亚历山大·什利亚克特的见识
依我的想法放射性是一种真正的物质的疾病。此外，它也是一种传染病。它会传播。你把那些低成色的和破碎的原子带到其他原子附近，而那些原子也立刻不失时机地抓住机会，使它们离开有条不紊的存在。确切地讲，我们的旧文化的衰变体现为社会中的传统和特点的丧失，以及有自信的反应的失去。
——H·G·威尔斯：《托诺-邦盖》〔14〕
亚历山大·什利亚克特（A.Shlyakhter）是来自圣彼得堡的一位著名的青年核物理学家（图11.4）。他在移居美国哈佛大学后，在2000年6月死于癌症。他的专长在控制和了解几桩核事故方面显得十分重要，特别是苏联切尔诺贝利反应堆发生的灾害。当他还是一个大学生时，他就意识到昔日奥克洛的核反应的残留物可能告诉我们有关20亿年前的核反应是如何进行的某些很重要的信息。他认识到奥克洛涉及有关核反应一些非同寻常的事情。值得注意的是，在那里出现的一个核反应，钐149核捕获一个中子产生钐150同位素和一个光子，这个反应非常灵敏。它仅仅由于一个偶然的“共振”条件就发生了：在一个能量特别狭窄的范围内核反应的速度急剧上升。这种共振的出现很像高尔夫球一击进洞得分。当进入反应的诸成分的能量相加给出的总量几乎严格等于某一可能的结果的能量状态之时，共振就发生了。在这种情形下相互作用非常快地进入恰好合适位置的终态。它正好是我们在第八章描述的弗雷德·霍伊尔曾经预言的在碳核里将发生的同一类型的符合事件。
图11.4 亚历山大·什利亚克特（1951-2000）。〔15〕
什利亚克特认识到需要非常精确地确定钐149捕获一个中子的共振能级的位置，这意味着奥克洛反应堆将告诉我们有关经历几十亿年的物理学常数非常突出的某些特征。这种非常精细调节的符合关系看来存在于确定着这个共振级的精确能量的不同的大自然常数的数值之间，它必须取代约20亿年前这座天然反应堆运行之时的高度精确值。在图11.5中我们显示了在不同温度时发生钐反应的概率，如果我们移动共振能量的现在位置的话。零移动意味它具有与今天核反应中观测到的相同的值。
图11.5 当我们移动共振能量位置时，在不同温度发生钐核捕获反应的概率变化。〔16〕零移动意味着它具有与今天核反应中观测到的相同的值。
钐149捕获中子的共振特性在奥克洛铀矿的铀235损耗中起了非常重要的作用。大自然的四种力中有三种：强的核相互作用、弱的相互作用和电磁相互作用，在确定这关键的共振能级位置方面起了作用。不幸的是，由于互相竞争的各种力的贡献的绝对复杂性，它们这么做时难以进行充分详细的计算。但是什利亚克特通过合理的估计解决了这些复杂性，他估计大自然各种力对共振能级的贡献与其强度成正比。假定反应堆的温度是300摄氏度——矿层的在高压环境下水的沸点——他断定20亿年前共振能级偏离现在位置不会超过20毫电子伏特（meV），即在20亿年中变化小于五十亿分之一。
这些推导的结果意味着：如果单个中子与钐核的相互作用强度是变化的，那么其变化速率小于每年10-19，或者不到宇宙整个历史140亿年的十亿分之一。什利亚克特论证说，〔17〕如果相互作用强度主要由强的核力决定，那么其相关的大自然常数αs受到的严格限制为：
{αs的变化率}/{αs的数值}<10-19/每年
如果只有电磁相互作用是随时间变化的，那么由于它对钐的总相互作用率的贡献约是5%，精细结构常数α的任何变化率，必须遵守如下极限：
{α的变化率}/{α的数值}<5×10-17/每年
而如果只有放射性的弱作用力是在整个时间中变化的，那么其强度αw的变化被约束在
{αw的变化率}/{αw的数值}<10-12/每年
这些限制远强于以前已被发现的加在大自然的常数可能的时间变化上的任何限制。宇宙已经膨胀了140亿年，所以这些限制，若取其表面数值，正在告诉我们精细结构常数在宇宙的整个年龄中其变化不会超过千万分之一。先前的观测的限制则超过较弱的1 000倍。
对于大自然常数的可能变化的这些强的限制有一些事情立刻明白：
（a）它们在时间上具体回溯到约20亿年之前，那时奥克洛反应堆形成，与之相比较，地球的年龄有46亿年，宇宙的膨胀年龄约140亿年。
（b）如果不同的常数同时变化，那么结果可能改变。
（c）有关大自然的常数对中子捕获共振能量的贡献作一个具体的简化的假设。
（d）当反应堆运作时，已对其内部的温度作了某个简化的假设。
对奥克洛提供的物理常数的恒常性的唯一的探索保证了什利亚克特的出色见解，并由其他人〔18〕做了更详尽的研究。最详尽的研究是由日本人藤井和他的合作者进行的。〔19〕请见图11.6，我们可以看到，沿水平轴画的共振能量（非-零ΔEr）的移动如何产生画在垂直轴上的中子俘获概率上的变化，它依赖于反应堆的温度。如果钐的丰度符合在反应堆遗址中观测到的范围，20亿年前中子捕获概率的允许范围是在85和97个千靶恩之间。这些样本的不同研究者同意温度必定在摄氏200和400度之间的某一位置。现在，你能从为这些温度画的曲线看到，实际有两个变动范围，ΔE能保持捕获截面在允许的限界范围内：取右边一部分：
图11.6 关于149Sm+n(中子)→150Sm+γ(射线)计算的热平均的捕获截面作为共振位置移动ΔEr和温度T的函数。
-12毫电子伏>ΔEr>20毫电子伏
而如果我们取左边一部分：
-105毫电子伏>ΔEr>-89毫电子伏
来自右边一部分的极限是什利亚克特原始结果的精制版，如果只有精细结构常数被假定可以变化，这导致对该常数的可能的时间变化有一个更严峻的限制。这限制是
而且大约比早先的限制更强5倍。它允许根本没有变化，因为不确定度±0.8是推测的数值。这个不确定度应该需要妥善降到低于0.2，以便对实际变化成为可信的证据。可是，如果我们取左边一部分的结果，那么它不允许ΔEr为零，且导致这样的推论，即精细结构常数的数值由于奥克洛事件曾经有一个非零的变化，等于：〔20〕
如果你查看奥克洛事件的其他同位素残留物的丰度，那么这第二个结果可能被排除。〔21〕但是迄今为止，数据样本的质量和有关反应堆的温度的不确定性妨碍我们果断地将它排除掉。
同样有意思的是看到允许电磁力和强核力的强度同时随时间变化的结果。通常，这导致两个“常数”的时间变化受到的限制大约与我们刚才对精细结构常数所给的限制一样强。然而有一个特别情况，尽管看起来相当有人为味道的，其中对变化所加的限制要远远弱得多。如果，由于某个未知的理由，在整个20亿年中强作用力和电磁力的相互作用的变化率仅在千万分之一范围内，于是这两个常数变化的结果相互抵消。这新的限制急剧地被削弱到某一水平，好像曾经根本不存在特殊的中子捕获共振的情形：
虽然这种精细调节的、千万分之一机会的电磁力和强作用力的常数可能有的变化听起来是相当人为的，实际上它是一种预言，即在范围广泛的各种理论中，它们严格按相同的速率变化，这些理论试图将大自然中各种不同的力联合在一起，所以这种可能性不应被排除，即它们是荒谬的靠不住的。〔22〕