W为什么未来应该像过去一样？首先，它一直都是这样。但这本身就是来自过去的观察。正如哲学家大卫·休谟在十八世纪中旬指出的那样，我们不能用过去的经验来论证未来会像它一样，而不必陷入循环逻辑。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，或者为什么这些值应该随时间保持不变。
这是一个令人不安的问题，特别是对科学家来说。一方面，如果现实的基本性质不断变化，科学的假设、检验和修正方法就会动摇。科学家们再也不能预测未来或重建过去，也不能完全自信地依赖过去的实验。但科学也有一张王牌：与哲学不同，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变化。
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。它控制着光和物质相互作用的强度。如果它与现在的约1/137的值略有不同，那么宇宙看起来确实会大不相同，几乎肯定不会有生命存在。虽然物理定律允许α随时间变化，但很少有人认为它确实如此。也就是说，直到1999年，科学家对从非常明亮、非常遥远的天体（称为类星体）射向我们的光进行了分析。
这种分析利用了这样一个事实，即每种元素的原子都会优先吸收或发射某些颜色的光，其吸收或发射的方式与光的值密切相关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。当来自类星体的光穿过气体云到达我们的途中，气体云中的某些原子在光的光谱上留下了暗吸收线，然后将其与实验室中产生和测量的相同原子吸收线进行比较。
令研究人员惊讶的是，当他们将这种古老的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：吸收线中有一点不匹配。这表明数十亿年前，当类星体光被气体云吸收时，α比现在小了大约十万分之一。换句话说,，α在过去的几十亿年中略有增加。
变化的可能性α这是一个爆炸性事件，让物理学家们争先恐后地寻找互补的方法来证实或反驳天文发现，而不必依赖于对天体物理环境的相同假设。幸运的是，要观察几十亿年前物理学是如何工作的，你不必看天上的古老星光，你也可以看你脚下的地面。地球已经存在了40多亿年，其古老的矿藏为数十亿年前发生的过程提供了另一种记录。变化α在矿藏中发现的各种放射性同位素的衰变率波动中表现出来。最好的测量数据来自一个18亿年前偶然发现的核反应堆。
1972年，法国核科学家在非洲加蓬奥克洛地区的一个铀矿样本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）与铀-238（更常见的铀同位素）的比值小于地质矿床中通常发现的比值。这是相当令人费解的，因为如果没有最近的人类活动，这个比率应该只取决于地球形成的原始尘埃云中有多少铀-235，以及从那时起经过的时间。通过对奥克洛岩石进行更详细的分析，科学家们还发现这些岩石中含有丰富的放射性物质。这些岩石引发了一次强大的、持续的、古老的核反应。
大自然怎么能在地壳中制造出核反应堆呢？人造反应堆依靠各种安全壳和安全基础设施来产生核能，但从根本上说，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。今天的铀-235含量太低，自然核反应堆无法自发产生，但情况并非总是如此。铀-235的衰变速度比铀-238快，所以它的分数随着时间的推移而增加。在过去的20亿年里，它达到了一个关键的临界值，使得核反应得以持续。
当他们将那个古老的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：吸收线中有一点不匹配。
在运行时，奥克洛反应堆产生了大量中子，其中一些逃逸并被周围岩石中的微量同位素捕获——这一过程对中子的价值极为敏感α精细结构常数。通过观察今天在奥克洛矿床中发现的不同同位素的相对数量，科学家们确定了这些同位素的价值α当反应堆运行时。这与今天一样，在一定的误差范围内。天空和大地似乎在向我们讲述关于遥远过去的相互矛盾的故事。
但天文和地质实验都以各自的方式混乱不堪。每一个都依赖于一系列关于远离我们的环境的假设，无论是在空间上还是在时间上。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。原子光谱对能量值的敏感性不同（在某些情况下，差异很大）α. 通过测量这些光谱随时间的变化，科学家可以测量光谱的时间变化α. 问题是，这些测量要持续多久才能有用？
答案一点也不长。现代光谱学是一门测量吸收光谱和发射光谱的科学，其精确程度令人难以置信。它是如此精确，以至于在几个月或几年的时间内进行测量将限制数据的变化率α比Oklo或类星体的测量更大的程度。这些实验室测量发现，至少在今天，α这一点没有改变。这些测量中最敏感的一个已经确定，如果α在变化中，每年的变化率必须不到1000亿分之一。外推到一个较长的时间段，对应于100亿年中超过百万分之一的灵敏度，这比1999年天文观测类星体所获得的灵敏度高出大约10倍。
天空和大地似乎在向我们讲述关于遥远过去的相互矛盾的故事。
那么，案件结束了吗？类星体数据是否有缺陷，以及α被证明是及时修复的？不完全是。首先，虽然实验室测量排除了当前环境的变化α在类星体数据所显示的尺度上，它们没有说明α类星体数据相关的过去一段时间的变化。其次，新的天文数据以一种意想不到的方式使画面变得复杂。对一组新测量的类星体光谱的分析表明，这组光谱是由撰写1999年原始论文的同一小组于2011年发表的α在遥远的过去更大的而不是现在的价值。这与以前的天文观测形成对比更小远古α如上所述。
仅基于这些相互冲突的α，人们可能会得出结论，认为天文结果根本不可靠，但事实并非如此。产生较小过去的观察结果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，因此这两台望远镜观察的是天空中相距甚远的方向。对所有数据的综合分析表明，与时间变化相比α，这些观测发现了α在一个特定的方向上看得越深，越大，而在相反的方向上越小。因为你看的空间越深，你看的时间越远，如果只沿着一个方向研究空间变化，就会模仿时间变化。
对一个不断变化的精细结构常数的探索反映出，对一个可能在最基本的时间上发生变化的宇宙的思考和表征是极其困难的。因为我们总是在当下进行测量，当我们试图从我们存在的基础上，也就是我们试图测量的基础上，对数据的解释必然会做出一些假设。不管最终的真相是什么α事实证明，它的故事仍在编写中。
伊戈尔·泰珀是物理学家和作家。
