Viimase 100 aasta jooksul on füüsikud ehitanud täpsed ja võimsad teooriad universumist, väikseimast suurima. Siiski on olemas kaalud, millel kõik need teooriad ei tööta ja millel on loodusseaduste kohta suurimaid saladusi.
Oleme harjunud elama suurte, makroskoopiliste asjade maailmas. Kõik, mida keskmine inimene päevasel ajal kohtab - alates kohvitassist hommikul kuni hiiglasliku tulekerani taevas, mida nimetatakse Päikeseks - on asjad, mida me võime kas näha või puudutada. Kuid isegi Vana-Kreekas soovitasid filosoofid, eriti Democritus ja tema õpetaja Leucippus, et kõik koosneks väikseimatest jagamatutest osakestest - aatomitest (tõlgituna kreeka keelest sõna otseses mõttes "jagamatuks").
Aja jooksul avastati aatom ja seejärel selle omadus, et see pole üldse jagamatu, vaid koosneb tuumast ja selle ümber pöörlevast elektronist. Siis selgus, et tuum koosneb ka prootonitest ja neutronitest. Veel hiljem avastati kvarke, millest koosnevad aatomituumade prootonid ja neutronid. Neid pisikesi osakesi nimetatakse elementaarseteks. Lisaks kvarkidele on elementaarosakeste seas juba mainitud elektronid, bosonid, neutriinod ja footonid. Neid kõiki peetakse samade Vana-Kreeka "aatomiteks" - jagamatuks.
1899 (mõnedes allikates - 1900) pakkus saksa füüsik ja kvantteooria osalise tööajaga asutaja Max Planck välja spetsiaalse mõõtmise mõõtme - Plancki ühikud. Need on üksused, mis on kavandatud teoreetilises füüsikas, eriti kvantmehaanikas leiduvate teatud algebraliste väljendite lihtsustamiseks. Nende hulka kuuluvad sellised põhilised ühikud nagu Plancki mass, Plancki temperatuur, Plancki pikkus ja Plancki aeg. Selles artiklis käsitleme Plancki pikkust ja Plancki aega ning proovime seda teha kõige arusaadavamal viisil, ilma keerukate matemaatiliste arvutusteta (ehkki vajame mõnda valemit).
Nagu te juba teate, ei tegele füüsika mitte ainult selliste tohutute kosmiliste struktuuride uurimisega nagu galaktikad ja udud, vaid ka uskumatult väikeste nähtustega aatomi ja alaatomilisel skaalal. Siiski on skaalal veel üks reaalsus, mis on palju väiksem kui see, mida teadus on suutnud uurida. Sellel tasemel on väärtus, mis ulatub traditsioonilisest mõistest "väike" nii kaugele, et seda on raske ette kujutada. See on Plancki pikkus - see on 10 (võimsuseni 20) korda väiksem kui vesinikuaatomi tuuma läbimõõt. Eeldatakse (või täpsemini kahtlustatakse), et just sellel tasemel moodustub ruumi-aja "vaht". Selle väärtuse mõistmiseks võite selle lingi alt vaadata animatsiooni "Universumi skaala".
Ja ikkagi, millistest mõõtmetest me räägime? Plancki pikkus on ainult 1,616 x 10 (võimsusele -35). Selle arvutamiseks võib kasutada võrrandit, mis sisaldab kolme tervet põhikonstanti - Plancki konstant (6,6261 x 10 (võimsusele -34)), valguse kiirus vaakumis (2,29979 x 10 (võimsusele 8) m / s) ja gravitatsioonikonstant (6,66738 x 10 (võimsusele-11)):
Max Planck jõudis selle tähelepanuväärse üksuse juurde esmakordselt pärast musta keha kiirguse ja kvantmehaanika tööd. Tõenäoliselt olete kuulnud, et see on võimalikult lühike pikkus.
Reklaamvideo:
Siin, nagu Vana-Kreeka aatomi kontseptsiooni puhul, võite öelda: "Muidugi, kui mul on teatud pikkus ja ma jagan selle pooleks ja siis kordan seda ikka ja jälle, saan ma üha väiksemaid väärtusi." Kuid me räägime skaalast, kus füüsika pole enam võimeline tegema sama, mis matemaatika. Üks silmatorkavamaid näiteid sellistest võimatustest on liikumine ülikiire kiirusega. See tähendab, et paberil saate massile rakendada jõudu ja kiirendada seda valguse ja suurema kiirusega, kuid me teame, et looduses on see lihtsalt füüsiliselt võimatu, kuna objekti mass (ja seetõttu selle kiirendamiseks vajalik energia) suureneb lõpmata. Selgub, et me ei ole tegelikult võimelised rakendama kõike seda, mida saame teha paberil.
Keelteooria ennustab stringide olemasolu, mis moodustavad kõik elementaarsed osakesed, täpselt Plancki pikkuse / universumi ülevaates.
Kuidas siis mahub selline väike kogus füüsikasse? Kui kahte osakest eraldab Plancki pikkus või veelgi väiksem vahemaa, siis pole nende kummagi positsiooni võimatu kindlaks teha. Veelgi enam, kvantgravitatsiooni mõjud sellel skaalal (kui neid on) on teadusele teadmata, kuna seal pole ruum ise õigesti määratletud. Teatud mõttes võime öelda, et isegi kui oleks välja töötatud mõõtmismeetodid, mis suudaksid neid skaalasid "uurida", ei saaks me kunagi mõõta midagi vähemat, sõltumata oma meetodite ja varustuse edasisest täiustamisest.
Standardse kosmoloogilise mudeli järgi sündis universum lõpmata tihedas kohas alanud Suure Paugu tagajärjel. Eriti huvitav on see, et füüsikutel ja kosmoloogidel pole vähimatki aimu, millised füüsikaseadused valitsesid universumis enne, kui see ületas Plancki pikkuse, kuna kvantgravitatsiooni teooria pole veel kinnitatud. Sellest hoolimata on see seade osutunud kasulikuks paljudes erinevates võrrandites, mis on aidanud arvutada ja uurida universumi kõige olulisemaid saladusi.
Näiteks Plancki pikkus on Bekenstein-Hawkingi võrrandi põhikomponent musta augu entroopia arvutamiseks. Keelpilliteoreetikud usuvad, et just sellel skaalal on “vibreerivad” keelpillid, mis moodustavad standardmudeli elementaarsed osakesed. Ükskõik, kas keelte teooria vastab tõele või mitte, on kindel üks: kõiges ühtse teooria otsimisel mängib võtmerolli Plancki pikkuse ja sellega seotud füüsika mõistmine.
Universumi olemasolu esimesi esimesi hetki kosmoloogias nimetatakse Plancki ajastuks / Illinoisi ülikooliks.
Mis saab Plancki ajast? Lühidalt - Plancki aeg on aeg, mis kulub Plancki pikkuse läbimiseks vaakumis. Järelikult on need kaks kogust omavahel seotud. On uudishimulik, et Plancki aja arvutamiseks on vaja Plancki konstanti, gravitatsioonikonstanti ja valguse kiirust vaakumis. Plancki aja täpne väärtus on 5 391 x 10 (võimsusele -44) sekundit ja see arvutatakse järgmise valemi abil:
Plancki aega nimetatakse ka aja kvantiks - aja väikseimaks väärtuseks, millel on tegelik väärtus. Väiksemad ajad on mõttetud. Tulles tagasi teoreetiliste hüpoteeside juurde, eeldavad keelteoreetikud, et Plancki suuruses stringid vibreerivad Plancki ajale vastava sagedusega. 2003. aastal Hubble'i teleskoobist sügava välja pilte analüüsides pakkusid mõned teadlased välja, et kui Plancki skaalal esineksid ruumi-aja kõikumised, oleksid väga kaugete objektide pildid hägused. Hubble'i pildid olid nende väitel liiga täpsed, mis pani ekspertide sõnul kahtlema Plancki skaala kontseptsioonis. Teised teadusringkondade liikmed ei nõustunud selle oletusega, märkides,et sellised kõikumised oleksid jälgimiseks liiga väikesed. Lisaks tehti ettepanek, et eeldatav hägusus eemaldatakse piltide objektide suurel hulgal.
Hubble ülimalt sügav väli / NASA / ESA / R THOMPSON.
Niisiis määravad Plancki pikkus ja sellega seotud Plancki aeg skaala, mille juures tänapäevased füüsikalised teooriad lakkavad töötamast. Kogu ruumi-aja geomeetrial, mida üldrelatiivsusteooria ennustab, puudub igasugune tähendus. Need skaalad salvestavad seni veel avastamata teooria, mis ühendab üldist relatiivsustegurit ja kvantmehaanikat ning mis suudab füüsikaseadusi kõige paremini kirjeldada. Tegelikult algavad universumi arengu tänapäevased kirjeldused just sel põhjusel alles 5 391 x 10 (võimsusele -44) sekundit pärast Suurt Pauku, kui universumi mõõtmed olid 1,616 x 10 (võimsusele -35).
Vladimir Guillen
