V zadnjih 100 letih so fiziki gradili natančne in močne teorije o vesolju, od najmanjših do največjih. Vendar pa obstajajo lestvice, na katerih vse te teorije ne delujejo in ki skrivajo največ zakonov o naravi.
Navajeni smo živeti v svetu velikih, makroskopskih stvari. Vse, s čimer se povprečen človek srečuje čez dan - od skodelice kave zjutraj do ogromne ognjene žoge na nebu, imenovane Sonce - so stvari, ki jih lahko vidimo ali dotaknemo. Vendar so že v stari Grčiji filozofi, zlasti Demokrit in njegov učitelj Leucippus, predlagali, da je vse sestavljeno iz najmanjših nedeljivih delcev - atomov (dobesedno v prevodu iz grščine pomeni "nedeljiv").
Sčasoma je bil odkrit atom in nato njegova lastnost, da sploh ni nedeljiv, ampak je sestavljen iz jedra in elektrona, ki se vrti okoli njega. Potem se je izkazalo, da jedro sestavljajo tudi protoni in nevtroni. Še pozneje so odkrili kvarke, iz katerih so sestavljeni protoni in nevtroni atomskih jeder. Te drobne delce imenujemo elementarne. Poleg elementarnih delcev so že omenjeni elektroni, bozoni, nevtrini in fotoni. Vsi veljajo za iste iste grške "atome" - nedeljive.
Leta 1899 (v nekaterih virih - leta 1900) je nemški fizik in honorarni ustanovitelj kvantne teorije Max Planck predlagal poseben merilni ukrep - Planckove enote. Gre za enote, zasnovane za poenostavitev nekaterih algebrskih izrazov, ki jih najdemo v teoretični fiziki, zlasti v kvantni mehaniki. Sem spadajo takšne osnovne enote, kot so Planckova masa, Planckova temperatura, Planckova dolžina in Planckov čas. V tem članku bomo razmislili o Planckovi dolžini in Planckovem času in ga poskušali narediti na najbolj razumljiv način, brez zapletenih matematičnih izračunov (čeprav bomo potrebovali nekaj formul).
Kot že veste, se fizika ne ukvarja le s preučevanjem ogromnih kozmičnih struktur, kot so galaksije in meglice, temveč tudi neverjetno majhnih pojavov na atomski in subatomski lestvici. Vendar obstaja še ena resničnost na lestvici, ki je veliko manjša od tiste, ki jo je znanost lahko preučila. Na tej ravni obstaja vrednost, ki je tako daleč preko tradicionalnega razumevanja "majhnega", da si ga težko predstavljamo. To je Planckova dolžina - je 10 (z močjo 20) krat manjša od premera jedra vodikovega atoma. Domneva se (ali natančneje, sumimo), da se prav na tej ravni oblikuje "pena" prostora-časa. Če želite razumeti, o kateri vrednosti govorimo, si lahko pogledate animacijo "Lestvica vesolja" na tej povezavi.
In vendar o katerih dimenzijah govorimo? Dolžina Plancka je le 1,616 x 10 (do moči -35) metrov. Izračunamo ga lahko z enačbo, ki vključuje tri celotne temeljne konstante - Planckovo konstanto (6,6261 x 10 (do moči -34)), hitrost svetlobe v vakuumu (2,29979 x 10 (do moči 8) m / s) in gravitacijska konstanta (6.6738 x 10 (do moči 11)):
Max Planck je prvi prišel do te izjemne enote po delu na sevanju črnega telesa in kvantni mehaniki. Verjetno ste že slišali, da je to najkrajša možna dolžina.
Promocijski video:
Tu lahko, kot v primeru starogrškega koncepta atoma, rečete: "Seveda, če imam določeno dolžino in jo razdelim na polovico, nato pa jo znova in znova ponavljam, bom dobil manjše in manjše vrednosti." Govorimo pa o lestvici, pri kateri fizika ni več sposobna narediti enako kot matematika. Eden najbolj presenetljivih primerov takšnih nemožnosti je gibanje z nadčloveško hitrostjo. To je, na papirju lahko na silo nanesete silo in jo pospešite do hitrosti svetlobe in višje, vendar vemo, da je v naravi to preprosto fizično nemogoče, saj se masa predmeta (in s tem energije, ki je potrebna za njegovo pospeševanje) neomejeno poveča. Izkaže se, da nismo sposobni v resnici izvesti vsega, kar lahko naredimo na papirju.
Teorija strun napoveduje obstoj strun, ki sestavljajo vse elementarne delce, natančno v dolžini Planck / Universe Review.
Kako se tako majhna količina prilega fiziki? Če sta dva delca ločena z Planckovo dolžino ali celo manjšo razdaljo, potem ni mogoče določiti položajev vsakega od njih. Še več, kakršni koli učinki kvantne gravitacije na tej lestvici (če obstajajo) znanosti niso znani, saj tam sam prostor ni pravilno opredeljen. V nekem smislu lahko rečemo, da tudi če bi razvili metode merjenja, ki bi jih lahko "pogledali" v te lestvice, nikoli ne bi mogli izmeriti nič manj, ne glede na nadaljnje izboljšanje naših metod in opreme.
Po standardnem kozmološkem modelu se je vesolje rodilo kot rezultat Velikega poka, ki se je začel na neskončno gosto točko. Še posebej zanimivo je, da fiziki in kozmologi nimajo niti najmanjše predstave o tem, kateri zakoni fizike so v vesolju prevladovali, preden je po velikosti presegla Planckovo dolžino, saj še vedno ni potrjene teorije kvantne gravitacije. Kljub temu se je ta enota izkazala za uporabno v številnih enačbah, ki so pomagale izračunati in raziskati nekatere najpomembnejše skrivnosti vesolja.
Dolžina Planka je na primer ključna sestavina Bekenstein-Hawkingove enačbe za izračun entropije črne luknje. Teoretiki strun verjamejo, da prav na tej lestvici obstajajo "vibrirajoče" strune, ki sestavljajo osnovne delce Standardnega modela. Ne glede na to, ali je teorija strun resnična ali ne, eno je gotovo: v prizadevanju za enotno teorijo vsega bo razumevanje Planckove dolžine in fizike, povezano z njo, ključno vlogo.
Prvi trenutki obstoja Vesolja v kozmologiji se imenujejo Planckova doba / Univerza v Illinoisu.
Kaj pa Planckov čas? Na kratko, Planckov čas je čas, ki ga potrebuje svetloba v vakuumu za prehod Planckove dolžine. Posledično sta ti dve količini povezani. Zanimivo je, da so za izračun Planckovega časa potrebni Planckova konstanta, gravitacijska konstanta in hitrost svetlobe v vakuumu. Natančna vrednost Planckovega časa je 5,391 x 10 (do moči -44) sekund in se izračuna po formuli:
Planckov čas imenujemo tudi kvant časa - najmanjša vrednost časa, ki ima kakršno koli dejansko vrednost. Manjši časi so brez pomena. Po vrnitvi k teoretičnim hipotezam teoretiki strun domnevajo, da struni v velikosti Plancka vibrirajo s frekvenco, ki ustreza Planckovemu času. Leta 2003 so nekateri znanstveniki ob analizi posnetkov globokega polja s Hubblovega teleskopa predlagali, da če bi v Planckovi lestvici prisotna nihanja v prostoru in času, bi bile slike zelo oddaljenih predmetov zamegljene. Hubblove slike, trdijo, so bile preveč natančne, kar bi po mnenju strokovnjakov postavilo pod vprašaj koncept Planckove lestvice. Drugi člani znanstvene skupnosti se s to domnevo niso strinjali, saj so zapisali,da bi bila taka nihanja premajhna, da bi jih bilo mogoče opaziti. Poleg tega je bilo predlagano, da pričakovano zamegljenost odstrani velika velikost predmetov na slikah.
Hubble Ultra-Globoko polje / NASA / ESA / R. THOMPSON.
Torej, Planckova dolžina in s tem povezan Planckov čas določata obseg, pri katerem sodobne fizikalne teorije prenehajo delovati. Vsa prostorsko-časovna geometrija, ki jo predvideva Splošna teorija relativnosti, preneha imeti kakršen koli pomen. Te lestvice hranijo še neodkrito teorijo, ki združuje splošno relativnost in kvantno mehaniko, ki lahko najbolj v celoti opiše zakone fizike. Pravzaprav se prav zato sodobni opisi razvoja Vesolja začnejo šele 5.391 x 10 (do moči -44) sekund po velikem udaru, ko je bilo vesolje 1.616 x 10 (do moči -35) metrov.
Vladimir Guillen