Viimeisen 100 vuoden aikana fyysikot ovat rakentaneet tarkkoja ja tehokkaita teorioita maailmankaikkeudesta pienimmästä suurimpaan. On kuitenkin asteikkoja, joissa kaikki nämä teoriat eivät toimi ja joilla on suurimpia salaisuuksia luontolakeista.
Olemme tottuneet elämään suurten, makroskooppisten asioiden maailmassa. Kaikki mitä tavallinen ihminen kohtaa päivän aikana - kupillisesta kahvia aamulla valtavaan taivaan tulipaloon taivaalla, jota kutsutaan aurinkoksi - ovat asioita, jotka voimme joko nähdä tai koskettaa. Jo antiikin Kreikassa filosofit, erityisesti Democritus ja hänen opettajansa Leucippus, ehdottivat kuitenkin, että kaikki koostuu pienimmistä jakamattomista hiukkasista - atomista (käännettynä kirjaimellisesti kreikasta tarkoittaa "jakamattomia").
Ajan myötä atomi löydettiin, ja sitten sen ominaisuus, että se ei ole ollenkaan jakaa, vaan koostuu ytimestä ja sen ympäri pyörivästä elektronista. Sitten kävi ilmi, että ydin koostuu myös protoneista ja neutroneista. Jo myöhemmin löydettiin kvarkeja, joista atomien ytimien protonit ja neutronit koostuvat. Näitä pieniä hiukkasia kutsutaan alkuaineiksi. Kvarkien lisäksi perushiukkasten joukossa on jo mainittu elektroneja, bosoneja, neutriinoja ja fotoneja. Kaikkia niitä pidetään samoina antiikin Kreikan "atomeina" - jakamattomina.
Saksalainen fyysikko ja osa-aikaisesti kvanttiteorian perustaja Max Planck ehdotti vuonna 1899 (joissain lähteissä - vuonna 1900) erityistä mittausmittaa - Planck-yksiköitä. Nämä ovat yksiköitä, jotka on suunniteltu yksinkertaistamaan tiettyjä teoreettisessa fysiikassa, erityisesti kvantimekaniikassa, löytyviä algebrallisia lausekkeita. Niihin sisältyy sellaisia perusyksiköitä kuin Planckin massa, Planckin lämpötila, Planckin pituus ja Planckin aika. Tässä artikkelissa tarkastellaan Planckin pituutta ja Planckiaikaa ja yritetään tehdä se ymmärrettävällä tavalla, ilman monimutkaisia matemaattisia laskelmia (vaikka tarvitsemme joitain kaavoja).
Kuten jo tiedät, fysiikka ei koske pelkästään valtavien kosmisten rakenteiden, kuten galaksien ja sumujen, tutkimusta, vaan myös uskomattoman pieniä ilmiöitä atomi- ja subatomiataidoissa. Mittakaavassa on kuitenkin toinenkin todellisuus, joka on paljon pienempi kuin mitä tiede on pystynyt tutkimaan. Tällä tasolla on arvo, joka on niin kaukana perinteisestä "pienen" ymmärtämisestä, että sitä on vaikea kuvitella. Tämä on Planckin pituus - se on 10 (20 voimaan) kertaa pienempi kuin vetyatomin ytimen halkaisija. Oletetaan (tai tarkemmin sanoen epäillään), että juuri tällä tasolla muodostuu avaruus-ajan "vaahto". Voit ymmärtää, mistä arvosta me puhumme, tutustumalla animaatioon "Scale of the Universe" tällä linkillä.
Ja silti mistä ulottuvuuksista me puhumme? Planckin pituus on vain 1,616 x 10 (tehoon -35). Se voidaan laskea käyttämällä yhtälöä, joka sisältää kolme kokonaista perusvakiota - Planckin vakio (6,6261 x 10 (-34: n voimalle)), valon nopeus tyhjiössä (2,29979 x 10 (8: n teholle) m / s) ja painovoimavakio (6,66738 x 10 (tehoon 11)):
Max Planck tuli ensin tähän merkittävään yksikköön työskennellessään mustan kehon säteilyn ja kvanttimekaniikan parissa. Olet todennäköisesti kuullut, että tämä on lyhin mahdollinen pituus.
Mainosvideo:
Kuten antiikin Kreikan atomikäsityksen tapauksessa, voit sanoa: "Tietenkin, jos minulla on tietty pituus ja jaan sen kahtia ja toistan sen uudestaan ja uudestaan, saan pienempiä arvoja." Puhumme kuitenkin asteikosta, jolla fysiikka ei enää pysty suorittamaan samaa kuin matematiikka. Yksi silmiinpistävimmistä esimerkeistä sellaisista mahdottomuuksista on liikkuminen superluminal nopeudella. Toisin sanoen paperilla voit kohdistaa voimaa massaan ja kiihdyttää sitä valon nopeuteen ja suurempaan, mutta tiedämme, että luonnossa tämä on yksinkertaisesti fyysisesti mahdotonta, koska esineen massa (ja siksi sen kiihdyttämiseen tarvittava energia) kasvaa äärettömästi. Osoittautuu, että emme pysty toteuttamaan todellisuudessa kaikkea mitä voimme tehdä paperilla.
Jousteoria ennustaa niiden jousien olemassaolon, jotka muodostavat kaikki alkuainepartikkelit, tarkasti Planckin pituuden / maailmankaikkeuden katsauksessa.
Joten miten niin pieni määrä sopii fysiikkaan? Jos kahta hiukkasta erottaa Planckin pituus tai jopa vähemmän etäisyys, niin niiden kunkin sijaintia ei voida määrittää. Lisäksi kaikki kvanttigravitaation vaikutukset tällä mittakaavalla (jos niitä on) ovat tieteelle tuntemattomia, koska siellä tilaa itse ei ole määritetty oikein. Tietyssä mielessä voimme sanoa, että vaikka olisimmekin kehittäneet mittausmenetelmiä, jotka kykenevät "tarkastelemaan" näitä asteikkoja, emme voi koskaan mitata mitään vähemmän, riippumatta menetelmämme ja laitteidemme parannuksista edelleen.
Vakiona tehdyn kosmologisen mallin mukaan maailmankaikkeus syntyi Ison räjähdyksen seurauksena, joka alkoi äärettömän tiheästä kohdasta. Erityisen mielenkiintoista on, että fyysikoilla ja kosmologeilla ei ole yhtäänkään käsitystä siitä, mitkä fysiikan lait vallitsivat maailmankaikkeudessa ennen kuin se ylitti Planckin koon, koska kvanttigravitaation teoriaa ei ole vielä vahvistettu. Siitä huolimatta, tämä yksikkö on osoittautunut hyödylliseksi monissa eri yhtälöissä, jotka ovat auttaneet laskemaan ja tutkimaan joitain maailmankaikkeuden tärkeimmistä mysteereistä.
Esimerkiksi Planckin pituus on avainkomponentti Bekenstein-Hawking-yhtälössä mustan aukon entropian laskemiseksi. Jousmateoreetikot uskovat, että juuri tässä mittakaavassa on”väriseviä” jousia, jotka muodostavat standardimallin alkuainehiukkaset. Yksi asia on varma siitä, onko jousiteoria totta vai ei: pyrkiessään yhtenäiseen kaikkeen teoriaan, Planckin pituuden ja siihen liittyvän fysiikan ymmärtäminen on avainasemassa.
Ensimmäisiä maailmankaikkeuden olemassaolon hetkiä kosmologiassa kutsutaan Planck-aikakaudeksi / Illinoisin yliopistoksi.
Entä Planckin aika? Lyhyesti sanottuna Planckin aika on aika, joka valaisemassa tapahtuva valo kuljettaa Planckin pituuden. Tämän seurauksena nämä kaksi määrää liittyvät toisiinsa. On uteliasta, että Planck-ajan laskemiseksi tarvitaan Planck-vakio, gravitaatiovakio ja valon nopeus tyhjiössä. Planck-ajan tarkka arvo on 5 391 x 10 (-44: n voimaan) sekuntia, ja se lasketaan kaavalla:
Planck-aikaa kutsutaan myös ajan kvantiksi - pienimmäksi aja-arvoksi, jolla on todellinen arvo. Pienemmät ajat ovat merkityksettömiä. Palaten takaisin teoreettisiin hypoteeseihin, jousiateoreetikot olettavat, että Planckin kokoiset jouset värisevät Planckin aikaa vastaavalla taajuudella. Jotkut tutkijat ehdottivat vuonna 2003 analysoidessaan syvän kentän kuvia Hubble-teleskoopista, että jos avaruus-ajanvaihteluita olisi Planckin asteikolla, erittäin kaukana olevien kohteiden kuvat olisivat epäselviä. He väittivät, että Hubble-kuvat olivat liian tarkkoja, mikä asiantuntijoiden mukaan kyseenalaisti Planckin mittakaavan käsitteen. Muut tiedeyhteisön jäsenet olivat eri mieltä tästä oletuksesta huomauttaen,että tällaiset vaihtelut olisivat liian pieniä havaittavissa. Lisäksi ehdotettiin, että odotettu epäterävyys poistuisi kuvissa olevien suurten kohteiden avulla.
Hubble erittäin syvä kenttä / NASA / ESA / R THOMPSON.
Joten Planckin pituus ja siihen liittyvä Planckin aika määrää asteikon, jolla nykyaikaiset fyysiset teoriat lakkaavat toimimasta. Kaikella avaruuden ja ajan geometrialla, jonka yleinen suhteellisuusteoria on ennustanut, ei enää ole merkitystä. Nämä asteikot tallentavat vielä toistaiseksi havaitsemattoman teorian, joka yhdistää yleisen suhteellisuuden ja kvanttimekaniikan, joka pystyy kuvaamaan täydellisimmin fysiikan lait. Itse asiassa juuri tästä syystä nykyaikaiset kuvaukset maailmankaikkeuden kehityksestä alkavat vasta 5 391 x 10 (-44 asteen voimalle) sekunnin kuluttua Ison räjähdyksen jälkeen, kun maailmankaikkeus oli 1,616 x 10 (-35: n voimaan).
Vladimir Guillen