观测结果揭示了一个更小的过去α来自位于北半球夏威夷的一台望远镜，而最近的观测则给出了更大的过去α来自南半球智利的一台望远镜，所以这两台望远镜观测的是天空中截然不同的方向。对所有数据的综合分析表明，不是时间的变化α，这些观察是看到了一个空间变化-值α在一个特定的方向上，深度越大，而在相反的方向上，深度越小。因为你看的空间越深，你看的时间就越久远，如果只沿着一个方向研究，空间变化就会模仿时间变化。
寻找一个不断变化的精细结构常数，反映出考虑和描述一个可能在最基本的水平上随时间而变化的宇宙是多么困难。因为我们总是在当下进行测量，所以对数据的解释必须做出一些假设，因为我们试图从我们存在的基础上解开自己，我们也试图测量它。不管最终的真相是什么α事实证明，它的故事仍在书写中。
伊戈尔·泰珀是一位物理学家和作家。
