Under de senaste 100 åren har fysiker byggt exakta och kraftfulla teorier om universum, från minsta till största. Men det finns vågar som alla dessa teorier inte fungerar och som har de största hemligheterna om naturlagarna.
Vi är vana vid att leva i en värld av stora, makroskopiska saker. Allt som den genomsnittliga personen möter under dagen - från en kopp kaffe på morgonen till en enorm eldkula på himlen som kallas solen - är saker som vi antingen kan se eller röra vid. Men även i det antika Grekland föreslog filosofer, särskilt Democritus och hans lärare Leucippus, att allt består av de minsta odelbara partiklarna - atomer (bokstavligen översatt från grekiska betyder "odelbar").
Med tiden upptäcktes atomen och sedan dess egenskap att den inte alls är odelbar utan består av en kärna och en elektron som roterar runt den. Då visade det sig att kärnan också består av protoner och neutroner. Ännu senare upptäcktes kvarkar, av vilka protonerna och neutronerna från atomkärnorna består. Dessa små partiklar kallas elementära. Förutom kvarker, nämns bland de elementära partiklarna redan elektroner, bosoner, neutrinoer och fotoner. Alla betraktas som samma antika grekiska "atomer" - odelbara.
År 1899 (i vissa källor - år 1900) föreslog den tyska fysikern och deltidens grundare av kvantteorien Max Planck ett speciellt måttmått - Planck-enheter. Dessa är enheter utformade för att förenkla vissa algebraiska uttryck som finns i teoretisk fysik, särskilt i kvantmekanik. Dessa inkluderar sådana grundläggande enheter som Planck-massa, Planck-temperatur, Planck-längd och Planck-tid. I den här artikeln kommer vi att överväga Planck-längden och Planck-tiden och försöka göra det på det mest begripliga sättet, utan komplicerade matematiska beräkningar (även om vi kommer att behöva några formler).
Som ni redan vet handlar fysiken inte bara om att studera enorma kosmiska strukturer som galaxer och nebulosor, utan också otroligt små fenomen på atomära och subatomära skalor. Men det finns en annan verklighet på en skala som är mycket mindre än vad vetenskapen har kunnat studera. På denna nivå finns det ett värde som är så långt bortom den traditionella förståelsen av "små" att det är svårt att föreställa sig. Det här är Planck-längden - den är 10 gånger (till kraften 20) gånger mindre än diametern på kärnan i en väteatom. Det antas (eller mer precist, det misstänks) att det är på denna nivå som "skummet" från rymdtid bildas. För att förstå vilket värde vi pratar om kan du titta på animationen "Skala av universum" på den här länken.
Och ändå vilka dimensioner pratar vi om? Planck-längden är bara 1.616 x 10 (till -35 effekt) meter. Det kan beräknas med en ekvation som innehåller tre hela grundkonstanter - Plancks konstant (6.6261 x 10 (till kraften på -34)), ljusets hastighet i vakuum (2.29979 x 10 (till kraften på 8) m / s) och gravitationskonstanten (6.6738 x 10 (till kraften-11)):
Max Planck kom först till denna anmärkningsvärda enhet efter att ha arbetat med svartkroppsstrålning och kvantmekanik. Du har förmodligen hört att det är kortast möjliga längd.
Kampanjvideo:
Här, som i fallet med det antika grekiska konceptet med atomen, kan du säga: "Naturligtvis, om jag har en viss längd och jag delar upp den i hälften, och sedan upprepar den om och om igen, kommer jag att få mindre och mindre värden." Men vi talar om en skala där fysik inte längre kan göra samma sak som matematik. Ett av de mest slående exemplen på sådana omöjligheter är rörelse med superluminal hastighet. Det vill säga, på papper kan du tillämpa kraft på massan och påskynda den till ljusets hastighet och högre, men vi vet att i naturen är detta helt enkelt fysiskt omöjligt, eftersom massan hos ett objekt (och därför energin som krävs för att accelerera det) ökar oändligt. Det visar sig att vi inte kan realisera allt vi kan göra på papper.
Stringteorin förutspår existensen av strängarna som utgör alla elementära partiklar, exakt vid Planck-längden / Universum Review.
Så hur passar en så liten mängd in i fysiken? Om två partiklar separeras med en Planck-längd eller ännu mindre avstånd, är det omöjligt att bestämma positionerna för var och en av dem. Dessutom är eventuella effekter av kvanttyngd på denna skala (om några) okända för vetenskapen, eftersom rymden i sig inte är korrekt definierad. På något sätt kan vi säga att även om vi utvecklade mätmetoder som kan "titta" in i dessa skalor, kunde vi aldrig mäta något mindre, oavsett den ytterligare förbättringen av våra metoder och utrustning.
Enligt den kosmologiska standardmodellen föddes universum som ett resultat av Big Bang, som började på en oändligt tät punkt. Det är särskilt intressant att fysiker och kosmologer inte har den minsta uppfattningen vilka fysiklagar som rådde i universum innan det överskred Planck-längden i storlek, eftersom det fortfarande inte finns någon bekräftad teori om kvanttyngd. Ändå har denna enhet visat sig vara användbar i många olika ekvationer som har bidragit till att beräkna och undersöka några av universums viktigaste mysterier.
Till exempel är Planck-längden en nyckelkomponent i Bekenstein-Hawking-ekvationen för att beräkna entropin för ett svart hål. Stringteoretiker tror att det är i denna skala att det finns "vibrerande" strängar som utgör de elementära partiklarna i standardmodellen. Oavsett om strängteori är sant eller inte, är en sak säker: i jakten på en enhetlig teori om allt kommer förståelsen av Planck-längden och fysiken som är associerad med den att spela en nyckelroll.
De allra första ögonblicken för universums existens inom kosmologi kallas Planck-eran / University of Illinois.
Vad sägs om Planck-tid? I ett nötskal är Planck-tiden den tid det tar för ljus i vakuum att resa Planck-längden. Följaktligen är dessa två kvantiteter relaterade. Det är konstigt att för att beräkna Planck-tiden behövs Planck-konstanten, gravitationskonstanten och ljusets hastighet i vakuum. Det exakta värdet för Planck-tiden är 5.391 x 10 (med en effekt på -44) sekunder, och det beräknas med formeln:
Planck-tid kallas också tidens kvantitet - det minsta värdet på tiden som har något verkligt värde. Mindre tider är meningslösa. När vi återgår till teoretiska hypoteser antar strängteoretiker att strängar av Planck-storlek vibrerar med en frekvens som motsvarar Planck-tiden. 2003, när de analyserade Deep Field-bilderna från Hubble-teleskopet, föreslog vissa forskare att om rymdtidssvingningar var närvarande på Planck-skalan, skulle bilder av mycket avlägsna objekt vara suddiga. De hävdade att Hubble-bilderna var för exakta, vilket enligt experter ifrågasatte begreppet Planck-skala. Andra medlemmar i det vetenskapliga samhället höll inte med om detta antagande och noterade,att sådana fluktuationer skulle vara för små för att observeras. Dessutom föreslogs att den förväntade oskärpa avlägsnades av den stora storleken på föremål i bilderna.
Hubble Ultra-Deep Field / NASA / ESA / R. Thompson.
Så, Planck-längden och den tillhörande Planck-tiden bestämmer omfattningen vid vilken moderna fysiska teorier slutar fungera. All geometri i rymdtid som förutses av den allmänna relativitetsteorin upphör att ha någon betydelse. Dessa skalor lagrar en ännu oupptäckt teori som förenar allmän relativitet och kvantmekanik, som bäst kan beskriva fysikens lagar. I själva verket är det av denna anledning som moderna beskrivningar av universums utveckling endast börjar 5,191 x 10 (till makten av -44) sekunder efter Big Bang, då universum var 1,616 x 10 (till makten av -35) meter.
Vladimir Guillen
