Млечный Путь, 21 век, No 2(47), 2024

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, что вы измеряете в этих единицах, на величину чуть меньше 3 × 10¹⁷, и вы получите новое число в рамках этого определения. Однако снова вы получаете астрономически большие числа для всех процессов, кроме самых быстрых субатомных, что немного обременительно для большинства из нас.

3) Время Хаббла

Что, если мы пойдём в другом направлении и, вместо использования меньших величин, вытекающих из квантовых свойств, поднимемся до космических масштабов? Вселенная, например, расширяется с определенной скоростью, часто известной как параметр Хаббла или постоянная Хаббла. Хотя мы обычно записываем ее как скорость на единицу расстояния, например "71 км/с/Мпк", ее также можно записать просто как обратное время: 2,3 × 10^-18 обратных секунд. Если мы перевернем это, то получим, что одно "время Хаббла" равно 4,3 × 10¹⁷ секунд, или примерно возраст Вселенной. Если мы воспользуемся скоростью света, чтобы определить расстояние, то получим, что одно "расстояние Хаббла" составляет 1,3 × 10²⁶ метра, или около 13,7 миллиардов световых лет.

Это выглядит довольно хорошо! Внезапно мы смогли работать с масштабами расстояний и времени, сравнимыми с поистине космическими! К сожалению, есть большая проблема: постоянная Хаббла не является постоянной во времени, а падает непрерывно и сложным образом (в зависимости от относительных плотностей энергии различных компонентов Вселенной) по мере старения Вселенной. Это интересная идея, но нам придется переопределить расстояния и время для каждого наблюдателя во Вселенной в зависимости от того, сколько времени прошло для него с начала Большого взрыва.

Когда образуется атом водорода, он имеет равную вероятность того, что спины электрона и протона будут выровнены и разнонаправлены. Если они антивыровнены, дальнейших переходов не произойдет, но если они выровнены, то могут квантово туннелировать в это состояние с более низкой энергией, испуская фотон очень конкретной длины волны (21 см). Точность этого перехода, по оценкам, превышает 1 часть на триллион, и она не менялась на протяжении многих десятилетий.

4.) Спин-флип переход атомов водорода.

Вы можете быть разочарованы тем, что каждая из наших попыток придумать лучшее определение времени приводила только к худшему результату в космических масштабах. Но есть одна возможность, которую стоит рассмотреть: самый распространенный квантовый переход во всей Вселенной. Видите ли, всякий раз, когда вы образуете нейтральный водород, он образуется, когда электрон связывается с атомным ядром, которое почти всегда представляет собой всего лишь один голый протон. Когда электрон достигает основного состояния, есть две возможности того, как он будет конфигурироваться относительно протона. Либо электрон и протон будут иметь противоположные (антиориентированные) квантовые спины, где один имеет спин +½, а другой -½, или электрон и протон будут иметь одинаковые (выровненные) квантовые спины, где либо оба равны +½, либо оба равны -½. Если спины разнонаправлены, то это действительно состояние с самой низкой энергией. Но если они выровнены, существует определенная вероятность того, что спин электрона может самопроизвольно перевернуться, испуская очень специфический фотон очень конкретной частоты: 1 420 405 751,77 Гц.