Физика точного определения того, сколько времени прошло.
«В то время как сама дружба кажется вечной и, кажется, превосходит все естественные ограничения, вряд ли есть какие-либо эмоции, настолько полностью зависящие от времени». -Роберт Хью Бенсон
Начался конец недели в Starts With A Bang, а это значит, что пришло время для еще одного вопроса «Спросите Итана», где вы присылаете свои вопросы и предложения, а я выбираю свой любимый, чтобы ответить. Сегодняшний отзыв от писателя-фантаста А. И. Стэнфилд, который спрашивает:
Я пишу серию научно-фантастических романов, я нахожусь на стадии построения мира и хотел что-то включить. Отсчет времени по Солнечной системе.
Я хотел бы услышать ваши мысли по этому поводу и, возможно, создать дискуссию по этой и другим темам.
Как оказалось, астрофизические системы могут служить отличными естественными часами.
В конце концов, это именно то, что мы используем здесь, на Земле! Суточный оборот нашей планеты буквально определяет наши сутки, а оборот Земли по своей орбите вокруг Солнца определяет год. Ну типа. Видите ли, технически обращение Земли вокруг Солнца определяет то, что мы называем сидерическим годом, или количество времени, которое требуется Земле, Солнцу и (очень далеким) неподвижным звездам, чтобы вернуться в одно и то же относительное положение друг к другу. Но наш календарь основан на тропическом году, или времени, которое требуется, чтобы перейти от весеннего равноденствия к весеннему равноденствию.
Эти два определения года почти идентичны - они отличаются всего на 0.07% друг от друга - но если бы мы проигнорировали эту разницу примерно в 6 часов и 9 минут в год, наши времена года стали бы противоположными тому, что они сегодня каждые 700 лет или около того. Как бы то ни было, мы просто получаем небольшую прецессию равноденствий с течением времени.
Если вы хотите вести долгосрочный хронометраж, вам следует вообще забыть о тропических годах и днях вместе с ними. Видите ли, из года в год вы почти не замечаете этого, но вращение Земли (и всех планет) постепенно замедляется по мере того, как крутящий момент, создаваемый другими гравитационными массами в нашей Солнечной системе, взаимодействует с нами. Тот факт, что у нас есть Луна, чрезвычайно усугубляет этот эффект, поскольку дни на Земле длились всего шесть-восемь часов около четырех миллиардов лет назад, и еще через четыре миллиона лет у нас не будет необходимости в (тропическом) прыжке. лет больше.
Итак, мы могли бы придерживаться измерения того, сколько времени требуется нашей планете, чтобы совершить один астрономический оборот. Но зачем выбирать Землю?
У нас есть восемь планет на выбор, и их орбиты имеют любопытный узор следующим образом:
- Меркурий: 0,241 земного года (чуть меньше 1/4 земного года)
- Венера: 0,615 земного года (примерно 5/8 земного года)
- Земля: 1 земной год
- Марс: 1,88 земных года (почти ровно 3 венерианских года)
- Юпитер: 11,8 земных года, самая доминирующая планета Солнечной системы
- Сатурн: 29,5 земных лет (почти ровно 2,5 юпитер-года)
- Уран: 84 земных года (чуть меньше 3 лет Сатурна)
- Нептун: 165 земных лет (почти ровно 2 урановых года)
На данном этапе существования Солнечной системы эти цифры не сильно изменятся, но они не так точно известны, как хотелось бы. В частности, самые отдаленные планеты известны только с точностью до 2 или 3 значащих цифр! Но время, ориентированное на Солнечную систему, имеет свои пределы с точки зрения точности, согласованности и долговечности. Как оказалось, часы во Вселенной намного лучше, чем все, что может предложить наша Солнечная система.
Пульсары - в частности, миллисекундные пульсары - являются лучшими естественными часами в известной Вселенной. Это коллапсирующие звезды, которые давным-давно стали сверхновыми и оставили после себя нейтронную звезду в своем ядре. За миллиарды лет они развились до своей очень высокой скорости вращения, совершая полный оборот каждые 1-10 миллисекунд (и помните, что это объекты такой же массы, как наше Солнце) и выбрасывая радио «джеты» из своих полюсов. когда они вращаются.
Каждый раз, когда этот джет указывает на нашу линию прямой видимости, мы получаем «импульс» радиоизлучения, отсюда и название «пульсар». Самые быстрые живут много миллиардов лет (как минимум), а рекордсмен крутится более 700 раз в секунду.
Это также самые точные часы, которые мы когда-либо обнаруживали. Они настолько регулярны, что мы могли бы наблюдать за одним, отводить взгляд в течение года, и знать - когда мы оглядываемся назад - прошло ли десять миллиардов импульсов… или это десять миллиардов и один. На самом деле, мы можем добиться точности около микросекунды для их синхронизации в течение многих десятилетий, а это означает, что мы можем получить точность синхронизации примерно до одной части из 10^15!
Это лучше только самых совершенных атомных часов на Земле, и, учитывая, что эти миллисекундные пульсары будут жить миллиарды лет, трудно добиться большего. Но в какой-то момент даже миллисекундные пульсары вымрут; что, если вы хотите сохранить время дольше, чем это? У меня есть для вас ответ.
Используйте висмут. У вас когда-нибудь была таблица Менделеева? Когда я был ребенком, он у меня был, и я особенно помню висмут элемент 83 , потому что это был самый тяжелый элемент, полностью устойчивый к радиоактивному распаду. Все другие элементы, более тяжелые, чем висмут, в конечном итоге распадутся на более легкие элементы, не имеющие неопределенно стабильных изотопов.
Некоторые длились всего секунды или доли секунды, некоторые длились дни, годы, тысячи лет, миллионы или даже миллиарды лет. Но Висмут был самым тяжелым и действительно стабильным.
До 2003 года.
Висмут-209 является самым долгоживущим нестабильным естественным элементом, известным человечеству, с периодом полураспада около 1,9 × 10^19 лет, или более чем в миллиард раз дольше, чем возраст Вселенной!
Итак, если вы хотите узнать, сколько времени прошло с произвольной точностью, все, что вам нужно, это произвольное количество атомов висмута-209.
- Посчитай их.
- Тогда подождите, пока пройдет время, сколько хотите.
- Посчитайте еще раз.
Если вы понимаете, как работает радиоактивный распад, вы можете подсчитать, сколько времени прошло! Теперь это займет некоторое время; в 2010 году в мире было добыто около 8 900 тонн висмута-209. Нынешний возраст Вселенной составляет 13,8 миллиарда лет, и если бы мы взяли это количество висмута-209 и подождали еще 13,8 миллиарда лет, у нас осталось бы еще 8 899 999,9955 кг. И это будет ограничено только точностью, с которой вы можете измерить период полураспада вашего элемента, и количеством атомов, которые у вас есть.
Но вы можете сделать еще лучше, если планируете быть рядом еще дольше.
Теллур-128 - это нестабильный изотоп 52-го элемента в периодической таблице, период полураспада которого составляет 2,2 × 10^24 года, самый долгоживущий нестабильный изотоп из всех. Возможно, там есть даже более долгоживущие - может быть, даже свинец нестабилен, в конце концов - и Вселенная просто не существует достаточно долго, чтобы это выяснить.
Но если я хочу следить за временем, Солнечная система подойдет, но для астрофизических объектов гораздо лучше подойдут миллисекундные пульсары. И если вы отправляетесь куда-то в путешествие, возьмите с собой несколько нестабильных атомов, и таким образом - пока вы умеете считать и заниматься математикой - вы будете точно знать, сколько времени прошло. Просто возьмите с собой нужные элементы с правильным периодом полураспада, и тогда вы все узнаете. И вот как сохранить время так долго, как вы хотите!
Есть вопрос, который вы хотели бы видеть в «Спросите Итана»? Спрашивай! А если у вас есть комментарий к этому сообщению, посетите форум Starts With A Bang в Scienceblogs.