Млечный Путь, 21 век, No 2(47), 2024

Шимон ДАВИДЕНКО
ЧЕРЫЕ И БЕЛЫЕ ДЫРЫ

"Млечный Путь" продолжает публиковать новости и научно-популярные етатьи с интернет-портала Medium. Активным автором портала является физик и астрофизик Итак Сигел - его статьи есть практически в каждом номере. Сегодня мы публикуем некоторые материалы Итана Сигела.

Хотя в нашей Вселенной нет наблюдаемых белых дыр, теоретическое описание одной из них имеет много общего с тем, что мы называем горячим Большим взрывом. Между белыми дырами и тем, что происходит по другую сторону черных дыр, может существовать связь, что может иметь значение для происхождения нашей собственной Вселенной.

Черные дыры встречаются часто. Но где же белые дыры? В общей теории относительности белые дыры столь же математически правдоподобны, как и черные. Черные дыры реальны; а как насчет белых дыр?

В нашей Вселенной законы физики говорят нам обо всех возможностях того, что предположительно может существовать, но только путем фактического наблюдения, измерения и экспериментирования с самой нашей Вселенной мы можем определить, что действительно реально. В общей теории относительности Эйнштейна одной из самых первых когда-либо открытых возможностей была черная дыра: область пространства с таким большим количеством материи и энергии, что внутри этого объема ничто, даже свет, не может когда-либо осуществить побег.

Обратной стороной этого является столь же возможное математическое решение, противоположное черной дыре: белая дыра, из которой спонтанно возникают материя и энергия. С помощью множества различных типов наблюдений было продемонстрировано, что черные дыры не только физически реальны, но и широко распространены по всей Вселенной.

А как насчет белых дыр? Что они собой представляют, и реальны ли они физически?

Давайте внимательно посмотрим на все, что мы знаем. Когда материя коллапсирует, она неизбежно может образовать черную дыру. Роджер Пенроуз был первым, кто разработал физику пространства-времени, применимую ко всем наблюдателям во всех точках пространства и во все моменты времени. С тех пор его концепция стала золотым стандартом в общей теории относительности. Однако, хотя это вполне применимо к невращающимся черным дырам, в рассуждениях для реалистичных вращающихся черных дыр, может быть изъян.

Идея белых дыр обретет гораздо больше смысла, если начать с ее гораздо более знакомого аналога: черной дыры. Впервые придуманная в 18 веке Джоном Митчеллом, который называл их "темными звездами", черная дыра, точно так же, как все массы во Вселенной, имеет "скорость убегания", то есть существует определенная скорость, которую необходимо достичь, чтобы полностью освободиться от гравитационного притяжения. Если в достаточно маленьком объеме собрано достаточно массы, то скорость убегания достигнет или превысит скорость света. Поскольку ничто не может двигаться быстрее этой скорости, такие объекты будут только поглощать свет и материю, но никогда не будут излучать с определенного расстояния: своего горизонта событий.

Первоначальная идея была выдвинута в контексте ньютоновской гравитации, но в 1915 году была создана Общая теория относительности Эйнштейна, заменившая теорию Ньютона более всеобъемлющим законом гравитации. Тем не менее, черные дыры существовали: их возникновение в рамках теории Эйнштейна было показано еще в 1916 году, а также были открыты версии черных дыр с электрическими зарядами и угловым моментом (то есть спином), а также массой. Опять же, при наличии достаточной массы в одной области пространства создание черной дыры было бы практически неизбежным.

Согласно законам относительности, одна из удивительных вещей, которая должна произойти внутри горизонта событий черной дыры, - это образование сингулярности. Сингулярность, которую иногда в шутку называют местом, где "Бог делится на ноль", - это место, где законы физики нарушаются. В случае с черной дырой правила, описывающие пространство и время, больше не применимы; как будто в этом месте вы не получаете ничего, кроме чепухи, в ответ на любой физический вопрос, который вы можете задать системе.

Независимо от того, какая конфигурация исходной материи и энергии была у вас до образования черной дыры, однажды этот материал коллапсирует и образует Еву. На горизонте невозможно избежать создания сингулярности. Если у вашей черной дыры есть только масса, эта сингулярность будет точкой, окруженной сферическим горизонтом событий. Если ваша черная дыра имеет угловой момент (т. е. если она вращается), то сингулярность размазывается в одномерное кольцо: и тем не менее законы физики повсюду на этом кольце нарушаются, снова давая бессмысленные ответы на любые вопросы. включая время или пространство.

Несмотря на то, что черные дыры сами не излучают никакого света, однако их воздействие на материю - от двойных звезд-компаньонов до падающего газа и фотонов, траектории которых искажаются гравитацией черной дыры - выявило их присутствие, что привело несколько лет назад к тому, что удалось получить прямое изображение света, огибающего горизонт событий черной дыры.

Как внутри, так и за пределами горизонта событий черной дыры Шварцшильда пространство течет либо как движущаяся дорожка, либо как водопад, в зависимости от того, как вы хотите его визуализировать. На горизонте событий, даже если бы вы бежали (или плыли) со скоростью света, не было бы преодоления потока пространства-времени, который затягивает вас в сингулярность в центре. Однако за пределами горизонта событий другие силы (например, электромагнетизм) часто могут преодолеть притяжение гравитации, заставляя даже падающую материю улетучиваться.

Итак, если это черная дыра, то что такое белая дыра? Есть два способа взглянуть на это. Один из них - просто признать, что Общая теория относительности - это симметричная во времени теория: если вы наблюдаете систему материи и энергии, движущуюся сквозь ткань пространства во времени, вы не можете сказать, идут ли часы вперед или назад. Предсказания общей теории относительности симметричны во времени, а это означает, что в обоих случаях объекты движутся, ускоряются и взаимодействуют по одним и тем же законам. Это касается даже странных случаев. Две черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга и излучающие гравитационные волны, подчиняются тем же физическим правилам, что и две черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга и поглощающие гравитационные волны из своего окружения, со временем удаляясь друг от друга все дальше и дальше. Облако сжимающейся материи, которое распадается на сгустки, которые в конечном итоге образуют звезды, подчиняется тем же правилам, что и серия расширяющихся сгустков материи, которые расходятся от своих точек происхождения и диффундируют в большое пушистое облако. И материя, которая коллапсирует, образуя горизонт событий, а затем сингулярность, то есть черную дыру, подчиняется точно тем же правилам, что и сингулярность, из которой возникают материя и энергия, а также пространство и время.

Рассмотрение случая черной дыры, обращенной во времени, - один из эффективных способов представить себе белую дыру.

Точно так же, как вся Вселенная, находящаяся за пределами сферического зеркала, будет закодирована в отражении на поверхности зеркала, возможно, что то, что происходит внутри черной дыры, кодирует внутри совершенно новую Вселенную. Возможно, это относится и к нашей Вселенной.

Другой способ подумать о белой дыре - это не повернуть вспять стрелу времени, а подумать о том, что произойдет, если рассматривать пространство как обратимое явление. Прежде чем задать вопрос, как такое возможно, знайте, что у нас есть аналог этого в реальном мире: сферический зеркальный шар. Если бы вы поместили сферическое зеркало в космос, вы бы смогли увидеть в нем отражение всей внешней Вселенной, просто взглянув на зеркало с правильной точки зрения.

Что ж, пространство-время внутри и снаружи горизонтов событий черной дыры ведет себя очень похоже именно на эту ситуацию. Если вы рассматриваете черную дыру, которая определяется только точечной массой, то есть черную дыру Шварцшильда, то для любого значения массы/энергии, которое имеет черная дыра, мы также можем определить определенный радиус (мы называем его "R") для горизонта событий черной дыры.

Вы можете задавать всевозможные вопросы о том, "как ведет себя пространство" на любом расстоянии от этой черной дыры, и вместо этого мы можем назвать это расстояние "r". Есть три случая:

r > R, что ставит нас за горизонт событий.

r = R, что помещает нас на горизонт событий.

И r < R, что помещает нас внутри горизонта событий.

Иллюстрация сильно искривленного пространства-времени для точечной массы, что соответствует физическому сценарию нахождения за горизонтом событий черной дыры.

Теперь самое сложное: перевернуть пространство. Все, что нам нужно сделать, это заменить r, где бы мы его ни видели, на его инверсию относительно горизонта событий: величину ℛ, которую мы можем определить как ℛ = R²/r. Удивительно, но сейчас мы имеем те же три случая, но все наоборот!

ℛ > R, что помещает нас внутрь горизонта событий,

ℛ = R, что помещает нас на горизонт событий, и

ℛ < R, что ставит нас за горизонт событий.

Несмотря на то, что сейчас это противоположный набор условий для черной дыры, уравнения, описывающие пространство и время, идентичны для обоих случаев. Единственная разница в том, что то, что было снаружи, теперь внутри, а то, что было внутри, теперь снаружи. Вместо черной дыры этот "перевернутый" объект теперь можно рассматривать как белую дыру.

Когда наблюдатель входит в невращающуюся черную дыру, выхода нет: его раздавливает центральная сингулярность. Однако во вращающейся черной дыре (Керра) возможно прохождение через центр диска, ограниченного предполагаемой кольцевой сингулярностью, и хотя это может привести вас в расширенную часть пространства, известную как антивселенная, может случиться так, что "кольцевая сингулярность" - всего лишь фантазм.

Один из вопросов, которым часто задаются физики, заключается в следующем: когда что-то переходит на другую сторону (то есть внутрь) горизонта событий черной дыры, куда оно направляется? Конечно, вы можете просто заявить: "Она попадает в центральную сингулярность черной дыры", но это неудовлетворительный ответ, особенно потому, что мы знаем, что законы физики нарушаются в этой сингулярности. Одна из возможностей, которую часто рассматривают, заключается в том, что сингулярность может быть не просто точкой, куда вещи "переходят" после попадания в горизонт событий, но также может быть и точкой, из которой вещи "появляются".

Вместо того, чтобы быть "концом" истории, это могло бы стать "началом" новой, другой истории. Другими словами, вполне вероятно, что произойдут события, соответствующие появлению большого количества материи и энергии в определенном месте и времени, которые также будут соответствовать сингулярности. В нашей Вселенной могут быть не только черные дыры, но также и белые дыры: места, где все, кажется, начинается с изначальной сингулярности. Физики не упускают из виду, что во многих отношениях это соответствует замечательному событию, произошедшему 13,8 миллиардов лет назад: горячему Большому взрыву.

Иллюстрация нашей космической истории от Большого взрыва до наших дней в контексте расширяющейся Вселенной. Мы не можем быть уверены, несмотря на утверждения многих, что Вселенная возникла из сингулярности. Однако возможно, подобно тому, как черные дыры "заканчиваются" в сингулярности, наша Вселенная и ее инфляционное состояние, породившее горячий Большой взрыв, возникли из сингулярности.

Это открывает удивительную возможность существования связи между черными дырами и возникновением новой Вселенной. Каждый раз, когда наша Вселенная образует новую черную дыру, возникает ли где-то по другую сторону сингулярности детская Вселенная, аналогичная белой дыре? Означает ли это также, что наша Вселенная и наш собственный горячий Большой Взрыв возникли из состояния, мало чем отличающегося от состояния белой дыры, и было ли это, возможно, вызвано тем, что предыдущая Вселенная сформировала черную дыру, последствием которой было наше появление?

Есть забавный расчет, который можно выполнить, приложив лишь небольшие усилия. Если бы вы сложили всю материю и излучение наблюдаемой Вселенной - все атомы, все черные дыры, всю темную материю, все фотоны и все нейтрино - вы бы получили значение эффективной "массы" наблюдаемой Вселенной. (В конце концов, если самое известное уравнение Эйнштейна говорит нам, что E = mc², то верно и то, что m = E/c², поэтому мы можем найти эквивалент массы для всех вещей, обладающих энергией.) И если бы вы затем представили, что вся эта масса пошла на создание черной дыры, то могли бы вычислить ожидаемый радиус черной дыры с горизонтом событий и с массой, эквивалентной тому, что находится внутри нашей наблюдаемой Вселенной.

Во время космологической инфляции пространство, содержащееся в инфляционной области, растет экспоненциально, удваиваясь во всех трех измерениях с каждой крошечной проходящей долей секунды. Там, где заканчивается инфляция, наступает горячий Большой взрыв. Но из-за квантовых эффектов каждая область, где происходит Большой Взрыв, будет окружена все более раздувающимся, экспоненциально расширяющимся пространством, гарантируя, что никакие две области, где произойдет горячий Большой Взрыв, никогда не столкнутся, не пересекутся или не перекроются.

Ответ, который вы получите на вопрос "Насколько велик будет горизонт событий черной дыры с массой, эквивалентной всей материи и излучения в наблюдаемой Вселенной?" около 16,5 миллиардов световых лет. Это около трети фактического радиуса края наблюдаемой Вселенной: 46,1 миллиарда световых лет. Фактически, если бы не присутствие темной энергии - если бы у нас было больше нормальной материи, темной материи, нейтрино или фотонов вместо темной энергии - эти два значения фактически равнялись бы друг другу. Несмотря на то, что мы не наблюдаем никаких доказательств существования белых дыр в нашей Вселенной, тот факт, что у нас был Большой Взрыв, и тот факт, что у нас есть черные дыры в нашей Вселенной, вполне согласуется с идеей о том, что в нашей Вселенной существует "белая дыра". другой конец каждой черной дыры, которая когда-либо была создана. На самом деле, если очень глубоко заглянуть в дебри, если вы спросите, что происходит, когда вы падаете за внешний горизонт событий вращающейся черной дыры, то окажется, что то, что вы испытываете, очень похоже на то, что, как мы полагаем, переживала наша Вселенная незадолго до горячего Большого взрыва: период экспоненциального расширения, очень похожего на то, что мы сегодня знаем как космическую инфляцию.

Извне черной дыры вся падающая материя излучает свет и всегда видна, в то время как ничто из-за горизонта событий не может выйти наружу. Но если бы вы упали в черную дыру, ваша энергия могла бы вновь возникнуть как часть горячего Большого взрыва в новорожденной Вселенной.

Но существуют ли белые дыры на самом деле? Правда в том, что мы никогда не видели ни одной и не ожидаем, что когда-нибудь найдем хоть одну в нашей Вселенной. Горизонты событий, к сожалению, очень хорошо "скрывают" все, что происходит по другую сторону от них. В центральных точках каждой черной дыры нашей Вселенной может быть что-то очень интересное, но мы никогда не сможем получить к ним доступ.

Трезвая истина, как бы мы ее ни ненавидели, заключается в том, что количество информации, присутствующей во Вселенной, ограничено и не позволяет нам реконструировать то, что происходит (или что происходило) по "другую сторону" этих событий. Стоит иметь в виду, что Общая теория относительности признает белые дыры равноценными с черными дырами, но в нашей Вселенной были найдены только наблюдательные свидетельства существования черных дыр.

Белые дыры остаются интригующей возможностью, но их существование на данный момент можно назвать в лучшем случае лишь спекулятивным.

Лучший способ измерить космическое время

По какой-то причине, когда мы говорим о возрасте звезд, галактик и Вселенной, мы используем "годы" для измерения времени. Можем ли мы добиться большего?

Есть ряд грандиозных вопросов, которые мы можем задать о Вселенной, которые затрагивают самую суть того, чем на самом деле является реальность, и которые были одними из самых больших вопросов за всю историю человечества. Такие вопросы, как "Что такое Вселенная?", "Насколько она велика?" и "Была ли Вселенная вечно или возникла, и если да, то когда?". Раньше это были одни из величайших философских загадок, и тем не менее, последние сто лет дали твердые научные ответы. Мы знаем, что такое Вселенная, мы знаем, что наблюдаемая нами часть представляет собой волосок диаметром более 92 миллиардов световых лет, и мы знаем, что произошел горячий Большой Взрыв, который дал начало Вселенной, какой мы ее знаем, 13,8 миллиардов лет назад, с неопределенностью всего ~1% или около того.

Но почему из всех существующих способов измерения времени и расстояния мы используем такой земноцентричный набор единиц, как "годы" и "световые годы"? Нет ли лучшего, более объективного и универсального способа сделать это?

Конечно, есть. Ценность года как измерения определена настолько узко, что, по моему мнению, она неприемлема. Я имею в виду, что основа "года" существовала только для последних 30% возраста Вселенной! И очевидно, что критическая концепция светового года также связана с этим ограниченным измерением". Стоит рассмотреть альтернативы этим несколько произвольным определениям.

Давайте посмотрим на науку, лежащую в основе измерения космического времени.

Рядом звезды и галактики, которые мы видим, очень похожи на наши собственные. Но если мы посмотрим дальше, мы увидим Вселенную такой, какой она была в далеком прошлом: менее структурированной, более горячей, молодой и менее развитой. Во многих отношениях существуют границы того, как далеко мы можем заглянуть во Вселенную.

На самом деле здесь, на Земле, есть только два способа понять концепцию течения времени, и оба используют регулярное повторение явлений, которые необходимы не только для человеческой, но и для всей биологической деятельности. В более коротких временных рамках у нас есть концепция дней, которая важна по ряду причин, в том числе: они отмечают восход и закат солнца, они соответствуют (примерно) одному полному вращению Земли вокруг своей оси, они соответствуют периоду, когда большинство растений и животных испытывают как активность, так и покой, за всем этим последовало повторение всех этих явлений на следующий день. Между тем, в более длительных временных масштабах совершенно очевидно, что между последующими днями существуют существенные различия, которые сами повторяются, если мы ждем достаточно долго.

В течение года дни меняются по-разному, в том числе: время восхода и захода солнца наступает и отступает, продолжительность светового дня увеличивается и уменьшается, Солнце достигает максимума своей высоты над горизонтом, за которым следует минимум, и снова возврат в исходное положение, времена года меняются циклично, вместе с ними меняется и биологическая активность растений, животных и других живых существ.

Каждый год, с очень небольшими вариациями, циклы предыдущего года снова повторяются. Поскольку Земля вращается вокруг Солнца по эллипсу, она движется быстрее в перигелии (ближайшем к Солнцу) и медленнее в афелии (наиболее удаленном от Солнца), что приводит к изменениям времени, в которое Солнце восходит и заходит, а также продолжительность фактического дня в течение года. Наклон орбиты Земли также влияет на уравнение времени.

Эти закономерности повторяются ежегодно и зависят от широты, но обычно приводят к образцу "восьмерки" для аналеммы Земли: форме, которую наше Солнце прослеживает по небу в одно и то же время каждый день в течение года.

Исходя из этого, легко понять, почему мы придумали систему хронометража, основанную на таких понятиях, как "день" и "год", поскольку наша деятельность на этой планете очень тесно коррелирует с этими периодическими повторениями. Но при более внимательном рассмотрении, по ряду причин, понятие дней и лет, какими мы их ощущаем на Земле, не очень хорошо переводится в универсальный набор для обозначения течения времени.

Во-первых, продолжительность дня существенно менялась за всю историю планеты Земля. Поскольку Луна, Земля и Солнце взаимодействуют, явление приливного трения заставляет наш день удлиняться, а Луна уходит по спирали от Земли. Около 4 миллиардов лет назад "день" на планете Земля длился всего 6-8 часов, а в году было более тысячи дней. Однако год - или период времени, необходимого Земле для завершения полного оборота вокруг Солнца - изменился лишь немного за историю Солнечной системы. Самым большим фактором является изменение массы Солнца, которое за время своего существования потеряло примерно массу, равную массе Сатурна. Это также отодвигает Землю немного дальше от Солнца и заставляет ее со временем вращаться по орбите немного медленнее.

Это привело к удлинению года примерно на 2 часа с момента возникновения Солнечной системы. Земля вращается вокруг Солнца не по идеальному кругу, а по эллипсу. Эксцентриситет, или разница между "длинной осью" и "короткой осью" нашей 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, 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.

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 конечном итоге привести к астрофизикам (6)?

Такая точная "подгонка" вряд ли может быть чистым совпадением".

Это верное утверждение? Давайте посмотрим на доказательства, известные сегодня, чтобы попытаться выяснить это.

Все частицы Стандартной модели, которая представляет известные составляющие Вселенной, за исключением неизвестных, которые в настоящее время представлены заполнителями темного вещества и темной энергии, делятся на две категории: фермионы и бозоны. Фермионы - это то, что мы считаем составляющими материи: кварки и лептоны. Кварки связываются вместе, образуя протоны, нейтроны и все другие тяжелые составные частицы, в то время как лептоны состоят как из заряженных частиц, которые связываются с протонами и нейтронами и вращаются вокруг них (например, электрон), так и из незаряженных частиц малой массы. которые практически ни с чем не взаимодействуют: нейтрино.

Но бозоны не менее важны. Эти частицы опосредуют все (негравитационные) силы и взаимодействия, которые имеют место между частицами. Хотя существует 12 различных бозонов, они сгруппированы так, что описывают всего три взаимодействия. Восемь глюонов опосредуют сильное ядерное взаимодействие и действуют только на частицы с цветовым зарядом: кварки, антикварки и другие глюоны. Все три слабых бозона, W+, W- и Z⁰, массивны и обеспечивают слабое ядерное взаимодействие.

Фотон, каким бы одиноким он ни был, отвечает за передачу всей электромагнитной силы. Все заряженные частицы испытывают электромагнитное взаимодействие, включая все фермионы, кроме нейтрино и антинейтрино.

Когда к этому добавляется гравитация, мы получаем наблюдаемую Вселенную, которую видим, с известными нам законами, параметрами и константами, управляющими ею. Однако многие параметры, которым подчиняется природа, не могут быть предсказаны теорией, их необходимо измерить, чтобы узнать, и, насколько нам известно, это "константы", которых требует наша Вселенная.

Эти силы имеют свойства, отличные друг от друга в том, что касается их поведения. Электромагнитная сила, например, является силой дальнего действия: если у вас есть две заряженные частицы, они будут притягивать или отталкивать друг друга пропорционально заряду каждой из них и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Чем дальше вы находитесь, тем слабее электромагнитная сила, но она никогда не падает до нуля, даже на сколь угодно больших расстояниях. Однако положительный и отрицательный заряд в целом уравновешиваются; если собрать два вместе, они образуют электрически нейтральный объект, а на больших расстояниях электрическая сила от нейтрального объекта обращается в ноль.

С другой стороны, сильное ядерное взаимодействие действует совсем по-другому. На очень малых расстояниях сильная сила между объектами, заряженными цветом, падает асимптотически до нуля, но по мере увеличения расстояния между ними сила увеличивается. Это верно до тех пор, пока существует чистый цветовой заряд, но, если заряд нейтрален по цвету, сила также стремится к нулю, как и для нейтрального электромагнитного объекта.

Единственная загвоздка в том, что "бесцветный" объект можно получить, используя либо три цвета (красный, зеленый, синий), три антицвета (голубой, пурпурный, желтый) или цвет-антицвет (красный-голубой, зеленый-пурпурный или желто-синий). Кварки и антикварки, которые взаимодействуют с сильным ядерным взаимодействием, имеют цветные заряды, соответствующие красному, зеленому и синему (для кварков), а также голубому, пурпурному и желтому (для антикварков). Любая бесцветная комбинация красного + зеленого + синего, голубого + желтого + пурпурного или соответствующая комбинация цвета/антицвета разрешена в соответствии с правилами сильной силы. Если в этих хорошо изученных системах появятся новые явления, они могут указывать на наличие новой фундаментальной силы, помимо известных четырех.

Для простоты мы можем игнорировать слабое ядерное взаимодействие, отметив лишь, что, если фундаментальная или составная частица нестабильна по своей природе, то ей энергетически выгодно распасться на частицу или набор частиц с меньшей массой покоя.

Чтобы понять, какие структуры мы способны формировать во Вселенной, нужно вернуться на ранние стадии и посмотреть, что возникает и почему. Мы можем посмотреть на то, что осталось, а затем начнем понимать, каким более сложным структурам было позволено появиться.

На ранних стадиях горячего Большого взрыва было достаточно доступной энергии и достаточно плотных условий, так что столкновения были частыми, что позволило создать каждую из фундаментальных частиц (и античастиц) в больших количествах. Однако по мере того, как Вселенная расширяется и охлаждается, становится меньше доступной энергии (через E = mc²) для создания новых частиц, но парам частица-античастица очень легко аннигилировать. Кроме того, любые нестабильные частицы будут распадаться за счет слабого взаимодействия на более стабильные.

По прошествии сравнительно короткого периода времени Вселенная состоит в основном из фотонов, электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино, а также небольшого количества кварков. В самой ранней Вселенной существовало огромное количество кварков, лептонов, антикварков и антилептонов всех видов.

Спустя крошечную долю секунды после Большого взрыва большинство этих пар материя-антиматерия аннигилируют, оставляя очень крошечный избыток материи над антиматерией. Как возник этот избыток, является загадкой, известной как бариогенез, и одной из величайших нерешенных проблем современной физики.

Это первый шаг: верхние и нижние кварки соединятся вместе, образуя протоны и нейтроны. Причина проста: верхние и нижние кварки имеют электрические заряды +⅔ и -⅓ соответственно, поэтому на очень малых расстояниях электромагнитные силы отталкивают одинаковые заряды. Однако вы не можете раздвинуть их слишком далеко друг от друга, иначе сильное ядерное взаимодействие станет большим, заставив эти частицы снова "сцепиться" вместе точно так же, как сжимается растянутая пружина.

Так почему же протоны и нейтроны получаются только от верхних и нижних кварков? Для создания нейтрального по цвету объекта требуется три фермиона (а кварки - это фермионы), поэтому у вас может быть либо два верхних и один нижний кварк (протон), либо один верхний и два нижних кварка (нейтрон). У вас не может быть трех верхних или трех нижних кварков, потому что есть еще одно правило: принцип исключения Паули, который не позволяет двум идентичным фермионам иметь одно и то же квантовое состояние.

У кварков есть спин, поэтому в протоне или нейтроне могут быть два одинаковых фермиона, если один имеет спин "вверх", а другой "вниз", но нет никакого способа вместить туда третий кварк того же типа. Сильные и электромагнитные силы вместе объясняют, почему существуют протоны и нейтроны. Отдельные протоны и нейтроны - бесцветные объекты: единственный допустимый тип кваркового состояния во Вселенной сегодня.

Хотя сильное взаимодействие осуществляется безмассовыми (глюонными) частицами, единственная сила, существующая между отдельными связанными состояниями, обусловлена мезонами, которые сами по себе довольно массивны, что сильно ограничивает диапазон действия сильного взаимодействия.

Из протонов и нейтронов Вселенная может построить более крупные и массивные атомные ядра. Опять же, здесь вступают в игру сильные и электромагнитные силы. Под действием электромагнитной силы протоны будут отталкивать друг друга, а нейтроны не будут ни притягивать, ни отталкивать протоны или другие нейтроны. Однако сильное ядерное взаимодействие действует между всеми объектами с цветовым зарядом, и если вы расположите протоны и/или нейтроны достаточно близко друг к другу, кварки внутри одного объекта "увидят" кварки внутри другого объекта, что позволит им обменяться глюонами и испытать сильное ядерное взаимодействие. В целом, протоны и нейтроны нейтральны по цвету, поэтому на больших расстояниях от них сильное ядерное взаимодействие падает до нуля, и им можно пренебречь. Но на очень близких расстояниях "пружинистость" между ближайшими кварками как в протон-протон, нейтрон-нейтрон, или пара протон-нейтрон становится существенным.

Пока возникают подходящие условия - то есть достаточно высокие температуры и плотности - и полученная комбинация протонов и нейтронов устойчива к радиоактивному распаду, вы можете получить множество тяжелых, стабильных атомных ядер. Слияния нейтронных звезд, столкновения белых карликов и сверхновые с коллапсом ядра могут позволить нам подняться даже выше.

Большой взрыв дал нам почти весь водород и гелий во Вселенной и почти ничего из всего остального. Большинство элементов в той или иной форме выковано в звездах.

Все стабильные атомные ядра заряжены положительно, тогда как электроны (оставшиеся из ранней Вселенной после того, как все позитроны аннигилировали вместе с большей частью электронов, покинув нейтральную Вселенную) заряжены отрицательно. Электроны не испытывают сильного ядерного взаимодействия, но испытывают электромагнитное взаимодействие. Они будут притягиваться к атомным ядрам из-за того, что противоположные электрические заряды притягиваются, и они могут образовывать связанные состояния, когда электроны выходят на различные орбитали вокруг каждого атомного ядра. Поскольку электроны намного легче атомных ядер (для массы одного протона требуется 1836 электронов), ядра находятся относительно неподвижно в центрах каждого атома, в то время как электроны вращаются вокруг них на высоких скоростях в облачных конфигурациях.

Правила квантовой механики (и опять-таки принцип исключения Паули играет важную роль) определяют, какие конфигурации и формы принимают электронные оболочки, что, в свою очередь, определяет, как атомы различных типов будут связываться друг с другом. Только благодаря сильным и электромагнитным взаимодействиям мы получаем самые разнообразные атомы.

Теперь, при гораздо более низких температурах, атомы могут соединяться практически в бесконечных комбинациях. Хотя сами атомы электрически нейтральны, они состоят из положительных и отрицательных зарядов. При некоторых обстоятельствах один или несколько электронов могут быть переданы от атома, который свободно удерживает свои внешние электроны, к атому, который стремится приобрести дополнительные электроны, создавая ионы и ионные соединения. При других обстоятельствах нейтральные атомы могут соединяться друг с другом, образуя неограниченное разнообразие комбинаций и связей, в результате чего образуются молекулы. И как только ионы, соединения и молекулы образуются, они могут взаимодействовать.

Помните, что протоны и нейтроны могут связываться вместе, образуя атомное ядро, несмотря на то, что каждый из них сам по себе "нейтрален по цвету", поскольку кварки внутри каждого из них могут оказывать воздействие на кварки внутри соседнего. Точно так же отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные атомные ядра внутри молекул могут оказывать воздействие друг на друга, образуя более крупные молекулы, создавая силы и модифицируя структуры между молекулами и даже обеспечивая различные молекулярные механизмы и чувствительные к электрическому заряду каналы.

Именно так, имея лишь несколько фундаментальных частиц и некоторые общие свойства двух фундаментальных сил, мы можем перейти от элементарных составляющих материи к молекулам безграничной сложности.

Так как же нам перейти от молекул к жизни, от ранней жизни к человечеству и от отсутствия сознания к сознанию?

Возникновение жизни из нежизни, безусловно, имело место, но мы до сих пор не можем понять, как именно это произошло на нашей планете. Однако силы электромагнетизма и гравитации, учитывая возникшие естественным путем условия и наличие сложных молекул, кажутся всем, что требуется. Точно так же жизнь выживала, процветала и развивалась на протяжении миллиардов лет, дав начало разнообразному набору организмов, существующих сегодня, включая нас.

Насколько мы можем судить, "живое существо" делает живым просто наличие электричества: поток электронов. Хотя у многих есть дикие идеи о том, что такое сознание и какова может быть его связь с квантовым миром, вполне возможно - даже вероятно, - что простое электричество (то есть поток электронов через мозг и/или нервную систему у животных) при правильной внешней конфигурации атомов и молекул достаточно, чтобы создать феномен, который мы определяем как сознание.