Hvis du deler saken i universet i mindre og mindre bestanddeler, vil du til slutt nå en begrensning når du står overfor en grunnleggende og udelelig partikkel. Alle makroskopiske objekter kan deles inn i molekyler, til og med atomer, deretter elektroner (som er grunnleggende) og kjerner, deretter til protoner og nøytroner, og til slutt vil det være kvarker og gluoner inni dem. Elektroner, kvarker og gluoner er eksempler på grunnleggende partikler som ikke kan skilles ytterligere. Men hvordan er det mulig at tid og rom i seg selv har de samme begrensningene? Hvorfor eksisterer Planck-verdier i det hele tatt som ikke kan deles videre?
For å forstå hvor Plancks mengde kommer fra, er det verdt å starte med to pilarer som styrer virkeligheten: generell relativitet og kvantefysikk.
Generell relativitet forbinder materie og energi som finnes i universet med krumningen og deformasjonen av stoffets rom-tid. Kvantefysikk beskriver hvordan forskjellige partikler og felt samvirker med hverandre i stoffets rom-tid, inkludert i veldig liten skala. Det er to grunnleggende fysiske konstanter som spiller en rolle i generell relativitet: G er universets gravitasjonskonstant, og c er lysets hastighet. G oppstår fordi det setter en indikator på deformasjon av rom-tid i nærvær av materie og energi; c - fordi denne gravitasjonsinteraksjonen forplanter seg i rom-tid med lysets hastighet.
I kvantemekanikk dukker det også opp to grunnleggende konstanter: c og h, der sistnevnte er Plancks konstant. c er fartsgrensen for alle partikler, hastigheten som alle masseløse partikler må bevege seg, og den maksimale hastigheten som en hvilken som helst interaksjon kan forplante seg. Plancks konstant var utrolig viktig når det gjaldt å beskrive hvordan kvanteenerginivåer kvantifiseres (telles), interaksjoner mellom partikler og alle mulige utfall av hendelser. Et elektron som dreier rundt en proton kan ha et hvilket som helst antall energinivåer, men de vises alle i separate trinn, og størrelsen på disse trinnene bestemmes av h.
Kombiner disse tre konstantene, G, c og h, og du kan bruke forskjellige kombinasjoner av dem for å bygge en skala for lengde, masse og tidsperiode. Disse er kjent som henholdsvis Planck-lengde, Planck-masse og Planck-tid. (Andre mengder kan plottes, for eksempel Plancks energi, Plancks temperatur og så videre). Alt dette er stort sett en skala med lengde, masse og tid der - i mangel av annen informasjon - kvanteeffekter vil være betydningsfulle. Det er gode grunner til å tro at dette er tilfelle, og det er ganske lett å se hvorfor det er det.
Se for deg at du har en partikkel av en viss masse. Du stiller spørsmålet: "Hvis partikkelen min hadde en slik masse, hvor liten skal den komprimeres for å gjøre den til et svart hull?" Du kan også spørre: "Hvis jeg hadde et svart hull i en viss størrelse, hvor lang tid ville det ta før en partikkel beveget seg med lysets hastighet for å dekke en avstand som er lik denne størrelsen?" Planck-massen, Planck-lengden og Planck-tiden tilsvarer nøyaktig disse mengdene: et svart hull med en Planck-masse vil være Planck-lengde og krysses med lysets hastighet i Planck-tiden.
Salgsfremmende video:
Men Planck-masse er mye, mye mer massiv enn noen partikler vi noen gang har skapt; den er 10 ganger 19 ganger tyngre enn en proton! Plancks lengde er på samme måte 10 (14 effekt) ganger mindre enn noen avstand vi noensinne har lydt, og Plancks tid er 10 (25 effekt) ganger mindre enn noe direkte målt. Disse skalaene har aldri vært direkte tilgjengelig for oss, men de er viktige av en annen grunn: Planck-energi (som du kan få ved å sette Planck-masse i E = mc2) er skalaen som kvantegravitasjonseffekter begynner å få betydning og betydning.
Dette betyr at ved energier av denne størrelsesorden - enten tidsskalaer kortere enn Plancks tid, eller lengdeskalaer mindre enn Plancks lengde - må våre nåværende fysiske lover brytes. Effektene av kvantetyngdekraft spiller inn, og spådommene om generell relativitet er ikke lenger pålitelige. Romets krumning blir veldig stor, noe som betyr at "bakgrunnen" som vi bruker for å beregne kvantemengder også slutter å være pålitelig. Usikkerhet i energi og tid betyr at usikkerhetene blir høyere enn verdiene vi vet å beregne. Kort sagt, fysikken vi er vant til, fungerer ikke lenger.
Dette er ikke et problem for vårt univers. Disse energiskalaene er 10 (15 grader) ganger høyere enn de som Large Hadron Collider kan nå, og 100.000.000 ganger større enn de mest energiske partiklene som er skapt av selve universet (kosmiske stråler med høy energi), og til og med 10.000 ganger høyere enn indikatorene nådd av universet rett etter Big Bang. Men hvis vi ønsket å utforske disse grensene, er det ett sted der de kan være viktige: ved singulariteter som ligger i sentrum av svarte hull.
På disse stedene blir masser som betydelig overstiger Planck-massen komprimert til en størrelse som teoretisk er mindre enn Planck-lengden. Hvis det er et sted i universet hvor vi tar alle linjer inn i en og går inn i Planck-modus, er dette det. Vi kan ikke få tilgang til den i dag fordi den er skjult av begivenhetshorisonten på svart hull og er utilgjengelig. Men hvis vi er tålmodige nok - og det krever mye tålmodighet - vil universet gi oss den muligheten.
Du forstår at sorte hull sakte sakte over tid. Integrasjonen av kvantefeltteori i den buede romtiden for generell relativitet innebærer at det sendes ut en liten mengde stråling i rommet utenfor hendelseshorisonten, og energien for denne strålingen kommer fra det sorte hullets masse. Over tid avtar massen på det sorte hullet, hendelseshorisonten trekker seg sammen, og etter 10 år (til 67. makten) år vil det sorte hullet i solmassen forsvinne fullstendig. Hvis vi kunne få tilgang til all strålingen som forlot det sorte hullet, inkludert de aller siste øyeblikkene av dets eksistens, kunne vi uten tvil kunne brette sammen alle kvanteeffektene som våre beste teorier ikke forutså.
Det er slett ikke nødvendig at plass ikke kan deles opp i enda mindre enheter enn Plancks lengde, og at tiden ikke kan deles inn i enheter som er mindre enn Planck-tid. Vi vet bare at beskrivelsen av universet, inkludert fysikkens lover, ikke kan overstige disse skalaene. Er plass kvantifiserbar? Flyter tiden virkelig kontinuerlig? Og hva gjør vi med det faktum at alle kjente grunnleggende partikler i universet har masser mye, mye mindre enn Plancks? Det er ingen svar på disse spørsmålene i fysikk. Planck-skalaer er ikke like grunnleggende når det gjelder å begrense universet som i vår forståelse av universet. Så vi fortsetter å eksperimentere. Kanskje, når vi har mer kunnskap, vil vi motta svar på alle spørsmål. Ikke ennå.
ILYA KHEL
