Куда летит время. Увлекательное исследование о природе времени - Алан Бёрдик

Уильям Джеймс взял на вооружение идеи Локка. Если чувственное восприятие изменено в результате употребления гашиша, писал он в 1886 году, есть вероятность взглянуть на течение времени иначе, с позиции короткоживущих созданий фон Бэра и Спенсера. Коротко говоря, восприятие мира в измененном состоянии сознания в точности напоминает расширение пространства под микроскопом: в поле зрения попадает меньше реальных объектов, но каждый из них занимает намного больше места, чем обычно, за счет чего отдельные предметы кажутся неестественно отдаленными. В 1901 году Г. Дж. Уэллс написал короткий рассказ под названием «Новейший ускоритель», в котором говорилось об изобретении эликсира, ускоряющего процессы жизнедеятельности и восприятия в тысячу раз. Отведав эликсира-ускорителя, попробуйте опрокинуть стакан, и вам покажется, будто он завис в воздухе, а прохожие на улицах покажутся «застывшими восковыми фигурами». «Наша задача – изготовить и продавать „ускоритель“, а что из этого выйдет – посмотрим»[45], – подытоживает Уэллс. Хотя мы мало осознаем это, но человек одновременно пребывает в нескольких измерениях времени. Человеческое сердце в среднем совершает один удар в секунду. Разряд молнии длится одну сотую секунды. На исполнение единичной команды программного обеспечения домашний компьютер затрачивает несколько наносекунд – миллиардных долей секунды. Время переключения между схемами исчисляется пикосекундами – триллионными долями секунды. Несколько лет назад физикам удалось получить вспышку лазерного излучения длительностью всего пять фемтосекунд, или пять квадриллионных долей (5Ч10–15) секунды. В повседневной практике фотографии вспышка фотокамеры «останавливает время» со скоростью в одну тысячную секунды, достаточно быстро, чтобы запечатлеть размах бейсбольной биты, если не получается заснять ускоренный полет мяча. Аналогично благодаря фемтосекундному импульсу лазерной «лампы-вспышки» ученые получили возможность непосредственно наблюдать явления, которые ранее не удавалось запечатлеть стоп-кадром: колебания молекул, создание межатомных связей в ходе химических реакций и другие феномены микромира, протекающие с невероятной скоростью.

На основе фемтосекундного импульса разработан ряд мощных инструментов. Фемтосекундный импульс незаменим при бурении микроскважин, так как за счет быстрого поглощения энергии разряда не происходит нагрева среды и, как следствие, возрастает КПД устройства и уменьшается количество отходов. Также, с учетом скорости распространения света (чуть меньше трехсот миллионов метров в секунду), длина волны фемтосекундного светового импульса равна одной тысячной миллиметра. (Для сравнения: длина волны светового импульса длительностью в одну секунду составляет три четверти расстояния от Земли до Луны.) Фемтосекундные импульсы можно уподобить крошечным, но «умным» бомбам, которые могут использоваться для нанесения точечных ударов непосредственно под поверхностью светопроницаемой среды, без повреждения верхнего слоя. Разработки в области применения фемтосекундных импульсов при травлении оптических волноводов в стеклопанелях потенциально способны совершить переворот в телекоммуникациях и технологиях сохранения данных. Кроме того, исследователи фемтосекундных импульсов открыли новый метод в лазерной микрохирургии глаза, позволяющий производить хирургические манипуляции на роговице, не травмируя ткани, расположенные над ней. «Таким образом можно проникнуть внутрь любой биологической среды с минимальными затратами энергии», – объяснил мне Пол Коркум, физик из Института молекулярных исследований имени Эдгарда Стиси в Оттаве, Канада, и один из ведущих специалистов проекта.

Однако даже запредельной скорости все еще недостаточно. Между первой и второй квадриллионной долей секунды разворачиваются процессы первостепенной важности, так что недостаточная скорость импульсной лампы может привести к тому, что вы их попросту упустите. Поэтому ученые вложили в проект максимум усилий и трудились от звонка до звонка, спеша создать еще меньшие временные окна для изучения материального мира. Несколько лет назад одна международная исследовательская группа физиков наконец-то преуспела в попытках преодоления так называемого фемтосекундного барьера. При помощи сложного высокоэнергетического лазера был получен световой импульс длительностью чуть более половины фемтосекунды, а именно 650 аттосекунд, если выразиться точнее. Долгое время аттосекунда (10–18 секунды) существовала исключительно в виде теоретической единицы измерения времени, но в этот раз ей впервые нашлось практическое применение. Новообретенный временной интервал совсем невелик, однако его потенциал способен развернуться в раблезианских масштабах. «В лице новой единицы времени мы приобрели реалистичную временную шкалу для описания процессов, происходящих внутри материи, – уверяет Коркум. – Мы получили возможность исследовать микромир атомов и молекул в его системе координат».

Практическая ценность аттосекундного импульса была продемонстрирована едва ли не в момент получения. Физики направили аттосекундный импульс в сопровождении более продолжительного импульса красного излучения на порцию атомарного криптона. Аттосекундный разряд привел атомы криптона в возбужденное состояние, выбив из орбиталей несколько электронов, после чего через высвобожденные электроны пропускался импульс красного излучения, определяя уровень их энергии. Скорректировав интервал между прохождением импульсов, ученые добились исключительной точности измерений периода распада электронов с погрешностью до аттосекунд. До сих пор изучение динамики электронов в столь краткосрочном временном масштабе не представлялось возможным. Так или иначе, эксперимент наделал шума в мире физики. «Аттосекунды подарят нам новый взгляд на электроны, – сообщил мне физик Луис Ди-Мауро, сотрудник Брукхейвенской национальной лаборатории. – Они стали новой мерой вещества, которая впоследствии распространится на все науки. Началась эпоха аттофизики».

Само собой, однажды, возможно даже и в ближайшем будущем, настанет момент, когда и аттосекунды перестанут удовлетворять запросы науки. Для проникновения в суть процессов, происходящих внутри атомного ядра, применительно к которым естественное течение времени ускоряется на порядки, физикам придется научиться мыслить в категориях зептосекунд или даже секстиллионных долей секунды. В то же время ученым еще предстоит обработать полученные данные в предельно сжатые сроки. Можно вообразить, с каким энтузиазмом они примутся заполнять жесткие диски домашних компьютеров любительской съемкой электронов и забивать эфир видеороликами, записанными в аттосекундах, которые будут зависать на секунды, кажущиеся вечностью. Впрочем, Коркум убежден, что этого не случится. «В действительности мы рассматриваем только приемлемые единицы времени». По его словам, в краткосрочной перспективе, как и в долгосрочной, мера терпения зрителя устанавливает ограничения при подборе единиц времени. «Мой шурин недавно переслал мне видеоролики, в которых фигурировал их ребенок, – рассказывает Коркум. – Сначала было забавно их просматривать, но после пятнадцати минут просмотра я спохватился: видео непозволительно затянулось».