W ciągu ostatnich 100 lat fizycy stworzyli dokładne i potężne teorie dotyczące wszechświata, od najmniejszego do największego. Istnieją jednak skale, w których wszystkie te teorie nie działają i które skrywają największe tajemnice praw natury.
Jesteśmy przyzwyczajeni do życia w świecie wielkich, makroskopijnych rzeczy. Wszystko, co przeciętny człowiek spotyka w ciągu dnia - od filiżanki kawy rano po ogromną kulę ognia na niebie zwaną Słońcem - to rzeczy, które możemy zobaczyć lub dotknąć. Jednak nawet w starożytnej Grecji filozofowie, w szczególności Demokryt i jego nauczyciel Leucippus, sugerowali, że wszystko składa się z najmniejszych niepodzielnych cząstek - atomów (dosłownie przetłumaczone z greckiego oznacza „niepodzielne”).
Z biegiem czasu odkryto atom, a następnie jego właściwość polegającą na tym, że wcale nie jest niepodzielny, ale składa się z jądra i obracającego się wokół niego elektronu. Wtedy okazało się, że jądro również składa się z protonów i neutronów. Jeszcze później odkryto kwarki, z których zbudowane są protony i neutrony jąder atomowych. Te małe cząsteczki nazywane są elementarnymi. Oprócz kwarków wśród cząstek elementarnych są już wspomniane elektrony, bozony, neutrina i fotony. Wszystkie są uważane za te same starożytne greckie „atomy” - niepodzielne.
W 1899 r. (W niektórych źródłach - w 1900 r.) Niemiecki fizyk i niepełnoetatowy twórca teorii kwantowej Max Planck zaproponował specjalną miarę pomiaru - jednostki Plancka. Są to jednostki zaprojektowane w celu uproszczenia pewnych wyrażeń algebraicznych występujących w fizyce teoretycznej, w szczególności w mechanice kwantowej. Obejmują one takie podstawowe jednostki, jak masa Plancka, temperatura Plancka, długość Plancka i czas Plancka. W tym artykule rozważymy długość Plancka i czas Plancka i spróbujemy zrobić to w jak najbardziej zrozumiały sposób, bez skomplikowanych obliczeń matematycznych (chociaż będziemy potrzebować pewnych formuł).
Jak już wiesz, fizyka zajmuje się nie tylko badaniem ogromnych struktur kosmicznych, takich jak galaktyki i mgławice, ale także niewiarygodnie małych zjawisk w skali atomowej i subatomowej. Istnieje jednak inna rzeczywistość na znacznie mniejszą skalę niż to, co nauka była w stanie zbadać. Na tym poziomie istnieje wartość, która tak daleko wykracza poza tradycyjne rozumienie pojęcia „małe”, że trudno to sobie wyobrazić. Taka jest długość Plancka - jest ona 10 (do potęgi 20) razy mniejsza niż średnica jądra atomu wodoru. Przyjmuje się (a ściślej podejrzewa), że to na tym poziomie tworzy się „piana” czasoprzestrzeni. Aby zrozumieć, o jakiej wartości mówimy, możesz zajrzeć do animacji „Scale of the Universe” pod tym linkiem.
A jednak o jakich wymiarach mówimy? Długość Plancka to tylko 1,616 x 10 (do mocy -35) metrów. Można ją obliczyć za pomocą równania, które obejmuje trzy całe podstawowe stałe - stałą Plancka (6,6261 x 10 (do potęgi -34)), prędkość światła w próżni (2,29979 x 10 (do potęgi 8) m / s) i stała grawitacji (6,6738 x 10 (do potęgi-11)):
Max Planck jako pierwszy przybył do tej niezwykłej jednostki po pracy nad promieniowaniem ciała doskonale czarnego i mechaniką kwantową. Prawdopodobnie słyszałeś, że jest to najkrótsza możliwa długość.
Film promocyjny:
Tutaj, podobnie jak w przypadku starożytnej greckiej koncepcji atomu, można powiedzieć: „Oczywiście, jeśli mam określoną długość i podzielę ją na pół, a potem powtarzam to w kółko, otrzymam coraz mniejsze wartości”. Jednak mówimy o skali, w której fizyka nie jest już w stanie robić tego samego co matematyka. Jednym z najbardziej uderzających przykładów takich niemożliwości jest ruch z prędkością ponadświetlną. Oznacza to, że na papierze można przyłożyć siłę do masy i przyspieszyć ją do prędkości światła i większej, ale wiemy, że w przyrodzie jest to po prostu fizycznie niemożliwe, ponieważ masa obiektu (a zatem energia potrzebna do jego przyspieszenia) rośnie w nieskończoność. Okazuje się, że nie jesteśmy w stanie zrealizować w rzeczywistości wszystkiego, co możemy zrobić na papierze.
Teoria strun przewiduje istnienie strun, z których składają się wszystkie cząstki elementarne, dokładnie w przeglądzie długości Plancka / Wszechświata.
Jak więc taka mała ilość pasuje do fizyki? Jeśli dwie cząstki są oddzielone długością Plancka lub nawet mniejszą odległością, nie można określić położenia każdej z nich. Co więcej, wszelkie skutki grawitacji kwantowej w tej skali (jeśli w ogóle) są nieznane nauce, ponieważ sama przestrzeń nie jest tam odpowiednio zdefiniowana. W pewnym sensie możemy powiedzieć, że nawet gdybyśmy opracowali metody pomiarowe zdolne do „zajrzenia” w te skale, nigdy nie moglibyśmy zmierzyć niczego mniej, niezależnie od dalszego doskonalenia naszych metod i sprzętu.
Zgodnie ze standardowym modelem kosmologicznym wszechświat narodził się w wyniku Wielkiego Wybuchu, który rozpoczął się w nieskończenie gęstym punkcie. Szczególnie interesujące jest to, że fizycy i kosmolodzy nie mają najmniejszego pojęcia, jakie prawa fizyki panowały we Wszechświecie, zanim przekroczył on rozmiar Plancka, ponieważ nadal nie ma potwierdzonej teorii kwantowej grawitacji. Niemniej jednak jednostka ta okazała się przydatna w wielu różnych równaniach, które pomogły obliczyć i zbadać niektóre z najważniejszych tajemnic wszechświata.
Na przykład długość Plancka jest kluczowym składnikiem w równaniu Bekensteina-Hawkinga do obliczania entropii czarnej dziury. Teoretycy strun uważają, że w tej skali istnieją „wibrujące” struny, które tworzą elementarne cząstki Modelu Standardowego. Niezależnie od tego, czy teoria strun jest poprawna, czy nie, jedno jest pewne: w dążeniu do jednolitej teorii wszystkiego kluczową rolę będzie odgrywać zrozumienie długości Plancka i związanej z nią fizyki.
Pierwsze chwile istnienia Wszechświata w kosmologii nazywane są erą Plancka / University of Illinois.
A co z czasem Plancka? Krótko mówiąc, czas Plancka to czas, w którym światło w próżni przebywa długość Plancka. W konsekwencji te dwie wielkości są ze sobą powiązane. Ciekawe, że do obliczenia czasu Plancka potrzebna jest stała Plancka, stała grawitacji i prędkość światła w próżni. Dokładna wartość czasu Plancka wynosi 5,391 x 10 (do potęgi -44) sekund i jest obliczana według wzoru:
Czas Plancka nazywany jest również kwantem czasu - najmniejszą wartością czasu, która ma jakąkolwiek rzeczywistą wartość. Mniejsze czasy są bez znaczenia. Wracając do hipotez teoretycznych, teoretycy strun zakładają, że struny wielkości Plancka wibrują z częstotliwością odpowiadającą czasowi Plancka. W 2003 roku, analizując obrazy Głębokiego Pola z teleskopu Hubble'a, niektórzy naukowcy zasugerowali, że gdyby fluktuacje czasoprzestrzenne występowały w skali Plancka, obrazy bardzo odległych obiektów byłyby rozmyte. Twierdzili, że obrazy z Hubble'a są zbyt dokładne, co zdaniem ekspertów podważa koncepcję skali Plancka. Inni członkowie społeczności naukowej nie zgodzili się z tym założeniem, zauważając:że takie fluktuacje byłyby zbyt małe, aby można je było zaobserwować. Ponadto sugerowano, że oczekiwane rozmycie zostało usunięte przez duże rozmiary obiektów na zdjęciach.
Ultragłębokie Pole Hubble'a / NASA / ESA / R. THOMPSON.
Zatem długość Plancka i związany z nią czas Plancka określają skalę, w jakiej przestają działać współczesne teorie fizyczne. Wszelka geometria czasoprzestrzenna przewidziana przez Ogólną teorię względności przestaje mieć jakiekolwiek znaczenie. Skale te przechowują jeszcze nieodkrytą teorię, która łączy ogólną teorię względności i mechanikę kwantową, która może najpełniej opisać prawa fizyki. W rzeczywistości to właśnie z tego powodu współczesne opisy rozwoju Wszechświata zaczynają się dopiero 5,391 x 10 (do potęgi -44) sekund po Wielkim Wybuchu, kiedy Wszechświat miał 1,616 x 10 (do potęgi -35) metrów.
Vladimir Guillen