Om du delar upp ämnet i universum i mindre och mindre beståndsdelar kommer du så småningom att nå en begränsning när du står inför en grundläggande och odelbar partikel. Alla makroskopiska föremål kan delas upp i molekyler, till och med atomer, sedan elektroner (som är grundläggande) och kärnor, sedan i protoner och neutroner, och slutligen kommer det att finnas kvarkar och gluoner inuti dem. Elektroner, kvarkar och gluoner är exempel på grundläggande partiklar som inte kan separeras ytterligare. Men hur är det möjligt att tid och rum i sig har samma begränsningar? Varför finns Planck-värden alls som inte kan delas ytterligare?
För att förstå var Plancks kvantitet kommer är det värt att börja med två pelare som styr verkligheten: allmän relativitet och kvantfysik.
Allmän relativitet förenar materie och energi som finns i universum med krökningen och deformationen av rymdtidens tyg. Kvantfysik beskriver hur olika partiklar och fält interagerar med varandra inom rymdens tyg, inklusive i mycket liten skala. Det finns två grundläggande fysiska konstanter som spelar en roll i den allmänna relativiteten: G är universitetets gravitationskonstant, och c är ljusets hastighet. G uppstår på grund av att det anger en indikator på rymd-tid deformation i närvaro av materia och energi; c - eftersom denna gravitationsinteraktion växer ut i rymden med ljusets hastighet.
I kvantmekanik förekommer också två grundläggande konstanter: c och h, där den senare är Plancks konstant. c är hastighetsgränsen för alla partiklar, hastigheten med vilken alla masslösa partiklar måste röra sig och den maximala hastigheten med vilken interaktion som helst kan föröka sig. Plancks konstant var oerhört viktigt för att beskriva hur kvantenerginivåer kvantifieras (räknas), interaktioner mellan partiklar och alla möjliga resultat av händelser. En elektron som roterar kring en proton kan ha valfritt antal energinivåer, men de visas alla i diskreta steg, och storleken på dessa steg bestäms av h.
Kombinera dessa tre konstanter, G, c och h, och du kan använda olika kombinationer av dem för att bygga en skala för längd, massa och tidsperiod. Dessa är kända respektive Planck-längd, Planck-massa och Planck-tid. (Andra kvantiteter kan plottas, till exempel Plancks energi, Plancks temperatur osv.). Allt detta är i stort sett en skala av längd, massa och tid då kvanteffekter - i avsaknad av annan information - kommer att vara betydande. Det finns goda skäl att tro att detta är fallet och det är ganska lätt att se varför det är.
Föreställ dig att du har en partikel av en viss massa. Du ställer frågan: "Om min partikel hade en sådan massa, hur liten ska den komprimeras för att göra det till ett svart hål?" Du kanske också frågar: "Om jag hade ett svart hål av en viss storlek, hur lång tid skulle det ta för en partikel som rör sig med ljusets hastighet för att täcka ett avstånd lika med denna storlek?" Planck-massan, Planck-längden och Planck-tiden motsvarar exakt dessa värden: ett svart hål med Planck-massan är Planck-längd och korsar varandra med ljusets hastighet under Planck-tiden.
Kampanjvideo:
Men Planck-massan är mycket, mycket mer massiv än några partiklar som vi någonsin har skapat; det är 10 (19 effekt) gånger tyngre än en proton! Plancks längd är likaså 10 (14 effekt) gånger mindre än något avstånd som vi någonsin har låtit, och Plancks tid är 10 (25 effekt) gånger mindre än något direkt uppmätt. Dessa skalor har aldrig varit direkt tillgängliga för oss, men de är viktiga av en annan anledning: Planck-energi (som du kan få genom att sätta Planck-massan i E = mc2) är den skala på vilken kvantgravitationseffekter börjar få betydelse och betydelse.
Detta innebär att vid energier av denna storlek - antingen tidsskalor kortare än Plancks tid, eller längdskalor mindre än Plancks längd - måste våra nuvarande fysiska lagar brytas. Effekterna av kvanttyngd spelar in, och förutsägelserna om allmän relativitet är inte längre tillförlitliga. Rymdens krökning blir mycket stor, vilket innebär att "bakgrunden" som vi använder för att beräkna kvantitet också upphör att vara tillförlitlig. Osäkerhet i energi och tid innebär att osäkerheten blir högre än de värden vi vet hur vi ska beräkna. Kort sagt, den fysik som vi är van vid fungerar inte längre.
Detta är inte ett problem för vårt universum. Dessa energivågor är 10 (15 grader) gånger högre än de som kan nås av Large Hadron Collider och 100.000.000 gånger större än de mest energiska partiklar som skapats av universum själv (kosmiska strålar med hög energi) och till och med 10.000 gånger högre än de indikatorer som nås av universum omedelbart efter Big Bang. Men om vi ville utforska dessa gränser, finns det en plats där de kan vara viktiga: vid singulariteter som ligger i mitten av svarta hål.
På dessa platser komprimeras massor som väsentligt överskrider Planck-massan till en storlek som teoretiskt sett är mindre än Planck-längden. Om det finns en plats i universumet där vi tar alla linjer i en och går in i Planck-läget, så är detta det. Vi kan inte få tillgång till den idag eftersom den är dold av händelshorisonten för svart hål och är otillgänglig. Men om vi är tålmodiga nog - och det kräver mycket tålamod - kommer universum att ge oss den möjligheten.
Du förstår, svarta hål förfalla långsamt med tiden. Integrationen av kvantfältteorin i den böjda rymdtiden för den allmänna relativiteten innebär att en liten mängd strålning släpps ut i rymden utanför händelseshorisonten, och energin för denna strålning kommer från det svarta hålets massa. Med tiden minskar det svarta hålets massa, händelseshorisonten minskar, och efter 10 (till den 67: e kraften) kommer solmassans svarta hål att förångas helt. Om vi kunde få tillgång till all strålning som lämnade det svarta hålet, inklusive de allra sista ögonblicken i dess existens, skulle vi utan tvekan kunna sammanföra alla kvanteffekter som våra bästa teorier inte förutspådde.
Det är inte alls nödvändigt att utrymmet inte kan delas upp i ännu mindre enheter än Plancks längd, och att tiden inte kan delas upp i enheter som är mindre än Planck-tiden. Vi vet bara att vår beskrivning av universum, inklusive våra fysiklagar, inte kan gå längre än dessa skalor. Är rymden kvantifierbar? Flyter tiden verkligen kontinuerligt? Och vad gör vi för att alla kända grundläggande partiklar i universum har massor mycket, mycket mindre än Plancks? Det finns inga svar på dessa frågor inom fysik. Planck-skalor är inte lika grundläggande för att begränsa universum som i vår förståelse av universum. Så vi fortsätter att experimentera. Kanske, när vi har mer kunskap, kommer vi att få svar på alla frågor. Inte än.
ILYA KHEL
