Читать книгу "Млечный Путь, 21 век, No 2(47), 2024 - Наталья Владимировна Резанова"

орбиты, меняется со временем, в то время как орбитальный период Земля-Солнце, который определяет наш год, меняется медленно в течение существования нашей Солнечной системы.

Если мы пренебрегаем другими планетами и потерей массы Солнца из-за солнечного ветра и ядерного синтеза, мы обнаружим, что полный угловой момент системы Земля-Солнце (и Луна, если хотите) остается неизменным.

Даже несмотря на всю сложную астрофизику, происходящую в нашей Солнечной системе, очевидно, что продолжительность года, вероятно, является наиболее стабильной крупномасштабной характеристикой, которую мы могли бы использовать для привязки нашего времени к нашей планете. Поскольку скорость света является известной и измеримой константой, "световой год" возникает как производная единица расстояния и также меняется со временем очень незначительно; на протяжении миллиардов лет он держится на уровне ~99,98%.

Другое важное определение, которое мы иногда используем, также, хотя и косвенно, основано на определении того, что Земля вращается вокруг Солнца и составляет год: парсек. Вместо того, чтобы основываться только на времени, оно основано на астрономических углах и тригонометрии. По мере того, как Земля вращается вокруг Солнца, видимое положение неподвижных звезд относительно друг друга будет меняться точно так же, как если вы откроете только один глаз, а затем поменяете глаза, более близкие объекты смещаются относительно более удаленных объектов фона. В астрономии мы называем это явление "параллаксом" и вместо расстояния между двумя типичными человеческими глазами используем максимальное расстояние между положением Земли относительно Солнца: диаметр ее орбиты, или около 300 000 000 километров.

Объект, который, кажется, смещается относительно удаленного фона объектов на одну угловую секунду (1/3600 градуса), определяется как один парсек: около 3,26 световых лет.

Ближайшие к Земле звезды будут периодически смещаться относительно более удаленных звезд по мере того, как Земля движется в пространстве по орбите вокруг Солнца. До того, как была создана гелиоцентрическая модель, мы искали не "сдвиги" с базовой линией ~300 000 000 километров в течение ~6 месяцев, а скорее базовую линию ~12 000 километров за одну ночь: диаметр Земли при ее вращении его ось. Расстояния до звезд настолько велики, что только в 1830-х годах был обнаружен первый параллакс с базовой линией в 300 миллионов километров. Сегодня с помощью миссии ESA Gaia мы измерили параллакс более 1 миллиарда звезд.

Но зачем связывать наше определение времени, распространяющееся на всю Вселенную, с произвольным движением одной планеты в одной галактике вокруг своей родительской звезды? Оно не объективно, не абсолютно и бесполезно за пределами наших земных интересов. Ни дни, ни годы не являются универсально применимыми в качестве мер времени, и ни световые годы, ни парсеки не являются универсально применимыми в качестве мер расстояния.

Существуют способы определения времени, основанные на более объективных физических мерах, и они не страдают теми же недостатками, что и использование геоцентрического определения. Но у нас есть несколько довольно веских причин не использовать эти меры времени, поскольку каждая из них имеет свой набор как плюсов, так и минусов.

Вот несколько вариантов, которые стоит рассмотреть, и вы сами сможете решить, это лучше или хуже нынешней годовой (и земной) системы времени. Квантовая природа Вселенной говорит нам, что определенные величины имеют встроенную в них неопределенность и что пары величин имеют свои неопределенности, связанные друг с другом.

На этой иллюстрации показана ранняя Вселенная, состоящая из квантовой пены, где квантовые флуктуации велики, разнообразны и важны в самых маленьких масштабах.

1) Планковское время

Вы ищете определение времени, которое не зависит ни от чего, кроме фундаментальных констант нашей Вселенной? Тогда вам, возможно, захочется рассмотреть планковское время! Если мы возьмем три наиболее фундаментальные, измеримые константы природы: универсальную гравитационную постоянную G, скорость света, с, и квантовую постоянную Планка) ħ, тогда их можно объединить таким образом, чтобы получить фундаментальную единицу времени. Просто возьмите квадратный корень из G, умноженного на ħ, разделенного на c⁵, и вы получите время, с которым согласятся все наблюдатели: 5,4 × 10^-43 секунды. Хотя это соответствует интересному масштабу, в котором законы физики нарушаются, поскольку квантовая флуктуация в этом масштабе создала бы не пару частица/античастица, а скорее черную дыру - проблема в том, что не существует физических процессы, соответствующие этому временному масштабу. Оно просто ошеломляюще мало, и его использование означало бы, что нам понадобятся астрономически большие числа планковского времени, чтобы описать даже субатомные процессы. Например, топ-кварк, самая короткоживущая субатомная частица, известная в настоящее время, будет иметь время распада около 10¹⁸ планковского времени; год будет примерно в 10⁵¹ планковских единиц. В этом выборе нет ничего "неправильного", но он явно не поддается интуитивному подходу.

Разница в высоте двух атомных часов даже на ~1 фут (33 см) может привести к измеримой разнице в скорости хода этих часов. Это позволяет нам измерять не только силу гравитационного поля, но и градиент поля в зависимости от высоты/подъёма. Атомные часы, основанные на электронных переходах в атомах, являются наиболее точными устройствами для измерения времени, доступными в настоящее время человечеству.

2) Мера света, как в атомных часах.

Вот забавный (и, возможно, неудобный) факт: все определения времени, массы и расстояния совершенно произвольны. Нет ничего существенного в секунде, грамме/килограмме или метре; мы просто выбрали эти ценности в качестве стандартов, которые используем в повседневной жизни. Однако у нас есть способы связать любую из этих выбранных величин с другой: через те же три фундаментальные константы, G, c и ħ. Например, если вы дадите определение времени или расстояния, скорость света даст вам другое определение. Так почему бы просто не выбрать конкретный атомный переход - когда электрон переходит с одного энергетического уровня на другой и излучает свет очень специфической частоты и длины волны, чтобы определить время и расстояние?

Частота - это обратная величина времени, поэтому вы можете получить единицу "времени", измеряя время, за которое свет проходит одну длину волны, и вы можете определить "расстояние" как длину волны. Именно так работают атомные часы, и именно этот процесс мы используем для определения секунд и метра. Но, опять же, это произвольное определение, и большинство переходов слишком быстрые и имеют слишком малый временной интервал, чтобы их можно было использовать на практике в повседневной жизни. Например, современное определение второго показателя заключается в том, что это время, необходимое фотону, испускаемому сверхтонкой структурой атома цезия-133, чтобы пройти 9 192 631 770 (чуть более 9 миллиардов) длин волн в вакууме.

Итак, вам не нравятся годы или световые годы? Просто умножьте все,