Глава 1 Время как физическая величина
Что такое время? Каждый день мы сталкиваемся со временем; смотрим на часы, назначаем встречи, ждём выходных. Мы чувствуем течение времени постоянно: минутами ожидание тянется долго, а счастливые часы пролетают незаметно. Время пронизывает всю нашу жизнь, но задумывались ли вы, что именно мы называем временем?
Мы не можем потрогать или увидеть его непосредственно — лишь чувствуем, как сейчас превращается в прошлое, а будущее становится настоящим. Тем не менее, время поддаётся измерению, и человечество изобрело множество способов отсчитывать его течение.
Измерение времени — от тиков часов к вибрациям атомов
Ответ на вопрос о том, как мы измеряем время, может показаться очевидным. Мы делаем это с помощью часов. Однако, когда мы говорим, что измеряем время, мы имеем в виду нечто абстрактное. Время для ученых не обладает физическими свойствами, и является только параметром. Измеряются лишь временные интервалы — промежуток между двумя событиями.
На протяжении всей истории человечества люди использовали различные способы для измерения времени, например, ориентировались на восход и закат солнца, а также на фазы луны. Часы эволюционировали от солнечных, песочных и водяных до более точных маятниковых и кварцевых. Сегодня, когда нам нужно узнать текущее время, мы смотрим на свои наручные часы или на цифровые на компьютере или телефоне.
Сегодня эталоном времени стали атомные часы — это невероятно точные приборы. Самые точные из этих часов показывают время с погрешностью в одну триллионную секунды в год. Для сравнения: погрешность ваших кварцевых наручных часов может составлять около 15 секунд в месяц.
В них время отсчитывается не маятником, а колебаниями атомов. Например, один из стандартов времени основан на атоме цезия-133: международная секунда определена как промежуток, за который атом цезия совершает 9 192 631 770 колебаний между двумя энергетическими уровнями. Иными словами, современные учёные договорились считать: если некий процесс (колебание электромагнитного излучения, поглощаемого цезием) повторился свыше 9 миллиардов раз, то прошла всего лишь 1 секунда.
Внутри этих часов электромагнитные волны воздействуют на скопление атомов цезия, которые поглощают это излучение и совершают «квантовый скачок» в другое энергетическое состояние. Но этот скачок происходит только тогда, когда атомы поглощают волны определённой частоты — количества волновых циклов в секунду. Операторы атомных часов знают, что они настроили свои часы на нужную, или «резонансную», частоту, когда обнаруживают максимальное количество атомов, переходящих в другое энергетическое состояние.
Это поразительно — время фактически связывается с вибрациями! Измеряя такие немыслимо быстрые циклы, люди смогли добиться огромной точности хронометража. Для сравнения: обычные наручные часы могут отставать или спешить на секунды в месяц, тогда как атомные часы за миллионы лет не ошибаются ни на долю секунды. Таким образом, время вошло в науку как строго определённая количественная сущность, хотя в повседневности мы продолжаем воспринимать его скорее интуитивно.
Атомные часы произвели революцию в определении времени. Эти поразительно точные устройства влияют на жизнь каждого человека на Земле и помогают нам синхронизироваться, где бы мы ни находились. Они делают возможными такие меняющие мир технологии, как GPS, и помогают учёным исследовать самые глубокие тайны Вселенной.
Использование атомного времени — одно из самых прекрасных и впечатляющих достижений человечества!
.
Источник: группа Ye и Брэд Бэксли, JILA
В настоящее время для точности измерения времени используют атомы цезия. Самые точные из этих часов показывают время с погрешностью в одну триллионную секунды в год. Для сравнения: погрешность ваших кварцевых наручных часов может составлять около 15 секунд в месяц.
Время как четвёртое измерение
Помимо того, что время измеряется часами, оно ещё и играет особую роль в современном научном мировоззрении. Вы, конечно же, слышали выражение «четвёртое измерение». Обычно три измерения — это простор нашего пространства (вверх-вниз, вперёд-назад, вправо-влево). Физики добавили к ним время как четвёртую координату, образуя ткань пространства-времени. Любое событие можно определить не только местом, где оно произошло, но и моментом времени. Время в классической физике считается чем-то вроде невидимого фона, на котором разворачиваются все события.
Великий ученый Исаак Ньютон так и писал: «Абсолютное, истинное и математическое время само по себе протекает равномерно, не завися ни от чего внешнего…». Иначе говоря, по Ньютону, время — это некая универсальная река, текущая везде одинаково и неизменно. Эта идея интуитивно понятна: ведь наши часы (если они качественно сделаны) идут одинаково и сегодня, и завтра, и в любом месте на Земле. Долгое время казалось очевидным, что время течёт равномерно и одинаково для всех.
Однако представление о времени как о равномерном и независимом от всего потоке оказалось слишком упрощённым. Реальность намного интереснее. В начале XX века выяснилось, что у «реки времени» нет заранее заданного единого течения. Альберт Эйнштейн, формулируя свои революционные теории относительности, показал: то, как протекает время, зависит от обстоятельств. В разных «местах» и у разных наблюдателей оно может идти по-разному!
Это звучит как научная фантастика, но подтверждено множеством экспериментов. Если один человек будет путешествовать на космическом корабле с около световой скоростью, а другой останется на Земле, при встрече первый окажется моложе второго — для путешественника время шло медленнее. Часы на быстро летящем самолёте отстают по сравнению с такими же часами на земле. Даже на вершине высокой горы время идёт чуточку быстрее, чем у подножия — потому что чем слабее гравитация, тем меньше она «тормозит» ход часов.
Эти эффекты называются релятивистским замедлением времени, и в повседневной жизни мы их не замечаем, потому что они очень малы на обычных скоростях. Но для точной науки и техники они крайне важны.
Например, система GPS, которую мы используем для навигации, корректирует показания времени на спутниках с учётом того, что их ход часов идёт иным темпом, чем на Земле. Иначе спутники и наземные приемники рассогласовались бы, и определять положение было бы невозможно с нужной точностью. Получается, что временем можно «манипулировать», если понимать под этим словом изменение его хода.
Разумеется, человек не волшебник — мы не можем ускорять или замораживать время по желанию. Но природа сама делает это в экстремальных условиях: очень большие скорости или массивные объекты вроде планет и звёзд меняют течение времени. Выходит, время — гибкая, податливая характеристика мира, а не жёсткая сцена, как думали во времена Ньютона.
Этот неожиданный вывод научного прогресса заставляет нас взглянуть на природу времени по-новому. Если течение времени не абсолютно, то что же определяет его скорость? Почему время в разных ситуациях ведёт себя по-разному?
Открытые вопросы и новые идеи
Современная наука достигла огромных успехов в описании времени. Теория относительности научила нас предсказывать, как изменятся часы в любых условиях движения и гравитации. Квантовая механика — другая великая теория — оперирует временем при описании микромира, хотя обращается с ним иначе (в квантовых уравнениях время зачастую просто фиксированный параметр, а не динамическая величина).
Главная проблема в том, что пока не существует единой теории, которая объединила бы взгляды на время в космосе (по Эйнштейну) и время в мире элементарных частиц. Две величайшие физические теории — квантовая физика и общая теория относительности — до сих пор разделяют ответственность за время: каждая описывает свой аспект, и порой эти описания трудно совместить. Для учёных время остаётся во многом загадкой. Именно поэтому появляются новые гипотезы и подходы, стремящиеся расширить наше понимание этой неуловимой сущности. Но кто знает, может наша гипотеза времени, которая будет представлена для тебя, уважаемый читатель, в следующей книге этого сборника более подробно, согласует и объединит эти два «несговорчивых» направления в науке.
Мы предлагаем читателю взглянуть на время под необычным углом: через призму вибрационной теории. Это попытка образно и научно представляет время как некое колебание, пронизывающее наш мир. Такой подход поможет связать воедино разные явления — от тиканья часов до искривления времени возле чёрной дыры — языком частоты и ритма.
В следующих главах мы подробно поговорим о том, как время можно уподобить музыке, из каких «нот» и слоёв состоит течение времени и можно ли настроиться на волну прошлого или будущего, для манипуляций временем.
Нас ждёт увлекательное путешествие, где строгие научные факты будут переплетаться с наглядными примерами и аналогиями. Пора взглянуть на часы под новым углом и услышать в их тиканье не просто звук механизма, а эхо великой симфонии времени, без которой этот мир просто не имел бы ни единого шанса на существование.
