Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной

Благодаря достижениям предыдущих поколений мы можем значительно увеличить наши мыслительные ресурсы. Нам не надо с нуля искать способы удовлетворить базовые потребности в еде, питье или тепле. Не надо опять открывать математический анализ, основы современной науки, технологии. Изобретение компьютера и интернета избавило нас от необходимости производить кропотливые вычисления и запоминать большие массивы информации. Мы можем передать часть мыслительного процесса «на аутсорсинг» и освободить больше нашего внутреннего времени для других целей.

Природа не ограничена быстротой человеческой мысли. События могут происходить с гораздо большей скоростью, чем наша скорость обработки образов — сорок за секунду, даже если зрительно воспринимать их мы не можем. А вот «тактовая частота» современного информационного процессора, такого как у высокоскоростного ноутбука, — примерно 10 гигагерц. Это соответствует 10 миллиардам операций в секунду. Транзисторы компьютеров используют движение электронов под действием электрического поля вместо гораздо более медленных процессов диффузии и химических реакций, управляющих нашими нейронами. Именно поэтому искусственный интеллект «соображает» примерно в миллиард раз быстрее, чем естественный.

ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ

История часов и измерений времени внесла большой вклад в физику. Сначала часы представляли собой довольно простые приборы: солнечные измеряли время по положению солнца, песочные основывались на пересыпании песка, а в сходных с ними устройствах использовались перетекание воды, горение свечей и многое другое. Такие легендарные ученые, как Галилей и Христиан Гюйгенс, изобрели механические часы с маятником, которые затем совершенствовались в течение многих десятилетий и вплоть до двадцатого века были эталоном точности.

В двадцатом веке появились более надежные часы, основанные на совершенно других принципах. Маятники и раскручивающиеся пружинки уступили место сначала колеблющимся кристаллам, а затем колеблющимся атомам. Эти крохотные осцилляторы меньше подвержены грубому воздействию извне, а трение в них очень мало. В результате сегодня самые точные атомные часы невероятно стабильны[35]: их стабильность лучше, чем 10^-18. Это значит, что время, которое покажут двое таких часов, работающих в течение всей жизни Вселенной, будет различаться примерно на секунду. Современные, относительно дешевые компактные (размером с микрочип) атомные часы могут верно показывать время с точностью до 10^-13. Это значит, что они отстанут или уйдут вперед на одну секунду за миллион лет.

Такая невероятная точность может показаться излишней, но на самом деле она очень полезна. В случае спутниковой навигационной системы именно этим обеспечивается точность измерения расстояния. Обратите внимание, что когда речь идет о скорости света, то даже крошечная ошибка при измерении времени приводит к заметной ошибке при вычислении расстояния.

Создание еще более точных часов — сложное и перспективное направление современной физики. Один из недавних результатов в этой области мне особенно дорог: нашлась возможность создать из большого числа взаимодействующих атомов физическую систему, которая увеличит точность одноатомных часов. Идею существования такой системы — темпорального или квантового «кристалла времени» — выдвинул я, а затем ее реализовали физики-экспериментаторы.

Измерение коротких промежутков времени

Как и в контексте пространства, если нас интересуют чрезвычайно короткие временные промежутки, измерения надо проводить другими, не столь прямыми методами. Мы видели, что при измерении расстояния рентгеновская дифракция и рассеяние атомов дают информацию, которую можно конвертировать в карты (то есть в изображения) атомного и субатомного мира. Эти методы связаны с изучением того, как мишени — объекты, которые мы хотим отобразить, — изменяют движение падающих рентгеновских лучей или частиц, бомбардирующих образец.

Чтобы определить временную структуру быстрых событий, используются сходные методы, но теперь существенны изменения энергии, а не направления движения. Мир быстрых событий полон чудес и сюрпризов. Я остановлюсь на нескольких основных моментах и сделаю это настолько кратко, насколько позволяет суть вопроса.

Благодаря мощным лазерам можно изучить последовательность событий, происходящих во многих химических процессах. Фемтохимия создает временные шкалы с шагом, достигающим 10^-15 секунды (одна фемтосекунда). Ведь чем лучше что-то понимаешь, тем лучше можешь это контролировать. Лазерная коррекция зрения использует фемтосекундные лазерные импульсы для операций на роговой оболочке.