Отрывки из книги: Хоофт Г., Вандорен С. Время от 10^-44 секунды до бесконечности. Явления природы на шкале времени.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Христиан Гюйгенс (1629—1695).

Предлагаемая вашему вниманию книга, написанная физиками-теоретиками Герардом Хоофтом и Стефаном Вандореном, посвящена описанию наиболее интересных явлений природы с точки зрения времени. Герард Хоофт является лауреатом Нобелевской премии по физике 1999 года за прояснение квантовой структуры электрослабых взаимодействий. Используя время как ключевой параметр, авторы описывают природные явления и события от самых быстрых, длящихся всего 10–44 секунды, до тех, которым не хватило времени от Большого Взрыва, с которого началась Вселенная, и которые наступят в крайне отдалённом будущем через время, на много порядков величины превышающее нынешний возраст Вселенной.

В этой книге очень интересно изложено всё многообразие природных явлений на всех возможных масштабах времён. Авторы разделили книгу на практически независимые главы, в каждой из которых рассказывается о своём масштабе времени. Времена поделены по порядку их величины, а в каждой следующей главе масштаб увеличивается в десять раз. Независимость глав позволяет читателю не только читать книгу от начала и до конца последовательно, но и открывать её в минуту досуга на любой странице и читать в произвольном порядке. Рассказы о времени начинаются с привычного для всех нас масштаба в одну секунду, затем, увеличивая масштаб, авторы доходят до возраста Вселенной, но не останавливаются на этом и описывают явления, требующие ещё большего времени, даже, возможно, бесконечного.

1 СЕКУНДА

Слово «секунда» происходит от латинского слова secundus или, более точно, слов gradus secundus, которые переводятся как «шаг второй». Древние римляне делили день на 12 часов. Первый шаг заключался в том, что каждый час был поделён на 60 минут, а шаг второй — в том, что каждую минуту поделили на 60 секунд.

Почти все механические часы тикают раз в секунду

Голландский физик Христиан Гюйгенс значительно улучшил точность хода механических часов, предложив конструкцию с маятником. Время, за которое маятник совершает свой проход туда и обратно, называется периодом. Период маятника не зависит от приводящего устройства, а определяется только его формой и подвесом. Например, в случае математического маятника период зависит только от длины нити. Именно благодаря этому факту маятниковые часы можно легко настроить так, чтобы стрелки совершали свой оборот за строго определённое время.

Вес на конце подвеса математического маятника длиной 99 см совершает движение туда и обратно за две секунды. Таким образом, чтобы маятниковые часы совершали тик каждую секунду (половину периода), длина их маятника должна составлять примерно один метр. Настоящий маятник часов отличается от математического, поэтому его период определяется не только длиной, но ещё и формой. Впрочем, всегда можно настроить маятник на нужный период.

Тиканье часов отражает инстинктивную потребность человека отсчитывать время — измерять ускользающие мгновения жизни секундами. Единица времени является одной из фундаментальных единиц в современной науке. Время измеряется точнее любой другой из доступных нам для измерения величин. Для этого были сконструированы самые точные часы — атомные.

В древние времена люди считали, что время вращения Земли вокруг своей оси постоянно. Поэтому вслед за римлянами оставалось просто поделить день на 24 часа, а час — на 3600 секунд. Так получали 1 секунду совсем до недавнего времени. Однако вращение Земли непостоянно. Перемещения атмосферных масс, воды в океанах и льдов в полярных областях вызывают почти незаметные, но измеримые изменения. Это привело к необходимости в более точном определении секунды.

В настоящее время используются часы на основе атома цезия-133 (¹³³Cs). Электроны в этом атоме удалось заставить колебаться так, что частота этих колебаний оказалась универсальной постоянной. Теперь 1 секунда — это время, за которое электроны в атоме цезия-133 совершают 9 192 631 770 таких особых колебаний. Современные атомные часы настолько точны, что отклонение в 1 секунду набегает в них за 10 миллионов лет.

1 секунда — на планете Земля это время, за которое камень или любой другой небольшой плотный объект, для которого мы можем не учитывать силу сопротивления воздуха, падает на поверхность с высоты 5 метров. На Луне, чтобы камень упал за одну секунду, понадобится сбросить его с высоты всего 81 сантиметр.

В пустоте свет преодолевает за 1 секунду расстояние 299 792 458 метров. Это расстояние и равно 1 световой секунде. Термины «один световой год» или «одна световая секунда» обозначают не время, а расстояние. Современные измерения скорости света в пустоте настолько точны, что определение метра звучит как расстояние, преодолеваемое светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды.

Свет и радиоволны преодолевают расстояние от Земли до Луны за 1,28 секунды. В среднем расстояние между центрами масс Земли и Луны с учётом эллиптической формы орбиты Луны составляет 384 403 километра. Если вести телефонный разговор с человеком, находящимся на Луне, то ответа придётся ждать каждый раз более 2,5 секунды, пока радиосигнал пройдёт туда, а затем вернётся обратно (и это без учёта задержки, вызванной обдумыванием ответа собеседником).

Никакой сигнал не может передаваться быстрее света. Следовательно, какими бы совершенными ни были наши средства связи, мы никогда не сможем избавиться от задержки ответа. Остаётся надеяться, что нам удастся свыкнуться с неизбежностью таких задержек.

10 СЕКУНД

Промежуток времени в 10 секунд иногда называют декасекунда. «Дека» — это греческое слово, означающее десять.

Время свободного падения с самого высокого здания 10,18 секунды

Одно из самых высоких зданий в мире — башня Тайбей 101 на Тайване. Его высота вместе со шпилем составляет 508 м. Если пренебречь сопротивлением воздуха, то предмет, брошенный с такой высоты, достигнет поверхности через 10,18 секунды. В момент столкновения с землёй этот предмет наберёт скорость 99,83 метра в секунду или 359,4 км/ч. Чтобы наблюдать свободное падение ровно 10 секунд, предмет надо сбросить с высоты 490,5 метра.

Если учесть сопротивление воздуха, падение на поверхность Земли с той же высоты длится гораздо дольше. Сила сопротивления воздуха зависит от размеров, формы и скорости падающего предмета. Например, из-за сопротивления воздуха вблизи поверхности Земли человеческое тело не может набрать скорость больше, чем 70 метров в секунду, впрочем, это свыше 250 км/ч. При этой скорости сопротивление воздуха уравновешивает силу гравитационного притяжения Земли. Это так называемая стационарная скорость падения. Как только эта скорость достигнута, падающий предмет продолжает падение без ускорения. Чем выше от поверхности Земли, тем выше скорости, которые можно достичь во время свободного падения.

100 СЕКУНД = 1 МИНУТА 40 СЕКУНД

Промежуток времени в 100 секунд иногда называют гектосекунда. «Гекто» — это греческое слово, означающее сто. Впрочем, эта приставка почти совсем не употребляется. Слово «минута» происходит от латинского pars minuta prima — «первая малая часть». Минута является первой малой частью часа, точнее 1/60 часа. Второй малой частью часа является секунда.

Деление часа на 60 минут приписывается древним вавилонянам. Вавилон располагался в стране под названием Месопотамия. Ныне территория Месопотамии находится в Ираке. Вавилоняне, а может их предшественники шумеры, ввели шестидесятеричную (по основанию 60) систему исчисления более 5000 лет назад. Они не только делили час на 60 минут, а минуту на 60 секунд, но и градусы, которыми в астрономии и геометрии измеряют углы, делили на 60 угловых минут, а угловую минуту, в свою очередь, на 60 угловых секунд.

Период полураспада радия 103 секунды

Атомное число радия 88, значит, его ядро содержит 88 протонов. Этот элемент был открыт Пьером и Марией Кюри в 1898 году. Их открытие спровоцировало огромный интерес физиков к исследованию радиоактивных материалов. Наиболее устойчивый изотоп радия ²²⁶Ra, его период полураспада составляет 1600 лет. Лишние 5 нейтронов приводят нас к изотопу ²³¹Ra, в ядре которого содержится 143 нейтрона.

С периодом полураспада 103 секунды этот изотоп радия в результате бета-распада превращается в ²³¹Ac, атомное число которого 89. Бета-распад заключается в испускании бета-частицы — электрона или позитрона. Как было установлено позже, помимо бета-частицы испускается ещё и антинейтрино. В случае радиоактивного распада ²³¹Ra один из нейтронов превращается в протон и испускается электрон.

1000 СЕКУНД = 16 МИНУТ 40 СЕКУНД

1000 секунд можно назвать 1 килосекундой — это чуть меньше 17 минут. В старых европейских университетах существовало понятие «академической четверти часа». В давние времена, когда основным способом хронометража был церковный колокол, занятие начиналось примерно через четверть часа после того, как колокол отбил начало часа. В нынешние времена это понятие частенько трактуется студентами, как время, в течение которого они ожидают начала занятия. Если преподаватель не появился в течение четверти часа, занятие считается отменённым. Иногда это происходит к досаде преподавателя, который просто затрудняется приходить на занятия вовремя.

Луч света преодолевает расстояние от Солнца до Земли и обратно за 998 секунд = 16 минут 38 секунд

Расстояние от Земли до Солнца примерно 150 миллионов километров. Точнее, среднее расстояние равно 149 598 000 000 метров. Средним его называют потому, что орбита Земли имеет форму эллипса, а значит, в каждый момент времени расстояние от неё до Солнца своё. Более того, орбита Земли меняется со временем в результате её взаимодействия с другими планетами и небесными телами в Солнечной системе. В среднем расстояние между Землёй и Солнцем уменьшается на 80 метров каждый год. Тем не менее, это расстояние используется в качестве астрономической единицы длины, а. е. Например, расстояние между Юпитером и Солнцем составляет 5,2 а. е., а Плутон находится на расстоянии 40 а. е. от Солнца.

Скорость света равна 299 792 458 метров в секунду. Таким образом, свет преодолевает расстояние от Солнца до Земли за 8 минут и 19 секунд. А туда и обратно свет проходит за 16 минут и 38 секунд.

10 000 СЕКУНД = 2,78 ЧАСА

10 000 секунд, или без малого 3 часа, — это продолжительность многих мероприятий: концертов, фильмов, спортивных состязаний и т. д. Это практически максимальное время, в течение которого человек может оставаться сосредоточенным на одном виде деятельности. Примерно 3 часа длится экзамен в университете.

Сигнал с Плутона идёт 15 900 секунд = 4 часа 25 минут

Американский космический корабль «Новые Горизонты» 19 января 2006 года был запущен к карликовой планете Плутон. Его полёт длился 9,5 лет, и в 2015 году он достиг Плутона. С расстояния всего 10 000 километров «Новые Горизонты» должен собрать подробные данные о Плутоне. Полученные данные поступают на Землю с задержкой 4 часа и 25 минут, в течение которых радиосигнал преодолевает огромное расстояние от Плутона до Земли. Инструкции с Земли поступают на корабль с точно такой же задержкой. Кроме того, передаваемый на такое расстояние сигнал получается крайне слабым: около 600 бит в секунду.

10¹² СЕКУНД = 31 710 ЛЕТ

Тера — это приставка, означающая 10¹², то есть тысячу миллиардов, или триллион. Так что, одна терасекунда равна одному триллиону секунд. На греческом «тера» значит монстр. Временной масштаб, обсуждаемый в этой главе, соответствует периоду развития анатомически современных людей в Европе. Homo sapiens sapiens появились в Европе примерно 40 000 лет тому назад. Считается, что Homo sapiens мигрировали на север из Африки. Некоторые из обнаруженных там в последнее время археологами черепов имеют возраст свыше 195 000 лет.

Период прецессии оси вращения Земли равен 26 000 лет

Относительно плоскости вращения по орбите вокруг Солнца Земля похожа на вращающийся под углом волчок. Угол наклона этого волчка составляет примерно 23,5 градуса. Однако этот угол не сохраняется во времени, а меняется в пределах нескольких градусов. Помимо вращения волчка, определяющего продолжительность земных суток, наша Земля совершает прецессионное движение в направлении, противоположном вращению вокруг собственной оси. Результирующее движение оси вращения Земли выглядит так, словно она описывает конус.

Период этой прецессии равен 26 000 лет. Прецессия оказывает влияние на начало весны и осени, то есть момент достижения Землёй такого положения, когда ось её вращения находится в нейтральном положении — не направлена ни к Солнцу, ни от него. Это означает, что осень в некоторые года начинается чуть раньше, а в другие — чуть позже. Вместе с тем фактом, что орбита вращения Земли вокруг Солнца немного вытянута, это приводит к чуть более продолжительному лету в ущерб зиме. Можно подсчитать, что если лето в Северном полушарии длится на семь дней дольше зимы, то в течение 10 000 лет всё постепенно поменяется и станет наоборот.

10¹⁵ СЕКУНД = 31,7 МИЛЛИОНА ЛЕТ

Положение континентов и очертания суши меняются со временем. Хоть и с очень-очень маленькой скоростью, но крупные участки земной коры двигаются навстречу друг другу. 65 миллионов лет назад Африка была отделена от Азии и Европы, но за 40 миллионов лет произошли кардинальные изменения относительных положений этих континентов. Африка натолкнулась на Европу, образовав Альпы. Двигаясь навстречу друг другу, Южная и Северная Америки образовали перешеек. Австралия отделилась от Антарктиды. Одно из самых быстрых движений совершает Индия. Отделившись от Африки, за почти 100 миллионов лет она преодолела тысячи километров и присоединилась к Азии. В ходе этого процесса образовались самые высокие горы в мире — Гималаи — и самая глубокая морская впадина — Марианская. И это движение продолжается до сих пор, Гималаи подрастают примерно на 5 милли-метров каждый год.

Период полураспада ⁹²Nb 1,1x10¹⁵ секунд = 34,7 миллиона лет

Химический элемент с атомным номером 41 называется ниобием. Его невозможно найти в природе в чистом виде, он входит в состав различных соединений в некоторых минералах. Будучи переходным металлом, ниобий повышает электропроводность других веществ. Когда ниобий выделили в чистом виде, оказалось, что он переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 9,3 Кельвина. Это самая высокая температура сверхпроводника из одного химического элемента (более высокие температуры сверхпроводимости достигаются только специальными керамиками, представляющими собой сложные вещества, состоящие из атомов разных химических элементов).

Известно около 25 изотопов ниобия, из них стабильным является только ⁹³Nb, его ядро содержит 52 нейтрона. На один нейтрон меньше у ⁹²Nb, и его период полураспада 34,7 миллиона лет. В результате бета-распада ⁹²Nb превращается в молибден.

Информация о книгах Издательского дома «Интеллект» — на сайте www.id-intellect.ru

№3, 2018