Как расщепляют мгновение

Материал из IrkutskWiki
Перейти к: навигация, поиск

Содержание

Автор статьи

Жданов Алексей[1]

Введение

Выбор темы, ее актуальность и новизна

В. Ключевский[2] писал, «крупный успех составляется из множества предусмотренных и обдуманных мелочей», мелочей, которые составляют нашу жизнь, которые в своей совокупности отождествляют материю[3], вещество [4]. Казалось бы, науки, существующие на протяжении веков и деятельно проявляющие себя в любых сферах нашей жизни, исследовали и заключили во всевозможные теории и аксиомы ответы на вопросы «Что? Почему? Как?». Но как бы гениальнейшие умы человечества не изобретали всё более сложные подходы к изучению физических явлений, как бы не сооружали громадные коллайдеры, как бы не пытались приблизиться к познанию истины, природа в любом случае окажется ещё более необъяснимой и загадочной. На протяжении всей истории главная и, наверное, единственная цель человечества – подчинить себе «матушку природу». Но, как не странно, по мере того, как человек познавал мир, эта цель скорее перерождалась в желание, желание постичь все тайны мирозданья. А может ли человек постичь эти тайны? Именно этот вопрос был и остается точкой соприкосновения физики и философии. Одни философы утверждают, что человек рано или поздно преодолеет черту, за которой предел человеческих возможностей. Другие же напротив уверены, что человек не способен даже издалека наблюдать истину, ответить на свои же вопросы. Ко второму разряду философов относился и русский классик – Федор Иванович Тютчев[5]. На протяжении всей жизни он стремился познать все тайны мирозданья, но, в конце концов, пришел к выводу, что человек этого сделать не в силах. Вдохновленный этой идеей Тютчев пишет стихотворение «Фонтан»:

Смотри, как облаком живым
Фонтан сияющий клубится;
Как пламенеет, как дробится
Его на солнце влажный дым.
Лучом поднявшись к небу, он
Коснулся высоты заветной -
И снова пылью огнецветной
Ниспасть на землю осужден.
О смертной мысли водомет,
О водомет неистощимый!
Какой закон непостижимый
Тебя стремит, тебя мятет?
Как жадно к небу рвешься ты!..
Но длань незримо-роковая,
Твой луч упорный преломляя,
Свергает в брызгах с высоты.

Но, что бы не говорили философы, надежда познать тайны природы всё ещё живет в наших умах, а, следовательно, поиски ответов на вопросы продолжаются.

Наверное, каждый современный человек имеет представление о том, что же такое элементарная частица. Представления об элементарных частицах[6] отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Вообще, способность к взаимным превращениям – это характерная особенность элементарных частиц; это не позволяет рассматривать элементарные частицы как простейшие, неизменные «кирпичики мироздания». Число частиц, называемых в современной теории элементарными частицами, очень велико. Каждая элементарная частица имеет свою античастицу. Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Следует отметить, что не только материя состоит из простейших частиц, видимых вооруженным взглядом, но и время также можно поделить на своеобразные «кирпичики мирозданья».

Почему меня заинтересовало то, как расщепляют мгновение? Деление времени – это воочию свежий глоток воздуха, новая мысль, идея, открывающая новые возможности. Что же происходит с нашим миром, с веществом, с энергией и, может быть, с пространством на промежутках времени ещё меньше чем 10-24 секунды? Пожалуй, это главный вопрос, беспокоящий современных физиков и меня в том числе.

Объект и предмет исследования

Время - объект исследования.

Физические основы измерения коротких и сверхкоротких промежутков времени - предмет исследования.

Цель, задачи

Цель:

Исследование и теоретическое обоснование целесообразности и сущности измерения коротких и сверхкоротких промежутков времени.

Задачи:

  1. Систематизировать собственные знания и представления о том, что происходит на малейших временных масштабах.
  2. Выделить основные особенности современных подходов к изучению коротких и сверхкоротких промежутков времени.
  3. Определить способы изучения.
  4. Попытаться зафиксировать с помощью фотографии события, происходящие на миллисекундном и микросекундном диапазоне.

Практическая значимость работы

Как говорил Резерфорд[7]: «Наука есть простейший способ удовлетворения любопытства за счет государства». Однако, чтобы проводить опыты необходимы дорогостоящие приборы, что, к сожалению, не возможно, даже при финансовой поддержке лицея. Но если говорить о результатах исследований физиков, то можно смело сказать: «Дальнейшее изучение коротких и сверхкоротких промежутков времени, а также изменение материи или вещества за мгновения позволит глубоко проникнуть в природу пространства и времени, решить вопрос о происхождении массы, природе темной материи и темной энергии, существовании дополнительных измерений».

Теоретическая часть

Что такое время

Время - мера существования материальных живых существ, неживой материи и взаимоотношений между ними. Время — одно из основных понятий физики и философии, одна из координат пространства-времени, вдоль которой протянуты мировые линии физических тел, а также сознание. В быту временем обычно называют время суток.

Эйнштейн[8] сказал: время – относительно. И перевернул все представления о прошлом, настоящем и будущем. По нынешней теории, человечество как бы плывет по течению извилистой реки и наблюдает вокруг только настоящее. Однако некоторые ученые утверждают, что прошлое и будущее, скрытое за поворотами, не исчезает, а продолжает существовать.

Что же такое время? Ответ на вопрос о сущности времени до сих пор не найден, хотя впервые был поставлен еще древнегреческими философами-материалистами. Вот как изложил сущность их взглядов на природу времени в своей поэме «О природе вещей» римский поэт Лукреций Кар[9], живший в I в. до н. э.:


Так же и времени нет самого по себе, но предметы
Сами ведут к ощущению того, что в веках совершилось,
Что происходит теперь и что воспоследует позже.
И неизбежно признать, что никем ощущаться не может
Время само по себе, вне движения тел и покоя.


Ньютон[10] в своих трудах сделал попытку внести в науку понятие абсолютного времени. Он писал: «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью».

Сегодня физики считают, что ближе к пониманию природы времени были древнегреческие философы-математики, чем Ньютон. Абсолютное время может существовать только лишь в воображении людей, при любых измерениях времени по необходимости приходится обращаться к совокупности физических явлений, последовательно сменяющих друг друга.

Время как физическая величина обладает рядом особенностей, в силу которых методы его измерения отличаются от методов измерения других величин. Любой промежуток времени можно измерить лишь один раз, только тогда, когда он протекает. Повторить измерения, как это делают, например, при измерении длины, нельзя, так как вернуться в прошлое невозможно.

Сутки – естественная единица времени. В единицах измерения времени не было такого разнообразия, как в единицах длины. Уже в глубокой древности периодическая смена дня и ночи служила мерой измерения времени у всех народов. «День и ночь – сутки прочь», - говорится в пословице.

День от восхода до захода солнца разные народы делили по-разному. Персы делили день на пять частей, древние египтяне на 12 равных промежутков. Мы сейчас пользуемся системой счета времени, которая была создана еще в древнем Вавилоне. Там делили сутки на 24 часа, час – на 60 минут.

Видимое движение Солнца и звезд вокруг Земли, как известно, происходит вследствие вращения Земли вокруг своей оси. Следовательно, при выборе суток в качестве единицы измерения времени длительность одного такого оборота и принята за единицу измерения времени.

Естественная единица измерения времени – сутки часто оказывается слишком большой для практических целей, поэтому в качестве основной единицы измерения времени выбрана секунда – 1/86400 часть суток.

Свойства времени

В классической физике, время — непрерывная величина, априорная[11] характеристика мира, ничем не определяемая. В качестве основы измерения просто берётся некая последовательность событий, про которую считается несомненно верным, что она происходит через равные промежутки времени, то есть периодична. Именно на этом принципе и основаны часы. В любом случае «скорость течения времени» не может ни от чего зависеть, а потому логически равна константе. В классической физике время однородно и одномерно.

Одномерность времени проявляется в том, что для указания момента наступления какого-либо события или длительности какого-либо процесса достаточно одного числа.

Однородность времени проявляется в неизменности физических законов: какими они были во времена Ньютона, такими остаются в наши дни, такими же будут и завтра. При этом совершенно не важно, что какие-то законы ещё не открыты человеком – в природе они действовали, действуют, и будут действовать. Опыт, поставленный в одинаковых физических условиях и в развые моменты времени, дает одинаковые результаты.

В специальной теории относительности[12] ситуация кардинально меняется. Время рассматривается как часть единого пространства-времени, и, значит, может меняться при его преобразованиях. Можно сказать, что время становится четвёртой координатой. «Скорость течения времени» становится понятием «субъективным», зависящим от системы отсчёта. Ситуация усложняется в общей теории относительности, где «скорость течения времени» зависит также и от близости к гравитирующим телам.

Физическая интерпретация вышеназваных теорий требует нового определения времени, как число процессов в системе отсчёта произошедших одновременно (т.е. являющихся причиной одного события в локальной точке) с данным процессом. Система отсчёта времени может быть неравномерная (как процесс вращения солнца вокруг земли) или равномерная.

Впрочем, в математической[13] физике ещё есть неразрешённые вопросы о природе времени. Эти вопросы не разрешимы, но важны.

Отсчет времени

Как в классической, так и в релятивистской физике для отсчёта времени используется временная координата пространства-времени, причём традиционно принято использовать знак «+» для будущего, а знак «-» — для прошлого. Однако смысл временной координаты в классическом и релятивистском случае различен.

Поскольку состояния всего нашего мира зависят от времени, то и состояние какой-либо системы тоже может зависеть от времени, как обычно и происходит. Однако в некоторых исключительных случаях зависимость какой-либо величины от времени может оказаться пренебрежимо слабой, так что с высокой точностью можно считать эту характеристику независящей от времени. Если такие величины описывают динамику какой-либо системы, то они называются сохраняющимися величинами. Например, в классической механике полная энергия, полный импульс и полный момент импульса изолированной системы являются сохраняющими величинами.

Различные физические явления можно разделить на три группы:

  1. стационарные — явления, основные характеристики которых не меняются со временем. Фазовый портрет стационарного явления описывается неподвижной точкой.
  2. нестационарные — явления, для которых зависимость от времени принципиально важна.

«Портрет» нестационарного явления описывается движущейся по некоторой траектории точкой. Они, в свою очередь, делятся на:

  1. периодические — если в явлении наблюдается чёткая периодичность (замкнутая кривая)
  2. квазипериодические — если они не являются в строгом смысле периодическими, но в малом масштабе выглядят как периодические (почти замкнутая кривая)
  3. хаотические — апериодические явления (незамкнутая кривая, заметающая некоторую площадь более или менее равномерно).
  4. квазистационарные — явления, которые, строго говоря, нестационарны, но характерный масштаб их эволюции много больше тех времён, которые интересуют в задаче.

Направленность времени

С современной точки зрения различие между прошлым и будущим является принципиальным. Информация переносится из прошлого в будущее, но не наоборот. Второе начало термодинамики указывает также на накопление в будущем энтропии4.

Стивен Хокинг[14] в своей книге «Краткая история времени: от Большого взрыва до чёрных дыр» оспаривает утверждение, что для физических законов существует различие между направлением «вперёд» и «назад» во времени. Хокинг обосновывает это тем, что передача информации возможна только в том же направлении во времени, в котором возрастает общая энтропия Вселенной. Таким образом, Второй закон термодинамики5 является тривиальным, так как энтропия растет со временем, потому что мы измеряем время в том направлении, в котором растет энтропия.

Единственность прошлого (во всяком случае, касательно процессов макромира) считается весьма правдоподобной. Мнения учёных (как и философов) касательно наличия или отсутствия различных «альтернативных» будущих различны.

В 1905 году Альберт Эйнштейн выдвинул гипотезу, согласно которой в пределах Вселенной время не одинаково. Для чего-то или кого-то, движущегося быстрее, время замедляется, по меньшей мере, с точки зрения постороннего наблюдателя. А вот путешествие в прошлое, по всей вероятности, невозможно. Будущее, согласно взглядам Эйнштейна, в определенной мере достижимо.

Какие теории по перемещению во времени существуют в наши дни? Ученые предлагают различные идеи по созданию способа перемещения во времени.

Сенсационное заявление сделал астрофизик Красников на научной конференции в Лондоне. Оказывается, еще со времени зарождения вселенной в результате «Большого взрыва» в космосе возникли естественные тоннели – как бы «ходы кротов», с помощью которых можно путешествовать во времени. Могут они возникать там, где пространство сильно изогнуто. Например, где существуют «черные дыры». Через эти-то пространственно-временные коридоры и можно за минуты слетать в прошлое или будущее. Своими расчетами Красников доказывает: «ходы» могут быть настолько большими, что позволят космическим кораблям почти мгновенно перемещаться сквозь пространство и время. Выводы ученого основаны на квантовой теории и общей теории относительности Эйнштейна.

Что такое «кротовый ход»? На листе бумаге сверху отметьте точкой положение Земли. В нижней части листа поставьте другую отметку. Пусть это будет некое место в космосе на расстоянии нескольких световых лет. А теперь скатайте бумажный лист так, чтобы обе точки соприкоснулись. Путь стал намного короче. Завершите эксперимент, проделав в бумажном листе два отверстия. Это и есть тот самый «ход».

Дело теперь за «малым», - остается найти эти туннели, которые писатели-фантасты называют «звездными вратами». Или – построить. Так же как туннель сквозь горный хребет, который короче объездной дороги. Только в данном случае придется прибегнуть к ускорителям элементарных частиц, создав «воронку» в пространстве. И увеличивать ее до приемлемых размеров, используя энергетические поля, схожие с теми, которые заставили космос мгновенно расшириться сразу после «Большого взрыва».

Затем необходимо укрепить стенки туннеля «экзотической материей», как ее называют ученые. Такую «материю» уже удавалось получить в лабораторных условиях. Правда, пока «слабенькую». Но через год-два ученые надеются получить более стабильные результаты. «Экзоматерия», выдерживающая давление в миллиарды миллиардов атмосфер, буде препятствовать стремлению туннеля сжаться в точку и стать «черной дырой» только с одним входом – без выхода.

Чтобы приспособить туннель для путешествий в пространстве, надо будет один вход расположить у земли, а второй отбуксировать к нужной звезде с помощью специального межзвездного корабля. Тогда, согласно теории Эйнштейна, возникнет парадокс: если для космонавтов на корабле путешествие займет, например, год, то на Земле за это время пройдет 10 000 лет. Вот тут-то и выручит «кротовина». Вместо того чтобы год тащиться обратно, корабль нырнет в отбуксированный им же туннель и вынырнет с его другого конца рядом с Землей. Для земного наблюдателя корабль вернется в обратную точку (к Земле) через мгновение после старта. «Кротовина» будет работать и как машина времени, и как самое скоростное средство для перемещения в пространстве.

Основы измерения времени

Начало научного мышления, извлекшего человека из животного состояния, связано с измерением времени, отмечал историк Г. Дильс.

Астрономия была первой наукой о времени. Вместе с астрономией развивалась гномоника – наука о часах. (Гномон – указатель перемещения тени Солнца, по длине и направлению которой измерялось время.)

Немыми памятниками, свидетельствующими о наличии практического интереса к астрономическим знаниям у людей позднего каменного и начала бронзового века (XX в. до н. э.), являются мегалитические, или крупнокаменные, постройки, ориентированные по Солнцу и Луне.

Среди них наибольшей известностью пользуются мегалитическое сооружение, расположенное на равнине в 13 км от г. Солсбери (Англия). Оно известно под названием Стоунхендж, имеющий такую древность, и сегодня продолжает будоражить мысль ученых, как одно из удивительных достижений техники и науки в эпоху первобытнообщинного строя.

Создание его совпало по времени с расцветом минойской цивилизации. Никакое другое мегалитическое сооружение Европы не насчитывает столько шлифованных камней. Если смотреть на Стоунхендж с земли, нельзя заметить никакого порядка. Он внушителен только тогда, когда его обозревать в плане сверху.

В центре сооружения имеется огромный круг диаметром 38 метров, состоящий из 30 голубых камней-монолитов высотой 5 метров, между которыми можно видеть горизонт и с удивительной точностью вести календарный счет дням.

Другой круг, расположенный концентрически с первым, состоял из 56 лунок. Лунка служила для отсчета лет (по лунке на каждый год). Число 56 – это наименьшее число лет, за которое Луна завершает цикл своего движения по небосводу.

Что же в действительности значит "наблюдать течение времени"? Очевидно, что это всегда сводится к сравнению длительности двух событий. Когда мы говорим, что человек прожил 74 года и 3 месяца, мы подразумеваем, что за время его жизни Земля обернулась вокруг Солнца 74 и 1/4 раза. Когда мы утверждаем, что радиоактивное ядро распалось через одну миллионную секунды после своего рождения, мы сравниваем время жизни ядра с одной секундой, которая есть 1/60 часть минуты, которая, в свою очередь, есть 1/60 часть часа, представляющего собой 1/24 часть суток - времени оборота Земли вокруг своей оси.

Использовать вращение Земли вокруг своей оси (или вокруг Солнца) в качестве базы для измерения времени довольно удобно, в первую очередь потому, что это процесс периодический и, следовательно, автоматически воспроизводимый. С другой стороны, астрономические измерения положения Земли могут улучшаться, и мы можем неожиданно обнаружить, что секунда, определенная астрономическим путем (1/60 х 60 х 24 часть периода обращения Земли вокруг своей оси), и секунда, отсчитываемая хорошим хронометром, могут перестать совпадать, и нам придется принять, что период колебания маятника хронометра не есть, скажем, точно одна десятая секунды, как мы полагали раньше, а немного другая величина. Как, однако, быть, если на самом деле мы уверены, что дело совсем не в хронометре, а в том, что предыдущие астрономические измерения были недостаточно точны? Выход очевиден: мы по-прежнему будем считать, что период колебания маятника есть одна десятая секунды, а период обращения Земли вокруг своей оси не есть точно 60 х 60 х 24 секунд, а несколько иное число. Ясно, что мы таким образом переопределили понятие секунды, и теперь уже секунда есть по определению десять периодов колебания нашего маятника.

Таким образом, представление о секунде как о базовой единице времени хранится сегодня лучшими хронометрами, а не вращением Земли вокруг собственной оси. Но какие хронометры можно считать лучшими? Вначале это были маятниковые часы, затем кварцевые и электронные, сейчас можно предложить более точные хронометры. Разумно, например, использовать периодический процесс, для которого мы имеем основания предполагать максимальную стабильность периода. В качестве такого периодического процесса можно предложить испускание света или радиоволн возбужденными атомами, особенно испускание в лазерном или мазерном режимах. Испускание световой волны есть периодический процесс, и период колебания волны может быть взят за определение единицы времени. Лучшие сегодняшние измерения покажут, например, что какой-то период равен определенной доле секунды, и в дальнейшем эта цифра может быть уже взята для определения секунды, все остальные измерения времени будут опираться на это определение секунды. Таким образом, по определению секунда - это некоторое число периодов колебания радиоволны в некотором мазере, взятом при некотором давлении, некоторой температуре и других фиксированных физических условиях. Конкретные цифры и название газа для нас сейчас не существенны.

Другой очень хороший хронометр, который может быть использован для определения единицы времени (то есть секунды), это - радиоактивное ядро или коротко живущая элементарная частица. Время жизни - очень стабильная характеристика, которая практически не зависит от давления, температуры и других внешних условий. Некоторое неудобство состоит в том, что распад не является периодическим процессом, как, например, испускание световой волны. Однако процесс распада легко воспроизводим, поскольку мы можем рождать все новые и новые ядра или элементарные частицы данного сорта. Опыт показывает, что время жизни ядра или элементарной частицы всегда остается одним и тем же, если мы измеряем его мазерным хронометром. Иными словами, радиоактивные часы никогда не убегают вперед и не запаздывают по сравнению с мазерными часами. Для обсуждения принципиальных вопросов мы можем с равным успехом использовать и те, и другие часы; в следующих разделах, в которых мы будем рассматривать явление замедления времени в движущихся системах, несколько более удобными будут радиоактивные часы.

А теперь проследим хронологию и эволюцию различных типов часов. За много тысячелетий до изобретения современных часов люди пытались измерять время. Для этого использовали свечи, масляные ламп, фитили. В древнем Китае существовали “часы”, которые были сделаны из пропитанных маслом верёвок, на которых были завязаны узлы. Шнурок горел, когда пламя достигало узла, проходил определённый промежуток времени. Позднее стали использовать солнечные часы. Посреди ровной площадки вбивали колышек. В солнечный день колышек отбрасывал тень на площадку, расчерченную как циферблат современных часов. В течение дня тень двигалась, и по её положению люди определяли время дня.

В домах патрициев Древнего Рима за показаниями солнечных часов следил специальный прислужник, который оповещал о наступлении очередного часа. Существует их портативный вариант: солнечные часы – посох. Из гнезда в трости путник достаёт стержень, вставляет его в отверстие у рукоятки и определяет время по делениям, которые опускаются к основанию.

Известны солнечные часы – перстень: на миниатюрной площадке с делениями, защищённой откидывающейся крышкой – крохотный стерженёк, здесь же компас.

В девяностом году до н.э. римский император Август повелел в честь победы над Египтом привезти оттуда гранитный обелиск массой 230 тонн и установить его в Риме. Обелиск высотой около 22 метров стал основой для гигантских солнечных часов с размерами циферблата 170 на 80 метров. Тень обелиска падала на 12 секторов со знаками зодиака, указывая время суток, дату и сезон года. Однако место, на котором были установлены часы, ежегодно заливалось Тибром.

Уже через несколько десятилетий обелиск покосился, и надписи на плитах циферблата стали неясными. Через некоторое время обелиск упал, и память о самых больших часах осталась только в древних рукописях. В 1748 году обелиск нашли и, не подозревая, что это главная деталь часов, поставили его в 200 метрах от прежнего места. Местонахождение часов оставалось загадкой. Профессор Бухнер, опираясь на литературные данные и астрономические расчёты, после 6 лет поисков нашёл, наконец, на глубине 8 метров, в отложениях нанесённых за прошедшие века Тибром, под фундаментом одного из домов плиты, с изображением зодиакального знака Девы. Исходя из этого, уже сравнительно нетрудно было рассчитать и положение других секторов циферблата.

Однако восстановить самые большие часы мира не представляется возможным – для этого пришлось бы снести целый квартал Рима.

Но в пасмурные дни и ночью солнечные часы не работали. Придумали водные часы. Из одного сосуда в другой равномерно по каплям переливалась вода. Поплавок со стрелкой поднимался. Такие часы показывали время и днём и ночью – не забывай только воды подливать.

В средние века – появились песочные часы, прикреплённые к дощечке с циферблатом, напоминающий современный. Каждый час служитель переворачивал опустевший стеклянный сосуд и в ручную переводил стрелку на циферблате. Тогда же появляется прибор – предшественник карманных и ручных часов – переносные песочные. Их носили, прикрепив ремнями к ноге ниже колена.

Близ дворца Карла V, короля Испании, в отдельной часовне круглосуточно горела свеча с 24 нанесенными на нее делениями. Сгорая, свеча уменьшалась на одно деление в час, о чем слуги докладывали королю.

В конце IV века появляются первые механические часы, и начинается постоянное состязание в техническом совершенстве сложности прибора: куранты, отбивающие часы, получасы и четверти; системы, воспроизводящие мелодии; механические фигурки, появляющиеся в определенное время у циферблата и разыгрывающие пантомимы.

Появляются миниатюрные часы с деталями в одну десятую грамма и часы-гиганты, у которых вес одной гири достигает 800 килограммов. Вершиной искусства часовых дел мастеров остаются и сегодня не превзойденные по сложности механизмы, такие кА часы в Безансоне (Франция) с 75 одновременно действующими циферблатами. 19 век - 1809 г. –Парижский ювелир Нитон, изготавливая подарок к свадьбе пасынка Наполеона Евгения Богарне и Августы Люксембургской, вмонтировал в усыпанный драгоценными камнями браслет миниатюрный часовой механизм. Он и не подозревал, что становится создателем наручных часов. Кстати, в то время его идею не оценили по достоинству: в почете была «луковица» - карманные часы с цепочкой, оснащенные боем, а иногда и репетинией (повторным сигналом времени, который давали нажатием кнопки). 20 век - 1904 г. – мастера Европы изготовили партию наручных часов для продажи в США. Но всю ее, как не нашедшую сбыта, пришлось вернуть в Старый Свет. А всего через несколько лет новинка получила признание у авиаторов. И наручные часы начали свое победное шествие, сегодня они выпускаются миллионами экземпляров ежегодно.

1926 г. – первые наручные часы с автоподзаводом выпущены в г. Гренхене.

1952 г. – появление первых электрических часов одновременно в США, Франции и Швейцарии.

1967 г. – в центре электронных часов в г. Невшатель разработаны первые кварцевые наручные часы.

1972 г. – появление кварцевых часов на жидких кристаллах (электронных).

1988 г. – первые кварцевые автоматические часы без батарейки, заряжающиеся от движения руки.

Развитие технологий требовало более высоких порядков в измерении времени. Каковы эталоны сейчас, каков порядок точности?

Первым эталоном, с которым сравнивали показания часов службы времени, был период вращения Земли вокруг своей оси относительно звезд, т. е. звездные сутки. Астрономические наблюдения были важнейшей задачей службы времени: от частоты и точности этих наблюдений фактически зависела равномерность шкалы времени. Хранение времени между астрономическими наблюдениями, осуществлявшимися с помощью различных типов астрономических часов, приводило к тому, что шкала времени сильно искажалась.

Коренной перелом в вопросах хранения времени произошел с изобретением атомных и молекулярных стандартов частоты, с помощью которых физикам удалось создать независимые от вращения Земли эталоны времени исключительно высокой стабильности. Результаты сравнения шкал атомного времени некоторых обсерваторий показывают, что на интервале в несколько лет продолжительность секунды атомного времени у различных обсерваторий изменяется на величину около 10-10 с.

Атомное время хранится и поддерживается в результате непрерывной работы атомных часов, основа которых атомный (квантовый) эталон частоты. Наилучшим способом построения атомных часов является управление ходом непрерывно работающих кварцевых часов с помощью атомного стандарта частоты. Поэтому молекулярные и атомные часы используются в комбинациях с кварцевыми часами.

XII Международная конференция мер и весов (Париж, 1964 г.) рекомендовала признать за величину атомной секунды продолжительность 9 192 770 колебаний излучения, соответствующего резонансной частоте энергетического перехода между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния цезия-133, не возмущенного внешними полями. В дальнейшем XIII Генеральная конференция по мерам и весам (Париж, 1967 г.) утвердила это новое определение единицы времени. В основу атомной секунды были положены результаты экспериментов, выполненные в Национальной физической лаборатории (Англия) над цезиевыми часами.

Теперь шкала точного времени используется не только для научно-технических целей, ни и в промышленности и в народном хозяйстве. В связи с этим стало возможным точное сравнение всех вторичных мер времени и частоты с государственным эталоном, сопоставлять результаты выполненных измерений с единой шкалой времени.

Хотя шкалы атомного и астрономического времени являются независимыми, тем не менее, взаимосвязь между ними необходимо поддержать с высокой степенью точности как относительно единицы времени, так и эпохи 1900 г. Астрономические и атомные шкалы времени существуют параллельно и дополняют друг друга. В том случае, когда накопится расхождение между шкалой атомного времени, в которой транслируются сигналы точного времени системы всемирного координирования времени, и шкалой всемирного астрономического времени, эта секунда атомного времени будет введена скачком – добавлением и вычитанием целой секунды.

В России шкалу атомного времени контролируют с помощью государственного эталона времени и частоты, который основан на группе кварцевых часов, подстраиваемых по стабильной частоте водородного мазера и молекулярных кварцевых генераторов. Ведущие лаборатории служб времени других стран, имеющих атомные часы, формируют свои шкалы атомного времени, например в Англии, на применении цезиевых часов.

Сигналы точного времени передаются службой времени, имеющей в своем распоряжении группу первоклассных кварцевых часов и атомные эталоны. Когда суточный ход контролируется по атомному эталону, то точность порядка 10-23 с.

Относительность времени

В специальной теории относительности доказывается, что в движущейся системе отсчета, например в быстро летящей ракете, события развиваются быстрее, чем в неподвижной системе. Это надо понимать в следующем смысле: если интервал времени между двумя событиями в движущейся системе равен, например, 1 секунде, то по часам в неподвижной системе время, прошедшее между теми же событиями, будет больше, скажем, 2 секунды. Поэтому с точки зрения наблюдателя, использующего часы в неподвижной системе отсчета, например на Земле, время, прошедшее между двумя событиями в движущейся системе отсчета, например в ракете, замедлено.

На первый взгляд может показаться, что что-то случилось с движущимися часами, они, в некотором смысле, испортились.

Это, однако, не так. Наблюдатель, помещенный в движущуюся систему, например в нашем случае - в ракету, не обнаружит никаких аномалий: радиоактивное ядро, которое, как он знает, должно распадаться за одну миллионную секунды, будет распадаться ровно за это время, период осцилляций (период колебания световой волны, связанной с испусканием света различными атомами) световой волны данного сорта будет больше или меньше периода осцилляций света другого сорта ровно во столько же раз, что и на Земле, и т.д. Иными словами, с точки зрения наблюдателя, находящегося в ракете, течение времени ничем не отличается от течения времени на Земле. И только если мы отслеживаем процессы, происходящие внутри ракеты, используя часы, находящиеся на Земле, мы обнаруживаем, что интервалы времени между событиями, измеренные по часам на Земле, оказываются большими, чем интервалы между теми же событиями, измеренные по часам в ракете.

Как интерпретировать эту ситуацию? И тут мы должны признать, что никакого другого времени, кроме времени, измеренного по нашим "идеальным" часам, например радиоактивным или мазерным, просто не существует: время, измеренное нашими часами, и есть определение физического времени. Мы должны расстаться с интуитивным ощущением, что кроме наших часов существует еще какое-то другое время, как раз то, про которое обычно говорят: "Что бы мы ни делали, а время все равно идет". Никакого другого времени в физике не существует, а в действительности вообще не существует. Поэтому мы должны интерпретировать растяжение временных интервалов между двумя событиями в ракете, измеренных по часам на Земле, как замедление времени. Самого времени, а не каких-то событий.

Как расщепляют мгновение

В этом разделе я расскажу о быстропротекающих явлениях из самых разных областей физики. И причем не столько о самих явлениях, сколько о методах, с помощью которых в них можно вглядеться и их можно изучать.

Миллисекунды

Явление протекающие на миллисекундном уровне
Явление протекающие на миллисекундном уровне
Явление протекающие на миллисекундном уровне

Слишком много про миллисекунды рассказывать не буду только по той причине, что это очень близкий к нам временной диапазон. То есть то понятие мига, которое мы ощущаем, как раз соответствует десяткам миллисекунд, ну, может быть, сотням миллисекунд. Кроме того, это всё можно исследовать буквально дома, в домашней лаборатории, поскольку современная фотокамера позволяет выставлять выдержку и в миллисекунды, и даже в доли миллисекунды. Поэтому на нее можно запечатлеть процессы, которые не видны невооруженным глазом.

Мало кто знает, что невооруженный человеческий глаз обычно может заметить и изучить явления, длящиеся буквально единицы миллисекунд. Конечно, не каждое явление так можно увидеть, для этого требуются некоторые специальные условия, но в определенных условиях это действительно можно сделать. Для этого нужно сделать следующие вещи: нужно, чтобы явление, которое у вас происходит, было ярко освещено и чтобы оно происходило на темном фоне. И последнее условие - это не смотреть прямо на это явление, а мотнуть взглядом туда-сюда. И тогда - у вас на сетчатке получится некоторая развертка этого процесса во времени, и при определенном навыке можно действительно видеть события, протекающие в единицы миллисекунд.

В качестве самого простого примера, можно найти какой-нибудь светодиод и попробовать вот эту технику на нём: мотнуть взглядом туда-сюда и осознать, что у вас отпечаталось на сетчатке.

Микросекунды

Явление протекающие на микросекундном уровне.
Явление протекающие на микросекундном уровне.

Микросекунды — это довольно уже далеко отстоящий от обычной повседневной жизни диапазон времен, но, тем не менее, его можно наблюдать и с помощью обычных видеокамер. Конечно, они достаточно дорогие, это не те видеокамеры, которые продаются в магазинах. Эти видеокамеры, которые дают сотню тысяч кадров в секунду или даже миллионы кадров в секунду, стоят около миллиона долларов. Но иногда достаточно купить такую камеру, вложиться в нее, и потом уже можно делать высококлассные работы, настоящие исследовательские научные работы, которые публикуются в высокоимпактных журналах.

Здесь есть несколько тем, которые буквально сейчас активно исследуются учеными. Среди этих тем, наверное, стоит выделить одну: это поведение нестационарных течений со свободной поверхностью. То есть это не просто, движение воды по трубам, а поведение капелек, струек, как они распадаются на капли. Оказывается, здесь есть много нетривиальных вещей, которые до сих пор еще толком не изучены. Например, одна из них — это то, что происходит с перешейком. Оказывается, что непосредственно перед моментом отрыва капелька ведет себя «самоподобным» образом. То есть эта форма перешейка при приближении к точке отрыва остается постоянной, но только масштаб ее уменьшается. Даже если видна точечка, её можно увеличить и в таком случае можно увидеть ту же самую форму только на меньшем масштабе.

Микросекунды можно изучать в школьной лаборатории. Для этого не требуется покупать очень дорогую камеру. Можно воспользоваться обычным фотоаппаратом, только надо освещать предмет короткими микросекундными импульсами света, а получить их тоже не так уж сложно. Делается это довольно просто: берем лазерную указку, устанавливаем её на моторчик и раскручиваем в горизонтальной плоскости. Достаточно 100 оборотов в секунду. Получается лучик света, который гуляет по стенам с большой скоростью. Сдвигаем поодаль ширму и делаем в ней дырку по траектории луча. Когда луч «чиркает» по отверстию в соседнюю комнату проходит очень короткий импульс света. Далее снимаете в темной комнате на фотокамеру импульсы в считанные микросекунды. Все-таки Микросекунды — это более приземленное к нашей жизни.


Наносекунды

Наносекунды - это нечто, с чем мы уже в обычной жизни не сталкиваемся. Если взять типичные явления, которые происходят в жизни, с обыкновенными скоростями — например, звук, ударные волны или просто движение тел, — то они редко превышают один километр в секунду. Но один километр в секунду, если пересчитать его на наносекунды – это 10–9 секунды, составляет буквально считанные микроны. Если взять скорость света и умножить на одну наносекунду, получится дистанция не такая большая, 30 см. Всё это приводит нас к важному выводу: когда мы изучаем наносекундный диапазон ниже, следовательно, мы уже не изучаем тела — мы изучаем вещество. Совершенно не важно, из какого тела произошло это вещество, так как мы переходим к изучению материи, а не тел.

Но как это можно изучать? Есть еще видеокамеры, которые дотягивают в наносекундный диапазон. Насколько я знаю, сейчас рекорд — это 6 миллионов кадров в секунду в оптическом диапазоне, то есть один кадр за каждые 160 наносекунд. Кое-что можно увидеть, но если у вас есть событие, которое протекает 10 наносекунд, то никакую динамику его с помощью видеокамеры не увидеть. Поэтому приходится от визуального наблюдения переходить к сложным методам исследования, которые становятся косвенными, когда мы уходим во всё более и более мелкие диапазоны времен.

Таких методов достаточно много. Один из методов относится к разделу физики под названием «физика поверхности». Физика поверхности изучает то, что происходит на поверхности твердого тела — например, кристалла. На самом деле, там происходит много интересного, там есть термодинамические, электрические, магнитные явления, механические явления. И они все протекают на поверхности совсем иначе, чем в толще вещества. Поэтому в этой области физики конденсированных сред есть свои загадки, свои проблемы и свои методы исследования.

Один из конкретных вопросов, который очень важен для этой области, — вопрос о том, как живет атомарно гладкая поверхность кристалла при обычной комнатной температуре. Что значит «атомарная гладкость»? Это значит, что его (кристалл) вырастили атомарно гладко и дальше отпустили в свободное плавание. Он же не будет непрерывно стоять, там есть тепловые флуктуации6, и иногда эти флуктуации заставляют какой-нибудь атом выпрыгнуть и начать «гулять» по поверхности. А на месте этого атома появляется поверхностная дырка — называется она «вакансия», — которая тоже обладает подвижностью: она начинает «гулять» из стороны в сторону. Соседние атомы перескакивают в нее, и в результате получается, что вакансия перемещается. Это значит, что атомарно гладкую поверхность можно представлять себе как разреженный газ двух типов частиц: поверхностные атомы, которые прыгают поверху, и вакансии, которые диффундируют. У этого газа есть своя концентрация, есть свой типичный коэффициент диффузии, свои типичные времена перескоков, и это всё надо изучать, поскольку это действительно отражает то, как живет поверхность.

СТМ-изображения атомов индия на поверхности Cu(001). Разница во времени между (a) и (b) 160 сек, между (b) и (с) – 20 сек.

Как изучить диффузию поверхностных вакансий? Посмотреть с помощью какого-нибудь метода с высоким разрешением. Есть метод — сканирующая туннельная микроскопия, — с помощью которого можно видеть отдельные атомы. Но этот метод очень медленный. Для того чтобы получить снимок даже небольшого участка поверхности, требуется время порядка секунды. В то же время теоретические оценки говорят о том, что все эти вакансии атома перемещаются за времена порядка наносекунд. Следовательно, с помощью этого метода ничего не получится.

Как на вакансии взглянуть, чтобы их увидеть. Требуется некоторая экспериментальная хитрость. И такую экспериментальную хитрость реализовали несколько лет назад ученые. Они решили на поверхность выращенного кристалла посадить примесные атомы, атомы другого сорта. Эти атомы хорошо видны в сканирующий туннельный микроскоп, они отличаются по своим свойствам от атомов подложки. Когда их только посадили, они встраиваются в верхний приповерхностный слой и там сидят неподвижно. Можно делать снимок за снимком — через каждую секунду — какого-нибудь участка, и будет видно, что атомы сидят неподвижно. Когда вакансия прибегает, она взаимодействует с примесными атомами; перемещает их на несколько шагов атомной решетки и убегает. Получается, что примесные атомы будут сдвинуты. Изучая перескоки атомов, которые происходят очень редко, можно выяснить и динамику, диффузию вакансий.

Медленный инструмент позволяет изучить динамику более быстрых явлений, если хитро поставить эксперимент.

Пикосекунды

Пикосекунды — это еще более краткий миг. За пикосекунды никакие тела — и вообще даже свет — не успевают сдвинуться на макроскопические расстояния.

Какие типичные процессы происходят на временах порядка пикосекунд? Это разнообразные атомные, молекулярные явления. То есть явления, связанные с движением отдельных атомов или их групп. Например, синхронные колебания кристаллической решетки, то есть фононы.

Например, поведение биологических молекул. Скажем, при свертке белков происходит целый каскад разнообразных процессов. Когда у вас белок транслировался, он начинает сворачиваться, и в процессе свертки явления происходят на пикосекундном масштабе, на наносекундном масштабе, вплоть до секунд. Но самые быстрые шаги свертки этого белка происходят на пикосекундном масштабе. Это очень важно для биологии — знать, как это происходит.

Здесь же протекает кинетика фазовых переходов. Слово «кинетика» означает, что мы не смотрим просто на результат, а мы хотим в деталях знать, как происходит тот или иной процесс. Посветили короткой вспышкой лазерного света на лед, и он плавится. Мы говорим: «Лед плавится». Но мы хотим знать, как начинается этот процесс — поатомно или через какие-нибудь колебания, однородно, неоднородно? Всё это изучается на пикосекундном масштабе.

Про пикосекундный диапазон можно сказать две вещи. Первое — можно говорить, что это настоящая современная физика, это сейчас изучается в тысячах лабораторий мира, публикуется в сотнях журналов каждый день, это действительно самая настоящая современная физика. Вторая вещь — как изучать такие явления. И здесь интересная вещь, которую Игорь Иванов условно назвал «наносекундный барьер». Что это означает? Разнообразные старинные методы исследования, которые применялись еще в середине ХХ века или раньше, требовали перемещения чего-либо в пространстве. Если есть желание снять на фотокамеру, то нужно сдвинуть заслонку, или если хотите получить короткую вспышку света при пробое в конденсаторе, то есть движение электронного потока от одной обкладки к другой обкладке. Так или иначе, у вас есть механическое перемещение хотя бы на миллиметровые расстояния. Всё это заканчивается на наносекундах. Наносекунды — это когда еще движение заметно. На пикосекундном масштабе никакое движение микроскопических тел не заметно. Поэтому все старинные методы исследования не могут изучить диапазоны меньше одной наносекунды.

И вот здесь настоящим прорывом было изобретение лазеров. Ну а точнее с помощью лазеров получать очень короткие световые импульсы. Была целая революция, с помощью которой прошли весь пикосекундный диапазон — от наносекунд до единиц пикосекунд и даже глубже. Лазер — это совершенно уникальный метод исследования, потому что для быстропротекающих процессов он служит одновременно как инициатором процесса, так и регистрирующим инструментом.

Стандартная методика, которую сейчас часто используют в большинстве экспериментов по изучению быстропротекающих процессов, выглядит так: есть импульс света, который расщепляется на два коротких импульса света, сдвигается относительно друг друга на считанные пикосекунды и посылается на исследуемый образец. Первый импульс запускает процесс, а второй импульс попадает на этот объект в тот момент, когда этот процесс происходит. В результате, если можно контролировать сдвижку по времени между этими импульсами, можно четко проследить, что происходило с процессом спустя одну пикосекунду или две пикосекунды.

Как с помощью этой методики накачки и зондирования можно увидеть такие фононы? Делается это таким образом: посылаются на исследуемый образец два импульса, которые четко скоррелированы по времени. Это импульсы из разных диапазонов электромагнитного излучения. Сначала посылается очень короткий и мощный инфракрасный импульс, который буквально наносит точечный удар по поверхности кристалла, и он генерирует в данном месте и в данное время поток фононов, которые уходят вглубь кристалла, то есть колебания решетки около поверхности. И в тот же момент или с определенной конкретной сдвижкой по времени присылается туда слабый диагностический рентгеновский импульс. Рентгеновский импульс подбирается с такой длиной волны, чтобы он эффективно отражался от поверхности. Дело в том, что кристалл имеет межатомное расстояние порядка нескольких ангстрем. И поэтому, если подобрать рентгеновский импульс с длиной волны тоже порядка нескольких ангстрем, у вас эффективно начинается дифракция. То есть кристалл выступает в виде дифракционной решетки для рентгеновского света. Этот рентгеновский лучик можно отразить и дальше с помощью него можно смотреть на колебания кристаллической решетки, потому что эти колебания действительно отражаются в поведении рентгеновского импульса.

Вот просто типичная картинка. Если взять длину волны порядка нескольких ангстрем, получится дифракция света на кристаллической решетке. Самый простейший случай — это отражение от кристаллических плоскостей. За этим отраженным пучком рентгеновского света можно наблюдать, можно измерять его интенсивность, в том числе при разных углах, и смотреть на колебания. Это только один из примеров довольно широкого класса акустооптических явлений — явлений, в которых оптика связана с акустикой, то есть со звуковыми движениями или с колебаниями атомов.

В пикосекундном диапазоне, на самом деле, есть много интересных работ, и они используют универсальность лазерных импульсов. Лазерный импульс — это не просто когерентный свет, у лазера есть еще определенная поляризация. Эту поляризацию тоже можно детектировать, и она может рассказать вам многое об электромагнитных процессах, которые происходят в веществе.

Вот, скажем, такой есть эффект, называется «магнитооптический эффект Керра». Заключается он в следующем. Если у вас какая-то пластинка из ферромагнитного материала, то есть намагниченная пластинка, и от нее отражается лазерный луч с определенной поляризацией, то плоскость поляризации чуть-чуть вращается. И это вращение зависит от всех углов, от угла падения луча, от угла поляризации его и от угла, от направления вектора намагниченности этой пленки. Если будем измерять в стандартной схеме накачки и зондирования поляризацию полученного излучения, то сможем выяснить, как меняется — просто в реальном времени, — как дрожит вот этот вектор намагниченности.

Такие эксперименты тоже проводились буквально несколько лет назад. И вот результат из одной из работ. Здесь люди проэкспериментировали с разнообразными поляризациями и разнообразными углами падения луча и смогли просто в трехмерном пространстве восстановить динамику вектора намагниченности. То есть оказывается, что когда по нему ударяют с помощью инфракрасного импульса, он начинает как-то дрожать, иногда уменьшаться, сжиматься, переворачиваться, прецессировать. Это всё действительно прекрасно видно с помощью этой техники. Буквально за долю первой пикосекунды происходит нагрев электронов — электроны поглощают свет — и резкое падение намагниченности. Из-за того, что электроны горячие, и из-за того, что магнетизм связан с электронами, получается резкое проседание намагниченности. Затем через 2–3 пикосекунды электронная теплота передается решетке, и решетка начинает колебаться. Далее намагниченность восстанавливается до старого уровня, и происходит прецессия вокруг магнитного поля.

Фемтосекунды

Фемтосекундный диапазон — еще более мелкий по времени диапазон. Атомы здесь практически не движутся. Только, может быть, на сотнях фемтосекунд еще можно заметить какое-нибудь смещение атомов в кристаллической решетке, но на десятках единиц фемтосекунд атомы уже можно считать просто неподвижными, и это уже область, в которой господствуют электроны, разнообразные электронные явления. Но электроны, на самом деле, тоже движутся с разными частотам, с разными скоростями. То есть внешние электроны движутся медленнее, внутренние атомные электроны движутся быстрее. Но под словом «движутся» не имеется ввиду, что они прямо крутятся вокруг атома, но если запустить какой-то нестационарный процесс — например, возмутить атом или выбить у него электрон, — то начинается какое-то перетекание волновых функций. Вот это перетекание волновых функций происходит на фемтосекундном масштабе.

Светочувствительный белок, встроенный в клеточную мембрану. Свет запускает в нем цепь превращений, за счет которых сквозь канал протон переносится на другую сторону мембраны.
Бактериородопсин

Здесь есть стандартные методы исследования, это фактически та же самая методика накачки и зондирования, только она уже в 80-е годы эволюционировала вплоть до единиц фемтосекунд. Здесь она столкнулась с определенным и неизбежным пределом. Просто период колебания электромагнитного поля обычной световой волны составляет от 1,5 до 3 фемтосекунд. То есть получить, скажем, 1 фемтосекунду просто нереально, потому что вы не можете получить световой импульс с половиной периода колебания — у вас неизбежно хотя бы 1–2 колебания есть. Поэтому оптические импульсы у вас неизбежно получаются длительностью несколько фемтосекунд. Но с помощью этих методов можно действительно изучать фемтосекундные процессы.

Если есть быстропротекающий процесс, в котором переносятся заряды, например электроны, протоны, то может возникать электромагнитное излучение, причем частота этого электромагнитного излучения соответствует типичным временам переходов, которые в этом процессе и имеются. Если внимательно посмотреть на этот процесс и зарегистрировать от него вспышку электромагнитного излучения, то можно, расшифровав эту вспышку, кое-что узнать и про сам процесс. Год назад это было применено к интересному биологическому белку под названием бактериородопсин.

Бактериородопсин — это вообще уникальный белок, у него много интересных физических свойств. В природе он вырабатывается определенным типом бактерий, и он встроен в их мембрану. Это светочувствительный белок: когда его освещают светом, в нём запускается цикл, каскад процессов, перестройки, разнообразные переконфигурации этого белка, результатом которого является передача протона от одного конца молекулы к другому. Поскольку этот белок встроен в мембрану, получается, что при освещении этот белок работает как протонный насос - из одной области прокачивает протоны в другую область и там их отпускает, снова берет протон, перекачивает в другую и отпускает.

Конечно, это очень важно для биологии, это один из фундаментальных процессов в биологии. Поэтому физики и биофизики это активно изучали. Выяснилось, что есть много разных стадий, просто типичные стадии, типичные времена, в течение которых эти стадии все проходятся. Оказалось, что белке есть стадии с совершенно разным временным масштабом. Вообще весь цикл проходит примерно за 20–30 миллисекунд. Но определенные этапы проходят за микросекунды, а некоторые шаги в этих этапах проходят за наносекунды и за пикосекунды, целый диапазон в 12 порядков разнообразных переходов в этой молекуле. Самые первые явления, самый первый отклик этой молекулы на свет, когда только ее осветили, вот он протекает буквально за считанные пикосекунды, за 1–2 пикосекунды. И для того чтобы разобраться в динамике этого процесса, требуется методика, которая позволяет зайти глубже, чем пикосекундный диапазон, тр есть в фемтосекундный диапазон, хотя бы сотни или десятки фемтосекунд желательно разглядеть с помощью этой методики.

Идея, которая здесь была применена, — очень простая. Если есть перемещение зарядов, а в этой молекуле есть перемещение зарядов, то может возникать излучение. Какого оно диапазона? Если речь идет про пикосекундный диапазон времен, то одной пикосекунде, если пересчитать это в частоту, отвечает 1012 Гц, то есть это первое герцовое излучение. На языке астрономов это называется дальний инфракрасный диапазон - длина волны сотни микрон. Вообще это очень тяжелый для изучения диапазон, как в астрофизике, так и в обычной физике. Долгое время не было не только надежных методов детектирования слабых терагерцовых импульсов, даже надежных методов генерации слабых терагерцовых импульсов. Поэтому прогресса большого не было. Последние 5-10 лет наметилось несколько новых концепций, с помощью которых можно излучать эти терагерцовые волны и детектировать их тоже. То есть сейчас большой проблемы это не представляет.

Если будут процессы с типичным временем порядка пикосекунд или долей пикосекунд — это значит, что будет производиться вспышка терагерцового излучения, — если эту вспышку задетектировать и промерить, то можно узнать многое и сравнить с теоретическими расчетами — можно узнать много про динамику перемещения зарядов в молекуле. Нереально от одной молекулы увидеть вспышку терагерцового излучения, особенно с учетом того, что оно плохо детектируется, поэтому здесь на помощь пришел тот факт, что эти молекулы можно концентрировать и выстраивать их примерно в одном направлении. Когда есть вспышка света, которая инициирует процессы, то она сразу инициирует процессы в тысячах, миллионах молекул. И они начинают излучать терагерцовое излучение, причем излучение это идет когерентно, то есть сразу со всей пленки. И этот импульс можно задетектировать.

Аттосекунды

Аттосекундный диапазон — это нечто совсем передовое, в последние годы люди залезли в аттосекундный диапазон с помощью импульсов рентгеновского или далекого ультрафиолетового излучения. Сейчас действительно уже можно получать импульсы длительностью в сотни аттосекунд — скажем, 300, 400 аттосекунд — с помощью них изучать процессы, которые происходят тоже на этом масштабе.

На аттосекундном масштабе уже никакого движения атомов нет, да и электроны почти неподвижны, даже если они не в стационарных слоях. Единственное, что хоть как-то движется на этих масштабах, — это внутренние электроны, то есть самые быстрые электроны в многоэлектронных атомах. И здесь полезно подчеркнуть, что для того, чтобы просто оценить, какие явления там происходят, а какие можно считать остановившимися, полезно смотреть не на расстояния, а на энергии, которые используются в этих процессах.

Залезаем в область квантовой механики. В квантовой механике есть такое соотношение неопределенности между энергией и временем, которое можно сформулировать так: если есть какой-то процесс, в котором имеются переходы между энергиями с типичной разностью ΔЕ, то этот процесс не может длиться меньше, чем h делить на Е, где h — постоянная Планка. И примерная линейка пересчета такая, то есть по порядку величины явления, которые протекают на внешних атомных оболочках, то есть затрагивают порядка электронвольт, длятся типичное время фемтосекунды. Явления, которые происходят на самых внутренних оболочках, длятся типичное время аттосекунды.

123ваппппппппппппппппппппппппппппппппппппррррр.jpg

Пример одной из работ, в которой люди залезли прямо в аттосекундный диапазон и смогли что-то узнать. Это динамика Оже-эффекта. Оже-эффект — это двухэлектронная ионизация атома и поглощение рентгеновского фотона. Значит, когда в атом попадает какой-то фотон, он может поглотиться электронами, например самым внутренним электроном. При этом, если энергии достаточно, этот электрон может просто вылететь из атома и улететь. На его месте образуется вакансия, она очень глубокая, у нее очень большая энергия связи и она не может жить долго. Эта вакансия заполняется каким-либо из более высоких электронов, то есть этот электрон падает, и, когда он падает, испускает свой фотон. Этот фотон не всегда улетает прочь, а иногда может перепоглотиться вновь внутри этого же атома — каким-нибудь совсем внешним электроном. И тогда этот совсем внешний электрон, который называется Оже-электрон, тоже вылетает из атома. И энергия этих двух электронов — первичного и Оже-электрона — она скоррелированна и связана с энергией этого падающего фотона.

Это интересный процесс, который рассказывает о том, как перетекают электронные плотности внутри атома. И теоретические оценки говорят о том, что — для типичных многоэлектронных атомов — это времена порядка единиц фемтосекунд, может быть даже меньше. Поэтому для того, чтобы в деталях его проследить, требуется техника, с помощью которой мы можем заглянуть внутрь фемтосекунды, то есть в сотни, хотя бы в сотни аттосекунд.

Зептосекунды

На этом спектр или диапазон времен тоже не кончается. Есть еще более мелкие процессы, более быстрые процессы, которые протекают на еще более мелких единицах времени. Эти единицы времени называются зептосекунды, 1 зептосекунда это 10–21 секунды. На зептосекундном масштабе уже нет никаких движений ни атомов, ни даже электронов. И электроны, и атомы стоят. Всё, что может происходить на этом масштабе, — это ядерные реакции.

Значит, можно оценить типичное время, за которое нуклон, двигающийся с типичной ядерной кинетической энергией, проходит диаметр ядра. Это оказывается порядка 1 зептосекунды. Это дает примерную оценку того, сколько протекают ядерные реакции, если родилось какое-то ядро в столкновении и тут же распалось. Если оно не сдерживается никакими силами, то оно распадается примерно за зептосекунду. Если же есть какие-то дополнительные силы или стимулы для этого ядра немножко пожить, то есть чуть-чуть быть постабильнее, то его время жизни будет на несколько порядков больше, чем зептосекунды.

Оказывается, это можно изучать, и это действительно было недавно использовано (в прошлом году), для обнаружения того, что некоторые изотопы элементов 120 и 124 обладают повышенной стабильностью. Конечно, это не настоящие стабильные атомы, здесь вообще о стабильности говорить не приходится, они жили всего лишь 1–2 аттосекунды, но интерес к ним связан с тем, что эти изотопы, на самом деле, очень нейтроно-дефицитны. Совершенно гарантированно, что у них есть собратья, другие изотопы, с большим количеством нейтронов, которые будут жить намного дольше. Их просто очень тяжело экспериментально получить, поэтому люди сейчас экспериментируют только с нейтроно-дефицитными изотопами. Но получив кое-какие экспериментальные данные про нейтроно-дефицитные изотопы и сравнив их с теоретическими расчетами, можно действительно улучшить предсказания теоретиков относительно острова стабильности, который, может быть, существует в сверхтрансурановых элементах.

Как это всё можно исследовать? Удивительная вещь: и даже свет стоит, электроны стоят, и атомы стоят. И можно это исследовать.

Метод, который здесь используется, называется «методом теней». И выглядит он так. Есть кристалл, в котором сидят в кристаллических плоскостях ядра. На эту мишень налетает другое ядро, сталкивается с этим ядром и на небольшое время порождает метастабильное и очень тяжелое ядро. Поскольку закон сохранения импульса соблюдается, это ядро движется по-прежнему вперед с некоторой скоростью. И затем оно распадается. И вот в зависимости от того, где именно оно распадается, картина получается разная. Если оно распадается между кристаллографическими плоскостями, то есть в достаточном удалении от своей исходной плоскости, то дочерние частицы могут вылетать прямо вперед, им ничто не мешает. Если смотреть на распределение по углу этих дочерних частиц, то довольно большое количество частиц, которые улетают прямо вперед, то есть вдоль кристаллографической плоскости. А если это ядро распалось практически тут же, на месте, совсем недалеко отойдя от этой кристаллографической плоскости, то вы не сможете увидеть никакие частицы, которые вылетают вперед, просто потому, что мешает кристаллографическая плоскость. Либо эти частицы перерассеются, либо поглотятся, либо отклонятся электрическим полем на большой угол.

То есть, если построить график — это количество дочерних частиц в зависимости от угла отклонения от кристаллографической плоскости, - увидим настоящую тень от кристаллографической плоскости. Но только эта тень, конечно, не в оптическом диапазоне, не в лучах — эта тень в распределении дочерних ядер, получившихся в этой реакции. С помощью этой методики действительно можно вполне надежно отличать ядра, которые живут одну аттосекунду или 100 зептосекунд. И с помощью этой методики действительно было показано, что эти элементы — некоторые из этих изотопов — живут достаточно долго.

Йоктосекунды

Йоктосекунда — это 10–24 степени секунды. Значит, йоктосекунды — это никакие не ядерные масштабы, это масштаб элементарных частиц. Значит, даже ядра уже можно считать замороженными, даже в процессе самой нестабильной ядерной реакции можно считать, что ядро стоит.

Значит, за время порядка йоктосекунд у нас происходят рождения—распады самых нестабильных элементарных частиц. Например, есть такие частицы, называются адронные резонансы, ро-мезоны, дельта-изобары и так далее. То есть это частицы, у которых есть типичное время жизни порядка 10 йоктосекунд. Но они не всегда происходят, они происходят только тогда, когда достаточно энергии сообщается, то есть при столкновении элементарных частиц. И забавная ситуация получается, если замедлить всё время в 1024 раз, весь мир будет стоять, все тела, все электроны, все атомы, все ядра будут неподвижны, и только где-то будут в элементарных частицах — например, столкновения в коллайдере — рождаться и распадаться, рождаться и распадаться вот эти вот адроны. Конечно, никакое реальное смещение тел за это время уже нельзя увидеть, поэтому приходится косвенно получать информацию об этих быстропротекающих процессах.

Типичная картинка, которая получается в столкновении ультрарелятивистских атомных ядер. Это всё передовой край физики элементарных частиц. Ультрарелятивистские ядра, когда они разгоняются до большой скорости, они сплющиваются из-за лоренцева сокращения, и когда они сталкиваются лоб в лоб, то это вовсе и не значит, что в этот момент вдруг происходит взрыв. Всё в рамках релятивистской механики происходит. В первые йоктосекунды после столкновения два ядра проходят друг сквозь друга, то есть те кварковые распределения, которые находились в каждом ядре, они проходят друг сквозь друга и пока еще не трогают друг друга. Однако между ними натягивается силовое глюонное поле. И это состояние, которое осознали только недавно, называется «глазма», оно существует буквально считанные йоктосекунды. Затем на масштабе порядка 10, 20 йоктосекунд это глюонное поле начинает распадаться на адроны, эти адроны начинают распадаться на другие частички и примерно за 30, 50 йоктосекунд эта кварк-глюонная плазма распадается на газ отдельных адронов, частиц. И эти частицы разлетаются уже дальше и регистрируются в детекторах.

Но это косвенные методы наблюдения. Реально никто не может последовательно эти шаги по времени проверить. Однако их можно проверить косвенным образом, например, вычислив в рамках предположения о том, что существует глазма, распределение по углам рожденных частиц, и сравнив их с экспериментальными данными. Это косвенный метод, но он, тем не менее, лучше, чем ничего вообще.

Практическая часть

Фотографии явлений, протекающих на миллисекундном уровне.


Speed foto (6).jpg



Speed foto (45).jpg


Фотографии явлений, протекающих микросекундном уровне.


Speed foto (54).jpg



Speed foto (57).jpg

Заключение

Как мне кажется, основная цель научно-практической конференции достигнута: мной исследована и теоретически обоснованна сущность измерения коротких и сверхкоротких промежутков времени. Так, например, я теоретически установил способы изучения явлений протекающий на любых промежутках времени. Но следует отметить, что из-за отсутствия сверхчувствительных современных дорогостоящих приборов мои возможности были ограничены. Вполне возможно изучать миллисекундный и микросекундный диапазоны в условиях школьной или домашней лаборатории, а значит, вся работа практически сводится к теоретической, нежели к практической части.

Во вступлении я поставил перед собой четыре главных задачи, которые в большинстве своем реализованы. Первой задачей, которую я поставил, стала систематизация собственных знаний и представлений о том, что происходит на малейших временных масштабах. Что, конечно же, реализовалось по мере изучения коротких и сверхкоротких промежутков времени. Второй задачей - выделение основных особенностей современных подходов к изучению коротких и сверхкоротких промежутков времени. Третьей - определение способов изучения сверхкоротких промежутков времени. И, наконец, четвертой - попытаться зафиксировать с помощью фотоаппарата события, происходящие на миллисекундном и микросекундном диапазоне.

Какие особенности современных подходов к изучению дробления секунды? На самом деле всё зависит от временного диапазона. Если, например, речь идет о зептосекундах, то необходимо рассматривать непосредственно поверхность кристалла. Если же речь идет о микросекундах, то рассматривается предмет и его взаимодействие с другими телами. Такими примером является пробивающая стакан полный воды пуля. Можно проследить некую градацию: по мере того, как рассматривается всё меньший диапазон, приходится углубляться в вещество, материю. Добравшись до наносекунд, исследуется уже не материя, а вещество. «Физика поверхности» - это название носит раздел физики, изучающий то, что происходит на поверхности твердого тела — например, кристалла. Там есть термодинамические, электрические, магнитные явления, механические явления. И они все протекают на поверхности совсем иначе, чем в толще вещества. Поэтому в этой области физики конденсированных сред есть свои загадки, свои проблемы и свои методы исследования.

Какие существуют способы изучения сверхкоротких промежутков времени? Существует немалое количество способов изучение коротких и сверхкоротких промежутков времени, думаю, не имеет смысла перечислять их в заключение, так как этому вопросу я посветил весь третий пункт.

Четвертая задача - попытаться зафиксировать с помощью фотоаппарата события, происходящие на миллисекундном и микросекундном диапазоне, не была выполнена, вследствие того, что необходимой фотокамеры, способной снять 10-3 секунды, просто не нашлось. Да, к тому же Всемирная паутина ломится от фотографий подобного характера. Существуют меньшие времена, для которых, к сожалению, не придумали приставки. Йоктосекунды — это самые последние дольные приставки, которые зафиксированы в системе единиц СИ. Но некоторые процессы, которые достоверно известны, протекают еще быстрее. Например, самая тяжелая элементарная частица, топ-кварк, распадается примерно за 0,4 йоктосекунды.

Сейчас физики ищут хиггсовский бозон. В зависимости от того, какая у него будет масса, у него будет разный уровень нестабильности. И распадаться он будет от десятков йоктосекунд, может быть, до даже сотых долей йоктосекунды. Физики хотят изучить, что происходит дальше, но достоверно, к сожалению, пока ничего не известно, То есть эксперимент еще ничего не говорит. Теорий есть много о том, что происходит на еще меньших временных масштабах, но все они должны будут пройти проверку экспериментом. Вот, собственно, один из вопросов, для чего делают большие коллайдеры, в частности LHC, Большой адронный коллайдер, — это чтобы изучить, что происходит с нашим миром, с веществом, с энергией и, может быть, с пространством-временем на временах еще меньших, чем 10–24 секунды.

Источники

  1. Лекция И. Иванов «Как расщепляют мгновения»
  2. Станислав МИХАЛЬ. «Часы. От гномона до атомных часов».Перевод с чешского Р.Е. Мельцера. – М.: Знание, 1983.
  3. Гениальные изобретатели. М.: Терра - книжный клуб - 1998 г.
  4. О.Ф. Кабардин. Факультативный курс физики. М: «Просвещение» - 1973 г.
  5. В.Н. Пунырев. История часов. М.: «Наука» - 1982 г.
  6. газета «Комсомольская правда», №53, 2003 г.
  7. Физика. Балашов М.М. Просвещение. 1994.
  8. Физика, Механика (книга 1). Е.И.Бутиков, А.С.Кондратьев.Москва. Издательская фирма «Физико-математическая литература». ВО «Наука», 1994 г.
  9. Физика. О.Ф. Кабардин. 2-е издание. Москва. «Просвещение», 1995 г.
  10. Физика практические занятия. Л.А. Аксенович. Минск, «Вышэйшая школа», 1993 г.
  11. N.C. Keim et al, Phys. Rev. Lett. 97, 144503 (2006)
  12. R. van Gastel et al, Phys.Rev.Lett.86, 1562 (2000).
  13. A.Lindenberg et al., Phys. Rev. Lett. 84, 111 (2000).
  14. M.Vomir et al., Phys. Rev. Lett., 94, 237601 (2005).
  15. G.I. Groma et al, PNAS 105, 6888 (2008).
  16. M.Drescher et al, Nature 419, 803 (2002).
  17. M. Morjean et al. Phys. Rev. Lett. 101, 072701 (2008).
  18. L. McLerran, e-print arXiv:0812.4989 (2008).
  19. Аскин Я.Ф. Проблема времени. Её физическое истолкование, М.: Мысль,-1986.
  20. Ахундов М.Д. Пространство и время в физическом познании, М.:Мысль,-1982.
  21. Ахундов М. Д. Проблемы прерывности и непрерывности пространства и времени, М.:Наука,-1974.
  22. Ахундов М.Д. Концепции пространства и времени: истоки, эволюция, перспективы, М.:Наука,-1982.
  23. Осипов А.И. Пространство и время как категории мировоззрения и регуляторы практической деятельности, Минск:Наука и техника,-1989.
  24. Потёмкин В.К., Симанов А.Л. Пространство в структуре мира, Новосибирск:Наука,-1990.