Млечный Путь, 21 век, No 2(47), 2024 - Наталья Владимировна Резанова
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.
Но это не самое интересное, поскольку манипулирование этой частотой дает время около 0,7 наносекунды и длину около 21 сантиметра. Интересно то, что скорость перехода астрономически медленная: 2,9 × 10^-15 обратных секунд. Если мы переведем это в космическое время и космическую шкалу длины, мы получим около 10,9 миллиона лет и 10,9 миллиона световых лет, что эквивалентно примерно 3,3 мегапарсекам. Из всех фундаментальных констант природы эта наиболее часто встречающаяся, которая могла бы дать нам космически превосходящие масштабы времени и расстояний в годах и световых годах (или парсеках) во всей Вселенной.
Однако наиболее важным аспектом является следующее: конкретное определение времени, которое мы выбираем, произвольно и не имеет значения для физического ответа, который мы получаем на вопросы о продолжительности или расстоянии. Пока мы последовательны в том, что то, как мы определяем временной интервал, не меняется на протяжении истории Вселенной, все эти ответы будут эквивалентны друг другу. В чем же тогда основная разница между нашими разными определениями времени? В конце концов, это наша собственная человеческая способность осознать это и понять смысл этих чисел для себя.
В астрономической литературе вы, вероятно, встретите времена, измеряемые некоторым числом лет, а расстояния измеряются в астрономических единицах (AU). парсеках (пк), килопарсеках (кпк), мегапарсеках (Мпк) или гигапарсеках (Гпк), в зависимости от того, говорим ли мы о масштабах расстояний Солнечной системы, звездных, галактических, межгалактических или космических.
Но поскольку мы, люди, интуитивно хорошо понимаем концепцию года, мы просто умножаем на скорость света, чтобы получить расстояние в световых годах. Это не единственный вариант, но на данный момент самый популярный. Возможно, в далеком будущем человечество больше не будет привязано к Земле, и когда мы выйдем за пределы нашего родного мира, мы, наконец, сможем выйти и за пределы земноцентрических единиц.
***
Мозг и сознание
Человеческий разум - одна из величайших загадок современной науки, поскольку мы не можем в достаточной степени объяснить, как работает мозг в целом и сознание, в частности. Однако разумной "нулевой гипотезой" является предположение, что электричество, то есть поток электронов, является основной движущей силой нашего восприятия того, что мы сознательны. Хотя квантовые эффекты могут сыграть свою роль, было бы ненужным усложнением предполагать, что сознание - это нечто иное, чем поток электричества.
Могут ли известные частицы и взаимодействия объяснить сознание? На фундаментальном уровне всей реальностью управляют лишь несколько частиц и сил. Как их комбинации создают человеческое сознание?
Теоретически все, что существует в физической Вселенной, зависит только от тех же фундаментальных сущностей и взаимодействий, которые мы обнаруживаем, разделяя материю на части до минимально возможных масштабов. Живые существа можно разделить на клетки; сами клетки состоят из органелл; органеллы можно разбить на молекулы; молекулы состоят из атомов; атомы состоят из электронов и атомных ядер; электроны не могут распадаться дальше, но сами ядра состоят из кварков и глюонов.
Поэтому мы должны быть в состоянии взять эти фундаментальные составляющие материи - кварки, глюоны и электроны - и скомпоновать их различными способами, чтобы объяснить все, с чем мы сталкиваемся в повседневной жизни. Но возможно ли это, имея всего лишь эти простые строительные блоки и четыре фундаментальных взаимодействия? Можем ли мы объяснить все, включая сознательных людей? Это, конечно, огромный вызов.
Как частицы и силы в исходном кварк-глюонном супе идеально подходят для формирования: ядра (1), а при присоединении электронов, атома (2) со своими особыми свойствами, бесчисленного количество молекул (3) со своими свойствами, способных образовывать жизнь (4), которая может достичь сознания (5) и, в
