Kui jagate universumis oleva aine väiksemateks ja väiksemateks koostisosadeks, siis jõuate põhimõttelise ja jagamatu osakesega silmitsi lõpuks piirini. Kõik makroskoopilised objektid võib jagada molekulideks, isegi aatomiteks, seejärel elektroniteks (mis on põhilised) ja tuumadeks, seejärel prootoniteks ja neutroniteks ning lõpuks on nende sees kvargid ja gluoonid. Elektronid, kvargid ja glüoonid on näited põhilistest osakestest, mida ei saa enam eraldada. Kuid kuidas on võimalik, et aeg ja ruum ise on samade piirangutega? Miks üldse on olemas Plancki väärtused, mida ei saa enam jagada?
Et mõista, kust pärineb Plancki kogus, tasub alustada kahe sambaga, mis valitsevad reaalsust: üldrelatiivsusteooria ja kvantfüüsika.
Üldrelatiivsus seob Universumis eksisteerivat ainet ja energiat ruumi-aja kanga kumeruse ja deformatsiooniga. Kvantfüüsika kirjeldab, kuidas erinevad osakesed ja väljad interakteeruvad üksteisega aeg-aja ruumis, sealhulgas ka väga väikeses mastaabis. Üldrelatiivsuses mängib rolli kaks põhilist füüsikalist konstanti: G on universumi gravitatsioonikonstant ja c on valguse kiirus. G tekib seetõttu, et see seab ruumi ja aja deformatsiooni indikaatori aine ja energia juuresolekul; c - kuna see gravitatsiooniline interaktsioon levib ruumis-ajas valguse kiirusel.
Kvantmehaanikas ilmnevad ka kaks põhikonstanti: c ja h, kus viimane on Plancki konstant. c on kõigi osakeste kiirusepiirang, kiirus, millega kõik massita osakesed peavad liikuma, ja maksimaalne kiirus, millega igasugune interaktsioon võib levida. Plancki konstant oli uskumatult oluline kvantienergia tasemete kvantiseerimise (loendamise), osakeste vahelise interaktsiooni ja kõigi sündmuste võimalike tulemuste kirjeldamisel. Prootoni ümber pöörleval elektronil võib olla suvaline arv energiatasemeid, kuid need kõik ilmuvad diskreetsete sammudena ja nende astmete suurus määratakse h abil.
Kombineerige need kolm konstanti G, c ja h ning saate pikkuse, massi ja ajavahemiku skaala koostamiseks kasutada nende erinevaid kombinatsioone. Neid tuntakse vastavalt kui Plancki pikkus, Plancki mass ja Plancki aeg. (Joonestada võib ka muid koguseid, näiteks Plancki energia, Plancki temperatuur jne). See kõik on üldjoontes pikkuse, massi ja ajaline skaala, millel kvantiefektid on muu teabe puudumisel märkimisväärsed. On alust arvata, et see nii on, ja on üsna lihtne aru saada, miks see nii on.
Kujutage ette, et teil on osake teatud massist. Te esitate küsimuse: "Kui mu osakesel oleks selline mass, siis kui väikeseks see peaks kokku pressima, et sellest saaks must auk?" Võite ka küsida: "Kui mul oleks teatud suurusega must auk, siis kui kaua kulub selleks, et osake, mis liigub valguse kiirusel, kataks selle suurusega võrdse vahemaa?" Plancki mass, Plancki pikkus ja Plancki aeg vastavad täpselt sellistele kogustele: Plancki massi must auk on Plancki pikkus ja ristub valguse kiirusega Plancki aja järgi.
Reklaamvideo:
Kuid Plancki mass on palju, palju massiivsem kui kõik osakesed, mille me kunagi oleme loonud; see on 10 (19 võimsust) korda raskem kui prooton! Samuti on Plancki pikkus 10 (14 võimsust) korda väiksem kui ükski vahemaa, mida me eales oleme kõlanud, ja Plancki aeg on 10 (25 võimsust) korda väiksem kui ükski otseselt mõõdetud vahemaa. Need skaalad pole meile kunagi otseselt kättesaadavad olnud, kuid need on olulised muul põhjusel: Plancki energia (mille saate Plancki massi väärtusesse E = mc2 lisades) on skaala, kus kvantgravitatsioonilised efektid hakkavad omandama tähtsust ja olulisust.
See tähendab, et sellises suurusjärgus energiatel - kas aja skaala on lühem kui Plancki aeg või pikkuskaalal on väiksem kui Plancki pikkus - tuleb meie praeguseid füüsikaseadusi rikkuda. Mängule tulevad kvantgravitatsiooni mõjud ja üldrelatiivsuse prognoosid pole enam usaldusväärsed. Ruumi kumerus muutub väga suureks, mis tähendab, et ka "taust", mida me kvantkoguste arvutamiseks kasutame, ei ole enam usaldusväärne. Energia ja aja ebakindlus tähendab, et määramatused muutuvad kõrgemaks väärtustest, mida me teame arvutada. Ühesõnaga, füüsika, millega oleme harjunud enam mitte töötama.
See pole meie universumi probleem. Need energia skaalad on 10 (15 kraadi) korda kõrgemad kui need, millele Suure Hadroniga põrkuja pääseb, ja 100 000 000 korda suuremad kui kõige energilisemad osakesed, mille on loonud Universum ise (kõrge energiaga kosmilised kiired), ja isegi 10 000 korda kõrgemad näitajatest, milleni Universum jõudis kohe pärast Suurt Pauku. Kuid kui me tahaksime neid piire uurida, on üks koht, kus need võivad olla olulised: mustade aukude keskpunktis paiknevate singulaarsuste juures.
Nendes kohtades surutakse massid, mis ületavad märkimisväärselt Plancki massi, teoreetiliselt väiksemaks kui Plancki pikkus. Kui Universumis on koht, kus me koondame kõik read ühte ja astume Plancki režiimi, siis see on see. Me ei pääse täna sellele juurde, kuna seda varjab musta augu sündmuste horisont ja see on juurdepääsematu. Kuid kui oleme piisavalt kannatlikud - ja see võtab palju kannatlikkust -, siis universum annab meile selle võimaluse.
Näete, mustad augud aeglaselt lagunevad. Kvantvälja teooria integreerimine üldrelatiivsusteooria kõverdatud ruumiaega tähendab seda, et väljaspool sündmushorisonti eraldub kosmoses väike kogus radiatsiooni ja selle kiirguse energia tuleb musta augu massist. Aja jooksul musta augu mass väheneb, sündmuste horisont kahaneb ja 10 (67. võimsuseni) aasta pärast aurustub päikesemassi must auk täielikult. Kui pääseksime kogu mustast august väljuva kiirgusega, sealhulgas ka selle olemasolu viimaste hetkedega, saaksime kahtlemata kokku panna kvantmõjud, mida meie parimad teooriad ei ennustanud.
Pole üldse vajalik, et ruumi ei saaks jagada veelgi väiksemateks ühikuteks kui Plancki pikkus, ja seda aega ei saa jagada väiksemateks ühikuteks kui Plancki aeg. Me lihtsalt teame, et meie kirjeldus universumist, sealhulgas meie füüsikaseadustest, ei saa ületada neid skaalasid. Kas ruumi suurus on mõõdetav? Kas aeg voolab tõesti pidevalt? Ja mida me teeme tõsiasjaga, et kõigil universumi teadaolevatel põhiosakestel on masse palju, palju vähem kui Planckil? Füüsikas pole neile küsimustele vastuseid. Plancki skaalad ei ole universumi piiramisel nii põhimõttelised kui meie arusaam universumist. Nii et me jätkame katsetamist. Ehk kui meil on rohkem teadmisi, saame vastused kõigile küsimustele. Mitte veel.
ILYA KHEL
