Когда образуется атом водорода, он имеет равную вероятность того, что спины электрона и протона будут выровнены и разнонаправлены. Если они антивыровнены, дальнейших переходов не произойдет, но если они выровнены, то могут квантово туннелировать в это состояние с более низкой энергией, испуская фотон очень конкретной длины волны (21 см). Точность этого перехода, по оценкам, превышает 1 часть на триллион, и она не менялась на протяжении многих десятилетий.
4.) Спин-флип переход атомов водорода.
Вы можете быть разочарованы тем, что каждая из наших попыток придумать лучшее определение времени приводила только к худшему результату в космических масштабах. Но есть одна возможность, которую стоит рассмотреть: самый распространенный квантовый переход во всей Вселенной. Видите ли, всякий раз, когда вы образуете нейтральный водород, он образуется, когда электрон связывается с атомным ядром, которое почти всегда представляет собой всего лишь один голый протон. Когда электрон достигает основного состояния, есть две возможности того, как он будет конфигурироваться относительно протона. Либо электрон и протон будут иметь противоположные (антиориентированные) квантовые спины, где один имеет спин +½, а другой -½, или электрон и протон будут иметь одинаковые (выровненные) квантовые спины, где либо оба равны +½, либо оба равны -½. Если спины разнонаправлены, то это действительно состояние с самой низкой энергией. Но если они выровнены, существует определенная вероятность того, что спин электрона может самопроизвольно перевернуться, испуская очень специфический фотон очень конкретной частоты: 1 420 405 751,77 Гц.
Но это не самое интересное, поскольку манипулирование этой частотой дает время около 0,7 наносекунды и длину около 21 сантиметра. Интересно то, что скорость перехода астрономически медленная: 2,9 × 10^-15 обратных секунд. Если мы переведем это в космическое время и космическую шкалу длины, мы получим около 10,9 миллиона лет и 10,9 миллиона световых лет, что эквивалентно примерно 3,3 мегапарсекам. Из всех фундаментальных констант природы эта наиболее часто встречающаяся, которая могла бы дать нам космически превосходящие масштабы времени и расстояний в годах и световых годах (или парсеках) во всей Вселенной.
Однако наиболее важным аспектом является следующее: конкретное определение времени, которое мы выбираем, произвольно и не имеет значения для физического ответа, который мы получаем на вопросы о продолжительности или расстоянии. Пока мы последовательны в том, что то, как мы определяем временной интервал, не меняется на протяжении истории Вселенной, все эти ответы будут эквивалентны друг другу. В чем же тогда основная разница между нашими разными определениями времени? В конце концов, это наша собственная человеческая способность осознать это и понять смысл этих чисел для себя.
В астрономической литературе вы, вероятно, встретите времена, измеряемые некоторым числом лет, а расстояния измеряются в астрономических единицах (AU). парсеках (пк), килопарсеках (кпк), мегапарсеках (Мпк) или гигапарсеках (Гпк), в зависимости от того, говорим ли мы о масштабах расстояний Солнечной системы, звездных, галактических, межгалактических или космических.
Но поскольку мы, люди, интуитивно хорошо понимаем концепцию года, мы просто умножаем на скорость света, чтобы получить расстояние в световых годах. Это не единственный вариант, но на данный момент самый популярный. Возможно, в далеком будущем человечество больше не будет привязано к Земле, и когда мы выйдем за пределы нашего родного мира, мы, наконец, сможем выйти и за пределы земноцентрических единиц.
Мозг и сознание
Человеческий разум - одна из величайших загадок современной науки, поскольку мы не можем в достаточной степени объяснить, как работает мозг в целом и сознание, в частности. Однако разумной "нулевой гипотезой" является предположение, что электричество, то есть поток электронов, является основной движущей силой нашего восприятия того, что мы сознательны. Хотя квантовые эффекты могут сыграть свою роль, было бы ненужным усложнением предполагать, что сознание - это нечто иное, чем поток электричества.
Могут ли известные частицы и взаимодействия объяснить сознание? На фундаментальном уровне всей реальностью управляют лишь несколько частиц и сил. Как их комбинации создают человеческое сознание?
Теоретически все, что существует в физической Вселенной, зависит только от тех же фундаментальных сущностей и взаимодействий, которые мы обнаруживаем, разделяя материю на части до минимально возможных масштабов. Живые существа можно разделить на клетки; сами клетки состоят из органелл; органеллы можно разбить на молекулы; молекулы состоят из атомов; атомы состоят из электронов и атомных ядер; электроны не могут распадаться дальше, но сами ядра состоят из кварков и глюонов.
Поэтому мы должны быть в состоянии взять эти фундаментальные составляющие материи - кварки, глюоны и электроны - и скомпоновать их различными способами, чтобы объяснить все, с чем мы сталкиваемся в повседневной жизни. Но возможно ли это, имея всего лишь эти простые строительные блоки и четыре фундаментальных взаимодействия? Можем ли мы объяснить все, включая сознательных людей? Это, конечно, огромный вызов.
Как частицы и силы в исходном кварк-глюонном супе идеально подходят для формирования: ядра (1), а при присоединении электронов, атома (2) со своими особыми свойствами, бесчисленного количество молекул (3) со своими свойствами, способных образовывать жизнь (4), которая может достичь сознания (5) и, в конечном итоге привести к астрофизикам (6)?
Такая точная "подгонка" вряд ли может быть чистым совпадением".
Это верное утверждение? Давайте посмотрим на доказательства, известные сегодня, чтобы попытаться выяснить это.
Все частицы Стандартной модели, которая представляет известные составляющие Вселенной, за исключением неизвестных, которые в настоящее время представлены заполнителями темного вещества и темной энергии, делятся на две категории: фермионы и бозоны. Фермионы - это то, что мы считаем составляющими материи: кварки и лептоны. Кварки связываются вместе, образуя протоны, нейтроны и все другие тяжелые составные частицы, в то время как лептоны состоят как из заряженных частиц, которые связываются с протонами и нейтронами и вращаются вокруг них (например, электрон), так и из незаряженных частиц малой массы. которые практически ни с чем не взаимодействуют: нейтрино.
Но бозоны не менее важны. Эти частицы опосредуют все (негравитационные) силы и взаимодействия, которые имеют место между частицами. Хотя существует 12 различных бозонов, они сгруппированы так, что описывают всего три взаимодействия. Восемь глюонов опосредуют сильное ядерное взаимодействие и действуют только на частицы с цветовым зарядом: кварки, антикварки и другие глюоны. Все три слабых бозона, W+, W- и Z⁰, массивны и обеспечивают слабое ядерное взаимодействие.
Фотон, каким бы одиноким он ни был, отвечает за передачу всей электромагнитной силы. Все заряженные частицы испытывают электромагнитное взаимодействие, включая все фермионы, кроме нейтрино и антинейтрино.
Когда к этому добавляется гравитация, мы получаем наблюдаемую Вселенную, которую видим, с известными нам законами, параметрами и константами, управляющими ею. Однако многие параметры, которым подчиняется природа, не могут быть предсказаны теорией, их необходимо измерить, чтобы узнать, и, насколько нам известно, это "константы", которых требует наша Вселенная.
Эти силы имеют свойства, отличные друг от друга в том, что касается их поведения. Электромагнитная сила, например, является силой дальнего действия: если у вас есть две заряженные частицы, они будут притягивать или отталкивать друг друга пропорционально заряду каждой из них и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Чем дальше вы находитесь, тем слабее электромагнитная сила, но она никогда не падает до нуля, даже на сколь угодно больших расстояниях. Однако положительный и отрицательный заряд в целом уравновешиваются; если собрать два вместе, они образуют электрически нейтральный объект, а на больших расстояниях электрическая сила от нейтрального объекта обращается в ноль.
С другой стороны, сильное ядерное взаимодействие действует совсем по-другому. На очень малых расстояниях сильная сила между объектами, заряженными цветом, падает асимптотически до нуля, но по мере увеличения расстояния между ними сила увеличивается. Это верно до тех пор, пока существует чистый цветовой заряд, но, если заряд нейтрален по цвету, сила также стремится к нулю, как и для нейтрального электромагнитного объекта.
Единственная загвоздка в том, что "бесцветный" объект можно получить, используя либо три цвета (красный, зеленый, синий), три антицвета (голубой, пурпурный, желтый) или цвет-антицвет (красный-голубой, зеленый-пурпурный или желто-синий). Кварки и антикварки, которые взаимодействуют с сильным ядерным взаимодействием, имеют цветные заряды, соответствующие красному, зеленому и синему (для кварков), а также голубому, пурпурному и желтому (для антикварков). Любая бесцветная комбинация красного + зеленого + синего, голубого + желтого + пурпурного или соответствующая комбинация цвета/антицвета разрешена в соответствии с правилами сильной силы. Если в этих хорошо изученных системах появятся новые явления, они могут указывать на наличие новой фундаментальной силы, помимо известных четырех.
Для простоты мы можем игнорировать слабое ядерное взаимодействие, отметив лишь, что, если фундаментальная или составная частица нестабильна по своей природе, то ей энергетически выгодно распасться на частицу или набор частиц с меньшей массой покоя.
Чтобы понять, какие структуры мы способны формировать во Вселенной, нужно вернуться на ранние стадии и посмотреть, что возникает и почему. Мы можем посмотреть на то, что осталось, а затем начнем понимать, каким более сложным структурам было позволено появиться.