Jeśli podzielisz materię we wszechświecie na coraz mniejsze składniki, w końcu osiągniesz ograniczenie w obliczu fundamentalnej i niepodzielnej cząstki. Wszystkie obiekty makroskopowe można podzielić na cząsteczki, nawet atomy, potem elektrony (które są fundamentalne) i jądra, potem na protony i neutrony, aż w końcu będą w nich kwarki i gluony. Elektrony, kwarki i gluony to przykłady cząstek podstawowych, których nie można dalej rozdzielać. Ale jak to możliwe, że sam czas i przestrzeń mają te same ograniczenia? Dlaczego w ogóle istnieją wartości Plancka, których nie można dalej podzielić?
Aby zrozumieć, skąd pochodzi wielkość Plancka, warto zacząć od dwóch filarów rządzących rzeczywistością: ogólnej teorii względności i fizyki kwantowej.
Ogólna teoria względności wiąże materię i energię, które istnieją we Wszechświecie, z krzywizną i deformacją struktury czasoprzestrzeni. Fizyka kwantowa opisuje, w jaki sposób różne cząstki i pola oddziałują ze sobą w ramach czasoprzestrzeni, w tym na bardzo małą skalę. Istnieją dwie podstawowe stałe fizyczne, które odgrywają rolę w ogólnej teorii względności: G jest stałą grawitacyjną Wszechświata, a c jest prędkością światła. G powstaje, ponieważ wyznacza wskaźnik deformacji czasoprzestrzeni w obecności materii i energii; c - ponieważ to oddziaływanie grawitacyjne rozchodzi się w czasoprzestrzeni z prędkością światła.
W mechanice kwantowej pojawiają się również dwie podstawowe stałe: c i h, gdzie ta ostatnia jest stałą Plancka. c to ograniczenie prędkości dla wszystkich cząstek, prędkość, z jaką muszą się poruszać wszystkie cząstki bezmasowe, oraz maksymalna prędkość, z jaką może propagować się jakakolwiek interakcja. Stała Plancka była niezwykle ważna w opisywaniu kwantowania (zliczania) poziomów energii kwantowej, interakcji między cząstkami i wszystkich możliwych skutków zdarzeń. Elektron krążący wokół protonu może mieć dowolną liczbę poziomów energii, ale wszystkie pojawiają się w dyskretnych krokach, a wielkość tych kroków jest określona przez h.
Połącz te trzy stałe, G, c i h, a możesz użyć różnych ich kombinacji, aby zbudować skalę długości, masy i okresu. Są one znane odpowiednio jako długość Plancka, masa Plancka i czas Plancka. (Można wykreślić inne wielkości, na przykład energię Plancka, temperaturę Plancka i tak dalej). Wszystko to jest w zasadzie skalą długości, masy i czasu, w których - przy braku jakichkolwiek innych informacji - efekty kwantowe będą znaczące. Istnieją dobre powody, by sądzić, że tak jest i dość łatwo jest zrozumieć, dlaczego tak jest.
Wyobraź sobie, że masz cząstkę o określonej masie. Zadajesz pytanie: "Gdyby moja cząstka miała taką masę, jak mała powinna być ściśnięta, aby stała się czarną dziurą?" Możesz także zapytać: „Gdybym miał czarną dziurę o określonej wielkości, ile czasu zajęłoby cząstce poruszającej się z prędkością światła pokonanie odległości równej tej wielkości?” Masa Plancka, długość Plancka i czas Plancka odpowiadają dokładnie takim wielkościom: czarna dziura o masie Plancka będzie długością Plancka i przecinała się z prędkością światła w czasie Plancka.
Film promocyjny:
Ale masa Plancka jest dużo, dużo bardziej masywna niż jakiekolwiek cząstki, które kiedykolwiek stworzyliśmy; jest 10 (19 razy moc) cięższy niż proton! Podobnie długość Plancka jest 10 (14 mocy) razy mniejsza niż jakakolwiek odległość, na jaką kiedykolwiek sondowaliśmy, a czas Plancka jest 10 (25 mocy) razy mniej niż jakikolwiek bezpośrednio zmierzony. Skale te nigdy nie były dla nas bezpośrednio dostępne, ale są ważne z innego powodu: energia Plancka (którą można uzyskać, umieszczając masę Plancka w E = mc2) jest skalą, w której kwantowe efekty grawitacyjne zaczynają nabierać znaczenia i znaczenia.
Oznacza to, że przy energiach tej wielkości - albo w skali czasu krótszej niż czas Plancka, albo w skali długości mniejszej niż długość Plancka - nasze obecne prawa fizyki muszą zostać naruszone. W grę wchodzą skutki grawitacji kwantowej, a przewidywania ogólnej teorii względności nie są już wiarygodne. Krzywizna przestrzeni staje się bardzo duża, co oznacza, że „tło”, którego używamy do obliczania wielkości kwantowych, również przestaje być wiarygodne. Niepewność co do energii i czasu oznacza, że niepewności stają się większe niż wartości, które znamy, jak obliczyć. Krótko mówiąc, fizyka, do której jesteśmy przyzwyczajeni, już nie działa.
To nie jest problem dla naszego wszechświata. Te skale energii są 10 (15 stopni) razy większe niż te, które może osiągnąć Wielki Zderzacz Hadronów i 100 000 000 razy większe niż najbardziej energetyczne cząstki stworzone przez sam Wszechświat (promienie kosmiczne o wysokiej energii), a nawet 10 000 razy wyższe niż wskaźniki osiągnięte przez Wszechświat zaraz po Wielkim Wybuchu. Ale gdybyśmy chcieli zbadać te granice, jest jedno miejsce, w którym mogą być ważne: w osobliwościach znajdujących się w centrach czarnych dziur.
W tych miejscach masy, które znacznie przekraczają masę Plancka, są kompresowane do rozmiaru teoretycznie mniejszego niż długość Plancka. Jeśli jest takie miejsce we Wszechświecie, w którym łączymy wszystkie linie w jedną i wchodzimy w tryb Plancka, to jest to. Nie możemy dziś uzyskać do niego dostępu, ponieważ jest zasłonięty horyzontem zdarzeń czarnej dziury i jest niedostępny. Ale jeśli będziemy wystarczająco cierpliwi - a to wymaga dużo cierpliwości - wszechświat da nam taką możliwość.
Widzisz, czarne dziury powoli zanikają w czasie. Integracja kwantowej teorii pola z zakrzywioną czasoprzestrzenią ogólnej teorii względności oznacza, że niewielka ilość promieniowania jest emitowana w przestrzeni poza horyzontem zdarzeń, a energia tego promieniowania pochodzi z masy czarnej dziury. Z biegiem czasu masa czarnej dziury maleje, horyzont zdarzeń kurczy się, a po 10 (do potęgi 67) lat czarna dziura masy słonecznej całkowicie wyparuje. Gdybyśmy mogli uzyskać dostęp do całego promieniowania, które opuściło czarną dziurę, w tym do ostatnich chwil jej istnienia, bez wątpienia bylibyśmy w stanie złożyć w całość wszystkie efekty kwantowe, których nie przewidywały nasze najlepsze teorie.
Nie jest wcale konieczne, aby przestrzeń nie mogła być podzielona na jednostki nawet mniejsze niż długość Plancka, a czasu nie można podzielić na jednostki mniejsze niż czas Plancka. Po prostu wiemy, że nasz opis wszechświata, w tym nasze prawa fizyki, nie może wykraczać poza te skale. Czy przestrzeń jest wymierna? Czy czas naprawdę płynie w sposób ciągły? I co zrobimy z faktem, że wszystkie znane cząstki fundamentalne we Wszechświecie mają masy znacznie, dużo mniejsze niż masy Plancka? W fizyce nie ma odpowiedzi na te pytania. Skale Plancka nie są tak fundamentalne w ograniczaniu wszechświata, jak w naszym rozumieniu wszechświata. Więc wciąż eksperymentujemy. Być może, gdy będziemy mieć więcej wiedzy, otrzymamy odpowiedzi na wszystkie pytania. Jeszcze nie.
ILYA KHEL