Jos jaat maailmankaikkeuden aineen pienemmiksi ja pienemmiksi ainesosiksi, saavutat lopulta rajan, kun kohtaat perustavanlaatuisen ja jakamattoman hiukkasen. Kaikki makroskooppiset esineet voidaan jakaa molekyyleihin, jopa atomiin, sitten elektroniin (joka on perustavaa laatua) ja ytimeen, sitten protoneihin ja neutroneihin, ja lopulta niiden sisällä on kvarkeja ja gluoneja. Elektronit, kvarkit ja gluonit ovat esimerkkejä perustavanlaatuisista hiukkasista, joita ei voida erottaa edelleen. Mutta kuinka on mahdollista, että aika ja tila itsessään ovat samat rajoitukset? Miksi Planck-arvoja on lainkaan sellaisia, joita ei voida jakaa edelleen?
Ymmärtääksesi, mistä Planckin määrä tulee, on syytä aloittaa kahdelta todellisuutta hallitsevalta pylväältä: yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttifysiikka.
Yleinen suhteellisuusteoria yhdistää universumissa esiintyvän aineen ja energian avaruus-ajan kankaan kaarevuuteen ja muodonmuutokseen. Kvanttifysiikka kuvaa kuinka erilaiset hiukkaset ja kentät ovat vuorovaikutuksessa keskenään avaruus-ajan kudoksessa, myös hyvin pienessä mittakaavassa. On olemassa kaksi perustavaa laatua olevaa fysikaalista vakioita, joilla on merkitys yleisessä suhteellisuudessa: G on maailmankaikkeuden painovoimavakio ja c on valon nopeus. G syntyy, koska se asettaa tilan ja ajan muodonmuutoksen indikaattorin aineen ja energian läsnäollessa; c - koska tämä gravitaatiovuorovaikutus etenee avaruusajassa valon nopeudella.
Kvanttimekaniikassa esiintyy myös kaksi perusvakiota: c ja h, missä jälkimmäinen on Planckin vakio. c on kaikkien hiukkasten nopeusrajoitus, nopeus, jolla kaikkien massattomien hiukkasten on liikuttava, ja suurin nopeus, jolla vuorovaikutus voi etenemällä. Planckin vakio oli uskomattoman tärkeä kuvattaessa kuinka kvantienergiatasot kvantisoidaan (lasketaan), hiukkasten välinen vuorovaikutus ja kaikki mahdolliset tapahtumien tulokset. Protonin ympäri pyörivällä elektronilla voi olla mikä tahansa lukumäärä energiatasoja, mutta ne kaikki ilmestyvät erillisissä vaiheissa ja näiden vaiheiden koko määritetään h: lla.
Yhdistä nämä kolme vakioita, G, c ja h, ja voit käyttää niiden erilaisia yhdistelmiä rakentaaksesi asteikon pituudelle, massalle ja ajanjaksolle. Nämä tunnetaan vastaavasti nimellä Planckin pituus, Planckin massa ja Planckin aika. (Muut määrät voidaan piirtää, esimerkiksi Planckin energia, Planckin lämpötila ja niin edelleen). Kaikki tämä on suurelta osin pituuden, massan ja ajan asteikkoa, jolla - muun informaation puuttuessa - kvanttivaikutukset ovat merkittävät. On hyviä syitä uskoa, että näin on, ja on melko helppoa ymmärtää, miksi se on.
Kuvittele, että sinulla on hiukkanen tietty massa. Kysyt: "Jos hiukkasellani oli tällainen massa, kuinka pieni se tulisi puristaa, jotta siitä muodostuu musta aukko?" Voit myös kysyä: "Jos minulla olisi tietyn kokoinen musta reikä, kuinka kauan valon nopeudella liikkuvan hiukkasen kestää tämän koon vastaava etäisyys?" Planckin massa, Planckin pituus ja Planckin aika vastaavat täsmälleen tällaisia määriä: Planckin massan musta aukko on Planckin pituus ja leikkaa valon nopeudella Planckin ajan.
Mainosvideo:
Mutta Planckin massa on paljon, paljon massiivisempaa kuin mikään hiukkaset, joita olemme koskaan luoneet; se on 10 (19 teho) kertaa raskaampi kuin protoni! Samoin Planckin pituus on 10 (14 voimaa) kertaa pienempi kuin mitä olemme koskaan soittaneet, ja Planckin aika on 10 (25 teho) kertaa vähemmän kuin mikään suoraan mitattu. Nämä asteikot eivät ole koskaan olleet suoraan saatavissa meille, mutta ne ovat tärkeitä toisesta syystä: Planckin energia (jonka voit saada asettamalla Planckin massan arvoon E = mc2) on asteikko, jolla kvanttigravitaatiovaikutukset alkavat saada merkityksen ja merkityksen.
Tämä tarkoittaa, että tämän suuruisilla energioilla - joko aika-asteikolla, jotka ovat lyhyemmät kuin Planckin aika, tai pituusasteikolla, joka on pienempi kuin Planckin pituus - meidän nykyisiä fysiikan lakejamme on rikottava. Kvanttigravitaation vaikutukset tulevat peliin, ja yleisen relatiivisuuden suhteen liittyvät ennusteet eivät ole enää luotettavia. Avaruuden kaarevuudesta tulee erittäin suuri, mikä tarkoittaa, että myös "tausta", jota käytämme kvanttimäärien laskemiseen, lakkaa olemasta luotettava. Energian ja ajan epävarmuus tarkoittaa, että epävarmuustekijät tulevat suuremmiksi kuin arvot, jotka osaamme laskea. Lyhyesti sanottuna, fysiikka, johon olemme tottuneet, eivät enää toimi.
Tämä ei ole ongelma maailmankaikkeuksellemme. Nämä energia-asteikot ovat 10 (15 astetta) kertaa suuremmat kuin ne, joihin suuri hadroninkoppija pääsee, ja 100 000 000 kertaa suuremmat kuin maailmankaikkeuden itsensä luomat energeettisimmat hiukkaset (korkeaenergiset kosmiset säteet), ja jopa 10 000 kertaa korkeampi kuin indikaattorit, jotka maailmankaikkeus saavutti heti ison iskun jälkeen. Mutta jos halusimme tutkia näitä rajoja, on yksi paikka, missä ne saattavat olla tärkeitä: mustan aukon keskuksissa sijaitsevilla singulaarisuuksilla.
Näissä paikoissa massat, jotka ylittävät merkittävästi Planckin massan, puristetaan kokoon, joka on teoreettisesti pienempi kuin Planckin pituus. Jos maailmankaikkeudessa on paikka, jossa yhdistämme kaikki linjat yhdeksi ja siirrymme Planck-moodiin, niin se on. Emme pääse siihen tänään, koska se on peitetty mustan aukon tapahtumahorisontista ja siihen ei pääse. Mutta jos olemme tarpeeksi kärsivällisiä - ja se vie paljon kärsivällisyyttä -, maailmankaikkeus antaa meille tämän mahdollisuuden.
Musta reiät rappeutuvat hitaasti ajan myötä. Kvanttikenttäteorian integrointi yleisen suhteellisuusteorian kaarevaan avaruusaikaan tarkoittaa, että tapahtumahorisontin ulkopuolella olevaan avaruuteen lähetetään pieni määrä säteilyä ja tämän säteilyn energia tulee mustan aukon massasta. Ajan myötä mustan aukon massa pienenee, tapahtumahorisontti supistuu ja 10 (67. voimaan) vuoden kuluttua aurinkomassan musta aukko haihtuu kokonaan. Jos voisimme päästä käsiksi kaikkiin mustan aukon jättäneisiin säteilyihin, mukaan lukien sen olemassaolon viimeiset hetket, voisimme epäilemättä pystyä koota kaikki kvanttefektit, joita parhaat teoriamme eivät ennustaneet.
Ei ole ollenkaan välttämätöntä, että tilaa ei voida jakaa jopa pienempiin yksiköihin kuin Planckin pituus, eikä aikaa voida jakaa pienempiin yksiköihin kuin Planckin aika. Me vain tiedämme, että kuvaus maailmankaikkeudesta, fysiikkalakimme mukaan lukien, ei voi ylittää näitä asteikkoja. Onko tila kvantifioitavissa? Virtaako aika todella jatkuvasti? Ja mitä teemme siitä tosiasiasta, että kaikilla maailmankaikkeuden tunnetuilla perushiukkasilla on massoja paljon, paljon vähemmän kuin Planckilla? Fysiikassa ei ole vastauksia näihin kysymyksiin. Planck-asteikot eivät ole niin perustavia maailmankaikkeuden rajoittamisessa kuin ymmärryksessämme maailmankaikkeudesta. Joten jatkamme kokeiluja. Ehkä kun meillä on enemmän tietoa, saamme vastaukset kaikkiin kysymyksiin. Ei vielä.
ILYA KHEL