Pokud rozdělíte hmotu ve vesmíru na menší a menší složky, nakonec dosáhnete omezení, když čelíte základní a nedělitelné částici. Všechny makroskopické objekty lze rozdělit na molekuly, dokonce atomy, pak elektrony (které jsou základní) a jádra, pak na protony a neutrony a nakonec v nich budou kvarky a gluony. Elektrony, kvarky a gluony jsou příklady základních částic, které nelze dále oddělit. Jak je však možné, že čas a prostor mají stejná omezení? Proč Planckovy hodnoty vůbec existují a nelze je dále dělit?
Abychom pochopili, odkud Planckovo množství pochází, je třeba začít dvěma pilíři, které ovládají realitu: obecnou relativitu a kvantovou fyziku.
Obecná relativita spojuje hmotu a energii, která existuje ve vesmíru, se zakřivením a deformací struktury časoprostoru. Kvantová fyzika popisuje, jak různé částice a pole vzájemně reagují v rámci struktury časoprostoru, a to i ve velmi malém měřítku. Existují dvě základní fyzikální konstanty, které hrají roli v obecné relativitě: G je gravitační konstanta vesmíru a c je rychlost světla. G vzniká, protože určuje indikátor deformace v čase v přítomnosti hmoty a energie; c - protože tato gravitační interakce se šíří v časoprostoru rychlostí světla.
V kvantové mechanice se objevují také dvě základní konstanty: cah, kde posledně jmenovaná je Planckova konstanta. c je rychlostní limit pro všechny částice, rychlost, při které se musí všechny bezhmotné částice pohybovat, a maximální rychlost, při které se může šířit jakákoli interakce. Planckova konstanta byla neuvěřitelně důležitá při popisu toho, jak jsou kvantové hladiny energie kvantovány (počítány), interakce mezi částicemi a všechny možné výsledky událostí. Elektron otáčející se kolem protonu může mít libovolný počet energetických úrovní, ale všechny se objevují v diskrétních krocích a velikost těchto kroků je určena h.
Kombinujte tyto tři konstanty, G, cah, a můžete je použít různé kombinace k vytvoření měřítka pro délku, hmotnost a časové období. Tito jsou známí, jako, Planck délka, Planck hmotnost a Planck čas. (Jiná množství mohou být vynesena do grafu, například Planckova energie, Planckova teplota atd.). To vše je měřítkem délky, hmotnosti a času, ve kterém - v případě neexistence jakýchkoli jiných informací - budou kvantové účinky významné. Existují dobré důvody se domnívat, že tomu tak je, a je docela snadné pochopit, proč tomu tak je.
Představte si, že máte částici určité hmotnosti. Ptáte se na otázku: „Pokud má moje částice takovou hmotu, jak malá by měla být stlačena, aby se z ní stala černá díra?“Můžete se také zeptat: „Kdybych měl černou díru určité velikosti, jak dlouho by trvalo, než se částice pohybující se rychlostí světla pokryjí vzdálenosti stejné velikosti?“Planckova hmotnost, Planckova délka a Planckova doba přesně odpovídají těmto veličinám: černá díra s Planckovou hmotou bude Planckovou délkou a protíná se rychlostí světla v Planckově čase.
Propagační video:
Ale Planckova hmota je mnohem, mnohem hmotnější než jakékoli částice, které jsme kdy vytvořili; je to 10 (19 mocenských) časů těžší než proton! Planckova délka je rovněž 10krát (14 výkonů) krát menší než jakákoli vzdálenost, kterou jsme kdy znali, a doba Planck je 10krát (25 výkonů) krát menší než jakákoli přímo měřená. Tato měřítka pro nás nikdy nebyla přímo dostupná, ale jsou důležité z jiného důvodu: Planckova energie (kterou můžete získat vložením Planckovy hmotnosti do E = mc2) je měřítko, ve kterém kvantové gravitační účinky začínají nabývat na důležitosti a významu.
To znamená, že při energiích této velikosti - buď časových škál kratších než Planckův čas, nebo délkových škál menších než Planckova délka - musí být porušeny naše současné fyzikální zákony. Do hry vstupují účinky kvantové gravitace a předpovědi obecné relativity již nejsou spolehlivé. Zakřivení prostoru se stává velmi velkým, což znamená, že „pozadí“, které používáme pro výpočet kvantových množství, přestává být spolehlivé. Nejistota v energii a čase znamená, že nejistoty jsou vyšší než hodnoty, které víme, jak vypočítat. Stručně řečeno, fyzika, na kterou jsme zvyklí, již nefunguje.
Pro náš vesmír to není problém. Tyto energetické stupnice jsou 10 (15 stupňů) vyšší než ty, kterých lze dosáhnout velkým hadronovým srážkem, a 100 000 000 krát větší než nejenergičtější částice vytvořené samotným vesmírem (kosmické paprsky s vysokou energií) a dokonce 10 000 krát vyšší než ukazatele, kterých vesmír dosáhl bezprostředně po Velkém třesku. Ale pokud bychom chtěli prozkoumat tyto limity, existuje jedno místo, kde by mohly být důležité: u singularit umístěných ve středu černých děr.
Na těchto místech jsou hmoty, které významně převyšují Planckovu hmotu, stlačeny na velikost teoreticky menší než Planckova délka. Pokud je ve vesmíru místo, kde spojíme všechny řádky do jednoho a vstoupíme do Planckova režimu, tak to je ono. Dnes k němu nemůžeme získat přístup, protože je zakrytý horizontem událostí černé díry a je nepřístupný. Ale pokud budeme dostatečně trpěliví - a vyžaduje to hodně trpělivosti - vesmír nám dá příležitost.
Vidíte, černé díry se postupem času pomalu rozkládají. Integrace teorie kvantového pole do zakřivené časoprostoru obecné relativity znamená, že malé množství záření je emitováno v prostoru mimo horizont události a energie pro toto záření pochází z hmoty černé díry. Postupem času se hmota černé díry zmenšuje, horizont událostí se zmenšuje a po 10 (do 67. let) energie se černá díra sluneční hmoty úplně vypaří. Kdybychom měli přístup ke všem radiaci, které opustily černou díru, včetně posledních okamžiků její existence, mohli bychom nepochybně spojit všechny kvantové efekty, které naše nejlepší teorie nepředvídaly.
Není vůbec nutné, aby se prostor nemohl rozdělit na ještě menší jednotky, než je Planckova délka, a aby tento čas nemohl být rozdělen na jednotky menší, než je Planckův čas. Víme jen, že náš popis vesmíru, včetně našich fyzikálních zákonů, nemůže překročit tyto měřítka. Je prostor kvantifikovatelný? Provádí čas opravdu nepřetržitě? A co uděláme s tím, že všechny známé základní částice ve vesmíru mají masy mnohem, mnohem méně než Planckovy? Ve fyzice neexistují žádné odpovědi na tyto otázky. Planckovy stupnice nejsou tak zásadní v omezování vesmíru, jako v našem chápání vesmíru. Takže stále experimentujeme. Možná, až budeme mít více znalostí, dostaneme odpovědi na všechny otázky. Ještě ne.
ILYA KHEL